生态需水量的计算

从狭义来讲，生态需水量是指为维持地表水体特定的生态环境功能，天然水体必须储存和消耗的最小水量。在实际计算中，生态环境需水量分为3部分：(ａ)河流基本生态环境需水量，是指维持河流系统最基本的生态环境功能所需要的最少水量；(ｂ)河流输沙排盐需水量，指为维持河流形态和盐分的动态平衡，在一定输沙、排盐要求下所需要的水量；(ｃ)湖泊洼地生态环境需水量，指为维持湖泊洼地的水体功能而消耗于蒸发的水量。

生态需水量一般指改善生态环境质量或维护环境质量所需的水量从广义上来讲，维持全球生物地球化学平衡诸如水热平衡、源汇库动态平衡、生物平衡、水沙平衡、水盐平衡所需的最低水分消耗都是生态需水。用于河流水质保护和鱼类回游等所需的最低水量也属生态需水的范畴。对于生态环境脆弱区，生态需水应当指维护生态环境不再进一步恶化并逐渐改善所需地表水和地下水资源总量。

河流生态需水研究是在河流系统中，需要考虑的生态需水问题有：防止河道断流、湖库萎缩所需要的河道基流量；维持江河水沙平衡的最小流动水量；防止海水入侵所需的河口最小流量；改善江河水环境质量的最小稀释净化水量；维持生态系统稳定所需的河流流量；维持地下水水位动态平衡的最小补给水量。

生态需水与环境需水并不是一个概念，下面给出了各种关于生态环境需水不同意义。

生态需水是生态系统达到某种生态水平或者维持,某种生态系统平衡所需要的水量，或是发挥期望的生态功能所需要的水量，水量配置是合理的、可持续的。

生态用水是某种生态水平下所使用和发挥的水量，常常是由于自然原因，如降雨、洪水等造成水的存储或汇集，也可能是由于人为原因，如截流、引水、筑坝等形成的相关系统。这些水量未必是合理的和可持续的，多数是被动接受的水量。

生态耗水主要强调了生态系统特别是生物（植物、动物、微生物）生存消耗掉的水量，如蒸发量，需要通过水循环或径流等途径及时补给，体现了周期性和重复补给的特点。生态耗水是生态用水的重要组成部分，一般是小于或等于生态用水量。

环境需水尽管与生态需水存在着交叉和重合的部分，但从概念上来讲是两个不同的概念，应该区别对待。生态需水主要侧重在生物维持其自身发展及保护生物多样性方面，环境需水则主要体现在环境改善方面。

关于生态需水的计算国内外都发展出许多不同的方法，国外的生态需水研究开展较早，而且能得到的水文，生物，河道形状方面的资料比较全所以关于生态需水的计算方法也叫成熟。现在就对于国内外的不同生态需水计算方法进行分析。

1国外生态需水量的计算：

国外河流生态需水计算方法可分为河道内及河口两类，研究主要集中在河道内。河道生态环境需水研究可分为3个阶段：（1）20世纪60年代之前属于为河道生态环境需水理论的萌芽阶段，主要针对满足河道的航运功能进行研究，缺乏成熟的理论和方法。（2）70年代至80年代末期，此阶段河道生态环境需水及其相关概念得到人们普遍认同，开始从不同的角度对其进行系统研究，最初是根据水文历史资料进行河流流量分析，提出了一些基于水文学分析的方法，例如Tennant，后来水力学家根据河道断面参数判断河流所需流量，形成了基于水力学分析的方法，例如科罗拉多州水利局(Colorado Water Conservation Board)专家提出的R2-Cross法。以上两种方法都是从河流水文和水利学角度出发，缺乏与生物学的结合，这使得河道生态环境需水研究缺乏生态学依据，影响了方法的可信性，于是专家将水力分析与生境评价相结合，提出了基于生境适宜评价和模拟的方法，例如IFIM/PHABSIM法。(3) 90 年代之后,随着河流连续统等思想的提出,河道生态环境需水理论开始完善,原有的研究方法不断得到改进,同时又出现了一些新的研究方法其中最为突出的是南非BBM 法和澳大利亚的整体研究法(Holistic Approach ) ,特点是注重对河流生态系统整体的考虑。此外,还出现了一些其它方法,例如从流量与生物的直接关系入手进行研究的方法,从满足河流稀释、自净环境功能出发的研究方法。

国外河道内生态需水计算方法大致可以分为4类：1.历史流量法；2.水力定额法；3.生境模拟法；4.整体分析法

1.1历史流量法

历史流量法是根据简单的水文指标对河流流量进行设定,例如平均流量的百分率或者天然流量频率曲线上的保证率，常用的方法有蒙大拿法、流量历时曲线法、7Q10 法、Texas 法、NGPRP法等方法。

蒙大拿法(Tennant 法)可能是最常用的历史流量法，其解决的是水生生物、河流景观及娱乐与河流流量之间适应关系的问题。它将年平均流量的百分比作为基流，更适宜于以季节性为基础的需求。它具有宏观的定性指导意义。在美国维吉尼亚地区的河流中证实：10%的年平均流量是退化的或贫瘠的栖息地条件；20%的年平均流量提供了保护水生生物栖息地的适当标准；在小河流中，定义30%的年平均流量接近最佳生物栖息地标准。该法具有简单快速的特点,较适合于确定大河流的流量,但缺点是没有考虑到流量的季节变化,没有区分干旱年、湿润年和标准年的差异,没有考虑河流形状。

流量历时曲线法利用历史流量资料构建各月流量历时曲线，以某个保证率相应的流量作为河道内流量的需求。这种方法是建立在至少20ａ的日流量记录数据的基础之上，并且对每个月作一个推荐流量。流量历时曲线法保留了仅采用水文资料的简单性，而且因为所用资料全面，它可以更好地反映了径流年际、年内分布的不均匀性。因此，它比这个分类中的其他方法更精确，然而，还不能代表流域的全部情况。

7Q10 法采用90 % 保证率下最枯连续7 天的平均水量,作为满足污水稀释功能的河流所需流量,目的是维持河流水质标准,但其常常低估河流流量需求,造成河流生态功能要求不能得到满足。国内改进的7Q10 法是将近十年最枯月平均流量或百分之九十保证率最枯月平均流量作为最小流量,这样更能适合于国内河流的生态环境需水要求。

Texas 法进一步考虑了季节变化因素, 它将50 % 保证率下月流量的特定百分率作为最小流量。该法是根据各月的流量频率曲线进行计算,其中特定百分率是以研究区典型植物以及鱼类的水量需求设定的。由于在我国缺少关于水生生物的用水量确定资料，所以对于这个特定百分率目前还没有有效的办法来确定。由于Texas 河流都属于暖水性河流,所以该法更适合于流量变化主要受融雪影响的河流,其它类型河流应用Texas 法需要对标准做进一步研究。显然此法更适用于

西北内陆地区和东北地区，那边得河流多由冰川融水补给。

NGPRP 法是将年份分为干旱年、湿润年、标准年,取标准年组90 % 保证率流量作为最小流量。其优点是考虑了干旱年、湿润年和标准年的差别,将干旱年湿润年的资料的影响消除。该方法综合了气候状况以及可接受频率因素,但缺乏生物学依据，对于特定水生生物的用水量依然未涉及，显然，次于Texas 法。但是将不同年份分开考虑从这一点来说，其考虑的比其他方法全面。

1.2水力定额法

水力定额法根据河道水力参数(如宽度、深度、流速和湿周等) 确定河流所需流量,所需水力参数可以实测获得,也可以采用曼宁公式计算获得,代表方法有湿周法、R2-Cross法等。

湿周法的假设是：能够保护好临界区域的水生物栖息地的湿周，也将对非临界区域的栖息地提供足够的保护。具体过程是首先根据现场调查资料绘制湿周—流量关系图,然后确定关系曲线中湿周随流量增加所表现出的增长变化点

( breakpoint ) ,最后根据该变化点确定河流推荐流量。不同河流的湿周-流量增长变化点不同,有些在最大可利用湿周的80 %之处,有些所确定流量大约是平均流量的50 % ,以 Tennant 曾研究河流为例进行验证,发现平均流量的10 % 相当于最大湿周的50 % ,平均流量的30 %接近于最大湿周。现在通常是在曲线上找曲率最大的点作为变化点。该方法适用于宽浅型河流，河道的形状影响该方法的分析结果。

R2-Cross法具有和湿周法相同的假设。对于一般的浅滩式河流栖息地，如果将河流平均深度、平均流速和湿周长度作为反映生物栖息地质量的水力学指标，且在浅滩栖息地能够使这些指标保持在相当满意的水平上，那么也足以维护生物体和水生生态环境健康。该法确定最小生态需水量具有两个标准：一是湿周率，二是保持一定比例的河流宽度、平均水深以及平均流速等。R2-Cross法以曼宁公式为基础，根据一个河流断面的实测资料,确定相关参数,并将其代表整条河流。

与历史流量法相比，水力定额法包含了更多更为具体的河流信息，且只需要进行简单的现场测量，不需要详细的物种-生境关系数据，数据容易获得。然而

这类方法忽视了流量的季节变化，未能考虑河流中具体的物种或生命阶段的需求。同时，该类方法假定河道在时间尺度上是稳定的，并且所选择的横截面能够确切地表征整个河道的特征，而实际情况并非如此。

1.3栖息地定额法

栖息地定额法包括有效宽度(ＵＷ)法、加权有效宽度(ＷＵＷ)法、河道内流量增加法(IFIM/PHABSIM)等

其中IFIM/PHABSIM 应用最为广泛,这里以该法为例进行介绍。IFIM/ PHABSIM 法是利用水力模型预测水深、流速等水力参数,然后与生境适宜性标准相比较,计算适于指定水生物种的生境面积。其中IFIM 是指河道内流量的研究部分,要考虑的因素有流量状态、河道结构、水温、水质和水面高度、流速、基质、河面覆盖前四个是从大生境方面考虑后四个是从微生境方面考虑。该方法中的PHABSIM 模型是IFIM 中的微生境模拟和评价模型，它也是IFIM 法的核心。 PHABSIM 模型首先将河道断面分隔成间隔为w 的n 个部分, 确定每个部分的平均垂直流速( v i ) ,水位高程( h i ) 、基质属性( s i ) 和河面覆盖类型( c i ) 等。然后, 调查分析指示物种对这些参数的适宜要求,绘制环境参数的适宜性曲线,根据该曲线确定每个分隔部分的环境喜好度, 即水位喜好度( S h ) 、流速喜好度( S v ) 、基质喜好度( S s ) 、河面覆盖喜好度( S c ) ,它们都被表示为0 ～ 1 之间的值。最后,根据公式(1) 计算每个断面、每个指示物种

的总生境适宜性, 将其称作权重可利用面积( WUA ) ,其中A i 作为宽度为w ,长度为两个相邻断面距离的每个单元的水平面积。

∑-???=n

i WUA 1i c s v h i ) S S S (S A

重复计算不同流量下的WUA ,绘制成WUA 流量曲线,它能显示出流量变化对指示物种的某个生活期的影响,代表性曲线在低流量处具有一个最大值,其常作为水资源规划的依据而使用。该法是基于以下假设建立: ①水深、流速、基质和覆盖物是流量变化对物种数量和分布造成影响的主要因素；②这些因素相互影响,共同确定河流微生境条件；③河床形状不随流量变化而改变； ④WUA 与物种数量之间存在一定比例关系。

这种方法能将生物资料与河流流量研究相结合，使其更具说服力。同时它可与水资源规划过程相结合,在水资源配置框架中直接应用。该方法要考虑到指示生物在不同生活期对生境要求的变化,这种变化在河流流量上表现为对季节变化和适当的洪水规模的要求。另外,该法既不需要建立种群和生境之间的联系,也不需要像水文—生物分析法所需的生物数据量。但是此方法尚不适用于无脊椎动物和植物物种没有预测生物量或者种群变化,只是用生境指标进行代替,与其它模型缺乏紧密结合,没有明确考虑泥沙运输和河道形状变化,结果比较复杂,实施需要大量人力物力,不适合于快速使用。另外,由于该方法将重点放在一些河流生物物种的保护,而没有考虑包括河流两岸在内的整个河流生态系统,因此推荐的流量范围有时与整个河流的管理要求不完全相符合。

1.4综合法

综合法包括南非的BBM 法和澳大利亚的整体研究法。它从生态系统整体出发而不只是考虑一、二生物的需水要求,根据专家意见综合研究流量、泥沙运输、河床形状与河岸带群落之间的关系,使推荐的河道流量能够同时满足生物保护、栖息地维持、泥沙沉积、污染控制和景观维护等功能。因此,这两种方法都需要组成包括生态学家、地理学家、水力学家、水文学家等在内的专家队伍。

BBM 法的目的是确定河流、湿地、湖泊的水质和水量要求,保证它们保持在一个预定的状态,这种预定状态包括4 种水平(A～D) , A 是接近自然状态,D 是接近人工状态。根据专家的意见来定义河流流量状态的组成成分，利用这些成分确定河流的基本特性。这些组成包括干旱年基本流量、正常年基本流量、干旱年高流量、正常年高流量等。生态学家和地理学家对河流流速、水深和宽度提出要求,水文学家根据水文数据尽可能进行分析,以保证河流推荐流量可以得到满足,并且符合河流实际情况。

整体研究法与南非的BBM 法相似。这个方法要求评估整个河流系统,包括源区、河道、河岸带、洪泛区、地下水、湿地和河口地区,其基本原则就是保持河流流量的完整性、天然季节性和变化性。

这两种方法的最大优点都是能够与流域管理规划较好地结合。缺点是资源消耗大,时间长,一般至少需要2 年时间。为此,提出了一个较为快速的方法,即专家

小组法,具体过程是组织多学科专家对不同流量状况下的河流进行现场调查,根据专家经验很快确定流量要求。

2国内河流生态用水计算方法研究

国内对于生态需水的计算方法的研究起步较晚。由于缺少其他相关资料（如不同生物需水需要和环境容量等地区资料），所以所用方法主要以基于水文资料的历史流量法为主。所以国内所用方法是国外方法的套用或改进。如前面提及的改进得7Q10法和枯年天然径流估算法。枯年天然径流估算法以最枯年天然径流进行估算。将河流年最小月均流量的多年平均值作为河流的基本生态环境需水量。这两种河流生态用水量计算方法属于历史流量法的范围，具有与历史流量法相同的优点和不足。在河道生态环境需水研究中,还存在从盐分平衡、泥沙输运等角度出发的研究方法,虽然这些方法还没有被广泛应用,但可为新研究思路的开拓提供借鉴和启发,例如刘昌明从水沙平衡、水盐平衡理论出发,提出河道生态环境需水量的宏观估算方法,该法适合于流域尺度的河道生态环境需水研究。

其它如粟晓玲等提出目前国内有关生态需水的研究是在现有生态系统和生态水文条件下进行的,所讨论的问题大都是针对现有植被或现有地下水位条件,它是现有生态系统的耗水或用水,并不代表所论流域或区域真实的生态需水,生态需水并不等于生态耗水。讨论一个流域或区域的生态需水必须有以下几个前提条件:①最优的生态结构组合；②最适宜的地下水位(区域水资源联合调配的目的就是要控制地下水和地面水的合理利用量,要通过地面水和地下水的最优调控来满足生态地下水位,达到既满足生态植被需水的要求,又不造成因地下水位太高而产生潜水的无效蒸发损失)；③最节水的生态系统；④能维持水和生态系统的平衡；⑤能满足流域或区域生态系统良性循环的需要；⑥有不同水文年型和年内季节的变化。不考虑这些前提条件,所计算出的结果就不能反映生态系统需水的要求,也难以进行考虑生态需水的水资源优化。以此为出发点提出了生态需水计算的另一种方法。它从生态需水原理出发通过各个平衡来来计算。

生态需水的基本原理包括水文学原理以及生态系统学原理,即水分循环与水量平衡、水热平衡、水盐平衡、水沙平衡等原理。

(1)水文循环与水量平衡原理区域水文循环与水量平衡是生态需水的物质基础。水循环的蒸发过程包含着生物界的基本生理过程———蒸腾作用，涉及到生物生长发育。在水文循环过程中，任一区域、任一时段进入水量与包括生态需水在内的输出水量之差和水的变化量要满足水量平衡原理,因而水循环和水平衡具有重要的生态意义。

(2)水热平衡原理水分在生态系统的物质循环与能量流动的结构体中，既是物质循环的一部分，又是其它物质运转的载体和能量流动的媒介。地面的水分受热后要向空中蒸发(包括植物的蒸腾)。用热量平衡方程推算蒸发量的方法,称为热量平衡法。

热量平衡方程：

Ｒ=Ａ+ＬＥ+ＱＡ(1)

式中Ｒ为辐射平衡量；Ａ为大气感热；Ｌ为蒸发潜热；Ｅ为蒸发量；ＱＡ为土壤热交换量，上式可推导出蒸发量计算式：

Ｅ=(Ｒ-ＱＡ)ΔｅΔｅ+0 64αΔＴ(2)

式中Δｅ为作物冠层上方的湿度梯度；ΔＴ为作物冠层上方的温度梯度；α为标准气压与地面实际气压的比值。

(3)水沙平衡原理水沙平衡是指为达到河道泥沙的冲淤平衡，而进行输沙、排沙所需要的水量。

输沙水量可通过下式计算：

Ｗｓ(ｔ,ｉ)=Ｓ(ｔ,ｉ)/Ｃｍａｘ(ｔ,ｉ)(3)

式中Ｗｓ(ｔ,ｉ)为ｔ时段ｉ河段的输沙需水量；Ｓ(ｔ,ｉ)为ｔ时段ｉ河段的多年平均输沙量；Ｃｍａｘ(ｔ,ｉ)为ｔ时段i河段的最大含沙量多年平均值。

(4)水盐平衡原理水盐平衡是指维持区域盐分平衡所需的排水量。区域水盐平衡可用下式表示：

Ｍ=ｍ1+ｍ2+Ｅ-Ｐ(4)

式中Ｍ为水盐平衡用水量(冲洗用水量)；ｍ1为在计划冲洗层内，冲洗以前的土壤含水量与田间持水量之差；ｍ

为冲走计划层内过多盐分所需要的水量；Ｅ

为冲洗期内蒸发损失量；Ｐ为冲洗期内可利用的降雨量。式中各变量单位均为ｍ可用以经验系数为基础的计算方法(以土壤含盐量为指标的排盐系数法)ｍ。ｍ

计算。

ｍ2=1000Ｈγ(Ｓ0-Ｓ)/Ｋ(5)

为冲冼前的土壤含盐量(占干土重的%)；Ｓ为冲洗后要求达到的土式中Ｓ

壤含盐量(占干土重的%)；γ为土壤容重，ｋｇ/ｍ3；Ｈ为要求冲洗脱盐深度；Ｋ为排盐系数，ｋｇ/ｍ3。

例（具体百分比数值可变动）

历史流量法就是从历史资料中推求生态需水流量。具体方法是将资料排频在按照实验所定出的保证率求的生态需水。具体步骤如下：

1．用各年平均流量来推求生态需水。

用年平均流量来计算生态需水是将所有资料的月平均流量转化为年平均流量，再将所有各年平均流量从大到小排序进行频率计算，取50%保证率对应的年平均流量的30%作为该站所在河段的生态需水量。30%的年平均流量的相应能保持较好生物生存环境的部分。（10％为最低要求）

2.用各月的平均流量推求各月生态需水量。

将各年的每一个月份的平均流量（如各年的一月份）提出来进行排频计算，取每个月份相应的保证率对应的流量作为该站所在河段该月的推荐流量。各月份相应的保证率春秋季节（3月-5月，9月-11月）取75%，夏季（6月-8月）取90%，冬季（12月-2月）取50%。保证率的选取参考了国内外生态需水研究的文献，并考虑到水量的不同季节的丰枯不同而选定的。

3．汛期与非汛期的月份分开考虑推求生态需水。

汛期为4月至10月，将各年（水文年）的汛期7个月的流量资料求算术平均，得出汛期平均流量。再将各年汛期平均流量排频计算，取90%保证率对应的流量作为该站所在河段汛期的推荐流量。非汛期从当年的11月到来年的3月，将这

连续的五个月的流量资料求算术平均，得出非汛期的平均流量。再将各年的非汛期平均流量排频计算，取50%保证率对应的流量为该站所在河段非汛期的推荐流量。这样能考虑的季节的丰枯变化。

表：各站不同方法推求的生态需水

由表中可以看出由50%保证率的年平均流量的30%所推求的生态需水普遍比其他方法推求的要小。而且全年都是一个流量并没有考虑生态环境的季节变化。而其他方法虽然考虑了季节变化但是计算的生态需水流量相对较高，由于缺少生态环境中的生物需水和冲沙稀释污染物的实际数据所以也不一定准确。

单站生态分析需水：

各站所处的行政区不同，所控制的河流在流域中的地位也不同，所以生态需水所需的流量不同。现在用历史流量法可以不考虑地域因素，只由历史流量来推求那么只要考虑历史流量的变化。

将各站的生态需水推荐流量画在一张图上，其后又列出历史最低流量过程图和历史月平均流量过程图来与推荐的流量做比较并分析用水的趋势。

1站各月生态需水

100200300400500600700800900

23456789101112月份

流量(m 3/s )

用90%保证率对应的年平均流量的30%作为生态需水量是三种推荐流量中最小的，月的生态需水流量变化能反映实际的生态需水季节变化，而汛期和非汛期的生态需水量也基本与月平均作出的生态需水一致。对于年平均确定的生态需水较小，我们可以降低其保证率或增加生态需水在90%保证率对应流量中的比率。

存在的问题和对生态需水的未来展望

从方法发展来看,历史流量法较早提出,至今虽然已经得到充分发展,但

该法具有其它方法不可替代的优点,而且水文分析是河道生态环境需水研究的一个基本手段,所以在未来研究中历史流量法将同样发挥作用,只是方法将不断得到完

表二各月推荐流量单位: m3/s

善,以保证河道生态环境需水计算更加精确。水力学法是向生境模拟法的过渡方法,目前更多是作为理论方法进行讨论,应用越来越少,其未来价值体现在为其他方法(例如综合研究方法) 提供水力学依据。当前,使用最多的研究方法是栖息地法（生境模拟方法）,该法能够反映出流量与生境变化的内在关系,而受到学者的广大欢迎,目前也是国外研究的重点方法,其未来发展将是在模型中考虑生物种群和生物量的变化,将生境模型和生物模型相结合,生境模型在空间上将向二维和三维模拟方法发展。综合法是近年来新发展的研究方法,其研究思路不同于以往研究方法,更加强调河流生态系统的整体性,以专家意见来弥补生物资料的不足,更符合当前河流综合管理的要求,具有很大的发展前途。

由于我国河道生态环境需水研究刚刚开始,对国外研究方法借鉴很少,大多数研究都是从水文数据、水质数据出发进行研究,偏重于宏观尺度,其它方法尚没有在国内得到应用。为此,考虑到我国实际情况,笔者认为历史流量法、综合法当前最适合于我国河流研究,可以推广应用。生境模拟法由于实测条件的限制,目前尚不能被广泛应用,但作为一个基于微生境的研究方法,值得进一步研究,并在条件成熟时推广应用。

问题：如何计算平原河网地区的生态需水；如何计算每年都有断流的河流

的生态需水；南部CASTER地区的河流常常是有很多地下暗河组成，这种地区如何计算；城市中的部分断头河流如何计算……