减水河段生态需水量

河道是大自然的主动脉和大血管，不仅具有行洪排涝、供水灌溉、交通航运、水能发电等社会服务功能，而且具有栖息地、输送、源汇、水分涵养、水体净化、生物多样性保护、景观等多种生态环境服务功能。然而，水利水电工程的开发建设，在带来经济效益和社会效益的同时，也在一定程度上改变了河道原有的水文情势，容易对下游河道产生水质恶化、栖息地安全性胁迫等水生态环境问题，对河道生态环境服务功能的实现产生了不利影响。为了维持河道生态系统的动态平衡，首先应满足其对水量的合理需求，尤其要满足最小生态需水量的需求。如何既要满足水利水电工程的用水需求，确保工程正常运行，促进经济社会的又好又快发展，又能满足水利水电工程下游河道尤其是减水河段的最小生态用水需求，确保河道生态系统的动态稳定不受破坏性影响，是一个亟需解决的新课题。进行最小生态需水量的计算，不仅是建设项目水资源论证当中的重要一环，更是解决上述新课题的技术基础与关键。本文在已有研究的基础上，从生态水文学的角度，讨论了引水式电站减水河段最小生态需水的概念及其计算方法。

1国内外研究进展概述

1.1国外研究进展概述

20世纪70年代以前，国际上还没有形成明确的河道生态需水量概念，英美等国开始在法律中设定水库下泄的最小流量，以满足河流下流地区航运、公共健康以及渔业对水量，水质的需求[1,2]。但到80年代，伴随着人们对河道生态系统及其生命健康的认识与理解，河道生态需水量也逐渐得以重视与关注，并成为讨论和研究的热点问题之一。1989年，Gore建议在河流规定最小流量，并指出生物群落的最小流量需求仅是管理决策的一部分[3]。1998年，Gleick明确提出了基本生态需水量(BasicEc-ologicalWaterRequirement)的概念，即需要提供一定质量和数量的水供给天然生境，以求最小程度地改变天然生态系统，并保护物种多样性和生态完整性，认为生态需水量在一定的时间和空间下是可以变动的值[4]。2002年，David等认为，如果湿地（湖泊）水量低于某一个量时，将会导致其生态系统结构的破坏及功能的丧失。为了最大程度地实现湿地的生态价值，必须满足它本身所需要的水量[5]。在生态环境需水及用水研究方法上，1976年，White为产卵、饲养和鱼道定义了微生态环境指标，利用这些指标和水力模型一起预测流量变化对渔业的影响[6]。1976年，Tennant提出了Tennant法，该方法是目前国内外通用的一种确定河道内推荐流量的方法，其河流流量推荐值以预先确定的年平均流量的百分数为基础[7]。1982年，Bovee提出的最小流量增量法（IFIM）是预测最小保护流量的一个方法[8]。1982年，Boner提出了7Ｑ10法，即采用90%保证率最枯连续7ｄ的平均水量作为设计值[9]。除此之外，还有基于水文学参数的Q95th、ABF、BasicFlow、Taxas等，基于水力学参数的湿周法、Singh、R2Cross等，生物/水力数据收集与分析方法（如Basque法、HQI法和RCHARC法等）、栖息地职业判断法（如整体分析法、分区建快法BBM和专家小组评价法等）以及FRC等生物响应模拟模型法等研究方法。从国外研究进展来看，对水利工程下游河道尤其是引水式水电站减水河道最小生态需水量的研究并不很多。

1.2国内研究进展概述

对于生态环境需水、用水等方面的研究，我国起步较晚，对生态环境需水、用水的概念、内涵与外延等没有统一的定义，对其计算方法的研究也并不深入和完善，多以定性分析和宏观定量相结合的方法为主。1999年中国工程院开展了“中国可持续发展水资源战略研究”项目,其中专题之一“中国生态环境建设与水资源保护利用”就我国生态环境用水进行了较为深入的研究，界定了生态环境用水的概念、范畴及分类，估算了我国生态环境用水总量约800～1000亿m3(包括地下水的超采量50～80亿m3)。这一研究成果对我国宏观水资源规划和合理配置具有十分重要的指导意义，推动了生态环境用水研究的进程，国内诸多学者也相继发表了有关文献与著作[10]。21世纪以来，我国河道生态需水量研究理论趋于成熟，同时涌现出了许多适合我国实际情况的研究方法。同时，随着人们逐渐认识水利水电工程对下游河道生态系统产生的不利影响，专家和学者们开始从不同的视角、不同的对象进行了研究，并取得了一定成果[11-19]。目前，有关这方面的研究，在概念界定、计算方法等理论体系上还有很大的拓展空间和丰富内容。

2最小生态需水量内涵

河道最小生态需水是一个很复杂的概念，不仅包括河道本身生态系统生理方面的要素，还包括复杂的人类价值及生物的、物理的、伦理的、艺术的、哲学的和经济学的观点。从上述国内外研究进展来看，由于研究的出发点和研究的对象等不尽相同，各学者对河道最小生态需水量的理解和表述也有所差异。河道是陆地和海洋联系的纽带，在生物圈的物质循环中起着重要作用。它具有纵向成带现象，其生物多具有适应急流生境的特殊形态结构、相互制约关系复杂、自净能力强、受干扰后恢复速度快等特点。但引水式水电站建成后，人为地减少了河道水量，减水河段的长期水量减小使河道生态系统内各种生物逐渐适应生境而生存。因此，减水河道的最小生态需水与天然河道也有所区别。

根据生态学上的耐受性定律[20,21]：每一种环境因子都有一个生态上的适应范围大小，称之为生态幅。即有一个最低和最高点，两者之间的幅度为耐性限度。因此，作为减水河段主要生态因子之一的水量，应在一个合理的范围之内，即有一个最高、最适和最低3个基点。其上限是减水河段最大生态需水量，超过此值，一方面，河道将水漫堤岸，可能发生洪涝灾害，严重威胁周边地区生命财产安全；另一方面，河道在最大水量运行期间在一定程度上因植物根系缺氧、窒息、烂根等而影响它们的生长发育。下限是减水河道最小生态需水量，低于此值，植物根系部分的土壤含水层就会被疏干，植物会因吸收不到水量而干涸死亡，在一定程度上影响了水生生物栖息地，不利于水生生物的生存和繁衍后代，同时河道生态系统结构与功能也将会受到一定程度的损害。