汪志榮 張曉曉 田彥杰

摘要：流域生態(tài)需水研究是科學(xué)管理水資源的重要前提，近年來廣受國內(nèi)外關(guān)注。在定義流域生態(tài)需水的概念基礎(chǔ)上，針對國內(nèi)外生態(tài)需水研究現(xiàn)狀，提出了包含四級的生態(tài)需水研究體系，從流域角度對比分析了水生態(tài)系統(tǒng)和旱地生態(tài)系統(tǒng)以及二者地下水系統(tǒng)的生態(tài)需水計(jì)算方法，認(rèn)為流域生態(tài)需水尚需要在生態(tài)需水的內(nèi)涵和研究內(nèi)容、時(shí)空尺度效應(yīng)、“三水”耦合關(guān)系、計(jì)算方法、非常規(guī)水資源利用、３Ｓ技術(shù)應(yīng)用等方面開展深入和系統(tǒng)的研究，在適應(yīng)現(xiàn)代水資源流域管理的理念基礎(chǔ)上，完善生態(tài)需水研究的理論和技術(shù)體系。

關(guān)鍵詞：流域生態(tài)需水；研究體系；計(jì)算方法；流域管理

中圖分類號：Ｘ１４３文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０12）15－3204-08

Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｒｉｖｅｒ Ｂａｓｉｎ

ＷＡＮＧ Ｚｈｉ-ｒｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ-ｘｉａｏ，ＴＩＡＮ Ｙａｎ-ｊｉｅ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｗａｔｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ（ＥＷＲ） ｏｆ ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐｒｅｒｅｑｕｉｓｉｔｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ， ａｎｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｃｕｓ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎ ｏｆ ＥＷＲ ｏｆ ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ ａｎｄ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ＥＷＲ， ｔｈｅ ｆｏｕｒ ｇｒａｄｅｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＥＷＲ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ＥＷＲ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｑｕａｔｉｃ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓ， ｄｒｙｌａｎｄ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔ ｏｆ ｂａｓｉｎ． Ｉｔ ｗａｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｔｈａｔ ｍｅａｎｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ＥＷＲ， ｓｐａｔｉａｌ ａｎｄ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｓｃａｌｅ ｅｆｆｅｃｔｓ， ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｔｅｒ－ｇｒｏｕｎｄ ｗａｔｅｒ－ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ， ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ， ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｎｏｎｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ＂３Ｓ＂ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ＥＷＲ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｐａｉｄ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｔｏ ｉｎ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＥＷＲ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｗａｔｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ； ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｙｓｔｅｍ； ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ； ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ

水循環(huán)是地球上物質(zhì)和能量循環(huán)的基礎(chǔ)，深刻影響著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，水資源可持續(xù)發(fā)展是維持良性循環(huán)的生態(tài)環(huán)境的重要條件之一。隨著世界性的環(huán)境問題日益嚴(yán)重，人們越來越清楚地認(rèn)識到服從自然科學(xué)規(guī)律的水資源開發(fā)利用的重要性。生態(tài)系統(tǒng)的需水特性和規(guī)律以及生態(tài)需水量的計(jì)算方法是實(shí)現(xiàn)最佳水資源管理模式的理論基礎(chǔ)，已成為目前國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。

國外對生態(tài)需水的研究較早，形成了以河道生態(tài)需水為主的理論和方法。２０世紀(jì)４０年代，美國魚類和野生動(dòng)物保護(hù)協(xié)會(huì)（ＵＳＦＷＳ）為保護(hù)水生物多樣性，提出針對魚類生長繁殖和產(chǎn)量與流量關(guān)系的河道最小流量（Ｉｎｓｔｒｅａｍ ｆｌｏｗ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ）的概念。接著許多國家都開展了相關(guān)研究，提出了許多計(jì)算和評價(jià)方法［１］。20世紀(jì)６０～９０年代，河流生態(tài)流量的定量和基于過程的研究以及流量和流速、鮮魚、大型無脊椎動(dòng)物、大型水生植物間的關(guān)系等陸續(xù)展開，同時(shí)也關(guān)注到能量流、碳通量和大型無脊椎動(dòng)物生活史方面［２］。英國水資源法要求各河流管理局設(shè)置最小需水量。印度、孟加拉、巴基斯坦和埃及等國家的流域工程被重新評價(jià)和規(guī)劃。美國在第二次水資源評價(jià)中，同時(shí)考慮了河道外需水和河道內(nèi)需水，全面調(diào)整流域開發(fā)和管理目標(biāo)，形成了流量計(jì)算方法和生態(tài)需水分配研究的雛形［３，４］。至20世紀(jì)９０年代，生態(tài)需水成為全球關(guān)注焦點(diǎn)，研究深度和廣度增加。國際間的ＦＲＩＥＮＤ（Ｆｌｏｗ Ｒｅｇｉｍｅｓ ｆｒｏｍ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎｄ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｄａｔａ）組織成立，從不同角度提出河流生態(tài)需水量的計(jì)算方法，河流生態(tài)需水由單一目標(biāo)發(fā)展為考慮多方面需求，將某時(shí)段的各種需求的最大值定為河道流量需水量。在空間尺度上從縱向、橫向、垂向和時(shí)間域構(gòu)成的四維動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究［５］，也擴(kuò)展到湖泊、濕地、河口三角洲等生態(tài)系統(tǒng)的需水研究。

在我國，方子云在１９８８年的《水資源保護(hù)工作手冊》提及流域生態(tài)用水的內(nèi)容；湯奇成［６］在分析塔里木盆地水資源與綠洲時(shí)提出了生態(tài)環(huán)境用水概念，率先開展了生態(tài)環(huán)境需水研究。２０世紀(jì)９０年代后期，生態(tài)環(huán)境需水進(jìn)入了較全面的研究階段。劉昌明［７］根據(jù)水資源與生態(tài)用水關(guān)系，提出水熱平衡、水鹽平衡、水沙平衡與水量平衡（含水資源供需平衡）原理，探討了生活、生產(chǎn)與生態(tài)用水之間的共享性。

目前國內(nèi)的研究目標(biāo)多集中在這些地區(qū)且多以河流生態(tài)系統(tǒng)需水作為主要研究對象。國家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“中國分區(qū)域生態(tài)用水標(biāo)準(zhǔn)研究”從基礎(chǔ)理論、應(yīng)用技術(shù)、管理決策三個(gè)層面提出一系列相互關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)，形成符合我國實(shí)際的生態(tài)需水理論與計(jì)算方法體系，提出了水循環(huán)生態(tài)效應(yīng)理論，建立了區(qū)域生態(tài)需水類型劃分的三大準(zhǔn)則，為區(qū)域生態(tài)需水計(jì)算奠定理論基礎(chǔ)［８］。此外，針對黃河斷流、海河河道萎縮、西北地區(qū)綠洲面積縮小等問題，眾多學(xué)者分別對其生態(tài)需水進(jìn)行了大量研究。

近年來，人們越來越深刻地意識到從流域尺度上研究需水的重要性。陳敏建等［８］在分析流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能模塊的復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，提出流域生態(tài)需水具有整體綜合性、模塊復(fù)雜性、空間連續(xù)性、時(shí)間差異性以及自然、人工雙控性的特性，并據(jù)此建立了流域生態(tài)需水規(guī)律研究的理論框架，并結(jié)合我國不同區(qū)域的生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)與水文水資源狀況以及河流生態(tài)環(huán)境需水量的影響因子，建立了全國河流生態(tài)水文分區(qū)體系和分區(qū)方法，為從流域尺度開展生態(tài)環(huán)境需水量研究提供了基礎(chǔ)。林超等［９］通過對現(xiàn)狀生態(tài)用水量調(diào)查，從水文學(xué)角度計(jì)算了海河流域的生態(tài)需水。劉潔等［１０］從降水—徑流的發(fā)生與演變出發(fā)，按山區(qū)和平原生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)分層次計(jì)算了新疆瑪納斯河流域生態(tài)需水。

目前從流域尺度開展生態(tài)需水研究尚有諸多問題需要解決。一方面，流域尺度的生態(tài)需水的概念、功能、結(jié)構(gòu)等都有其特殊性；另一方面，生態(tài)需水不僅涉及到理論基礎(chǔ)，同時(shí)也直接關(guān)系到流域水資源管理的方方面面。因此，深刻理解流域生態(tài)需水的研究體系對流域生態(tài)需水分析和計(jì)算，以及科學(xué)指導(dǎo)流域管理具有重要意義。

１生態(tài)需水的涵義

１．１生態(tài)需水的概念

生態(tài)需水的概念至今尚未統(tǒng)一，因研究的角度和重點(diǎn)不同，各學(xué)者對生態(tài)需水進(jìn)行了不同的定義。

國外較早出現(xiàn)的是關(guān)于河道枯水流量的研究，將枯水流量定義為“在持續(xù)干旱的天氣下河流中水流流量”［１１］。１９９３年，Ｃｏｖｉｃｈ［１２］最早提出了生態(tài)需水的概念，即保證恢復(fù)和維持生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展所需的水量。１９９6年，Ｇｌｅｉｃｋ［１３］提出了基本生態(tài)需水（Ｂａｓｉｃ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｗａｔｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ）概念，即為天然生境需要提供一定質(zhì)量和一定數(shù)量的水。Ｈｕｇｈｅｓ［１４］指出生態(tài)需水是確保河流、河口、濕地以及蓄水層等在設(shè)定的生態(tài)條件下保持穩(wěn)定可持續(xù)的水量與水質(zhì)要求。加拿大２００１—２００５年水資源利用與供應(yīng)研究計(jì)劃中，定義生態(tài)需水量為維持現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)或生態(tài)功能區(qū)域的滿足一定水質(zhì)要求的適宜水量［１５］。

我國將廣義生態(tài)環(huán)境用水定義為“維持全球生物地理生態(tài)系統(tǒng)水分平衡所需用的水，包括水熱平衡、水沙平衡、水鹽平衡等”；狹義的生態(tài)環(huán)境用水定義為“為維護(hù)生態(tài)環(huán)境不再惡化并逐漸改善所需要消耗的水資源總量”［１６］。河湖生態(tài)需水評估導(dǎo)則（ＳＬ／Ｚ ４７９—２０１０，試行）指出，生態(tài)需水是指將生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和生態(tài)過程維持在一定水平所需要的水量，指一定生態(tài)保護(hù)目標(biāo)對應(yīng)的水生態(tài)系統(tǒng)對水量的需求［１７］。

１．２生態(tài)環(huán)境的結(jié)構(gòu)和功能與生態(tài)環(huán)境需水研究體系

生態(tài)環(huán)境的結(jié)構(gòu)和功能與生態(tài)需水研究關(guān)系密切。針對我國地形地貌、水文氣象、植被類型、行政區(qū)劃、人工和自然生態(tài)、水資源管理體制等對生態(tài)環(huán)境需水的影響程度和層次上，綜合前人研究成果，可以將我國的生態(tài)功能和結(jié)構(gòu)從以下幾個(gè)方面綜合考慮：①從降水量上：干旱區(qū)（＜２００ ｍｍ）、干旱半干旱地區(qū)（２００～４００ ｍｍ）、半干旱半濕潤區(qū)（過渡區(qū)，４００～８００ ｍｍ）、濕潤區(qū)（８００～１ ６００ ｍｍ）與十分濕潤區(qū)（＞１ ６００ ｍｍ）。②從水資源分區(qū)（流域）上：十個(gè)水資源一級區(qū)，北方六區(qū)：松花江、遼河、海河、黃河、淮河、西北諸河；南方四區(qū)：長江、東南諸河、珠江、西南諸河。③從地形地貌上：山地、丘陵與平原區(qū)。④從生態(tài)系統(tǒng)類型上：水生態(tài)（河流、河口、湖泊、濕地、溝渠、池塘、人工水生態(tài)等）與旱地生態(tài)（包括草地、林地、混合生態(tài)、人工生態(tài)等）。

由于我國水資源分區(qū)已綜合考慮宏觀的氣候氣象、地形地貌的影響，考慮到生態(tài)環(huán)境的功能、結(jié)構(gòu)都密切依賴于水資源狀況，因此生態(tài)環(huán)境需水的研究應(yīng)建立在水資源分區(qū)基礎(chǔ)上。首先根據(jù)具體情況考慮各流域不同的生態(tài)功能、生態(tài)結(jié)構(gòu)和生態(tài)目標(biāo)，然后在各流域?qū)用嫔戏謩e考慮流域的微觀地形地貌（山地、丘陵、平原區(qū)）的生態(tài)系統(tǒng)類型的需水自然特征和實(shí)現(xiàn)各種生態(tài)系統(tǒng)類型（功能）的水資源管理（水量、水質(zhì)、調(diào)控和配置等）措施。表１表示了生態(tài)需水研究體系，并以此為參考對生態(tài)環(huán)境需水進(jìn)行分區(qū)研究，最大程度上反映生態(tài)環(huán)境需水的規(guī)律和特點(diǎn)，同時(shí)也對實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境需水的管理提供便利。

流域是完整的自然地理單元，也是獨(dú)特的人文地理單元，不論從水資源自然特性角度，還是從水資源開發(fā)利用以及規(guī)劃管理的角度，從流域尺度定義和研究生態(tài)需水對全面認(rèn)識和運(yùn)用生態(tài)需水概念，實(shí)現(xiàn)水資源合理配置具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際意義。

在總結(jié)國內(nèi)外生態(tài)需水的理論和計(jì)算方法研究基礎(chǔ)上，將流域生態(tài)需水定義為在一定的時(shí)空條件下，流域的生態(tài)系統(tǒng)用以維持一定的結(jié)構(gòu)、功能和生態(tài)過程所需要的一定質(zhì)量和數(shù)量的水。定義中體現(xiàn)了流域生態(tài)需水的自然特性、時(shí)空變化性、目的性、量質(zhì)統(tǒng)一性、閾值性等特點(diǎn)。

流域生態(tài)需水的研究應(yīng)該包括流域內(nèi)生態(tài)（水生態(tài)和旱地生態(tài)、自然生態(tài)和人工生態(tài)）環(huán)境需水的自然規(guī)律的研究，生態(tài)需水規(guī)律和水資源時(shí)空分布影響下的流域內(nèi)各種生態(tài)環(huán)境功能的定位或科學(xué)規(guī)劃問題，不同生態(tài)功能下生態(tài)需水量與水資源管理措施的關(guān)系問題研究，針對可控制的水資源類型（常規(guī)水資源和非常規(guī)水資源）及其之間的補(bǔ)給或轉(zhuǎn)化關(guān)系條件下的流域水資源管理問題研究等。

２流域生態(tài)需水量的計(jì)算方法

目前生態(tài)需水計(jì)算方法大概有２００多種涉及４４個(gè)國家和地區(qū)［１８］。

２．１水生態(tài)系統(tǒng)需水計(jì)算方法

２．１．１河流生態(tài)需水河流生態(tài)需水研究起步最早，其計(jì)算方法也相對成熟，可分為水文學(xué)、水力學(xué)、生境模擬、綜合、環(huán)境功能設(shè)定五類方法（表２）。

１）水文學(xué)方法。水文學(xué)方法簡單也最具代表性。其典型方法有Ｔｅｎｎａｎｔ法［１９］、Ｔｅｘａｓ法［２０］、７Ｑ１０法［２１］、ＲＶＡ法［２２］、ＮＧＰＲＰ法、基本流量法。其中Ｔｅｎｎａｎｔ法是水文學(xué)方法中應(yīng)用最為廣泛，多用于粗略檢驗(yàn)其他方法。改進(jìn)后的Ｔｅｎｎａｎｔ法被應(yīng)用到黃河下游花園口、艾山和利津站，應(yīng)用結(jié)果表明，改進(jìn)后求得的流量能夠更好地體現(xiàn)中國北方河流流量豐枯的季節(jié)性。７Ｑ１０法被應(yīng)用于我國大型水利工程項(xiàng)目的環(huán)境影響評價(jià)，ＧＢ ３８３９—８３修改規(guī)定，一般河流采用近１０年最枯月平均流量或９０％保證率最枯月平均流量。在國外，Meyer等［２３］采用ＲＶＡ法并結(jié)合專家討論與目標(biāo)監(jiān)測確定了環(huán)境流量。在國內(nèi)，張洪波等［２４］以龍羊峽為例采用ＲＶＡ法評估水庫運(yùn)行影響表明，水庫調(diào)節(jié)后對月流量、年極值、頻率、延時(shí)和變化率指標(biāo)產(chǎn)生了顯著影響；史方方等［２５］采用ＲＶＡ法定量評估了黃家港水文站１９６７年前后水文情勢的變化和丹江口水庫對漢江中下游生態(tài)水文的影響。Ａｌｃáｚａｒ等［２６］利用基本流量法在西班牙計(jì)算了埃布羅河流域的最小流量，并以此為基礎(chǔ)對該流域進(jìn)行了區(qū)域分級。

２）水力學(xué)方法。盡管水力學(xué)方法在應(yīng)用上有一定的局限性，但它和水文學(xué)方法依然是目前最普遍的生態(tài)需水計(jì)算方法。濕周法［２７］是其中應(yīng)用最為廣泛的方法。吉利娜等［２８］分別采用對數(shù)和冪函數(shù)擬合濕周—流量關(guān)系，以曲率最大法確定變化點(diǎn)，估算了灤河流域兩個(gè)站點(diǎn)的最小生態(tài)需水量，認(rèn)為采用斜率為１的估算結(jié)果要大于曲率最大的估算結(jié)果。葉朝霞等［２９］選擇曲率法推求塔里木河下游斷流河道最小生態(tài)流量及對應(yīng)的水面寬、平均水深和平均流速等指標(biāo)；Ｍｅｎ等［３０］對比Ｔｅｎｎａｎｔ法計(jì)算結(jié)果認(rèn)為，官廳水庫、雁翅、盧溝橋斷面生態(tài)需水流量基本能使當(dāng)?shù)睾拥郎鷳B(tài)系統(tǒng)處于較好狀態(tài)。Ｒ２-Ｃｒｏｓｓ法［３１］的參數(shù)難于確定使其應(yīng)用受阻，郭新春等［３２］運(yùn)用修正的R2-Cross法分析水力參數(shù)隨流量增長與最小生態(tài)流量的關(guān)系，綜合考慮了河段水力特性、生態(tài)特性和河道形態(tài)特性，并應(yīng)用在山區(qū)小型河流中，結(jié)果較好。

３）生境模擬法。典型方法有ＩＦＩＭ法［３３］、ＰＨＡＢＳＩＭ法［３４］、Ｂａｓｑｕｅ法［３５］、ＣＡＳＭＩＲ法［３６］等。其中ＩＦＩＭ法最具代表性，國外應(yīng)用較多。Ｅｌｌｉｏｔｔ等［３７］運(yùn)用ＩＦＩＭ法及ＰＨＡＢＳＩＭ模型，分析了英國艾倫河和比斗河的水資源規(guī)劃問題，并評價(jià)了韋河河道修復(fù)結(jié)果。目前國內(nèi)的ＩＦＩＭ法主要用于分析魚類適宜生態(tài)流量。蔡玉鵬等［３８］以IFIM法為基礎(chǔ)，結(jié)合二維水力學(xué)模型和魚類棲息地模型計(jì)算分析了中華鱘自然繁殖期間流量與棲息地加權(quán)可利用面積的關(guān)系和自然繁殖需流量。

４）綜合法。ＢＢＭ法［３９］主要應(yīng)用于國外，在國內(nèi)尚無應(yīng)用實(shí)例，但由ＢＢＭ的設(shè)計(jì)思路產(chǎn)生的ＤＥＳＫＴＯＰ ＲＥＳＥＲＶＥ模型不管在國外還是國內(nèi)都有應(yīng)用。Ｍａｚｖｉｍａｖｉ等［４０］應(yīng)用此法評估津巴布韋１５１個(gè)子流域的最小需水量，結(jié)果表明環(huán)境需水量隨流體變動(dòng)性的增加而減少，隨基流占總流量比例的增加而增加，并提出相應(yīng)的管理建議。陳星等［４１］應(yīng)用此法繪制了廣東韓江流域某河段在現(xiàn)狀生態(tài)下不同來水的年月基流量和高流量的分配圖以及生態(tài)需水量保證率曲線。整體評價(jià)法［４２］是針對澳大利亞河流提出的一類方法，但由于它是建立在整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)上的方法，因此也適用于其他地區(qū)。但因資料獲取多使其應(yīng)用難度大，目前尚未見國內(nèi)相關(guān)研究報(bào)道。

５）環(huán)境功能設(shè)定法。國內(nèi)在計(jì)算河流生態(tài)需水時(shí)，較多研究者采用環(huán)境功能設(shè)定法。如涂向陽等［４３］構(gòu)建了考慮河流基本生態(tài)、自凈、輸沙和生態(tài)景觀等功能的河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境需水量理論體系，并以此研究海河流域控制性河流的生態(tài)環(huán)境需水量。

２．１．２河口生態(tài)需水河口生態(tài)系統(tǒng)受到陸海不同的物理、化學(xué)、氣候等眾多因素的影響，具有淡咸水混合、營養(yǎng)物質(zhì)富集等不同于其他生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境特征。因此，河口生態(tài)需水是在一定生態(tài)目標(biāo)下維持河口相應(yīng)時(shí)空范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)健康所需要的水量。國內(nèi)外學(xué)者對河口生態(tài)需水進(jìn)行了大量研究，卻未形成統(tǒng)一的計(jì)算方法體系。目前計(jì)算方法主要有功能設(shè)定法、相關(guān)分析法和生態(tài)模型法（表２）。

陳敏建等［８］分別給出河口生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)消耗、生物循環(huán)消耗以及河口生物棲息地等不同類型生態(tài)需水的計(jì)算方法，根據(jù)“加和性”和“最大值”原則計(jì)算了海河河口生態(tài)需水年度總量及其時(shí)間變化率；韓曾萃等［４４］研究了錢塘江河口包括維持河口沖淤平衡需水、防止河口咸水入侵需水、維持河口水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)需水及最小生態(tài)需水的計(jì)算方法，并根據(jù)分時(shí)段考慮原則、兼容性原則和區(qū)域性原則對綜合計(jì)算方法進(jìn)行了探討。王明娜等［４５］根據(jù)天津市歷史海區(qū)鹽度和海區(qū)漁產(chǎn)量與徑流的關(guān)系以及與魚類洄游、產(chǎn)卵、幼魚孵化、幼體生長之間的關(guān)系建立非線性方程，計(jì)算了天津市最低入海水量需求。孫濤等［４６］針對河口生態(tài)系統(tǒng)不同生態(tài)保護(hù)目標(biāo)將河口生態(tài)需水劃分為基于典型生物資源保護(hù)目標(biāo)、基于生境保護(hù)目標(biāo)以及基于多目標(biāo)整合分析３種類型，建立淡水輸入與生態(tài)目標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，確定一定目標(biāo)下的需水量和應(yīng)用實(shí)例。王高旭等［４７］建立了大通至長江口外海一、二維耦合數(shù)學(xué)模型，計(jì)算河口鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布與大通站入流量關(guān)系，以維持長江口生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能最大化為目標(biāo)，選定鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為控制標(biāo)準(zhǔn)，分析得出長江大通站生態(tài)流量。張蕊等［４８］根據(jù)河口濕地生態(tài)需水研究現(xiàn)狀提出建立基于３Ｓ的具有統(tǒng)一物理機(jī)制的河口濕地生態(tài)水文耦合模擬模型對研究變化環(huán)境下河口濕地生態(tài)需水響應(yīng)是十分必要的。

２．１．３湖泊、濕地生態(tài)需水湖泊生態(tài)需水量是指保證特定發(fā)展階段的湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，發(fā)揮其正常功能而必需的一定數(shù)量和質(zhì)量的水，具有明顯的時(shí)空性、復(fù)雜性和綜合性。湖泊生態(tài)需水量研究方法主要有水量平衡法、換水周期法、功能法、最小水位法（表２）。徐志俠等［４９］提出的采用天然水位資料統(tǒng)計(jì)法、湖泊形態(tài)分析法和生物空間最小需求法3種方法計(jì)算湖泊最低生態(tài)水位，以此計(jì)算湖泊生態(tài)需水量。

水量平衡是濕地生態(tài)需水量計(jì)算應(yīng)用較多的方法，而遙感技術(shù)也逐漸成為濕地生態(tài)需水研究的重要輔助工具。崔保山等［５０］認(rèn)為濕地生態(tài)系統(tǒng)的需水量包括濕地植被、土壤和野生生物棲息地的需水量。Ｊｉａ等［５１］假設(shè)蒸發(fā)是惟一的水量損失，以氣候數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用ＤＲＡＩＮＭＯＤ模型計(jì)算了干旱和半干旱地區(qū)濕地的凈需水量。奚歌等［５２］通過遙感技術(shù)，利用ＳＥＢＳ模型，并結(jié)合ＭＯＤＩＳ和氣象資料估算了黃河三角洲濕地蒸散量，結(jié)合植被生態(tài)需水量研究濕地植被的水分供應(yīng)情況及恢復(fù)所需的補(bǔ)水量問題。

２．２旱地生態(tài)需水計(jì)算方法

旱地生態(tài)需水包括城市旱地、草地、林地生態(tài)需水等，目前國內(nèi)的研究主要集中在干旱半干旱地區(qū)，研究的重點(diǎn)就是植被生態(tài)需水。對于植被生態(tài)需水量的計(jì)算，諸多學(xué)者根據(jù)植被類型及所處的氣象、水文地質(zhì)條件的不同，提出了不同的計(jì)算方法，目前應(yīng)用較為廣泛的方法有直接計(jì)算法，間接計(jì)算法，以及基于遙感和ＧＩＳ技術(shù)手段對研究區(qū)域進(jìn)行生態(tài)分區(qū)后再利用直接或間接法計(jì)算（表２）。

２．２．１直接計(jì)算法 該類方法主要工作是確定不同區(qū)域天然或人工植被的生態(tài)需水定額和相應(yīng)的植被面積。植被生態(tài)需水定額的確定主要有兩種依據(jù)，一是根據(jù)前人實(shí)際測定的不同植物類型蒸散量以及灌溉用水量并結(jié)合不同地區(qū)的植被系數(shù)來確定不同植物類型的生態(tài)需水定額；二是根據(jù)植被生態(tài)系統(tǒng)的主要水分支出項(xiàng)——蒸散及其影響因子，根據(jù)各地氣候條件、土壤因子的差異，同時(shí)考慮植物種類的差異來計(jì)算不同區(qū)域植被的生態(tài)需水定額的理論計(jì)算法。直接計(jì)算法是目前應(yīng)用最多的計(jì)算植被生態(tài)需水的方法，典型方法有實(shí)測方法，面積定額法和彭曼公式。陳麗華等［５３］計(jì)算了北京市森林植被的年平均生態(tài)用水量。楊志峰等［５４］基于ＭＯＤＩＳ數(shù)據(jù)建立了區(qū)域植被用水模型，分析計(jì)算了海河流域的生態(tài)需水。郝博等［５５］結(jié)合遙感技術(shù)，計(jì)算了甘肅省民勤縣的植被生態(tài)需水定額和需水量，以及生態(tài)缺水定額和生態(tài)缺水量。

２．２．２間接計(jì)算法此類計(jì)算方法中主要考慮旱地（有植被和無植被區(qū)域）的地下水水位與相應(yīng)的潛水、蒸發(fā)、耗水之間的關(guān)系確定生態(tài)需水量的一類方法。典型方法有彭曼公式、阿維里揚(yáng)諾夫公式、植物生長與地下水位關(guān)系模型。王讓會(huì)等［５６］從研究植物生長與生態(tài)環(huán)境狀況之間的定量關(guān)系角度出發(fā)，界定合理的生態(tài)水位，估算了新疆塔河流域、葉爾羌河流域、和田河流域及開都河—孔雀河流域４源流區(qū)的生態(tài)需水。張麗等［５７］依據(jù)生態(tài)適宜性理論建立了植物生長與地下水位關(guān)系模型，計(jì)算出黑河下游各種植物的最適地下水位。高凡等［５8］應(yīng)用３Ｓ與數(shù)據(jù)庫等技術(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測并分析塔里木河干流１９９９～２００４年生態(tài)水平的動(dòng)態(tài)變化特征，獲得了不同水平年分區(qū)天然植被類型圖、面積圖和覆蓋度圖，并估算出相應(yīng)生態(tài)水平下天然植被的生態(tài)需水量。

２．３地下生態(tài)需水

由表１生態(tài)需水研究體系可知，水生態(tài)和旱地生態(tài)需水研究中都涉及到地下水生態(tài)需水問題。目前水生態(tài)需水中對地下和地表生態(tài)需水的耦合關(guān)系尚未找到相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道；旱地生態(tài)需水中間接計(jì)算法建立了植物生長和地下水位關(guān)系模型，即通過植被情況與地下水水位之間的關(guān)系確定適宜的地下水水位，在地下水需水計(jì)算過程中值得借鑒。地下水生態(tài)需水實(shí)際上是保證生態(tài)環(huán)境（植被、地表水、土壤）需水的基礎(chǔ)，因此可以定義地下水生態(tài)需水為在一定氣候氣象和時(shí)空條件下，保證區(qū)域生態(tài)需水時(shí)維持地下水在合理水位所需的水量，應(yīng)包括地下水的蒸發(fā)量、植被的利用量、補(bǔ)給地表水的水量等。馮平等［59］以采補(bǔ)平衡為原則給出了淺層地下水生態(tài)恢復(fù)需水量的計(jì)算方法，其中計(jì)算區(qū)恢復(fù)地下水位與現(xiàn)狀地下水位的差值是首先要確定的指標(biāo)。

綜上所述，目前生態(tài)需水研究主要集中于河流生態(tài)需水，其余相對較少，從流域尺度計(jì)算生態(tài)需水還面臨很多挑戰(zhàn)。雖然有關(guān)生態(tài)需水的計(jì)算方法很多，但基本都是針對單個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的研究，如河流生態(tài)系統(tǒng)、湖泊生態(tài)系統(tǒng)、植被生態(tài)系統(tǒng)、河口生態(tài)系統(tǒng)等，從流域或區(qū)域的角度出發(fā)，研究整體生態(tài)系統(tǒng)的需水狀況還較少，并沒有形成適用的統(tǒng)一公認(rèn)的計(jì)算方法體系；其次，各子系統(tǒng)生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果如何整合到流域生態(tài)系統(tǒng)是目前研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。將流域生態(tài)系統(tǒng)作為一個(gè)有機(jī)整體，研究水在各生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)狀況、循環(huán)機(jī)理，以流域水循環(huán)為主線，加強(qiáng)各單個(gè)生態(tài)系統(tǒng)與其他生態(tài)系統(tǒng)之間需水的耦合關(guān)系研究，建立生態(tài)需水量耦合模型，定量分析流域生態(tài)需水量，對生態(tài)需水研究十分重要。

近年有很多學(xué)者嘗試結(jié)合多種方法計(jì)算流域或區(qū)域生態(tài)流量。Ｌｅｒｏｙ等［６0］綜合諸多水文和環(huán)境流量計(jì)算方法，建立了一個(gè)評估區(qū)域環(huán)境流量標(biāo)準(zhǔn)的新框架，可用來支持區(qū)域環(huán)境流量管理。Ｈｕｇｈｅｓ等［６1］結(jié)合ＧＩＳ平臺和數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，從水文、水力和生物響應(yīng)角度建立了一個(gè)計(jì)算分析河流系統(tǒng)生態(tài)需水的集合框架。

３流域生態(tài)需水研究的未來發(fā)展方向

縱觀國內(nèi)外生態(tài)需水研究現(xiàn)狀及存在問題，流域生態(tài)需水未來發(fā)展趨勢應(yīng)注重幾個(gè)方面的研究。

３．１生態(tài)需水的內(nèi)涵和研究內(nèi)容

統(tǒng)一完整的生態(tài)需水概念及其研究的內(nèi)涵和外延是生態(tài)需水研究的基礎(chǔ)。從流域角度對生態(tài)需水的概念進(jìn)行研究，對生態(tài)需水研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

３．２時(shí)空尺度效應(yīng)

目前單一生態(tài)系統(tǒng)的需水研究已不能適應(yīng)于指導(dǎo)現(xiàn)代水資源管理，與水資源流域管理理念相適應(yīng)的流域生態(tài)需水研究勢在必行，建立完整的流域或區(qū)域生態(tài)需水研究體系已成為本領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，因此應(yīng)加快從局部過程向全流域過程研究過渡的進(jìn)程。同時(shí)，以年為單位的生態(tài)需水研究也已不適宜，生態(tài)需水過程的研究、區(qū)域水資源時(shí)空分布與生態(tài)需水時(shí)空分布的關(guān)系研究都是今后的發(fā)展趨勢。

３．３“三水”耦合關(guān)系

地表水、土壤水和地下水是水循環(huán)的重要組成部分，它們之間轉(zhuǎn)化關(guān)系復(fù)雜，土壤水和地下水對生態(tài)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)不容忽視，特別是半干旱半濕潤地區(qū)。如何將地下水和土壤水納入目前的地表水生態(tài)系統(tǒng)研究體系，探討土壤水和地下水對生態(tài)系統(tǒng)需水的影響及地表水和地下水之間的耦合關(guān)系是一項(xiàng)重要的研究課題。

３．４計(jì)算方法

在現(xiàn)有計(jì)算體系中，建立子系統(tǒng)生態(tài)需水和流域生態(tài)系統(tǒng)需水間的響應(yīng)關(guān)系，從流域角度研究生態(tài)需水的過程，是研究的一大挑戰(zhàn)。生態(tài)需水量的確定是十分復(fù)雜的問題，一個(gè)具有物理基礎(chǔ)，又有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的能夠充分反映生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜性的計(jì)算方法勢在必行。因此，充分利用現(xiàn)有環(huán)境系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型將是一個(gè)較好的研究思路，如利用ＳＷＡＴ模型增加生態(tài)系統(tǒng)模塊，結(jié)合遙感技術(shù)，不僅充分考慮復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)分析生態(tài)需水的時(shí)空變化。

３．５非常規(guī)水資源利用

非常規(guī)水資源利用越來越引起重視，將其納入密切的生態(tài)需水研究體系，充分考慮非常規(guī)水資源在生態(tài)系統(tǒng)中所起的作用，也是一個(gè)主要的發(fā)展趨勢。

３．６３Ｓ技術(shù)應(yīng)用

RS技術(shù)、ＧＩＳ技術(shù)和ＧＰＳ技術(shù)是未來生態(tài)需水研究的必然趨勢。

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