水 艷 李麗華 喻光曄

淮河流域系統(tǒng)開展生態(tài)需水研究的現(xiàn)狀與趨勢分析

水 艷 李麗華 喻光曄

淮河流域地處我國的南北氣候過渡帶，流域面積27萬m2。干流以北地區(qū)天然基流缺乏，時空分布不均；流域內(nèi)支流眾多，分布有大量湖泊、洼地，是河湖并存的典型流域水生態(tài)系統(tǒng)。目前，淮河流域大部分區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)存在無節(jié)制的過度開發(fā)，水生態(tài)系統(tǒng)健康存在著不同程度的問題。研究流域生態(tài)需水問題已經(jīng)成為維系河湖生態(tài)系統(tǒng)健康運行的關(guān)鍵工作。

結(jié)合國內(nèi)外生態(tài)需水研究的發(fā)展過程，本文在總結(jié)淮河流域系統(tǒng)研究流域生態(tài)需水現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出近期淮河流域生態(tài)需水急需研究的熱點和趨勢，以期為進一步的生態(tài)需水合理配置提供參考。

一、國內(nèi)外生態(tài)需水研究的發(fā)展過程

生態(tài)需水量是指為了最大程度地改善天然生態(tài)系統(tǒng)和維持生態(tài)系統(tǒng)的完整性，并且保證天然生境的生物多樣性時所需的水量。該概念是Gleick 在1996年提出的，但是關(guān)于生態(tài)需水的研究從20世紀40年代就開始了。目前，美國、南非、澳大利亞、日本等國對生態(tài)需水的研究已經(jīng)較為成熟，而我國對于生態(tài)需水研究起步較晚。

1.國外研究

國外生態(tài)需水研究始于20世紀40年代，70多年的研究大致經(jīng)歷了三個階段。

（1）相關(guān)概念提出。20世紀40年代，美國漁業(yè)與野生動物保護協(xié)會圍繞魚類生長繁殖與河流流量關(guān)系進行了研究，并首先提出了“In-streamFlow Requirement”的概念——避免河流生態(tài)系統(tǒng)退化的河流最小生態(tài)流量。這一時期還沒有明確形成河流生態(tài)需水的概念，但一些關(guān)于流量補償?shù)囊?guī)定開始制定并實施。

（2）生態(tài)流量定量研究。20世紀五六十年代，出現(xiàn)了關(guān)于河流生態(tài)流量的定量研究和基于過程的研究。一些早期工作建立了流量和流速、鮮魚、大型無脊椎動物、大型水生植物的聯(lián)系。在此期間，河流生態(tài)學家將注意力集中在能量流、碳通量和大型無脊椎動物生活史方面。隨后，國外學者對印度和孟加拉的布拉馬普特拉河流域（1960年）、巴基斯坦的印度河流域（1968年）和埃及尼羅河工程（1972年）進行了重新評價和規(guī)劃。20世紀70～80年代，美國、澳大利亞、南非、法國和加拿大等國家針對河流生態(tài)系統(tǒng)，比較系統(tǒng)地開展了關(guān)于魚類生長繁殖、產(chǎn)量與河流流量關(guān)系的研究，提出了一些計算和評價方法，取得了初步性研究成果。

（3）生態(tài)系統(tǒng)整體分析。90年代以后，通過水資源和生態(tài)環(huán)境的相關(guān)性研究，生態(tài)需水量研究正式成為全球關(guān)注的焦點問題之一，河流生態(tài)需水概念被明確提出。研究對象也由過去僅關(guān)心的物種（如魚類和無脊椎動物等）及河道物理形態(tài)的研究，擴展到維持河道流量的研究，包括最小流量和最適宜流量，而且還考慮了河流生態(tài)系統(tǒng)的整體性，其研究方向也不再局限于河流生態(tài)系統(tǒng)，已擴展到了河流外生態(tài)系統(tǒng)。此時，陸續(xù)出現(xiàn)了一些新的研究方法，如BBM法、整體分析法以及基于河道流量與水生物生境關(guān)系的模型模擬法等。

2.國內(nèi)研究

國內(nèi)關(guān)于河流生態(tài)需水的研究始于20世紀70年代，主要集中在河流最小流量的確定。

20世紀80年代，針對河流斷流、水污染嚴重等問題，國務(wù)院環(huán)境保護委員會在《關(guān)于防治水污染技術(shù)政策的規(guī)定》中指出：在水資源規(guī)劃時，要保證為改善水質(zhì)所需的環(huán)境用水，其研究主要集中在宏觀戰(zhàn)略方面，對如何實施、管理仍處于探索階段。這一時期，針對中國北方流域出現(xiàn)的水資源短缺現(xiàn)象，學者們在探討生態(tài)需水概念的同時，對河流、植被、濕地、湖泊等生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)需水量展開了大量研究，并相繼提出一些理論。劉昌明根據(jù)流域水資源開發(fā)利用與生態(tài)需水的關(guān)系，提出了生態(tài)水利的“四大平衡”原理（水熱平衡、水鹽平衡、水沙平衡、水量平衡），并探討了“三生”用水（生活、生產(chǎn)與生態(tài)）之間的共享性。

20世紀90年代，由于西北內(nèi)陸地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化，生態(tài)問題突出，首先開始了對西北干旱、半干旱區(qū)生態(tài)需水研究。國家“九五”科技攻關(guān)項目“西北地區(qū)水資源合理利用與生態(tài)環(huán)境保護”對干旱區(qū)生態(tài)需水進行了系統(tǒng)研究，提出了針對干旱區(qū)特點的生態(tài)需水計算方法，并于2003年出版了該項目的系列專著，從此揭開了我國生態(tài)需水研究的序幕。之后，黃淮海平原區(qū)河道斷流、河道淤積、地下水大面積超采、河流入?？谟俜e、海水入侵、河流污染等問題引起了人們的關(guān)注，開始了黃淮海平原地區(qū)河流湖泊生態(tài)需水的研究。

21世紀以來，國內(nèi)河流生態(tài)需水研究不斷成熟，國家科技攻關(guān)項目“中國分區(qū)域生態(tài)用水標準研究”構(gòu)建了生態(tài)用水標準基數(shù)分析體系，提出了北方半濕潤半干旱地區(qū)四大流域生態(tài)需水特征值以及不同發(fā)展階段的生態(tài)用水控制指標。基于遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，結(jié)合水資源計算理論和植被生態(tài)理論研究了區(qū)域生態(tài)需水量。水利部重點項目“北方地區(qū)最小生態(tài)環(huán)境需水量研究”對黃淮海平原水生態(tài)系統(tǒng)恢復需要的生態(tài)用水進行了研究。在南水北調(diào)水資源配置、水利與國民經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展等項目，以及新的全國水資源規(guī)劃中，都將生態(tài)需水作為供需平衡必須考慮的內(nèi)容。楊志峰等對生態(tài)需水進行了較為系統(tǒng)的分析，從概念界定等理論出發(fā)，探討了各種生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)需水計算和等級劃分方法，并且以黃淮海地區(qū)為研究案例，出版了我國第一部生態(tài)需水專著。水庫的建設(shè)和運行過程中更多的強調(diào)了生態(tài)調(diào)度的重要性，如喬曄等詳細介紹了三峽水庫生態(tài)調(diào)度實踐及存在的不足；郜國明等針對當前小浪底水庫運行引起的生態(tài)環(huán)境問題，提出小浪底水庫生態(tài)調(diào)度的內(nèi)涵、目標和措施。同時，一些學者在生態(tài)需水量模型方面也進行了深入研究，如劉靜玲等構(gòu)建了河流生態(tài)流量計算模型，李鳳清等建立了我國第一個基于長系列野外現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的水生生物棲息地適合度模型。

二、淮河流域系統(tǒng)研究流域生態(tài)需水的現(xiàn)狀

淮河流域系統(tǒng)研究生態(tài)需水的成果主要包括《淮河流域綜合規(guī)劃》《淮河流域生態(tài)用水調(diào)度研究報告》《淮河流域水資源保護規(guī)劃》等，這些研究成果采用不同的計算方法對淮河流域河道重要控制斷面的生態(tài)需水進行計算。

從淮河流域水資源配置的角度出發(fā),《淮河流域綜合規(guī)劃》提出了水資源與生態(tài)保護控制指標，即淮河流域重要河流和湖泊最小生態(tài)流量或水位，范圍包括淮河干流、渦河、沂沭河、洪澤湖、南四湖的10個斷面和湖泊。該研究成果計算生態(tài)需水采用的方法是水文學法中的Tennant法。

《淮河流域水資源保護規(guī)劃》在《淮河流域綜合規(guī)劃》的工作基礎(chǔ)上，選取20個重要水文控制斷面、重要大中型水利樞紐控制斷面作為河流生態(tài)基流控制斷面，涉及14條河流，涵蓋了淮河干流及其主要支流，采用水文學法進行生態(tài)基流的計算，淮河干流和淮河以南地區(qū)水量相對豐沛，非汛期按多年平均流量的6%，汛期按多年平均流量的12%；其他地區(qū)考慮水資源比較短缺，非汛期按多年平均流量的3%，汛期按多年平均流量的10%。

《淮河流域生態(tài)用水調(diào)度研究報告》結(jié)合淮河流域的水量、水質(zhì)及水生態(tài)現(xiàn)狀，提出了“淮河法”來計算河道的最小生態(tài)需水量。首先根據(jù)河流的天然來水量將河道分級，不同的河道級別得出不同的生態(tài)流量標準值，然后從生物保護目標要求、水力學要求、水質(zhì)要求等多方面進行校核，以確保生態(tài)需水量的合理性。該研究成果計算了流域27個控制斷面的最小生態(tài)需水量。

三、淮河流域生態(tài)需水進一步研究的熱點和趨勢

結(jié)合國內(nèi)外生態(tài)需水的研究進展以及淮河流域系統(tǒng)研究生態(tài)需水的現(xiàn)狀，總結(jié)近期和未來淮河流域生態(tài)需水的研究重點有以下幾個方面：

1.充分考慮生態(tài)流量確定的動態(tài)性和耦合性

河流生態(tài)流量不是一個定值，而是一個隨著季節(jié)、時段、河段的不同而發(fā)生變化的動態(tài)值，同時也與生態(tài)環(huán)境保護的目標密切相關(guān)。目前的生態(tài)需水量多側(cè)重于單項研究，而且在區(qū)域需水總量計算中，各項簡單相加減并不能解決交叉重復水量問題。因此，今后在對植物和動物水分需求機理深入了解的基礎(chǔ)上，應(yīng)研究生態(tài)系統(tǒng)受水分脅迫最大的時段和在這一時段生態(tài)系統(tǒng)對水分需求的特性；同時，應(yīng)把流域生態(tài)系統(tǒng)作為一個有機整體，研究水在各生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)狀況、循環(huán)機理，建立生態(tài)需水量耦合模型，合理地定量分析流域生態(tài)需水量以增加生態(tài)需水計算的實用價值。另外，還應(yīng)該明確研究的時間尺度和空間尺度，加強水量和水質(zhì)的耦合研究。

2.建立生態(tài)需水評價指標體系

目前，各地開展河流生態(tài)需水研究時，由于缺乏可參考的評估標準，需水量的確定往往偏重計算方法的討論與完善，多以Tennant法推薦的流量百分比作為評價標準，難以反映實際情況，不能準確檢驗計算結(jié)果的合理性。因此，急需進行大量的野外試驗，建立符合淮河流域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)需水評估標準，即建立生態(tài)需水與生物多樣性、生境多樣性和生態(tài)系統(tǒng)健康狀況相關(guān)聯(lián)的指標體系。

3.深入多方法耦合及3S等新技術(shù)在生態(tài)需水量化中的應(yīng)用

國內(nèi)現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境需水量化方法均存在不同程度的缺陷，尚未形成統(tǒng)一和成熟的適宜我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)的量化方法。因此，可以考慮將各種方法進行合理的耦合，取長補短。如有學者提出水文—水力耦合方法。另外，對于新技術(shù)（如人工智能、3S技術(shù)等）的應(yīng)用較少，今后應(yīng)根據(jù)淮河流域社會經(jīng)濟發(fā)展狀況、生態(tài)環(huán)境狀況和水資源的自然、社會屬性，循著可持續(xù)發(fā)展方向，進一步加強GIS和遙感技術(shù)在測量與計算生態(tài)環(huán)境需水量相關(guān)數(shù)據(jù)方面的應(yīng)用，研究適合于不同對象、時段及要求的生態(tài)環(huán)境需水量化方法。

4.生態(tài)需水量與經(jīng)濟需水的合理配置研究

研究生態(tài)需水的目的是維持生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，而在水資源短缺的條件下，生態(tài)需水往往被經(jīng)濟需水擠占，因此在可持續(xù)的水資源系統(tǒng)中如何實現(xiàn)生態(tài)需水與經(jīng)濟需水的協(xié)調(diào)，滿足單位產(chǎn)值的水資源消耗最小，生態(tài)服務(wù)最大，是今后研究的重點

（作者單位：淮河流域水資源保護局233001）