摘要 综述了河流生态环境需水量的国内外研究进展，从基础理论和计算方法两方面探讨了热点问题，围绕生态水文模型、驱动机制与演变规律、河流生态资产与生态环境需水量的概念关系模型、生态调度模型和生态流量预警等关键技术，提出了河流生态环境需水量的研究模式；对未来的相关研究做了展望。
关键词 生态环境需水量；关键技术；驱动机制；生态资产；生态调度
中图分类号 S181.3；Q148；TV213.9；P344 文献标识码
A 文章编号 0517-6611（2015）15-222-04
Study on Key Technologies of River Ecoenvironment Water Requirements
LI Changwen，KANG Ling （College of Hydropower and Information Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan，Hubei 430074）
Abstract The advances of domestic and foreign research on riverine ecoenvironmental water requirements （EWRs） are reviewed.The theory and estimating method of EWRs are discussed.Based on the technologies including ecohydro model，driving mechanism，developing laws，conceptual relational model between river ecological assets and EWRs，ecological operation model and warning mechanism of ecological flow，the research frame of EWRs is proposed.Finally，future orientations of EWRs are summarized.
Key words Ecoenvironment water requirements； Key technologies； Driving mechanism； Ecological assets； Ecological operation
河流生态系统是河道内、外生物与环境之间进行物质交换和能量流动的统一整体，是一个受自然和人为双重影响的复合生态系统，是一个生物组成、结构和功能都依赖于水文情势（或流量情势）的连续系统[1]。随着社会经济的快速发展，许多河流被大坝和水库所拦截，用于调节年际、年内和区域不均的径流情势，以满足发电、灌溉、引水等人类用水需求。这使得河流的天然水文情势受到强烈干扰，致使全球范围内河流生态系统日益退化，故需要在河道内预留适宜的生态环境需水量（Ecoenvironmental Water Requirements，EWRs），以维持水环境安全和河流健康。因此，河流EWRs的基础理论、计算方法以及因此涉及到的关键技术研究将具有重要的理论意义和实践价值，尤其是在河流的水生态修复和水资源的科学配置实践中。目前，该研究已从基于河道物理形态、水生物需水要求计算最小、最佳生态流量，发展到基于河流健康视角计算具有可变范围的生态流量；尚存在的主要问题有河流EWRs的内涵不清晰，计算方法不完善，关键技术尚待开发等。总体上，目前的研究主要关注维持河流生态系统临界条件下的单一EWRs，对河流的生态水文节律及生态需水量的演变规律关注不够；需要调整研究重点，从河流生态系统与水循环的互动-适应性机制等方面入手，全面剖析河流EWRs。
1 研究进展
随着对河流生态系统认识的不断深入，河流EWRs的研究在國内外均得到了全面发展。国外的研究可分为萌芽、逐步发展和完善3个阶段[2-5]。①萌芽阶段：1960s之前，提出了最早的EWRs概念，并尝试了EWRs的定量研究；②逐步发展阶段：1970s～1980s末，相关概念得到普遍认同，人们开始从不同角度对其研究，先后提出了基于水文学、水力学和生境适宜性评价的系列方法，其中Tennant法奠定了该方向的理论基础；③完善阶段：1990s后，主要针对河流整体性展开研究，完善了相关理论和计算方法，许多国家将EWRs列入法律法规。基于生态-水文的耦合作用机理研究、基于3S的EWRs研究、河流生态系统与水循环的互动-适应性机制研究、基于水资源配置的EWRs优化调度等是近几年相关研究人员关注的重点。
我国EWRs的研究大致可分为初步认识、探索、理论研究、理论与实践相结合4个阶段[6-8]。①初步认识阶段：1970s，开始探讨河流最小流量问题；②探索阶段：1980s，主要集中在宏观战略方面的研究，提出了生态用水、环境用水等概念以及相关计算方法；③理论研究阶段：1990s，水利部提出在水资源配置中考虑生态环境用水，EWRs的理论研究逐渐展开；④理论与实践相结合阶段：2000s以来，随着EWRs理论的日渐成熟，研究的视角与重点开始转变为基于水循环、水量与水质耦合、自然与经济系统用水关系的协调研究，研究范围从西北地区向东北地区、南方地区和西部地区扩展，计算方法也不断增多与成熟，取得了较大的进展和成果，其中《中国分区域生态需水》获国家科技进步奖二等奖。近年来，围绕EWRs的配置、水库生态调度、时间变异性与空间移植性等方面开展了诸多研究[9-10]。
2 热点问题
当前河流EWRs的研究热点主要集中在基础理论和计算方法两个方面。
2.1 基础理论研究
2.1.1 EWRs的理论基础。河流EWRs是在多学科、多理论基础之上逐渐形成、发展和成熟起来的。①系统论：从河流生态系统的思维揭示了径流与生态相互作用的内在规律。②生态水文学：通过对水资源（包括“蓝水”和“绿水”）空间分布规律的定量模拟与计算，为EWRs的研究提供了必要的理论基础和技术手段。③生态学：其中的整体性原理和物种耐性理论分别对EWRs的研究尺度和阈值特性进行了说明；物种多样性原理要求EWRs应具有不同的等级和时间变化特性，以维持水生生物的多样性；景观生态学理论要求EWRs应包含一定的生态洪水，以维持两岸一定宽度的植被带。④水文学：水循环与水量平衡原理是开展EWRs研究的重要基础，而通过EWRs的研究，可揭示水循环的内在规律，促使水文过程向有利于河流生态系统和社会经济可持续发展的方向发展。⑤地带性理论：要求EWRs具有空间变异性，而不同比例尺的专题地图可为EWRs的计算提供本底数据。
2.1.2 EWRs的概念辨识。河流EWRs是一个复杂的概念，国内外至今仍没有形成一个明确而又统一的定义[1，7，11]，出现了诸如生态用水/需水/流量、环境用水/需水/流量、生态耗水、生态配水等许多概念。综观国内外EWRs的研究成果，笔者认为，河流EWRs是指基于河流健康的具有适宜数量、质量以及时空变化特征和阈值特性的水。该定义综合了EWRs的水量、水质和阈值三重属性，强调了时间和空间的变异性以及变化范围，即认为EWRs是一个具有阈值的变量，EWRs的确定还应以维持河流健康为目的。
2.1.3 EWRs的机理分析。河流EWRs存在最大、最小两个阈值：超过最大值将发生洪涝灾害，低于最低值将使河流生态系统受到不可逆的损害，只有处于适宜范围内，才能维持河流生态系统的健康。同时，河流EWRs受水资源的数量和质量、水体的生态环境功能、社会经济的发展规模、水资源的开发利用程度、水生生物的水质水量要求等诸多因素的影响。因此，EWRs的阈值和影响因素都将是研究的重点，尤其是如何科学合理地确定EWRs的阈值大小仍是一个世界难题。
2.1.4 EWRs的基本特征。河流EWRs是一个具有生态、环境和自然属性的概念，反映了河流生态系统的可持续性、承受和恢复能力以及维持社会经济发展的能力，具有以下特性。①可持续性：EWRs的前提是维持河流的特定生态环境功能，以实现人水和谐共存。②时空性：空间性表现为EWRs在不同的地理分区（如干旱区和湿润区、河道内和河道外、同一河流的上、中、下游及河口）有所差异；时间性表现为EWRs在年际和年内的不同时段有所差异，且随环境治理、生态修复的实践，EWRs的外延、内涵和计算方法都会有所改变。③临界性：在特定的时空尺度内，应保证河流生态系统所需的最低EWRs。④经济性：随着淡水资源的逐渐稀缺，水资源的自身价值也将越来越高。而在河流污染物的稀释自净中，EWRs不仅需要考虑其自身价值，还应考虑污染物的处理费用。因此，EWRs应是最“经济”的水量，而非越多越好，当然也不是越少越好。
2.1.5 EWRs的分类研究。根据河流生态系统的结构和功能，可将河流EWRs分为河道内和河道外两部分；根据空间变化特点，可将河流EWRs分为区域空间和立体空间两部分；根据所掌握的数据和水生栖息地维持水平的时间维度，可将河流EWRs分为历史、现状和未来三部分；根据要实现的目标，将河流EWRs分为维持不同情景、现状水平、天然水平、最大目标、最低目标、适宜目标和优化目标的需水量。河流EWRs的具体分类如图1所示。
2.2 计算方法研究
估算与评价河流EWRs一直是研究中的重点和难点，评价指标与计算方法还没形成统一的体系。目前，全球约有207种评估方法[12]，大致可分为水文学法、水力学法、生境模拟法、综合法、整体分析法及其他方法，如表1和图2所示。从表1可知，这些方法的复杂程度和对数据的要求总体呈增高趋势，方法越简单，操作越容易，研究得也越成熟，其方法种类也越多，如水文学法的种类（30%）远多于整体分析法（7.7%），但是其生态验证也就越欠缺；方法越复杂，对河流生态系统的需水要求把握越精准，但却需要大量的人力、财力等支持，耗时长，不易操作，区域适用性强，不利于推广使用。从图2可知，澳洲、北美和欧洲的评估方法最多，研究最为广泛和深入，其中水文学法、综合法和其他方法在欧洲最多，生境模拟法和水力学法在北美最多，整体分析法在澳洲最多，相对而言，亚洲的各类研究方法较少。因此，我国应加强该领域的研究。虽然以上各种方法的种类统计会有所偏差，尤其是近年来又提出或改进了很多新的方法，但整体上还是反映了全球各洲的研究水平。不同的研究方法各有其优缺点和适用范围，选定评估方法应考虑河流的类型、收集资料的费用和困难程度等因素。此外，先前的研究注重从应用方面选取适宜指标，近期的研究则开始注重从河流生态系统的整体性开展评价。考虑到我国生态水文数据较为缺乏的现实情况，简单易操作的水文学法是目前研究方法的首选，而现有水文学法普遍存在区域适用性问题，方法选取不慎会造成计算结果不合理。因此，未来应加强能适用于不同空间的水文学法研究[10]。
3 研究模式
结合河流生态资产的研究成果[13]，笔者提出了河流EWRs的研究模式，如图3所示：
3.1 生态水文数据的观测与计算
依托原型观测技术，实施全流域水文、水力、水质、剖面生态、水生生物、河岸植被、河岸土壤等生态水文数据的观测，并结合流域的社会经济和水文資料，分析生态水文特征，并反演生态水文过程，为估算EWRs提供数据支撑。
3.2 河流分区及生态水文模拟
随着数字信息和监测技术的持续迅猛发展，推动了将实地考察、定位观测等传统方法与GIS、RS、GPS等高新技术相结合，并通过计算机数值模拟方法建立具有统一物理机制和流域特色的分布式生态水文模型。目前相关的热点研究包括EWRs数据库与决策支持系统的构建、EWRs的数字仿真与可视化实现等方面，以动态地显示河流生态系统的各种生物过程、水文过程及其相互作用和空间演变规律；基于GIS技术和河流资产特性，对河流生态系统进行空间分区，确定不同子系统的EWRs；选择年际、年内、月内等不同的时间尺度和流域、河流、河段、断面等不同的空间尺度，开展EWRs的时空对比研究；采用主成分分析法、三维景观模型、生态足迹法等各种数学方法对河流EWRs进行动态模拟与仿真计算。
3.3 EWRs的演变规律和驱动机制研究
河流EWRs具有时空变异性[10]，目前关于河流EWRs的演变规律和驱动机制研究较少。随着人们对河流生态系统认识的不断深入，基于水循环的驱动机制研究逐渐增多。近几年，研究人员开始结合全球气候变化与人类活动的影响对EWRs展开研究。河流EWRs估算的核心是水分-生态相互响应关系、河流生态与水循环的互动-适应性机制。因此，开展EWRs的演变规律与驱动机制研究宜从河流的生态水文过程入手，主要包括EWRs的不确定性研究，水生生物的生存条件与水流条件的响应关系研究，变化环境下河流生态资产的演变趋势研究，自然-社会二元水循环的驱动机理研究，不同时空尺度下土地利用方式对水循环和河流生态的作用研究，多重胁迫下河流生态系统的受损与修复机理研究等。
3.4 河流生态资产与EWRs的关系研究
人类从河流中获取的各项服务可用价值量化，即为河流生态资产。当前研究更多关注河流生态系统对人类的经济价值，而较少考虑河流的生态支撑功能[13]。河流生态资产的识别是开展EWRs评估的基础，笔者建议根据河流的属性和类型，从不同时空尺度上对河流生态资产开展层次化的辨识，并根据河流保护价值的大小和受威胁程度确定各类资产的优先级别。水缺失在一定程度上会影响河流的正常生态过程，造成生态功能的损失和紊乱。河流EWRs短缺的损失价值可用对应的河流资产的缺损值进行评估。最后，根据自然流量情势与水生生物生长繁殖的响应关系，确定河流资产各个目标与EWRs各项组分或要素的关系，并将其描述成一个概念模型。值得注意的是，当某个EWRs要素与几个河流资产目标同时存在联系，且其中一个目标又起着关键的限制作用时，就将这个目标视为“控制目标”，重点考虑EWRs要素与“控制目标”的关系。
3.5 河流EWRs的计算
根据观测和模拟的生态水文数据及河流生态资产与EWRs的概念关系模型，采用适宜的EWRs计算方法，确定各河段不同生态水文季节具有量-水质两重属性的EWRs阈值范围，以维持河流生态系统的整体健康。河流EWRs的计算应遵循以下原则：①多功能需求协调原则：对各生态环境功能在不同的时段和河段下的相对重要性进行加权处理，以确定各功能的优先级别，采用主功能优先、各功能协调的原则依次计算EWRs。②时空匹配原则：计算的EWRs应具有季节和年际的丰枯变化特征，并符合天然径流的空间变化规律。③兼容性原则：对有兼容性的EWRs，以最大值为最终计算结果。④流域整体优化原则：兼顾河流上、中、下游的径流特性和EWRs，对全河段的水资源进行综合优化和科学配置，以使各河段都能健康发展。⑤效率最优化原则：EWRs应尽量使水资源的利用效率达到或接近最优，以减少水资源的不必要浪费。
3.6 生态流量预警与生态调度
根据生态水文节律，对计算的EWRs设立不同的预警值，如将适宜EWRs下限值和最小EWRs分别设为黄色和红色预警值，以指导河流的调度管理。构建EWRs的危机管理机制，当河流的来水量<预警值时，河道的取水和排污管理进入非常状态，水库或湖泊则实施生态调度方案，通过下泄适宜的水量满足EWRs。此外，还应研究生态价值的补偿机制，预警线以下的水量，其生态价值要远高于常规状态的水量。对于生态调度模型，可以计算的EWRs为目标函数或者约束条件，并采用数学优化方法进行求解，得出适宜的生态调度方案，以协调生态用水与人类用水的关系。值得注意的是，计算的EWRs并非都是完全的科学合理，应对其生态效果进行监测，并根据监测结果分析其合理性，然后做出适当改进。此外，计算的EWRs也可能不利于水庫的调度操作，需要结合各项约束条件综合权衡和优化，进而得到适宜的生态流量过程线或EWRs调度图。
4 结语
综述了1940s以来河流EWRs在理论和方法研究中的一些热点问题及关键技术，提出了计算河流EWRs的研究模型。未来应加强以下研究：①基于河流健康理论的EWRs内涵辨识研究，综合考虑水量、水质、时间、空间、阈值等属性。②构建跨学科的EWRs理论体系，实现水动力学、水利工程、水文学、水力学、地理学、生态学、经济学等学科的交叉发展。③在EWRs的计算方法上，一方面整合各种方法或模型的优点，开发集成的软件平台，从不同侧面综合评估EWRs，另一方面探索基于水文循环过程的EWRs驱动机制和演变规律，研究不同时空下的适宜计算方法。④结合模拟仿真与3S等高新技术，不断发展和完善EWRs的评估模型，并将其计算结果可视化和人性化地展现。
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