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(shì)分析

水 艷 李麗華 喻光曄

淮河流域地處我國(guó)的南北氣候過(guò)渡帶，流域面積27萬(wàn)m2。干流以北地區(qū)天然基流缺乏，時(shí)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(wú)節(jié)制的過(guò)度開發(fā)，水生態(tài)系統(tǒng)健康存在著不同程度的問(wèn)題。研究流域生態(tài)需水問(wèn)題已經(jīng)成為維系河湖生態(tài)系統(tǒng)健康運(yùn)行的關(guān)鍵工作。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外生態(tài)需水研究的發(fā)展過(guò)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(diǎn)和趨勢(shì)，以期為進(jìn)一步的生態(tài)需水合理配置提供參考。

一、國(guó)內(nèi)外生態(tài)需水研究的發(fā)展過(guò)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(shí)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(jì)40年代就開始了。目前，美國(guó)、南非、澳大利亞、日本等國(guó)對(duì)生態(tài)需水的研究已經(jīng)較為成熟，而我國(guó)對(duì)于生態(tài)需水研究起步較晚。

1.國(guó)外研究

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

（1）相關(guān)概念提出。20世紀(jì)40年代，美國(guó)漁業(yè)與野生動(dòng)物保護(hù)協(xié)會(huì)圍繞魚類生長(zhǎng)繁殖與河流流量關(guān)系進(jìn)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(shí)期還沒(méi)有明確形成河流生態(tài)需水的概念，但一些關(guān)于流量補(bǔ)償?shù)囊?guī)定開始制定并實(shí)施。

（2）生態(tài)流量定量研究。20世紀(jì)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(guò)程的研究。一些早期工作建立了流量和流速、鮮魚、大型無(wú)脊椎動(dòng)物、大型水生植物的聯(lián)系。在此期間，河流生態(tài)學(xué)家將注意力集中在能量流、碳通量和大型無(wú)脊椎動(dòng)物生活史方面。隨后，國(guó)外學(xué)者對(duì)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(jìn)行了重新評(píng)價(jià)和規(guī)劃。20世紀(jì)70～80年代，美國(guó)、澳大利亞、南非、法國(guó)和加拿大等國(guó)家針對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)，比較系統(tǒng)地開展了關(guān)于魚類生長(zhǎng)繁殖、產(chǎn)量與河流流量關(guān)系的研究，提出了一些計(jì)算和評(píng)價(jià)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(guò)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(diǎn)問(wèn)題之一，河流生態(tài)需水概念被明確提出。研究對(duì)象也由過(guò)去僅關(guān)心的物種（如魚類和無(wú)脊椎動(dòng)物等）及河道物理形態(tài)的研究，擴(kuò)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(kuò)展到了河流外生態(tài)系統(tǒng)。此時(shí)，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(guó)內(nèi)研究

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

20世紀(jì)80年代，針對(duì)河流斷流、水污染嚴(yán)重等問(wèn)題，國(guó)務(wù)院環(huán)境保護(hù)委員會(huì)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(shí)，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(duì)如何實(shí)施、管理仍處于探索階段。這一時(shí)期，針對(duì)中國(guó)北方流域出現(xiàn)的水資源短缺現(xiàn)象，學(xué)者們?cè)谔接懮鷳B(tài)需水概念的同時(shí)，對(duì)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(jì)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(wèn)題突出，首先開始了對(duì)西北干旱、半干旱區(qū)生態(tài)需水研究。國(guó)家“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“西北地區(qū)水資源合理利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)”對(duì)干旱區(qū)生態(tài)需水進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了針對(duì)干旱區(qū)特點(diǎn)的生態(tài)需水計(jì)算方法，并于2003年出版了該項(xiàng)目的系列專著，從此揭開了我國(guó)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(wèn)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(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)河流生態(tài)需水研究不斷成熟，國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目“中國(guó)分區(qū)域生態(tài)用水標(biāo)準(zhǔn)研究”構(gòu)建了生態(tài)用水標(biāo)準(zhǔn)基數(shù)分析體系，提出了北方半濕潤(rùn)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(biāo)。基于遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，結(jié)合水資源計(jì)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(diǎn)項(xiàng)目“北方地區(qū)最小生態(tài)環(huán)境需水量研究”對(duì)黃淮海平原水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)需要的生態(tài)用水進(jìn)行了研究。在南水北調(diào)水資源配置、水利與國(guó)民經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展等項(xiàng)目，以及新的全國(guó)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(duì)生態(tài)需水進(jìn)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(jì)算和等級(jí)劃分方法，并且以黃淮海地區(qū)為研究案例，出版了我國(guó)第一部生態(tài)需水專著。水庫(kù)的建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中更多的強(qiáng)調(diào)了生態(tài)調(diào)度的重要性，如喬曄等詳細(xì)介紹了三峽水庫(kù)生態(tài)調(diào)度實(shí)踐及存在的不足；郜國(guó)明等針對(duì)當(dāng)前小浪底水庫(kù)運(yùn)行引起的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，提出小浪底水庫(kù)生態(tài)調(diào)度的內(nèi)涵、目標(biāo)和措施。同時(shí)，一些學(xué)者在生態(tài)需水量模型方面也進(jìn)行了深入研究，如劉靜玲等構(gòu)建了河流生態(tài)流量計(jì)算模型，李鳳清等建立了我國(guó)第一個(gè)基于長(zhǎng)系列野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(bào)告》《淮河流域水資源保護(hù)規(guī)劃》等，這些研究成果采用不同的計(jì)算方法對(duì)淮河流域河道重要控制斷面的生態(tài)需水進(jìn)行計(jì)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(hù)控制指標(biāo)，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(gè)斷面和湖泊。該研究成果計(jì)算生態(tài)需水采用的方法是水文學(xué)法中的Tennant法。

《淮河流域水資源保護(hù)規(guī)劃》在《淮河流域綜合規(guī)劃》的工作基礎(chǔ)上，選取20個(gè)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(xué)法進(jìn)行生態(tài)基流的計(jì)算，淮河干流和淮河以南地區(qū)水量相對(duì)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(bào)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(lái)計(jì)算河道的最小生態(tài)需水量。首先根據(jù)河流的天然來(lái)水量將河道分級(jí)，不同的河道級(jí)別得出不同的生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)值，然后從生物保護(hù)目標(biāo)要求、水力學(xué)要求、水質(zhì)要求等多方面進(jìn)行校核，以確保生態(tài)需水量的合理性。該研究成果計(jì)算了流域27個(gè)控制斷面的最小生態(tài)需水量。

三、淮河流域生態(tài)需水進(jìn)一步研究的熱點(diǎn)和趨勢(shì)

結(jié)合國(guó)內(nèi)外生態(tài)需水的研究進(jìn)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(lái)淮河流域生態(tài)需水的研究重點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

1.充分考慮生態(tài)流量確定的動(dòng)態(tài)性和耦合性

河流生態(tài)流量不是一個(gè)定值，而是一個(gè)隨著季節(jié)、時(shí)段、河段的不同而發(fā)生變化的動(dòng)態(tài)值，同時(shí)也與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)密切相關(guān)。目前的生態(tài)需水量多側(cè)重于單項(xiàng)研究，而且在區(qū)域需水總量計(jì)算中，各項(xiàng)簡(jiǎn)單相加減并不能解決交叉重復(fù)水量問(wèn)題。因此，今后在對(duì)植物和動(dòng)物水分需求機(jī)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(shí)段和在這一時(shí)段生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水分需求的特性；同時(shí)，應(yīng)把流域生態(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，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(jì)算的實(shí)用價(jià)值。另外，還應(yīng)該明確研究的時(shí)間尺度和空間尺度，加強(qiáng)水量和水質(zhì)的耦合研究。

2.建立生態(tài)需水評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

目前，各地開展河流生態(tài)需水研究時(shí)，由于缺乏可參考的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，需水量的確定往往偏重計(jì)算方法的討論與完善，多以Tennant法推薦的流量百分比作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，難以反映實(shí)際情況，不能準(zhǔn)確檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的合理性。因此，急需進(jìn)行大量的野外試驗(yàn)，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(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)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(guó)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(guó)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(jìn)行合理的耦合，取長(zhǎng)補(bǔ)短。如有學(xué)者提出水文—水力耦合方法。另外，對(duì)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(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、生態(tài)環(huán)境狀況和水資源的自然、社會(huì)屬性，循著可持續(xù)發(fā)展方向，進(jìn)一步加強(qiáng)GIS和遙感技術(shù)在測(cè)量與計(jì)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(duì)象、時(shí)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(jì)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(jì)需水?dāng)D占，因此在可持續(xù)的水資源系統(tǒng)中如何實(shí)現(xiàn)生態(tài)需水與經(jīng)濟(jì)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(diǎn)

（作者單位：淮河流域水資源保護(hù)局233001）