关于生态环境需水量若干问题的探讨

关于生态环境需水量若干问题的探讨
崔树彬
摘要生态环境需水量是指一个特定区域内的生态系统的需水量。

对其计算，国内外已有一些方法。

但水土保持需水量不必作为生态环境需水量进行单独的计算，河道水沙平衡需水量也不宜纳入生态环境需水量。

关键词生态环境需水量定义计算
概念和定义
在美国，环境用水系指服务于鱼类和野生动物、娱乐及其他美学价值类的水资源需求。

主要包括：①联邦和州确定的自然和景观河流的基本流量。

联邦制定了《自然和景观河流法》，将部分河流划定为自然风景类河流，以保护其不被开发或阻止开发与该法案目的不一致的水利工程。

一些州也划定出本州的自然和景观河流加以保护。

②河道内用水。

指用于航运、娱乐、鱼类和野生动物保护以及景观的用水。

③湿地需水。

主要指湿地保护区的需水包括咸水湿地、微盐沼泽和淡水湿地的需水。

④海湾和三角洲的流量。

为保持和控制海湾和三角洲的环境（咸度、入海流量）而规定的需水量。

我国1990年的《中国水利百科全书》将环境用水量定义为：“改善水质、协调生态和美化环境等的用水”。

并进一步解释为：改善水质，即“对于河流，应保证枯水期的最小流量，使其得到一定的污径比，以改善水质”；协调生态用水，即“水生物受外界非生物环境的影响……一般可根据不同鱼类区系，鱼类组成及生理习性来考虑维持鱼类生态环境用水。

为了防止入海河口泥沙淤积，维护河口地区生态环境，需要保持一定的河道径流水量”；美化环境用水，即“对于旅游区的水库、湖泊和河流，应考虑旅游景观和通航要求，保持一定的湖面和水深……在城市，主要应根据各地气候条件和水源条件，考虑城市的净化、绿化即公园湖泊等用水要求”；此外，还有为控制地面沉降的回灌用水，为减轻咸潮倒灌而加大枯水季河道水量用水等。

上述定义和概念基本上都是基于水体及与水体有直接联系的“水生态”和“水环境”的用水量。

目前，我国水利界及社会各界所讨论的“生态环境用水量”，已经大大超过了上述内容和范围。

例如，由中国工程院组织43位院士和近300位院外专家参加完成的《21世纪中国可持续发展水资源战略研究》认为：广义的生态环境用水，是指“维持全球生物地理生态系统水分平衡所需用的水，包括水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等，都是生态环境用水”。

“狭义的生态环境用水是指为维护生态环境不再恶化并逐渐改善所需要消耗的水资源总量”。

狭义的“生态环境用水计算的区域应当是水资源供需矛盾突出以及生态环境相对脆弱和问题严重的干旱、半干旱和季节性干旱的半湿润区”。

狭义的生态环境用水主要包括“保护和恢复内陆河流下游的天然植被及生态环境；水土保持及水保范围之外的林草植被建设；维持河流水沙平衡及湿地、水域等生态环境的基流；回补黄淮海平原及其他地方的超采地下水”等方面。

由此可见，不论是广义的还是狭义
的生态环境用水，其含义都已远远超过了美国和《中国水利百科全书》所定义的“环境用水量”的范围。

“生态需（用）水量”一词，目前还没有见到有人给它下过确切的定义（指基本能够得到公认的定义），中国现有的环境百科等辞书，也没有关于它的解释。

作者认为，生态需水量应该是指一个特定区域内的生态系统的需水量，而并不是指单单的生物体的需水量或者耗水量。

它是一个工程学的概念，它的含义及解决的途径，重在生物体所在环境的整体需水量（当然包含有生物体的自身消耗水量）。

它不但与生态区的生物群体结构等有关系，更重要的它还与生态区的气候、土壤、地质、水文条件等都有关系。

因而，“生态需（用）水量”与“生态环境需（用）水量”的含义及其计算方法应当是一致的。

计算生态需水量，实质上就是要计算维持生态保护区生物群落稳定和可再生维持的栖息地的环境需水量，也即“生态环境需水量”，而不是指生物群落机体的“耗水量”。

中国科学院新疆生物土壤沙漠研究所所作的塔里木河下游胡杨林保护生态用水量；甘肃省民勤县水利局所做的石羊河下游民勤绿洲生态用水量Ⅴ，实质上都是计算的维持某一生态环境标准（如胡杨林及绿洲的面积与长势等）所需的水量。

河道内生态环境需水量计算
1.国际社会和世界各国的努力
世界上近40%的人生活在两个以上的国家所共有的河水流域，各国为了保护各自的取用水权力和以水为依托的社会经济、生态环境，而不断的讨价还价，争论、冲突，甚至战争。

近年来在许多国际会议上一致认为需要一个新的包含有生态环境用水的解决方案。

1993年，世界银行发布了一个水资源政策文件，但缺乏有关生态环境水量解决方案的具体原则。

其中关键的问题是，如何确定可再生水域的水生动、植物体系的生态环境标准。

可再生地下水的可维持性（生态环境可承受的）标准相当明确，那就是净提取水资源量决不能超过地下水补给量。

然而，构成河流水资源的可再生性运动相当复杂。

随着四季的变化，沿岸各种生命的生态环境需求，河道水系的沉淀与盐分平衡，地方居民在养鱼与娱乐方面的价值观念，以及某条河流水域方面的其他因素，对保留多少河水才能满足各种环境因素的需求，往往很难取得一致意见。

即使科学家们更深入的理解某条河流复杂的生态运行，也需规定必须的径流量。

1997年联合国大会通过了《国际水域非航海使用法条款》，使处理国际间的水危机问题有了一定的依据，但也缺乏河道内生态环境需水量的计算原则和方法。

在美国，环境用水已经成为水资源管理部门的一项重要工作。

尤其是在西部半干旱地区的几个州，他们称之为河道内流量权管理，其目的是在合理保护自然环境的前提下，有效开发利用水资源。

事实上，美国有46个州拥有河道内流量管理权，其中11个州是以法规条例形式加以规定。

以科罗拉多州为例，1973年州水利局（CWCB）被授权拥有批准河流流量和天然湖泊水位的权利，便能合理地保护自然环境。

目前州水利局拥有覆盖全州近8000英里的河流和几乎500个天然湖泊的1800个水权。

河流流量的审批，一般
是依据联邦和州政府的有关部门提供的生态学推荐值来批准；在法国，1992年颁布的水法强调了水资源集中管理的必要性和保护水环境平衡的重要性，并规定：当河水流量降低到最低生物流量以下时，只有供应饮用水才能列为首先要保证的。

在渔业法和乡村法中规定了水利工程施工建设和运用管理应当保证的河道内最小环境流量的底限；在中国，许多地区都曾研究和尝试或实施过利用水库调蓄作用，改善库区和水库下游的水质、水产生态和其他水环境要素的需求。

黄河流域曾研究过在考虑社会经济发展、废污水排放量增长和治理能力增强，以及废污水资源化实施等诸多条件下影响和作用下的、以水质目标为约束的河道内生态环境需水量预测方法。

2.保护水生物栖息地的计算方法和标准
保护水生物栖息地生态流量的推荐值一般是基于这样的一种假设：即保护水生生物指示种，例如虹鳟鱼、鲑鱼等，所需的水量是与保护整个生态环境所需的水量相同的。

水生态计算和评价方法，最为典型的是美国的“湿周法”、“R2CROSS法”、河道内流量增加法。

1 河道湿周法
该方法的依据是基于这样的一种假设：即保护好临界区域的水生物栖息地的湿周，也将对非临界区域的栖息地提供足够的保护。

该方法利用湿周（指水面以下河床的线性长度，见图１）作为栖息地的质量指标来估算期望的河道内流量值。

通过在临界的栖息地区域（通常大部分是浅滩）现场搜集渠道的几何尺寸和流量数据，并以临界的栖息地类型作为河流的其余部分的栖息地指标。

河道的形状影响该方法的分析结果。

该法需要确定湿周与流量之间的关系。

这种关系可从多个河道断面的几何尺寸—流量关系实测数据经验推求，或从单一河道断面的一组几何尺寸—流量数据中计算得出。

湿周法河道内流量推荐值是依据湿周—流量关系图中影响点的位置而确定，见图２。

2 以曼宁公式为基础的计算方法
该方法也称R2CROSS法。

适用于一般浅滩式的河流栖息地类型。

该种方法的河流流量推荐值是基于这样的假设，即浅滩是最临界的河流栖息地类型，而保护浅滩栖息地也将保护其他的水生栖息地，如水塘和水道。

确定了平均深度、平均流速以及湿周长百分数作为冷水鱼栖息地指数，平均深度与湿周长百分数标准分别是河流顶宽和河床总长与湿周长之比的函数，所有河流的平均流速推荐采用1英尺每秒的常数，这３种参数是反映与河流栖息地质量有关的水流指示因子。

如能在浅滩类型栖息地保持这些参数在足够的水平，将足以维护冷水鱼类与水生无脊椎动物在水塘和水道的水生环境。

起初河流流量推荐值是按年控制的。

后来，生物学家又研究根据鱼的生物学需要和河流的季节性变化分季节制订相应的标准，见表１。

3 河道内流量增加法
河道内流量增加法主要有IFIM法。

IFIM把大量的水文水化学现场数据与选定的水生生物种在不同生长阶段的生物学信息相结合，进行流量增加的变化对栖息地影响的评价。

考虑的主要指标有水的流速、最小水深、底质情况、水温度、溶解氧、总碱度、浊度、透光度等。

河道内流量增量法并不产生特定的河道内流量目标值，除非栖息地保护的标准能被确定。

河道内流量增加法的结果通常用来评价水资源开发建设项目对下游水生栖息地的影响。

3.防治河流水质污染的计算方法和标准
1 美国的7Q10法和中国的10年最枯月平均流量法
水质污染稀释自净需水量，也即为改善水质需要的环境水量。

对于河流，就是最小环境流量；对于湖泊、水库，就是受污染水体的最小交换水量。

依据《中国水利百科全书》环境用水词条的解释，最小环境水量（流量）的确定，需要城市或区域的水污染综合防治规划考虑，并通过水质模型的具体计算确定。

依照90年代以来的环境污染防治和生物多样性保护思路，环境污染实质上是能源和资源的浪费，防治环境污染应当从根本做起。

采用90%保证率最枯连续７天的平均水量作为河流最小流量设计值。

该法在70年代传入我国，主要用于计算污染物允许排放量，在许多大型水利工程建设的环境影响评价中得到应用。

由于该标准要求比较高，鉴于我国的经济发展水平比较落后，南北方水资源情况差别较大，我国在《制订地方水污染物排放标准的技术原则和方法》（GB3839-83）中规定：一般河流采用近10年最枯月平均流量或90%保证率最枯月平均流量。

2 以水质目标为约束的生态环境需水量计算
依据环境水利学有关水质污染稀释自净需水量求算得基本思路，我们曾研究过以水环境质量目标为约束的城市河段最小流量测算方法，其主模式如为：
CsQ1+q1-K2=1-KQ1C1C1+W1-K11-K2式中：CS——为河段水质控制目标（mg/L）；Q1C1——为河段上游流入的水量m3/s和污染物浓度mg/L；W——为河段内污染物产生量g/s；k——污染物削减综合系数；K1——河段内污染物治理系数；K2——河段内污废水资源化系数；∑q——河段内城市污废水产生总量（m3/s）。

K1、K2是两个与社会经济发展、环境保护投资、水污染治理投资、污染源治理效益和废污水资源化条件等有关的治理系数。

4.脱离特定用途的综合型计算方法和标准
该法也叫Montana法，是非现场测定类型的标准设定法。

河流流量推荐值是以预先确定的年平均流量的百分数为基础，见表2。

该法不需要现场测量。

在有水文站点的河流，年平均流量的估算可以从历史资料获得。

在没有水文站点的河流，可通过水文计算来获得。

在美国，该法通常作为在优先度不高的河段研究河流流量推荐值使用，或者作为其他方法的一种检验。

在法国，《乡村法》第232.5条规定：河流最低环境流量不应小于多年平均流量的1/10；对于所有河流，或者部分河流，如果其多年平均流量大于80m3/s 时，政府可以给每条河制定法规，但最低流量的下限不得低于多年平均流量的1/20。

5.景观和水上娱乐环境需水量
在美国，联邦政府制定了《自然和景观河流法》，将部分河流划定为自然风景类河流，供人们休闲娱乐和观光旅游使用。

一些州也划定出了本州的自然和景观河流，以保护其不被开发或阻止与其功能不一致的水利工程。

在法国，卢瓦尔—布列塔尼流域水资源管理局正在试图恢复和维护水环境，并计划每年恢复4000到5000km2的水面面积。

在我国，一些城市的景观环境需水量，在规划时往往用人均水面面积指标衡量。

海河流域在进行生态环境需水量计算时，也曾依据不同规模、类型的城市的人均水面面积计算了整个流域的生态环境需水量。

除了景观环境需水量之外，水上娱乐活动，如滑水、帆船、划船、冲浪等水上活动愈来愈受到更多的人欢迎。

对于河流而言，要保持水上娱乐活动功能，必须有一定的水面面积及流量。

然而，直至目前尚没有见到有关保持景观河流流量和水上娱乐功能的计算方法和标准。

作者认为，这部分需水量一般应在河流的生物学需水量的基础上兼顾。

对于特别重要的河段，也可以依据观光旅游或水上娱乐高峰季节所需要的水面面积及水深等参数，采用前面所述的湿周法或其他方法进行计算或确定。

6.水沙平衡和河口海域生态环境需水量
目前，我国北方河流，尤其是黄河存在的一个不利的趋势是：河道径流日趋减少，甚至出现了长历时、大范围的断流。

与此同时，洪水威胁并未减轻，甚至还有加剧的征兆。

专家指出：要避免这种趋势的进一步恶化，必须增加入海水量，维持河道水沙平衡。

这固然是重要的，也是很对的。

然而，生态环境需（用）水量是西方发达国家在六七十年代才刚刚提出、我国在近两年来才引起重视的一个全新概念，如果把一个传统的、古老的河流泥沙运移问题也纳入其中，作为研究对象似乎显得有点不大恰当。

再次，河流或河道内的水沙冲淤平衡与不平衡问题，是一个与流域土地资源使用、水资源开发利用、生态植被保护建设、水土流失治理，以及河流、河道整治与开发等诸多人工要素相关的变数，其中每一要素的变化或改变，都会带来新的河流系统的水沙平衡或者不平衡。

对于黄河而言，上游的水土保持、水资源利用如何布局进展暂且不论，单就小浪底以下800多km长的沙质河床和100多座取水引水工程的“分流”而言，实现水沙平衡的需用水量究竟应该是多少？至今尚未见到令人满意的计算方法或者说是计算结果。

因而，作者建议不宜将其纳入生态环境需水量。

一些主要河流的河口海域，往往具有特有的栖息环境和饵料来源，因而其种群数量及生物多样性特征也具有一定的特殊性。

然而，利用河口出流水量与河口海域生物量和生物多样性关系模型计算生态环境需水量，是不现实的。

原因主要是，河口地区生物种群质量、数量的改变，究竟是由于过度的海洋渔业捕捞和水质污染、赤潮等因素引起的，还是由于河流水量减少造成的，往往难以确定，模型很难建立。

在美国，海湾—三角洲出流环境用水量，是采用运筹学方法定量的。

参与平衡的主要参数有河口近海的海水盐度、河流流量、输出限值和三角洲出流的目标值。

80年代中期，黄委在研究黄河水资源利用分配时，曾经由当时国家水产总局黄河水产研究所研究了黄河河口渔业生态环境需水量。

研究结果认为：满足黄河河口海域鱼虾生长条件的要求，需要黄河在每年的4～6月份下泄入海水量60亿m3。

如果黄河为枯水年，可在4月份下泄20亿m3。

但确定方法至今尚未见到报道。

陆地和湿地生态需水量计算
1.陆地生态需水量
依据《21世纪中国可持续发展水资源战略研究》界定的狭义的生态环境需水量所包含的内容，本文中的陆地生态环境需水量主要系指“保护和恢复内陆河流下游的天然植被及生态环境；水土保持及水保范围之外的林草植被建设”需水量。

其计算方法大多为“面积定额法”或者是“植株定额法”，计算原理为已经成熟的和传统的水平衡理论，本文不再讨论。

2.湿地生态需水量
依据Ramsar国际公约和《中国湿地调查纲要》，湿地一般分为：海岸湿地、河口海湾湿地、河流湿地、湖泊湿地、沼泽和草甸湿地等共五大类。

五大类又可分为26个亚类。

其中，河口海湾湿地、河流河道湿地的需水量问题，已在前面述及；海岸湿地作为一个大的生态类型，仅具有保护的意义，不具有需水量计算的意义；河流水库、湖泊生态，可以依据所要保护的敏感指示物种对水环境指标的需求确定，计算思路与前面述及的河流方法基本一致，但在计算时，更加注意水位的涨落限制；封闭或半封闭的低洼、沼泽等类型的湿地，在对其水文循环进行一定时段的观察、调查、量测之后，可以依据水平衡的基本原理进行计算，其方法不言而喻。

3.水土保持需水量
水土保持中的生物措施主要系指种草、种树等增加植被覆盖度的措施。

其需水量计算前面已经述及，这里不再重复。

至于水土保持中的工程措施，因其对改变降雨入渗条件、拦截暴雨泥沙下泄造成的下游河道淤积抬高具有重要作用，同时它也会减少下游河道的来水量，从而显得水土保持也需要“耗用”水资源。

然而，水土保持所拦截的所谓“水资源”，不是产生了显著的自然植被效益，就是产生了显著的农田植被效益，其消
耗的水量应该（或者已经）计算在农业或者林业、牧业等具有经济或生态价值的用水中。

因此，作者认为水土保持需水量是不需要作为生态环境需水量进行单独计算的。

4.关于标准和取值的问题
水资源的功能和用途是多种、多方面的，我们计算的生态环境需水量无论是出于环境、生态保护的用水，还是出于美化环境或者是供人享用的娱乐用水，都有一个与工业、农业及其他方面取水用水相互协调的需要，协调优劣的评判标准是“经济”。

然而，水生态、水环境以及其他生态与环境的金钱价值应该是多少，乃是一个困扰问题解决的关键所在。

作者认为，生态环境需水量的提出，是一个社会文明的标志，是一个社会的某些物质财富不断积累和过剩的产物；它随着人们的休闲、娱乐时间的增多而增加，它随着科学技术的广泛应用和社会生产力的不断提高而增值。

从宏观上来讲，未来的生态环境需水量的价值是一个动态的、不断增值的变数。

因而，生态环境需水量的多少，也就会随着它的价值的不断增高而增加。

这也是需要我们引起特别重视的问题。

作者单位为黄河水资源保护科学研究所。