河流生态需水

论河流生态环境需水倪晋仁1,崔树彬2，李天宏1，金玲1(1.北京大学环境工程系，水沙科学教育部重点实验室；2.黄河水利委员会水资源保护研究所）摘要：回顾了生态环境需水量研究的进展，讨论了实现河流各项基本功能目标的河流生态环境用水分类、各类生态环境用水量的计算方法及其间关系。

提出了河流生态环境用水量及其阈值确定的各项原则，包括功能性需求原则、分时段考虑原则、分河段考虑原则、主功能优先原则、效率最大化原则、后效最小化原则、多功能协调原则和全河段优化原则。

关键词：河流；生态环境需水量；功能；阈值；原则基金项目：国家重点基础研究发展规划项目(G1999043603)作者简介：倪晋仁(1962-)，男，山西山阴人。

教授，主要研究方向：河流泥沙，环境科学与工程。

l 生态环境需水量的概念什么是生态需水量，对此目前还没有一个公认的定义。

生态需水量应该是特定区域内生态系统需水量的总称，包括生物体自身的需水量和生物体赖以生存的环境需水量，生态需水量实质上就是维持生态系统生物群落和栖息环境动态稳定所需的用水量。

因此，生态需水量不但与生态系统中生物群体结构有关，而且还应与气候、土壤、地质和其它环境条件有关。

只有在设定的生态环境标准下，生态需水量才具有明确的意义。

什么是环境需水量，对此迄今也没有一个统一的认识。

在美国，环境需水量系指服务于鱼类和野生动物、娱乐及其它具有美学价值目标的水资源需求[1]。

在中国，环境需水量被看作为满足水质改善、生态和谐与环境美化目标的水资源需求[2]。

环境需水量实质上就是为满足生态系统的各种基本功能健康所需的用水。

只有在明确目标功能的前提下，环境需水量才能够被赋予具体的含义[3]。

然而，就像离开环境讨论生态或撇开生态谈论环境一样，生态需水量与环境需水量很难隔裂开来探讨。

事实上，不管怎样表述，己有关于生态需水量和环境需水量的研究多数都基于“水生态”和“水环境”两方面需水的考虑。

在不具备分别探讨生态需水与环境需水的条件时，如果将生态需水量与环境需水量结合考虑，则会自然地提出“生态环境需水量”的概念。

广义地讲，生态环境需水可以被认为是维持全球生物地理生态系统水分平衡所需的用水，包括水热平衡、水沙平衡、水盐平衡用水等[4]。

狭义地讲，生态环境需水可以被视作为维护生态环境不再恶化并有所改善所需的水资源总量，包括为保护和恢复内陆河流下游天然植被及生态环境的用水、水土保持及水保范围之外的林草植被建设用水、维持河流水沙平衡及湿地和水域等生态环境的基流、回补区域地下水的水量等方面[2，4]。

广义的生态环境需水概念对研究不同尺度的水资源系统和考虑各种系统功能及其相应的物质运动较为适用，而狭义的生态环境需水概念对水资源供需矛盾突出和生态环境相对脆弱的干旱、半干旱地区以及季节性干旱的半湿润区的系统分析相对适合。

面对不同的系统和不同的功能需求，生态环境需水量可以不同的形式出现。

譬如，流域生态环境需水量、河流生态环境需水量、湿地生态环境需水量、河口海湾和三角洲生态环境需水量等。

在这些系统中，根据人们关注的具体功能又可细分为水土保持需水量，航运、娱乐、渔类、景观、输沙需水量，湿地生物体需水量、湿地环境需水量、调节气候需水量，满足咸度要求的入海流量等[5，6]。

由于满足不同功能的需水并不总是能够截然分开的，因此生态环境需水量的确定既需要按照系统功能分别考虑，又需要依据各功能之间的关系进行统一计算。

生态环境需水量起码应该能够保证系统基本功能运转所需的物能平衡关系，这就意味着对应于任一功能的需水量都存在一个最小（或最大）的临界值（阈值）。

一旦某阈值被超越，系统的某些物质平衡关系就会遭到破坏，系统的某些基本功能就会明显减弱，系统的健康就会受到损害并趋于恶化甚至衰亡。

2 河流水资源利用与生态环境用水河流系统与人类活动的关系非常密切，世界各国都通过不同的法律和管理手段来保证对河流系统中水资源的合理开发和利用[7，8]。

在美国，拥有河流水资源管理权的46个州中就有11个州制定了明确的法规和条例，用以指导水资源的利用和河流生态环境的保护。

在法国，通过1992年颁布的水法来保证水资源的统一管理和水环境保护，明确将河流最小生态需水放在了仅次于饮用水的优先地位[9]。

在中国，利用工程措施调节和分配水资源是满足河流各种主要功能的重要途径[10，11]。

在印度和孟加拉国，多年来一直就恒河水量的合理分配进行协调。

在捷克、斯洛伐克和匈牙利，关于合理利用多瑙河水资源的探索正在持续进行。

在泰国和越南，围绕湄公河的分水问题也在不断地谈判。

在非洲，由两个国家共有河流或湖泊的流域就有57个，因水资源利用协调不善而引发的矛盾屡见不鲜。

在中东，水危机造成的冲突尤为典型。

河流系统是自然界最重要的生态系统之一。

河流系统具有多种功能，通常受到关注的主要有输水、输沙、泄洪、防污、景观、航运、生态等功能。

在不同的区域和不同的阶段，为了维持河流系统功能的健康和满足河流系统水资源开发利用的不同目的，必然会提出水资源利用的具体模式。

然而，为了使河流水资源能够得到可持续的利用，必须考虑生态环境用水的需求，从而也就提出了河流生态环境需水量的概念。

河流生态环境需水量是在特定时间和空间为满足特定服务目标的变量，它是能够在特定水平下满足河流系统诸项功能所需水量的总称。

一方面，河流生态环境需水量可以随时间和空间变化，表现出动态变化的特征；另一方面，河流生态环境需水量具有协调各项河流基本功能的内涵，表现出在特定时空单元内最大限度地满足河流主要功能的优先选择性。

河流生态环境需水量的动态配置必须有利于单位水资源的生态环境服务最大化。

关于河流生态环境需水量的研究成果十分有限。

1993年世界银行发布的水资源政策文件虽然明确了地下水可再生性维持的标准，即水资源开发利用总量决不能超过地下水补给量，但缺乏有关生态环境需水量的确定原则，也没有可再生水域的水生动、植物体系的生态环境标准[21]。

1997年，联合国大会虽然通过了《国际水域非航海使用法条款》，但同样没有指出河流生态环境需水量的考量方法。

事实上，维持河流系统水资源可再生性的机理非常复杂。

季节变化、区域位置、生物种类、水量分布、泥沙运移、水盐平衡、气候变化、人类活动以及价值观念等都影响着水资源配置的决策，以下仅就河流生态环境需水量的估算进行讨论。

3河流生态环境用水的估算方法河流生态环境用水大致可分为：河流水污染防治用水、河流生态用水、河流输沙用水、河口区生态环境用水以及河流景观与娱乐环境用水。

3.1 河流水污染防治用水[11，13～17]利用河流水体对污染物的稀释自净功能，可以保护河流水资源满足各种功能对水质的要求。

这种为改善水质所需的水量与许多因素有关，应根据实际情况采用简化方法或结合水质模型计算确定。

估算河流水污染防治用水最简单的方法有美国的7Q10法和中国的10年最枯月平均流量法。

前者采用90%保证率条件下的最枯连续7天平均流量水量作为河流水污染防治用水的最小设计值。

后者在前者的基础上改进后重点用于计算污染物允许排放量。

鉴于我国的经济发展水平相对落后、南北方水资源现状差别较大，所以在制订《地方水污染物排放标准的技术原则和方法》（GB3839－83）时，规定一般河流采用近十年最枯月平均流量或百分之九十保证率最枯月平均流量。

河流水污染防治用水也可按照以水质目标为约束的方法估算，其基本原理是在考虑河段上游来流量污染物浓度、河段内污染物产生量、河段内污染物治理程度、河段内污废水资源化程度、河段内城市污废水产生总量和污染物削减综合状况的条件下，得出满足河段水质控制目标的相应水量。

已有关于河流水污染防治用水研究的缺陷在于：（1）没有充分考虑沿河段污染物种类的复杂性和污染物排放的不确定性影响；（2）没有考虑河流中泥沙对污染物行为的影响：（3）没有探讨极小流量和断流条件下河流水污染防治用水的变化特点。

这就意味着对于一些沿途污染物排放管理不善、含沙量较高或断流现象突出的中国河流，现有研究成果都不一定适用。

此外，河流水污染防治用水除满足水污染防治的功能目标外，同时也可作为满足其它功能需水中的部分用水。

3.2 河流生态用水河流生态用水涉及各类生物体及其生境用水[17～21]。

通常，这些分门别类的用水本身很难确定，对于多数河流也都缺乏长期、系统和可靠的观测资料。

与其它系统中的生物体不同的是，河流系统中的生物体本身就生活在水体中。

注意到生物体用水研究不可能完全脱离生物栖息和生长环境的现实，在多数情况下针对河流生态用水量的确定都基于这样一个假设，即保护水生生物和植物指示物种所需的水量与保护整个河流生境所需的水量大致相同。

这一假设在生态学中容易得到证明，与同样生境中的生物群落特征及结构应该相似的传统认识完全一致。

当各类生物体用水的信息不易获得时，上述假设可以在一定程度上暂时回避河流生态用水计算时遇到的困难，而且具有相对充分的生态学理论与实践基础。

水资源开发利用程度的不断提高使得资源用水与生态用水的矛盾日渐突出。

美国、法国、澳大利亚等国家都先后开展了许多关于鱼类生长繁殖与河流流量关系的研究，提出了河流最小生态（或生物）流量的概念和计算方法，如湿周法、R2CROSS法以及80年代初提出的河道内流量增加法等。

河道湿周法的主要依据是水力学研究中得到的基本认识。

通常，湿周随着河流流量的增大而增加。

然而，当湿周超过某临界值后，河流流量的巨幅增加也只能导致湿周的微小变化。

注意到这一河流湿周临界值的特殊意义，我们只要保护好作为水生物栖息地的临界湿周区域，也就基本上满足非临界区域水生物栖息保护的最低需求。

将河流临界湿周作为水生物栖息地质量指标估算相应河流生态需水量时，所得的流量会受到河道形状的影响。

这种方法一般适用于宽浅河道。

R2CROSS法的主要依据同样是水力学中的基础知识，只是按照曼宁公式来确定流量时似乎更加可靠。

河流生态需水的确定是基于这样的假设，即浅滩是最临界的河流栖息地类型，保护了浅滩栖息地也将基本保护了其它水生栖息地。

对于一般的浅滩式河流栖息地，如果将河流平均深度、平均流速和湿周长度作为反映生物栖息地质量的水力学指标，且在浅滩类型栖息地能够使这些指标保持在相当满意的水平上，则也将足以维护生物体与水生生境健康。

河道内流量增加法主要指IFIM法[22，23]。

该法将大量水文与水化学实测数据与特定水生生物种在不同生长阶段的生物学信息相结合，进行流量增加变化对栖息地影响的评价。

主要评价指标包括河流中水流流速、最小水深、河床底质、水温、溶解氧、总碱度、浊度、透光度等。

河道内流量增加法并不直接给出特定的流量目标值，除非栖息地保护的标准能够被预先确定。

利用河道内流量增加法可以有效地评估水资源开发对下游水生物栖息地的影响。

除上述方法外，还有一些超脱于特定用途的综合型计算方法，如Montana法等。