特约文章：生态基流研究-进展与挑战
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Abstract: Human activities through the building and operation of dams and reservoirs have significantly altered the natural hydrological regime, leading to impairment of river ecosystem function and biodiversity. The concept of ecological baseflow emerged to mitigate the impact of dams and reservoirs on the hydrological processes. Based on previous studies, the fundamental concept of ecological baseflow was reviewed. The principles of ecological baseflow, as well as previously and currently used estimation methods were summarized. Challenges and possible tendency in the estimation of ecological baseflow were also presented. Key words: ecological baseflow; river; ecosystem; hydrological regime
此外，水文学法的代表方法还有 Q95（95%保 证率下的最枯流量）、Q90（90%保证率下的最枯流 量）[23]、7Q10 法、Texas 法[24]、Hoppe 法[25]、NGPRP 法[26]、基本流量法（Basic Flow Method）[20]等，这 些方法在世界各地均有应用。从 1990 年起，反映 河流流量可变性和生态相关性的水文学方法也得 到应用，应用最为广泛的是世界大自然保护协会开 发的 RVA（range of variability approach）法[2]，该 法在美国[27]、加拿大、南非、中国[3]等都得到了广 泛的应用。
后来，部分学者[11-13]提出天然水文情势在维持 河流本土生物多样性和生态系统的完整性方面发 挥了至关重要的作用，包括极端低流量、低流量、 高流量脉冲、小洪水、大洪水等组分。Richter 等[14] 提出要保留天然洪水特征来维持蜿蜒河流沿岸河 滨生态系统。仅仅维持河流中的最低流量难以保证 河流生态系统健康。随之产生的是环境流量 （environmental flow）概念，目前这一概念已得到 了较普遍的认可和应用，然而不同的国家对其赋予 了不同的含义。在欧美国家，环境流量是指为保护 河流生物栖息地、恢复和维持河流生态系统健康、 保护水质、防治海水入侵等目的所需要的水量。世 界自然保护联盟（IUCN）认为环境流量是指在用 水矛盾突出且水量可以调控的河流维持其正常生 态功能所需要的水量，该水量应能保证下游地区环 境、社会和经济利益。大自然保护协会（TNC）则 定义为维持淡水生态系统的物种、功能和弹性所需 要的径流条件，包括数量和历时等，以及维持河流 下游依水生存的人类生计用水[15]。2007 年在布里 斯班召开了国际环境流大会，会上确定的布里斯班 宣言（http://www.watercentre.org/news/declaration） 对环境流量进行了较好的阐释[16]，即认为环境流 量是维持河流和河口生态系统健康，并满足人类生
水文学方法的优点是不需要进行现场测量，简 单方便，对数据的要求不是很高。缺点是未考虑河 流生态需求，对河流实际情况做了较为简化的处 理，因此，只能应用于优先度不高的河段，或者作 为其他方法的粗略检验。
2.2 水力学方法 水力学方法是根据河道宽度、水深、流速和湿
徐宗学，等：生态基流研究：进展与挑战
3
而出现了河道径流量减少、水环境质量恶化、生物 多样性锐减、湿地萎缩等一系列的河流生态环境问 题，导致河流水资源开发利用与生态保护之间的矛 盾日益加剧。为协调这种矛盾，需要在这两个矛盾 体之间寻找一种平衡，即能使人类与河流生态系统 共享河流的水资源，生态基流的概念便随之产生， 其目的是希望在满足人类需水的同时，也考虑河流 生态系统需水的要求。本文从生态基流的基本理论 出发，系统总结梳理了生态基流的概念与计算方 法，回顾了近三十年来生态基流理论发展过程中面 临的挑战，并对生态基流发展的未来趋势进行了分
存生活需要的流量过程，包括水量、水质和历时。 考虑到生态系统健康是河流健康的最高目标，生态 系统保护目标是河道最小流量所应满足的最低要 求，本文称之为生态基流（ecological baseflow）。
2 生态基流计算方法
河流生态基流的估算方法于 20 世纪 40 年代 末期最先在美国西部开始，但刚开始发展缓慢，直 到 20 世纪 70 年代生态基流的估算方法才得到快 速发展。经过多年来的研究，已形成了一些相对成 熟的计算方法，据 2003 年统计，有记载的生态基 流计算方法多达 207 种[17]，之后十余年来又提出 了一些新方法，这些方法大致可分为四类：水文学 方法、水力学方法、生境模拟法和整体分析法[18-21]。
2.3 生境模拟法 生境模拟法是对水力学方法的进一步发展，主
要选取某一种或多种指示物种，认为只需为指示物 种提供适宜的物理生境即可满足生态系统的需求， 主要是通过指示物种所需的水力条件确定生态基 流。该方法对生态基流进行定量化，并且考虑生态 因素，代表性的有 IFIM（instream flow incremental methodology）法、CASMIR 法等，其中 IFIM[30]法 应用较广。IFIM 法最关键的部分是采用 PHABSIM （physical habitat simulation）模型模拟不同流速条 件下栖息地类型的变化，根据指示物种生境和生活 阶段的需求确定适宜的河流生态条件（如水深、流 速和底质条件），将水力特征和生物信息综合分析， 确定满足主要水生生物生境要求的流量。
周等水力参数确定河流所需的流量，水力参数可以 通过实测获得，也可以由曼宁公式计算获取[21]，代 表方法有湿周法和 R2CROSS 法等。湿周法假设河 流栖息地的完整性与湿周的大小关系紧密，即认为 保护好湿周就可以保证河流栖息地的完整性。该方 法需要建立湿周与流量的关系曲线，认为曲线拐点 附近的流量即为所求，而难点在于拐点的确定，主 要确定方法有曲率法和斜率法两种，所得结果有所 不同，但较常用的是斜率法[28]。另一种应用较多的 是 R2CROSS 方法，该方法认为必须考虑由河流几 何形态决定的水深、河宽、流速等因素，以确定河 流流量推荐值。该方法在曼宁公式的基础上，需要 对河流断面进行实地调查从而确定相关参数，这给 其应用带来一定的限制。在原有水力学方法的基础 上，我国部分学者对此进行了改进，并得到一定程 度的应用，如水力半径法、生态水力半径法等[29]。 该类方法几年来应用较少，发展缓慢，但其为生境 模拟法的发展和完善起到了关键性作用[17]。
水力发电学报 2016 年第 35 卷第 4 期: 1-11 Journal of Hydroelectric Engineering, 2016, Vol. 35, No. 4: 1-11
生态基流Baidu Nhomakorabea究:进展与挑战
徐宗学 1，武 玮 2，于松延 3
（1. 北京师范大学 水科学研究院，北京 100875；2. 济南大学 资源与环境学院，济南 250022；3. Australian Rivers Institute, Griffith University, Nathan 4111 QLD, Australia）
收稿日期：2016-03-30
接受日期：2016-04-10
基金项目：国家自然科学基金(51279005); 国家水体污染控制与治理科技重大专项课题(2009ZX07212-002)
作者简介：徐宗学(1962—), 男, 教授. E-mail: zxxu@bnu.edu.cn
2
水力发电学报
析与展望。
2.1 水文学方法 水文学方法是利用历史流量资料确定河流生
态基流的一类方法。该类方法种类最多，多数目前 仍在使用。其中 Tennant 方法应用最多，该方法考 虑了临近栖息地、水力学和生物学因素，采用河流 年平均流量的百分比作为河流最小推荐流量[22]。 Tennant 方法应用的基础是对研究地区的生态因 素、地形因素较为了解，需要分析百分比是否符合 当地河流情况，并结合当地河流管理目标，对该百 分比进行调整。因此，不同的地区、不同的季节其 百分比都可能不同。
摘 要：水库大坝等水利工程的兴建和运行改变了天然的河流水文情势，在一定程度上造成了河流生态系统功能
和物种多样性的减小。生态基流的提出正是为了缓解由水利工程造成的水文情势改变，维系河流生态系统的健康。
本文在已有研究成果的基础上，以生态基流的基本理论为出发点，归纳总结了生态基流的概念和内涵，系统梳理
了生态基流的计算方法及优缺点，结合实例研究，全面回顾了生态基流发展过程中面临的主要挑战，并对生态基
(1. College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875; 2. School of Resources and Environment, University of Jinan, Jinan 250022; 3. Australian Rivers Institute, Griffith University, Nathan 4111 QLD, Australia)
流未来的发展趋势进行了展望。
关键词：生态基流；河流；生态系统；水文情势
中图分类号：P339
文献标志码：A
DOI: 10.11660/slfdxb.20160401
Ecological baseflow: Progress and challenge
XU Zongxue1, WU Wei2, YU Songyan3
0 引言
河流是地球系统的重要组成部分，是水文循环 的重要路径，对全球物质、能量的传递与输送具有 十分重要的作用。人类社会经济的发展与河流具有 密不可分的关系，为更加有效地利用水资源，人类 在河流上修建了大量的水库、大坝、引水工程等， 根据国际大坝委员会的最新统计，坝高超过 15 m 的大坝全世界共有 5.84 万座。这些工程在满足供 水、发电、航运、灌溉等经济发展需求的同时，也 导致天然河流水文情势发生了较大的改变[1-3]，从
1 生态基流的概念与内涵
目前生态基流尚没有明确统一的定义，不同学 者根据研究对象的具体情况，提出了众多与河道生 态基流研究相关的概念。国外多用枯水流量（low flow）[4-5]、最小河流需水量（minimum instream flow requirements）、最小可接受流量（minimum acceptable flows，MAFs）、基本生态需水（basic ecological water requirement ） [6] 、 生 态 可 接 受 流 量 范 围 （ecology acceptable flow regime，EAFR）、环境需 水（environmental instream flow requirements）等术 语。在我国，因研究目的不同，诸如最小生态需水 量、生态流量、生态环境需水量等概念[7-8]均有使 用，因研究对象的不同，又有城市生态需水、湖泊 生态需水[9]、湿地生态需水[10]、干旱区生态需水等 概念。这些不同的概念有其独特的含义，又有其共 同的地方，即是维持生态系统发挥正常功能所需要 的水量。此时，人们认为只有保证河流流量维持在 最小流量之上，就可保证河流生态系统的健康。
此外，水文学法的代表方法还有 Q95（95%保 证率下的最枯流量）、Q90（90%保证率下的最枯流 量）[23]、7Q10 法、Texas 法[24]、Hoppe 法[25]、NGPRP 法[26]、基本流量法（Basic Flow Method）[20]等，这 些方法在世界各地均有应用。从 1990 年起，反映 河流流量可变性和生态相关性的水文学方法也得 到应用，应用最为广泛的是世界大自然保护协会开 发的 RVA（range of variability approach）法[2]，该 法在美国[27]、加拿大、南非、中国[3]等都得到了广 泛的应用。
后来，部分学者[11-13]提出天然水文情势在维持 河流本土生物多样性和生态系统的完整性方面发 挥了至关重要的作用，包括极端低流量、低流量、 高流量脉冲、小洪水、大洪水等组分。Richter 等[14] 提出要保留天然洪水特征来维持蜿蜒河流沿岸河 滨生态系统。仅仅维持河流中的最低流量难以保证 河流生态系统健康。随之产生的是环境流量 （environmental flow）概念，目前这一概念已得到 了较普遍的认可和应用，然而不同的国家对其赋予 了不同的含义。在欧美国家，环境流量是指为保护 河流生物栖息地、恢复和维持河流生态系统健康、 保护水质、防治海水入侵等目的所需要的水量。世 界自然保护联盟（IUCN）认为环境流量是指在用 水矛盾突出且水量可以调控的河流维持其正常生 态功能所需要的水量，该水量应能保证下游地区环 境、社会和经济利益。大自然保护协会（TNC）则 定义为维持淡水生态系统的物种、功能和弹性所需 要的径流条件，包括数量和历时等，以及维持河流 下游依水生存的人类生计用水[15]。2007 年在布里 斯班召开了国际环境流大会，会上确定的布里斯班 宣言（http://www.watercentre.org/news/declaration） 对环境流量进行了较好的阐释[16]，即认为环境流 量是维持河流和河口生态系统健康，并满足人类生
水文学方法的优点是不需要进行现场测量，简 单方便，对数据的要求不是很高。缺点是未考虑河 流生态需求，对河流实际情况做了较为简化的处 理，因此，只能应用于优先度不高的河段，或者作 为其他方法的粗略检验。
2.2 水力学方法 水力学方法是根据河道宽度、水深、流速和湿
徐宗学，等：生态基流研究：进展与挑战
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而出现了河道径流量减少、水环境质量恶化、生物 多样性锐减、湿地萎缩等一系列的河流生态环境问 题，导致河流水资源开发利用与生态保护之间的矛 盾日益加剧。为协调这种矛盾，需要在这两个矛盾 体之间寻找一种平衡，即能使人类与河流生态系统 共享河流的水资源，生态基流的概念便随之产生， 其目的是希望在满足人类需水的同时，也考虑河流 生态系统需水的要求。本文从生态基流的基本理论 出发，系统总结梳理了生态基流的概念与计算方 法，回顾了近三十年来生态基流理论发展过程中面 临的挑战，并对生态基流发展的未来趋势进行了分
存生活需要的流量过程，包括水量、水质和历时。 考虑到生态系统健康是河流健康的最高目标，生态 系统保护目标是河道最小流量所应满足的最低要 求，本文称之为生态基流（ecological baseflow）。
2 生态基流计算方法
河流生态基流的估算方法于 20 世纪 40 年代 末期最先在美国西部开始，但刚开始发展缓慢，直 到 20 世纪 70 年代生态基流的估算方法才得到快 速发展。经过多年来的研究，已形成了一些相对成 熟的计算方法，据 2003 年统计，有记载的生态基 流计算方法多达 207 种[17]，之后十余年来又提出 了一些新方法，这些方法大致可分为四类：水文学 方法、水力学方法、生境模拟法和整体分析法[18-21]。
2.3 生境模拟法 生境模拟法是对水力学方法的进一步发展，主
要选取某一种或多种指示物种，认为只需为指示物 种提供适宜的物理生境即可满足生态系统的需求， 主要是通过指示物种所需的水力条件确定生态基 流。该方法对生态基流进行定量化，并且考虑生态 因素，代表性的有 IFIM（instream flow incremental methodology）法、CASMIR 法等，其中 IFIM[30]法 应用较广。IFIM 法最关键的部分是采用 PHABSIM （physical habitat simulation）模型模拟不同流速条 件下栖息地类型的变化，根据指示物种生境和生活 阶段的需求确定适宜的河流生态条件（如水深、流 速和底质条件），将水力特征和生物信息综合分析， 确定满足主要水生生物生境要求的流量。
周等水力参数确定河流所需的流量，水力参数可以 通过实测获得，也可以由曼宁公式计算获取[21]，代 表方法有湿周法和 R2CROSS 法等。湿周法假设河 流栖息地的完整性与湿周的大小关系紧密，即认为 保护好湿周就可以保证河流栖息地的完整性。该方 法需要建立湿周与流量的关系曲线，认为曲线拐点 附近的流量即为所求，而难点在于拐点的确定，主 要确定方法有曲率法和斜率法两种，所得结果有所 不同，但较常用的是斜率法[28]。另一种应用较多的 是 R2CROSS 方法，该方法认为必须考虑由河流几 何形态决定的水深、河宽、流速等因素，以确定河 流流量推荐值。该方法在曼宁公式的基础上，需要 对河流断面进行实地调查从而确定相关参数，这给 其应用带来一定的限制。在原有水力学方法的基础 上，我国部分学者对此进行了改进，并得到一定程 度的应用，如水力半径法、生态水力半径法等[29]。 该类方法几年来应用较少，发展缓慢，但其为生境 模拟法的发展和完善起到了关键性作用[17]。
水力发电学报 2016 年第 35 卷第 4 期: 1-11 Journal of Hydroelectric Engineering, 2016, Vol. 35, No. 4: 1-11
生态基流Baidu Nhomakorabea究:进展与挑战
徐宗学 1，武 玮 2，于松延 3
（1. 北京师范大学 水科学研究院，北京 100875；2. 济南大学 资源与环境学院，济南 250022；3. Australian Rivers Institute, Griffith University, Nathan 4111 QLD, Australia）
收稿日期：2016-03-30
接受日期：2016-04-10
基金项目：国家自然科学基金(51279005); 国家水体污染控制与治理科技重大专项课题(2009ZX07212-002)
作者简介：徐宗学(1962—), 男, 教授. E-mail: zxxu@bnu.edu.cn
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水力发电学报
析与展望。
2.1 水文学方法 水文学方法是利用历史流量资料确定河流生
态基流的一类方法。该类方法种类最多，多数目前 仍在使用。其中 Tennant 方法应用最多，该方法考 虑了临近栖息地、水力学和生物学因素，采用河流 年平均流量的百分比作为河流最小推荐流量[22]。 Tennant 方法应用的基础是对研究地区的生态因 素、地形因素较为了解，需要分析百分比是否符合 当地河流情况，并结合当地河流管理目标，对该百 分比进行调整。因此，不同的地区、不同的季节其 百分比都可能不同。
摘 要：水库大坝等水利工程的兴建和运行改变了天然的河流水文情势，在一定程度上造成了河流生态系统功能
和物种多样性的减小。生态基流的提出正是为了缓解由水利工程造成的水文情势改变，维系河流生态系统的健康。
本文在已有研究成果的基础上，以生态基流的基本理论为出发点，归纳总结了生态基流的概念和内涵，系统梳理
了生态基流的计算方法及优缺点，结合实例研究，全面回顾了生态基流发展过程中面临的主要挑战，并对生态基
(1. College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875; 2. School of Resources and Environment, University of Jinan, Jinan 250022; 3. Australian Rivers Institute, Griffith University, Nathan 4111 QLD, Australia)
流未来的发展趋势进行了展望。
关键词：生态基流；河流；生态系统；水文情势
中图分类号：P339
文献标志码：A
DOI: 10.11660/slfdxb.20160401
Ecological baseflow: Progress and challenge
XU Zongxue1, WU Wei2, YU Songyan3
0 引言
河流是地球系统的重要组成部分，是水文循环 的重要路径，对全球物质、能量的传递与输送具有 十分重要的作用。人类社会经济的发展与河流具有 密不可分的关系，为更加有效地利用水资源，人类 在河流上修建了大量的水库、大坝、引水工程等， 根据国际大坝委员会的最新统计，坝高超过 15 m 的大坝全世界共有 5.84 万座。这些工程在满足供 水、发电、航运、灌溉等经济发展需求的同时，也 导致天然河流水文情势发生了较大的改变[1-3]，从
1 生态基流的概念与内涵
目前生态基流尚没有明确统一的定义，不同学 者根据研究对象的具体情况，提出了众多与河道生 态基流研究相关的概念。国外多用枯水流量（low flow）[4-5]、最小河流需水量（minimum instream flow requirements）、最小可接受流量（minimum acceptable flows，MAFs）、基本生态需水（basic ecological water requirement ） [6] 、 生 态 可 接 受 流 量 范 围 （ecology acceptable flow regime，EAFR）、环境需 水（environmental instream flow requirements）等术 语。在我国，因研究目的不同，诸如最小生态需水 量、生态流量、生态环境需水量等概念[7-8]均有使 用，因研究对象的不同，又有城市生态需水、湖泊 生态需水[9]、湿地生态需水[10]、干旱区生态需水等 概念。这些不同的概念有其独特的含义，又有其共 同的地方，即是维持生态系统发挥正常功能所需要 的水量。此时，人们认为只有保证河流流量维持在 最小流量之上，就可保证河流生态系统的健康。