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河道是大自然的主動(dòng)脈和大血管，不僅具有行洪排澇、供水灌溉、交通航運(yùn)、水能發(fā)電等社會(huì)服務(wù)功能，而且具有棲息地、輸送、源匯、水分涵養(yǎng)、水體凈化、生物多樣性保護(hù)、景觀等多種生態(tài)環(huán)境服務(wù)功能。然而，水利水電工程的開(kāi)發(fā)建設(shè)，在帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的同時(shí)，也在一定程度上改變了河道原有的水文情勢(shì)，容易對(duì)下游河道產(chǎn)生水質(zhì)惡化、棲息地安全性脅迫等水生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，對(duì)河道生態(tài)環(huán)境服務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生了不利影響。為了維持河道生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡，首先應(yīng)滿足其對(duì)水量的合理需求，尤其要滿足最小生態(tài)需水量的需求。如何既要滿足水利水電工程的用水需求，確保工程正常運(yùn)行，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的又好又快發(fā)展，又能滿足水利水電工程下游河道尤其是減水河段的最小生態(tài)用水需求，確保河道生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定不受破壞性影響，是一個(gè)亟需解決的新課題。進(jìn)行最小生態(tài)需水量的計(jì)算，不僅是建設(shè)項(xiàng)目水資源論證當(dāng)中的重要一環(huán)，更是解決上述新課題的技術(shù)基礎(chǔ)與關(guān)鍵。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，從生態(tài)水文學(xué)的角度，討論了引水式電站減水河段最小生態(tài)需水的概念及其計(jì)算方法。 1國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展概述 1.1國(guó)外研究進(jìn)展概述 20世紀(jì)70年代以前，國(guó)際上還沒(méi)有形成明確的河道生態(tài)需水量概念，英美等國(guó)開(kāi)始在法律中設(shè)定水庫(kù)下泄的最小流量，以滿足河流下流地區(qū)航運(yùn)、公共健康以及漁業(yè)對(duì)水量，水質(zhì)的需求[1,2]。但到80年代，伴隨著人們對(duì)河道生態(tài)系統(tǒng)及其生命健康的認(rèn)識(shí)與理解，河道生態(tài)需水量也逐漸得以重視與關(guān)注，并成為討論和研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。1989年，Gore建議在河流規(guī)定最小流量，并指出生物群落的最小流量需求僅是管理決策的一部分[3]。1998年，Gleick明確提出了基本生態(tài)需水量(BasicEc-ologicalWaterRequirement)的概念，即需要提供一定質(zhì)量和數(shù)量的水供給天然生境，以求最小程度地改變天然生態(tài)系統(tǒng)，并保護(hù)物種多樣性和生態(tài)完整性，認(rèn)為生態(tài)需水量在一定的時(shí)間和空間下是可以變動(dòng)的值[4]。2002年，David等認(rèn)為，如果濕地（湖泊）水量低于某一個(gè)量時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的破壞及功能的喪失。為了最大程度地實(shí)現(xiàn)濕地的生態(tài)價(jià)值，必須滿足它本身所需要的水量[5]。在生態(tài)環(huán)境需水及用水研究方法上，1976年，White為產(chǎn)卵、飼養(yǎng)和魚(yú)道定義了微生態(tài)環(huán)境指標(biāo)，利用這些指標(biāo)和水力模型一起預(yù)測(cè)流量變化對(duì)漁業(yè)的影響[6]。1976年，Tennant提出了Tennant法，該方法是目前國(guó)內(nèi)外通用的一種確定河道內(nèi)推薦流量的方法，其河流流量推薦值以預(yù)先確定的年平均流量的百分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)[7]。1982年，Bovee提出的最小流量增量法（IFIM）是預(yù)測(cè)最小保護(hù)流量的一個(gè)方法[8]。1982年，Boner提出了7Q10法，即采用90%保證率最枯連續(xù)7d的平均水量作為設(shè)計(jì)值[9]。除此之外，還有基于水文學(xué)參數(shù)的Q95th、ABF、BasicFlow、Taxas等，基于水力學(xué)參數(shù)的濕周法、Singh、R2Cross等，生物/水力數(shù)據(jù)收集與分析方法（如Basque法、HQI法和RCHARC法等）、棲息地職業(yè)判斷法（如整體分析法、分區(qū)建快法BBM和專家小組評(píng)價(jià)法等）以及FRC等生物響應(yīng)模擬模型法等研究方法。從國(guó)外研究進(jìn)展來(lái)看，對(duì)水利工程下游河道尤其是引水式水電站減水河道最小生態(tài)需水量的研究并不很多。 1.2國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展概述 對(duì)于生態(tài)環(huán)境需水、用水等方面的研究，我國(guó)起步較晚，對(duì)生態(tài)環(huán)境需水、用水的概念、內(nèi)涵與外延等沒(méi)有統(tǒng)一的定義，對(duì)其計(jì)算方法的研究也并不深入和完善，多以定性分析和宏觀定量相結(jié)合的方法為主。1999年中國(guó)工程院開(kāi)展了“中國(guó)可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)略研究”項(xiàng)目,其中專題之一“中國(guó)生態(tài)環(huán)境建設(shè)與水資源保護(hù)利用”就我國(guó)生態(tài)環(huán)境用水進(jìn)行了較為深入的研究，界定了生態(tài)環(huán)境用水的概念、范疇及分類，估算了我國(guó)生態(tài)環(huán)境用水總量約800～1000億m3(包括地下水的超采量50～80億m3)。這一研究成果對(duì)我國(guó)宏觀水資源規(guī)劃和合理配置具有十分重要的指導(dǎo)意義，推動(dòng)了生態(tài)環(huán)境用水研究的進(jìn)程，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者也相繼發(fā)表了有關(guān)文獻(xiàn)與著作[10]。21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)河道生態(tài)需水量研究理論趨于成熟，同時(shí)涌現(xiàn)出了許多適合我國(guó)實(shí)際情況的研究方法。同時(shí)，隨著人們逐漸認(rèn)識(shí)水利水電工程對(duì)下游河道生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響，專家和學(xué)者們開(kāi)始從不同的視角、不同的對(duì)象進(jìn)行了研究，并取得了一定成果[11-19]。目前，有關(guān)這方面的研究，在概念界定、計(jì)算方法等理論體系上還有很大的拓展空間和豐富內(nèi)容。 2最小生態(tài)需水量?jī)?nèi)涵 河道最小生態(tài)需水是一個(gè)很復(fù)雜的概念，不僅包括河道本身生態(tài)系統(tǒng)生理方面的要素，還包括復(fù)雜的人類價(jià)值及生物的、物理的、倫理的、藝術(shù)的、哲學(xué)的和經(jīng)濟(jì)學(xué)的觀點(diǎn)。從上述國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展來(lái)看，由于研究的出發(fā)點(diǎn)和研究的對(duì)象等不盡相同，各學(xué)者對(duì)河道最小生態(tài)需水量的理解和表述也有所差異。河道是陸地和海洋聯(lián)系的紐帶，在生物圈的物質(zhì)循環(huán)中起著重要作用。它具有縱向成帶現(xiàn)象，其生物多具有適應(yīng)急流生境的特殊形態(tài)結(jié)構(gòu)、相互制約關(guān)系復(fù)雜、自凈能力強(qiáng)、受干擾后恢復(fù)速度快等特點(diǎn)。但引水式水電站建成后，人為地減少了河道水量，減水河段的長(zhǎng)期水量減小使河道生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)各種生物逐漸適應(yīng)生境而生存。因此，減水河道的最小生態(tài)需水與天然河道也有所區(qū)別。 根據(jù)生態(tài)學(xué)上的耐受性定律[20,21]：每一種環(huán)境因子都有一個(gè)生態(tài)上的適應(yīng)范圍大小，稱之為生態(tài)幅。即有一個(gè)最低和最高點(diǎn)，兩者之間的幅度為耐性限度。因此，作為減水河段主要生態(tài)因子之一的水量，應(yīng)在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)，即有一個(gè)最高、最適和最低3個(gè)基點(diǎn)。其上限是減水河段最大生態(tài)需水量，超過(guò)此值，一方面，河道將水漫堤岸，可能發(fā)生洪澇災(zāi)害，嚴(yán)重威脅周邊地區(qū)生命財(cái)產(chǎn)安全；另一方面，河道在最大水量運(yùn)行期間在一定程度上因植物根系缺氧、窒息、爛根等而影響它們的生長(zhǎng)發(fā)育。下限是減水河道最小生態(tài)需水量，低于此值，植物根系部分的土壤含水層就會(huì)被疏干，植物會(huì)因吸收不到水量而干涸死亡，在一定程度上影響了水生生物棲息地，不利于水生生物的生存和繁衍后代，同時(shí)河道生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能也將會(huì)受到一定程度的損害。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
本文基于上述概念，將引水式電站減水河段最小生態(tài)需水量定義為：引水式電站減水河段在電站引水的特定情況下，為維持河道生態(tài)系統(tǒng)棲息地、輸送、水體凈化等多種生態(tài)環(huán)境服務(wù)功能正常發(fā)揮以及河道生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定所必須的、一定質(zhì)量的最小水量。從概念表述上可看出，引水式電站減水河段最小生態(tài)需水量具有以下三個(gè)方面的內(nèi)涵：①河道用水量一旦小于最小生態(tài)需水量，河道生態(tài)系統(tǒng)的自然生命將會(huì)受到影響；②最小生態(tài)需水量主要滿足河道本身生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及生態(tài)環(huán)境服務(wù)功能正常發(fā)揮兩個(gè)方面的需求，并未包括行洪排澇、供水灌溉、交通航運(yùn)、水能發(fā)電等社會(huì)服務(wù)功能方面的用水需求；③最小生態(tài)需水量并不是河道生態(tài)系統(tǒng)最佳用水量，只是河道生態(tài)需水的下限值，簡(jiǎn)言之，是河道生態(tài)系統(tǒng)用水不能再少的需水量。根據(jù)引水式電站減水河段最小生態(tài)需水量的界定以及生態(tài)水文學(xué)水分平衡原理角度來(lái)分析，其最小生態(tài)需水量可用如下函數(shù)來(lái)表示：(1)式中，Wmin為時(shí)段內(nèi)的引水式電站減水河段最小生態(tài)需水量（m3）；Vp為時(shí)段內(nèi)引水式電站減水河段水面上的降水量（m3）；Vrs為時(shí)段內(nèi)進(jìn)入引水式電站減水河段的地表徑流量（m3）；Vrq為時(shí)段內(nèi)進(jìn)入引水式電站減水河段的地下徑流量（m3）；ΔV為時(shí)段前引水式電站減水河段蓄水量（m3）；V'rs為時(shí)段內(nèi)流出引水式電站減水河段的地表徑流量（m3）；V'rq為時(shí)段內(nèi)流出引水式電站減水河段的地下徑流量（m3）；q為時(shí)段內(nèi)引水式電站的用水量（m3）；ξ為修正常數(shù)（m3）。（1）式表明了為維持引水式電站減水河段生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡所必須遵循的水分平衡原理，為探求引水式電站減水河段最小生態(tài)需水量計(jì)算方法提供了理論支持。 3最小生態(tài)需水量的計(jì)算方法 從目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究來(lái)看，河道最小生態(tài)需水量計(jì)算方法一般分為兩類：一類是水文學(xué)方法。該方法主要考慮最小水量的保持，即是對(duì)河道擾動(dòng)后水量的恢復(fù)，但缺乏對(duì)目前生態(tài)價(jià)值的直接關(guān)注。另一類是生態(tài)學(xué)方法。該方法主要考慮河道水生生物對(duì)最小水量的需求和分配，是針對(duì)生態(tài)管理的目標(biāo)而提出的，但缺乏水文情勢(shì)的變化對(duì)河道生態(tài)系統(tǒng)影響的體現(xiàn)。本文從生態(tài)水文學(xué)和最大化原理角度出發(fā)，結(jié)合水文學(xué)和生態(tài)學(xué)這兩種計(jì)算方法及理念，通盤(pán)考慮生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能及水文情勢(shì)變化的影響，同時(shí)，根據(jù)引水式電站減水河段生態(tài)系統(tǒng)棲息地、輸送、水體凈化等生態(tài)環(huán)境服務(wù)功能以及上述公式（1）所表達(dá)的水分平衡原理，在減水河段生態(tài)功能需水要求上兼容、用途上共用的條件下，提出引水式電站減水河段最小生態(tài)需水量生態(tài)系統(tǒng)功能最大分析法。計(jì)算公式為：(2)式中，Wmin為時(shí)段內(nèi)的引水式電站減水河段最小生態(tài)需水量（m3）；W1為時(shí)段內(nèi)引水式電站減水河段維持水生生物棲息地的最小生態(tài)需水量（m3）；W2為時(shí)段內(nèi)引水式電站減水河段維持水沙平衡的最小生態(tài)需水量（m3）；W3為時(shí)段內(nèi)引水式電站減水河段維持稀釋自凈能力的最小生態(tài)需水量（m3）。利用公式（2）計(jì)算引水式電站減水河段最小生態(tài)需水量，需要有一定系列的水文資料和生態(tài)資料。對(duì)于無(wú)資料的河段，可參證鄰近河段資料進(jìn)行推算，也可以通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查獲取。 3.1維持水生生物棲息地的最小生態(tài)需水量計(jì)算 棲息地是植物和動(dòng)物(包括人類)能夠正常的生活、生長(zhǎng)、覓食、繁殖以及進(jìn)行生命循環(huán)周期中其它的重要組成部分的區(qū)域。棲息地為生物和生物群落提供生命所必需的一些要素，比如空間、食物、水源以及庇護(hù)所等[22]。河道是生物圈上重要的水域流水生態(tài)系統(tǒng)，是河道內(nèi)各種生物生存的基礎(chǔ)。水是河道生態(tài)系統(tǒng)組成中重要的因子之一，水量無(wú)論在時(shí)間尺度上還是在空間尺度上的改變都會(huì)不同程度地影響河道生態(tài)系統(tǒng)棲息地功能的發(fā)揮。要確保水生生物棲息地不受破壞，至少需要有一個(gè)水量觸及的臨界區(qū)域。基于此，提出了引水式電站減水河段最小生態(tài)需水量斷面流量法，計(jì)算公式為：(3)式中，W1為時(shí)段內(nèi)引水式電站減水河段維持水生生物棲息地的最小生態(tài)需水量（m3）；k為權(quán)重；A為引水式電站減水河段典型斷面面積（m2）；U為引水式電站減水河段多年平均流量（m/s）；T為時(shí)間（s）。公式（3）中，關(guān)鍵是權(quán)重k的計(jì)算：一是要通過(guò)調(diào)查，探尋引水式電站減水河段主要水生生物的種類與分布；二是根據(jù)水生生物的生物學(xué)需要和河流的季節(jié)性變化分季節(jié)制訂相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。 3.2維持水沙平衡的最小生態(tài)需水量計(jì)算 隨著森林的砍伐、植被的破壞，水土流失日漸突出，給生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了不利影響。河道是泥沙的通道，然而，河道水多，沖刷能力加強(qiáng)，對(duì)河道生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定造成了壓力。河道水少，不能將大量泥沙輸送入海，導(dǎo)致河床淤積，水位抬高，河道的排泄能力下降，并成為生物多樣性受損的主要根源。為了維持沖刷與侵蝕的動(dòng)態(tài)平衡，就必須在河道內(nèi)保持有一定的水量，將這部分水量稱為輸沙平衡需水量[10]。水流含沙量因流域產(chǎn)沙量的多少、流量的大小、河流的形態(tài)及其他水沙動(dòng)力條件的不同而有所不同。因而，輸沙平衡需水量的計(jì)算方法也有所不同。一般來(lái)講，引水式電站減水河段水流含沙量并不很大，并因時(shí)間尺度的不同而不同，汛期較大，非汛期較小。因此，維持引水式電站減水河段水沙平衡的最小生態(tài)需水量以汛期用于輸沙的水量作為基數(shù)，計(jì)算公式為：(4)式中，W2為時(shí)段內(nèi)引水式電站減水河段維持水沙平衡的最小生態(tài)需水量（m3）；Su為多年汛期平均輸沙量（kg）；S*為水流挾沙力（kg/m3）。水流挾沙力是河流動(dòng)力學(xué)中一個(gè)很重要的概念。如若上游來(lái)沙量過(guò)多，而當(dāng)?shù)厮鞯膾渡衬芰τ邢迺r(shí)，水流無(wú)力帶走全部泥沙，勢(shì)必卸下一部分于河床之中，這就表現(xiàn)為河床的淤積。相反，如若上游來(lái)沙量過(guò)少，而當(dāng)?shù)厮鞯膾渡衬芰ψ坑懈挥啵液哟灿钟写罅康目蓻_性沙源時(shí)，則水流將會(huì)本能性地從河床上沖起一部分泥沙，以滿足自身挾沙之不足。其計(jì)算公式為[23]：(5)式中，S*為水流挾沙力（kg/m3）；U為斷面平均流速（m/s）；R為水力半徑（m）；w為泥沙沉速（m/s）；g為重力加速度（m/s2）；k,m為待定系數(shù)和指數(shù)，由減水河段實(shí)測(cè)資料確定。 3.3維持稀釋自凈能力的最小生態(tài)需水量計(jì)算 河道受到一定程度的污染后，通過(guò)自身物理、生物和化學(xué)的作用可以逐漸恢復(fù)到原來(lái)的水質(zhì)。它分為河道的物理自凈作用和生物自凈作用。無(wú)論是哪種河道自凈作用，都需要一定的水量得到滿足的情況下才能進(jìn)行。當(dāng)然，不同的河道，稀釋自凈能力有所差異，需要的水量也有所不同。對(duì)于引水式電站減水河段來(lái)說(shuō)，其最小生態(tài)需水量主要根據(jù)減水河段水體水質(zhì)目標(biāo)和水功能進(jìn)行計(jì)算確定。對(duì)于減水河段為飲用水源保護(hù)區(qū)，維持稀釋自凈能力的最小生態(tài)需水量采用二維數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為[24]：(6)其中：式中：W為水體納污能力；Cs為水質(zhì)目標(biāo)濃度值（mg/l）；C(x,y)為縱向距離為x，橫向距離為y的斷面污染物濃度（mg／l）；Q為初始斷面的入流流量（m/s）；C0為初始斷面的污染物濃度（mg／l）；m為污染物入河速率（g／s）；v為設(shè)計(jì)流量下計(jì)算河道的平均流速（g／s）；y為計(jì)算點(diǎn)到岸邊的橫向距離（m）；K為污染物綜合衰減系數(shù)（l／d）；x為沿河段的縱向離（m）；h為設(shè)計(jì)流量下計(jì)算河道的平均水深（m）；Ey為污染物的橫向擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）。對(duì)于減水河段為飲用水源保護(hù)區(qū)以外的水功能區(qū)時(shí)，對(duì)減水河段水體水質(zhì)要求不是很高，可采用標(biāo)準(zhǔn)流量設(shè)定法進(jìn)行計(jì)算確定，計(jì)算公式為：(7)式中，W3為時(shí)段內(nèi)引水式電站減水河段維持稀釋自凈能力的最小生態(tài)需水量（m3）；Qmin為第i年減水河段最小月平均徑流量（m3/s）；T為時(shí)間（s）；k為權(quán)重。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e# 4結(jié)論 （1）本文從生態(tài)水文學(xué)理論出發(fā)，探討了引水式電站減水河段最小生態(tài)需水量的內(nèi)涵，并提出了相應(yīng)的計(jì)算方法。（2）引水式電站減水河段最小生態(tài)需水量是生態(tài)學(xué)、水文學(xué)研究的一個(gè)新領(lǐng)域，包括基本概念在內(nèi)的許多方面尚不成熟。（3）目前，在水電站開(kāi)發(fā)建設(shè)環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，較多的考慮水電站下游河道的生態(tài)需水，減水河段最小生態(tài)需水量也應(yīng)是環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的重要一部分。（4）在利用本文提出的最小生態(tài)需水量計(jì)算方法時(shí)，還應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的協(xié)調(diào)，確保在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)，最大程度地提高經(jīng)濟(jì)效益。本文只是從生態(tài)學(xué)角度進(jìn)行了探討，在具體研究方法上也存在著需要改進(jìn)的地方。下一階段，將在本文研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。