考慮提升量的河道生態流量確定辦法

劉丹丹，解建倉，羅軍剛，高 爽，侯 杰

(西安理工大學 西北旱區生態水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048)

生態流量涉及河道自身條件、水庫水電站運行、河湖管理、區域經濟發展等多個方面，是一個十分復雜的問題，受到社會各界的廣泛關注和討論[1]。國家也高度重視生態文明建設，生態流量保障已上升為一項國家行動。目前，關于生態流量的計算方法、模型構建、體系框架等研究不斷推進，但由于相關概念眾多，說法難以統一[2]，導致部分研究在理解上和做法上仍存在偏差?，F有研究多集中在需水計算上，具體包括目標確定、組分劃分、量化表征及閾值分析[3-5]等，存在的問題是結果的適應性及可操作性不足[6]，給管理帶來不便，導致生態流量的管控工作難以開展和落實。

由于徑流時空分布不均，年內有汛期和非汛期之分，且年內各月生態需水也存在較大差異，例如大渡河流域魚類產卵育幼期需水量分別集中在3月中旬～6月中旬、7月～9月[7]，渭河干流林家村～虢鎮段全年輸沙需水量的67%集中在7月～10月[8]，大凌河95%的輸沙量發生在汛期6～9月[9]，使得年內的需水總量并不能滿足各個時期的生態需水要求[10]，且時空分布不同、調配能力不同、來水不同，服務對象所需的生態流量的保障程度也不同。問題的核心在于，確定河道在不同情況下所需的最小流量過程，并尋求提升，而提升的大小是河流生態系統可持續健康發展的關鍵。

2020年4月，《水利部關于做好河湖生態流量確定和保障工作的指導意見》(簡稱《意見》)出臺，《意見》按照人水和諧綠色發展、合理統籌三生用水、分區分類分步推進、落實責任嚴格監管的原則，提出了分階段工作目標[11]，并要求保障管理應把準方向、統籌兼顧、切合實際、可以操作。根據《意見》指示，從實際出發，生態流量保障涉及兩個方面，即需水側和供水側，需水側是各類生態服務對象的用水需求，供水側是統籌考慮生活、生態、生產這三類用水戶的用水需求后，所能供給生態需水的量。由于生態流量與三生用水緊密相關，強競爭之后彼此間互斥，才在生態流量中引入提升量的概念。提升量是指綜合考慮三生用水后，通過生態需水確定規制、區間化規制等，在生態基流的基礎上可獲得的提升部分，即通過壓減部分用水戶的用水量(用于改善生態)所獲得的水量(流量)，其特點是動態性。

為了提高生態流量確定辦法的可操作性，使管控工作的開展能夠更加貼近實際需求，適應管理和考核的需要，本文從生態流量的背景及研究現狀出發，梳理了目前研究中存在的難點及誤區，主要包括概念及內涵不統一、生態流量難以準確量化、結果適應性不強等問題。因此，本文從概念辨析的角度出發，提出在生態基流基礎上對生態進行改善和修復，通過引入一個提升量來重新確定生態流量。提升量可大可小，可根據具體情境，對生態服務對象采用區間化及規制化的思想確定生態流量，并提出相應的生態流量保障措施。

1 河道生態流量研究現狀

1.1 相關研究進展

1)概念與內涵

國外發達國家對河流生態基流的研究較早，從滿足航運、保護漁業資源、可持續發展等方面不斷完善生態基流的概念和內涵，形成了較為系統的理論體系[12-14]。我國從20世紀70年代以西北干旱地區的生態基流研究為起點至今，經歷了探索、起步、發展和完善四個階段[10]，于2002年水資源論證之后界定了生態基流的概念。

隨著人類不合理的開發利用活動對河湖水生態系統造成的負面影響逐漸加重，生態流量逐漸被學者們認識和關注。國外使用更為廣泛的是“環境流量(Environment Flows)”概念[15]，而我國于20世紀80年代由湯奇成等[16]首次提出了“生態需水”的概念；90年代，水電開發力度不斷加大，為維持壩下合理流量[17]，學者們又提出了“生態流量”的概念，并發展出一批計算方法；21世紀初，為保障黃河、黑河等干旱區河流的生態用水[18]，“生態水量”概念逐步得到應用。生態流量的概念內涵、術語表達隨著研究主體及側重點的不同而不斷發展變化，加之研究尺度的變化，使得生態流量的概念及內涵將會融入更多水文學、水力學、生態學等領域的研究成果，不斷得到豐富完善。

2)理論與管理實踐

河道生態流量相關理論的早期發展是從水生態系統的基本功能開始的，根據所需滿足的功能推薦出流量過程[19]，相關計算方法有Tennant法[20]、水力學法等。雖然這些方法在國內外都有廣泛應用，但衡量指標相對比較單一，缺乏整體考慮。綜合來說，國外對航運、垂釣等景觀娛樂用水需求更加關注，而國內由于資源稟賦和發展階段因素，對生態流量的研究主要集中在兩個方面：一是河道外過度取用水造成對河道內生態用水的擠占；二是水利工程建設運行對河流天然徑流過程和節律的改變。

由于生態流量難以保障，導致生態承載力脆弱，所以近年來國家開展了一系列生態流量相關工作，主要包括2015年開展生態流量試點，2017年水利部在東北、西南等地區開展了生態流量專項調研等。隨著試點與專項調研工作的不斷展開，我國河湖生態流量保障現狀不斷明晰，如圖1所示，海河區、淮河區、遼河區綜合評價為“不滿足”的斷面占比分別為62.5%、45.5%和44.4%，長江區、珠江區綜合評價為“不滿足”的斷面占比均為7%左右，東南諸河區無“不滿足”斷面，總體來看，生態流量滿足狀況南方優于北方，還存在較大的改善空間。

圖1 我國河湖生態流量保障現狀Fig.1 Current status of river and lake ecological flow guarantee in China

隨著實際需求的不斷增加，河道生態流量的理論研究及實踐應用也在不斷完善，目前被廣泛認可的工作步驟是：從河湖生態保護對象的用水需求出發，尋求生態流量量化表征的指標(生態基流、敏感期生態需水)，分區分類建立控制斷面生態流量目標體系。目前，河道生態流量管理實踐主要與水利工程的多目標調度相結合，主要模式包括：以生態流量保護目標為核心的生態流量管理、維持基本水量(水位)的生態流量管理、實行總量控制的生態水量調度以及應急補水性的生態流量管理[21]。同時，隨著信息技術的飛速發展，不斷提升的分析計算能力成為流域綜合管理的有效工具，但生態流量的確定及保障仍面臨諸多挑戰。

1.2 難點及存在的誤區

河道生態流量的確定是開展河道生態流量管理的前提和基礎。由于生態流量涉及面廣，有自然屬性、功能屬性及服務屬性，且生態服務對象眾多，對其進行量化計算和管控較為困難，因此，如何科學合理地確定生態流量目標及生態保護對象的用水需求，進而確定生態流量，使其能夠切合實際且便于監督考核，是生態流量確定與保障工作的難點。

誤區一：概念不清，河道生境純自然狀態下不存在生態流量問題，過度開發利用使得河道內外用水不斷增加，生態基流不夠用，生活、生產用水與生態用水相互競爭，從而出現了生態環境問題，因此用計算生態基流的方法來確定生態流量是不科學的。誤區二：生態流量的結果不是一組值，河流時空分布不同、來水用水的不確定、調配決策能力不同等因素都決定了生態流量的動態變化性。

2 河道生態流量的確定

2.1 基本概念辨析

經過不斷的探索與實踐，生態流量相關概念形成了3個行業標準，如表1所示，其中與生態流量關系最為密切的是生態基流和生態需水。

表1 生態流量相關行業標準Tab.1 Industry standards related to ecological flow

由生態基流的定義可知，其功能范圍是自然生態系統，側重點是保證河道不斷流，因此可將其作為考核的基本依據。對于生態基流的理解，社會上基本達成了共識，各類計算方法也得到了廣泛應用。在理解上，一是不同典型年或年內各月的生態基流并不一定是一個固定值；二是生態基流初始值與生態服務對象無關。對于計算結果是否能滿足不斷流需求，可采用馬斯京根法、斷面流量相關關系法[22]等進行核算。

生態需水分為河道內生態需水和河道外生態需水，兩者均是為了維持生態服務對象的結構和功能，而結構作為功能的基礎，是保護的核心。與水量過程直接相關的生物結構和物理結構包括：河湖基本形態、魚類等水生生物棲息地分布、河流的縱向及橫向連通等，衍生出所要保護的水生態功能包括：輸沙、自凈、河口壓咸等。對于具體河段生態需水計算而言，首先要明確生態服務對象有哪些，進而計算各服務對象的生態需水量，之后才能確定服務對象所需的生態需水量需要多少的生態流量去保證。其中，生態服務對象的功能范圍是自然生態系統、社會生態系統，需水條件為需水量、需水過程。不同河道在不同時空尺度下的生態服務對象均有所差別，生態需水不僅與自然狀態下的河道變化有關，也受人類社會活動的影響，一些功能性需水例如輸沙和自凈等，既對需水過程有要求，也需要保證一定的需水量。

生態流量和生態需水是緊密聯系的，如果不說明和考慮清楚生態需水，生態流量就沒有依據。對于具體河段，往往有多個生態服務對象的需水，對生態流量的精準量化反而會給管理造成混亂，而生態基流是可量化的，因此，統籌考慮河段上下游資源特征、三生用水，從可用及可管理的角度出發，提出在生態基流基礎上增加一個可行的提升量來確定生態流量，如圖2所示。提升量的大小反映了管理水平及生態改善潛力，是生態流量保障的途徑。它遵循自然屬性和功能屬性，還強調服務屬性，即生態服務于人類社會經濟、人服務于生態健康。

圖2 生態流量界定示意圖Fig.2 Schematic diagram of ecological flow definition

2.2 生態基流及提升量的確定

從概念及內涵的界定出發來確定生態流量，即生態流量等于生態基流加上可行的提升量。因此，本節分為兩個部分，一是生態基流的確定，二是提升量的確定。

1)生態基流的確定

生態基流是基于算法導向的[23]，將考慮生態服務對象的計算方法從眾多方法中剝離開來，歸類到生態需水計算方法當中，從不斷流的角度出發，對生態基流計算常用的水文學方法[24-26]進行整理，具體方法的指標表達和特點如表2所示。由表可知，生態基流計算方法繁多，不同方法的適用條件和場景不同，具體河段在計算時可根據其特點和已有資料選擇合適的方法。

表2 水文學方法的指標表達及特點Tab.2 Index expression and characteristics of hydrological methods

2)提升量的確定

生態流量中提升量的確定要靠規制，規制的確定要依據變化因素及條件。其中，規制就是規則和制度，一般用于管理、控制和約束，提升量確定規制按內容可分為生態需水確定規制、區間化規制等。針對基本服務對象及特殊服務對象，可以將生態需水確定規制分為定性規制和定量規制，以便為景觀濕地需水、自凈需水、魚類需水、輸沙需水等的確定提供依據。區間化規制是綜合考慮服務對象需水優先級、來水及需水后，用來確定提升量區間的一種算法，具體步驟為：第一步，分析斷面上下游資源條件、服務對象類別及組合方式，包括生活、生產及生態，需水組合可能是這幾類中的某幾個子類；第二步，在河流降雨-徑流等時空規律及需水分析的基礎上，確定生活、生產、生態各服務對象需水的優先次序；第三步，應用規制計算不同類別服務對象的需水或用水；第四步，在生態基流及生態需水計算的基礎上，結合河段水資源稟賦條件，應用區間化規制確定提升量，如圖3所示。

圖3 提升量確定步驟示意圖Fig.3 Diagram of the steps for determining the lifting volume

對于提升量而言，規制制定的合理性直接決定了其能夠提升的程度，規制設計合理，所計算的提升量就與實際情況相符，就有利于生態。由于提升量的影響因素眾多，可通過將復雜問題具體化來建立規制。定性規制，如根據河流來水的豐增枯減來確定提升量，即很多河流在豐水季節一般不需要提升量，在枯水季節需要增加部分提升量；定量規制，如根據斷面所處位置(上、中、下游)、生物種類、景觀濕地分布等條件，定量計算各類服務對象的生態需水量。在此基礎上，要特別注意積累個性化規制，即具體變化情況下的特殊規制，例如通過河道位置、是否流經城市等，找出代表性的標識來確定基本的水位或者流量，進而確定提升量。

河流在分區分類后所確定的生態服務對象的保護目標也是規制的一種?？蓞⒖挤謪^生態流量目標閾值(見表3)，結合生態基流，按照分類生態流量目標確定的原則與方法(見表4)，統計分區的生態流量目標，為規制的制定提供參考。

表3 分區生態流量目標閾值Tab.3 Sub-area ecological flow target thresholds

表4 分類生態流量目標確定的原則與方法Tab.4 Principles and methods of classification ecological flow target determination

提升量不僅在空間尺度上變化，在時間尺度上也應有差異，因此，規制要同時考慮空間尺度和時間尺度。大空間尺度能體現河道上、中、下游的地形地勢、水文特點，小空間尺度則反映河段的沿程變化；大時間尺度反映的是年際變化，嵌套其下的小時間尺度則反映年內變化和季間變化。小時間尺度可以按汛期與非汛期、一般用水期與魚類產卵育幼期來劃分。對于北方河流，用水期一般為11月～次年3月，魚類產卵育幼期為4月～10月，豐水期為7月～10月，枯水期為11月～次年3月，平水期為4月～6月。通過綜合考慮各種分類的交叉重疊，對12個月分別按規制確定提升量，以體現生態流量的動態性。

對提升量進行區間化管理，以適應動態變化，并提高對考核管理的適應性。區間確定時，要考慮水資源調配能力或提升條件，如有能力或有條件，提升量就可相對大一點，具體與實際情況相結合。隨著規制的不斷應用和完善，其實施效果也會逐步顯現，管理上也會更加清晰，這是一個正反饋的過程。

根據生態流量的定義，生態基流加上提升量就是生態流量，由于提升量是一個可變區間，故生態流量也是可變的，若需水水平和水資源調配水平不同，則生態流量大小不同。一般情況下，生態流量越多，生態得到改善和修復的程度就越高?；谶@一概念確定的生態流量會更加適應時空變化、來水變化、需水變化，也更符合過程化管理的目標。

以渭河干流陜西段林家村斷面為例，選取1950—2018年長系列月平均徑流量資料，采用年內展布法[26]計算該斷面的生態基流，結果如表5所示。

表5 林家村斷面生態基流年內變化過程Tab.5 Annual change process of ecological baseflow in Linjiacun section

在生態基流基礎上增加可行提升量來確定生態流量。提升量須根據具體情況才能賦值，因此本文僅列舉3種情景用于說明問題。

情景一：非汛期(11月～次年6月)生態流量的確定。根據定性規制中提升量的確定方法，并參照《渭河流域重點治理規劃》，非汛期河道內低限生態環境流量為10 m3/s，生態流量不應低于該值。

情景二：考慮林家村斷面11月景觀濕地需水要求，確定生態流量。根據計算，林家村斷面11月生態基流為5.1 m3/s，景觀濕地需水為4.4 m3/s，生態基流能夠滿足景觀濕地需水要求，因此，僅考慮這一單一因素，就不用提升，該斷面11月生態流量為5.1 m3/s。

情景三：同時考慮林家村—虢鎮段7月～10月輸沙需水及自凈需水要求，確定生態流量。以50%代表年為例，7月～10月的輸沙需水分別為88.6 m3/s、110.6 m3/s、55.6 m3/s、53.1 m3/s，自凈需水分別為46.2 m3/s、45.9 m3/s、46.9 m3/s、45.9 m3/s[27]。若林家村—虢鎮段7月～10月生態服務對象需水的優先級是輸沙大于自凈，則生態流量需要在基流的基礎上提升至88.6 m3/s、110.6 m3/s、55.6 m3/s、53.1 m3/s，由于7月～10月輸沙需水均大于自凈需水，故兩種服務對象的生態需水會被同時滿足；若優先級是自凈大于輸沙，則可先提升至46.2 m3/s、45.9 m3/s、46.9 m3/s、45.9 m3/s，若采取其他措施能夠滿足輸沙需水，例如提高工業可壓減水平，則可提升至88.6 m3/s、110.6 m3/s、55.6 m3/s、53.1 m3/s，若無法滿足，則可以不提升。

以上3種情景下確定的生態流量只是3個特例，考慮的生態服務對象比較單一，而實際工作中往往需要同時兼顧多個服務對象的需水要求，會產生多種組合方式，應用不同組合的規制，當情況發生變化時，又會產生新的組合。將不同生態服務對象在不同情境中的需水作為規制，去約束提升量的大小變化，使確定的生態流量逐步從靜態過渡到動態。

2.3 生態流量確定體系的構建

基于生態流量概念的界定，構建生態流量確定體系，如圖4所示。通過生態基流加上可行提升量來確定生態流量，并對提升量進行區間化描述，生態流量就呈現出一個可變區間。在生態基流基礎上，根據資源條件及不同服務對象需水水平進行動態提升，提升量可大可小。一般情況下，提升量按照圖4所示的體系確定，當出現突發事件時，提升量不僅要考慮生態服務對象，同時還要考慮降低突發事件不利影響所耗費的水量或所需的流量過程。

圖4 生態流量確定體系Fig.4 Ecological flow determination system

3 適應變化的提升量分析

3.1 適應性分析

生態流量的確定和保障須兼顧特定河道開發利用現狀及所要服務的結構和功能。生態基流加上可行的提升量來確定生態流量這一做法的實質是先可用、再適應、能管理。不同河流具體斷面生態流量的計算及管控辦法相同、但內容不同，而且它對時空變化、來水變化、需水變化和調控能力變化均具有一定的適應性。

1)時空變化?？臻g尺度分大空間尺度(上、中、下游)和小空間尺度(具體河段、水功能區、敏感區等)，不同尺度下影響因素不同，提升量可大可小，生態流量也不同。在大空間尺度上，除景觀濕地生態需水、水生生物需水外，一般而言，上游主要生態服務對象為水源涵養，中游為稀釋自凈，下游為輸沙，各生態服務對象需水的優先次序不同，提升量不同。在小空間尺度上，生態服務對象的需水差異更為明顯，不同水功能區或敏感區對水質水量的要求不同，提升量不同。與空間尺度緊密聯系的是時間尺度，分為大時間尺度(豐、平、枯)和小時間尺度(汛期與非汛期、一般用水期與魚類產卵育幼期)，不同年份月份下生態流量是動態變化的，以生態基流為最低限，在此基礎上增加可行的提升量，該做法符合客觀實際。

2)來水變化。豐水年天然來水整體較多，尤其是汛期，河道徑流量增大，此時在河道安全度汛的前提下可以不考慮提升量；而在枯水年的非汛期，生態基流往往無法長時間維持河流的結構和功能(廊道系統、生物多樣性)，此時，要根據服務對象的需水要求和保護目標增加提升量，以保證生態流量[28]。

3)需水變化。一條河流一般會流經多個城市和地區，不同的控制斷面，如跨行政區斷面、入口斷面(入海、入干流、入尾閭)、重要生態敏感區控制斷面、主要控制性水利工程斷面等，對生態流量的要求不同。在不斷流的前提下，根據不同服務對象的需水要求確定提升量，條件和情景不同，提升量不同。生態流量的確定過程將逐步從靜態過渡到動態，以便更好地適應需水變化。

4)調控能力變化。不同河流的水電開發利用程度不同，水庫調蓄能力不同。多年調節或年調節水庫調蓄能力較強，能更好地協調三生用水的需求，提升量可以適當增大，以保障生態流量，但這類水庫對天然河流水文情勢，尤其是對河流水沙關系及水生生物的影響也較大，因此需要專門考慮這部分的需水量和需水過程。日調節水庫調蓄能力差，但對河流水文情勢的影響相對較小，此時可以通過科學的水量分配來增加提升量，保障服務對象的用水需求。

3.2 可行性分析

河道生態流量的保障程度與河道內外各用水戶的用水需求及管理密切相關。在實際工作中，控制斷面生態流量的考核要求往往與實測流量相差過大，導致考核效率低下甚至無效，對此上文中提出將生態基流作為考核的基本依據，首先保證河道不斷流，再根據服務對象的需水要求，逐漸增加提升量，讓監管在可視可信的過程中落實見效，實現考核從無效到有效、從復雜到簡單、從混亂到有序的轉變，這種做法對流域管理者而言，可管理、易接受，且便于推廣和應用。

按照生態基流加上提升量的方式確定河道生態流量，無論是在一般情況下還是出現生態問題時，都是可行的，可廣泛應用于不同河流具體斷面生態流量的計算及管控，與現有的水資源調配決策不會產生沖突，相反可以減小用戶和管理者的壓力。區別在于，一般情況下，生態流量可按常規方式進行管理，當出現問題時，除了考慮具體河段生態服務對象的需求之外，還應按照問題導向的方式，針對具體生態事件，如突發水污染需要加大下泄流量稀釋、洪水來臨時需要錯峰調節、魚類產卵需要穩定生態流量等，采取應急應對策略，從而提高水資源的綜合利用效率及流域管理水平。

4 生態流量保障措施

河道生態流量保障工作涉及多個方面，其重要性和必要性不言而喻，除了科學確定生態流量之外，還應把它當作系統性工程，堅持應對水生態問題和滿足水資源管理要求兩種導向，其保障可以從管理和技術兩個方面展開。

1)在管理上，一是要參與河湖長制，改變以往生態流量無人監管的局面，明確各級河長責權利，按三生用水的優先次序，重視水生態，把重點放在問題導向與部門聯動上，推進河流的常態化管理，靠配置、調控、調度來解決生態流量問題。由于時空分布不均及需求的實時變化，需要在基本的調配決策之上制定包含生態流量的調配決策。一般而言，生態流量多多益善，其增加量可通過科學高效的調配決策產生。二是隨著智慧水利的發展與應用，對河湖生態流量的保障可以采用信息化手段，對重點斷面(省界斷面、敏感區重要控制斷面等)的下泄流量進行監督與考核，可以將生態基流作為考核的基本依據，再結合提升量的大小，確定生態流量的合理范圍，將生態流量滿足程度作為考核指標，并結合最嚴格水資源管理制度，建立評價機制，對考核與評價中出現的問題作出及時應對。

2)在技術上，有兩個努力的方向，一是按問題導向方式對生態問題進行應急應對，具體問題具體分析，采取針對性的做法盡快解決問題，建立應急機制。二是建立預警機制，深入開展河道監測預警研究，由于河流不健康問題在生態方面更容易觀察監測，因此可以在預見期內提早應對，進行風險防控，盡快恢復健康水生態。

此外，要健全相關制度尤其是加強法制建設，依法明確生態流量保障工作中管理者和用水戶的權利與義務，可設立獎懲機制、推廣典型案例，轉變生態價值觀，將河湖水系作為合法的水量使用者，逐步推進河湖生態流量確定和保障工作的有效開展。

5 結 論

生態流量是評判河道水生態健康與否及控制水資源開發強度的重要指標，開展生態流量的確定與保障工作是當前一項十分緊迫的任務，本文對生態流量確定辦法及保障措施進行了研究。

1)通過對生態基流、生態需水、生態流量概念及內涵的辨析，提出通過生態基流加上提升量來確定生態流量的做法，并進行區間化管理，最終確定生態流量。這種計算方法考慮了來水、需水、調配能力，適應性及可操作性較強。

2)本文提出的生態流量計算及保障措施理念新穎、貼合實際，可廣泛應用于不同河流具體斷面生態流量的計算及管控，與現有的水資源調配決策不會產生沖突，相反可以改變現有考核及管理效果不佳的現狀，減小用戶和管理者的壓力，在改善和修復生態的基礎上，提高水資源的綜合利用效率及管理水平，為生態流量計算及管控工作提供有效、持續的指導。

3)實際工作中，我國河流生態流量的研究和實踐還面臨諸多問題，生態流量的保障工作仍需要長期探索，理論結合實踐，不斷調整適應，要堅持應對水生態問題和滿足水資源管理要求兩種導向[2]，堅持整體性與協調性原則，從法律法規、考核管理、體系研究等多個方面展開研究，共同促進河湖生態保護和修復、水資源優化調配及生態文明建設。