河道是大自然的主动脉和大血管，不仅具有行洪排涝、供水灌溉、交通航运、水能发电等社会服务功能，而且具有栖息地、输送、源汇、水分涵养、水体净化、生物多样性保护、景观等多种生态环境服务功能。然而，水利水电工程的开发建设，在带来经济效益和社会效益的同时，也在一定程度上改变了河道原有的水文情势，容易对下游河道产生水质恶化、栖息地安全性胁迫等水生态环境问题，对河道生态环境服务功能的实现产生了不利影响。为了维持河道生态系统的动态平衡，首先应满足其对水量的合理需求，尤其要满足最小生态需水量的需求。如何既要满足水利水电工程的用水需求，确保工程正常运行，促进经济社会的又好又快发展，又能满足水利水电工程下游河道尤其是减水河段的最小生态用水需求，确保河道生态系统的动态稳定不受破坏性影响，是一个亟需解决的新课题。进行最小生态需水量的计算，不仅是建设项目水资源论证当中的重要一环，更是解决上述新课题的技术基础与关键。本文在已有研究的基础上，从生态水文学的角度，讨论了引水式电站减水河段最小生态需水的概念及其计算方法。 1国内外研究进展概述 1.1国外研究进展概述 20世纪70年代以前，国际上还没有形成明确的河道生态需水量概念，英美等国开始在法律中设定水库下泄的最小流量，以满足河流下流地区航运、公共健康以及渔业对水量，水质的需求[1,2]。但到80年代，伴随着人们对河道生态系统及其生命健康的认识与理解，河道生态需水量也逐渐得以重视与关注，并成为讨论和研究的热点问题之一。1989年，Gore建议在河流规定最小流量，并指出生物群落的最小流量需求仅是管理决策的一部分[3]。1998年，Gleick明确提出了基本生态需水量(BasicEc-ologicalWaterRequirement)的概念，即需要提供一定质量和数量的水供给天然生境，以求最小程度地改变天然生态系统，并保护物种多样性和生态完整性，认为生态需水量在一定的时间和空间下是可以变动的值[4]。2002年，David等认为，如果湿地（湖泊）水量低于某一个量时，将会导致其生态系统结构的破坏及功能的丧失。为了最大程度地实现湿地的生态价值，必须满足它本身所需要的水量[5]。在生态环境需水及用水研究方法上，1976年，White为产卵、饲养和鱼道定义了微生态环境指标，利用这些指标和水力模型一起预测流量变化对渔业的影响[6]。1976年，Tennant提出了Tennant法，该方法是目前国内外通用的一种确定河道内推荐流量的方法，其河流流量推荐值以预先确定的年平均流量的百分数为基础[7]。1982年，Bovee提出的最小流量增量法（IFIM）是预测最小保护流量的一个方法[8]。1982年，Boner提出了7Q10法，即采用90%保证率最枯连续7d的平均水量作为设计值[9]。除此之外，还有基于水文学参数的Q95th、ABF、BasicFlow、Taxas等，基于水力学参数的湿周法、Singh、R2Cross等，生物/水力数据收集与分析方法（如Basque法、HQI法和RCHARC法等）、栖息地职业判断法（如整体分析法、分区建快法BBM和专家小组评价法等）以及FRC等生物响应模拟模型法等研究方法。从国外研究进展来看，对水利工程下游河道尤其是引水式水电站减水河道最小生态需水量的研究并不很多。 1.2国内研究进展概述 对于生态环境需水、用水等方面的研究，我国起步较晚，对生态环境需水、用水的概念、内涵与外延等没有统一的定义，对其计算方法的研究也并不深入和完善，多以定性分析和宏观定量相结合的方法为主。1999年中国工程院开展了“中国可持续发展水资源战略研究”项目,其中专题之一“中国生态环境建设与水资源保护利用”就我国生态环境用水进行了较为深入的研究，界定了生态环境用水的概念、范畴及分类，估算了我国生态环境用水总量约800～1000亿m3(包括地下水的超采量50～80亿m3)。这一研究成果对我国宏观水资源规划和合理配置具有十分重要的指导意义，推动了生态环境用水研究的进程，国内诸多学者也相继发表了有关文献与著作[10]。21世纪以来，我国河道生态需水量研究理论趋于成熟，同时涌现出了许多适合我国实际情况的研究方法。同时，随着人们逐渐认识水利水电工程对下游河道生态系统产生的不利影响，专家和学者们开始从不同的视角、不同的对象进行了研究，并取得了一定成果[11-19]。目前，有关这方面的研究，在概念界定、计算方法等理论体系上还有很大的拓展空间和丰富内容。 2最小生态需水量内涵 河道最小生态需水是一个很复杂的概念，不仅包括河道本身生态系统生理方面的要素，还包括复杂的人类价值及生物的、物理的、伦理的、艺术的、哲学的和经济学的观点。从上述国内外研究进展来看，由于研究的出发点和研究的对象等不尽相同，各学者对河道最小生态需水量的理解和表述也有所差异。河道是陆地和海洋联系的纽带，在生物圈的物质循环中起着重要作用。它具有纵向成带现象，其生物多具有适应急流生境的特殊形态结构、相互制约关系复杂、自净能力强、受干扰后恢复速度快等特点。但引水式水电站建成后，人为地减少了河道水量，减水河段的长期水量减小使河道生态系统内各种生物逐渐适应生境而生存。因此，减水河道的最小生态需水与天然河道也有所区别。 根据生态学上的耐受性定律[20,21]：每一种环境因子都有一个生态上的适应范围大小，称之为生态幅。即有一个最低和最高点，两者之间的幅度为耐性限度。因此，作为减水河段主要生态因子之一的水量，应在一个合理的范围之内，即有一个最高、最适和最低3个基点。其上限是减水河段最大生态需水量，超过此值，一方面，河道将水漫堤岸，可能发生洪涝灾害，严重威胁周边地区生命财产安全；另一方面，河道在最大水量运行期间在一定程度上因植物根系缺氧、窒息、烂根等而影响它们的生长发育。下限是减水河道最小生态需水量，低于此值，植物根系部分的土壤含水层就会被疏干，植物会因吸收不到水量而干涸死亡，在一定程度上影响了水生生物栖息地，不利于水生生物的生存和繁衍后代，同时河道生态系统结构与功能也将会受到一定程度的损害。 #p#分页标题#e#
本文基于上述概念，将引水式电站减水河段最小生态需水量定义为：引水式电站减水河段在电站引水的特定情况下，为维持河道生态系统栖息地、输送、水体净化等多种生态环境服务功能正常发挥以及河道生态系统结构的稳定所必须的、一定质量的最小水量。从概念表述上可看出，引水式电站减水河段最小生态需水量具有以下三个方面的内涵：①河道用水量一旦小于最小生态需水量，河道生态系统的自然生命将会受到影响；②最小生态需水量主要满足河道本身生态系统的结构稳定以及生态环境服务功能正常发挥两个方面的需求，并未包括行洪排涝、供水灌溉、交通航运、水能发电等社会服务功能方面的用水需求；③最小生态需水量并不是河道生态系统最佳用水量，只是河道生态需水的下限值，简言之，是河道生态系统用水不能再少的需水量。根据引水式电站减水河段最小生态需水量的界定以及生态水文学水分平衡原理角度来分析，其最小生态需水量可用如下函数来表示：(1)式中，Wmin为时段内的引水式电站减水河段最小生态需水量（m3）；Vp为时段内引水式电站减水河段水面上的降水量（m3）；Vrs为时段内进入引水式电站减水河段的地表径流量（m3）；Vrq为时段内进入引水式电站减水河段的地下径流量（m3）；ΔV为时段前引水式电站减水河段蓄水量（m3）；V'rs为时段内流出引水式电站减水河段的地表径流量（m3）；V'rq为时段内流出引水式电站减水河段的地下径流量（m3）；q为时段内引水式电站的用水量（m3）；ξ为修正常数（m3）。（1）式表明了为维持引水式电站减水河段生态系统的动态平衡所必须遵循的水分平衡原理，为探求引水式电站减水河段最小生态需水量计算方法提供了理论支持。 3最小生态需水量的计算方法 从目前国内外有关研究来看，河道最小生态需水量计算方法一般分为两类：一类是水文学方法。该方法主要考虑最小水量的保持，即是对河道扰动后水量的恢复，但缺乏对目前生态价值的直接关注。另一类是生态学方法。该方法主要考虑河道水生生物对最小水量的需求和分配，是针对生态管理的目标而提出的，但缺乏水文情势的变化对河道生态系统影响的体现。本文从生态水文学和最大化原理角度出发，结合水文学和生态学这两种计算方法及理念，通盘考虑生态系统结构与功能及水文情势变化的影响，同时，根据引水式电站减水河段生态系统栖息地、输送、水体净化等生态环境服务功能以及上述公式（1）所表达的水分平衡原理，在减水河段生态功能需水要求上兼容、用途上共用的条件下，提出引水式电站减水河段最小生态需水量生态系统功能最大分析法。计算公式为：(2)式中，Wmin为时段内的引水式电站减水河段最小生态需水量（m3）；W1为时段内引水式电站减水河段维持水生生物栖息地的最小生态需水量（m3）；W2为时段内引水式电站减水河段维持水沙平衡的最小生态需水量（m3）；W3为时段内引水式电站减水河段维持稀释自净能力的最小生态需水量（m3）。利用公式（2）计算引水式电站减水河段最小生态需水量，需要有一定系列的水文资料和生态资料。对于无资料的河段，可参证邻近河段资料进行推算，也可以通过野外实地调查获取。 3.1维持水生生物栖息地的最小生态需水量计算 栖息地是植物和动物(包括人类)能够正常的生活、生长、觅食、繁殖以及进行生命循环周期中其它的重要组成部分的区域。栖息地为生物和生物群落提供生命所必需的一些要素，比如空间、食物、水源以及庇护所等[22]。河道是生物圈上重要的水域流水生态系统，是河道内各种生物生存的基础。水是河道生态系统组成中重要的因子之一，水量无论在时间尺度上还是在空间尺度上的改变都会不同程度地影响河道生态系统栖息地功能的发挥。要确保水生生物栖息地不受破坏，至少需要有一个水量触及的临界区域。基于此，提出了引水式电站减水河段最小生态需水量断面流量法，计算公式为：(3)式中，W1为时段内引水式电站减水河段维持水生生物栖息地的最小生态需水量（m3）；k为权重；A为引水式电站减水河段典型断面面积（m2）；U为引水式电站减水河段多年平均流量（m/s）；T为时间（s）。公式（3）中，关键是权重k的计算：一是要通过调查，探寻引水式电站减水河段主要水生生物的种类与分布；二是根据水生生物的生物学需要和河流的季节性变化分季节制订相应标准。 3.2维持水沙平衡的最小生态需水量计算 随着森林的砍伐、植被的破坏，水土流失日渐突出，给生态环境产生了不利影响。河道是泥沙的通道，然而，河道水多，冲刷能力加强，对河道生态系统的结构稳定造成了压力。河道水少，不能将大量泥沙输送入海，导致河床淤积，水位抬高，河道的排泄能力下降，并成为生物多样性受损的主要根源。为了维持冲刷与侵蚀的动态平衡，就必须在河道内保持有一定的水量，将这部分水量称为输沙平衡需水量[10]。水流含沙量因流域产沙量的多少、流量的大小、河流的形态及其他水沙动力条件的不同而有所不同。因而，输沙平衡需水量的计算方法也有所不同。一般来讲，引水式电站减水河段水流含沙量并不很大，并因时间尺度的不同而不同，汛期较大，非汛期较小。因此，维持引水式电站减水河段水沙平衡的最小生态需水量以汛期用于输沙的水量作为基数，计算公式为：(4)式中，W2为时段内引水式电站减水河段维持水沙平衡的最小生态需水量（m3）；Su为多年汛期平均输沙量（kg）；S*为水流挟沙力（kg/m3）。水流挟沙力是河流动力学中一个很重要的概念。如若上游来沙量过多，而当地水流的挟沙能力有限时，水流无力带走全部泥沙，势必卸下一部分于河床之中，这就表现为河床的淤积。相反，如若上游来沙量过少，而当地水流的挟沙能力卓有富余，且河床又有大量的可冲性沙源时，则水流将会本能性地从河床上冲起一部分泥沙，以满足自身挟沙之不足。其计算公式为[23]：(5)式中，S*为水流挟沙力（kg/m3）；U为断面平均流速（m/s）；R为水力半径（m）；w为泥沙沉速（m/s）；g为重力加速度（m/s2）；k,m为待定系数和指数，由减水河段实测资料确定。 3.3维持稀释自净能力的最小生态需水量计算 河道受到一定程度的污染后，通过自身物理、生物和化学的作用可以逐渐恢复到原来的水质。它分为河道的物理自净作用和生物自净作用。无论是哪种河道自净作用，都需要一定的水量得到满足的情况下才能进行。当然，不同的河道，稀释自净能力有所差异，需要的水量也有所不同。对于引水式电站减水河段来说，其最小生态需水量主要根据减水河段水体水质目标和水功能进行计算确定。对于减水河段为饮用水源保护区，维持稀释自净能力的最小生态需水量采用二维数值模型进行计算，计算公式为[24]：(6)其中：式中：W为水体纳污能力；Cs为水质目标浓度值（mg/l）；C(x,y)为纵向距离为x，横向距离为y的断面污染物浓度（mg／l）；Q为初始断面的入流流量（m/s）；C0为初始断面的污染物浓度（mg／l）；m为污染物入河速率（g／s）；v为设计流量下计算河道的平均流速（g／s）；y为计算点到岸边的横向距离（m）；K为污染物综合衰减系数（l／d）；x为沿河段的纵向离（m）；h为设计流量下计算河道的平均水深（m）；Ey为污染物的横向扩散系数（m2/s）。对于减水河段为饮用水源保护区以外的水功能区时，对减水河段水体水质要求不是很高，可采用标准流量设定法进行计算确定，计算公式为：(7)式中，W3为时段内引水式电站减水河段维持稀释自净能力的最小生态需水量（m3）；Qmin为第i年减水河段最小月平均径流量（m3/s）；T为时间（s）；k为权重。#p#分页标题#e# 4结论 （1）本文从生态水文学理论出发，探讨了引水式电站减水河段最小生态需水量的内涵，并提出了相应的计算方法。（2）引水式电站减水河段最小生态需水量是生态学、水文学研究的一个新领域，包括基本概念在内的许多方面尚不成熟。（3）目前，在水电站开发建设环境影响评价中，较多的考虑水电站下游河道的生态需水，减水河段最小生态需水量也应是环境影响评价中的重要一部分。（4）在利用本文提出的最小生态需水量计算方法时，还应综合考虑经济效益与环境效益的协调，确保在保护环境的同时，最大程度地提高经济效益。本文只是从生态学角度进行了探讨，在具体研究方法上也存在着需要改进的地方。下一阶段，将在本文研究的基础上，进行实例验证。