河流流量变化的生态效应及水资源管理策略

罗昊;周雪欣;黄亮

【摘 要】分析了河流生态系统中流量变化的生态效应,应用基于RVA的生态流量估算方法,计算了绥江干流各月的生态流量,发现枯水月份流量变化更易引发生态风险.据此以水文连接度的概念,描述了河流生态系统结构及功能的衰退与恢复过程,并提出了基于河流流量变化的水资源管理策略. 【期刊名称】《环境科学导刊》 【年(卷),期】2016(035)004 【总页数】5页(P12-16)

【关键词】流量变化;生态效应;水资源管理策略;河流保护 【作 者】罗昊;周雪欣;黄亮

【作者单位】珠江水资源保护科学研究所,广东 广州510611;珠江水资源保护科学研究所,广东 广州510611;珠江水资源保护科学研究所,广东 广州510611 【正文语种】中 文 【中图分类】X24

河流生态系统是重要的水生态系统类型，其支撑着人类社会的发展，并具有水源供给功能、调节功能和美学功能，水文情势是决定河流生态系统结构和功能的重要因素。随着人口的增长和经济的发展，我国河流生态系统已出现退化恶化的局面，国家“十二五”规划已将河流生态系统的保护及修复列为重要的规划目标。为维持河流生态系统健康，亟需探索有效的修复方法和管理策略。

河流生态系统属流水生态系统的一种，是对河流水体及其伴生的生态系统的总称。其作为陆地和海洋间联系的纽带，在生物圈的物质循环和能量流动中起着重要作用[1]。据此设定河流生态系统研究的主要生境因子和研究尺度。 1.1 生境因子

河流生态系统的主要生境因子包括水文情势、流态、河流地貌和水质[2]。水文情势包括流量及其变化过程，是与河流生物过程和群落结构相关的重要因素。流态为河流的水力条件，其对水生生物过程有较大影响，由流速、水温、水压、水深及水力坡降等因素共同表达。河流地貌是河流景观格局的重要组成部分，其成分的空间配置具有重要意义。水质不属于河流的自然生境要素，但日益严重的水体污染对生态系统已构成严重的威胁，导致河流生态系统恶化，亟需优先治理。上述生境要素的作用是综合的并具有相关性与反馈关系，表明河流生态系统具备整体性和自发性的特点。而生境要素变化的稳定性、波动性和变异性，也使河流生态系统具有对环境的适应性和自调节能力。 1.2 研究尺度

景观生态学中的“尺度”既可指人类研究某种生态现象时采用的时间和空间单位，又可指某类生态过程在时间和空间上的涉及范围与发生频率[3]，尺度选取旨在使两者更加符合。人类活动影响下的气候、地貌、土地利用方式等变化尺度为数年至数十年，即为其对河流生态系统影响研究的时间尺度。流域包含着完整的生态结构，由于地理、地质、气候等条件的相似，使流域内具有相似的水文和生态特征，故可选取其为水文循环对河流生态系统影响研究的空间尺度。 2.1 河流生态流量

河流生态流量是指维持河流生态系统健康及其服务功能所需的径流流量，不仅包括在维持水体基本形态的前提下保持河流基本的生物完整性的水分需求，也包括生态需水在枯水期、平水期及洪峰流量时的消长规律[4]。由于水文情势是河流生态系

统的内在驱动力，河流依靠自然水流的涨落变化满足河流生态系统的生境条件，而径流变化是体现水文情势的重要整体性特征，故可通过研究河流流量变化确定河流生态流量。 2.2 计算方法

当前河道生态径流研究方法众多，但多倾向于通过水文极值、河道水力特征和物种需求开展研究。本文选用一种基于河流生态水文指标体系(Indicators of Hydrologic Alteration, IHA)和变异性范围法(Range of Variability Approach, RVA)的河流生态流量计算方法，研究河流整体水文情势变化影响下的河流生态流量。

2.2.1 河流生态水文指标体系(IHA)

Richter等[5, 6]于1996年创立了一套用于评估河流生态水文变化的水文指标体系，其依据系列长度大于20年的多年河流逐日水文资料，从流量大小、极值、时间、频率、延时和变化率等方面制定了33个具有关键生态意义的水文参数(表1)。IHA指标体系具有易采集、多参数和生态表征性强的特点，适用于评价水文系统变化程度及对生态的影响。 2.2.2 变异性范围法(RVA)

RVA方法建立在IHA指标参数的基础上，通过设置IHA各指标的受影响程度，评估在人类活动作用下的河流整体水文变化，提供与流量相关的综合生态统计特征，以识别水文变化对生态系统的维护作用[6]。在已有众多研究成果中[8, 9]，通常设定IHA指标发生几率为75%和25%的值为各指标参数的上下限(RVA阈值)，这符合Connell等提出的中度干扰假说(Intermediate Disturbance Hypothesis, IDH)。RVA阈值描述了流量过程的可变范围，即天然生态系统所能承受的变化区间[10]，这为河流生态流量的估计提供了参考价值。 2.2.3 生态流量估算方法

为维持河流健康生态系统，正常的水文特征值的变动范围应不超过河流的天然可变范围，即水文参数均值变化应在RVA上下阈值之间。舒畅等[11]据此提出了基于RVA方法的生态流量估算方法：

该方法得出的生态流量指为维持河流健康生态系统应保持的河道基本流量。 2.3 绥江干流生态流量计算结果

应用基于RVA的生态流量估算方法，选取IHA指标体系中12个月均流量指标，代入绥江下游干流石狗站1960—2012年的逐日天然径流量数据，计算其IHA指标参数、RVA阈值及生态流量，数值结果如表2，并据此绘制绥江干流逐月生态流量曲线图(图1)，统计各年份发生河道平均流量小于生态流量的事件(表3)。 由图1可见，绥江下游干流的各月生态流量均小于河道平均流量及其RVA下限，表明绥江河流整体生态功能良好，得出的生态流量是在不同月份保持河流生态稳定所需的基本流量。生态流量的变动幅度小于河流流量的自然变化，在汛期(4—9月)，生态流量相对较大且呈较明显的波动变化，表明由于洪水在调整河道形态及能流物流传输方面发挥重要作用，保持河流生态健康的水量需求也随之变化，但此时河流水量充沛，故发生河流生态系统退化的风险较小；反之枯水月份河流可支配流量较小，流量变化更易引发生态退化。

此外，根据表3中的河流生态风险事件统计结果，结合绥江石狗站的流量突变分析[12]，可知在历史年代中，河流枯水月份较丰水月份发生了更多次数的河流生态退化事件。其中，无论流量突变增加或突变减少的年份，枯水期均有生态退化风险，尤其在河流流量突变减少显著、流量变化稳定性较强的1963和1984年发生频繁，共有6个月份出现同期最小流量。而丰水期发生生态退化事件的频率较小，仅部分河流流量突变减少的年份有引发生态退化的风险。总的来说，河流流量显著突变减少的行为及其较强稳定性更易引发河流生态系统退化。 2.4 流量变化的生态效应

河流流量是河流生态系统的重要控制因子，其既影响河道物质能量运动和环境景观的形成，也作用于流域动植物的生命过程，流量的起伏变化对维持生态系统健康及其服务功能具有重要意义。河流生态系统的服务功能包括支撑功能、供给功能、调节功能和美学功能(表4)，周期性的汛期高流量对维护河道形态与水资源供给，维持各类水生态系统间的连通性等有重要作用，中低流量对保持河流生态系统稳定性与生物完整性等至关重要。

水文连接度是指水循环各要素内部和要素间物质、能量和生物体以水体为媒介迁移、传递的能力，可以用来描述生态系统的水文条件[14]。河川径流的突变引起水文连接度的改变，进而影响水生态系统服务功能的变化，生态流量作为反映该变化过程的标志性指标，具有明确的水文与生态内涵。

长期的流量突变减少行为常导致水文连接度和水环境承载力下降，影响水生生物的迁移、繁殖和水体的养分循环，导致河流生境改变，部分生物的生长繁殖受到抑制。当河流流量小于生态流量时，河流的生物完整性遭到破坏，引起生态系统食物链的变化和流域生物量的骤减，服务功能衰弱，直至水文连接度消失，河流物理结构改变，河道断流，生物基本灭绝。持续性的流量突变增加可使上述情况得以缓解和恢复，河道结构逐渐正常，水流连通性增强。当河流流量增加至生态流量时，水文连接度趋于正常，但河流生态系统的生物量和物种较少，服务功能偏低，在长期的发育之后，将形成新的脆弱的河流生态系统。

(1)鉴于河流水文突变特征的重要意义，在流域管理中，应通过长时期水文序列的突变检测，总结流域河流的水文变异行为与特征，归纳各类水文要素的突变特性，并据此推测其变化趋势和程度范围。如针对不同的流量突变趋势及稳定状态，合理调配流域水量，采取适当的灾害预防和水资源保护措施。

(2)气候变化和人类活动影响下的河流水体有更加复杂的水文变化规律，在处理由河流流量变化引起的洪涝、干旱灾害及河流生态系统破坏等事件中，应根据河流流

量突变特性，从影响流量突变的气候、下垫面和人类活动等因素入手，削减和控制由流量突变带来的负面效应。

(3)在水资源开发利用及水利水电工程建设中，对河流流量的削峰和水量均化应适时适度，注重流量变化引发的河流生态系统结构和功能的改变。在保证不产生较大规模洪涝灾害的前提下，适当保留河流流量的高峰变化，杜绝河流流量出现长期处于生态流量以下的情景，使生态流量成为水资源开发利用的底线，努力提高水资源利用效率。

(4)水文变化具有较长的时间尺度，应注重对水文规律的把握和基础理论的研究，并依据其制定河流的污染控制、生态修复、功能区划、健康评估和流域可持续发展等战略，开发如河流生态修复、水库生态调度和人工湿地等相关的工程技术。而河流水质污染是人类不合理利用水资源的突出体现，为改善河流生态环境，亟需优先治理。

(5)在制定水资源管理策略时，应以社会公平为主要原则，时刻遵守人与自然和谐共处的理念，走可持续发展的道路，并使发展具有人文目标、资源目标和环境目标。以政府投入为主体，采取更加积极的导向措施，实现水资源的优化调配，建立现代化和人性化的水资源管理模式，使决策融于公众的长远利益之中。