1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

基于河流健康的水庫生態(tài)調(diào)度，是隨著可持續(xù)發(fā)展理論的發(fā)展出現(xiàn)的新概念，是水庫調(diào)度發(fā)展的最新階段。目前，國內(nèi)外學術界對“生態(tài)調(diào)度”還沒有給出明確的定義[18b][39a]。參照國內(nèi)外相關研究，水庫生態(tài)調(diào)度，是以河流健康為理念，通過運用先進的調(diào)度技術和手段，統(tǒng)籌考慮防洪、興利與生態(tài)因素，在滿足水庫下游河流生態(tài)和庫區(qū)水環(huán)境保護要求的基礎上，充分發(fā)揮水庫的防洪和興利（發(fā)電、灌溉、供水、航運、旅游等）效益，盡量減小水庫建設帶來的不利影響，保障河流健康可持續(xù)發(fā)展。

本書就水庫生態(tài)調(diào)度研究所涉及的生態(tài)學基礎理論以及水庫生態(tài)調(diào)度模式為研究重點，從以下4個方面對國內(nèi)外的相關研究進行系統(tǒng)綜述：①河流生態(tài)系統(tǒng)及其河流健康研究；②水庫對河流生態(tài)系統(tǒng)影響研究；③河道內(nèi)環(huán)境流量研究；④水庫生態(tài)調(diào)度模式研究。

1.2.1 河流生態(tài)系統(tǒng)及其河流健康研究

1.2.1.1 河流生態(tài)系統(tǒng)理論研究

河流是陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生態(tài)系統(tǒng)間物質(zhì)循環(huán)的主要通道[46]，河流生態(tài)系統(tǒng)是地球生態(tài)系統(tǒng)中的一個典型生態(tài)系統(tǒng)，具有生態(tài)系統(tǒng)的基本特性。概念和模式在河流生態(tài)系統(tǒng)的恢復中一直起著重要的作用。自1980年后，在河流生態(tài)學范疇內(nèi)，相繼提出了一系列的概念和理論，這些理論為河流生態(tài)系統(tǒng)修復以及水庫生態(tài)調(diào)度提供了理論基礎。

Vannote et al.（1980）[47]首先提出了河流連續(xù)體概念（River Continuum Concept），該理論是河流生態(tài)系統(tǒng)重要概念之一，指出在天然河流系統(tǒng)中，生物種群形成一個從河源到河口的逐漸變化時空連續(xù)體，包括河流地理空間、空間的連續(xù)，注重河流生態(tài)系統(tǒng)中生物因素及其物理環(huán)境的連續(xù)和系統(tǒng)景觀的空間異質(zhì)性。河流連續(xù)體概念強調(diào)河流沿縱向的變化，忽視了與洪泛平原河流有關的橫向和垂直的范圍及功能，后來，Junk et al.（1989）[48]提出洪水脈沖概念（Flood Pulse Concept），補充和完善了河流連續(xù)體概念，主要強調(diào)洪水對河道、洪泛平原生態(tài)系統(tǒng)的影響。在此基礎上，Ward（1989）[49]將河流生態(tài)系統(tǒng)描述成四維系統(tǒng)，包括縱向（上游—下游）、橫向（洪泛區(qū)—高地）、垂向（河道—基底）和時間（每個方向隨時間的變化）分量，并強調(diào)河流生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性和完整性，更加注重流域與河流生態(tài)系統(tǒng)的相互關系。

自然因素和認為因素導致河流生態(tài)系統(tǒng)的中斷，如大壩建設，從而導致河流上下游生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，包括物理、化學以及生物特性等，在此基礎上，Ward et al.（1983）[50]提出了序列不連續(xù)體概念（Serial Discontinuity Concept），強調(diào)大壩（干擾）對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響，隨后，該理論得到了進一步發(fā)展和應用[51]。隨著人類對河流管理的日益加強，主要出于洪水控制目的修建大量的防洪堤，阻斷河流主河道與洪積平原的相互聯(lián)系。此外，還有地帶分布概念（Zonation Concept）[54]、營養(yǎng)螺旋概念（Resource Spiraling Concept）[55]、河流水力概念（Stream Hydraulics Concept）[56]、河流生產(chǎn)力概念（Riverine Productivity Model）[57]、流域等級概念（Catchment Hierarchy Concept）[58]等，這些概念都豐富和發(fā)展了河流生態(tài)系統(tǒng)基本理論。

生物多樣性理論（Biodiversity）、空間異質(zhì)性理論（Heterogeneity）以及中度干擾假說（Intermediate Disturbance Hypothesis）都是生態(tài)學研究中極為重要的概念。生物多樣性強調(diào)生物遺傳多樣性、物種多樣性、生態(tài)系統(tǒng)多樣性[59][60]；空間異質(zhì)性強調(diào)生境多樣性，是作用于生物多樣性的重要基礎[61]；中度干擾假說認為中等程度的干擾能維持高多樣性[62]。董哲仁（2003）[63]論述了生物群落與生物環(huán)境的統(tǒng)一性，指出河流形態(tài)多樣性是流域生物群落多樣性的基礎。

1.2.1.2 河流健康研究

河流生態(tài)環(huán)境的惡化以及過去河流管理理論方法的落后，促使了河流健康理論的產(chǎn)生和發(fā)展，成為研究河流可持續(xù)發(fā)展和水生生態(tài)多樣性的熱點，并成為河流恢復和管理的目標與方向[64]。河流健康是伴隨生態(tài)系統(tǒng)健康概念出現(xiàn)的一個新概念[65]。河流健康概念明確提出，僅有10多年的歷史，其理論和方法還很不成熟，各專家學者對河流健康內(nèi)涵的理解也不完全一致。表1-1列舉了國內(nèi)外主要一些學者對河流健康內(nèi)涵的理解。

目前國際上對河流健康沒有統(tǒng)一的概念，缺乏明確的定義。河流健康概念被首先提出是在1972年美國《清潔水法》中，在該法案中為河流健康設定了一個標準，既物理、化學和生物的完整性，其中完整性指維持生態(tài)系統(tǒng)的自然結(jié)構(gòu)和功能的狀態(tài)。許多學者以此為基礎，認為河流健康即維持河流生態(tài)完整[33]。不過隨著對生態(tài)系統(tǒng)健康概念理解的深入，越來越多的學者認識到不考慮社會、經(jīng)濟與文化的生態(tài)系統(tǒng)健康討論是不全面的，河流健康概念中應該包括人類價值[66][67]，認為河流健康是河流生態(tài)系統(tǒng)能維持自身結(jié)構(gòu)的完整性，并能維持正常的服務功能和功能滿足人類社會發(fā)展的合理需求，在健康的概念中涵蓋了生態(tài)完整性與對人類的服務價值。這種體現(xiàn)人類價值判斷的河流健康理解逐步得到認同。最近，有學者提出了健康工作河流[27a]、河流系統(tǒng)健康[35]、流域生態(tài)系統(tǒng)健康[68]等概念，進一步拓寬了河流健康的內(nèi)涵。

其中河流生態(tài)系統(tǒng)健康概念主要從生物物理的生態(tài)觀點來考慮，強調(diào)河流生態(tài)系統(tǒng)的自然屬性健康，核心是評價河流生態(tài)系統(tǒng)健康程度、維持生態(tài)系統(tǒng)健康機理和管理措施。河流健康概念相對于河流生態(tài)系統(tǒng)健康概念，突破生態(tài)學領域的限制，考慮人類價值觀、人類對河流的利用等對河流環(huán)境的影響，河流健康概念更具實踐性和實用性，它產(chǎn)生于人們對河流管理工具的新要求，也將服務于河流管理。流域生態(tài)系統(tǒng)健康概念認為健康的河流生態(tài)系統(tǒng)是健康流域的基礎，流域看作一個社會—經(jīng)濟—自然復合生態(tài)系統(tǒng)，將人類健康和社會經(jīng)濟因素考慮在內(nèi)。

我國學者在河流健康的認識上，更注重河流自身生命和功能的健康，強調(diào)人與自然和諧。就目前來說，河流處于生態(tài)健康狀態(tài)，即指河流生態(tài)系統(tǒng)不僅能保持化學、生物及物理上的完整性，而且能維持其對人類社會提供的各種服務功能，健康的河流是河流的社會功能與自然功能能夠取得平衡的河流。因此，河流健康是基于河流管理而提出的一種評價河流狀況的概念，用以綜合評判河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的整體狀態(tài)，并為河流管理提供決策。

近20多年來，河流健康狀況評價研究已經(jīng)在很多國家開展，其中以美國、澳大利亞、英國、加拿大和南非等一些國家的評價實踐最具有代表性，同時也形成了一系列各具特點的評價方法[30][34][35a][65a][72]。表1-2列舉了主要國家的河流健康評價方法。

大體上看，河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法眾多，根據(jù)評價內(nèi)容可分為4個方面：物理—化學評價；棲息地評價；水文評價；生物評價；從評價原理上，主要分為兩類[90]：一類是預測模型（Predictive Model）方法或稱多元變量統(tǒng)計分析方法（Multivariate Statistical Methods），如RIVPACS和AusRivAS等；另一類方法稱為多指標方法（Multimetrics Index），如IBI、REC、ISC、RHS、RHP等。

預測模型法主要通過單一物種對河流健康狀況進行比較評價，并且假設河流任何變化都會反映在這一物種的變化上，因此，一旦出現(xiàn)河流健康狀況受到破壞，但并未反映在所選物種變化上的情況，這類方法就無法反映河流真實狀況，具有一定的局限性[31]。多指標評價法是不同生物組織層次上多個指標的組合，比如ISC方法綜合反映了河流水文學、形態(tài)特征、河岸帶、水質(zhì)及水生生物5個要素共計19項指標[91]，能夠及時地反映河流健康的變化，其結(jié)果更加全面、客觀，然而多指標評價法存在評價過程復雜、資料不易收集等缺點。

自20世紀90年代以來，我國已經(jīng)開始關注從河流健康狀況視角保護河流，在河流健康評價指標體系、河流健康評價方法學、河流的可持續(xù)管理等方面開展了一定的工作[65b][71][73][92]。但是，我國的河流保護工作中仍主要側(cè)重于借助物理、化學手段以及少量生物監(jiān)測評價河流水質(zhì)狀況。有關河流健康的研究還處于起步階段，還有許多工作要做，如在生物評價方面，還沒有系統(tǒng)的觀測或監(jiān)測資料；在水文和水質(zhì)評價方面，雖然已有資料和經(jīng)驗積累，但缺乏與生物、生境聯(lián)系方面的觀測和科研成果；在生物棲息質(zhì)量評價方面，未能提出系統(tǒng)的評價方法。因此，從系統(tǒng)健康的角度認識河流狀態(tài)尚待進一步深入。

1.2.2 水庫對河流生態(tài)系統(tǒng)影響研究

1.2.2.1 國外研究

國外大壩生態(tài)效應的研究剛開始是研究大壩對洄游魚類的影響[98]。20世紀40年代，美國的資源管理部門就已經(jīng)開始關注由于大壩建設而導致的漁場減少問題[99]。20世紀50年代以來，國內(nèi)外學者圍繞著大壩修建引起的生態(tài)問題開展了大量的研究。1965年曾召開過水庫對環(huán)境影響的國際討論會，會后出版了《人工湖》論文集。1978年美國大壩委員會環(huán)境影響分會出版的《大壩的環(huán)境效應》（Environmental Effects of Large Dams）一書總結(jié)了20世紀40～70年代大壩對環(huán)境影響的研究成果，主要包括大壩對魚類、藻類、水生生物、野生動植物、水庫蒸發(fā)蒸散量、下游河道、水庫和下游水質(zhì)等方面的影響以及水庫有益效應問題[99a]。這些研究主要集中在大壩對水體物理化學性質(zhì)、生物個體、種群數(shù)量、河道變化等較小時空尺度方面產(chǎn)生的影響，缺乏群落、生態(tài)系統(tǒng)等大尺度方面以及各種效應之間的關聯(lián)。2000年11月，世界水壩委員會完成了題為《大壩與發(fā)展：一種新的決策框架》的“全球?qū)徸h報告”，這是世界上有關針對大壩在達到促進發(fā)展目的方面的成敗經(jīng)驗的第一份世界性、綜合性的獨立評估報告，報告中詳述了大壩的生態(tài)影響[5c]。

在國內(nèi)外相關研究過程中，形成了大壩生態(tài)影響分析框架，將生態(tài)系統(tǒng)作為一個整體進行了研究。河流的物理、化學、生態(tài)特征是流域許多因素綜合作用的結(jié)果，在河流筑壩蓄水后，河流將產(chǎn)生一系列復雜的連鎖反應改變河流的物理、生物、化學因素[2a][23a][100][101]。Petts（1984）[10a][102]系統(tǒng)的總結(jié)了大壩對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響，并根據(jù)對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響等級，劃分為3個層次結(jié)構(gòu)，如圖1-1所示。第一層次是大壩修建后對河流下游物質(zhì)輸送（如泥沙、懸浮物、養(yǎng)分等）、能量流動、河流水文情勢、水量變化、水質(zhì)的影響。第二層次是河流的物質(zhì)輸送和能量流動發(fā)生變化后，對河道結(jié)構(gòu)如河流形態(tài)、河道形態(tài)、河床質(zhì)組成和河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能（種群數(shù)量、物種數(shù)量、棲息地）的影響。第三層次的影響主要是對魚類、無脊椎動物、鳥類和哺乳動物的影響，綜合反映了第一和第二層次影響引起的變化。以此理論為基礎，國內(nèi)外學者對大壩修建對河流生態(tài)系統(tǒng)影響進行了大量研究。

Ligon et al.（1995）[103]認為大壩通過改變河流的水流、泥沙、營養(yǎng)物質(zhì)、能量和水生物，也就是改變了河流的重要的生態(tài)過程，并從地貌學角度闡述了大壩對壩下河流生態(tài)系統(tǒng)的影響。

Richter et al.（1996）[104]提出了一種水文指數(shù)法（IHA）用于分析大壩對水文改變程度研究，進而對生態(tài)變化進行研究，該方法已經(jīng)被國內(nèi)外學者大量運用。

Bunn et al.（2002）[105]認為水庫引起的水流情勢改變是影響河流系統(tǒng)生態(tài)可持續(xù)性的最重要因素，以此為基礎，從4個方面研究了改變的河流水流情勢如何影響河流水生生物多樣性，主要包括：棲息地的變化和喪失，生命歷史過程和繁殖的破壞，河流縱向和橫向連續(xù)性的喪失，外來物種的入侵。

Poff et al.（2002）[106]認為水庫對河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響主要表現(xiàn)在3個方面：改變了水庫下游的水流和泥沙通量，同時也改變了生物地球化學循環(huán)以及河道內(nèi)和河岸帶生境結(jié)構(gòu)動力系統(tǒng)；水溫改變，影響了水生生物生存；阻隔了上下游營養(yǎng)物質(zhì)交換。

Nilsson et al.（2005）[7a]分析了全球水庫建設對各大河流生態(tài)系統(tǒng)的影響，認為大壩建設引起的生態(tài)問題相對其他人類活動較為嚴重。

Mumba et al.（2005）[107]分析了贊比亞南部的喀輔埃河流上大壩完全改變了下游洪泛區(qū)的水文情勢，洪泛區(qū)面積大量減少，導致重要的野生生物群落生境改變。

Magilligana et al.（2005）[108]采用IHA方法分析了美國21個水文站大壩建壩前后水文各特征參數(shù)的變化情況，在此基礎上分析了水文情勢改變的生態(tài)影響。

Black et al.（2005）[109]以近自然河流為參考狀況，提出了DHRAM方法，該方法可用于評價水庫蓄水對河流水文情勢的影響，并且可以對水文改變進行分級，進而研究了對水生生物的影響。

Graf（2006）[110]研究了美國大壩建設對壩下水文和地貌的影響，采用IHA方法分析了水文情勢變化，進而分析了河流地形的變化以及對河岸帶生態(tài)系統(tǒng)的影響。

Nichols et al.（2006）[111]研究了澳大利亞南部的梯級水庫對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響，從等級理論出發(fā)，分別分析了水文流量變化、河道地形變化以及水生生物變化情況。

Shieh et al.（2007）[112]利用中度干擾假說評估大壩建設對河流環(huán)境的影響，采用HEC-HMS和HEC-RAS軟件分析了水力參數(shù)如流量、流速、水深、水面寬度以及泥沙通量；并且采用IHA和IHabA評價了大壩建設前后流量和生境變化情況，最后采用RVA方法定量分析了水文和生境改變程度。

可見，國外在研究水庫對河流生態(tài)系統(tǒng)影響中，對河流水文情勢影響研究較多，說明了河流水流情勢是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要“驅(qū)動者”，該理念已經(jīng)在許多文獻中體現(xiàn)，減少對河流水流情勢的影響也就減輕了水庫對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響。

1.2.2.2 國內(nèi)研究

過去國內(nèi)基于此理念研究水庫生態(tài)影響的文獻相對較少，但是近幾年許多學者也進行了一定的研究，下面簡單介紹一下研究情況。

在水庫對河流生態(tài)系統(tǒng)影響研究中，對河流水文情勢影響研究方面做了較多工作，在我國各大河流研究中均有所體現(xiàn)，例如余志堂等（1981）[113]研究了丹江口水利樞紐工程建壩前后水文條件的變化，建壩以后壩下江段流量的周年變化幅度縮小，壩下江段水位也較為穩(wěn)定，周年變幅很小。李錦繡等（2003）[114]對三峽大壩興建后庫區(qū)的水文情勢分析指出，庫區(qū)水體的平均深度增加，庫區(qū)的水流速度銳減，庫區(qū)水體的滯留時間較建壩前增加了4倍，庫區(qū)壩前的透明度明顯升高，濁度則明顯下降，壩前庫區(qū)的年平均含沙量明顯下降。李春暉等（2004）[115]分析了黃河干流大型水庫的蓄水變化及其對徑流的影響，結(jié)果表明：水庫的修建改變了上下游水文站點實測徑流量的逐月相關系數(shù)；水庫下游汛期實測徑流量占全年徑流量的比例減小，非汛期增加；水庫的削峰效應與入庫流量和水庫運用方式有關；大型水庫的運用改變了黃河干流水體交換周期等。

在水庫對生態(tài)影響研究方面，余志堂等研究表明，丹江口水利樞紐興建以后，由于壩下江段水溫降低，導致該江段魚類繁殖季節(jié)滯后20d左右，當年出生幼魚的個體較小、生長速度變慢。常劍波（1999）[116]研究認為葛洲壩水利樞紐修建以后，中華鱘上溯至金沙江下游產(chǎn)卵場的通道被阻斷，盡管現(xiàn)在能夠在壩下江段自然繁殖，但由于產(chǎn)卵場范圍較建壩之前大大縮小，其種群數(shù)量已明顯下降。張春光等（2001）[117]研究了葛洲壩和三峽水利工程對長江胭脂魚資源的影響，認為該工程阻礙了部分到中下游成長發(fā)育的胭脂魚返回上游，導致長江上游胭脂魚資源量的下降。毛戰(zhàn)坡等（2005）[23b]綜述了大壩建設對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響，分析了建壩對河流水文特性、生源要素、水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響。劉樹坤（2006）[118]指出水庫下游水溫變化不僅對生態(tài)環(huán)境帶來不利影響，同時對水中的生物有機體也會帶來影響，特別是對下游魚類的影響。麻澤龍等（2006）[119]綜述了梯級水庫對生態(tài)環(huán)境影響的進展情況。姚維科等（2006）[99b]綜述了大壩的生態(tài)效應：概念、研究熱點以及展望。于國榮等（2006）[120]大壩的影響區(qū)域劃分為上游區(qū)、回水區(qū)、庫區(qū)、壩區(qū)、消能區(qū)和慣性區(qū)等水力過渡區(qū)，并對各區(qū)內(nèi)的水文水力特征、空間結(jié)構(gòu)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量結(jié)構(gòu)的變化及其生態(tài)進行了分析。馬穎（2007）[26a]從生態(tài)水文學角度，分析了葛洲壩、丹江口、三峽水庫等大型水利工程對長江水文要素的影響；楊宇（2007）[121]和蔡玉鵬（2007）[122]從生態(tài)水力學角度，分析了三峽水庫建庫后葛洲壩下游中華鱘產(chǎn)卵場生境要素變化情況，并提出了保護措施；裴海峰（2007）[123]從水質(zhì)角度，分析了三峽水庫蓄水后宜昌江段水質(zhì)因子變化情況以及對中華鱘產(chǎn)卵的影響。

根據(jù)以上研究可知，我國學者在水庫生態(tài)影響方面也進行了一定的研究，取得了一定成果，我國在大型水利工程建設前，非常關注工程建設產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應，如三峽大壩的建設，從20世紀50年代起就開始可行性論證工作，對有關的地質(zhì)、地理、水文、土壤、水生生物、魚類資源、湖區(qū)環(huán)境、河口環(huán)境等都進行了調(diào)查研究，積累了豐富的基礎資料，對三峽工程可能的生態(tài)環(huán)境效應也做了大量的研究工作。盡管如此，由于大壩對生態(tài)環(huán)境的影響是長期的、緩慢的、潛在的和極其復雜的，因此要深入認識大壩修建后的河流生態(tài)響應，必須緊密結(jié)合河流徑流過程、沙量變化和水溫變化的特點，找出河流徑流過程、沙量變化和水溫變化與河流生態(tài)系統(tǒng)中重要動植物響應之間的關系，揭示它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，因此還有很多方面要深入進行研究。

1.2.3 河道內(nèi)環(huán)境流量研究

1.2.3.1 國外研究

河道內(nèi)環(huán)境流量研究始于20世紀40年代的美國西部，到了20世紀70年代，由于相關法律法規(guī)的頒布以及建壩高潮的到來，河道內(nèi)環(huán)境流量的研究也相應地發(fā)展迅速。20世紀80年代，澳大利亞、英國、新西蘭和南非等國在該方面的研究開始出現(xiàn)。而在東歐、拉美、非洲和亞洲，該方面的研究相對較少[124]。

目前，與環(huán)境流量（Environmental Flow）有關的概念很多，由于世界各國對此概念理解的差異以及針對的具體情況不同，出現(xiàn)了河道內(nèi)流量需求（Instream Flow Needs）、生態(tài)流量（Ecological flow）、最小可接受流量（Minimum Acceptable Flow）、生態(tài)可接受流量（Ecology Acceptable Flow）、生態(tài)徑流、生態(tài)需水、環(huán)境需水、生態(tài)環(huán)境需水、低流量等不同的概念類型，但實際內(nèi)容都是一致的，即特別強調(diào)了要給生態(tài)環(huán)境以一定量的水，以便維持系統(tǒng)的生態(tài)平衡和生物多樣性等[125]。對于環(huán)境流量，很多學者從不同角度給出不同的說法，迄今為止，國內(nèi)對環(huán)境流量仍沒有形成一個公認的定義。

在河道內(nèi)環(huán)境流量研究中，有將近50個國家開展了相關研究，大概有200多種研究方法，大致可歸為四大類：水文學法、水力學法、棲息地模擬法和整體分析法[124a]。圖1-2為國內(nèi)外環(huán)境流量方法使用情況。

水文學方法，又稱作標準設定法或快速評價法，是最簡單、最具代表性的一類方法。該類方法主要以長系列的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，采用固定流量（年平均或日平均）百分數(shù)的形式給出環(huán)境流量推薦值，通過這些推薦值來表示維持河流不同生態(tài)環(huán)境功能的最小環(huán)境流量。該類方法應用最廣泛，幾乎應用到了世界上所有的地方，適合用于設定初級目標和國家性戰(zhàn)略決策，至今仍然是應用最為廣泛的方法[125a]。水文學法在環(huán)境流量法中所占比例最大，約占總量的30%，共有61種計算方法[128][129]，代表方法有7Q10法、Tennant法[130]、流量歷時曲線法（Flow Duration Curve Methods）[131]、Texas法、NGPRP法、基本流量法（Basic FIow）以及RVA法[132]等。

水力學法包括23種方法，占環(huán)境流量法總數(shù)的11%，主要分布在北美洲、澳大利亞、歐洲和美國[133]。由于水力學法需要對河流的斷面進行實地調(diào)查，才能確定有關的水力參數(shù)，使得該法操作起來比較困難，這也是20多年來，該法一直發(fā)展比較緩慢的一個原因。但是，該法可以為棲息地模擬法和整體法提供研究方法和手段，屬于向棲息地模擬法和整體法過渡的方法，終將融合到這兩種方法之中。其中比較典型的是R2CROSS法[134]和河道濕周法（Wetted Perimeter）[133a]。

棲息地模擬法強調(diào)水文、物理形態(tài)和生物信息的有機結(jié)合，并產(chǎn)生動態(tài)的水文和棲息地時間序列數(shù)據(jù)，能夠用這些數(shù)據(jù)來驗證不同的生態(tài)環(huán)境用水對目標生物生命周期和聚集習性的影響，最具科學性，但對數(shù)據(jù)要求太高。棲息地模擬法大約有58種方法，占環(huán)境流量法總數(shù)的28%，應用程度僅次于水文學法，代表方法有河道內(nèi)流量增加法（Instream Flow Incremental Methodology, IFIM）[135][136]以及CASIMIR法。

整體法從河流生態(tài)系統(tǒng)整體出發(fā)，根據(jù)專家意見綜合研究流量、泥沙運輸、河床形狀與河岸帶群落之間的關系，使推薦的河道流量能夠同時滿足生物保護、棲息地維持、泥沙沉積、污染控制和景觀維護等功能。因此，該類方法需要組成包括生態(tài)學家、地理學家、水力學家、水文學家等在內(nèi)的專家隊伍[137]。整體研究法的基本原則是保持河流流量的天然性、完整性、季節(jié)變化性。將水生生物生存繁衍、生物群落重新分布，河流生態(tài)結(jié)構(gòu)破壞對應不同的流量。該類方法強調(diào)流域系統(tǒng)的整體性，符合流域綜合管理的要求，是生態(tài)環(huán)境需水計算方法的巨大進步，但該法對數(shù)據(jù)的要求依然很高。目前，整體分析法有16種計算方法，只占環(huán)境流量總數(shù)的7.7%，較為典型的方法是南非的Building Block Methodology（BBM法）、澳大利亞的綜合法（Holistic Approach）以及DRIFT（Downstream Response to Imposed Flow Transformations）法[140]。

根據(jù)對上述方法的評述可知，水文學法簡單、方便，但考慮因素單一，準確性較差；水力學法雖然考慮了水力學因素，但所需參數(shù)需要實測，不易操作；生境模擬法將其重點放在一些河流生物物種的保護，而沒有考慮諸如河流規(guī)劃以及包括河流兩岸在內(nèi)的整個河流生態(tài)系統(tǒng)，由此計算出和推薦的流量范圍值，并不符合整個河流的管理要求。表1-3比較了河道內(nèi)環(huán)境流量評價方法。

因此，基于河流完整生態(tài)系統(tǒng)理論的整體分析法應運而生。隨著整體分析法的發(fā)展，微觀—宏觀、宏觀—微觀兩種方法的結(jié)合將是整體分析法將來發(fā)展的必然趨勢。通常利用前一種方法來確定一種或多種河流修正流態(tài)，然后利用后一種方法對該流態(tài)引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題進行風險評價。無論是發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，環(huán)境流量法的開發(fā)和應用越來越依賴于多學科理論。開發(fā)設計滿足不同國家國情和水情特點的綜合環(huán)境流量法是今后河流環(huán)境流量法發(fā)展的一個新趨勢。

1.2.3.2 國內(nèi)研究

我國河道內(nèi)環(huán)境流量研究雖然較晚，但是發(fā)展很快，我國許多學者開展了大量研究，下面簡單介紹一下國內(nèi)研究進展情況。

李麗娟等（2000）[141]將河流生態(tài)環(huán)境需水量分為3部分：河流基本生態(tài)環(huán)境需水量、河流輸沙排鹽需水量和湖泊洼地生態(tài)環(huán)境需水量。以海灤河為例研究了河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境需水。

嚴登華等（2001）[142]將河流水可劃分為生態(tài)水、資源水和災害水，認為河流系統(tǒng)的生態(tài)需水是指維持河流正常的生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能所需要的一定水質(zhì)最小水量，包括河道系統(tǒng)和洪泛區(qū)兩大系統(tǒng)的生態(tài)用水，并計算了東遼河流域河流系統(tǒng)生態(tài)需水量。

楊志峰等[125b][128a]研究河流生態(tài)需水的基本內(nèi)涵，對評價方法進行了研究，提出了生態(tài)環(huán)境需水量分級和計算方法，并對黃淮海地區(qū)的生態(tài)環(huán)境需水量進行了評估。

于龍娟和夏自強（2004）[143]研究了河流生態(tài)徑流內(nèi)涵，認為天然條件下隨機變化的水文過程不會對河流的物種和種群結(jié)構(gòu)產(chǎn)生根本性的影響，而影響的只是生物量及物種種群大小的變化。在天然狀態(tài)下，任何一種徑流過程都是生態(tài)徑流過程，并確定了生態(tài)徑流過程的準則，生態(tài)徑流不是一個常量，應保持天然條件下河流的水文特征。在此理論方法研究基礎上，陳竹青（2005）[144]利用建立的逐月最小生態(tài)徑流計算法和逐月頻率法研究了長江中下游生態(tài)徑流過程，為長江中下游生態(tài)安全提供保障。

徐志俠（2005）[131a]從徑流與河床關系入手，研究了徑流與河床形態(tài)分析法，用以計算河道最小非生物需水；從徑流、河床和生物關系著手，研究最小生態(tài)需水計算方法——河道生物空間最小需求法；研究用魚類產(chǎn)卵所需流速估算河道魚類產(chǎn)卵期適宜生態(tài)需水的方法。最后計算了潁河與渦河最小非生物需水、最小生態(tài)需水和適宜生態(tài)需水。

宋蘭蘭（2005）[145]采用水文指數(shù)法和濕周法計算了廣東省河道生態(tài)環(huán)境需水。蘇飛（2006）[146]研究了河道最小和適宜生態(tài)需水量計算方法，并且以遼河為例進行了計算。

英曉明（2006）[147]研究了IFIM計算方法，采用River2D模型計算了中華鱘產(chǎn)卵生境和流量之間的關系；楊宇（2007）[121a]采用Delft3D和River2D對中華鱘產(chǎn)卵生境和流量之間關系進行了對比，并且采用改進二維模型給出了中華鱘產(chǎn)卵適宜生態(tài)流量。

陳敏建等（2006）[148]構(gòu)建了多參數(shù)生態(tài)需水（最小生態(tài)需水、適宜生態(tài)需水、洪水期生態(tài)需水）體系并分析其內(nèi)涵，組成了能反映河流生態(tài)系統(tǒng)健康的流量等級，運用該計算方法計算了黃河流域中下游生態(tài)需水量。

吉利娜（2006）[149]對河道生態(tài)需水計算的水力學方法中的濕周法和流速法進行了深入研究，并用于南水北調(diào)西線工程流域。

樊健（2006）[150]探討了基于生態(tài)目標的河流生態(tài)徑流計算方法以及RVA法確定河流生態(tài)徑流過程的計算方法，并以廣東東江河源水文站斷面為例，進行了實證研究。

郭文獻等（2007）[151]采用改進河道濕周法以及生態(tài)流速—流量法分別計算了長江中下游河道最小和適宜生態(tài)流量，該結(jié)果為長江中下游河流生態(tài)環(huán)境保護提供參考。

根據(jù)以上研究可知，近幾年來我國在河道環(huán)境流量研究方面也進行了大量研究，然而仍然有許多方面需要研究，首先，我國學者在河流環(huán)境流量的定義、內(nèi)涵的理解上還存在較大差異，需要進一步研究，對河流環(huán)境流量的內(nèi)涵進行界定；其次，我國關于河流環(huán)境流量評價方法的研究很大程度上采用國外的研究方法，然而每種研究方法存在一定的適用條件和不足，因此，需要根據(jù)我國河流的自身特點，提出適合的評價方法；第三，在研究內(nèi)容方面，需要進一步加強，如河道流量與魚類生息環(huán)境關系的研究，河道流量、水生生物與DO三者之間的關系研究，水生生物指示物種與流量之間的關系研究，水庫調(diào)度考慮生態(tài)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境水量優(yōu)化分配的研究，環(huán)境生態(tài)用水與經(jīng)濟用水關系的研究等方面。

1.2.4 水庫生態(tài)調(diào)度模式研究

1.2.4.1 國外研究

水庫實行生態(tài)調(diào)度，即是在制定水庫調(diào)度操作規(guī)程時，將生態(tài)需求作為水庫調(diào)度的目標之一，具體來說就是要考慮水流受到調(diào)控后河流生態(tài)系統(tǒng)的變化，以及因此造成的不利探討其調(diào)度和運行對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響以及相應減緩不利影響的對策措施。國外研究資料中，類似“生態(tài)調(diào)度”的提法有re-operation，內(nèi)容主要包括通過合理的技術手段管理河流流量、控制水溫和沉積物輸移，以改善魚類和野生動物的環(huán)境狀況等。下面論述國外水庫生態(tài)調(diào)度研究進展情況。

Cardwell et al.（1996）[152]采用水庫不同月最小水流情勢方案研究了魚類種群容量和供水缺水量之間的平衡。該規(guī)劃模型通過改變原來月最小下泄流量單個定值的做法，采用了多種下泄流量方案。Hughes et al.（1998）[153]提出一種考慮河道內(nèi)環(huán)境流量的水庫模擬模型，運用該模型能夠在水庫規(guī)劃階段解決人類需水和水庫下泄流量之間的矛盾。King et al.（1998）[154]研究了調(diào)整南非的Clanwilliam大壩在10月至次年1月黃魚產(chǎn)卵期的下泄流量方式，人為制造洪水來增加魚類的產(chǎn)卵量，同時考慮了水溫對魚類產(chǎn)卵的影響。

Susan et al.（2001）[155]針對美國科羅拉多河上的格倫峽大壩對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響，采取加大春季洪水下泄流量以及分層取水的方法，滿足下游棲息地的流量需要，分別于1996年和2000年進行春季泄洪試驗，模擬建壩前的自然水文模式，達到輸沙、恢復生境和保護魚類等綜合效果。Bovee et al.（2002）[156]提出綜合水量平衡模型和洪水災害曲線方法，模擬計算6種洪水泄水方案，用來恢復天然狀況下的洪水脈沖事件，改變密西西比河流域上游的魚類種群以及植物生存狀況。Koel et al.（2002）[157]在美國的伊利諾斯河利用歷時數(shù)據(jù)建立起河流天然水位模式與魚類豐度的關系，在基于RVA方法分析的基礎上，將獲得的這種關系作為水庫調(diào)度的標準。

Richter et al.（2003）[158]提出了一個生態(tài)可持續(xù)水資源管理規(guī)程，該程序包括6個步驟：①初步研究能維持河流生態(tài)系統(tǒng)完整性的關鍵點；②考慮到人類對水資源的利用當前以及未來情況，采用水文模擬模型研究人類活動（如水庫建設）對河流水流情勢的影響；③評價人類活動對河流生態(tài)系統(tǒng)的不利影響；④共同協(xié)商尋找解決問題的辦法；⑤綜合考慮人類和生態(tài)需要，指導水資源管理解決不確定性問題；⑥設計并且執(zhí)行一個長期的生態(tài)可持續(xù)水資源管理規(guī)劃。Richter et al.（2007）[4a]提出了通過水庫生態(tài)調(diào)度（re-operation）來恢復河道環(huán)境流量，并且提出一個評價框架用于水庫生態(tài)調(diào)度問題研究，該評價框架能夠綜合分析通過水庫生態(tài)調(diào)度的生態(tài)效益。

Symphorian et al.（2003）[159]研究了津巴布韋奧斯本大壩生態(tài)調(diào)度問題，采用桌面模型評價環(huán)境需水量，進而在水庫調(diào)度和水資源分配中考慮環(huán)境下泄流量。Ripo et al.（2003）[160]提出了年流量歷時曲線框架，該框架能夠提供水庫的可分水量，同時保證河流相似的年流量歷時曲線，有效地保證了維持河流生態(tài)系統(tǒng)的最小需水量。

Robinson et al.（2003）[161]認為具有洪水和流量脈沖的天然水流情勢對河流生物多樣性和生態(tài)完整性具有重要作用，并且研究通過水庫調(diào)度，分別進行了3年洪水脈沖試驗，分析大壩下游大型無脊椎動物的影響。

Shiau et al.（2004）[162]也曾利用RVA方法來分析臺灣地區(qū)的水庫對水文變化的影響，得出水庫最佳調(diào)度方式來恢復河道的天然流態(tài)并滿足人類對水的需要；Shiau et al.（2007）[163]以水文整體改變程度作為生態(tài)目標，采用一種動態(tài)妥協(xié)規(guī)劃算法計算多目標調(diào)度問題，協(xié)調(diào)水資源利用在生態(tài)和人類需要之間的矛盾；在2007年另外一篇文獻中，提出以水庫供水缺水率和水文整體改變程度作為調(diào)度目標，采用多目標遺傳算法求得最佳調(diào)度方案[164]。

Bednarek et al.（2005）[165]研究了通過修改田納西河流大壩調(diào)度方式，來減緩其帶來的不利影響，其中1991—1996年，田納西河流域管理局（TVA）在其管理的20個水庫通過提高水庫最小下泄水量及水質(zhì)，優(yōu)化調(diào)整了水庫調(diào)度運行方式。Harman et al.（2005）[166]研究了澳大利亞Thomson河流環(huán)境流量，建立一個水庫模擬模型模擬下泄流量滿足下游河道環(huán)境流量要求。

Suen et al.（2006）[167]以臺灣北部的Shihmen水庫調(diào)度為例，將水流情勢的天然變化作為生態(tài)目標，利用模糊集方法進行量化處理，與經(jīng)濟目標一起構(gòu)成多目標優(yōu)化模型，利用多目標遺傳算法（NSGA-Ⅱ）進行求解，通過對水庫的調(diào)度線進行優(yōu)化處理，得出滿足生態(tài)和滿足人類需求的最佳調(diào)度方案。

Johnson et al.（2007）[168]提出采用修改大壩調(diào)度的方法減緩下泄水流水體過飽和對下游魚類的不利影響，并對魚類氣泡病進行了相關研究。

Kerachian et al.（2007）[169]提出了考慮水質(zhì)管理的水庫—河流系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度規(guī)則，該優(yōu)化技術綜合考慮了水質(zhì)模擬模型（HEC-5Q）和隨機遺傳算法（VLGA）優(yōu)化技術，并且用于伊朗中部的Ghomrud水庫水質(zhì)管理中。

Halleraker et al.（2007）[170]在研究挪威Surna河流上水庫生態(tài)調(diào)度研究中，提出了采用水力—生境模型、IHA方法、中生境分析、水溫模擬綜合分析的方法評價環(huán)境流量，然后調(diào)整水庫調(diào)度方案，以提高水庫下游鮭魚生境質(zhì)量。

Dhar et al.（2007）采用模擬和優(yōu)化結(jié)合的方法進行水庫優(yōu)化調(diào)度研究，保證水庫下游水質(zhì)要求，其中水質(zhì)模型采用CE-QUAL-W2水質(zhì)模擬模型，優(yōu)化方法采用遺傳算法（GA）進行求解。Chaves et al.（2003）[171]采用動態(tài)規(guī)劃優(yōu)化方法結(jié)合一維水質(zhì)模型研究了水庫多目標調(diào)度問題，該研究綜合考慮了水庫下游水質(zhì)狀況和供水目標，并且采用GA對水質(zhì)模型參數(shù)進行了優(yōu)化，同時采用該方法進行了靈敏度分析。

Godinho et al.（2007）[172]提出一個概念性模型，研究增加水庫下泄流量滿足水庫下游洪泛區(qū)魚類產(chǎn)量。Field（2007）[173]研究了美國薩克拉曼多的Folsom水庫多目標生態(tài)調(diào)度問題，該研究考慮了發(fā)電、供水以及水庫下泄水溫3個目標，采用多目標進化算法和一維水庫水溫模型進行求解，取得了滿意解。

根據(jù)對國外水庫生態(tài)調(diào)度研究成果可知，以美國、澳大利亞為代表的一些國家，在水庫生態(tài)調(diào)度研究實踐方面相對較早，在生態(tài)調(diào)度研究內(nèi)容方面主要包括：①解決水庫庫區(qū)污染物集聚、泥沙淤積以及水溫層化問題；②解決水庫清水下泄以及溶解氧過飽和問題；③解決水庫下游魚類產(chǎn)卵場生境、洪泛區(qū)以及河口生態(tài)問題。水庫蓄水所帶來的河流系統(tǒng)的生態(tài)問題十分復雜，解決其生態(tài)問題是建立在科學研究基礎上的系統(tǒng)工程，不可能簡單地依靠單項調(diào)度技術的操作一蹴而就。水庫調(diào)度必須從河流系統(tǒng)整體出發(fā)，綜合考慮水庫引起的多方面問題，采用多學科結(jié)合研究、多管理部門參與的方式，制定科學合理的調(diào)度方案。

1.2.4.2 國內(nèi)研究

國內(nèi)在水庫生態(tài)調(diào)度研究實踐方面相對較晚，相比國外，河流生態(tài)問題沒有引起有關管理部門足夠的重視。國內(nèi)在水庫生態(tài)調(diào)度理論研究方面，近幾年，許多專家學者已經(jīng)進行了基本研究，對將來的水庫調(diào)度措施研究起到了很好的指導作用。下面簡單介紹一下研究現(xiàn)狀。

在理論探討方面，索麗生（2003）[174]提出水利工程的優(yōu)化目標應該由慣常的“技術經(jīng)濟最優(yōu)”改變?yōu)樯鷳B(tài)效益、經(jīng)濟效益、社會效益統(tǒng)籌兼顧，強調(diào)人與自然和諧共處。汪恕誠（2004）[175]提出了要積極探索水利工程有利于生態(tài)的調(diào)度和使用模式。禹雪中等（2005）[176]認為水利工程生態(tài)與環(huán)境調(diào)度可以分為環(huán)境調(diào)度和生態(tài)調(diào)度，環(huán)境調(diào)度以改善水質(zhì)為主要目標，生態(tài)調(diào)度以水利工程建設運行的生態(tài)補償為主要目標。蔡其華（2006）[40]提出了充分考慮河流生態(tài)系統(tǒng)，完善水庫調(diào)度方式，并且針對三峽工程生態(tài)問題，提出了調(diào)度方式。董哲仁等（2007）[41]提出了水庫多目標生態(tài)調(diào)度，討論了多目標調(diào)度方法。程根偉等（2007）[177]提出三峽水庫梯級的生態(tài)調(diào)度試驗目標包括保持河流洪水節(jié)律、維持上下游輸沙平衡、促進庫區(qū)水量交換和實現(xiàn)防洪補償調(diào)節(jié)4個方面。2005年12月在北京召開的《通過改進水庫調(diào)度以修復河流下游生態(tài)系統(tǒng)》研討會，探討了通過改進水庫調(diào)度和水利設施管理以修復河流下游生態(tài)系統(tǒng)和改善人類生活的可行性，這次會議的召開將水資源優(yōu)化配置技術推向了一個全新的發(fā)展階段。

在生態(tài)調(diào)度實踐方面，賈海峰等（2001）[178]對水庫調(diào)度和營養(yǎng)物削減關系進行了探討，從而做到了防洪調(diào)度兼顧庫區(qū)富營養(yǎng)化的控制。李嘉等（2005）[179]研究了通過增加水庫下泄流量減少污染物濃度。鄧云等（2006）[180]研究通過調(diào)整溪洛渡電站春季下泄水流方式，改變下泄水流水溫，保護下游魚類產(chǎn)卵繁殖。鈕新強等（2006）[181]探討了三峽工程生態(tài)調(diào)度問題，主要針對改善長江口咸潮入侵情勢的調(diào)度及有利于“四大家魚”產(chǎn)卵提出建議。謝敏（2007）[182]研究了針對河流水華現(xiàn)象的生態(tài)調(diào)度，并以丹江口水庫為例研究水庫調(diào)度對下游生態(tài)系統(tǒng)的影響。胡和平等（2008）[183]研究了基于生態(tài)流量過程線的水庫生態(tài)調(diào)度方法，該研究以水電站年發(fā)電量最大為優(yōu)化目標，以生態(tài)方案為約束，提出了水庫優(yōu)化調(diào)度模型，并將該模型用于黃河流域某子流域研究。

在各大流域，進行了相關生態(tài)調(diào)度方面的研究，其中黃河小浪底的水庫調(diào)水調(diào)沙試驗，利用人造洪峰輸沙入海，減輕下游河道淤積，補償生態(tài)流量[184]。另外，珠江流域?qū)嵤┝藟合萄a淡應急調(diào)水的全流域水庫群生態(tài)調(diào)度[185]。長江流域在規(guī)劃龍盤水電工程時，選定了發(fā)電的下泄流量不得低于生態(tài)基流300m3/s，以滿足下游基本生態(tài)需水和景觀要求；丹江口水電站為控制漢江下游水體富營養(yǎng)化，加大枯季下泄流量[40a]。

根據(jù)國內(nèi)研究現(xiàn)狀，可知：①水庫生態(tài)調(diào)度的概念內(nèi)涵理解還比較模糊；②在沒有提出生態(tài)調(diào)度概念之前，過去一些研究學者已經(jīng)進行了大量研究，但這些研究都是獨立的，考慮生態(tài)問題比較片面單一，沒有從河流生態(tài)系統(tǒng)整體去研究水庫生態(tài)調(diào)度問題；③目前水庫生態(tài)調(diào)度研究還處在理論探討方面，在全國開展生態(tài)調(diào)度實踐仍需要一定時間。因此，今后，我國應該大量開展相關研究，通過科學的論證和研究，探索出符合中國國情、有利于河流生態(tài)健康發(fā)展的水利工程生態(tài)調(diào)度模式，是未來必然的發(fā)展趨勢。