2.3 河流水流情势理论研究

20世纪90年代后期，河流水流情势（river flow regime）对河流生态系统的决定性作用得到了越来越多的认识。河流水流情势被看做河流生态系统的重要驱动力，并且水流情势可以由流量大小、频率、历时、出现时间和变化率5个方面来定量表征，这5个方面决定并影响着河流生态系统的主要方面：河流的物资循环、能量过程、物理栖息地状况和生物的相互作用。河流水流情势的生态效应如图2-5所示。

2.3.1 河流水流情势特征参数及其生态意义

河流水流情势是指河流各水文要素随时间的变化情况，包括流量的年内和年际变化，极值流量发生时间、频率，洪、旱灾历时以及断流天数，流量的变化率和变化幅度等，总体来说可分为流量幅度、频率、历时、出现时间和变化率5个方面。这些变化过程影响着河流生物物种的分布和构成，决定了河流生物多样性和生态系统完整性，其中河流生态系统完整性主要体现在流量机制、栖息地结构、水质、食物来源和生物之间的相互作用5个方面，其主要变量见表2-3。

河流水文变化过程5个方面可以用图2-6示意图来表示，该图反映了一个单峰水流过程，其水文过程包含了重要的生态学意义，可以概况为以下几个方面。

（1）流量与频率。流量对于水生生物极为重要，表示了传送食物和营养物质的一种重要机制。流速是河流微生境研究中重要特征指标，影响了水生动物的产卵、繁殖、生长、捕食等生命过程，并最终影响着水生生物的分布、种群形成、年龄结构、数量变动等。

（2）来水时间。河流特征流量发生时间与水生生物的生命周期具有紧密联系，如洪水发生时间对鱼类具有重要生态学意义，可以提供给鱼类一种信号，何时产卵、何时孵化或何时迁徙等，同时许多植物适时开发，适时传播，适时发芽和适时生长等都与河流特征流量发生时间有很大关系。

（3）持续时间。洪水漫滩持续时间的长短决定了鱼类能否完成摄饵、产卵、育苗、躲避灾害和天敌等各种行为，此外，河漫滩植物对持续洪水的耐受力，决定这些物种不被其他低耐受性物种所取代。

（4）洪水涨落速率。洪水涨落速率被认为是河流洪泛区系统中主要生物群生存、生产力和相互影响的主要驱动力，洪水的涨落在不同的空间尺度上改变着漫滩的形态，引起了河流结构和功能的变化，使其维持着较高的动力学，此外，洪水冲刷破坏了漫滩植被、避免了其过分繁殖、防止了外来植被入侵。

（5）水文连续性。水文连续性包括纵向连续性和横向连续性，它实现了河流生态系统物质和能量的交换，同时也为水生动物的产卵、觅食等生命活动提供了重要的栖息地条件。水文纵向连续性是实现营养物和有机物质的输送、植物种子的传输、水生动物纵向迁徙、洄游、产卵等生物过程的重要保证。河漫滩系统是实现水文横向连续性的重要组成部分，河漫滩连续性取决于河漫滩的高度梯度、河流固有的能量、河漫滩植被的发育程度和稳定性。因此，水文连续性通过影响漫滩水体的来源、水体、泥沙和有机质的交换，改变着栖息地多样性的组分，从而对漫滩生物多样性产生影响。

河流水流情势涉及大量的信息和数据，过程描述相当复杂，通过建立指标体系来研究复杂的生态水文过程，是一种有效的分析手段。目前，国外已经对此进行了大量的研究，国内在这方面研究很少，其中以Richter等人提出的IHA法应用最为广泛，该指标体系共有5类，包括月流量状况、极端水文现象的大小与历时、极端水文现象的出现时间、高低脉冲流量的频率与历时以及流量变化的出现频率与变化率，来描绘河流的流量变化特征。其中，极端水文事件的出现时间和历时与特定的生命过程需求是否得到满足有关，而其发生频率又与生物的繁殖或死亡有关，进而影响生物种群的动态变化；水文变量的变化率与生物承受变化的能力有关。33项具体生态水文指标及其生态意义见表2-4。

2.3.2 河流环境流量组成及其生态含义

20世纪90年代以来，“近天然流量模式”作为维持河道最佳生态环境状态的度量标准和管理思路被许多学者广泛采用。根据年内不同水文情势可以划分为不同的特征流量，通常划分为枯季流量（low flow）、高流量（high flow）和洪水流量（flood flow），其中各个特征流量具有其重要的生态学意义，河流自然流量过程图如图2-7所示。

Richter等根据自然水流特征以及不同的生态要求划分为5种不同的流量模式进行研究，主要分为极端枯水流量、月枯水流量、高流量脉冲、小洪水和大洪水5种类型，并且定义了这5种特征流量类型。

（1）极端枯水流量，指河流在干旱季节所需的最小流量，用以维持河流对污染物的自净功能和为水生生物提供维持生存的最小水生栖息地，也可称为生存流量。

（2）月枯水流量，亦可称为基础流量，指为水生生物提供足够的栖息地，以维持水生生物群落生物多样性并且保证一定维持河岸边植物生长的流量。

（3）高流量脉冲，是指暴雨过后形成的一种河流快速的涨水落水过程，该特征流量加强了河流纵向连续性，为水生生物沿河流的迁移创造了条件，同时能够改善水质状况。

（4）小洪水，实际上也是高流量脉冲的一种特殊流量，通常径流过程变化较大，具有高流量脉冲的生态学意义。

（5）大洪水，相对小洪水而言，通常发生在汛期，水流涨落起伏很大，能够显著改变河道及其洪泛区的地形地貌，促使两者之间进行物质能量交换，为水生生物提供肥育场所，同时为洪泛区植物提供营养物质等。

河流水流的5种流量模式对于维持河流生态系统完整性具有十分重要的作用，缺一不可，表2-5列举了河流水流特征流量及其生态学意义。

2.3.3 河流水流情势与水生生物多样性之间的关系

河流水流情势是众多植物、鱼类和无脊椎动物生命循环的主要驱动力之一，此外，河流是生态系统物质流、能量流和信息流的通道，水文情势进一步传递了生物生长的信号，鱼类和其他一些水生物，依据水文过程丰枯变化，完成产卵、孵化、生长，避难、迁移等生命活动，可以说，每一条河流都携带着传递生命规律的信息流。

长江四大家鱼每年5～8月水温升高到18℃以上时，如逢长江发生涨水，四大家鱼便集中在重庆至江西彭泽的38处产卵场进行繁殖。产卵规模与涨水过程的流量增量和涨水持续时间有关。四大家鱼往往在涨水第一天开始产卵，如果江水不再继续上涨或涨幅很小，产卵活动即停止，据1956年开始的长期观测资料表明，四大家鱼在水位上涨时产卵形成高峰，图2-8为长江四大家鱼产卵与洪水位上涨关系，图中黑点表示产卵旺盛期，明显在水位上涨期形成。在长江中游江段5～6月家鱼繁殖占繁殖季节的70%～80%。

据实地调查和监测资料表明，美洲Savannah河中鱼类、鸟类和植物的生长过程与水文过程具有密切的相关关系。Savannah河在2～5月为丰水期，其中3、4月为洪水期，6月至次年1月为枯水期。美洲西鲱鱼成鱼在10月至次年1月，洄游至产卵地，1～4月正值丰水期，为西鲱鱼产卵期，特别在3、4月洪水期产卵旺盛，其后逆向洄游；3～6月是卵和幼鱼的发育期，8月成鱼开始洄游。此外，流域内植物如秃柏和特有鸟类如橙尾鸲莺和金莺，这些植物和鸟类的生活习性与河流的丰枯变化等生境因素都有密切关系。该河流建设水库后，原来洪水期的洪水峰值明显削弱，而枯水期流量增加，全年的水文过程趋于均一化，水文情势的变化，给流域的动植物带来不同程度的影响。

根据以上分析，可知河流水流情势变化对于维持河流生态完整性以及生物多样性具有重要作用，为了总结这些水流情势特征的生态意义，Bunn等提出了天然河流水流情势变化与维持水生生物多样化的4大法则，丰富和发展了河流水流情势理论，其关系图见图2-9。

这4大法则为如下。

（1）水流是河流生境的主要决定因素，同时也是生物组成的决定性因素，水流动态的改变在不同空间尺度上改变了栖息地，而且影响了物种的分布和丰度以及水生群落的组成和多样性。河流的水流的变化影响了河道的形状、大小和复杂性，支流和三角洲的形成，浅滩、激流、深潭和净水区域的分布，基质缀块的多样性和稳定性，食物的类型和数量，以及主河道与漫滩的相互作用特征。河流和漫滩的生物已经适应了这种复杂多变的生境格局，生物多样性常常与生境的复杂性直接相关。大型流域生境的多样性一般较高，因此也比小流域支持了更多的水生生物。

（2）水生生物的完成生长史直接响应与天然水流动态、流动特征对塑造生长史产生主要的影响，同时水流动态的改变会导致土著物种多样性的丧失。许多研究表明，降雨与径流的依时变化是河流和湿地的植物、无脊椎动物和鱼类生命循环的主要驱动。

（3）维持自然的纵向的和横向的联系模式对许多水生物种的变化是必不可少的，纵向和横向的连通性的丧失会导致种群的隔离以及鱼类和其他生物的局部灭绝。

（4）水流情势动态变化为外来物种进入提供条件。如果引进的生物物种能够适应变化了的径流环境，这些被引进的生物将对河流原生物物种产生威胁。

2.3.4 河流水流情势变化及其生态影响

人类对自然水文过程的改变扰乱了河流系统中水流运动与沉积物运动间的动态平衡，从而改变了大尺度和小尺度下决定水生及岸边生物栖息地类型的地貌特征。在经历了人类活动的干扰后，河流系统需要经过漫长的调整建立新的平衡，以适应改变了的水文状况。人类也要经历漫长的时期后才能认识到人类活动所引发的河流系统物理状况的变化，以及伴随的生态过程的转变。图2-10反映了人类活动对河流生态系统影响过程，当自然河流水流情势严重改变后，河流生态系统逐渐简单化并开始萎缩，直至河流生态系统的服务功能受到严重影响，人类生活生产以及自然物种受到威胁，因此，维持河流生态系统健康，首先必须保证河流水流情势不能极度改变。

河流水流情势的变化导致了河流生态系统随之改变，其水流情势变化主要取决于河流情势的五个主要方面，表2-6列举了具体的水流情势变化及其生态影响。

其中大坝修建是人类改造活动最为剧烈的活动之一，河流建设大坝以后，水库按照社会经济效益原则和既定的调度方案实施调度，在汛期利用水库削减洪峰、调蓄洪水，以控制下泄流量和水位，确保下游防洪安全。在非汛期调度运行中，利用水库调节当地水资源的年内分布的丰枯不均，无论是发电、供水还是灌溉等用途，都趋于水文过程均一化，改变了自然水文情势的年内丰枯周期变化规律，这些变化无疑影响了生态过程。从各水库调节前后的径流过程来看，水库对径流调节的总体特征表现为：汛期洪峰削减、枯水流量加大、中水期流量增大，中水期延长、流量过程的起伏变小。这些都会对下游河流廊道产生压力：长时间的均一流量将会导致水生生物聚集，外来生物容易入侵，导致生物局部绝灭、威胁土著物种、改变种群组成，减少水和营养物质进入河漫滩，导致植物幼苗干化，植物种子扩散条件变差，植被的多样性消失；植物生理胁迫导致植物生长速度较低；下泄频繁变化能增加冲刷，使敏感物种丧失，破坏生物生命循环，导致地形学的变化。改变淹没时间会改变植被的覆盖类型。延长淹没时间使植被功能发生变化；对树木有致命的影响；水生生物的浅滩生境丧失。

此外，水文特征的改变亦会改变河流的生态系统的稳定性。河流丰、枯水周期性变化特征的减弱导致各种生物不同生长周期所需的水文条件的改变，使得最终适应这种水文条件的生态系统受到破坏。水力学特征改变，会使鱼类产卵时失去所需的流速条件和鱼卵孵化过程中所需紊动条件；同时水生植物的生存发育条件会因水力条件的变化受到破坏。水文条件、水力学条件、河流地貌、水质条件改变严重影响了水生动植物的生存，对河流流域的生态功能造成很大的破坏。

河流开发利用对水文过程和特征的影响将破坏河流生态系统的稳定性、物种的多样性，同时会影响生物的资源量，如鱼类资源、植物资源、其他水产资源及水产养殖业。水资源的短缺的直接后果是河流断流，大面积河床荒芜、沙化，许多河道成为风沙的源头。河道断流将对河流及周围地区造成更为严重的生态环境和经济影响，使得入海水量减少，改变了水沙平衡关系，造成河道及河口淤积。同时，随之而来的是湖泊干涸、湿地萎缩，生物多样性受到严重威胁。因此在从河流或湖泊中取水的情况下，至少应该保留保障生态系统生命活动最低条件的流量（或水量），水量留在河流中用于保障水生生物的生存条件，同时保持必需的水质以及保持河流的地形要素。从水体中取水必须遵守一定的规则，它的主要标准是要保证河流和湖泊生态系统的生态健康。这个健康与生物和非生物自然的相互作用有关。水体状态的改变立刻会对水源地的动物居住条件和数量有影响。河流水资源保护内容不仅是水量和水质，还必须包括径流过程和水文特征的保护。