第1章绪论
　　1.1 河库系统生态需水研究的重要性
　　随着人口的增加，城市化和现代化的推进，全球能源需求正在迅速增长。水电作为一种清洁和可再生能源，有利于减少温室气体排放和保护生态环境，提供了全球45% 的可再生能源和16% 的电力（杨子儒等，2022）。随着未来化石燃料的逐步被替代，全球对水电的需求将会逐渐增加。在我国积极推进碳达峰、碳中和的背景下，水电仍然是能源发展的重要方向。
　　河流是一个复杂的生态系统类型，是人类及一切生物、生命系统存在与发展所依赖的基础和资源，具有显著的区域特性。不同地区的自然环境塑造了不同特性的河流，同一流域内不同区域间的水文条件、河流功能也存在差异，不同区间所要求的河道需水量的多少也不相同。河流上下游的生境异质性和纵向的蜿蜒性，以及小尺度的断面形态、河床底质、流速、流态等的多样性，都是维护河流生态系统健康的基础。水利水电工程的修建虽然在防洪、供水、发电、航运和灌溉等方面给人类带来了巨大的经济效益，但影响了河流的自然生态功能，对河流生态系统造成负面影响，改变了流域自然的生态过程（李婷等，2020；梁媛，2019 ；毛战坡等，2005）。水电站的修建使得驱动河流生物生命循环的水文过程发生改变，进而影响水库所在河段水生生物对特定水流条件、生境等的需求。全球397 个大型河流生态系统约有27% 处于梯级开发状态，河流水电开发导致了生态的严重退化和生物多样性的丧失，而河流系统自然的生态水文特征对水生生物尤其是鱼类的生命活动具有重要的意义（Williams，1996；Allan and Flecker，1993）。加强对筑坝河流系统内重要的生物和非生物生态水文响应过程的研究是目前河流生态系统研究的热点问题之一（Williams，1996）。自然条件下连续的河流生态系统在物质能量输移、生物迁徙等方面发挥着不可替代的作用。水电开发阻断了鱼类的洄游通道，使得上下游的物质能量单向流动，生境连通性降低，对鱼类栖息产生了*直接的不利影响；此外，大坝建设后，改变了河流天然的径流过程，使其上下游径流水文情势、水沙情势、水温结构等发生显著变化（毛劲乔和戴会超，2016）。水电开发对河流生态环境的影响主要分为生境和生物两大类，研究筑坝引起的河流水文情势、水环境、生源物质等生境因子的变化对河流中鱼类等生物的产卵繁殖、栖息地环境等的影响，科学地进行水库生态调度是当前生态流量研究的热点。
　　河流生态流量是河流生态保护、自然水文情势恢复及水库生态调度的重要依据，国外关于河流生态需水的研究始于20 世纪40 年代，美国鱼类及野生动植物管理局对河道内流量与鱼类生长、繁殖的关系等问题进行了研究，以估算*小可接受流量，来满足污染稀释和重要鱼类生存等需求。直到20 世纪90 年代之前，生态流量的研究主要还是指“*低流量”（Williams，1996；Allan and Flecker，1993）。20 世纪90 年代后期，陆续出现了河流连续统、自然水文情势、洪水脉冲概念等生态流量理论（董哲仁等，2017）。
　　21 世纪以来，生态流量的研究内容更加完善，开始逐步考虑其对水环境状态、生物群落等的综合影响（Ruth and Richter，2007），以及重要鱼类、底栖动物生境等与生态水文过程变化之间的响应关系。
　　1.2 生态需水理论和生态流量计算方法的研究概况
　　1.2.1 生态需水理论
　　为科学解决水资源失衡及生态环境问题，各国学者对河流生态流量进行了一系列的研究，目前其已成为国内外广泛关注的热点，涉及水文学、生态学、环境科学等多个学科（崔瑛等，2010）。
　　国外关于河流生态流量的研究始于20 世纪40 年代，美国为了维持西部河道内鱼类的生存开展了河道基流研究，之后发展到河岸带生态需水研究，直到现在开展的流域尺度、区域尺度上的生态需水研究。澳大利亚、英国和南非等国在20 世纪80 年代相继开展了该方面的研究工作。国外的生态需水研究起源于生态学的应用领域——渔业生态学，从20 世纪40 年代美国鱼类及野生动植物管理局对河道内流量进行研究开始，直到20 世纪80 年代初期美国全面调整对流域的开发和管理目标，在此期间形成了生态需水分配研究的雏形。Gleick（1998 ）*先提出基本生态需水量的概念，即提供一定质量和数量的水维持自然生境，以求*小限度地改变（或*大限度地恢复）天然生态系统，保证物种多样性和生态完整性，并把此概念进一步与水资源短缺、危机和配置联系到一起；Raskin 等（1996 ）提出了可持续的水利用要保证足够的水量来保护河流、湖泊和湿地生态系统；Whipple 等（1999 ）也提出了类似的观点，认为水资源的规划和管理需要更多地考虑环境的需求与调整；Baird 和Wilby（1999 ）针对各类型生态系统的基本结构和功能，较详细地分析了植物和水文过程的相互关系，强调了水作为环境因子对自然保护和恢复的作用。为使生态需水得以保障，国外的生态需水研究中广泛融合了水文水资源的研究理论和方法，强调水资源在整个生态系统中的地位和作用，使其具有坚实的生态学和水文学基础与内涵。
　　国内河流生态流量需求的研究起步较晚，始于20 世纪80 年代，当时国内部分学者以西北干旱地区旱地植被生态系统为基础进行了生态需水研究。在90 年代后期，国内关于生态用水方面的研究取得了一些成就，之后才进入起步性研究阶段。汤奇成（1995）提出水资源应该包括生态环境用水和国民经济用水两部分。贾宝全和慈龙骏（2000）、贾宝全和许英勤（1998 ）以新疆为例对干旱区生态用水的概念及其分类方法进行了探讨和界定，并估算了新疆的生态用水，这是**次对生态需水进行定量研究。贺东辰和刘唯义（1998 ）在对柴达木盆地的研究中，将河川径流的25% 留作柴达木盆地的生态需水量。刘燕华（2000 ）对西北部分区域的生态环境需水量进行了估算。刘昌明（1999 ）提出了水热平衡、水盐平衡、水沙平衡、水量供需平衡“四大平衡”理论及其与生态需水的相关关系，探讨了“三生”（生产、生活、生态）用水之间的共享性。2000 年在由中国工程院组织实施、43 位院士和近300 位院外专家参加与完成的《中国可持续发展水资源战略研究综合报告》中初步提出了生态环境需水理论，并估算了全国范围的生态需水（中国工程院“21 世纪中国可持续发展水资源战略研究”项目组，2000）。随后，许多专家学者都开始研究这个前沿课题，构建理论体系和计算方法，并取得了不少成果。李丽娟和郑红星（2000 ）以海滦河为例研究了河道生态环境需水问题，认为海滦河生态需水量为流域地表径流总量的54% 。杨志峰和张远（2003 ）分别分析了河道、湿地、湖泊生态环境需水量的内涵和阈值，并对其进行了估算和分析。杨志峰等（2003 ）从概念界定等理论出发，探究各种生态系统生态需水计算、等级划分的方法，并以黄淮海地区为研究案例，出版了《生态环境需水量理论、方法与实践》，成为中国生态需水研究领域的一部重要专著。近年来，我国学者已在黄河、海河、长江和汉江等河流开展了较多的生态流量研究。
　　总体而言，我国河流生态流量需求研究大致经历了以下几个阶段：①萌芽阶段，主要表现是对生态需水的概念内涵、计算方法的归纳和总结（何永涛等，2005 ；杨志峰等，2003）；②尝试阶段，主要表现是对国外一些计算方法的应用，主要是利用水文学法和水力学法对国内一些河流进行生态需水研究（胡波等，2007 ；王西琴等，2007 ；王雁林等，2004；严登华等，2001），其结果是考虑输沙用水、水质稀释用水、植物蒸发用水等多个目标，*终得到一个*小或*适的环境需水流量；③发展阶段，主要表现是以一定的水生生物如鱼类、底栖动物或植物为指示物种，通过水力学法、栖息地模拟法或整体分析法对河流生态流量进行研究（蒋晓辉等，2009 ；傅小城等，2008 ；班璇和李大美，2007）。
　　对比来看，国外生态需水研究主要集中在河流，对湖泊生态需水的研究较少。Einarsson 等（2004）分析了湖泊的生态特征在时间和空间上的变化，指出了营养物质的释放在春季及夏季等不同时期的变化，这些变化都对生物群有一定的影响。在国内，生态需水研究范围更为广泛，涉及了水域（河流、湖泊、沼泽湿地等）、陆地（干旱区植被、森林）、城市等诸多生态系统（马育军等，2011）。湖泊生态系统是水生态系统的重要类型之一，是重要的淡水生态系统。湖泊、湿地在其所在流域的水生态系统中相当重要，具有调蓄水量、削减洪峰、涵养水源、调节气候、净化水体、提供栖息地、保持生物多样性等多种功效，其生态需水的研究应得到充分的重视（李英和孙以兰，2004）。
　　在生态需水研究中，不同的研究学者分别根据不同的研究对象，如干旱区、湿润区、河流、湖泊、湿地等（崔保山等，2005 ；刘静玲和杨志峰，2002），以及对需水与用水、生态与环境和生态环境等概念内涵的不同理解（郭利丹等，2009 ；王礼先，2002），提出了生态用水、生态需水、生态耗水、生态流量、环境用水、环境需水、环境流量、生态环境用水与生态环境需水等概念（Richter，2010 ；刘桂民和王根绪，2004）。在这些与生态需水相关的概念中，其差别主要集中在需水、用水与耗水，以及环境和生态几个关键词上。对于生态需水与环境需水的区别，杨志峰等（2006 ）提出，两者之间存在交叉和重合的部分，但是两者不同。生态需水侧重在生物维持自身发展及保护生物多样性方面，环境需水则主要体现在环境改善方面。
　　当前，水域生态需水研究领域的热点与难点，从应用上看，主要是水资源开发利用中的生态需水量的确定及其理论问题。不同的水文水资源和生态学者持有不同的观点与理解，有不同的要求与定义（刘昌明，2002）。关于河流和湖泊水文要素变化的生态学作用及其与生态学特征之间关系的研究，目前尚处于初步阶段。我国目前在生态水文问题上进行的大多数研究都直接移用或借鉴国外的相关理论和方法，在实用和推广上缺乏系统性。我国不同地区具有不同水文特征和生态学特征的河流与湖泊的生态需水研究还有较长的路要走。
　　1.2.2 生态流量计算方法
　　20 世纪60 年代以来，国内外很多学者对河流生态需水量的计算和评价方法进行过研究。但是由于问题的复杂性，至今仍没有一种大家公认的、普遍适用的方法，不同的水文水资源学者和生态学者持有不同的观点。
　　1. 国外河流生态流量计算方法
　　目前，国外生态流量需求的计算方法大致可以分为五类：水文学法、水力学法、栖息地模拟法、整体分析法、各种方法结合使用的综合法。前两类方法均是利用历史水文数据或河道地形来估算*小需水量，无法反映水生生物的实际需求；栖息地模拟法和整体分析法都需要应用指示生物，其结果更容易被大众接受和理解，也能反映水生生物的实际流量需求，但传统的栖息地模拟法需要通过实际调查或室内模拟获得指示生物的适合度*线，这对于鱼类等移动性强的生物来说非常困难，而且其只能解决流量大小的问题。现有各类计算方法汇总见表1.1 。
　　表1.1 国外河流生态流量计算方法汇总表
　　续表
　　1）水文学法
　　水文学法主要以河流历史流量数据为基础，通过对水文数据指标的统计分析得到河流生态流量需求，是根据观测资料估计河流流量范围的一种简单、易行的方法。此类方法具有操作简单，对数据精度要求不高，可以与决定河道内流量需求的生态数据相关联，以及能够与河流管理和规划模型相结合等优点。该类方法的缺点是过于简化河流的实际情况，没有直接考虑生物需求和生物间的相互影响，只能在优先度不高的河段使用，或者作为其他方法的一种粗略检验。水文学法的代表性方法主要有Tennant 法、7Q10 法、Texas 法和RVA 。
　　2）水力学法
　　水力学法根据河道水力参数（如水深、流速和湿周等）分析确定河流所需流量，它是在河道的水力几何参数与流量之间建立相关关系，即基于调

目录
第1章绪论 1
1.1 河库系统生态需水研究的重要性 2
1.2 生态需水理论和生态流量计算方法的研究概况 3
1.2.1 生态需水理论 3
1.2.2 生态流量计算方法 5
1.3 本书的主要内容 9
第2章河库系统特征分类及生态需水规律 11
2.1 河库系统基本特征及分类 12
2.1.1 河库系统特征 12
2.1.2 河库系统分类 14
2.2 不同河库系统的生态需水问题及保障对象 24
2.2.1 不同河库系统生态需水问题 24
2.2.2 不同河库系统生态需水保障对象 36
2.3 河库系统生态需水保障对象的生态需水特征 39
2.3.1 河库系统湿地植物生态需水特征 39
2.3.2 河库系统重要鱼类生态需水特征 43
2.3.3 河库系统主要底栖动物生态需水特征 47
2.3.4 河库系统水华藻类抑制生态需水特征 48
2.4 不同河库系统生态需水规律 49
2.4.1 高坝大库河库系统生态需水规律 49
2.4.2 低坝枢纽河库系统生态需水规律 50
2.4.3 山区小水电河库系统生态需水规律 50
2.5 本章小结 51
第3章高坝大库河库系统生态需水核算方法 53
3.1 研究区域概况 54
3.1.1 金沙江下游梯级水库概况 54
3.1.2 金沙江下游梯级水库蓄水运行情况 54
3.2 金沙江下游高坝大库河库系统生态环境特征需求 57
3.2.1 金沙江下游高坝大库河库系统特征 57
3.2.2 金沙江下游高坝大库河库系统主要水生态环境问题 58
3.2.3 金沙江下游高坝大库河库系统主要生态保护需求 60
3.3 金沙江下游高坝大库河库系统生态需水需求分析 61
3.3.1 金沙江下游梯级水库联合运行的水文情势变化 61
3.3.2 高坝大库河库系统水文过程与代表性鱼类产卵繁育的响应关系 66
3.3.3 满足代表性鱼类产卵繁育的生态需水满足率分析 71
3.4 金沙江下游高坝大库河库系统生态需水核算方法 72
3.4.1 高坝大库河库系统河流生态流量设计 72
3.4.2 高坝大库河库系统生态流量核算方法 73
3.5 本章小结 78
第4章山区小水电河库系统生态需水核算方法 81
4.1 研究区域概况 82
4.1.1 云南景谷河流域概况 82
4.1.2 景谷河流域山区小水电站运行概况 82
4.2 景谷河流域山区小水电河库系统生态环境特征需求 82
4.2.1 景谷河流域山区小水电河库系统特征 82
4.2.2 景谷河流域山区小水电河库系统主要水生态环境问题 83
4.2.3 景谷河流域山区小水电河库系统主要生态保护需求 97
4.3 景谷河流域山区小水电河库系统生态需水分析 98
4.3.1 水文过程与底栖动物的响应关系 98
4.3.2 景谷河流域山区小水电河库系统生态需水特征分析 99
4.4 景谷河流域山区小水电河库系统生态需水核算方法 100
4.4.1 山区小水电河库系统生态需水模型构建 100
4.4.2 满足河流底栖动物生境条件的生态需水核算方法 103
4.4.3 山区小水电河库系统生态流量确定 106
4.5 本章小结 107
第5章不同类型河库系统生态需水调控指标与阈值 109
5.1 高坝大库河库系统生态需水调控指标及其阈值 110
5.1.1 高坝大库河库系统生态需水调控指标 110
5.1.2 高坝大库河库系统生态需水调控阈值 113
5.2 山区小水电河库系统生态需水调控指标及其阈值 133
5.2.1 山区小水电河库系统生态需水调控指标 133
5.2.2 山区小水电河库系统生态需水调控阈值 134
5.3 本章小结 138
第6章不同类型河库系统生态需水调控应用示范 141
6.1 金沙江下游高坝大库河库系统生态需水调控应用示范 142
6.1.1 金沙江下游高坝大库河库系统生态需水调控方法 142
6.1.2 金沙江下游高坝大库河库系统生态需水调控效果 149
6.2 景谷河流域山区小水电河库系统生态需水调控应用示范 151
6.2.1 景谷河流域山区小水电河库系统生态需水调控方法 151
6.2.2 景谷河流域山区小水电河库系统生态需水调控效果 152
6.3 本章小结 155
参考文献 157