第三章 海河流域河流生态需水计算3.1 海河流域河流生态径流变化规律分析3.1.1 水文情势与河流生态径流的耦合由于河道内流量的减少，导致泥沙淤积，引起河床形态变化，致使河道萎缩，河床抬高，河口退后，并使得沿河的生态和经济受到严重的负面影响。河流缺水使得沿河的洼地、湿地、植被等严重缺水，甚至生活用水都面临危机。河流基本的生态需水能够维持河流起码的生存功能，为维护和修复河流的生态功能提供一些依据。河流的天然情势是形成和维持水生和岸边生物赖以生存的河道内和泛洪平原栖息地条件的主要因素。河流情势的五个关键组成部分，即各水文要素的量值、频率、发生时间、历时和变化率，控制着河道内、外的物质和能量交换，也影响着水生生物群落间的相互作用，同时一些水文现象发生时间的规律性是许多水生生物和岸边生物生存的必要条件。例如，洪水出现时间和历时的变化，消除了在自然状态下，洪水对鱼类的产卵和迁徙的提示作用，或者大大减少了鱼类进入繁殖区的机率。某些岸边植物具有对较持久洪水的耐受性，以及某些水生无脊椎动物和鱼类具有对较持久枯季流量的耐受性使得这些物种在适宜的生境中长期生存繁衍，避免了一些外来物种的侵袭。因此，自然状态下河流的季节性变化可以有效的抑制那些产卵和孵化必须依赖于流量变化的外来物种的入侵。河流流量的变化速率影响物种的持久性和共生性。对于那些容易暴发洪水的河流，由于流量在短时间内增加迅猛，使得那些缺乏适应能力的外来物种沿水流冲到下游地区。人类对自然水文过程的改变扰乱河流系统中水流运动与沉积物运动的动态平衡，从而改变了决定水生及岸边生物栖息地类型的地貌特征。目前针对河流生态的研究表明，鱼类及其他水生生物所需的栖息地特征是不可能仅通过维持河流最小流量得以实现的。具有一定变化范围的流量是冲刷和养护砾石河床、从泛洪平原向河道内输递营养物质、为岸边湿地提供通道等的重要动力。另外，仅仅将注意力集中在一种或几种物种的需水量特征方面，未能考虑到某些有益于整个生态系统的外在因素可能对某些物种的生存繁衍具有负面影响，而有益于某一物种生存繁衍的外在因素又可能制约着整个生态系统功能的发挥。对自然变化系统的长期研究表明，有些物种在丰水年表现出旺盛的生命力，也有些物种在枯水年更加活跃;同时，生态系统整体的生物多样性和生态系统功能的正常发挥正是得益于生物种群在数量上的交替性变化。因此，从整体上审视河流生态系统，着眼于恢复生态过程和生物丰富度的自然变化特征是河流生态系统管理与修复的重要环节。河流需要具备自然流量状态才能维持河流生态系统的完整性及生物的多样性，此自然流量状态需包括年际间及年内完全的自然变化，河流的自然流量变化包括下列五种重要的特性，即量、延时、频率、时间及变化率，此观念即称为变异范围法（Range of Variability Approach,RVA）。为量化为河川流量受水利设施影响的改变度，Richter等（1997）利用水文改变指标（Indicator of Hydrologic Altertion,IHA）的32个水文参数评估流量特性受水利工程影响之改变程度。RvA(Rnage、arribaliiytApProahc)法以保护河流生态系统生物多样性和发挥河流自然生态功能为目标，对河流进行管理，将河流水文条件的变化特征与河流生态系统完整性相结合，全面分析了与河流生态健康紧密相关的河流情势的统计特征，并最终设定初步的为保护河流生态的河流管理目标。将自然状况下的河流情势转化为河流的管理目标，是由于河流的径流特征在评价河流生态系统完整性随时间发生变化的过程中起到了有效而准确的指示器作用。主要表现在:)l河流生态系统中很多非生物因素是随着河流径流特征的变化而变化的，如溶解氧浓度、水温、不同尺寸固体悬浮物的分布、以及河床的稳定性等。2)在大尺度下，河道及泛洪平原的地貌形态是受河道流量的变化驱动的，尤其是较大流量的影响。3)相对于仅有较短时间系列的生态资料而言，具有较长时间系列的流量资料能够更好的反映人类对河流生态系统的影响。RVA法不同于其他水文学方法，它主要通过水文特征值的量值、频率、历时、发生时间以及变化率五个方面对河流径流特征进行分析。RVA法需将具有相当长度的时间序列划分为人类干扰前和人类干扰后两个阶段，分析水文变量的以上5个表现特征在人类干扰前后的变化特征。因此，具有较长时间序列的水文变量是RVA法的应用前提，这是为了更加准确的反映河流在人类干扰前后的水文变量的分布特性。3.1.2指数选取选用最能反映河流生态系统生物多样性和发挥河流自然生态功能为目标的水文变化指数(IHA, Indicators of Hydrologic Alteration)，通过RVA(Range Variability Approach)法分析人类干扰前后水文变量的分布特性，为河流生态管理提供依据。水文变化指数的选取, 分为流量大小幅度、时间、频率、持续期和变动率等具有生态意义的五大类(见下表)。表3-1 水文变化指数表IHA指标水文参数（32个）对生态系统的影响月平均水量变化各月平均流量水生生物气息可能性水滨植物供水可得性水资源的可获性野生生物饮水易获性影响水温与溶解氧年均极值变化年均1日、3日、7日、30日、90日最小/最大流量生物体竞争与忍耐的平衡创造植物散布的条件年最小7日流量/年均值流量河渠地形塑造与栖息地物理条件培养植物土壤含水紧张野生生物脱水水紧张持续期植物群落分布极端水文现象出现时间年最大流量出现日期对生物体压力的预测与规避年最小流量出现日期迁徙鱼产卵信号脉冲流量的频率与历时年出现高流量脉冲事件的次数对植物产生土壤湿度压迫的频率年出现低流量脉冲事件的次数对植物产生厌氧压迫的频率和历时年高流量脉冲事件历时洪泛平原作为生物栖息地的有效性年低流量脉冲事件历时营养及有机物在河道和洪泛平原间的交换流量变化的出现频率与变化率日流量平均增长率对植物产生的干旱压力日流量平均降低率营养物质在洪泛平原的截留流量过程转折点的数量此32 个 IHA 对河川水域生态环境的影响各不相同，例如极端流量如洪水对河相的变化及栖地的形成有极大的影响，河道与洪水平原间营养源的交换则有赖高低流量的变化频率及延时，水域生物的生命周期与年极端流量发生的日期有密切的关系等。3.1.3 RVA法评估水文指数改变度RVA 需先以详细的流量纪录来评估未受水利设施影响前之河川流量自然变化状态，Richter 等(1996)建议以日流量纪录为基础，以未受水利设施影响前之流量自然变化状态为基准，评估受水利设施影响后之流量纪录，以了解受影响的改变程度。而认定水文改变指标受影响的标准需以生态方面受影响的数据为依据，但若缺乏此方面的资料，Richter 等(1997)建议以各指标之平均值加减标准偏差、或各指标发生机率75%及25%之值(Richter 等，1998)作为各个指标之上下限，称为RVA 标的(RVA targets)。水利设施兴建后受影响流量纪录之IHA 若落在RVA 标的内的频率与水利设施兴建前的频率一样，则表示水利设施兴建及营运对河川的影响轻微，仍然保有自然的流量变化范围，但若受影响之流量纪录落于RVA 标的内的频率远大于或远小于水利设施兴建前的频率，则表示水利设施已经改变了原有河川的流量变化特性，此一改变将进一步对河川水域生态系统有严重的负面影响。RVA 的评估步骤可分为下列四个步骤：1. 以水利设施兴建前未受干扰的日流量纪录计算32 个IHA 的年变化情形；2. 依据步骤1.所得未受水利设施兴建或营运影响的结果订定各个IHA 的RVA 标的，本文将以各个IHA 发生机率75 %及25 %之值作为评估标的；3. 搜集或以仿真模式演算水利设施兴建后的日流量纪录之32 个IHA 的年变化情况；4. 以步骤2.所得之32 个IHA 的RVA 标的评估步骤3.所得水利设施兴建后的情况，即可了解水利设施的兴建与营运对河川水文特性之影响程度。为量化IHA 受水利设施影响之改变程度，Richter 等(1998)建议以水文改变度(degreeof hydrologic alteration)来评估，其定义如下： （3-1）其中Di为第i 个IHA 之水文改变度；N oi 为第i 个IHA 之观测年数，指水利设施兴建后IHA 仍落于RVA 标的内之年数；Ne为预期年数，指水利设施兴建后IHA 预期落于RVA标的内之年数，可以r NT 来评估，r 为水利设施兴建前之IHA 落于RVA 标的内之比例，若以各IHA 之75 %及25 %作为RVA 标的，则r = 50 %，而NT 为水利设施兴建后受影响流量纪录之总年数。Richter 等(1998)进一步建议若上式Di 值介于0-33 %间属于无或低度改变(little or noalteration)；33-67 %间属于中度改变(moderate alteration)；67-100 %则属于高度改变(highalteration)。由此量化的数值很容易判断表* 所列32 个IHA 受水利设施兴建与营运影响的程度。整体水文改变之评估：上述32 个IHA 可能会有不同的水文改变度，即有不同个数之IHA 分别属于高度、中度或低度改变，亦即不同的IHA 对水利设施的反应并不一致，因此整合32 个IHA 的水文改变情形以一整体水文改变状况来代表是一种简化且易于表示水利设施对水域环境影响的方式，Shiau 及Wu(2004b)曾建议以下列方式进行整体评估：1. 当32 个IHA 均为低度改变时则归类为整体低度改变(overall low alteration)；2. 当至少有1 个IHA 属于中度改变，但无任何IHA 属于高度改变时，则归类为整体中度改变(overall moderate alteration)；3. 当至少有1 个IHA 属于高度改变时，则归类为整体高度改变(overall high alteration)。以此方法作为整体评估水利设施对河川水域生态环境的影响，不仅计算甚为简单且立即可看出是否有IHA 属于中度或高度改变。但缺乏一代表整体改变的量化数值仍有以下的缺点，例如无法比较同属于整体低度、中度、或高度改变的二种不同情况的差异性，另亦无法使用优选模式以寻求最佳解，因此需要建立一整体量化的评估系统。整体水文改变度：Richter 等(1998)曾以32 个IHA 的水文改变度之平均值来评估河川水域环境的整体改变情形，以此方法作为整体评估方式会因取平均值而看不出是否有任何IHA 属于中、高度水文改变，即少数属于高度或中度改变之IHA 会因其它多数属于低度改变之IHA具有较低之水文改变度而得到较低的整体平均值。萧及吴(2004)与Shiau 及Wu(2005a)建议配合前述三种整体水文改变情形以权重平均的方式来量化评估整体的水文特性改变情况，称为整体水文改变度(overall degree of hydrologic alteration)，以Do 来表示，此法仍分为三种情况：1. 第一种情况为整体低度改变，即32 个IHA 都属于低度改变，亦即Di 值均小于33%，则整体水文改变度，取32 个IHA 的Di 值之平均值，如下式所示： （3-2）上式的Do值将会低于33%。2. 第二种情况为整体中度改变，即32 个IHA 中至少有一个IHA 属于中度改变，而没有任何IHA 属于高度改变，则采取下列的权重平均方式来计算： （3-3）其中Nm为属于中度改变的IHA