一种用于确定干旱和半干旱地区人为河流环境流量的生态水文学方法

《Journal of Hydrology》：An eco-hydrological approach for determining environmental flow in anthropogenic rivers of arid and semi-arid regions

扎扬德鲁德河流环境流量评估表明，生态水力半径方法和栖息地模拟（HEC-RAS）能提供更可靠的流量估算（约37%年均自然流量），显著高于修改后的腾南特方法和湿周方法，且通过引入失败指数和损害严重性指数验证了其生态适用性。研究强调需结合水自然化处理和综合方法提升管理效能，尤其在高干旱区。

　　### 中文解读：水文与生态需求的协调

#### 引言：河流的生态重要性与人类活动的影响

河流在维持流域生态平衡中扮演着至关重要的角色，它们不仅是水循环的关键组成部分，也是生态系统中的生命线。然而，随着人类活动的加剧，包括上游的工程建设、跨流域引水以及大量取水，河流的自然流动模式受到了严重干扰。这些干预措施导致了下游水生生态系统的退化，加剧了生态压力。特别是在干旱和半干旱地区，如伊朗的扎因达鲁德河，河流的生态功能正面临前所未有的挑战。因此，有必要对河流的环境流量进行科学评估，以确保生态系统的可持续性。

环境流量（Environmental Flow, EF）评估是实现这一目标的核心工具。目前，全球范围内已发展出多种方法，从基于水文数据的简单分析到复杂的模型模拟。这些方法通常分为四类：水文指数法、水力评级法、栖息地模拟法以及综合方法。每种方法都有其独特的优势和局限性，其选择通常取决于研究目标和数据的可用性。然而，随着流域开发的加剧，许多传统方法在实际应用中暴露出不足，例如无法准确反映生态需求，或者低估了水流量的生态要求。

在扎因达鲁德河的案例中，上游的人类活动显著改变了河流的自然流量模式。这种改变不仅影响了河流的水文特征，还对下游的生态系统产生了深远的影响。因此，本研究采用了多种环境流量评估方法，并结合“流量自然化”技术，以重建河流的自然流量模式，从而提高评估的准确性。

#### 方法：流量自然化与环境流量评估

流量自然化是一种关键的预处理步骤，旨在去除上游工程和人类活动对观测数据的影响，从而恢复河流的自然流量模式。在扎因达鲁德河流域，流量自然化过程包括两个主要步骤：首先，通过双质量曲线分析消除水库对流量的影响；其次，通过比较降水和流量的趋势，调整流量趋势以更接近自然状态。这一过程确保了后续环境流量评估所使用的数据更加真实地反映了河流的自然流量条件。

环境流量评估方法主要包括水文指数法、水力评级法、栖息地模拟法以及生态水力半径法。水文指数法通常使用历史数据来确定流量阈值，而水力评级法则基于水力参数如水深、流速和湿周等。栖息地模拟法通过结合水文和水力数据，分析河流对特定物种的栖息地需求，从而估算所需的最小环境流量。生态水力半径法则考虑了鱼类的生态流速需求，以确保其生存和繁殖的条件。

在本研究中，四种方法被用于估算扎因达鲁德河的环境流量。这些方法包括：改进的泰纳特方法、湿周法、生态水力半径法以及基于HEC-RAS的栖息地模拟。其中，改进的泰纳特方法通过考虑每月平均流量来调整环境流量的估算，而湿周法则通过两种算法（斜率法和最大曲率法）来确定流量曲线的转折点。生态水力半径法则基于鱼类的生态流速需求，结合水力半径计算，从而估算所需的环境流量。

为了评估这些方法的适用性，本研究引入了两个新的指标：失效指数（Failure Index）和损害严重度指数（Damage Severity Index）。失效指数衡量了流量不足对生态系统功能的威胁程度，而损害严重度指数则反映了流量不足对生态系统的潜在破坏程度。这些指标为环境流量评估提供了更加系统化的分析框架。

#### 研究区域：扎因达鲁德河流域的生态挑战

扎因达鲁德河是伊朗中部的一条重要河流，其流域面积约为41,500平方公里，河流全长约400公里，从源头流经Gavkhouni湿地。研究区域涵盖了从扎因达鲁德坝到Gavkhouni湿地的约354.9公里的河段。在这条河流上，有三个水文站：Sad-E-Tanzimi、Lenj和Varzaneh，分别位于上游、中游和下游。

扎因达鲁德河流域的水资源供需关系非常紧张。根据研究数据，该流域的可再生水资源约为19亿立方米/年，但农业、工业和居民用水需求分别为25.64亿、1.8亿和4.88亿立方米/年，远远超过了可再生水资源的供应能力。这种供需失衡导致河流从原本的全年径流变为季节性河流，特别是在下游的Gavkhouni湿地，河流大部分时间处于干涸状态，仅在特定时期释放少量水流以缓解社会和环境压力。

#### 结果：不同方法的环境流量估算

通过应用四种环境流量评估方法，研究团队得出了不同的估算结果。其中，生态水力半径法提供了最可靠的环境流量估算，特别是在考虑物种特定流速需求的情况下。与栖息地模拟法相比，生态水力半径法在估算过程中考虑了鱼类的生态需求，使得结果更加符合实际的生态条件。

改进的泰纳特方法虽然计算简便，但其基于全年平均流量的估算方式无法准确反映季节性变化。例如，在低流量月份，改进的泰纳特方法估算的环境流量与实际需求存在差距，特别是在鱼类繁殖季节。湿周法的估算结果则因方法不同而存在较大差异，其中最大曲率法估算的环境流量显著低于实际需求，而斜率法的估算结果与改进的泰纳特方法更为接近。

栖息地模拟法（基于HEC-RAS模型）在估算过程中考虑了水深和流速对鱼类栖息地的影响，其结果与生态水力半径法高度一致。研究团队发现，使用栖息地模拟法和生态水力半径法估算的环境流量显著高于改进的泰纳特方法和湿周法，这表明这两种方法在生态上更具说服力。然而，由于它们需要更多的数据和更高的计算成本，因此在实际应用中可能面临一定的挑战。

#### 讨论：环境流量评估方法的优劣与未来方向

研究结果表明，传统的水文和水力方法在估算环境流量时往往低估了生态需求。这主要是因为这些方法依赖于受人类活动影响的观测数据，而未能充分考虑生态系统的复杂性。相比之下，基于栖息地的模拟方法和生态水力半径法提供了更加精确和生态友好的估算结果。然而，这些方法的实施需要更多的数据支持和较高的计算成本，因此在实际应用中可能需要进一步优化。

此外，研究还引入了失效指数和损害严重度指数，以系统评估不同方法对生态系统的影响。失效指数衡量了流量不足对生态系统的威胁程度，而损害严重度指数则反映了流量不足对生态系统的潜在破坏。这些指标为环境流量评估提供了更全面的分析框架，有助于识别方法的不足之处，并量化其对生态系统的潜在影响。

在实际应用中，建议采用改进的泰纳特方法作为初步估算，同时结合栖息地模拟和生态水力半径法，以确保生态系统的可持续性。改进的泰纳特方法虽然计算简便，但其估算结果无法完全满足生态需求，特别是在鱼类繁殖季节。因此，建议在高流量时期采用40%的年平均流量作为环境流量的最低标准，在低流量时期采用20%的年平均流量。

#### 结论：平衡生态需求与实际应用

本研究的主要目标是通过恢复扎因达鲁德河的自然流量模式，改善其生态条件。通过应用多种环境流量评估方法，研究团队发现，改进的泰纳特方法和湿周法的估算结果较为接近，但生态水力半径法和栖息地模拟法提供了更可靠的估算，特别是在考虑生态需求的情况下。然而，由于这些方法需要更多的数据和更高的计算成本，它们在实际应用中可能面临一定的挑战。

未来的研究应进一步探讨环境流量评估方法的不确定性，以及如何在实际操作中优化这些方法的实施。此外，法律和执行层面的措施对于确保环境流量的释放至关重要。目前，伊朗的水资源管理缺乏系统性和流域层面的协调，这可能导致环境流量的分配无法满足生态需求。因此，建议在水资源管理政策中加强法律保障，确保环境流量的合理分配。

本研究为干旱和半干旱地区的环境流量评估提供了新的思路，即通过流量自然化技术提高评估的准确性，并结合生态水力半径法和栖息地模拟法，确保生态需求得到满足。这些方法不仅有助于恢复河流的自然流量模式，还能够为未来的水资源管理提供科学依据。通过这一研究，可以更好地理解如何在复杂的水文和生态条件下实现环境流量的合理分配，从而保障生态系统的可持续性。