《Ecological Indicators》：How to design measurable ecological flow in tidal river network?
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摘要译文：本研究开发了一个实用且可监测的生态流量确定框架，以解决传统静态流量标准在潮汐河网往复流-潮相互作用下无法量化可操作性生态流量的关键局限性。可测量生态流量被定义为稳定潮汐窗口内的稳定下游 discharge，能够在无平均失真情况下支持直接现场监测，并提
摘要译文：本研究开发了一个实用且可监测的生态流量确定框架，以解决传统静态流量标准在潮汐河网往复流-潮相互作用下无法量化可操作性生态流量的关键局限性。可测量生态流量被定义为稳定潮汐窗口内的稳定下游 discharge，能够在无平均失真情况下支持直接现场监测，并提出将其作为三角洲水道的针对性监管指标。研究选取位于粤港澳大湾区的珠江三角洲（PRD）——全球典型的复杂潮汐河网——作为研究区域。研究人员构建了一个一维与二维耦合水动力模型，利用50年（1970-2019年）上游径流序列和近海潮汐边界数据重建了高时间分辨率的潮汐日流量过程，模型验证的纳什效率系数（NSE）在流量方面达到0.86-0.91，水位方面达到0.85-0.93。研究采用改进的相位感知动态时间规整（PDTW）算法与层次聚类分析（HCA）相结合，基于由潮汐相位持续时间和平均流量导出的断面特定相位权重，对全河段潮汐流态进行分类。进一步采用两级有限差分法，通过提取潮汐极值周围流量二阶曲率的局部极小值来识别稳定可测量窗口。结合90%设计保证率下的多年水文频率分析，量化了各河段的可监测生态流量阈值。结果表明，珠江三角洲潮汐日流量模式呈现显著的空间分异，可归为四种代表性类型（I-IV）。I型上游河道保持近乎单向的稳定流，而IV型河口河段呈现极端潮汐不对称性；中游河网的II型和III型河道在主要落潮拖曳效应驱动下表现出可测量生态流量的显著下游跃升。主要落潮相位包含持续6-8小时的连续稳定正向流窗口，被确认为生态流量测量与评估的最优时段。除极端枯水入流导致的大潮-小潮强波动外，大多数干流控制站的年生态流量保证率超过90%。本研究建立了一种针对潮汐水动力特征的新型多尺度框架，消除了传统生态流量标准不可测量的缺陷。所提出的可测量窗口方法增强了原位水生态调控的可操作性，并为其他受人类干扰的潮汐三角洲提供了可转移的技术参考。
论文解读文章
**一、研究背景与问题提出**
河流生态系统是经济社会发展的基础支撑，也是生态系统的重要组成部分。随着人类活动加剧，河流自然结构遭到改变，生态流量概念应运而生。生态流量的最初提出源于维持鱼类繁殖的最小河流流量需求，其核心目标在于维持河流生态平衡、促进水循环健康、保护生物多样性，并为水力发电提供支持。然而，传统生态流量管理通常基于固定规章和规则，缺乏对河流生态系统动态特性的考量，往往导致管理效果不佳，甚至可能损害河流生态健康。
对于一般的单向河流，生态流量通常基于特定百分位流量（如Q90）来描述，这一指标对应于枯水期生态系统的脆弱状态，因而被广泛采用。然而，潮汐河网地区由于上游径流减弱和潮汐顶托作用，潮汐边界向上游移动，导致河流污染物振荡或盐水上溯等生态与环境风险。传统面向常年单向河流制定的生态流量标准与行业指南，难以适应潮汐河网独特的水动力特征，造成潮汐区域生态流量管理指标无法量化、无法监测、无法执行的问题。这种通用化标准体系无法有效指导潮汐河网区域的生态流量调控实践和水生态保护工作。
珠江三角洲（PRD）位于粤港澳大湾区，是世界上最复杂的潮汐河网之一。该地区的潮汐涨落显著影响水位、流量过程以及盐度和泥沙分布。以往研究多聚焦于特定物种的生态风险、碳储量、水生态系统服务供需以及污染物丰度等方面，而关于该河网生态流量的确定，通常粗略地依据上游水文平衡方法或非机理性模型估算，在径流-潮汐相互作用下的往复流过程中无法被有效测量和管理。因此，如何将潮汐效应纳入潮汐河网生态流量制定，成为亟待解决的关键问题。
**二、研究目标与总体框架**
本研究以珠江三角洲河网为典型研究区域，旨在建立一种适用于复杂潮汐河网水动力特征的多尺度生态流量确定框架，以解决传统生态流量标准在潮汐区域不可测量的缺陷。研究提出的框架称为“上游径流与河口潮汐协同驱动-河网流量过程空间格局-潮汐日内可测量生态流量”，由三个模块组成：（1）水动力模拟模块，通过构建河网与河口邻近海域的一维和二维耦合水动力模型，模拟枯水期（最枯月）河网的短期水动力过程；（2）流量过程时空分类模块，考虑多个潮汐周期的日流量过程平均值，采用改进的相位感知动态时间规整（PDTW）与层次聚类分析（HCA）方法，对潮汐日流量过程进行空间分类；（3）生态流量确定模块，基于典型半日不规则潮汐具有两涨两落特征，设置四个相位并引入两级有限差分法测量流量过程的局部变化，从而确定可测量时间与生态流量阈值。
**三、主要技术方法**
研究人员采用的主要关键技术方法包括：（1）构建珠江三角洲河网与近海海域的一维-二维耦合水动力模型，其中一维模型覆盖河网3561个实测断面，二维模型采用全三角形非结构化网格共26122个单元，以外海约-110米等深线为开边界，上游以高要、石角、博罗三个控制站1970-2019年逐时径流序列为输入，外海潮位来自DTU10全球潮汐模型；（2）基于最大连续7个潮汐日的周期归一化方法表征典型潮汐日过程，依据水位极值点划分四个相位（小涨、小落、大涨、大落）；（3）改进的相位感知动态时间规整（PDTW）算法，在传统DTW距离基础上引入极值时间差和极值峰度差作为惩罚项，并按相位持续时间与平均流量的归一化乘积确定各相位权重；（4）层次聚类分析（HCA）采用最大距离法对全河段流量过程相似性进行空间分类；（5）两级有限差分法提取二阶流量曲率的局部极小值以识别稳定可测量窗口；（6）多年水文频率分析确定90%设计保证率下的生态流量阈值。
**四、研究结果**
4.1 潮汐日流量过程的空间相似性与分类
基于改进的PDTW和HCA方法，珠江三角洲三个水系（西江、北江、东江）的典型潮汐日流量过程在聚类数k=4时均呈现清晰分异，相似性距离阈值分别为1.32、1.35和1.47。四种类型的流量过程空间格局为：I型上游河道保持近乎单向稳定流，主要位于上游边界附近，断面占比约16.1%；II型位于河网上游段，低潮与高潮间存在差异但大落潮阶段正向流维持较长稳定时段，断面占比约27.5%；III型广泛分布于河网中游，低高潮振幅差异更明显，谷峰两侧流量较为对称，断面占比约46.6%；IV型河口河段低高潮振幅差异最为显著，谷峰两侧流量不对称，断面占比约9.8%。相位权重统计显示，大落潮相位权重最高（均值0.43），大涨潮次之（均值0.31），小涨和小落相位权重较低（均值均为0.13），表明大落潮相位在流量类型分类中起主导作用。
4.2 各类河道日流量过程特征
一阶差分（斜率）分析表明，四个相位的流量变化中，大落潮相位的流量增长趋势较为平缓，二阶差分（曲率）值较小，表明存在典型拐点。基于拐点识别的稳定时段分析显示，大落潮相位的稳定持续时间达到6-8小时，显著长于其他相位，说明大落潮是典型的正向流阶段，极值点两侧存在明显拐点，形成较长时间相对平缓稳定的流量过程，有利于流量测量与评估。因此，选择大落潮相位作为可测量窗口的识别时段和生态流量制定的依据最为合适。
4.3 珠江三角洲典型断面生态流量
沿西江、北江、东江三条水道干流的生态流量呈现明显的空间分异规律。I型上游河段生态流量相对稳定，而进入II型和III型河段后生态流量沿程显著增加，表明大落潮拖曳效应对正向流量的放大作用显著，甚至影响到北江和东江干流。进入河网后，生态流量继续沿程增大，随后因汊道分流而下降。西江水道磨刀门水道马口站生态流量约3524 m3/s，甘竹站约5572 m3/s，灯笼山站约2070 m3/s；北江水道三水站约717 m3/s，三善窖站约1002 m3/s，三沙口站约424 m3/s；东江水道石龙站约1253 m3/s，大盛站约923 m3/s，泗盛围站约438 m3/s。
在多年保证率方面，大多数典型站的年均生态流量保证率超过90%。近50年来，近河口断面的最低保证率也可超过90%，但三角洲上游河网的马口、三水、石龙站最低保证率分别为80%、88%和81%。西江水道干流中游甘竹站的最低保证率仅为69%，表明在珠江流域极端枯水条件下，河网生态流量目标可能无法满足。这一低值可能是多种因素共同作用的结果：该站位于西江干流水道末端，大潮极值确定的相对较高Qe在下游流量重新分配前仍然有效；与其它上游站相比，甘竹站受潮汐影响更强，枯水月内流量过程呈现显著的大小潮周期性，小潮期间较高Qe可能无法始终满足。
**五、讨论与结论**
研究讨论部分指出，传统生态流量标准在潮汐河网区域的非可测量性缺陷是一个关键瓶颈。本研究所提出的可测量窗口方法，通过引入潮汐日内相位划分和局部曲率分析，将生态流量确定从基于长期统计平均的模式转变为基于实际可监测流量过程的模式，显著提高了生态流量调控的可操作性。研究结论部分总结如下：（1）基于改进的PDTW和HCA方法，典型潮汐日流量过程被划分为I、II、III、IV四种类型，很好地表征了其空间格局；（2）在一个潮汐日的四个相位中，大落潮相位的流量变化更为平缓，稳定时间更长，达到6-8小时，是确定可测量窗口和制定生态流量的最适时段；（3）生态流量在I型上游和IV型河口区域相对稳定，在II型和III型上中游断面沿程逐渐增大，II型生态流量相对I型有显著跃升，表明大落潮拖曳效应对II型及下游断面正向流量的放大作用；（4）大多数典型站平均生态流量保证率超过90%，但上游河网部分站点在极端枯水条件下的最低保证率较低。
本研究建立了潮汐日流量态分类与可测量生态流量量化的新框架，验证了大落潮阶段稳定流量区间是可监测生态流量标准的关键，为珠江三角洲水生态治理提供了方法支撑，推动了潮汐系统生态流量研究的发展，可为类似河流三角洲和河口提供参考。研究仅涉及水文特征，未纳入水质、盐度、栖息地和生物指标。未来研究应整合多维生态指标与可变边界条件（气候变化、海平面上升、河床演变、调水和水库调度），分析可测量窗口的迁移变化，为潮汐河网提供更具适应性和实践导向的生态流量评价方法。
该论文发表在《Ecological Indicators》。
