**基于变区间的河流生态流量动态计算模型**

《Ecological Indicators》：A dynamic calculation model for river ecological flow based on variable intervals

　　

**摘要**

将生态流量表示为具有上、下限的变区间。在水文非平稳条件下开发动态生态流量计算模型。整合生态基流、增量流以及河段尺度水量损失。建立基于保障等级的三级自适应调控机制。提高缺水条件下生态服务需求的可靠性。自20世纪末以来，平衡人类用水与河流生态系统健康已成为全球河流管理面临的基本挑战（Dudgeon et al., 2006）。气候变化和 intensified 人类活动改变了径流情势，导致水质退化、栖息地破碎化，进而降低了生态系统服务并威胁水生生物多样性（Chen et al., 2025a; Zhang et al., 2025c）。在许多地区，过度取水已导致下游河道断流和湿地退化（V?r?smarty et al., 2010）。在这些压力下，可靠的生态流量评估对于维持河流生态系统、支持可持续用水以及促进长期社会经济发展至关重要（Cheng et al., 2024）。然而，日益加剧的水文变异性和径流情势转变给生态流量管理带来了新的挑战，因为生态流量需求不再恒定，而是随水文条件、生态功能和管理目标而变化（Slater et al., 2021）。基于固定阈值或静态流量目标的传统方法可能无法充分捕捉变化环境下河流生态系统的动态特征（Yarnell et al., 2015; Zhang et al., 2025a）。因此，开发考虑水文非平稳性、生态变异性和不断变化的管理目标的生态流量模型已成为一个关键的科学和实践挑战。生态流量的概念已从早期维持水生生存和河流连通性的最小流量条件，演变为考虑生态系统功能、流量变异性和人-河相互作用的更综合的方法（Arthington et al., 2018）。早期研究强调了自然流量情势在维持河流生态系统过程和生物响应中的重要性（Poff et al., 1997）。随后引入了最小生态流量的概念，以定义维持基本河流功能和水生栖息地所需的最小流量（Tennant, 1976）。随着河流生态学的进展，生态流量评估日益认识到河流生态系统不仅依赖于最小流量条件，还依赖于流量情势的幅度、时机、持续时间、频率和变异性（Poff and Zimmerman, 2010）。这一演变促成了更广泛的环境流量概念，该概念将生态过程与人类用水考量相结合（Jiang et al., 2026）。相应地，生态流量评估已逐渐从确定单一的固定最小流量转向在变化水文条件下表征动态的、面向功能的生态需求（Yarnell et al., 2015; Yarnell et al., 2020）。近期研究进一步认识到生态流量需求涉及多种生态功能，而非单一的最小流量值，因此需要能够响应变化环境条件的更灵活的表征方式（Chen et al., 2025b; Wei et al., 2024; Arrighi et al., 2025）。河流不仅需要维持基本生态功能的最小流量，还需要额外的流量来维持变化环境条件下的多样化生态系统服务（Sanz et al., 2025）。传统方法通常难以协调人类用水需求（如工业和农业用水）与多样化生态需求（如鱼类生存、河岸湿地修复）之间的矛盾（Liu et al., 2025）。为解决这一问题，学者们提出了“生态基流”的概念，将其定义为维持基本河流形态和水生栖息地所需的最小流量，从而为水资源配置提供刚性基线（Liu et al., 2022）。相应地，“增量流”被定义为超出生态基流所需的额外流量，以满足特定的生态服务需求，包括河道内和河道外需求（Lin et al., 2026）。因此，生态流量可以表示为生态基流与增量流之和。这一概念框架将基本的生态维持需求与生态服务需求区分开来，为根据生态功能、水文条件和管理优先级，将生态流量需求表示为受上下限约束的变区间提供了基础。然而，现有公式主要侧重于定义生态需求分量，而水文变异性、河段尺度水量损失和自适应调控的整合对于动态生态流量管理仍显不足（Hu et al., 2026）。全球已开发了200多种生态流量计算方法，大致可分为四类：水文法、水力学法、栖息地法和整体法（Cheng and Li, 2021; Arthington et al., 2018）。这些方法为将流量条件与生态需求联系起来提供了不同视角。然而，由于其表征水文变异性、生态功能和管理需求的能力各异，这些方法在受调控和变化中的河流系统中的适用性也不尽相同。水文法依赖于历史径流记录，因其简单、数据需求低和运行效率高而被广泛使用。代表性方法包括Tennant法（Chen et al., 2025a; Mo et al., 2025）、7Q10法（Zhang et al., 2024）和变异性范围法（RVA）（Prakasam and Saravanan, 2022）。这些方法提供了生态流量需求的实际估算，适用于初步评估和比较分析。然而，它们通常假设历史流量特征仍能代表未来的生态条件，这可能在径流情势因气候变率、水库调节或人类用水而发生结构性转变时降低其适用性（Zhang et al., 2025a）。水力学法，如湿周法（Prakasam et al., 2021）和R2-CROSS法（Zhang et al., 2021），建立了流量需求与河道水力条件之间的关系。然而，这些方法主要表征特定断面的水力响应，可能无法充分代表更广泛的生态功能或变化的管理目标。栖息地法，包括河流内流量增量法（IFIM）以及RCHARC和PHABSIM等物理栖息地模拟方法（Li et al., 2024; Stucchi et al., 2024），进一步结合流量-栖息地关系以改进生态解释。这些方法通过将流量条件与水力特性、栖息地适宜性和生态响应联系起来，提供了更强的机理性解释。然而，其应用通常需要详细的水力、生物和栖息地信息，限制了其在大型河流系统或数据缺乏地区的可转移性。此外，它们通常侧重于特定的生态响应，可能无法充分代表空间异质性河流段落的多种生态服务需求（Zhang et al., 2026）。整体法，如构建模块法（BBM）（Kim et al., 2024）和流量转变下游响应法（DRIFT）（King et al., 2014），在流域尺度上整合了多种生态和管理目标。尽管这些方法提供了生态系统需求的综合评估，但其高数据需求、实施复杂性和成本可能制约其业务化应用，特别是当生态流量目标需要在变化的水资源可利用性下动态调整时。总体而言，生态流量研究已从固定的最小流量估算逐步转向更全面的生态评估。尽管取得了这些方法上的进展，但在将生态流量评估应用于非平稳河流系统（其中水文条件、生态功能和管理目标同时变化）时，仍存在三大挑战。首先，水文非平稳性在生态流量评估中仍未得到充分解决。气候变化、水库调节、取水和土地利用变化可导致径流时间序列的结构性转变，但水文转变并非总能被检测到或纳入生态流量计算（Ren et al., 2025; Zhang et al., 2025a）。因此，仅基于历史流量特征的生态流量估算可能无法反映改变后的水文情势。其次，现有的生态流量表征方式往往缺乏灵活性，无法捕捉特定功能和季节依赖的生态流量需求。即使考虑了水文条件，生态流量需求也常被表示为固定值或预定范围，限制了其捕捉季节性变异和特定功能生态需求的能力，特别是在生态敏感期（Zhang et al., 2026）。这凸显了对能够动态适应变化的水文和生态条件的生态流量表征方式的需求。第三，缺乏将生态服务需求、河段尺度水量损失和自适应调控联系起来的综合评估与调控方法。已有研究探讨了变化水资源可利用性下的生态流量可靠性和适应性管理；然而，很少有方法能在统一的评估与调控模型中同时整合增量流、河道内外生态服务需求、河段尺度水量损失和基于保障等级的自适应调控（Lin et al., 2026; Hu et al., 2026）。因此，需要一个将水文变异性、生态服务优先级和自适应调控联系起来，以在变化环境条件下进行有效生态流量管理的综合模型。基于上述未解决的挑战，本研究旨在实现以下三个研究目标：（1）识别水文转变并将其纳入生态流量评估；（2）开发整合生态基流、面向服务的增量流和河段尺度水量损失的变区间表征方法；（3）建立考虑水文条件和生态优先级的基于保障等级的自适应调控策略。本研究将生态流量表示为变区间，并为渭河陕西段干流开发了综合的生态流量计算与自适应调控模型。所提出的模型通过将水文变异性、生态服务需求、河段尺度水量损失和自适应调控整合到统一框架中，解决了上述三个挑战。据此，本研究有三项主要贡献。第一，该模型将水文转变纳入生态流量评估，使得生态流量的需求能够在变化的径流情势而非水文平稳性假设下进行评估。第二，该模型通过整合生态基流、面向服务的增量流和河段尺度水量损失，开发了变生态流量区间表征方法，从而将生态流量需求表示为受上下限约束的变区间而非固定值。第三，该模型建立了基于保障等级的自适应调控策略，将生态流量目标与不同水资源可利用性情景下的水文可靠性和生态优先级联系起来。总之，这些贡献为在受调控和缺水河流系统中联系水文变异性、生态服务优先级和管理目标提供了一种自适应方法。本文其余部分安排如下：第2节介绍基本概念和总体框架；第3节介绍计算与自适应调控模型；第4节介绍渭河陕西段干流的研究区域、数据来源和应用结果；第5节讨论主要发现并给出结论。

**基于变区间的河流生态流量动态计算模型研究解读**

**一、研究背景与科学问题**

自20世纪末以来，平衡人类用水与河流生态系统健康已成为全球河流管理面临的基本挑战。气候变化与 intensified 人类活动改变了径流情势，导致水质退化、栖息地破碎化，进而降低生态系统服务并威胁水生生物多样性。在许多地区，过度取水已造成下游河道断流和湿地退化。在此背景下，可靠的生态流量评估对于维持河流生态系统、支持可持续用水及促进长期社会经济发展至关重要。然而，日益加剧的水文变异性和径流情势转变，使生态流量需求不再恒定，而是随水文条件、生态功能和管理目标而变化。基于固定阈值或静态流量目标的传统方法难以捕捉变化环境下河流生态系统的动态特征，主要存在三大挑战：一是水文非平稳性在生态流量评估中未得到充分解决，气候变率、水库调节和人类用水等引起的径流结构性转变常被忽视；二是现有生态流量表征缺乏灵活性，难以反映特定功能和季节依赖的生态需求；三是缺乏将生态服务需求、河段尺度水量损失与自适应调控整合的统一评估框架。为此，研究人员以渭河陕西段干流为研究区，旨在识别水文转变并将其纳入评估，开发整合生态基流、面向服务的增量流及河段尺度水量损失的变区间表征方法，并建立基于保障等级的自适应调控策略。

**二、研究内容与主要结论**

研究人员开发了变生态流量区间计算与自适应调控模型，将生态流量表示为具有下、上限的变区间。在渭河陕西段干流选取林家村、魏家堡、咸阳、临潼和华县五个水文站作为代表断面，基于1956—2018年水文、泥沙及生态环境分区数据开展应用研究。通过Mann-Kendall趋势检验、Pettitt检验、有序聚类分析和滑动t检验四种方法综合检测水文突变点，将径流序列划分为相对均匀的水文子序列，识别出1993年（华县为1990年）的流域尺度径流情势转变，并据此将序列分段。采用13种水文学方法估算各子序列的生态基流，通过子序列加权归一化获得综合生态基流，进而构建变生态基流区间。结果表明：生态基流区间呈现明显的空间和季节性差异，上游区间较窄，下游区间显著更宽，汛期限值普遍高于非汛期。变增量流区间方面，河道内生态服务目标包括鱼类生存、水生景观维持、泥沙输移和环境保护，河道外目标包括河岸湿地修复、滨水绿地维护和生态林草支撑。上游断面以环境保护需求为主导（贡献年上限增量流的64.6%—78.6%），下游断面以泥沙输移需求为主导（贡献超过98%），体现了不同河段生态功能和管理目标的差异。河段尺度水量损失计算发现，林家村渗漏量最高（4.00 m3/s），下游河段水面蒸发约为上游的2.4倍，反映了河道形态对有效生态流量可用性的影响。通过整合上述三部分，构建了变生态流量区间。上游生态流量上限主要受环境保护需求驱动，下限主要由生态基流支撑；下游生态流量区间显著增大，泥沙输移需求主导上限。保障等级评估显示，在中等干旱年份，生态流量下限的保障等级普遍较高，而上限保障等级呈现明显季节性变化；在极端干旱年份，上游生态流量上限的保障等级下降至12.5%—62.5%，下游华县断面汛期上部保障等级趋近于零。自适应调控分析表明，将生态基流下限作为刚性生态边界，将可用增量水按优先级分配，可提高高优先级生态服务需求的保障等级；但在极端干旱和下游高泥沙输移需求河段，调控效果受到明显制约。

**三、主要技术方法**

研究人员采用了以下关键技术方法：（1）水文突变点综合检测法，集成Mann-Kendall趋势检验、Pettitt检验、有序聚类分析和滑动t检验四种方法，通过综合加权确定最终突变点，划分水文子序列；（2）多方法子序列加权集成法，采用13种水文学方法估算各子序列生态基流，根据径流趋势（递增或递减）设计归一化权重方案，加权平均获得综合生态基流；（3）生态需水定量计算方法，包括基于栖息地适宜性曲线的鱼类生存需水、基于换水周期的水生景观需水、考虑输沙效率的泥沙输移需水、基于P-III型频率分布的环境保护需水，以及基于生态用水定额的河道外需水计算；（4）河段水量损失估算方法，采用达西定律计算非汛期河道渗漏，采用水量平衡法估算水面蒸发；（5）基于流量历时曲线的保障等级评估方法和基于顺序截断满足规则的三级自适应调控机制。

**四、研究结果**

**变生态基流区间。** 通过水文突变点检测与子序列划分，识别出径流情势的显著转变。综合生态基流估算显示，早期子序列的基流估算普遍高于后期子序列，与近年来径流衰减趋势一致。变生态基流区间呈现明显空间和季节差异：林家村年上/下限为13.54/3.92 m3/s，华县为58.03/14.91 m3/s；汛期限值约为非汛期的2倍。Pearson相关分析表明，区间上下限与天然径流呈强正相关（R=0.943—0.996），说明变区间能有效响应径流变化。

**变增量流区间。** 上游断面环境保护需求主导增量流上限，贡献率达64.6%—78.6%；下游断面泥沙输移需求贡献超过98%的上限增量流。增量流下限全年为零，上限呈现“低—稳—峰”的季节模式，上游峰值出现在9月，下游峰值出现在7月。林家村5—6月需额外16.00 m3/s的产卵脉冲流量。

**河段尺度水量损失。** 非汛期河道渗漏和林家村最高（4.00 m3/s），咸阳无渗漏；水面蒸发呈季节性变化，7月最大，下游约为上游的2.4倍。

**变生态流量区间。** 上游断面生态流量上限主要由环境保护需求贡献（64.6%—88.5%），下限主要来自生态基流（>99.8%）。下游断面（临潼、华县）生态流量显著增大，年上限分别达240.94和191.46 m3/s，泥沙输移需求贡献超过98%的上限。

**保障等级评估与自适应调控。** 中等干旱条件下，生态流量下限保障等级接近100%，上限呈现非汛期高于汛期的季节特征。极端干旱条件下，上限保障等级显著下降，下游汛期保障等级趋近于零。自适应调控将鱼类生存需求保障等级从12.5%提升至87.5%（林家村非汛期），但严重干旱期和下游高需求河段的改善效果有限。

**五、讨论与结论**

讨论部分指出：变区间表征将基本的生态维持需求与生态服务需求分离，为水文非平稳条件下的生态流量评估提供了灵活基础；上下游主导生态过程的差异（上游环境保护主导 vs. 下游泥沙输移主导）表明生态流量确定应考虑河段特定生态功能；将河段尺度水量损失纳入评估，弥合了控制断面流量需求与实际河道有效水量之间的差距；基于保障等级的自适应调控将生态流量目标与水文可靠性联系，为受调控和缺水流域的生态保护与水资源配置协调提供了决策支持框架。模型应用依赖于长序列水文、生态和河道数据，多方法集成也引入了参数选择的不确定性，未来需加强不确定性量化和长期生物监测验证。

研究结论：（1）在非平稳条件下，生态流量需求无法仅用固定阈值充分表征，所提出的变区间模型整合水文转变、生态基流、增量流和河段尺度水量损失，下限反映维持基本河流功能所需的最小流量，上限代表与更广泛生态服务相关的可调生态流量需求。（2）生态流量区间表现出显著的空间和季节异质性：上中游环境保护需求主导上限，下游泥沙输移需求主导上限，表明生态流量确定应考虑河段特定生态功能和主导生态过程。（3）保障等级评估表明，自适应调控能区分基本的生态维持需求和可调整的生态服务需求，水资源紧缺条件下生态流量下限较上限更容易实现，应优先保障基本生态维持需求，再分配额外流量支持更广泛的生态服务。总体而言，所提出的变生态流量区间模型将水文变异性、生态服务需求和河段尺度水量损失统一到一个灵活框架中，可为受调控或缺水河流系统的生态流量评估与管理提供支持，特别是季节性干旱响应、水库调度和水资源配置等方面。