黄河下游河流最小生态环境需水量初步研究
河流最小生态环境需水量是在特定时间和空间为满足特定的河流系统功能所需的最小临界水量的总称。河流最小生态环境需水量不是一个固定不变的值，而是一个与河流特性、河段位置和时段范围相关的量。河流系统不仅具有输水、输沙、泄洪、自净和航运等功能，而且具有景观和生态功能[1、2]。河流最小生态环境需水量是河流生态环境功能可能受损或遭致死亡的警戒信息，它给出的是一种迫近病态状况的非正常信号，而不是正常情况下河流生态环境功能健康状态的反映。只有在河流水量大于最小生态环境需水量时，才能讨论河流生态环境功能处于何种程度的健康状态。
目前，关于河流最小生态环境需水量的研究尚不充分。在有限的研究成果中，河流水污染防治用水[3-8]临界值可用以水质目标为约束的方法求得，或按照简单的十年最枯月平均流量法估算。前者需要知道上游来流中的污染物浓度、河段内污染物产生量、河段内污染物治理程度、河段内污废水资源化程度、河段内城市污废水产生总量和污染物削减等详细信息，在不易获得准确信息时可以近似采用后一种方法。河流生态用水[8]因河流本身就是其中生物体不能完全脱离的生活环境，所以许多情况下都避开生物体自身需水的问题而直接寻求满足一定数量和质量生物体生存的河流水量，有关的方法如湿周法、R2CROSS法和河道内流量增加法等。在资料短缺的情况下，可以对最小河流生态用水进行规定，如法国规定最小河流生态用水流量不应小于多年平均流量的1/10。河流输沙用水[9]在中国有较多的研究，尤其是围绕黄河进行了很有成效的探索，对含沙量和河流输沙用水之间的关系有了基本的认识，但是对自然和人为影响不断变化的条件下河流输沙目标的选择性研究尚未展开。河口区生态环境用水涉及方面较多，难以从一个方面单独确定。国家水产总局曾在上世纪80年代中期对其河口渔业生态环境需水量进行了估计[10]，认为黄河河口 海域鱼虾生长需要每年4～6月份下泄入海水量60亿m3，枯水年需要在4月份下泄20亿m3，但是这样确定的需水量显然要比最小临界用水量偏大。此外，景观用水近年来也已越来越受到重视，可以根据服务的对象和内容具体确定[8,11]。
由于各类河流生态环境用水之间具有相当程度的重叠，因而解决具体问题时应该进行综合考虑。因此，如何在确定单项河流生态环境用水最小临界值的基础上充分考虑具体河流的特性并且进一步协调诸项用水的关系，已经成为今后研究的重点内容。对于黄河下游最小生态环境需水量的问题，我们将重点讨论河流水污染防治用水、河流生态用水、河流输沙用水、河口区生态环境用水和黄河下游各河段和各时段综合的最小临界水量。
1 方法和原则
河流最小生态环境需水量应该按照一定的原则和步骤确定。根据近期的研究成果[9]，基本原则包括功能性需求原则、分时段考虑原则、分河段考虑原则、主功能优先原则、效率最大化原则、后效最小化原则、多功能协调原则和全河段优化原则，现结合黄河下游河道的具体情况对这些原则的实施分述如下。
1.1 功能性需求原则 明确具体河流的各类主要生态环境功能是计算河流最小生态环境需水量的第一步。对于于黄河下游河段，尽管有许多功能需要 考虑，但是本文只考虑水污染防治功能、生态功能、输沙功能与河口区生态环境功能。
1.2 分时段考虑原则 在不同的时间尺度或在给定时间尺度的不同时段，河流的最小生态环境需水量会因外部条件改变或各项功能主导作用的交替变化而有所不同。因此，在讨论河流最小生态环境需水量时，必须指明时间尺度和一定时间尺度内对应时段，并注意相应时段内各变量的动态变化特征。针对黄河下游河段的河流最小生态环境需水量问题，本文主要考虑50年代以来每隔十年的时间尺度，年内的不同时段则主要包括汛期、非汛期和综合全年各个阶段。
1.3 分河段考虑原则 一条河流的不同河段可能在河道比降、断面形态和河型等方面存在很大的差异，而且河流的各项功能在不同河段对用水量的要求也不尽相同，所以不同河段对应的河流最小生态环境需水量也会有较大差别。黄河下游各河段根据其河道特性可以大致分为三个河段：属于游荡型河流的高村以上河段，本文采用花园口～高村段；属于过渡型河流的高村～艾山河段；属于弯曲型河流的艾山～利津河段。
1.4 主功能优先原则 河流的各项生态环境功能在不同的时段和河段有着不同的优先程度。当各项功能不能同时满足，而某项功能又明显占据主导地位的条件下，可以优先考虑河流的主功能，并且依此来确定相应的最小需水量。对于黄河下游河道，在汛期应该优先满足河流输沙的功能，而在非汛期则应该优先满足河流最小污染防治需水。
1.5 效率最大化原则 对于水资源开发利用强度较大的河流来说，在考虑满足河流各项基本功能最小需水量的同时，还应该注意水资源利用效率的最大化，减少水资源的浪费。这对黄河下游河段的水资源保护尤其重要。
1.6 后效最小化原则 为了避免因河流生态环境用水量确定不当而造成的负面效果，可以根据具体情况进行特殊处理。例如，对于可能产生的河道淤积加重或冲淤部位不利于今后过流和输沙的情况，可以采用不同条件下的“平衡输沙用水”或“均衡输沙用水”来部分地消除负面影响。考虑到黄河下游河道某些河段完全达到平衡输沙的难度，本文针对不同的典型来水来沙状态采用平衡或均衡输沙用水来确定输沙需水量。
1.7 多功能协调原则 黄河下游河流生态环境需水量的确定需要对水污染防治功能、生态功能、输沙功能与河口区生态环境功能进行协调，给出合理和可行的最小需水量方案。具体确定时可以按照不同河段和时段内各项功能的相对重要性加权处理。
1.8 全河段优化原则 在分河段系统研究的基础上，可以进一步对全河段的河流最小生态环境需水量进行综合优化研究，给出黄河下游河流最小生态环境需水量。对此本文暂不考虑。
2 阈值确定
2.1 河流水污染防治需水量 黄河下游的高含沙水流特性、沿途污染物排放的不确定性和黄河断流的特殊性使得目前沿用的常规方法都不能适用。根据1986～1999年实测DO、BOD和COD多年月平均结果与国家水质标准进行的对比(见表1)，黄河下游汛期(7月～10月)各站的水质状况甚至比非汛期还差，说明将国家环境保护标准(GHZB1-1999)中关于地表水环境质量的划分标准用于黄河这样的高含沙河流时需要十分谨慎。
当水质目标确定后，表征水质状况的各项水质指标都已经有规定的标准，所以从河流水污染防治的功能来看，只要自然条件没有发生变化而且污染物排放量保持不变，则各个河段在最不利的来流条件下要求的最小水量虽然有可能受到含沙量大小的影响，但不应该因断流与否发生本质改变。考虑到沿黄河下游的污染物排放量不易监控，因而采用以水质目标为约束的估算方法不会在计算精度上有多少提高，因此可以直接采取10年最枯月平均流量法计算河流最小污染防治需水量。
对黄河下游主要水文站1950～1998年实测月径流量数据按每十年进行统计平均后，可以得到不同年代每十年最枯月平均流量，见表2。
六十年代三门峡水库的初期蓄水使进入以下河段的最枯月水量显著减小，工程影响较大；八十年代以来三门峡以下最枯月水量明显偏小，断流影响不可忽略；尤其是进入九十年代以来断流影响，致使利津～孙口最枯月平均流量为零。鉴于此，采用开始出现轻微断流的七十年代对应最枯月流量计算各河段的河流最小污染防治需水量较为合适。相应地，上述各水文站的最枯月平均流量便为计算河流最小污染防治需水量的依据。
2.2 河流生态需水量 在资料缺乏的条件下，对生产实践较为现实的做法是根据对生物物种和生境的有利程度确定河流生态需水量。值得提出的是，进入70年代以来上游来水的“状态”发生了较大变化。如果说50和60年代代表“自然状态”的话，那么70和80年代则代表人类干预条件下河流的“受控状态”，90年代的来流条件因其更为特殊而被看作一种“复杂状态”。表3给出了黄河下游各站50年以来每十年的平均径流量。
参照法国关于最小河流生态用水流量不应小于多年平均流量的1/10之规定，本文通过对1950～1998年黄河下游各站实测月径流量的统计求得多年平均流量，并据此得到黄河下游各河段河流最小生态需水量分别为花园口130.8m3/s，高村123.1m3/s，艾山122.3m3/s和利津110.8m3/s。这个计算结果介于表4中按照自然状态和受控状态下的河流最小生态需水量之间。为保守起见，可以采用自然状态下的多年平均流量的1/10估算河流最小生态需水量。
2.3 河流输沙需水量 对于黄河下游河段的河流输沙需水量，必须考虑具体问题的特殊性：(1) 黄河下游各河段的河型有所不同，在高村以上的游荡性河段要达到平衡输沙在许多条件下是很难实现的，对此需要在给定状态条件下将目标设定在满足多年平均的“均衡”输沙水平上；(2) 黄河下游河道水流中的含沙量变化较大，会使河流输沙用水量变化幅度较大，而且在一些河段河出现多来多排多淤(或少淤)的规律；(3) 由于上游水库和其他人类活动(如引水或水土保持)的影响，来水来沙状态多变，所以必须在不同的状态下考虑相应的“平衡输沙”或“均衡输沙”。
关于河流输沙需水的讨论，只有在确定的来水来沙状态和输沙目标条件下才有意义。本文主要考虑黄河下游三种代表性的来水来沙状态：(1) 三门峡水库修建以前的河流的“自然状态”，以50年代为代表，多年平均来沙量为17.6亿吨；(2) 三门峡水库正常运行以后的河流的“受控状态”，以70年代为代表，多年平均来沙量为14.0亿吨；(3) 黄河下游断流现象时有发生条件下河流的“复杂状态”，以80年代为代表，多年平均来沙量为8.6亿吨。其中，第一和第二种状态下因来沙量较大且沿河泥沙淤积的不可避免性而将输沙目标设定为“均衡输沙”，第三种状态下因来沙量明显减少沿河泥沙淤积可能减少而将输沙目标近似设定为“平衡输沙”。
当反映某一时间尺度内多年平均的“来沙状态”和各个河段对应的“输沙目标”确定以后，还需明确年内特定时段对应的“挟沙能力”。表5给出了黄河下游各河段在汛期和非汛期的平均含沙量，它应与实现平衡输沙目标所需的挟沙能力相一致。
注意到60年代三门峡水库运行初期造成的异常影响和90年代黄河断流现象加剧造成的输沙功能严重衰退，这两个时期既不宜看作平衡输沙也不能作为均衡输沙状况，因其不具有代表性而不作考虑。在上述分析的基础上，黄河下游各河段的平衡或均衡输沙用水量可以根据1950～1997年的水文泥沙观测资料分汛期和非汛期进行统计分析。各河段的输沙用水量为
考虑到时间序列较长，这里按每十年一组统计并给出相应的均衡输沙用水量和平衡输沙用水量，见表6和表7，三种代表状态的输沙用水量见表8。
可以看出，不同状态和不同目标条件下黄河下游各河段在汛期和非汛期的输沙用水是不同的。花园口以上的输沙水量略低于花园口以下的水量，这一方面可能与中间的伊洛河和沁河入汇有关，另一方面也可能与紧靠三门峡水库下游的河道冲刷有关。选取河型较具代表性的三个河段(花园口～高村，高村～艾山和艾山～利津)来看：在汛期，处于“自然状态”下的黄河下游各河段均衡输沙用水量分别为24.4m3/t，27.6m3/t，32.2m3/t；处于“受控状态”下各河段均衡输沙用水量分别为23.4m3/t，24.6m3/t，25.6m3/t；处于“复杂状态”下的各河段平稳输沙用水量分别为35.9m3/t，39.0m3/t，36.9m3/t。由于70年代以来，黄河下游来水来沙持续减少，为保证其输沙功能并且符合当前状态，这里选取平衡输沙用水量与80年代各河段的输沙量来计算输沙流量。
2.4 河口区生态环境需水量 河口区生态环境需水量的确定十分复杂，而且获取河口区生物与自然环境的系统资料也非常困难，本文对此不做深入探讨。国家水产总局在80年代中期提出的每年4～6月份下泄入海水量60亿m3、枯水年需要在4月份下泄20亿m3的结果虽然偏大，但是可以作为确定黄河河口区生态环境需水量时的一个参考依据。按照这一估计，4月份利津站的平均流量至少应为771.6m3/s。另外，从维持海岸线的进退幅度和沿海滩涂面积的角度来看，河口区生态环境需水还与输沙用水有着密切的关系。研究表明，当来水的水沙比小于0.01t/m3时，沙咀延伸的长度可以停止[12]，即利津站输沙用水量应不大于100m3/t。然而，根据1950～1997年利津站的输沙用水计算结果来看，汛期均能满足这一条件，而非汛期即便在不断流的50年代和60年代也有56%的年份输沙用水大于100m3/t。考虑到海岸线的变化通常是在较长时间内累积的结果，而且至今黄河三角洲多年淤进并不为零[12]，因此可以认为在满足黄河下游河流输沙功能的同时，到达利津以下的沙量基本能够阻止海岸线蚀退。
3 综合最小生态环境需水量
最为理想的情况是上述各项功能需要的最小用水量能够同时满足，在不能做到这一点时则需要按照前面讨论的原则协调。比较而言，各种状态下的平衡(或均衡)输沙需水量通常可达其它功能需水量的若干倍。所以，一方面因黄河水少沙多的特点和输沙功能的重要性应该优先考虑；另一方面，在输沙效率不高时若仍按输沙用水必须满足的要求确定最小生态需水量，则会对黄河水资源的调度造成一定的困难。由于黄河下游多年汛期来沙量占全年的87%，因而应该首先满足汛期输沙功能的最低要求，这样同时也就满足了其它功能的最低要求。在非汛期，高村、艾山、利津三站对应的各种功能所需临界流量也以输沙需水量最大，但因该阶段输沙效率较低，可以优先考虑其它功能的最低需求。黄河下游河流污染防治功能与河流生态功能不可分割且在非汛期的重要程度相当，为协调这两项功能的最低要求，可取两者所需临界流量中较大的一个。河口区生态需水量771.6m3/s作为利津下泄流量远大于其它功能要求的最小临界流量，甚至大于汛期的输沙需水量。另外，考察根据利津站1970年至1997年28年间在4月份实测的流量数据计算得到的月均流量发现只有4年(1970年、1977年、1991年和1994年)大于771.6m3/s。显然，将它作为非汛期最小生态环境临界值不妥。
于汛期来沙量占全年的87%而不是全部，所以优先保证黄河下游汛期输沙并不能绝对保证全年输沙总量的要求。为此，可以进一步考虑在汛期输全年来沙的可能，这样相应的输沙流量和径流量将会增大。汛期实际需要的输沙径流量应该介于输汛期来沙所需水量和输全年来沙所需水量之间。
综合以上分析，可以得到各河段在典型来水来沙状态下的综合生态环境需水量，见表9。
表9中汛期最小流量和径流量栏目中左列数据代表输送汛期来沙所需水量，右列数据代表输送全年来沙所需水量。根据对黄河下游河道输沙的有关研究成果，当汛期泥沙输送效率较高时(对应于汛期输全年沙的情形)，平衡输沙条件下含沙量与流量的比值应该接近0.01，这与本文的计算结果完全一致，从而间接地验证了研究结果的合理性。
应该说明表9中的汛期输沙流量和径流量系按照80年代平均来沙状态算得且对应于平衡输沙目标。若按以50年代为代表的“自然状态”计算，则可得到汛期各站最小流量分别为3117m3/s，3140m3/s，3374m3/s和1859m3/s的结论，但这种状态今后出现的可能性已经很小。若以70年代为代表的“受控状态”考虑，则汛期最小流量分别为2096m3/s，2379m3/s，2053m3/s和1923m3/s。
由以上计算结果可知：进入下游河流的最小生态环境需水量(年径流量)在250亿m3以上，汛期需水量在200亿m3以上，非汛期接近50亿m3。注意到黄河水利委员会于2000年在《黄河重大问题及对策》中关于“汛期输沙水量应该大于150亿m3、非汛期生态用水不低于50亿m3，考虑到黄河下游河道蒸发渗漏损失多年平均约10亿m3，全年应该保证大于黄河下游最低限额需水量210m3”的建议，本文的计算结果与上述要求基本一致，而且对汛期输沙能力要求更高。由于汛期生态环境需水量占全年的主要部分，所以如果要减少生态环境需水量，必须进一步采取有效的调度方式提高汛期输沙效率。
4 结语
将河流生态环境需水量的概念和确定原则应用于黄河下游河道，结合1950年以来的观测资料，给出了黄河下游的综合最小生态环境需水量。(1) 各种状态下的平衡(或均衡)输沙需水量通常可达其它功能最小需水量的若干倍，在汛期若能满足输沙功能的最低要求，便可同时满足其它功能的最低要求。在非汛期，黄河下游河流污染防治功能与河流生态功能重要程度突出应该优先考虑。(2) 在不同状态和不同目标条件下，黄河下游各河段在不同时段的输沙用水量也有所不同。在汛期，对应于“自然状态”的黄河下游花园口、高村、艾山、利津各站均衡输沙用水量分别为21.5m3/t，24.4m3/t，27.6m3/t和32.2m3/t；对应于“受控状态”的各河段均衡输沙用水量分别为16.9m3/t，23.4m3/t，24.6m3/t和25.6m3/t；对应于“复杂状态”的各河段平衡输沙用水量分别为24.6m3/t，35.9m3/t，39.0m3/t和36.9m3/t。(3) 在非汛期，黄河下游花园口、高村、艾山、利津各站的计算最小生态环境需水量分别为231.5m3/s，234.3m3/s，158.0m3/s和155.6m3/s。(4) 综合黄河下游目前的各种状况，进入下游河流的最小生态环境需水量(年径流量)不应低于250亿m3。其中，汛期不应小于200亿m3，非汛期不应小于50亿m3。然而，如果希望年最小生态环境需水量控制在210亿m3年，需要采用更加有效的调度方式来提高汛期输沙效率。值得指出，上述关于黄河下游各河段河流最小生态环境需水量的计算结果是在一定的代表性“状态”、“目标”和“能力”前期下得到的，对黄河下游河流的生态环境保护和水资源的合理利用具有重要意义。另一方面，影响黄河下游河流最小生态环境需水量的因素很多而且多变。因此，在实际应用中必须根据具体情况应用本文提出的方法并对有关计算结果进行比较和分析。
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作者简介：倪晋仁(1962-)，男，山西山阴人，教授，主要研究方向：河流泥沙，环境科学与工程。
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