随着河流生态与环境问题的日趋严重，国内外河流生态环境需水问题的研究也逐渐深入.从河流环境流量视角研究解决生态环境功能问题在国外经历了一个从维持河流生态环境最低需求、河流环境修复到恢复河流生态系统健康的过程，依据研究目的、研究对象与研究方法的不同，国内外河流环境流量的研究方法大致可分为4类：水文学法、水力学法、栖息地法和整体分析法^[1-3].水文学方法主要基于某一频率的流量过程来确定生态环境需水，如：Tennant法^[4]以一定百分比的年平均流量为基础，以满足鱼类和其他水生生物赖以生存的河流水流条件为目的，根据不同季节性需求来确定河流的生态需水量；Boner等提出的7Q10法^[5]采用90%保证率下最枯连续7 d的平均流量作为河流所需最小环境流量的设计值；Matthews提出的Texas法^[6]选取某一保证率下的月平均流量来表示河流所需的生态流量过程；Dunbar提出的NGPRP法^[7]将不同年份划分为干旱年、湿润年、标准年，并取标准年组90%保证率对应的流量作为河流最小流量.李捷等^[8]界定了生态径流、最小生态径流、最大生态径流和适宜生态径流的概念，提出了逐月频率计算法；黄峰等^[9]在最小环境流量和适宜环境流量的基础上，提出了河流生态流量计算的流量区间比例法，分析不同情况下河流生态的保证方案；朱才荣等^[10]从众多概念中提出了生径比概念，使用Tennant法、Texas法、逐月频率计算法、月保证率设定法及其改进法对汉江中下游作了生径比分析；何俊仕^[11]等用流量历时曲线转移法对辽河干流铁岭站不同环境管理级别下的生态环境需水量进行年内分配计算，并与Tennant法进行比较，验证了该方法的适用性.水力学法是指水力学家根据河道断面的参数来确定河流所需生态流量.如以曼宁公式为基础，通过分析一个河流断面的实测地形资料，确定相关参数，并将其代表整条河流所需水量的R2-Cross法^[12]；利用河道湿周作为水生生物栖息地的质量评价指标，来估算河道内所需生态流量值的湿周法^[13]等.最著名的栖息地法是河道内流量增加法(IFIM)^[14]，作为世界范围内最常用的流量评价方法，IFIM建立在解释群落分布的生态小生境概念(水力模型)基础上，同时还结合了大生境和微生境的概念.以澳大利亚的整体研究法^[15]、南非的构造块法(Building Block Methodology)^[16]、DRIFT(Downstream Response to Imposed Flow Transformation)法^[17]等为代表的整体分析法，旨在还原天然情势下河流的健康状态，并以此为目标制定一系列的方法用于指导和修复河流生态环境.Smakhtin^[18-19]对整体分析法和水文学法进行改进，进行环境管理流量分级，并建立了基于流量历时曲线的环境流量计算过程，既考虑了环境的整体需求，又方便不同的管理者使用.

围绕河流生态环境需水问题的研究，不同学者从不同角度提出了诸如生态流量、环境流量、生态需水、环境需水、生态环境需水等相近概念.概括地讲，生态需水量应该是特定区域内生态系统需水量的总称，实质上就是维持生态系统生物群落和栖息环境动态稳定所需的用水量.环境需水量实质上是为满足生态系统的各种基本功能健康所需的用水.倪晋仁等^[20]认为大多数研究都不具备将生态需水和环境需水割裂开来讨论的条件，因此将两者结合起来提出生态环境需水量这一概念.需水量与流量是一个相对的概念，河流生态需水量、环境需水量占据河流自然来流量的一部分，这一部分流量分别称为“河流生态流量”、“河流环境流量”^[21].研究方法中，水文学法和水力学法需要长序列和高精度的水文资料信息；栖息地法需要大量野外勘测数据，耗时长，难以保证计算数据的精确性；整体分析法需要多学科的综合资料数据.综上所述，在国内外的研究中，对于河流环境流量的概念并没有统一的定义，尚缺乏较强普适性的河流环境流量估算方法，因此建立一套科学、合理、全面的河流环境流量估算理论和方法将成为未来水资源规划、水生态研究的重点方向.

本文从不同管理层次的生态类别或环境需水要求出发，拟研究三峡水库下游的生态环境需水问题，采用环境流量的概念是可行的.选取宜昌水文站作为三峡水利枢纽出库控制站，研究了两种快速流量计算方法——Desktop Reserve Model方法和流量历时曲线转换法在长江中下游地区的适用性，建立了可指导三峡电站运行调度的环境流量约束序列.对评估河流环境流量、开展以保护和修复河流环境为目标的水库运行调度具有一定的参考价值.

1 研究方法 1.1 Desktop Reserve Model方法

为了克服构造块法涉及到一系列专家的判断、对使用者要求过高、计算复杂、不具有很强普适性的问题，Hughes^[22]以此为参考，总结出了一种简单实用的Desktop Reserve Model环境流量计算方法，以便快速定量地计算河流环境流量.

Desktop Reserve Model方法将环境流量分为基流量和高流量两部分，将两部分流量进行叠加即可得到环境流量^[22].根据平水年与枯水年又可以细分为平水年基流量MLIFR(Maintenance Low Instream Flow Requirements)、平水年高流量MHIFR(Maintenance High Instream Flow Requirements)以及枯水年基流量(Drought Low Instream Flow Requirements)、枯水年高流量(Drought High Instream Flow Requirements).枯水年高流量相对于其他3部分流量来说非常小^[23]，暂不考虑.现将计算方法介绍如下.

1.1.1 平水年基流量

平水年基流量用该年的基流量占年均径流量百分数表示，其计算公式如下:

式中：MLIFR为平水年基流量；LP₁、LP₂、LP₃和LP₄为生态类别Ⅰ~Ⅳ需要量化的参数，其分类见表 1；CVB为流量变异指数.CVB的计算式为

式中：∑CV为湿季和旱季的3个主要月份变异系数的平均值总和；BFI为基流指数，是基流量与年总径流量的比值，反映河流短期变异的适应能力，高BFI值的河流比低BFI值的河流具有更强的变异适应性，即稳定性.式(1)仅适用于流量变异指数≥1，式(1)中各参数取值见表 2.基流指数根据数字滤波方法来计算^[24]，见下式：

式中：Q_m为第m时段的总径流量，m³；q_m为第m时段过滤后的地表径流，m³；Q_bm为基流成分，m³；α、β是滤波参数，一般取β=0.5，α参考相关资料^[25]取0.95.

1.1.2 平水年高流量

Desktop Reserve Model方法假定平水年高流量随着流量变异指数的增加而增加(与低流量相反)，故引入Box-Cox变换的正常累积概率密度函数来计算^[22]，公式如下：

式中：MHIFR为平水年高流量(用占年均径流量百分数表示)；x为0~1之间的不变量；λ为估算方程中的一个参数，相当于HP₁；HP₁、HP₂、HP₃和HP₄是生态类别Ⅰ~Ⅳ需要量化的参数.公式(4)要求CVB≥1，若CVB < 1，可取CVB=1进行计算；若CVB>100，则取100.各参数取值见表 3.

1.1.3 枯水年基流量

枯水年基流量可以认为是河流保持最低生态功能的流量，与生态类别Ⅳ类的平水年基流量相等^[22]，见公式(1)及其结合表 1与表 2的计算.

1.2 流量历时曲线转换法

Desktop Reserve Model方法的基本概念在一定程度上具有生态学的意义，Smakhtin^[18]等根据这些原则，应用该方法对其他区域河流的环境流量进行评估，发现地区性的参数并不普遍适用于其他地区；在考虑资料获取、参数率定、管理者使用的难易程度基础上，将Desktop Reserve Model方法进行简化，保留主要原则，建立了环境管理等级并围绕流量历时曲线建立了一套基于月流量过程的河流环境流量计算方法^[19].

1.2.1 河流环境管理等级

河流环境管理等级(Ecological Management Category, EMC)的环境流量是为了便于人们在不同河流管理质量要求下，计算环境流量以保护河流生态环境健康^[21-22].河流管理等级一共分为A~F共6个等级，见表 4，等级越高，需要分配河流更多的水以维护河流生态系统健康.理论上，河流管理等级的环境流量确定应该基于流量与生态之间的经验关系，确定识别不同环境流量等级的阈值.但是，到目前为止缺乏这些阈值的定量研究，河流管理等级划分通过一定的专家经验，定性描述各个等级河流的状态和要求.

1.2.2 河流环境流量的推求

1) 典型流量历时曲线

典型流量历时曲线(Representative Flow Duration Curve)的绘制要求流量资料应该是天然河流情况下不受人类活动影响的月流量资料.典型流量历时曲线是在流量历时曲线上，选取代表性的17个频率点及其相应的流量绘制而成.其中，流量历时曲线由长序列月径流资料从大到小的顺序进行排频而成，代表性的频率点为0.01%、0.1%、1%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、95%、99%、99.9%和99.99%.使用这17个频率点的流量历时曲线即可完全覆盖和刻画各种河流流量.

2) 不同河流管理等级的环境流量历时曲线

Smakhtin认为各等级的环境流量总是小于一个参考的流量情势^[18]，因此，将典型流量历时曲线进行横向平移获得各个等级的环境流量历时曲线(Environmental Flow Duration Curve).流量历时曲线横向移动一步是指原来超过99.99%频率对应的流量现在将超过99.9%频率的时间，原来超过99.9%频率的流量现在将超过99%频率，对于A级环境流量的河流，环境流量历时曲线由典型流量历时曲线从原始位置沿概率轴向左平移一步确定，对于B级环境流量的河流，环境流量历时曲线由典型流量历时曲线从原始位置沿概率轴向左平移两步确定，其余等级同理，具体见图 1.

在移动的过程中，由于保证率的减少，总有一部分流量信息损耗，但是流量变化的趋势性得到保留；同时，由于环境流量历时曲线与横坐标包围的面积减少，整个环境流量过程所包含的总环境流量也会随着等级降低而降低.

3) 不同河流环境流量管理等级对应的环境流量

每个环境管理等级对应的环境流量历时曲线仅体现出一条河流所需环境流量的集合，能够反映一条河流的水量及其流量分布特征，但不能反映真实的流量序列.因此，本文运用流量历时曲线的空间插值方法^[25]，将研究站点的天然流量过程转换为环境流量过程.具体步骤为：在天然流量过程线(图 2(c))上读取某月的流量值，然后在天然流量历时曲线(图 2(d))上读取该流量值对应的频率，继而在某一等级下环境流量历时曲线(图 2(b))上读取该频率值对应的流量值，该值即为某月的环境流量值(图 2(a)).依次对每月的天然流量过程应用上述步骤进行转换，即可得到某一河流管理等级下的环境流量过程.利用不同河流管理等级的环境流量历时曲线，就可以获得各等级下的环境流量时间序列.

2 实例研究

以三峡水库的出库控制站宜昌站为例，收集到该站1950-2012年的径流资料，采用前述方法进行三峡水库下游河道的环境流量计算.其中1950-2002年为实测天然流量系列，而在2003年以后，三峡水库进入围堰发电期.由于水库建设运行的影响，河流径流资料的一致性常会遭到破坏.为了得到天然状况下的径流系列，需要对2003年以后的资料系列进行径流还原计算.根据水量平衡原理，可用下式还原水库下游控制站的径流量：

式中：Q_{Y, t}^unreg为还原后的天然流量，m³/s；ΔV为水库在Δt时段内蓄水量的变化量，m³；Δt为时间间隔，s；Q_{Y, t}^reg为实测流量，m³/s.

2.1 Desktop Reserve Model方法环境流量计算

由于长江流域年径流量较大，且枯水年基流量可由相应等级的平水年基流量推求得到.本案例研究只计算平水年基流量和平水年高流量作特定河流的适宜环境流量分析.利用1.1中的方法，根据宜昌站径流资料计算得到，∑CV=0.434 7，BFI=0.726 8，故可得CVB=0.598 1.按照计算公式要求，取CVB=1计算.

由于长江宜昌站以上水电站相继修建，长江流域的生态环境受到一定的人工影响，根据蔡文君^[26]等人的研究，三峡水库运行对长江中下游的径流影响属于中度改变，故根据表 1，综合判定其类别为Ⅱ/Ⅲ类.由表 2、表 3查得对应参数，根据式(3)、(4)计算得平水年月分配的基流量、高流量、环境流量及环境流量占比，如表 5所示.

由表 5可见，该环境流量占该站多年月平均流量的41.2%，按照各月分配的环境流量与月平均流量的占比为35%~55%.图 3所示为平水年环境流量与Ⅱ/Ⅲ类别天然流量的对照比较图.

2.2 流量历时曲线转换法环境流量计算

根据典型流量历时曲线绘制要求，选取进行过还原的宜昌站1950-2012年月流量进行排频计算，得到典型流量历时曲线.将典型流量历时曲线进行平移，计算得到三峡下游河道各等级环境流量历时曲线，分别见表 6、图 4.

根据1.2节中目标环境流量的转换方法进行环境流量过程的计算.由于长系列环境流量过程具有类似性，在此仅取2004-2007年(图 5)还原后月平均流量和对应各等级的环境流量进行分析.

从图 5中可以看出对应每个等级的环境流量过程都保留了原流量的变化特征，都有高、低流量过程；随着A~F各个环境管理等级目标的下降，对应的环境流量也逐渐减小，在极端低值时D、E、F有重合，这是因为极端低值是线性插值的误差引起的，实际过程中，各等级环境流量过程线互不重合.

3 结果分析

国内外的一些研究发现，一般河道综合环境流量至少为年平均径流量的10%^{[23, 28]}.Desktop Reserve Model方法计算得到宜昌站年环境流量占该站多年平均流量的41.2%，符合这一基本条件.由此可见，Desktop Reserve Model原始参数虽然是基于南非河流率定，但其对长江流域的环境流量的计算依然具有一定的适用性.

流量历时曲线转换方法计算得到的各等级对应年平均径流量以及各等级所需年平均径流量占总年平均径流量比例见表 7和表 8.从表中可以看出，维持A、B两个环境管理等级目标需要60%~80%的年平均径流量，维持C~D需要40%~50%的年平均径流量，维持E~F需要20%~40%的年平均径流量，与Tennant法生态需水计算标准相比较^[11]，计算结果在合理范围之内.

4 结语

本文探讨了Desktop Reserve Model方法与流量历时曲线转换法及其在三峡水库下游宜昌站的应用，主要有以下结论：

1) Desktop Reserve Model方法从概念框架到理论分析较完善，在公式计算中体现出了一定统计学、水文学、生态学的意义，对于河流环境流量计算具有一定的适用性.但涉及的模型参数较多，计算参数所需资料较多且难于获得，研究中使用的参数借鉴南非干旱地区河流率定的参数，致使枯水年基流量、平水年基流量与平水年高流量3部分的详细分项计算具有主观性，结果的客观性受到影响.

2) 流量历时曲线转换法确定A~F共6个河流管理等级的环境流量过程.该方法的原理是在河流天然流量-频率曲线上提取17个频率(0.01%、0.1%、1%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、95%、99%、99.9%和99.99%)以及对应的月流量，构成典型流量历时曲线.A级环境流量历时曲线由典型流量历时曲线沿概率轴向左平移一步确定，B级环境流量历时曲线由A级环境流量历时曲线沿概率轴向左平移一步确定，其余C~F级环境流量历时曲线依次类推.然后，利用空间插值的思路，通过天然流量历时曲线与环境流量历时曲线将河流天然流量转换为河流环境流量.

3) 流量历时曲线转换法以流量频率曲线为基础，计算不同河流环境流量管理等级对应的环境流量，该方法所需资料少，且资料较易获取，计算方法既具有河流环境流量一般属性特征又具有当地河流特色，因而方法的普适性强.计算结果表明：维持A、B两个等级的环境管理目标需要年平均径流量的60%以上，维持C、D等级需要年平均径流量的40%以上，维持E、F等级需要年平均径流量的20%以上，结果合理可靠.

4) 使用Desktop Reserve Model方法算得环境流量占多年平均流量的41.2%，与流量历时曲线转换法计算结果相比，相当于维持C、D等级以上标准所需要的环境流量.