河流作为物质与能量的载体，其与人类活动的联系愈发紧密，随着社会经济的发展和城市功能的调整，河流功能呈现出多样性.按其与人类活动需求的关系，可以认为河流功能包括自然功能和开发利用功能.其中：自然功能包括诸如输移各种物质、为水生动植物提供栖息地等功能；开发利用功能则是利用河流固有属性，为满足人类发展需求进行的水利、发电、航运等功能.而以上无论何种功能的实现都需要一定的水量作为保证，流量则可作为表征水量的一个重要指标.

当前，国外已对河流环境流量进行了大量研究和实践，美国鱼类和野生动物保护协会(USFWS)早在20世纪40年代为保护水生生物的多样性就提出了针对鱼类生长繁殖和产量与流量关系的河道最小流量的概念.其后随着人类活动影响的日益加剧，澳大利亚、英国等国家也相继展开了这方面的研究，环境流量也不再仅仅只是针对保护某些关键物种或是其栖息地这一目标，其内涵逐步拓展到平衡生态系统需水及人类需水^[1].

我国长江流域水问题日益突显，三峡及南水北调东线、中线等一系列工程的实施及部分地区的水污染问题都势必会对长江中下游水生态环境造成影响，而长江中下游水生生物资源极其丰富，从低等的藻类到高等的哺乳动物，物种种数在2 000种以上，因此确定并保证河道内一定流量对于保护其生态系统的多样性具有重要意义.由于我国对于环境流量的研究起步较晚，且研究重点偏向于北方干旱半干旱地区的河流^[2-4]，对于长江环境流量的研究较为欠缺，故本文讨论了环境流量内涵，并以长江监利河段为例分析评价了几类环境流量计量方法在监利河段的适用性，初步确定了监利河段在5-7月合理的环境流量范围.

1 河流环境流量内涵

目前国内有关环境流量这一概念尚没有统一、明确的定义，且其与一些类似于生态流量、生态需水、环境需水的相近概念在使用时也没有严格加以区分.倪晋仁等^[5]认为生态需水量与环境需水量很难割裂开来讨论，并认为狭义上来说，生态环境需水可以被视作维护生态环境不再恶化并使其有所改善所需的水资源总量.夏自强等^[6]认为河流生态径流可以分为最小生态径流、适宜生态径流、最大生态径流，最小、最大生态径流过程对于生态系统来说都是不利的水文条件，适宜生态径流应具有明显的统计特征并具有一个合适的变化范围.陈进等^[7]认为环境流量主要指生态与环境用水，不考虑下游人类生产和生活用水，如果同时考虑这一部分用水则可以称之为广义的环境流量.本文认为生态、环境二者尽管密切相关且内涵上也有重叠的部分，但并非不能加以区分，清晰定义生态流量、环境流量有助于河流开发管理.

本文在前人研究成果的基础上，研究了河流水文过程、水环境及水生态过程，分析了河流系统健康需水、河流环境保质用水以及河流水生态系统保健需水.我们认为从狭义上讲，河流生态流量提供河道内水生态种群所需的用水量和备用水量，环境流量则在此基础上还提供生物种群生存所需的空间水量.鉴于此，河流环境流量是维系河流生态系统和生态功能发挥所需求的基本流量及其过程，具体来说就是维持河流连续流动和保障漫滩、阶地生态需水以及维持河流(包括河道内河床、湿地)生态系统健康所需要的基本流量及其过程.

2 研究区概况

本文计算的河段为监利河段，监利河段位于长江中游荆江河段尾段，上起塔市驿，下至天字一号，全长约36 km.监利河段最宽处为3 200 m(乌龟洲)，河段属于典型的蜿蜒型河道，平面形态为弯曲分汊型，乌龟洲将河弯水流分为左右两汊，如图 1所示.监利河段范围内气候湿润，雨量丰沛，年降雨量超过1 000 mm，1951-2006年，监利站多年实测平均年径流量3 536亿m³，多年平均流量11 300 m³/s，历年最大流量为46 300 m³/s(1998年)，历年最小流量为2 650 m³/s.此外，目前对于长江中游段水生植物的研究尚少，且多集中在对浮游植物的研究上，调查表明长江中游段的浮游植物以硅藻、绿藻和蓝藻为主，浮游植物种类组成的季节变化差异明显，秋季种类数最多，夏季种类数最少^[8].在水生动物方面，监利河段所处的长江中游是我国“四大家鱼”的重要栖息地，“四大家鱼”(青鱼、草鱼、鲢鱼、鳙鱼)是我国主要的淡水养殖和捕捞对象，在淡水渔业中占有相当的比重^[9].为保证长江四大家鱼的顺利产卵繁殖，自2011年始每年的5月中旬至6月下旬都会开展生态调度试验以期逐步恢复长江四大家鱼渔业资源，这段时间也正是四大家鱼的产卵时期，故本文以监利水文站1975-2014年5-7月的日流量资料为依据来计算监利河段5-7月的环境流量.

3 计算方法适用性分析

目前，国内外常用于计算河流生态环境流量的方法大致可分为4类：传统的水文学方法；水力学方法；以生物学为基础的栖息地法；基于河流系统整体性理论的综合分析法.

1) 水文学方法.水文学方法又称为标准流量法，是依据历史流量、水位、流速等一些简单的水文指标来设定河段适宜流量.水文学方法起源最早，发展至今已十分成熟，虽然缺乏相应的物理意义，但由于其计算方法简单且所需要的资料数据等较容易收集，因此现在仍被广泛采用.

2) 水力学方法.监利河段位于长江中游荆江尾段，受洞庭湖来水顶托和江湖关系变化影响均较大，水文泥沙条件变化和河床演变较为剧烈，考虑到这一点在计算监利河段环境流量时应该舍弃水力学方法.由于水力学方法是根据河道水力参数(如宽度、深度、流速和湿周等)确定河道内所需流量，故在河道水力参数不稳定的河段并不适合采取本方法计算环境流量.以湿周法为例分析，该法是依据湿周和流量的变化关系曲线来确定河段适宜流量，而由于监利河段受回水顶托及剧烈的河床演变的影响，其水位-流量关系曲线不稳定，呈复杂的绳套曲线，也就无法从曲线中找到明显的变化点来确定适宜流量.

3) 栖息地法及综合分析法.由于栖息地法和综合法都需要与生物直接相关的数据资料，而我国对于河流生物的详尽观察监测较少，没有连续的长序列观测资料，如长江四大家鱼的鱼苗量只在1997-2001年及2008-2010年有统计资料.对监利断面的四大家鱼鱼苗量、径流量和流量变异系数进行相关性分析，发现相关性较差，亦即鱼苗量与径流量、流量变异系数两者都不呈显著相关.综上所述，这两类方法现阶段暂不适用于计算监利河段的环境流量.

基于此，水文学方法是目前更适用于监利河段环境流量计算的一类方法，本文选取该类方法下的RVA法进行估算，并辅以其他水文学方法进行对比分析.

4 RVA法

变异性范围法(Range of Variability Approach，RVA)起源于国外学者Richter等于1996年提出的IHA方法(Indicators of Hydrologic Alteration)，该法依据河流的日水文资料来评估河流生态水文变化的程度及其对生态系统的影响.在IHA法中，水文变异程度是以偏离度的概念来定量分析的，随后Richter等为了更好地衡量变化的等级，又提出RVA进行单变量及综合水文改变的评定.可以说RVA是以IHA法为基础，又进一步对其进行细化的结果.现在RVA被广泛应用于评估河流生态系统是否得到维护，近年来更是不断有学者尝试将该评价方法的思路应用到估算环境流量上来.舒畅等^[10]使用均值与RVA阈值差估算了南水北调西线一期工程中泥曲河的生态流量值，杜保存^[11]用该法估算了山西省4条较大河流的生态需水并分析认为使用此法估算的结果是合理的.

RVA应用于估算河流环境流量通常有以下2个步骤：

1) 确定一个未受干扰(人类活动等因素干扰较小)的日流量时间序列，该时间序列应至少为20 a以上，以减少或消除年际气候差异等带来的影响.

2) 以第一步得到的日流量时间序列为基础，通过一定的规则或是公式得到一个满足河流生态需求的环境流量值或范围.

4.1 数据秩和检验

为保证用于计算的日流量时间序列未受人类活动等干扰，对监利站1975-2014年的日流量资料进行秩和检验来验证数据系列是否满足该法计算要求.依据监利站日流量资料计算出各年目标月份的月均流量，并按时间顺序将各年份作为分割点，对两个样本的水文序列进行滑动秩和检验，作假设：

H₀：两个样本的分布无显著差异，即气候变化和人类活动对水文序列影响不显著.

H₁：两个样本的分布有显著差异，即气候变化和人类活动对水文序列影响显著.

两个样本容量小者为n₁，容量大者为n₂，W为n₁中各数值的秩和，并构造秩统计量U：

U服从标准正态分布，取置信水平α=0.05，则所有满足|U|>U_0.05/2=1.96的变异点中使得U统计量计算值达到最大的点即为所求的变异点.

以1975-2014年5月份的流量序列为例作水文变异点的检验，部分检验点的检验结果见表 1.检验结果表明长江监利5月流量序列不存在显著水文变异点，同样地对6月、7月的流量序列进行滑动秩和检验，也未发现显著水文变异点.前人对长江流域的水文序列亦做过变异分析，如熊立华等^[12]采用Bayesian法分析宜昌站的径流序列，结果显示无显著变异.故本文认为人类活动对监利河段的流量序列没有显著影响，因此基于1975-2014年的监利水文站日流量数据来推算该河段环境流量是合理的.

4.2 RVA计算结果

RVA共涉及评价33个IHA指标(包括流量大小幅度、时间、频率等)，通常大部分研究采用指标发生机率的75%和25%的值作为各指标参数的RVA的上下阈值^{[13, 14]}.本文亦将流量发生机率的75%和25%作为流量的上下阈值.

选用皮尔逊Ⅲ型曲线对月均流量系列进行适线，适当修正统计参数直到配合良好为止，最终得到理论频率曲线并从频率曲线上得到月均流量的RVA阈值，依据下式估算河流环境流量：

式中：Q_e表示环境流量；Q表示流量均值；Q_上表示RVA的上限阈值；Q_下表示RVA的下限阈值.据此得到监利河段5-7月份的环境流量见表 2.

4.3 与其他方法的对比

作为对比，本文采用以下几种传统的水文学方法：

1) Tennant法，采用平均流量的60%作为推荐的河流环境流量；

2) 7Q10法，采用近10 a最枯月均流量或90%保证率最枯月均流量作为河流环境流量，两种计算方法分别记为7Q10法①、7Q10法②；

3) NGPRP法，将年份分为枯水年、平水年、丰水年，取平水年组的月均流量的90%保证率作为环境流量；

4) 刘苏峡等^[15]基于生态保护对象的生活习性和流量变化提出的习变法，习变法认为关键月份河流需要保证中值流量的标准方差量级的流量才能保护研究生态对象的正常生活习性.

用以上所述方法计算监利河段的环境流量，计算结果见表 3及图 2.从图 2中可以看出，习变法计算结果远小于其他5种方法的计算结果，由该法得出的5、6、7月的环境流量依次为2 096、2 099、4 561 m³/s，而在1975-2014年的实测日流量系列中从未出现过低于这些数值的流量，故认为该法计算结果不合理，不适用于监利河段环境流量的估算.剩余5种估算方法中，NGPRP法得到的结果最大，Tennant法最小.两种7Q10法得到的结果占比多年月均流量均在65%~80%之间，RVA法计算得到的3个月占比多年月均流量为70%、83%、72%.值得一提的是，以上两种7Q10法为了更适合国内实际情况均做了一定改进，而RVA法计算结果基本落在这两种方法计算结果的范围之内，可以认为RVA法计算得到的结果是合理的，能够作为环境流量最终取值的参考.

5 结论

本文简要阐述了环境流量的内涵，并与常用的生态流量加以区分，在此基础上分析了用来计算环境流量的4大类方法在监利河段的适用性，认为目前水文学方法依然是较为成熟、合适的方法，而水力学法、栖息地法及综合分析法都有其不适用性.采用RVA法估算监利河段的环境流量，并与其他5种水文学方法的计算结果进行对比，通过各方法的对比分析，认为习变法的估算结果不合理，NGPRP法的计算结果偏大，而RVA法的计算结果则可以作为环境流量取值的参考，3个关键月份环境流量占比多年月平均流量为60%~80%.

鉴于长江水生态系统的复杂性和功能的重要性，今后应加强对长江生物量、栖息地等数据的监测，并在不断完善水文学方法的基础上重点研究综合分析法在长江中下游河道环境流量估算上的应用.