河道内生态需水研究中的栖息地模拟方法陈庆伟1，齐珺2（1. 水利部综合事业局，北京 100053；2. 北京市环境保护科学研究院，北京 100037）摘要：本文主要介绍了生态需水计算中的栖息地模拟法，栖息地模拟法是根据指示物种所需的水力条件确定河流流量，目的是为水生生物提供一个适宜的物理生境。
代表方法包括IFIM 法(Instream Flow Incremental Methodology)，CASIMIR法（Computer Aided Simulation Model for Instream Flow Regulations）等，其中IFIM应用最为广泛。
IFIM法利用水力模型预测水深流速等水力参数，然后与生境适宜性标准相比较，计算适于指定水生物种的生境面积。
关键词：生态需水；IFIM；栖息地模拟Habitat simulation of the research of Instreamenvironmental flowChen Qingwei1, Qi Jun2(1. Bureau of Comprehensive Development, MWR, Beijing 100053;2. Beijing Municipal Research Institude of Environmental Protection, Beijing 100037) Abstract: Habitat simulation is a way to determine the stream flow which based on required hydraulic conditions of indicated species. The purpose is to provide a suitable physical habitat for the aquatic. Representative methods include IFIM (Instream Flow Incremental Methodology), CASIMIR (Computer Aided Simulation Model for Instream Flow Regulations). IFIM is the most widely used one. IFIM employs hydraulic models to predict the hydraulic parameters, then compare it to the criteria of suitable habitat, and calculate suitable habitat area for indicated species.Keywords:Environmental flow;IFIM;Habitat simulation1 引言河流除生活用水、工业用水、农业灌溉、航运、泄洪等功利性功能外，还有一类重要的功能，那就是生态环境功能，如水生生物和珍稀物种的生存、补充土壤水分、纳污等。
水是维持河流系统和谐结构和使之发挥正常功能的介质和动力[1]。
河流系统功能通常包括生态功能、环境功能和资源功能等。
维持和保护河流生态环境平衡，就是要在水资源开发利用过程中，把河流系统作为一个有机整体，兼顾河流的经济、环境和生态功能，使三者协调发展[2]。
然而，长期以来人们对河流水资源的开发利用集中于农业、工业和生活等方面的需要，对维护河流生态环境平衡所需要的水量没有给予足够重视，过量的开发河流水和占用水资源的生态空间，使河流系统的结构和功能遭到破坏，加速了水资源危机，致使生态环境恶化。
针对这一事态，国内外一些学者便展开了对河流生态需水量的研究，并取得了一些进展。
生态需水的概念有不同的表示方法，包括：河道内流量（Instream flow）、环境流量（Environmental flow）、生态流量（Ecological flow）、最小流量（Minimum flow）、生态需水（Ecological water requirements）、环境需水（Environmental water requirements）、河道流量目标（River Flow Objectives）。
各种表示方法的内涵相似，研究思路和方法也大体相作者简介：陈庆伟（1977-），男，河南周口人，工学博士，主要研究方向：水资源管理. E-mail: cqw@仿。
国外大多用河道内流量表示生态需水，特别是在北美地区，都统一称为河道内流量。
英国大多用河道流量目标表示生态需水，另外几种表示方法是用较少，只是部分学者曾经使用过。
国内一般称为生态需水，国外并没有完全相同的表示方法。
河道生态需水，是指维持水生生物正常生长及保护特殊生物和珍稀物种生存，以及保护和改善河流水质、维持河流水沙平衡、水盐平衡和河口地区生态环境平衡所需的水量[3]。
河流生态需水研究是建立在对河流生态系统结构认识的基础上，在保证河流生态系统的完整性或者可允许程度上的退化前提下，分析河流生态系统的外部可供水量以及河流生态系统的需水量。
简言之，河流生态需水也就是分析应该为下游河道和河漫滩预留多少水，以维护河流生态系统的健康。
生态需水的研究始于20世纪40年代的美国西部，到了上世纪70年代，由于相关法律法规的颁布以及建坝高潮的到来，生态需水的研究也相应的发展迅速。
80年代，澳大利亚、英国、新西兰和南非等国在该方面的研究开始出现。
而在东欧、拉美、非洲和亚洲，该方面的研究较少[4]。
国外对生态需水的研究主要集中在河流生态系统，而对其他生态系统需水的研究较少。
国内对生态需水的研究则处在起步性阶段，定性的研究较多，从野外试验或机理角度的研究较少。
目前，有将近50个国家开展了生态需水量的研究，大概有200多种研究方法，这些方法可归为四大类：水文学法、水力学法、栖息地模拟法和整体分析法[5]-[6]。
其中，水文学方法应用最广泛，几乎应用到了世界上所有的地方，Tennant法及其改进方法是其中最有代表性的方法。
但水文学方法缺乏与生态系统的联系，并且其在不同地区的适应性还有待进一步研究。
以流量增加法（Instream flow incremental methodology, IFIM）为代表的栖息地模拟法是另一种应用较为广泛的方法，主要应用于北美和欧洲的发达国家。
整体分析法（Holistic methodology）主要用于南非和澳大利亚，该方法较为适合资料较为缺乏，生态需水和水资源配置研究处于起步阶段的发展中国家。
栖息地模拟法起源于上世纪90年代，上述方法都是其前身。
栖息地模拟法在水文、水力和生物相应数据的基础上，分析不同流量条件下目标生物栖息地的质量和适宜性[7]。
栖息地模拟法首先要模拟不同流量条件下的水力变量（深度、流速、底质、覆盖物和剪应力等），模拟结果还要与栖息地目标生物的生命周期和活动规律等因素相关联，并用季节性栖息地适宜性指数曲线来表示，而后根据目标生物的流量——栖息地曲线预测生态需水量。
2 栖息地模拟法栖息地模拟法是根据指示物种所需的水力条件确定河流流量[8]，目的是为水生生物提供一个适宜的物理生境。
因为生境方法可定量化，并且是基于生物原则，所以目前被认为是最可信的评价方法，代表方法包括IFIM法(Instream Flow Incremental Methodology)，CASIMIR 法（Computer Aided Simulation Model for Instream Flow Regulations）等，其中IFIM应用最为广泛[9]。
迄今为止，IFIM法被认为是生态需水计算方法中最复杂和最具科学依据的方法，并且IFIM法还促成了几种类似方法的出现。
历史上曾经出现过60种左右的栖息地模拟方法，使得该方法称为仅次于水文学方法的生态需水计算方法，但是大多数仅仅在某些区域有少量运用，而没有进一步发展。
2.1 IFIM法IFIM是一种解决问题的概念与方法，增量(Incremental)意指逐渐增加流量以探讨系统的逐步反应。
IFIM 是20世纪70年代，美国渔业及野生动物署(U.S. Fish and Wildlife Service)为了保护鱼类栖息地及其种群结构所发展的方法[9]，到80年代各州广泛采用作为计算各种鱼类所需的流量。
IFIM 最初应用在鱼类及底栖无脊椎动物，主要是在美国西北部各州的冷水性河系。
直到最近几年，才将此方法扩展到低海拔，温水性河系，以及应用在河岸植物和河道内鱼类活动。
IFIM 法利用水力模型预测水深流速等水力参数，然后与生境适宜性标准相比较，计算适于指定水生物种的生境面积。
该法不仅可用于水生生物需水评价，也适用于景观、娱乐等功能需求。
宏生境与微生境被综合考虑，共同来确定指示生物的适宜性面积，宏生境因素包括流量状态、河道结构、水温、水质4个方面，微生境因素包括水面高度、流速、基质和河面覆盖等。
PHABSIM 模型是根据河道水流增量法(Instream Flow Incremental Methodology ，简称IFIM)概念架构而建立的模型，主要包括两大部分：水动力模型(Hydraulic Model)与栖息地模型(Habitat Model)。
水动力模型由IFG4，MANSQ ，WSP ，STGQS4 和HEC-2五个水力模拟程序组成；栖息地模型由HABTAT ，HABVQE ，HABTAV ，HABTAM 和HABVD 五个栖息地模拟程序组成[10]。
PHABSIM 模型是IFIM 法中最典型的模型，PHABSIM 模型首先将河道断面按一定步长分割，确定每个部分的平均垂直流速、水位高程、基质属性和河面覆盖类型等。
然后调查分析指示物种对这些参数的适宜要求，绘制环境参数的适宜度曲线，根据该曲线确定每个分隔部分的环境喜好度即水位喜好度、小流速喜好度、基质喜好度、河面覆盖喜好度。
最后根据计算每个断面、每个指示物种的总生境适宜性将其称作权重可使用栖息地面积(Weighted Usable Area ，简称WUA)[11]。
重复计算不同流量下的WUA ，绘制成WUA 流量曲线，它能显示出流量变化对指示物种的某个生活期的影响，代表性曲线在低流量处具有一个最大值，其常作为水资源规划的依据而使用。
该法是基于以下假设建立：①水深、流速、基质和覆盖物是流量变化对物种数量和分布造成影响的主要因素；②这些因素相互影响，共同确定河流微生境条件；③河床形状不随流量变化而改变；④WUA 与物种数量之间存在一定比例关系。
以PHABSIM 模型进行河川栖息地仿真及分析时，首先须执行水动力模型计算各种流量的水位以及横断面各分区的流速分布，然后透过栖息地模型中水生生物的栖息地适合度曲线找出横断面各分区的流速及水深所对应的栖息地适合度指数[7]，便可求得研究河段的权重可使用栖息地面积(WUA)如下：[]i i ii i A C f D f v f WUA .)(),(),(∑=，式中i A 为研究河段第i 分区的底床面积，)(),(i i D f v f 及)(i C f 分别为第i 分区的流速、水深及底质适合度指数，f 是由这三个指数组合而成的栖息地适合度。