中国水能资源丰富，据第五次中国水能资源普查成果显示，中国水能资源理论蕴藏量6.878亿kW，居世界首位.新中国成立以来十分重视水电建设，截至2012年，中国已建水电站装机容量2.3亿kW，其中山区河流小水电开发严重，目前已拥有近5万座小水电站，占中国整个水电事业的30%以上；小水电虽然是一种清洁的可再生资源，但小水电水资源开发配置过程中也出现了一些负面影响，尤其是在生态环境保护方面出现的问题已经逐步引起关注和重视(王煌等，2012).电站的兴建导致河流水质、水量和水温变化，对鱼类和稀有动植物的保护不利；一些引水式小水电站片面强调经济效益，过度引水，可能造成下游河段局部断流，尤其是秋冬枯水季节，将严重影响河流下游段的生态环境、工农业生产以及人畜饮水，甚至影响河流的生态系统完整性(陈鑫和牟长波，2010).中国“十一五”规划已明确提出了“在保护生态的基础上有序开发水电”，可见，在实现小水电开发配置的同时，如何满足下游生态环境需水的要求，成为亟待解决的重大前沿课题.

目前计算河流生态流量的方法主要有水文学法、水力学法、栖息地法、整体分析法.水文学法仅依据历史流量资料估算生态流量，应用简单方便，但该方法对河流实际情况作了较多简化处理，未考虑生物需求，通常采用天然平均流量的10%作为推荐值，对于流量较小的山丘区小河流，其生态流量值会很低，很难满足河流的生态需求.水力学法是在假定河道物理形态不变的基础上，认为河流某一断面满足一定流量后，其下游同一功能的河道流量总能满足河道生态功能的流量需求，对于河床复杂多变的山区河道不适用.栖息地法考虑了生物因素，是目前普遍认可的方法和研究热点，但该方法对数据要求高，需要进行大量的野外调查，有一定的局限性.整体分析法考虑较全面，但涉及生态、地理、水文等众多学科，需要的人力资源和时间成本较大，投入产出效应值得深究(张辉，2014).实际应用中，应根据河流的不同等级、不同类型、存在问题和不同的生态功能目标，采用不同的适合的方法.本文针对山丘区小河流的特点及其存在的主要问题，从河流生态流量的概念出发，以河流生物多样性为保护目标，在传统水文学方法的基础上融入生物栖息地法的思想，并以简单实用为目的，提出水域面积法对山区河流的生态流量进行计算研究.

水域面积法是在传统水文学方法的基础上，用河道流量表征河流系统的水文特征，并融入生物栖息地法的思想，用河道水域面积表征河流的生态功能，建立河道流量和河道水域面积的关系曲线.

生物多样性跟环境因子有不可分割的关系，生物群落的时空格局主要由环境因子在时间和空间尺度上的异质性引起，并且这些环境因子随不同地区而变化(李捷等，2007).种库假说(species pool hypothesis)认为物种多样性不仅与环境条件和生态系统过程(如竞争、捕食)有关，也受区域种库的限制，按照种库假说，某一生境类型的面积越大，地质年代越古老，生境连接度越高，物种形成的机会也就越多，因而能适应和分布于该生境的物种也就越多，实际群落中的物种丰富度也就越高(Zobel，1997).Welcomme(1979)研究认为在热带、亚热带地区，江河中的鱼类种类多样性与流域面积呈高度正相关； ORNELLAS和Coutinho(1998)认为生存空间是影响鱼类群落的一个重要因素，河流越宽，鱼类活动空间越大，鱼类群落多样性越丰富；杨君兴等(1994)研究认为滇中高原湖泊鱼类多样性与湖面高程、湖岸线长度、平均水深、湖泊面积、容积、集雨面积和年来水量等环境因子关系密切，控制滇中湖泊鱼类物种丰度的关键因子是湖泊面积和湖岸线长度，且鱼类多样性与湖泊面积呈显著正相关.可见，河流生物多样性与河流水域面积有很大的正相关性，故探索用水域面积来表征河流生态系统的生物多样性.

通常临界值的求法有建前恢复法、实际需求法、流量-水域面积关系式求导法、拐点法等几种.水域面积法根据建前恢复法理论，用小水电站建站前的河流相关数据建立河道流量和水域面积的关系曲线，并通过求流量-水域面积关系曲线的转折点来确定河道生态流量.根据种库假说(Eriksson，1993; Prtel，1996; Zobel，1997; Aarssen，2002)，生存空间越大，物种形成的机会和物种数量就越大，河道流量-水域面积关系曲线上有一个转折点，在此转折点所对应的河道流量以下，当河道流量减小时，水域面积减小很快，而在此转折点所对应的河道流量以上，流量的变化对河道水域面积的影响不大，此点即表示河流生物多样性对流量敏感的临界点，故选取转折点流量为河流的生态流量.流量-水域面积关系曲线转折点的求法采用分别对预估转折点值前后段的流量—水域面积关系曲线进行分段线性拟合，计算出两条线性拟合曲线的交点即为所求的具体转折点值.

水域面积法在具体计算过程中需首先确定以下几方面内容：

1)河道流量的确定

山区河流由于流域面积小、河长短等原因，一般不布设水文测站，即没有实测的水文资料.一般采用相似比例法来确定，根据附近大河流上布设的测站水文资料，用控制的流域面积之比对两者之间的流量数据进行换算；如果山区河流上有水文测站，则直接用水文测站的流量资料.

2)计算范围的确定

引水式电站的建立，经常会导致电站下游形成减水河段，甚至断流.水域面积法的计算范围多为减水河段的长度.减水河段的影响范围一般根据电站下游需水敏感位置来确定，原则上应保证需水敏感位置的取用水需求.需水敏感位置包括引水式电站下游回水末端之前，下游正常生活生产的村庄位置，下游敏感动植物保护区位置和下游景区位置等.

3)水域面积的确定

山丘区河流一般为中小型河流，采用遥感图像提取水域面积误差太大，故考虑其他方法.水域面积测量可以采用无人机航拍，通过对航拍图像的处理计算河流的水域面积，但无人机航拍成本较高，经济不允许的条件下，考虑用简化的方法来代替实际测量.

把影响范围内的河流按河流的形状分段，每段河流按梯形水面进行水域面积的简化计算，即采用

式中，L_i表示第i河流分段的河流长度(m)，L即为影响范围总长度(m)；B_i表示第i河流分段的上边界水面宽度(m)，B_i+1表示第i河段的下边界水面宽度(m).

水面宽度B_i数据从水文年鉴的实测大断面资料里摘出，但水文年鉴里记录的是水文测站处的河流水面宽度.如目标河段范围不在水文测站处，其水面宽度需根据实测该地点水面宽与水文测站处水面宽的比例计算长系列的目标河段水面宽.河流分段长度L_i一般采用现场测量，亦可根据历史资料或相关文献获取.

罗坝河是墨江主要支流，北江上游干流浈江的二级支流，发源于始兴县东南部的天平架，海拔1256 m，流域面积339 km²，河流长56 km，河道平均坡降5.9‰，流经车八岭自然保护区、都亨、罗坝、结龙湾水文站、顿岗，在太平镇的瑶村与清化河汇合入墨江.上游河床呈V字型，中下游的罗坝盆地及以下河床呈宽浅状，是始兴县主要粮食产区.

罗坝水属于山丘区河流，小水电的开发对河流生态系统有很大的影响，据统计，墨江水系1982—2002年共建成小水电站7座，具体参数见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 墨江水系引水式小水电站统计 Table 1 Statistics for the diversion small hydropower stations of the Mojiang River Basin

表 1 墨江水系引水式小水电站统计 Table 1 Statistics for the diversion small hydropower stations of the Mojiang River Basin 水电站名称 建成时间/年 工程等别 装机容量/kW 额定水头/m 多年平均发电量/(万kW·h) 注: 资料来源：广东省水科院. 兴和水电站 1982 Ⅴ 600.00 13.00 140.00 河山下水电站 1999 Ⅴ 750.00 20.00 220.00 三丘田水电站 1999 Ⅴ 640.00 26.80 192.00 孔坝水电站 2000 Ⅴ 800.00 6.00 170.00 大水坑水电站 2002 Ⅴ 800.00 120.00 300.00 大小安一级水电站 2002 Ⅴ 650.00 190.00 130.00 石笋水电站 2002 Ⅴ 1600.00 24.00 400.00

墨江水系引水式小水电站、水文测站及村镇分布见图 1.由图 1可以看出，结龙湾水文站是罗坝水唯一的水文测站，位于罗坝村和顿岗镇之间，其断面形状见图 2(来自《珠江水文年鉴 · 北江》).兴和水电站位于结龙湾水文站上游13.64 km处，两者之间没有其他小水电站，故以兴和水电站为目标小水电站，以结龙湾水文站为代表水文测站，根据广东省农电局与华南农业大学的《小水电与生态环境关系研究》报告中资料显示，兴和水电站影响区域为兴和水电站至水电站下游减水河段的角田村，确定兴和水电站至角田村为研究河段范围.

图 1(Fig. 1)

图 1 墨江水系引水式小水电站示意图 Fig. 1 Schematic plot of the diversion small hydropower stations of the Mojiang River Basin

图 2(Fig. 2)

图 2 结龙湾水文站断面形状 Fig. 2 Cross-section diagram of Jielongwan hydrological station

(1)流量数据来源

结龙湾水文站1953—1963、1966—1978年的基本水文资料摘自《珠江水文年鉴 · 北江》，1980—2013年的水文资料由广东省水文局提供.

墨江小水电站群建立前后，结龙湾水文站流量过程发生了一定的变化，从图 3可以看出，小水电站群建立前，结龙湾站洪峰流量比较集中，在5—7月份，1962年结龙湾水文站5月份到7月份的径流量占年内总径流量的68.95%，径流在6月份达到峰值36.40 m³ · s^-1，径流年内变差系数为1.47.而小水电站群建立之后，结龙湾站水文情势发生了改变，洪峰不再集中，而是从4月份到9月份分散分布，水文过程也相对平稳，2000年结龙湾水文站4月份到9月份的流量占年内总流量的77.18%，径流在4月份达到峰值22.00 m³ · s^-1，比1962年小水电建站前的径流峰值下降了39.56%；径流年内变差系数为0.782，比1962年减小了46.80%.

图 3(Fig. 3)

图 3 小水电群建立前后结龙湾站流量过程 Fig. 3 Discharge process of Jielongwan hydrological station before and after the establishment of small hydropower stations

2)水面宽数据来源

查看《始兴年鉴》及《广东省始兴县水利发展“十一五”规划报告》可知，罗坝水1963年是枯水年.从《珠江水文年鉴·北江》里摘出结龙湾水文站1953—1963、1966—1978年的实测流量数据.根据《小水电与生态环境关系研究》报告中的已知水面宽资料和各地点的间距，采用插值法计算出结龙湾、小安、兴和水电站的水面宽，并求出各地点水面宽与结龙湾站水面宽的比例.

根据各点水面宽与结龙湾站水面宽的比例，分别算出兴和水电站、小安、角田、罗坝等地的水面宽值.

1)枯水年生态流量的计算

枯水年临界生态流量的计算选取典型年进行计算.以枯水年(1963年)的数据为支持，根据各地点水面宽与结龙湾站水面宽的比例和结龙湾站的流量、水面宽历史资料，计算出各地点的水面宽度，并根据公式S=∑S_i=∑L_i ·(B_i+B_i+1)/2计算出不同流量下对应的水域面积值，绘制出枯水年的流量——水域面积关系曲线图(见图 4).

表 2(Table 2)

表 2 各地点水面宽及其与结龙湾站水面宽的比例 Table 2 Ratio of water surface widths between different locations and Jielongwan station

表 2 各地点水面宽及其与结龙湾站水面宽的比例 Table 2 Ratio of water surface widths between different locations and Jielongwan station 地点 相邻间距/m 实测水面宽/m 插值计算水面宽/m 与结龙湾比例 顿岗 5540 26.00 / / 结龙湾 / 23.44 / 5300 罗坝 21.00 / 0.90 1310 角田 17.00 / 0.73 5580 小安 / 10.36 0.44 1450 兴和水电站 / 8.64043 0.37% 1800 兰屋 6.50 / /

图 4(Fig. 4)

图 4 枯水年流量——水域面积关系曲线 Fig. 4 Flow-water surface area curve of low flow year

分别对流量—水域面积关系进行线性拟合，得出分段线性拟合曲线表达式分别为y=32.60x+46.74，y=0.52x+119.30，据此求出两分段拟合曲线的交点位置为2.26，即为转折点处流量值.由此确定 枯水年罗坝河生态流量为2.26 m³ · s^-1.由历史资料 查出，罗坝河多年平均流量为8.71 m³ · s^-1，罗坝河枯水年生态流量占多年平均流量的25.97%.

2)平水年生态流量的计算

平水年生态流量的计算采取分月计算.以1970年—1978年结龙湾水文站流量、水面宽数据为数据支撑，计算出各月份不同流量对应的水域面积，并分别绘制出1月份至12月份的流量-水域面积关系曲线.分别对1月份至12月份的流量—水域面积关系进行分段线性拟合，得出各分段线性拟合曲线的表达式，并计算出各自两分段线性拟合曲线的交点位置，即为各月份的生态流量取值，具体结果见表 3.

表 3(Table 3)

表 3 平水年各月份生态流量 Table 3 Monthly ecological flow of median water year

表 3 平水年各月份生态流量 Table 3 Monthly ecological flow of median water year 月份 1月 2月 3月 4月 5月 6月 生态流量/(m3·s-1) 2.36 2.34 2.35 9.28 13.41 16.01 月份 7月 8月 9月 10月 11月 12月 生态流量/(m3·s-1) 9.63 8.06 4.82 4.31 3.54 2.26

分别绘出枯水年和平水年的罗坝水生态流量过程(见图 5).从图中可以看出，对枯水年，由于河道天然径流量的限制，在满足下游河道生态功能的基础上要尽可能的保证小水电站的效益，因此各月份都取该枯水年最小的生态流量来保证小水电站下游河道的生态功能.对平水年，河道天然径流量比较充沛，分月计算河道生态流量来满足生物在不同月份对河道流量的需求；平水年的生态流量过程与建站前河道流量过程类似，采用分月保证河道生态流量的方式更能模拟建站前的流量过程，满足河道生物多样性的功能要求.

图 5(Fig. 5)

图 5 不同水平年生态流量过程曲线 Fig. 5 Ecological flow curve of normal and low flow year

对未来水平年进行来水量预测，判断未来水平年是枯水年还是平水年，并根据枯水年的生态流量和平水年各月份的生态流量值，结合小水电站的运行规则，可换算成一定时期内的径流量来确定该时期内小水电站需释放的水量，进而对小水电站下游河道的生态功能进行保护和修复.

1)计算结果检验分析

用兴和水电站建站后的1983-2013年的长序列流量数据对计算结果进行检验，结果显示：若以枯水年生态流量为控制标准，11323 d中只有1519 d达不到枯水年生态流量需求，河道生态需水保证率达96.6%；若以平水年分月控制生态流量过程为控制标准，河道生态需水综合保证率为58.6%，其中2月份、3月份、4月份、9月份、12月份保证率较高，分别为77.4%、93.5%、80.6%、71.0%、71.0%，7月份、11月份保证率较低，分别为32.3%、35.5%，其他月份保证率均在40%～60%之间.可见，若以枯水年生态流量为控制标准，兴和水电站下游满足生态需水要求，但若以平水年分月控制生态流量为控制标准，兴和水电站下游个别月份不能满足生态需水要求，特别是7月份和11月份，应对兴和水电站进行调度调控，使其补充下游生态需水.

2)方法对比验证

Tennant法是以预先设定的年平均流量的百分数作为河道生态流量的推荐值，多被作为其他方法的一种检验.本文用Tennant法来检验水域面积法的计算结果.

罗坝河枯水年全年按同一个生态流量控制，生态流量占多年平均流量的25.97%，属于Tennant法的中水平流量范围，在差流量范围以上，能保证河流生态系统不退化.罗坝河平水年分月控制，10月至次年3月的生态流量值均在Tennant法推荐流量标准的好范围，4月至9月的生态流量值均在Tennant法推荐流量标准的非常好范围，能很好的满足河流生态系统的需求.

水域面积法的计算结果比Tennant法划分更具体，更容易针对不同月份存在的问题对电站进行调度调控.

1)在种库假说的支撑下，在传统水文学方法的基础上，用河道流量表示河流系统的水文特征，融入生物栖息地法的思想，用河道水域面积表示河流的生态功能，针对山丘区小河流存在的问题和功能目标，创新性的提出水域面积法对山丘区河流小水电站下游河道生态流量进行定值研究，并根据建前恢复法理论对河道生态流量进行定值计算.对北江上游干流浈江的二级支流罗坝水进行实例计算，计算结果得出枯水年罗坝河生态流量为2.26 m³ · s^-1，占多年平均流量的25.97%.根据枯水年的生态流量和平水年各月份的生态流量值，结合小水电站的运行规则，换算成一定时期内的径流量来确定该时期内小水电站需释放的水量，进而对小水电站下游河道的生态功能进行保护和修复.

2)生态流量的控制保证，枯水年与平水年采取不同的控制方法，对水电站的实际运行调配更具有指导意义.对枯水年，由于河道天然径流量的限制，在满足下游河道生态功能的基础上要尽可能的保证小水电站的效益，因此各月份都取该枯水年最小的生态流量来保证小水电站下游河道的生态功能；对平水年，河道天然径流量比较充沛，分月计算河道生态流量来满足生物在不同月份对河道流量的需求，满足河道生物多样性的功能要求.

3)水域面积法计算结果与Tennant法具有较好的一致性，水域面积法对不同典型年采用不同的生态流量控制方法，更符合水电站的运行规则目标和河流生态系统生物多样性的保护目标；与水力学法相比，该方法的参数水域面积较容易获得；与栖息地法相比，该方法简单直接，运算方便；另外，该方法更有针对性和目标适用性.水域面积法是根据山丘区小河流的特点及其存在的主要问题提出的，山丘区河流多为溪流，地形较复杂，横断面的测量具有一定的难度和危险性，但是水域面积则较容易测量和获得；另外，山区河流河道流量较平原河流小，用传统水文学方法的百分比来确定会使生态流量很小，很难满足河流生态系统生物多样性的需求，该方法用水域面积来反应河流生态系统的生物多样性具有可行性和一定的创新性.但其水域面积参数的物理意义基于种库假说，有待更多实验数据证明.