全 文 ：第 26卷第5期
2006年 5月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vo1．26，No．5
May，2006
河道内流量增加方法 IFIM 研究及其应用
英晓明 ，李 凌
(1．河海大学，水 生态 环境模 拟中心 ，南 京 210098；2．~hol of Engineering，The University of Qu~nsland，St Lucia，QLD4172Australia)
摘要：河道内流量增加方法 IFIM是用于河流规划、保护和管理等的决策支持体系，由一系列水力、水质、水文、生态等专业模型
和各类方法组成，模拟流量和水生生物栖息地可利用性之间的定量关系。它不仅有助于河流管理者对水资源进行科学合理的
分配，也为河流生态修复的结果提供了有效的评估工具。该方法在国外有着广泛的应用 ，而在国内尚未见其应用。对此方法进
行详细的阐述，给出国外应用的例子。最后指出在国内应用的前景和需要注意的问题。
关键词：IFIM；生态环境需水 ；栖息地；模拟；生态修复评价
文章编号 ：1000．0933(2006)05．1567．07 中图分类号 ：P33，X171．1 文 献标 识码 ：A
Review on Instream Flow Incremental Methodology(IV~V1)and applications
YING Xiao—Ming1， LI Linghz L1
． Ce r加 EcoIEⅫ memn王M0dem ，Hoh University，Na 曙 210098；2．sc}10oI En垂 ^ ，
University ofQ mfn ，St Lucia，QLD4172 Australia)．Acta Ecoiogica Sinica，2006，26(5)：1567—1573．
Abstract：Instream Flow Incremental Methodology(IFIM)has been developed to assist decision—making in fiver system planning，
protection and management．The methodology consists of a series of hydraulics，water quality，hydrology and ecology models as
well as various methods for simulating quantitative relationships between the discharge and habitat availability．Th is method
provides not only a scientific basis for rational alocation of water resources but also an effective means for evaluating programs of
fiver ecological restoration．W hile the method has been utilized widely ove~eas，its application in China has not been reported．
Th is paper introduces the method in detail and illustrates its application based on an example．Finally the paper discusses the
prospect of the method’S application in China and problems that may need to be addressed．
Key words：IFIM；eco—environmental water demand；physical habitat；modeling；ecology restoration evaluation
随着社会和经济的发展 ，人们逐渐意识到健康河流生态系统的重要性。围绕恢复和维持健康 的河流生态
系统 ，开展了一系列河流生态方面的理论研究和工程应用。人们不再只考虑生产用水和生活用水，开始重视
生态用水；为恢复生物多样性 ，开始河道生态修复 ，重现生境的多样性。早期研究生态环境需水量 的相关方法
有水文学方法和水力学方法等 ，其中蒙大拿方法由于简单实用 ，成为美 国第 2种最常使用 的方法 。水文学
方法和水力学方法提供了最小需水量(minimum flow)，当天然来流量低于这个值时，不允许其它方面的用水。
最小流量存在一个严重问题 ，当水用户对他们的需要作增加的评估时 ，例如，一个灌溉区域 ，能计划到灌溉面
积任何增加 的水量需要 ，但 生物学 家却不能对不同灌溉面积情形 下增 加的水量对河 流生 态的影 响做 出评
价 。在干旱时期 ，最小河道内流量并不能提供河流资源充分的保护 ，在丰水时期，它也不能为有最佳 的鱼种
数量创造机会 。因此 ，需要一种能够量化河道内流量增加变化带来的影响并能评价水资源分配的方法。
1 IFIM 方法的来源
在 20世纪 70年代末 ，美 国鱼类和生物服务调查中心(US Fish and Wildlife Service)构思和开发了河道 内流
基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目(50425926)
收稿 日期 ：2005．06．16：修订 日期 ：2006—03．10
作者简介：英晓明(1979一)，男 ，辽宁昌图人，硕士生，主要从事河流生态环境模拟研究．E．mail：xmying2005@yahoo．corn．cn
Foundation item：The project was supported by Chinese National Outstanding Youth Fund(No．50425926)
Received date：2005·06·16：Accepted date ：2006·03·10
Biography：YING Xiao-Ming，Master candidate，mainly engaged in water eco·environmental modeling．E·mail：xmying2005@ yaho ．eom ．cn
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生 态 学 报 26卷
量增加方法 I兀M(Instream Flow Incremental Methodology)，该方法是用于河流规划、保护和管理等的决策支持体
系，由一系列水动力、水质、水文、生态等专业模型和各类方法组成，通过将水力学模型和生物信息模型结合，
建立流量和鱼类适宜栖息地之间的定量关系，再由水文模型确定栖息地时间序列，为水资源规划提供科学的
依据 。由于 IFIM法以栖息地模拟为主，因此可以用来评价河道修复的效果 ]。IFIM法的栖息地模型或
类似方法不仅在美国，而且在法国，德国，日本和英国等国家也得到了广泛的应用 ]。
IFIM法选择鱼类作为指示物种，一方面由于鱼类处于水生生物群落食物链的顶层，对环境的变化最为敏
感，作为顶级群落的鱼类，对其它类群的存在和丰度有着重要作用 ；另一方面，它与人类的关系十分密切，对
人类有着食物、科研、美学价值等作用。流量、栖息地和鱼种产量之间的关系十分密切，在缺少种群数量记录
的情况下，可以通过建立可利用的栖息地的数量和质量与流量之间的关系，评价流量变化和栖息地管理对鱼
类栖息地的影响。鱼类栖息地是指鱼类能够正常生活、生长、觅食、繁殖以及进行生命循环周期中其它重要组
成部分的环境总和。影响鱼类生存的因素包括非生物因素和生物因素。非生物因素主要包括 ：微生境
(microhabitat)因素水深、流速、基质、覆盖物，中生境(mesohabitat)因素河道形态(深潭、浅滩、急流等)，大生境
(macrohabitat)因素水质、水温、浊度和透光度等。生物因素主要包括：食物链的组成和食料种类丰度等。通常
所说的栖息地是指物理栖息地 。
IFIM方法是一个理论体系框架，通过模拟物种可利用栖息地和流量之间的关系，为水资源规划提供依
据。它本身并不产生特定的河道内流量值，而是通过用水用户各方通过协商确定。虽然国内有些文献n “ 也
提及了IFIM方法，但并不详尽。因此，本文着重阐述栖息地的模拟过程。
2 栖息地模拟
栖息地模拟过程为：微生境模拟、大生境模拟、栖息地整合和确定栖息地时间序列。
2．1 微生境模拟
微生境模拟模型以物理栖息地模拟模型 PHABsIM(Physical Habitat Simulation Mode1)为主，随着对 IFIM法
的研究不断深入，又出现了 RHABSIM、EHVA、RHYHABSIM ¨和 River-2D【7 等模型。各种模型模拟栖息地的思
想基本相同，下面以 PHABSIM模型为例介绍微生境模拟过程。
2．1．1 准备工作
(1)确定研究物种 首先确定在被选河流中要研究的典型鱼种及其生命阶段，然后绘制该鱼种的生命阶
段历史的周期图表，以此明确研究的时间和物种生命阶段。
(2)确定河段和设置断面 研究河段设在鱼种对流量敏感的地区，依据鱼种中生境类型设置断面。
(3)栖息地映射(mapping) 栖息地映射用于通过计算在研究区域内中生境类型(深潭，浅滩等)的比例，
决定在评价每个河段的栖息地可利用面积(WUA)时，不同断面应赋予的权重。
(4)划分单元 一个断面内划分成间隔相等的若干个单元，一般划分的单元应包含河道形态变化明显的
地方。
(5)测定流量 在水文站处测定至少3个流量，通常选择年内高、中和低流量作为率定流量。
(6)数据采集 沿断面与河流垂直方向，测定每个单元中线处的水深、流速、基质(substrate)、覆盖物
(cover)的组成和河床底高程以及每个断面的水质和水温。为便于计算，用数字表示基质和覆盖物的不同组
成 。对于鱼种的取样 ，依栖息地适宜性标准而定 ，将在确定适宜性标准中阐述。
2．1．2 确定适宜性标准 栖息地适宜性指标 HSI(Habitat Suitability Indices)定量一个物种的特定行为，是 IFIM
法的生物学基础，其模拟的真实性和准确性对于栖息地模拟的成功起着关键的作用。栖息地适宜性标准将鱼
种的数量和微生境影响因子(水深、流速、基质和覆盖物)关联，用 0～1之间的数值表示影响因子对鱼种的影
响，对于影响因子最适宜鱼种生存的情况，赋予数值为 1；最不适宜鱼种生存的情况，赋予数值为0。
栖息地适宜性标准有3种：二元格式(binary format)(图 1)，单变量格式(univariate format)(图2)和多变量格
式(multivariate format)。二元格式只有两个值，影响因子适宜鱼种生存的范围对应数值为 1，不适宜对应数值
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为0。单变量格式克服了二元格式缺少中间状态的缺点，是单个影响因子的适宜性连续曲线。多变量格式同
时计算一个计算单元内几个变量的适宜性值。单变量适宜性曲线是普遍应用的格式。但 目前研究工作也应
用了双变量格式⋯ 和多变量格式 。双变量格式考虑水深和流速之间的相关性，采用回归方法拟合成双变
量函数。多变量格式应用了模糊理论。多变量格式考虑影响因子之间的相关性，符合实际情况，具有较好的
应用性。尽管多变量格式有多种优点，但 PHABSIM并不支持多变量格式。
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影响因子 Efective factor
图 1 二进制适宜性曲线(引自文献[5])
Fig．1 Binary habitat suitability curve(adapted from[5])
影响因子 Efectivefactor
图2 单变量适宜性曲线(引 自文献[5])
Fig．2 Univariate habitat suitability curve(adapted from[5])
确定单变量栖息地适宜性曲线的方法 ：
(1)专家观点或文献曲线 这种方法的适宜性曲线来 自专家的观点或历史文献 中的曲线。其费用少 ，节
省时间。但该方法不是从数据中得到，缺乏一定的可靠性。
(2)栖息地使用(utilization)曲线 该 方法直接从对 目标物种特定生命阶段的栖息地使用观察 中得到 ，以
测量的微生境特性的频率分布为基础。在研究河段内，确定所有适合鱼种生存的位置，然后通过潜水员水下
观察或电击的方式 ，对随机选择的位置预设网格取样 ，得到每个位置鱼种 的数量。对于每一个取样位置 ，测量
在网格四个角处的栖息地属性(即水深 ，流速 ，基质和覆盖物等数据 )，然后求平均值。取样结束 以后，建立 目
标鱼种生命阶段使用的栖息地原始数据频率柱状图(图 3)，使用频率值为落在区间内观察到的鱼种数量与总
数量的比值。包含最大数量的鱼种对应区间中心值的适宜性值为 l，其它区间中心值的适宜性值由频率图的
相对 比值确定 。最后用这些数值绘制单变量栖息地适宜性曲线。该方法取 自数据，具有一定的可靠性。由于
在没有最佳栖息地 的条件下 ，物种能忍耐质量一般的栖息地 ，这使得对于将物种经常使用 的栖息地确定为最
佳栖息地令人质疑 。
譬
j
2
褂
O_3
O．2
O．1
O
水深Depth(m)
0．4
0．3
善0．2
褂 O．1
O
0 0．4 0．8 1．2 1．6
流速 Velocity(m／s】
图3 水深和流速使用频率分布(引自文献[15])
Fig．3 Distribution of sampling depth and velocity(adapted from[15])
(3)栖息地偏好(preference)曲线 这种曲线给出使用栖息地和可用栖息地的组合，用来减少与环境可利
用性相关的偏见。鱼种取样方式同前。已有许多数学指标用于计算栖息地偏好值。最常用的公式如下 ¨， ：
p 一
‘一 A．
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式中，i代表栖息地影响因子的第 i个区间；P是栖息地影响因子未正则化的偏好值；U是栖息地影响因子的
使用比例，它等于区间内观察到的鱼种的数量除以鱼种的总数量；A是栖息地影响因子的可用比例，它等于落
在区间内的影响因子的数量除以观察到的影响因子的总数量。经过正则化后得到影响因子每个区间的适宜
性值。最后用回归方法模拟出该影响因子的适宜性曲线。该方法考虑了栖息地的可利用性，但在高流速下却
对使用曲线修改较多，例如，当栖息地使用值和可利用值都接近于 0时，栖息地使用值很小，但偏好值却很大，
这与实际不符。Hampton[1 为了减少无关因素的影响，对在 90％的置信区间内包括90％使用观察的每个频率
分布应用了非参数公差限制，使用落在 90％的置信区间的那些频率值，重新计算使用标准和偏好标准，结果
较好 。
2．1．3 水力模拟 PHABSIM以一维水力学公式为基础进行水力模拟 ，模拟水深和流速 ，适用于断面和水力糙
率变化缓慢的稳态水流。水深的计算来自程序中模拟的水表面高程。水位模拟假定同一断面的水表面高程
相同，其模拟有 3种方法：①水位流量关系法②曼宁方程法③水表面轮廓法。流速使用曼宁方程进行模拟。
2．1．4 栖息地模拟 栖息地模拟基于以下假定Ll ：①栖息地适 宜性是流量的函数 ，且与物种数量之间存在
一 定的比例关系；②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，它们之间
相互影响，共同确定河流微生境条件；③河床形状在模拟的过程中保持不变。
栖息地模拟利用栖息地适宜性曲线得到每个单元影响因子的组合适宜性值，利用公式(2)计算研究河段
总的微生境适宜性，并称其为加权可利用面积 WUA(Weighted Usable Area)：
n
WUA= ：CSF( ，D ，C )×A。／河段长度 (2)
式中，WUA是研究河段每单位长度的微生境适宜性；CSF( ，D。，C。)是每个单元影响因子的组合适宜性值，c
是河道指标，包括基质和覆盖物；A 是长度为有效断面距离的每个单元水平面积。栖息地组合适宜性值确定
有 3种公式 ：
CSF。= ×D。×C。 (3)
CSF ： ( ×D ×C。)“ (4)
CSF ： ，Ⅳ( ，D。，C。) (5)
公式(3)将影响因子的适宜性值相乘，体现了它们的综合作用结果。公式(4)考虑当某一影响因子较为不利
时，组成栖息地值影响因子之间的补偿影响。公式(5)将最不适于鱼种生存的影响因子适宜性值作为组合适
宜性值。
2．2 大生境模拟
大生境模拟主要模拟水温、溶解氧、氨氮、有毒物质等。在鱼类的生活条件中，温度是一个极其重要的因
素。温度是影响鱼类产卵和饲养的适宜性的重要水质参数。鱼类成熟和产卵开始的时期，主要取决于水温的
高低 ，一般都在 18％开始产卵 ¨。水温可以用 SSTEMP模型模拟。而其它如氨、氮等物质，含量过高会引起
富营养化，影响鱼类等水生生物的生存。水质模型比较多，如 QUAL一2E等。
2．3 栖息地整合
将大生境和微生境模拟结果整合到一起，有两种方法：二元法和数值法。
2．3．1 二元法 二元法是整合大生境和微生境的最简单的方法。在这种方法下，大生境适宜性标准是二元
格式，即要么适宜要么不适宜。此时，在每个模拟流量下，从大生境模型中得到的结果是目标物种的适宜河段
长度。对于研究的河流部分，总的栖息地面积计算如下：
HA(Hl2)： ．s (km)·WUA(m2／km) (6)
式中， 是在流量 Q下研究河流的目标物种总的栖息地适宜面积，乩 是在流量 Q下有适宜的水质和水温的
河流的长度(同时满足水温和水质适宜)，WUA是在流量Q下物种的每单位长度的微生境适宜性面积。
2．3．2 数值方法 数值方法使用单变量格式的标准，该方法的适宜性值在 。和 l之间连续变化。变化的数
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5期 英晓明 等 ：河道 内流量增加方 法 IFIM研 究及其应用
值范围允许多种标准的使用。以水温为例，为了将给定流量下的大生境和微生境整合到一起，首先确定需要
考虑温度的河流长度(例如 lkm)。温度适宜性值从温度标准曲线内插得到，用于计算该段河流的总的栖息
地 ：
n
HA(Q)= ：(WUA(Q))(SI( ))(厶) (7)
百
式中， 是在流量 Q下河段的总的栖息地适宜面积，WUA 是在流量 Q下单位长的微生境适宜性面积，
S，( )是在流量 Q下第 小段河流的温度适宜性值， ㈩是第 小段河流的长度。
2．4 确定栖息地时间序列
将不同流量下的总的栖息地可用面积计算好以后，便可以绘制 HA与流量关系曲线。利用流量与时间的
关系和栖息地可用面积与流量之间的关 系，可以得到栖息地可用面积与时间的关系和栖息地可用面积持续时
间曲线。产生栖息地时间序列可以使用 TSLIB模型 ，或者 自己编写程序 。HA与流量之间呈非线性关系 ，曲线
的峰值对应的流量是鱼种某一生命阶段 的最佳需水量。尽管 HA和流量之间的关系可 以直接使用 ，尤其对栖
息地修复评价十分有用 ，但最佳需水量持续时间短 ，实测表明，该流量仅 占一个月时间的 10％ ～15％ ，持续
时间短暂的栖息地对于鱼种来说 ，并没有多大的意义，因此要建立栖息地可用面积持续时间曲线。从栖息地
可用面积与时间关系曲线上，可以看出超过某一水平的 HA在给定时间内分布的概况。从栖息地可用面积持
续时间曲线上，可以得到某一时间保证率的 HA，进而得到 HA对应的一个低流量，便于水资源规划使用。在
下面的例子中，将会体现出如何使用栖息地模拟结果。
3 国外应用的例子
在英国，地下水和地表水资源 的开发 已经引起 了许多地下水主导 的河流的低流量问题。由于公众和灌溉
用水而抽取地下水 ，导致 了英 国南部 白垩河含水层变干。以往土地利用和洪水 防御工程等的河流管理已经使
河流栖息地质量发生 了较大变化。在人们 的生态意识 提高后 ，开 始 了河 流生态保 护和 生态修复 的工作。
Eliot等 运用 IFIM法 ，使用 PHABSIM模型 ，为解决英 国地下水 主导的河流——艾伦河和比斗河的水资源 规
划问题提供了依据 ，并对韦河河道修复的结果作出了评价。
3．1 应用 IFIM／PHABSIM解决水资源问题
研究鱼种为褐色鲑鱼。由于艾伦河和比斗河的水温有利于褐色鲑鱼的生长 ，食物没有成为 限制因素，物
理栖息地成为决定褐色鲑鱼数量的主要因素。因此模拟结果是物理栖息地可利用性和流量之间的关系，并通
过使用在 由于抽取地下水导致流量减少和没有减少两种情况 下的流量时 间序列 ，建立栖息地时间序列 ，以此
评价 由于流量变化导致 WUA的变化。在艾伦河中褐色小鲑鱼栖息地模拟结果如图 4所示。
从图中可以看 出，在天然流量(没有取水)条件下超过 70％时间(1970～1992年 )的小鲑 鱼的栖息地可用
面积大约是 2000m ／km。在有人类活动 (取水 )的流量下 ，相 同超过数水平 的栖息地 的面积小 于 1000m2／km。
因此 ，从 1970到 1992年的 30％时间，在艾伦河河段 ，由于人类取水引起天然条件下鲑鱼的可用栖息地的减少
量超过 了50％。
在艾伦河上研究结果表明，小鲑鱼栖息地主要受到取水 的影响。根据该项研究结果 ，英 国国家环保局和
博内茅斯水公司之问进行协商，最终达成河流取水量减少 50％的协议。
3．2 使用 PHABSIM评价栖息地重建方案
1994到 1995年 ，韦河进行了提高物种可用栖息地的重建工程，通过减少河道在低流量下的容量增加河道
形态的多样性和砂砾基质的可利用性。研究鱼种有 3种 ：成年 白鲑(chub)，成年褐色鲑鱼 (brown trout)和成年
斜齿鳊(roach)。在工程进行之前(1993年)和之后(1996年)，分别采集了数据，对 PHABSIM模型进行了率定。
在工程前后某一流量下水深 、流速和基质覆盖的对 比表明，方案已经使这 3个物理栖 息地参数的多样性
得到了增加。将工程前后 3个物种的可利用栖息地和流量之间的关系比较，结果表明，尽管可利用的栖息地
发生了一些变化，但主要的增加并不理想。例如，成年鲑鱼可利用栖息地整体上下降，但在低流量下，只是微
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生 态 学 报 26卷
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超过某一水平WUA的时间(％)
Time WU exceed
图4 栖息地可用面积与流量和时间关系曲线[6]
ng．4 Temporal variations of habitat suitability area and discharge[
量的减少。在低流量下，成年白鲑可利用栖息地没有什么变化，而后随着流量增加而减少。成年斜齿鳊可利
用栖息地在低流量和中等流量范围内增加。工程前后种群数量的研究表明，成年白鲑种群数量下降，而另外
两个鱼种种群数量增加 ，这支持 了 PHABSIM的研究结论。
4 结束语
随着全球生态意识的提高，国内也开始了河流生态方面的研究工作。我国不仅面临着水资源短缺的问
题，也面临着以往忽视河流生态系统健康需要的工程带来的水体污染、河道生境多样性和水生生物多样性下
降等严重问题。为了解决这些问题，人们开始研究生态环境需水量和河流生态修复的理论和技术方法。国内
在河流生态方面的研究上，处于起步探索阶段。如何科学合理的分配生产、生活和生态用水，如何利用水库调
节河流生态环境需水量，如何对河流生态修复后的结果做出有效的评价，在国内尚未研究出一个有效的方法
之前 ，IFIM法是一个很好的选择。
IFIM法研究水量 、水质和水生生物之间的关 系是 以水体 污染较轻为基础 的，在 水体污染严重 的地方，必
须先解决河流污染问题，在恢复河流水质达标的基础上 ，才能够应用 IFIM法。IFIM方法得到的结果是栖息地
可用面积与流量之间的关系 ，但不能由此认为栖息地可用面积越大 ，物种数量就一定很多。在使用 IFIM法研
究河流生态环境需水量时，必须有充分的流量时间关系数据 。在 IFIM法中，有多种模 型可以使用 ，水力模型
从一维到三维 ，均可以根据研究需要选用。如何在栖息地模拟输 出结果和鱼种产量之 间建立有效 的关系，如
何将栖息地动力学与鱼种群和群落特征动力学关联起来等方面的研究是当前 IFIM研究的主要方向 J。河流
生态环境需水量不仅有生物需水量，还有维持河流系统水沙平衡需水量 等，在决定某一时段河流生态环境
需水量时，要综合考虑。
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