黄河水量统一调度实施前后河口三角洲生态环境变化研究

生态环境 2006, 15(5): 1046-1051 Ecology and Environment E-mail: 基金项目： 资源环境与地理信息系统北京市重点实验室开放基金 项目； 国家自然科学基金项目（ 40272105） 作者简介： 王晓燕 （ 1967）， 女 ， 教授 ， 博士 ， 主要从事水资源与水环境方面的研究工作。 E-mail: 收稿日期： 2006-03-13 黄河水量统一调度实施前后河口三角洲生态环境变化研究 王晓燕 1，张长春 2，魏加华 3 1. 首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100037； 2. 水利部国际经济技术合作交流中心，北京 100053； 3. 清华大学水利系，北京 100084 摘要： 全流域水量统一调度是缓解黄河断流，维护流域生态环境的重要举措 。水量调度效果如何，河口生态环境变化状况是非常重要的衡量指标。 文 章 提出了评价水量调度效果的河口生态环境对比指标，并尝试运用遥感技术、水文数据和调查资料，对比分析了水量调度前后河口三角洲生态环境变化情况。 结果表明，黄河水量统一调度后，河口三角洲最小河道生态基流在非汛期基本得到满足，断流现象不再发生，径流入海率和输沙入海量有所增加，淡水湿地面积逐渐增多，物种多样性明显得到改善。这反映出黄河流域水量统一调度后，河口三角洲生态环境正逐步恢复。 关键词： 水量调度 ； 生态环境 ； 遥感 ； 黄河三角洲 中图分类号： P333.1 文献标识码： A 文章编号： 1672-2175（ 2006） 05-1046-06黄河对河口生态环境作用明显，黄河水能否满足河口生态基本用水需要，是实现河口生态稳定的基础条件。但 20 世纪 80 年代以来，进入河口地区的水量逐年减少： 1986 2001 年间，距入海口 100 多 km 的利津水文站年实测径流量仅 120 亿 m3，只有多年均值的 36%，其中 1997 年利津实测径流量只有 18 亿m3，而且断流时间越来越长。黄河尾闾来水的减少，造成了三角洲大片淡水湿地长期处于干旱或半干旱状态，致使河口天然淡水湿地萎缩速度加快，典型生境遭到破坏，植被退化或演替中断，大量珍稀保护动物濒临灭绝、生物多样性的保护面临重大威胁。为缓解黄河断流，维护三角洲生态环境， 1999 年 3 月起，黄河流域正式实施水量统一调度。 水量调 度实施效果如何，河口生态环境状况是评价的重要方面。因此，建立河口生态环境评价指标，对河口生态环境进行评价很有必要 1-2，立河口生态环境评价指标的研究正成为研究热点，如孙涛等 2提出了河口生态系统健康指标和河口生态系统恢复评价指标； Ferreira3考虑系统抗干扰能力、水质、沉积特性和营养动力学等方面建立了河口质量综合评价方法； Roy 等 4通过比较河口结构和功能的关系，对河口健康指标，如溶解氧、物种丰度和物种多样性等进行了研究 , 认为河口管理应当综合考虑人类活动的生物学和生态学影响。本文主要研究 了与水量有关的指标：河道最小生态需水量满足程度、断流时间率、径流入海量占年均河道径流量的比例、水质、湿地类型及其面积变化、生物多样性等，并比较分析了流域水量调度前后河口生态环境的变化状况。 1 河道最小生态需水量满足程度 水量调度一方面要促进流域经济的发展，另一方面要解决黄河断流以及断流所引起的生态环境问题。水量统一调度后河口生态需水量是否得到满足是关系河口生态环境能否改善的很重要的方面。河道生态需水量的概念、内涵及计算方法等是研究的热点，目前有大量的研究成果 5-8，在此不再详述。河道最小生态需水量满 足程度指河道径流量满足河道最小生态需水量的程度，本文对黄河下游河道最小生态需水量按文献 9-12的计算成果考虑，利津断面生态基流量大致在 100 m3/s 左右，可按 100 m3/s统计分析利津断面水量统一调度前后河道最小生态需水量满足程度。 表 1 为利津断面水量统一调度前后流量过程和全年水量。表 2 为按利津断面实测流量大于 100 m3/s、小于 100 m3/s 和断流三种情况进行统计。流量大于 100 m3/s 表明流量满足河道最小生态需水，小于 100 m3/s 表明基本满足河道最小生态需量，断流表明生态环境受到严重威 胁。表 3 为黄河流域1999 年 2003 年主要水文站来水量。 对比表 1、 表 2 和 表 3 可看出，从 2000 年全流域水量统一调度以来，河口全年水量和流量过程发生了变化。在水量统一调度实施前，即使在来水相对较多的时段，如 1998 年、 1999 年上半年，黄河利津断面仍然发生了断流；水量统一调度后，即使在来水特别偏枯的时段，如 2000 2002 年，利津断面仍保证了最基本的流量，河道没有断流，基本达到河流最小生态流量要求，并且非汛期入海水量明显增加，这有利于河口生态环境的改善。 王晓燕等： 黄河水量统一调度实施前后河口三角洲生态环境变化研 究 1047 表 1 水量统一调度以来利津断面流量过程和汛期、 非汛期及全年水量 Table 1 The discharge process in flood season and non-flood season and the water quantity for whole year at Lijin section since water regulation 时间 流量 /(m3s-1) 径流量 /(亿 m3) 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 全年 全年 1998 1999 869 1527 661 65.8 128.7 181 183 1.8 127 103 57 128 336.0 107.3 1999 2000 752 223 247 451 179 116 115 130 95.2 67.7 52.2 37.4 205.5 65 2000 2001 177 114 103 252 425 274 358 265 240 109 74 52.4 203.6 64 2001 2002 118 209 60 89 145 48 87.9 46.9 45.3 57.8 66.3 70.3 86.96 28 2002 2003 929 61.3 55.2 49.0 53.2 44.1 31.0 31.2 38.0 31.0 37.0 58.4 118.2 38 2003 2004 494 151.8 116.4 210.2 200.6 120.6 148.0 118.3 104.6 66.4 57.4 54.6 153.6 231.1 表 2 河道最小生态需水量满足程度 Table 2 The contented degree for minimum ecological flux in watercourse 时间 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 a b c a b c a b c a b c a b c a b c a b c a b c a b c a b c a b c a b c 1998 10 21 3 25 5 3 23 7 10 13 14 17 7 20 3 19 12 31 4 20 6 3 13 15 8 21 1 4 21 6 1999 4 27 4 24 6 15 10 15 15 21 6 4 20 10 9 22 14 17 7 23 2 29 4 26 19 12 2000 13 18 8 21 17 14 26 4 30 1 30 16 15 15 16 21 9 10 21 30 30 2001 31 28 8 23 12 18 26 5 30 16 15 13 18 29 1 22 9 8 22 26 5 2002 24 7 28 30 1 30 31 24 6 8 23 31 30 31 30 31 2003 31 28 31 30 31 26 4 16 15 2 29 30 31 30 31 2004 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31 注： a 指流量小于 100 m3/s 的天数， b 指流量大于 100 m3/s 的天数， c 指断流天数。 表 3 黄河流域主要来水站 1999 2003 年来水 Table 3 The discharge in the main hydrological station of Yellow River Basin during 1999-2003 时间 水文站 流量 /(m3s -1) 径流量 /(亿 m3) 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 全年 汛期 1999 唐乃亥 153 184 225 284 361 1530 2290 1360 855 1120 553 237 241.87 149.92 龙刘区间 45.7 46.8 44.3 37 51.5 149 432 252 156 192 114 69.4 42.06 27.51 刘兰区间 43.9 50.2 36 35.9 38.3 203 380 286 206 122 70.3 53.4 40.27 26.45 河龙区间 90 128 78 168 29 28 106 40 145 77 -67 178 26.24 9.74 华县 26.9 28.8 14.0 45.5 198 160 504 63.9 90.2 212 77.3 30.0 38.46 23.23 河津状头 10.7 9.6 3.9 13.1 16.7 15.4 72.9 22.2 23.6 27.0 22.2 7.0 6.46 3.88 黑石关 35.8 17.8 29.1 30.5 56 59.7 42.6 15.4 22.7 28.5 27.4 15.5 10.04 2.91 武陟 0 0 0 0 0 0.283 12.4 9.43 6.91 15 7.83 1.47 1.42 1.17 合计 406.80 244.8 2000 唐乃亥 170 157 192 386 440 981 766 743 828 671 358 170 154.40 79.85 龙刘区间 48.2 46.4 59.6 71.0 69.9 117 89.8 93.4 157.1 196 93.9 66 29.19 14.23 刘兰区间 42.49 42.42 52.1 79.3 86.2 166 172 254 272 149 72.6 55.2 38.03 22.44 河龙区间 97.2 56 -182 180 106 -16 190 76 31 109 8 59 18.83 10.86 华县 30.9 37.2 30.2 43.5 10.7 132 138 177 123 403 156 63.8 35.54 22.42 河津状头 8.8 9.5 3.0 7.7 1.5 14.4 33.3 28.2 17.5 39.0 30.0 13.1 5.43 3.15 黑石关 12.4 10.2 7.84 7.97 6.68 18.6 70.1 124 59.3 61.8 68.1 66.8 13.60 8.39 武陟 0 0 0 0 0 0 45.6 25.6 14.5 33.6 24.4 8.49 4.04 3.18 合计 299.06 164.52 2001 唐乃亥 83.8 80.2 110 238 357 643 407 336 516 562 263 111 97.65 48.33 龙刘区间 47.1 49.5 43.4 48.6 73.8 101 127 166 396 270 132 81 40.41 25.34 刘兰区间 48 45.2 41.9 54.8 45.01 60.9 208 157 253 164 79.3 58.4 32.05 20.72 河龙区间 39.7 90 41 53 34 21 59 132 215 162 50 133 27.04 15 华县 53.8 58.8 30.5 62.7 47.5 8.59 44.1 92.1 237 223 98.2 39 26.15 15.76 河津状头 10.4 12.5 5.3 6.8 4.7 2.5 29.0 58.9 34.4 35.9 20.3 8.4 6.05 4.21 黑石关 40.6 41.8 30.9 10.2 9.73 14.1 22.7 23.7 17.5 22.8 28.4 19.7 7.39 2.31 武陟 2.56 4.32 5.08 0.007 0 0 35.7 28.2 7.86 8.82 10.8 9.61 3.00 2.15 合计 239.74 133.82 1048 生态环境 第 15 卷第 5 期（ 2006 年 9 月） 同时也可看出，在前 4 年的统一调度下，由于 来水偏枯，进入利津断面的径流量年均只有 48.75 亿m3，仅仅能满足河道不断流的最小生态需水量，距满足生态意义上的河口需水尚有一定差距，这说明在枯水年时，通过合理调度，可以保证河流不断流，但仅能维持生态环境现状，使生态环境不继续恶化。2003 年后，进入利津断面的流量发生了较大变化，年径流量达 231.1 亿 m3，特别是非汛期河口来水量增幅非常大，这不仅满足了河口最小生态需水量，而且还基本满足了防止河道淤积所需的输沙需水量，这说明在来水量较丰的条件下，通过全流域的合理调度，基本可以满足河口生态环境的需水要求。 2 断流时间率 断流时间率是断流时间占一年总时间的比例，它主要反映河口生态系统的开放性、功能协调性以及河 口径流量的时间分配，即反映了生态系统与其他系统交流的能力。在 年 径流量相同条件下，河口断流时间相对较短时径流量分配相对合理，系统开放性强。若一年中断流时间比在 10%以内，则系统开放性较好，径流量时间分配合理，若断流时间比大于 85%，则系统开放性非常差，径流量时间分配极不合理。从黄河流域实行水量统一调度前后断流时间对比上看， 1997 年全年断流 226 d，断流时间率为 62%， 1998 年断流 142 d，断流时间率为 40%，1999 年断流 42 d，断流时间率为 12%，水量统一调度后，下游河道就没有断流过。可见，水量统 一调度实施前，河流系统开放性较差，径流时间分配不合理；水量统一调度后， 径流时间分配合理， 系统开放性较好，这显然对 维持和改善 河口生态环境 极为 有利。 3 径流量入海率及其输沙量 径流量入海率是入海水量与河道径流量之比，它 反映河口生态系统中水循环量的相对大小及河口生态系统生物栖息地的规模。该指标主要从生态系统的结构完整性和稳定性两方面评价系统状况。若径流量入海率在 10%以下，则表明河口生态系统的结构完整性和稳定性较差，若在 70%以上， 表 明其结构完整性和稳定性较好。径流量入海率的比较从调度前的 1997 年开始，以花 园口断面的径流量代表河道年均径流量，利津断面的径流量代表入海水量，具体计算结果见表 4。从表中可看出，统一调度之后径流量入海率逐步有所提高。 2003 年、 2004 年的径流量入海率达到了 70%以上，反映出河口生态系统的结构完整性和稳定性可以恢复到较好级别。 入海水量的变化在河道输沙量方面会有比较明显的体现。图 1 为利津断面输沙量变化图，从图中可看出， 1950 年到 2000 年，输沙入海量 总体呈续表 3 时间 水文站 流量 /(m3s -1) 径流量 /(亿 m3) 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 全年 汛期 2002 唐乃亥 122 138 171 243 300 782 796 400 382 335 200 126 105.26 50.91 龙刘区间 54.8 56.6 50.2 52.7 175.0 186 99.9 87.7 74.7 52.8 39.3 36.4 25.43 8.34 刘兰区间 47 49.7 43.3 65.5 95.5 202 221 188 155 77.7 65.2 52.2 33.23 17.04 河龙区间 -3.2 17 102 53 24 237 253 169 88 87 92 137 33.20 15.93 华县 26.9 47.7 39.2 51.5 123 250 106 156 87.0 54.7 46.7 21.4 26.55 10.74 河津状头 8.7 10.7 4.5 4.3 21.8 45.2 47.9 20.7 33.6 24.5 15.8 6.4 6.42 3.37 黑石关 21.6 8.08 8.96 8.99 32.9 28.4 41 26.7 41.7 25.8 23.5 20.1 7.60 3.59 武陟 1.75 1.08 0 0 8.65 1.28 4 1.16 9.27 3.51 6.45 1.53 1.02 0.47 合计 238.72 110.41 2003 唐乃亥 89.6 103 148 214 372 514 790 1180 1450 970 154.02 116.33 龙刘区间 27.8 32.8 45.5 39.8 90.2 69.3 113 356 336 405 40.13 32.13 刘兰区间 42.1 40 36.1 54.1 114 128 236 399 358 202 42.52 31.69 河龙区间 35 70 100 60 50 80 150 280 200 300 35.01 24.74 华县 36.8 36.9 29.7 78.2 77.1 18.3 146 420 1160 1100 81.93 74.69 河津状头 11.8 13.3 5.8 10.7 11.5 10.0 27.0 107 138 207 14.35 12.72 黑石关 16.3 13.5 20.4 14.4 15.8 23.7 82.3 116 587 455 35.43 32.71 武陟 0.69 3.6 8 1.16 2 1.99 17.2 73 176 266 14.56 14.1 合计 417.95 339.11 表 4 水量统一调度前后入海水量之比 Table 4 The ratio of water flowing into the sea before and after water regulation 年代 花园口 /(亿 m3) 利津 /(亿 m3) 入海量占年 均河道径流量比例 1997 142.6 18.61 0.13 1998 217.9 106.1 0.49 1999 208.5 68.36 0.33 2000 165.3 48.59 0.29 2001 165.5 46.5 0.28 2002 195.6 41.9 0.21 2003 272.7 192.6 0.71 2004 240.8 198.3 0.82 王晓燕等： 黄河水量统一调度实施前后河口三角洲生态环境变化研 究 1049 减少趋势，到 2000 年以后，由于流域水量统一调度，入海水量逐步增加，结果输沙入海量呈增加趋势。表 5 为黄河下游河道统一调度前后的冲淤状况。 从表中可看出，水量统一调度前，下游全河段均淤积，统一调度后，花园 口 高村河段一直处于冲刷状态，全下游从 2003 年之后处于冲刷状态。由于输送入海沙量的增加，自 2002 年后，黄河三角洲 的湿地面积开始增长，特别是 2004 年陆地向大海推进了 1.5 km，在黄河入海口处新增湿地 超过 667 hm2， 改善了河口 湿地生态系统。 4 水质状况 水质也是反映河口水生态环境状况的重要指标。水质较好，可提高浮游生物和水生生物的生物量。入海口的利津断面，水质主要变化于 III 类与IV 类之间。表 6（下页） 为黄河利津断面 2002 年 8月到 2005 年 7 月水质月变化情况。从表中可看出，自 2002 年到 2005 年利津断面水质有变好趋势，符合 III 类水质的月份增多， 2005 年 1 7 月中有 4 个月水质均符合 III 类标准， 2004 年有 8 个月水质符合 III 类标准， 2003 年有 4 个月水质符合 III 类标准。说明水量统一调度以来，河口水质达标的时间增多。当然，水质状况与点源污染的控制排放状况有关。水量调度合理，可以增加河流的自净能力。 5 湿地类型及其面积 湿地类型及其面积也是系统稳定性和抗外界干扰能力的重要指标。如湿地范围的缩小，会使水生动物失去天然的栖息地、产卵场和索饵场；若湿地的原有结构发生改变，会使生物多样性严重丧失和水禽的栖息环境遭到破坏。总之，湿地类型和面积的不稳定变化不仅使得食物 链来源被切断，而且由于生存环境的不断恶化（如海水入侵、土壤盐渍化、湿地消失等），会造成生态系统、生物种群和遗传多样性的丧失。因此湿地类型及其面积变化也是非常重要的河口生态环境评价指标。 为分析水量调度工作对三角洲湿地的影响，本文利用遥感资料分析了 90 年代初期到 2004 年三角洲湿地类型及其面积变化情况。 黄河自然断流始于 1972 年，其中进入 90 年代断流比较显著， 10 年中有 9 年断流。因此选择 1992年的遥感影像代表出现显著断流前黄河三角洲湿地状况， 1992 年之后，连续断流直到 1999 年全流域开始实行水量统一调度 ， 2000 年至今黄河再也没有出现断流过。因此，选择 2000 年的影像代表断流结束时的湿地状况， 2004 年的影像代表水量统一调度以后三角洲湿地状况。 05101520251950 1960 1970 1980 1990 2000 2010年份年输沙量（亿t）利津 图 1 利津断面输沙量变化趋势 Fig. 1 Varition trends for transporting sediment at Lijin section 表 5 水量统一调度后下游河段冲淤量变化 Table 5 Variation of silting and discharging in the lower Yellow River after water regulation 时间 输沙量 /(亿 t) 河道冲淤量 /(亿 t) 花园口 高村 利津 花园口 -高村 高村 -利津 花园口 -利津 1997 3.72 2.07 0.164 -1.65 -1.906 -3.556 1998 5.49 4.12 3.65 -1.37 -0.47 -1.84 1999 4.79 3.79 1.92 -1 -1.87 -2.87 2000 0.835 1.16 0.222 0.325 -0.938 -0.613 2001 0.657 0.84 0.197 0.183 -0.643 -0.46 2002 1.16 1.23 0.543 0.07 -0.687 -0.617 2003 1.97 2.75 3.69 0.78 0.94 1.72 2004 2.01 2.421 2.701 0.411 0.28 0.691 1050 生态环境 第 15 卷第 5 期（ 2006 年 9 月） 表 7（下页） 是依据 1992 年 4 月 2 日、 2000 年5 月 2 日和 2004 年 5 月 13 日遥感影像图解译的东营市湿地面积变化状况。从表中可看出，三角洲湿地以天然湿地为主，并且在不同年代，即不同水沙条件下，湿地面积变化不同。 2000 年湿地总面积比1992 年少，这说明由于 90 年代黄河断流比较严重，三角洲湿地处于萎缩状态，而且主要是天然湿地在萎缩，其中萎缩较明显的是滩地、河道湿地。 其原因一方面是随着入海水量的减少，输沙入海沙量减少，如 1997 年入海沙量仅 0.164 亿 t，结果导致河口增长速度放慢，而与此同时，三角洲北部的渤海湾和东南部的莱州湾海岸却遭到了海水的侵蚀，从1992 2000 年，黄河三角洲海岸线淤积 33.7 km2，自然蚀退 74.56 km2，净蚀退 40.86 km2，除了黄河入海口地区继续淤积以外，三角洲其它岸段都有不同程度的侵蚀后退；另一方面，人类活动如养虾等对滩涂资源的利用也造成了滩涂湿地的减少，这两方面是天然湿地减少的重要原因。至于人工湿地，2000 年与 1992 年相比 ，则增加了 122.62 km2，主要是水库和养虾池等的增加。水量统一调度后，三角洲天然湿地面积明显增加，到 2004 年基本恢复到1992 年水平， 2004 年与 1992 年相比，虽然滩涂面积没有增加，但芦苇等天然湿地面积明显增加，这表明由于淡水的增加、黄河的不断流等对河口生态环境起到了较大的改善作用，同时，由于入海水量 、沙量的增加， 导致 河口延伸，新增湿地面积与 2000年相比增加了 34 km2。人工湿地基本没有增长，与2000 年相比，稍有增加，主要是修了几个水库。 总之，从湿地类型分布及面积变化上看，由于水量统一调度 ，保证了河口最基本的生态需水量，湿地萎缩的趋势得到了遏制，到 2004 年时已恢复到 1992 年建立保护区时的状况，而且调水以来，河口新生了大片淡水湿地，这为林、灌、草木的生长、湿地生态环境的恢复、湿地植被的正向演替创造了较好的条件。 6 生物多样性 生物多样性反映了生态系统的稳定性和河口生态系统生物循环状况。 据统计， 自上世纪 70 年代，尤其是 90 年代以来，黄河几乎年年断流，注入河口湿地的水量骤减，由此对黄河三角洲生态环境造成了巨大破坏：黄河三角洲湿地萎缩近一半，鱼类减少 40%，鸟类减少 30%。 1999 年 黄河水量统一调度以来，黄河实现了连续 5 年不断流，黄河水生生物的多样性得到了恢复。 2003 年，多年不见的鸟类重新出现，并由 断流前的 187 种增加到 269 种；在 2004 年，保护区内芦苇的面积已增加到了 4104 hm2；野生珍稀生物比 断流前增加了近一倍，达到了 459 种，比 4 年前增加近一倍；野生植物达 393种；鸟类增加到了 283 种。 从上面一系列数据可以看出，由于实行了水量统一调度，黄河三角洲河口地区生物多样性比断流前明显增加，生态系统稳定性得到增强， 系统抗外界干扰的能力增大， 生态环境得到明显改善。 参考文献： 1 RAPPORT D J. 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China Environmental Science. 2004, 24(3): 381-384. 3 FERREIRA J G. Development of an estuarine quality index based on key physical and biogeochemical featuresJ. Ocean and Coastal Management, 2000, 43(1): 99-122. 4 ROY P S, WILLIAMS R J, JONES A R, et al. Structure and function of South-east Australian EstuariesJ. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2001,53(3): 351-384. 5 SMAKHTIN V U. Low flow hydrology: a reviewJ. Journal of Hydrology 2001, 240:147-1861. 6 MARTIN PUSCH, ANDRAS HOFFMANN. Conservation concept for a river cosystem impacted by flow abstraction in a large postmining area J. Landscape and Planning. 2000, 51(2): 165-176. 7 DAKOVA SN, UZUNOV Y, MANDADJIEV D. Low flow-the rivers ecosystem limiting factorJ. Ecological Engineering. 2000,16(1): 167-174. 8 WILLIAN WHIPPLE. A proposed approach to coordination of water resources development and environmental regulations J. 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Variation of ecology and environment in the Yellow River Delta before and after the implementation of water resources regulation for river basin WANG Xiaoyan1, ZHANG Changchun2, WEI Jiahua3 1. College of Resources, Environment & Tourism, Capital Normal University, Beijing 100037, China； 2. International Economic & Technical Cooperation And Exchange Center, Ministry Of Water Resources, Beijing 100053, China； 3. Hydraulic Engineering Department, Tsinghua University, Beijing 100083, China Abstract: Water regulation at the scale of whole watershed is an important measure to alleviate flow interruption and protect the ecosystem environment of watershed in the yellow river. The indexes of estuarine ecosystem environment can assess the effects of water regulation. This paper mainly puts forward the comparative in