侯 琨, 王秀茹, 杜曉晴, 靳春香

(北京林業(yè)大學(xué) 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083)

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桂林市桃花江流域生態(tài)環(huán)境需水量分析

侯 琨, 王秀茹, 杜曉晴, 靳春香

(北京林業(yè)大學(xué) 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083)

流域生態(tài)環(huán)境需水量是生態(tài)系統(tǒng)的一項(xiàng)指標(biāo)，是指在一般情況下流域生態(tài)系統(tǒng)本身能夠通過自我調(diào)節(jié)來保證并維持生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量平衡以及其他基本功能正常的最小需水量。流域生態(tài)環(huán)境需水量按照河道的范圍可以劃分為兩個(gè)部分，即河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量和河道外生態(tài)環(huán)境需水量，因此在計(jì)算的過程中要分別確定這兩個(gè)方面需水量的計(jì)算范圍和計(jì)算公式。研究以桂林市桃花江流域生態(tài)環(huán)境為例，對(duì)相關(guān)的概念進(jìn)行相應(yīng)的介紹，并以科學(xué)的理論公式(主要是面積定額法和Tennant法)對(duì)該流域?qū)嶋H的生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行計(jì)算。通過計(jì)算分析，桃花江流域河道內(nèi)、外生態(tài)環(huán)境需水量分別為0.901億m3和0.146億m3，分別占流域年均徑流量的26.8%和4.3%。因此，應(yīng)通過科學(xué)管理及提高利用效率等方式，將該流域范圍內(nèi)工業(yè)及生活用水總量控制在年均徑流量的68%以下，以保證桃花江流域的生態(tài)環(huán)境安全。

流域; 生態(tài)環(huán)境需水量; 面積定額法; Tennant法

隨著我國(guó)人口數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，人類生活及社會(huì)生產(chǎn)所消耗的水資源量也在隨之增長(zhǎng)，如何保證區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水安全開始引起社會(huì)和國(guó)家的普遍關(guān)注。水資源是流域生態(tài)系統(tǒng)維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而保證流域生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境需水則是保護(hù)和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境、避免河流斷流和水土流失的重要前提，因此，以流域?yàn)檠芯繉?duì)象，正確計(jì)算并系統(tǒng)評(píng)估研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境需水量是水資源合理配置過程中的關(guān)鍵問題[1]。由于桃花江流域所處區(qū)域是典型的喀斯特地貌區(qū)，對(duì)于植被的生存和生長(zhǎng)都有一定的負(fù)面影響，導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐木G色植物覆蓋率低，泥石流、水土流失等自然災(zāi)害出現(xiàn)頻率變大。同時(shí)，桃花江流域的氣候并不穩(wěn)定，降水量的年際時(shí)空差異較大，而且由于該流域特殊的地理特征使得其調(diào)蓄能力較弱，一旦到了枯水季節(jié)桃花江就非常容易出現(xiàn)供水不足、缺水甚至斷水的情況。另一方面，隨著當(dāng)?shù)厝丝跀?shù)量和工業(yè)密集程度的增加，人類生活和社會(huì)生產(chǎn)的需水量也在不斷地提高，這使得人類生產(chǎn)生活對(duì)水資源的需求與生態(tài)環(huán)境循環(huán)用水的競(jìng)爭(zhēng)變得更加激烈[2]。因此，對(duì)桃花江流域的生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行計(jì)算研究，保證桃花江流域的生態(tài)環(huán)境用水，對(duì)于日漸惡化的區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　流域生態(tài)環(huán)境需水量的內(nèi)涵

1.1生態(tài)環(huán)境需水量

目前我國(guó)對(duì)流域生態(tài)環(huán)境需水量的研究工作還不是很完善，不同學(xué)者由于研究角度和研究目的的不同形成了多種研究結(jié)論，至今還未形成系統(tǒng)的體系。有學(xué)者從宏觀角度出發(fā)，根據(jù)需水主體的不同將生態(tài)環(huán)境需水量定義為兩部分，一是生物體生存所需水量，二是環(huán)境發(fā)展所需水量[3]，具體來說就是保證自然環(huán)境中各項(xiàng)功能正常運(yùn)行并維持自然環(huán)境平衡的需水量以及生態(tài)環(huán)境中人、動(dòng)物、植物、微生物生存所需要的水量。有學(xué)者從多個(gè)角度對(duì)流域生態(tài)環(huán)境需水量的概念進(jìn)行了概述，認(rèn)為流域生態(tài)環(huán)境需水量由于研究范圍的不同，其含義也不盡相同：從廣義方面來說，流域生態(tài)環(huán)境需水量是保證平衡的最低標(biāo)準(zhǔn)，具體來說就是只有達(dá)到該環(huán)境的最低需水量才能夠保證并維持生態(tài)環(huán)境中水熱、水沙、水鹽的平衡；另一方面，從狹義的方面來說，是保證并維持生態(tài)環(huán)境良好狀態(tài)以及各項(xiàng)功能正常的水資源總量[4]。

1.2流域生態(tài)環(huán)境需水量

流域生態(tài)系統(tǒng)是由河流、湖泊、森林、沼澤和城市等一系列子系統(tǒng)組合而成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)一切自然活動(dòng)均以流域內(nèi)的水體為基礎(chǔ)，通常擁有較明顯的地理邊界。由于流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特殊性，根據(jù)生態(tài)環(huán)境需水的空間位置，可將流域生態(tài)環(huán)境需水分為河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水和河道外生態(tài)環(huán)境需水。從某種意義上來說，流域生態(tài)環(huán)境需水是河流系統(tǒng)中各項(xiàng)基礎(chǔ)功能能夠正常進(jìn)行的前提，離開了水，流域生態(tài)系統(tǒng)就會(huì)逐漸退化直至消失。

河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量是流域生態(tài)環(huán)境需水量的重要組成部分，是維持河道水循環(huán)，保護(hù)河道生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平不進(jìn)一步下降所需要的最小水量。對(duì)于河道來說，足量的生態(tài)環(huán)境用水，可以使河流的自凈能力發(fā)揮作用，維持水沙、水鹽平衡，保證生物生存。

河道外生態(tài)環(huán)境需水量是指維持河道外天然及人工植被群落穩(wěn)定，維系生態(tài)環(huán)境景觀所需的水量[5]。

2　研究方法

在流域生態(tài)環(huán)境需水量的研究進(jìn)程中，形成了多種研究方法，主要有：7Q10法、Tennant法、NGPRP法、基本流量法(Basic Flow)、R2 CROSS法、Basque法、IFIM法、BBM法等[6-8]。

現(xiàn)階段我國(guó)學(xué)者在掌握原有計(jì)算理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)和創(chuàng)新，使得計(jì)算的公式能夠更加準(zhǔn)確地計(jì)算出流域生態(tài)環(huán)境需水量。具體的計(jì)算方法有：以河流自身凈化能力為依據(jù)的環(huán)境功能設(shè)定法、標(biāo)準(zhǔn)年假設(shè)法、水量補(bǔ)充法、面積定額法、彭曼法等。根據(jù)前期對(duì)桃花江流域的環(huán)境、地理位置等方面的調(diào)研結(jié)果和信息收集，本次研究決定采用面積定額法和Tennant法進(jìn)行計(jì)算。

面積定額法的應(yīng)用原理為：在一定的區(qū)域范圍內(nèi)，由于地表植被的種類不同，其生長(zhǎng)過程需水量也有所不同，因此在計(jì)算生態(tài)需水量的過程中應(yīng)分開計(jì)算，即用該植被的生態(tài)需水定額以及研究范圍內(nèi)該種植被的覆蓋面積求得該種地類的生態(tài)需水量，而區(qū)域生態(tài)需水量即為所有植物種類生態(tài)需水量之和[9-10]。

Tennant法最早由Tennant于1976年提出，根據(jù)河道的功能定位選取適宜的生態(tài)需水評(píng)價(jià)等級(jí)，以對(duì)應(yīng)的百分比作為計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量的依據(jù)。此方法對(duì)于存在季節(jié)性徑流量差異的河流應(yīng)用較多[11-12]。

3　研究區(qū)概況

桃花江位于桂林市的西北部，歸屬于漓江，其干流長(zhǎng)度為65.3 km，主要經(jīng)過的地區(qū)有臨桂、秀峰、象山等地。根據(jù)調(diào)查，由于人為破壞等原因，桃花江實(shí)際流域覆蓋面積只有278.3 km2，最大和最小徑流量分別為83.5 m3/s和0.643 m3/s。從地理特征上來說，桃花江流域?qū)儆诳λ固氐孛?，地質(zhì)脆弱，因此，地表水會(huì)通過縫隙滲流補(bǔ)充地下水。桃花江的地形特征會(huì)使得其在枯水季節(jié)出現(xiàn)水資源供給不足的問題。桃花江流域的生態(tài)系統(tǒng)順序是由內(nèi)到外的：最內(nèi)層是河流，由里到外依次是濕地、灌木植被、農(nóng)作物、喬木植被、丘陵、水庫、池塘。各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)通過水的流動(dòng)相互聯(lián)系依存，如果其中一個(gè)系統(tǒng)的功能減弱或消失則會(huì)對(duì)整個(gè)生態(tài)環(huán)境造成較大的影響。

除了自然生態(tài)系統(tǒng)外，在桃花江流域的中游地區(qū)有很多自然景觀、工業(yè)建筑、飯店等等。在桃花江的下游部分屬于人們居住和工業(yè)生產(chǎn)的聚集區(qū)，日常生活的垃圾和工業(yè)生產(chǎn)的廢物、廢水排放都是直接或是間接依靠桃花江來進(jìn)行接納和凈化。因此，應(yīng)該對(duì)整個(gè)流域進(jìn)行系統(tǒng)全面的分析，從實(shí)際出發(fā)了解或計(jì)算出流域生態(tài)環(huán)境需水量(生態(tài)功能、自凈功能、稀釋功能、濕地、植被、作物、池塘等)。

4　結(jié)果與分析

4.1河道外生態(tài)環(huán)境需水量

河道外生態(tài)環(huán)境需水量一般包含以下方面：(1) 經(jīng)濟(jì)作物需水量；(2) 河道外水體生態(tài)環(huán)境補(bǔ)充需水量。

4.1.1經(jīng)濟(jì)作物需水量根據(jù)資料查閱結(jié)果，在桃花江流域上游部分和中游部分主要是農(nóng)作物的種植區(qū)，主要種植水稻等農(nóng)作物。在河道沿岸種植農(nóng)作物在一定程度上可以起到截留降水以及減輕水土流失的良好作用，同時(shí)還可以增加該地區(qū)的林草植被覆蓋率，特別是對(duì)于水土資源環(huán)境脆弱的喀斯特地貌區(qū)域，可以起到良好的固土保水效果[13]。經(jīng)濟(jì)作物對(duì)于流域生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)有著非常重要的作用，因此筆者認(rèn)為，在計(jì)算過程中有必要將農(nóng)作物、農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的需水量考慮在內(nèi)。

經(jīng)濟(jì)作物的種植面積往往有一定的規(guī)劃性，其種植的面積可以人為測(cè)量出來，因此，可以采用面積定額法來計(jì)算經(jīng)濟(jì)作物需水量。其計(jì)算方法為：選取規(guī)定時(shí)間、單位地區(qū)內(nèi)某一種作物需水量的平均值再乘以相應(yīng)的種植面積以求得整個(gè)生態(tài)環(huán)境中該種農(nóng)作物的需水量。

計(jì)算公式為：

Wp=∑Ai×Wr

(1)

式中：Wp——經(jīng)濟(jì)作物生態(tài)環(huán)境需水量(m3)；Ai——選定作物的種植面積(m2)；Wr——經(jīng)濟(jì)作物的需水定額(mm)。

根據(jù)前期收集到的資料可知，桃花江流域上游和中游總面積分別為178.67 km2和378.4 hm2，上游水田和旱田的占地面積分別為3 768.3 hm2和303.5 hm2；中游水田和旱田的占地面積分別為213.4 hm2和20.34 hm2，據(jù)此可得桃花江流域水田總面積為3 789.72 hm2，旱地總面積為323.84 hm2。按照該流域的地理環(huán)境和氣候溫度的具體情況，查詢相關(guān)資料可得當(dāng)?shù)氐乃锖秃档氐男杷~分別為1 530.3 m3/hm2和450 m3/hm2，可以計(jì)算出水田和旱地的生態(tài)需水量，依據(jù)公式(1) ，將兩項(xiàng)數(shù)值求和可得出流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)作物生態(tài)需水量為0.059億m3。

4.1.2河道外水體生態(tài)環(huán)境補(bǔ)充需水量在河道外水體生態(tài)環(huán)境中，保證最低限度的需水量是維持系統(tǒng)內(nèi)生態(tài)環(huán)境平衡的基本需要，比如水庫等水利工程，其功能的發(fā)揮完全依賴于充足的水源。當(dāng)水面蒸發(fā)量超過單位時(shí)間內(nèi)實(shí)際的降水量時(shí)，要想保證地下水位的動(dòng)態(tài)平衡就需要有一部分入流水量來填補(bǔ)兩者之間的差值。河道外水體生態(tài)環(huán)境補(bǔ)充需水量的計(jì)算需要考慮當(dāng)?shù)氐挠昙咎卣鳌夂?、溫度、平均濕度，年均雨水面面積、降水量等因素。當(dāng)降水量的數(shù)值超過實(shí)際蒸發(fā)量的數(shù)值時(shí)，水體的水量得到補(bǔ)充，相應(yīng)的生態(tài)需水可以得到滿足，此時(shí)可視水體生態(tài)環(huán)境需水量為0。具體計(jì)算公式可表示為：

We=A(E-P)E>P

We=0E

(2)

式中：We——水面的凈蒸發(fā)損失量(m3)；A——平均水面面積(m2)；E——水面的平均蒸發(fā)量(mm)；P——平均降雨量(mm)。本次研究?jī)H選取流域內(nèi)大型水體進(jìn)行計(jì)算。研究范圍內(nèi)分布有1座中型水庫，4座小一型水庫，1座小二型水庫，6座水庫水面面積共計(jì)3 560 hm2。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，研究區(qū)的平均降雨量和平均水面蒸發(fā)量分別為1 872 mm和1 517 mm。該地區(qū)的降雨量在5—7月比較集中，而最大降雨量和蒸發(fā)量往往分別出現(xiàn)在每年的5月和8月。因此，從時(shí)間上來看，最大降雨量和蒸發(fā)量出現(xiàn)在同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的幾率較小。根據(jù)公式(2)將數(shù)據(jù)代入可計(jì)算出所需水量具體數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1　桃花江流域降雨量和蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)

由表1數(shù)據(jù)可知，需水量最大值出現(xiàn)在9月，為0.036億m3，需水量最小值出現(xiàn)的時(shí)間為每年的2—8月，數(shù)值為0，將每個(gè)月的We數(shù)值相加即可得桃花江流域全年所需的河道外水體生態(tài)環(huán)境補(bǔ)充需水量理論數(shù)值0.087億m3。

4.2河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量

本文采用Tennant法將全年分為非汛期和汛期兩個(gè)時(shí)段，并以推薦生態(tài)環(huán)境需水量值占多年平均徑流量的百分比(表2)為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)流域的功能定位以及生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，選取合適的評(píng)價(jià)等級(jí)及對(duì)應(yīng)的生態(tài)環(huán)境需水量百分比計(jì)算出維持河道生態(tài)功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的最小生態(tài)環(huán)境需水量。

目前，在Tennant法的應(yīng)用過程中，國(guó)內(nèi)研究一般多以多年年均徑流量的10%～20%作為非汛期的推薦值計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量，而汛期則選取30%～40%。

表2　Tennant法對(duì)生態(tài)環(huán)境需水量狀況的描述　%

根據(jù)前期調(diào)查結(jié)果，研究區(qū)1—12月多年平均徑流量依次為：3.23，6.31，9.56，20.95，26.76，20.12，13.78，14.73，5.05，7.37，4.23，6.50 m3/s?；诒?對(duì)河流流量的描述，結(jié)合桃花江流域的實(shí)際情況，本次研究確定選取流量狀況為“中”的生態(tài)環(huán)境需水量水平：非汛期(即10月—次年3月)各月最小生態(tài)環(huán)境需水量為對(duì)應(yīng)月份平均徑流量的10%，汛期(即4—9月)各月最小生態(tài)環(huán)境需水量為對(duì)應(yīng)月份平均徑流量的30%。采用Tennant計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算，公式為：

(3)

式中：Wi——河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量(m3)；Mi——第i個(gè)月的河道多年平均徑流量(m3/s)；Ni——對(duì)應(yīng)第i個(gè)月的最小生態(tài)環(huán)境需水量的百分比(非汛期10%，汛期30%)；T——時(shí)間。運(yùn)用公式(3)對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算可得，該流域河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量Wi為0.901億m3。

4.3流域生態(tài)環(huán)境需水總量

流域生態(tài)環(huán)境需水總量的計(jì)算公式為：

W=Wp+We+Wi

(4)

式中：W——流域生態(tài)環(huán)境需水總量，也就是本次研究所需要求出的最終理論數(shù)值。

由上述可知，桃花江流域河道外生態(tài)環(huán)境需水量的理論數(shù)值為0.146億m3，相當(dāng)于流域年均徑流量3.36億m3的4.3%，河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量的理論數(shù)值為0.901億m3，相當(dāng)于流域年均徑流量3.36億m3的26.8%，由此可計(jì)算W為1.256億m3。因此，桃花江流域生態(tài)環(huán)境需水總量W為1.047億m3，相當(dāng)于流域年均徑流量的31.1%。

5　結(jié) 論

桃花江流域河道外生態(tài)環(huán)境需水量的理論數(shù)值為0.146億m3，相當(dāng)于流域年均徑流量3.36億m3的4.3%，河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量的理論數(shù)值為0.901億m3，相當(dāng)于流域年均徑流量3.36億m3的26.8%。桃花江流域生態(tài)環(huán)境需水總量W為1.047億m3，相當(dāng)于流域年均徑流量的31.1%。

根據(jù)收集統(tǒng)計(jì)的資料可知，該流域范圍內(nèi)近三年來農(nóng)業(yè)、工商業(yè)、服務(wù)業(yè)等生產(chǎn)生活用水量年平均值約為2.12億m3，占年平均徑流量的63.1%，開發(fā)利用程度較高，已接近水資源承載能力的極限，僅有少量繼續(xù)開發(fā)的空間。

為了桃花江流域的可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境不被破壞，筆者認(rèn)為應(yīng)對(duì)桃花江流域人類生活和生產(chǎn)用水進(jìn)行科學(xué)的管理和合理的配置，使得此部分用水總量盡量控制在流域年均徑流量的68%以下，即2.28億m3，提高水資源利用效率，以保證流域生態(tài)環(huán)境需水量能夠滿足系統(tǒng)自身運(yùn)行的最低需求。

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Analysis on Eco-environmental Water Demand in Taohuajiang Basin of Guilin City

HOU Kun, WANG Xiuru, DU Xiaoqing, JIN Chunxiang

(Key Lab. of Soil & Water Conservation and Desertification Combating,MinistryofEducation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

The eco-environmental water demand of basin is an index of ecological system, which means the basin ecological system can guarantee and maintain the quality balance of ecological environment and the minimum water demand of other basic functions by self-regulation under the common circumstances,. The eco-environmental water demand of basin can be divided into two parts based on the river range, namely, the inside eco-environmental water demand and the outside eco-environmental water demand. Therefore, in the process of calculation, the calculation range and formula of the water demand should be confirmed respectively. This study takes the eco-environment of Taohuajiang basin of Guilin City as an example to introduce some relevant concepts and calculate the practical water demand based on scientific theoretical formula (primarily the area quota method and the Tennant method). It can be known that the inside and outside eco-environmental water demand of Taohuajiang basin are 90.1 million m3and 14.6 million m3, respectively, which are 26.8% and 4.3% of the average annual runoff volume, respectively, according to the results from analysis and calculation. Therefore, in order to ensure the eco-environmental security of Taohuajiang basin, we should control the total amount of industrial and domestic water below 68% of the average annual runoff.

basin; eco-environmental water demand; area quota method; Tennant method

2014-11-14

2014-12-21

侯琨(1989—),男,天津市人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗帘３?。E-mail:houkun0822@163.com

王秀茹(1957—),女,河北省保定市人,教授,博士,主要從事水土保持、流域管理研究。E-mail:wang-xr@163.com

TV213

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1005-3409(2015)04-0338-04