邵 鵬，劉旻霞，趙瑞東，張 燦，李 瑞

(西北師范大學地理與環(huán)境科學學院,甘肅蘭州 730070)

進入21世紀以來，我國的工業(yè)、農業(yè)以及第三產業(yè)快速發(fā)展，給人們帶來福利的同時也出現(xiàn)諸多問題。我國的北方大部分地區(qū)出現(xiàn)河道斷流、河流污染、地下水位下降、生態(tài)退化等影響經濟民生的生態(tài)環(huán)境問題。隨著人類社會的過度開發(fā)利用水資源，嚴重擠占了必要的生態(tài)需水量，黃河流域生態(tài)環(huán)境問題則更加突出，黃河流域整體水位下降、水污染嚴重、支流斷流等成為阻礙生態(tài)文明建設亟待解決的問題[1]。近年來，我國已開展了黃河中下游流域部分河段河道生態(tài)水環(huán)境的修復與治理，被修復河段的生態(tài)水環(huán)境有了很大程度的改善，因而黃河流域的生態(tài)水環(huán)境應該作為一個整體進行修復與治理。生態(tài)環(huán)境需水量估算則是研究流域生態(tài)水環(huán)境修復和評估生態(tài)水環(huán)境承載力的重要內容[2]。

目前，對于黃河流域生態(tài)環(huán)境需水量研究主要集中于中下游地區(qū)[1,3-4]，并且很多研究成果能夠為生態(tài)環(huán)境恢復與治理提供理論支持。這說明對于黃河流域上游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境需水量的研究很有必要，就黃河甘肅段流域來說，黃河水位下降、水質污染加重、水土流失嚴重、水生生物減少以及過度開發(fā)帶來了水資源危機，使得黃河流域上游地區(qū)生態(tài)環(huán)境變得更為脆弱[5]。筆者以黃河流域甘肅段為例，對黃河流域上游地區(qū)生態(tài)環(huán)境需水量進行研究，旨在為黃河流域水資源合理而有效利用、沿河地區(qū)區(qū)域小氣候以及河道內生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定提供支持。

1 研究區(qū)概況

黃河源頭位于青藏高原巴顏喀拉山北麓約古宗列盆地，穿越青藏高原東部、黃土高原及黃淮海平原的沿黃河的9個省區(qū)，并于山東東營市注入渤海。其主要河道全長約5 464 km，流域總面積79.5萬km2，黃河是甘肅省最重要的河流，甘肅省黃河干流位于101°02′～104°43′ E，33°20′～37°20′ N，流經甘南州、臨夏州、蘭州市、白銀市，甘肅省黃河全長913 km，流域總面積144 968 km2。由于甘南州段黃河處于水源涵養(yǎng)區(qū)，水資源條件及生態(tài)保持條件較好，區(qū)域內居民以畜牧業(yè)和旅游業(yè)為主[6]，因此甘南州生態(tài)需水可以暫不計入。該研究以黃河流經的臨夏州、蘭州市、白銀市組成的黃河甘肅段作為研究區(qū)域，其中黃河甘肅蘭州段位于102°45′～104°43′ E，35°44′～37°20′ N，流域長度為480 km，流經臨夏州、蘭州市、白銀市，流域面積為75 270 km2(圖1)。

黃河甘肅段處于我國西北內陸干旱半干旱地區(qū)，是我國水資源最為短缺的地區(qū)之一，該區(qū)域人均水資源擁有量為1 100 m3，不到全國總體水平的1/2，其中農業(yè)灌溉用水量占總用水量的80%左右，城鎮(zhèn)化率的加快以及用水量的增加，使得這一地區(qū)的供水需水矛盾加劇[7]。該區(qū)域內不僅降水總量較少，多年平均降水量也只有318 mm左右，而且年際降水量在時空分布上也不均衡，徑流年際變化較大，同時由于自然條件惡劣、地形復雜、溝壑間縱橫不斷、水土流失嚴重、植被覆蓋度差，蒸發(fā)量年均2 084 mm，遠高于其他地區(qū)[8]。近40年的極端水文事件以及流域工業(yè)污水問題增多，水資源開發(fā)過程中的生態(tài)用水與生產用水矛盾突出[5,9-10]，因而這一區(qū)域在生態(tài)恢復與保護中必須對生態(tài)環(huán)境需水量進行計算，以使得該區(qū)域在未來的發(fā)展中更注重生態(tài)環(huán)境與人類發(fā)展的協(xié)調。黃河甘肅段區(qū)域概況見圖1。

圖1 黃河甘肅段區(qū)域概況Fig.1 Survey of the broken area in Gansu,the Yellow River

2 生態(tài)環(huán)境需水量的內涵與類型

生態(tài)環(huán)境需水量是關于水資源在利用和開發(fā)過程中的流域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)保護以及科學性地進行生態(tài)環(huán)境修復和治理等問題提出的概念，單就生態(tài)需水量和環(huán)境需水量而言，生態(tài)需水量是指達到某種生態(tài)環(huán)境水平來維持一定程度上生態(tài)系統(tǒng)平衡所需要的用水量。環(huán)境需水量則是為滿足生態(tài)系統(tǒng)在不同方面的功能以及穩(wěn)定安全的生態(tài)環(huán)境所需要的水量[11]。然而，單論環(huán)境需水量或生態(tài)需水量的任一需水量都是不全面的，因而需要對環(huán)境需水量和生態(tài)需水量的概念進行統(tǒng)合研究，即生態(tài)環(huán)境需水量這一整體概念。但目前對于生態(tài)環(huán)境需水的概念尚未形成統(tǒng)一的定義和趨于完善的理論體系[12]。

國外對于生態(tài)環(huán)境需水量的研究內容主要為流域內的生態(tài)環(huán)境需水，如美國對于生態(tài)環(huán)境需水則定義為服務于野生動物和魚類以及娛樂和其他美學價值方面的水資源需求，包含自然與景觀河流的基本水量、河道內用水量、濕地需水量以及三角洲和海灣的水量[13]。國內對于生態(tài)環(huán)境需水量方面的研究正處于蓬勃發(fā)展階段，一些學者從不同角度對生態(tài)環(huán)境需水量進行了概括。李麗娟等[14]從自然生態(tài)環(huán)境平衡的角度出發(fā)，通過對海灤河流域在一般情況下對河流流域系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境需水量的研究，認為生態(tài)環(huán)境需水量為維持地表水體所必須達到的使用和蓄存的最小水量值；豐麗華等[3]將流域內的生態(tài)環(huán)境需水定義為改善當前生態(tài)環(huán)境所面臨的問題或是維護生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀不進一步惡化時，生態(tài)系統(tǒng)需滿足的最小水量值和在這一水量值要求的基礎上生態(tài)系統(tǒng)可以承受的最差水質標準。石偉等[4]通過研究黃河特殊性及其黃河生態(tài)需水量，將維持河道功能和保護河流水質功能的黃河下游地區(qū)生態(tài)需水量分為汛期輸沙量和非汛期的生態(tài)基流量。嚴登華[12]等研究認為，河流系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境需水量包括一定標準的水質與最小需求的水量兩方面的要求，即符合一定水質標準的合理水量。中國工程院在《中國可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)略研究綜合報告》中將生態(tài)環(huán)境需水量定義為：廣義上是指維持自然環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的水分平衡所需的用水量，包括水沙平衡、水鹽平衡、水熱平衡等的一些生態(tài)環(huán)境用水；狹義上是指保護生態(tài)環(huán)境不再惡化的同時逐步得到恢復所需要使用水資源的總量[15]。

不同類型生態(tài)系統(tǒng)中自然環(huán)境條件差異非常大，對于生態(tài)環(huán)境需水量的定義和研究方法也不盡相同，因此，國內外研究生態(tài)環(huán)境需水量方向的學者大多認為應當以生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀作為評定生態(tài)環(huán)境需水量的標準，而不是以天然生態(tài)環(huán)境條件作為尺度進行評價[13]。為保護和改善生態(tài)環(huán)境條件，生態(tài)環(huán)境需水量的計算區(qū)域應當以水資源供需矛盾嚴重的區(qū)域以及生態(tài)環(huán)境條件相對脆弱和人類生存以及生產活動較為困難的干旱區(qū)半干旱區(qū)與季節(jié)性干旱的半濕潤區(qū)為主[15]。生態(tài)環(huán)境需水量的計算內容：維持河流系統(tǒng)水沙平衡及水鹽平衡的需水量；保證河流系統(tǒng)的基本生態(tài)需水量；恢復河流流域內濕地湖泊以及沙洲的需水量；保持河流河道內水草、植被及水生植物的健康與綠化河道外植被、草地的生態(tài)需水量；回補超采地下水以及水土保持的生態(tài)需水量[14，3-4，15-16]。

3 生態(tài)環(huán)境需水量計算方法

流域生態(tài)環(huán)境需水量包括河道內生態(tài)基礎流量、水流輸沙需水量、濕地保護的生態(tài)環(huán)境需水量與河道外恢復與治理沿岸環(huán)境的生態(tài)環(huán)境需水量，在不同時空位置上每個區(qū)域生態(tài)環(huán)境需水量的2部分比例各不相同，大部分區(qū)域可以忽略河道外生態(tài)環(huán)境需水量。因為黃河是甘肅省的最主要水源，根據(jù)黃河甘肅蘭州段地處西北內陸干燥少雨的實際情況，故須同時考慮河道內與河道外的總需水量，即黃河甘肅段的生態(tài)環(huán)境需水量的組成為

WT=Wk+Wz

式中，WT為生態(tài)環(huán)境總需水量；Wk為計算得到的河道內生態(tài)環(huán)境需水量數(shù)值；Wz為河道外生態(tài)環(huán)境需水量數(shù)值。

3.1河道內生態(tài)環(huán)境需水量黃河流域的河道內生態(tài)需水量計算內容主要包括河流基本生態(tài)需水量(Wb)、河流輸沙需水量(Wl)、水庫湖泊濕地生態(tài)環(huán)境需水量(Wk)。如下式:

Wk=Wh+Ws+Wl

式中，Wh為河流年均基本生態(tài)需水量；Ws為河流輸沙需水量；Wl為水庫湖泊濕地的需水量。

3.1.1河流生態(tài)系統(tǒng)需水量。水生系統(tǒng)需水量是維持水生生物的正常生長、繁殖與滿足流域內水鹽平衡、入滲循環(huán)、水質自我凈化等方面的要求。對于常年不斷流河流而言，是指保持沿河兩岸基本形態(tài)不變、保障河道的輸水能力、防止河道水斷流、保持水體具有一定的自凈能力的最小流量。以此為依據(jù)，以河流多年平均值的實際徑流量最小月份作為河流基本生態(tài)需水量。計算公式[14]為

式中，Wh為河流多年平均的基礎需水量；T為換算系數(shù)，為31.536×106s；n為河流統(tǒng)計年數(shù)；Qij為流域內第i年第j個月的月平均流量。

3.1.2河流輸沙需水量。水沙平衡生態(tài)需水量是指流域內水中沙土需要通過水的動力將其轉運至下游河道不至于抬高河床或者堰塞河道，為保持河道暢通與泥沙的轉移，則需要余留一部分生態(tài)環(huán)境水量為其提供動力。在估測得到需要靠水流運輸至下游的輸沙量時，輸沙需水量與流域含沙量的多少有最直接關系，流量的大小以及水沙動力條件的不同等因素而不同，即影響河流輸沙需水量的大小。

黃河是含沙量最多的河流，為防止黃河中下游河道淤積加劇，因此必須考慮輸沙需水量，以保證水沙平衡。對于黃河流域實際情況分析，黃河流域輸沙作用一般在雨汛時期完成。一般不考慮非雨汛時期較小的輸沙流量，利用雨汛期水流量大的特點完成輸沙要求，使得流域水資源的分配和使用更加合理。以此為根據(jù)，雨汛時期輸沙水量也是流域生態(tài)需水量的內容，計算[14]公式見下:

Ws=St/Cmax

式中，Ws為河流輸沙所需水量；St為統(tǒng)計輸沙量的多年平均值；Cmax為含沙量多年最大月份平均值，計算公式見下：

式中，Cmn是m年n月的平均含沙量數(shù)值;n是所統(tǒng)計年數(shù)。

3.1.3水庫、湖泊以及濕地生態(tài)系統(tǒng)需水量。水庫、湖泊以及實地生態(tài)系統(tǒng)是自然界至關重要的組成部分，是調節(jié)氣候條件、區(qū)域水土保持、人類和動植物生存發(fā)展的重要因素。因而水庫、湖泊以及濕地生態(tài)環(huán)境需水量是維持該生態(tài)系統(tǒng)內水生生態(tài)穩(wěn)定、動植物正常生長繁殖和發(fā)育以及水鹽平衡而消耗的生態(tài)用水量。計算公式[14]見下：

ΔWl=P+Ri-Rf-E+ΔWg

式中，ΔWl為水庫、湖泊以及濕地系統(tǒng)水量的變動值；P為一年中該區(qū)域的總降水量；Rf是從水庫湖泊以及濕地流出的水量；Ri為從不同途徑流入水庫湖泊濕地的水量；ΔWg是地下水位的變化量；E為水面蒸發(fā)量。

為使得水庫、湖泊以及濕地的生態(tài)作用不至下降，要求水庫湖泊濕地存儲水量保持在動態(tài)平衡水平上，即ΔWl為0的情況下，由于黃河流域年均蒸發(fā)量遠大于降水量,因而地下水位在動態(tài)平衡的條件下，可以認為水庫湖泊濕地的需水量主要是維持水庫湖泊濕地水量穩(wěn)定而消耗與蒸發(fā)的水量。其計算公式如下：

Wl=∑Ai(Ei-Pi)

式中，Wl為水庫湖泊濕地生態(tài)環(huán)境需水量，Ai為第i水域水面的面積；Ei為水面蒸發(fā)數(shù)量；Pi為水庫湖泊濕地的降水量。

3.2河道外生態(tài)環(huán)境需水量對黃河流域的河道外生態(tài)環(huán)境需水量而言，主要是灌溉流域周邊的自然林草植被或人工林地的需水量。黃河流域中上游地區(qū)的水土流失相對嚴重，僅在甘肅省境內土壤侵蝕面積達12.69萬km2，占流域總面積的87.5%。因而需要采取一些退耕還林、綠化荒山、草地修復等治理措施，以加強水土流失治理，帶動全流域共同加強生態(tài)環(huán)境建設，保護中下游地區(qū)人民群眾生活和經濟社會的發(fā)展。因此，河道外生態(tài)環(huán)境需水量主要是用于水土保持而采取的植樹造林、綠化荒山的植被需水。其計算公式[17]如下：

ETc=ETo·Kc·Ks

式中，ETo為植被年蒸散量;Kc為植被實際需水系數(shù)；Ks為土壤水分修正系數(shù)。

Wz=Sg·ETc

式中，Wz為林草植被生態(tài)需水量；Sg為林草植被面積；ETc為林草植被需水定額。

4 生態(tài)環(huán)境需水量計算與分析

黃河甘肅段流域需水量主要是由河道內需水量和河道外需水量2部分組成，河道內主要是為了河流生態(tài)功能正常，河道外則是為了流域沿岸人類和動植物的利用。黃河甘肅段流域多年平均徑流量為312億m3，因此，對于合理分配水資源在農業(yè)、工業(yè)、生活用水與生態(tài)環(huán)境用水之間的比例至關重要。

4.1黃河甘肅段河道內生態(tài)環(huán)境需水量計算

4.1.1河流基本生態(tài)需水量。通過對2006—2015年甘肅省主要水文站最小月實測徑流量數(shù)據(jù)計算，為保證黃河甘肅下游段河道基本生態(tài)功能不受影響，則要使黃河甘肅段最小生態(tài)流量達到49.85 m3/s以上，因此，須通過保護黃河流域水環(huán)境，改善河流污染狀況，降低排污納污水域的污染級數(shù)，才能滿足黃河甘肅段下游基本生態(tài)需水量為116.75億m3這一最低理論值。

4.1.2維持河流水沙平衡需水量。黃河甘肅段流域泥沙主要來自于黃土高原，由于黃土高原地形斑駁，土質疏松，植被稀少，在季節(jié)性降雨和季節(jié)變化所帶入的沙土的作用下，造成泥沙大量進入黃河使含沙量急劇增加。根據(jù)甘肅下游段黃河水資源時空分布不均，計算得到2006—2015年甘肅省主要觀測站最大月實測平均含沙量420.1萬t，多年平均輸沙量11 302萬t，通過計算得出黃河甘肅段的輸沙生態(tài)需水量為19.04億m3。

4.1.3水庫湖泊與濕地需水量。水庫、湖泊以及濕地生態(tài)系統(tǒng)的需水量主要在于水庫湖泊與濕地水量的穩(wěn)定、水質的安全、水鹽的平衡、水生生物的健康而需要消耗和保證的水量[18]。對于黃河甘肅蘭州段來說，水庫湖泊系統(tǒng)主要為劉家峽、鹽鍋峽、八盤峽三座水庫，濕地系統(tǒng)主要是以黃河淤積灘涂和臨夏、蘭州、白銀3個城市的人工濕地，黃河甘肅段流域水庫湖泊與濕地面積約為640.3 km2，根據(jù)甘肅省水資源公報資料中黃河甘肅段多年平均降水量為318 mm，水面蒸發(fā)量為2 084 mm[19]。由此可估算出水庫、湖泊與濕地需水量，結果見表1。

表1 水庫、湖泊及濕地系統(tǒng)需水量

通過計算可知，黃河甘肅段水庫湖泊與濕地生態(tài)環(huán)境總需水量約11.3×108m3，濕地系統(tǒng)需水量占比最大，約為8.6×108m3；水庫湖泊需水量為2.71×108m3，占比為23.8%。

4.2黃河甘肅段河道外生態(tài)環(huán)境需水量黃河甘肅段河道外需水量是為保持水土流失而進行的植樹造林以及荒山綠化所需的余留水量，根據(jù)甘肅省林業(yè)廳各市州公布的最近年份植被綠化面積可知，臨夏、蘭州、白銀3市植被覆蓋面積約60.13萬hm2。田靜等[17]對近30年我國內陸地區(qū)地表蒸散時空變化的研究，得出西北地區(qū)林地蒸散量636.83 mm。何永濤[16]通過對黃土高原植被生態(tài)需水研究，確定了西北黃土高原地區(qū)喬木林的需水系數(shù)為0.76，土壤水分修正系數(shù)為0.556 4，綜合2項研究結果與該研究區(qū)域類型相同，采用以上已知研究通過計算得到植被生態(tài)需水定額ETc為0.276 m3/hm2，即河道外的生態(tài)環(huán)境需水量Wg為16.33億m3。

4.3黃河甘肅段的總生態(tài)環(huán)境需水量通過對河道外和河道內生態(tài)環(huán)境需水量的計算，即總需水量為河道外保持水土流失的需水量與河道內保證河流各項基本功能、正常輸沙排鹽、穩(wěn)定的水庫湖泊濕地生態(tài)環(huán)境需水量之和，計算得到的河道內生態(tài)環(huán)境需水量Wk為147.1億m3，河道外生態(tài)環(huán)境需水量Wz為16.33億m3，即黃河甘肅段總生態(tài)需水量約為163.43億m3(表2)。從估算結果看出，河道內與河道外生態(tài)環(huán)境需水總量非常大，但黃河流域多年平均徑流總量為312.6億m3，這說明黃河甘肅段的生態(tài)環(huán)境需水量非常大，因此，黃河甘肅段流域水資源的合理利用及循環(huán)使用非常必要，對于該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的保護須以工業(yè)和農業(yè)對水資源的高效可重復利用以及城市生活用水的循環(huán)利用與節(jié)約使用為主。

表2 黃河甘肅段生態(tài)環(huán)境需水量

5 結論

甘肅省位于“一帶一路”中的重要區(qū)域，經濟發(fā)展與社會進步都處于歷史最高水平，與此同時也面臨著水資源供需矛盾嚴重和生態(tài)環(huán)境惡化的問題。筆者通過估算生態(tài)環(huán)境需水量，結合甘肅省境內黃河流域的生態(tài)環(huán)境狀況，提出了在該區(qū)域進行流域生態(tài)環(huán)境恢復需要考慮的因素，著眼于統(tǒng)籌開發(fā)利用水資源，協(xié)調經濟、社會、民生發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護之間的關系。

黃河甘肅段需水量估算結果：河流基礎生態(tài)需水量為116.75億m3，保持河流水沙平衡需水量為19.04億m3，水庫湖泊濕地生態(tài)環(huán)境需水量為11.31億m3,河道外生態(tài)環(huán)境需水量為16.33億m3，黃河甘肅段流域生態(tài)環(huán)境總需水量為163.43億m3，約占流域年徑流量312.6億m3的52%。國際上普遍認可的地表水資源合理的開發(fā)程度為30%，說明目前黃河甘肅段流域生態(tài)環(huán)境需水問題不容樂觀，該地區(qū)生態(tài)環(huán)境需水量遠超水資源合理開發(fā)的閥值，這就需要制訂一套更符合黃河流域的水資源利用標準，分配好對農業(yè)、工業(yè)和城鎮(zhèn)生活等各類用水的比例，促使水資源配置更為合理，使得生產、生活和生態(tài)環(huán)境用水均能得以保證。

關于生態(tài)環(huán)境需水量的研究角度不盡相同，因而需水量計算方法的選取和需要考慮的因素也不同。該研究從流域生態(tài)環(huán)境平衡的角度出發(fā)，運用水文法對河道內生態(tài)環(huán)境需水量進行估算，從地理自然因素的角度考慮，運用面積定額法對河道外的需水量進行估算，結果表明，與大部分北方河流生態(tài)環(huán)境需水量占流域年徑流量50%左右比例的結果相近，在一定程度上也反映出黃河上游地區(qū)生態(tài)環(huán)境與中下游地區(qū)同樣面臨著水資源的利用與生態(tài)環(huán)境保護的矛盾。由于生態(tài)環(huán)境的變化是多種因素綜合作用的結果，該研究的計

算方法選取和主要計算因素的確定仍有一定局限性，這就需要在今后的研究中進一步完善生態(tài)環(huán)境需水量的其他因素。

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