楊 娣

(甘肅省水文站，甘肅 蘭州 730000)

1 研究背景

水是組成生態(tài)環(huán)境的基本要素之一，同時(shí)也是維持非生命系統(tǒng)運(yùn)行、支撐地球生命系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，也是確保地區(qū)經(jīng)濟(jì)乃至整個(gè)國家發(fā)展的重要資源。但是，為了加快社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們在生產(chǎn)工作中常常會忽視生態(tài)系統(tǒng)的承載能力，過度開發(fā)和利用有限水資源，以至于自然生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞，陷入嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題中。對此，基于此背景下，研究與分析生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)措施、修復(fù)方案以及重建水資源引起了業(yè)界人士和社會人員的廣泛關(guān)注。

對于生態(tài)需水的研究，與國外相比，我國要稍顯滯后些。盡管我國關(guān)于此方面的研究較晚，但是發(fā)展速度飛快，尤其是20世紀(jì)后，國內(nèi)眾多學(xué)者對生態(tài)需水概念進(jìn)行了研討，并引入了國外許多關(guān)于生態(tài)需水的理論、方法和運(yùn)用，在生態(tài)需水問題研究上，人們計(jì)算生態(tài)需水時(shí)缺乏對生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀的調(diào)查、忽略對生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)需水特點(diǎn)的分析以及忽視對水循環(huán)分析等，最終造成生態(tài)需水評估的結(jié)果經(jīng)不起檢驗(yàn)。

2 研究流程

生態(tài)水計(jì)算方法與理論離不開生態(tài)系統(tǒng)類型。由于生態(tài)系統(tǒng)類型需水的不同，其生態(tài)學(xué)特征與水循環(huán)過程也會存在較大差異。例如，河道外生態(tài)需水以流域植被的蒸散發(fā)、耗水及土壤水研究為主，這些均是水文研究過程中的重點(diǎn)問題。而河道內(nèi)生態(tài)需水則是以水生生物的棲息地、需水與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等生態(tài)需水量為主。不過在當(dāng)前研究中，忽略了流域中河道外水力與河道內(nèi)的人為隔斷補(bǔ)給關(guān)系，從而容易忽略河道外或河道內(nèi)需水變化或某流域水文情勢變化對其他區(qū)域需水量的影響。所以，進(jìn)行生態(tài)需水研究活動時(shí)，需要對復(fù)雜多樣的生態(tài)系統(tǒng)間水文循環(huán)過程進(jìn)行分析。水文循環(huán)分析生態(tài)需水圖見圖1。本研究重點(diǎn)對生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并深入了解流域生態(tài)需水的特征，同時(shí)對河道內(nèi)外水力補(bǔ)給關(guān)系做了具體分析，挖掘更能建立完善水文循環(huán)過程描述的方法，以及模擬和確定出生態(tài)需水量計(jì)算方方法，最終計(jì)算得出研究漁區(qū)河道內(nèi)外生態(tài)的需水量。

圖1 基于水文循環(huán)分析的生態(tài)需水計(jì)算流程圖

3 洮河流域水文循環(huán)分析

3.1 研究區(qū)概況

洮河是黃河上游重點(diǎn)支流，它源自青海省河南蒙古族自治縣西傾山，流經(jīng)地包括臨潭、碌曲和卓尼縣城南等地，同時(shí)流經(jīng)岷縣茶埠、九甸峽與海奠峽，通過臨洮盆地和永靖縣流入到劉家峽水庫。流域面積達(dá)2.55萬 km2，全長673 km。多年以來，溝門村站的年經(jīng)流量為53億 m3，平均流量為172 m3/s，特別是5-10月份占率高達(dá)75%以上，充分為甘肅中部補(bǔ)給了大量水資源。植被類型多以森林、草甸與灌叢為主；強(qiáng)林占流域總面積的20%、草地占地68%、強(qiáng)耕地和其他用地等占地11%左右。十年里土地利用形式基本不變。

3.2 水文循環(huán)分析

許多學(xué)者在研究中表明，認(rèn)識生態(tài)系統(tǒng)的水量平衡狀況和水文循環(huán)是探究生態(tài)需水的關(guān)鍵。通過水文循環(huán)分析便能掌握諸多關(guān)于生態(tài)需水的內(nèi)容，例如：對水蒸發(fā)量和降水量的分析，就能確定出植被生態(tài)水分來源(Et)是指示性指標(biāo)；明確出河道水與地下水之間的補(bǔ)給關(guān)系后就可以用來分析河道水減少后，影響臨近河道植被生態(tài)用水的程度和范圍，進(jìn)而結(jié)合生態(tài)保護(hù)要求制定出可行性方案和對策。

通過不同天然水體環(huán)境的同位素構(gòu)成特點(diǎn)來研究水源的運(yùn)移、形成和混合等動態(tài)過程，確定多樣化水體間的補(bǔ)排關(guān)系和水文地質(zhì)單元關(guān)系，就能說是環(huán)境同位素示蹤。一般情況下，地下水來源與地表水體蒸發(fā)指示劑的穩(wěn)定同位素是2H與18O氧和氫，其相關(guān)測值如下：

(1)

(2)

水樣中的中氫氧同位素變化狀況可以用來研究河川徑流的來源，進(jìn)而了解地下水補(bǔ)給關(guān)系等。同時(shí)，使用此方法的過程中，也可以輔助電導(dǎo)分析法進(jìn)行使用。

對區(qū)域水力補(bǔ)給過程進(jìn)行分析的過程中，離不開自然條件的影響，比如地貌地形、地質(zhì)構(gòu)造以及降水氣候等方面。在采用同位素方法進(jìn)行研究地下水與和河水之間的補(bǔ)給關(guān)系時(shí)，需要根據(jù)這些因素共同來分析，這樣才能得出更加具有說服力的結(jié)論。

4 洮河流域生態(tài)需水量計(jì)算

4.1 洮河河道內(nèi)與河道外生態(tài)保護(hù)目標(biāo)

通過研究可以得出，生態(tài)保護(hù)目標(biāo)主要有兩點(diǎn)，一是生態(tài)保護(hù)對象，二是保護(hù)對象的程度。在確定生態(tài)保護(hù)目標(biāo)時(shí)，需要結(jié)合研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀來進(jìn)行。根據(jù)洮河流域?qū)嵉卣{(diào)查與室內(nèi)遙感影像進(jìn)行分析后，得出該區(qū)域土地利用類型以林地與草地為主，且十年來受人類影響程度小，組成構(gòu)造十分穩(wěn)定。因?yàn)榈叵滤畬铀膯蜗蜓a(bǔ)給關(guān)系，可知洮河的植被受水量減少影響小，不用對調(diào)水的生態(tài)需水問題進(jìn)行考慮。所以，河道外生態(tài)保護(hù)重點(diǎn)以林地與草地的生態(tài)用水需求為核心，也就是確保植被面積不減少。按照相關(guān)學(xué)者對洮河魚類河其生境調(diào)查，得出洮河優(yōu)勢魚種成魚的適宜流速是0.45～1.74 m/s，8-9月為軟刺裸裂尻魚繁殖期，3-4月為齊口裂腹魚繁殖期。由此可以確定河道內(nèi)生態(tài)保護(hù)目標(biāo)是用來研究魚類生長繁殖期用水量與流速的等最低環(huán)境指標(biāo)。

4.2 洮河河道內(nèi)生態(tài)需水量計(jì)算與分析

當(dāng)下，國內(nèi)外用來研究生態(tài)需水的計(jì)算方法很多。關(guān)于河道內(nèi)的計(jì)算方法，主要包括了四類，(1)水文學(xué)方法、(2)生態(tài)學(xué)方法、(3)水力學(xué)方法、(4)綜合法，且在這幾大方法中又衍伸出了諸多子方法。方法不同具備的優(yōu)劣勢也不同，適用范圍自然也不一樣。

Tennant法主要將預(yù)先年平均流量的百分?jǐn)?shù)當(dāng)作推薦流量，以平均流量的30%當(dāng)成多年平均流量的滿意流量，以10%的年平均流量當(dāng)成最小河流生態(tài)需水量，另外，還表示這兩種流量是為魚類提供生存所需的1/2生境或全部生境(具體見表1)。

表1 河流生態(tài)用水的流量狀況標(biāo)準(zhǔn)

Texas法實(shí)際上是一種基于Tennant法上對季節(jié)變化因素加以考慮后，把50%保證率下月流量的特定百分率當(dāng)成最小生態(tài)流量的一種方法，而特定百分率可以結(jié)合研究區(qū)典型的魚類需水特征來確定，另外，也有部分學(xué)者在研究流量序列變異系數(shù)時(shí)，可以結(jié)合各月的流量來確定。

基本上，在確定河流的生態(tài)環(huán)境需水量法時(shí)可以通過各年的河流月平均實(shí)測流量最小值的多年平均值，也就是河流生態(tài)的需水量：

(3)

在上述式子中，河流生態(tài)需水量(108m3)以Wb表示；第i年第j個(gè)月的月均流量(m3/s)以Qij表示；換算系數(shù)其值為31.536×106s以T表示；統(tǒng)計(jì)年數(shù)以n表示。

濕周法(wettedperimetermethod)是一種按照流量與濕周變化來判定河流最小生態(tài)流量的方法。該方法的使用流程是先確定出河道斷面濕周與流量的曲線關(guān)系，接著通過斜率法找到最近似1的點(diǎn)，并將此點(diǎn)當(dāng)作是濕周與流量的關(guān)系曲線突變點(diǎn)，同時(shí)，這個(gè)點(diǎn)對應(yīng)的流量就是需要計(jì)算的所求生態(tài)流量。

不同方法所求得的洮河生態(tài)需水量見表2所示。根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知發(fā)現(xiàn)，這五種不同的方法中，多年生態(tài)流量變化值在36.3～46.8 m3/s之間，通過計(jì)算后，得出占多年平均流量(191.8 m3/s)的18.9%～24.4%。

表2 各方法計(jì)算的洮河多年平均生態(tài)流量

Tennant法主要將20%的多年平均流量當(dāng)作是最小生態(tài)流量，滿足水生生物繁殖與生長的用水需求，多以魚類為主。河流的基本生態(tài)環(huán)境需水量法按照河流的最枯水量來計(jì)算，表示基于自然條件下，水生生物能夠自適河道流量天然消落的狀況，然而，通過調(diào)查研究后，發(fā)現(xiàn)洮河流域調(diào)水河段基本不受人類活動影響，多數(shù)受天然元素影響，因此，這種計(jì)算流量的方法只滿足本研究區(qū)需求。

上面所采用的五種生態(tài)需水量計(jì)算法中，都對生態(tài)保護(hù)目標(biāo)設(shè)定了參數(shù)，其對洮河生態(tài)保護(hù)的研究具有較大的參考意義。所以，得出河道最小生態(tài)流量介于36.3～46.8 m3/s，對應(yīng)最小生態(tài)需水量值介于11.50～14.82億 m3。

4.3 洮河流域河道外生態(tài)需水量計(jì)算與分析

根據(jù)上面分析所得，河道植被生態(tài)需水有沒有符合要求，主要將(Et)當(dāng)作判定指示性指標(biāo)，結(jié)合建立起來的分布式水文模型，就能計(jì)算林地與草地的降水量河蒸發(fā)量，通過對比分析，如果Et，就可以說明天然降水量符合植被的生長用水量需求；相反，如果Et，就可以表明天然降水不符合植被用水需求，為了更好保護(hù)植被生態(tài)系統(tǒng)，此時(shí)必須要做進(jìn)一步的補(bǔ)水處理。

通過變增益模型DTVGM，就能較好得出林地與草地的區(qū)域降水量與蒸發(fā)量，通過對比分析，若Et，則表示天然降水符合草地生態(tài)用水需求，河道外生態(tài)需水量實(shí)際上也就是植被的實(shí)際蒸散發(fā)量(見圖2)。

圖2 草地與林地的降水與蒸散發(fā)

5 結(jié)語

本文重點(diǎn)對當(dāng)下生態(tài)需水研究的生態(tài)保護(hù)目標(biāo)與水文循環(huán)分析問題等進(jìn)行了介紹，然后提出在水文循環(huán)分析的生態(tài)需水量計(jì)算流程圖和方法的基礎(chǔ)上，采取室內(nèi)遙感分析與野外現(xiàn)場勘察法可以得出相關(guān)結(jié)論，并且明確研究區(qū)生態(tài)需水的特征，通過環(huán)境同位素分析法的應(yīng)用，可以較好計(jì)算出河道內(nèi)外水力與水來源的補(bǔ)給關(guān)系，進(jìn)而明確生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的具體生態(tài)需水量。進(jìn)行具體研究后，最終所得結(jié)論包括以下幾點(diǎn)：(1)通過生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查與水文循環(huán)分析后，只要確保洮河流域河道外生態(tài)保護(hù)目標(biāo)目前植被面積不減少，就能滿足河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的魚類繁殖提供所需的水量與流速等最低生存條件；(2)通過初步水文循環(huán)分析后，發(fā)現(xiàn)洮河地區(qū)各種水主要受大氣降水補(bǔ)給影響；而河水除了受大氣降水補(bǔ)給影響外，還受到冰雪融化時(shí)的地下水補(bǔ)充影響；河道內(nèi)水量的減少對兩岸植被影響不大；(3)流域內(nèi)林地與草地的年平均實(shí)際蒸發(fā)量比降水量大，也就是Et，表明天然降水符合林地與草地的生態(tài)需水要求；(4)根據(jù)所確定的生態(tài)保護(hù)目標(biāo)，得出河道最小生態(tài)流量介于36.3～46.8 m3/s，對應(yīng)最小生態(tài)需水量值介于11.50～14.82億 m3。