侯 琨, 王秀茹, 杜曉晴, 靳春香

(北京林業(yè)大學 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室, 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 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室, 北京 100083)

流域生態(tài)環(huán)境需水量是生態(tài)系統(tǒng)的一項指標，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節(jié)來保證并維持生態(tài)環(huán)境的質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部分，即河道內生態(tài)環(huán)境需水量和河道外生態(tài)環(huán)境需水量，因此在計算的過程中要分別確定這兩個方面需水量的計算范圍和計算公式。研究以桂林市桃花江流域生態(tài)環(huán)境為例，對相關的概念進行相應的介紹，并以科學的理論公式(主要是面積定額法和Tennant法)對該流域實際的生態(tài)環(huán)境需水量進行計算。通過計算分析，桃花江流域河道內、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，應通過科學管理及提高利用效率等方式，將該流域范圍內工業(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

隨著我國人口數量的不斷增長，人類生活及社會生產所消耗的水資源量也在隨之增長，如何保證區(qū)域內生態(tài)環(huán)境用水安全開始引起社會和國家的普遍關注。水資源是流域生態(tài)系統(tǒng)維持正常運轉的物質基礎，而保證流域生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境需水則是保護和恢復生態(tài)環(huán)境、避免河流斷流和水土流失的重要前提，因此，以流域為研究對象，正確計算并系統(tǒng)評估研究區(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)，對于植被的生存和生長都有一定的負面影響，導致當地的綠色植物覆蓋率低，泥石流、水土流失等自然災害出現頻率變大。同時，桃花江流域的氣候并不穩(wěn)定，降水量的年際時空差異較大，而且由于該流域特殊的地理特征使得其調蓄能力較弱，一旦到了枯水季節(jié)桃花江就非常容易出現供水不足、缺水甚至斷水的情況。另一方面，隨著當地人口數量和工業(yè)密集程度的增加，人類生活和社會生產的需水量也在不斷地提高，這使得人類生產生活對水資源的需求與生態(tài)環(huán)境循環(huán)用水的競爭變得更加激烈[2]。因此，對桃花江流域的生態(tài)環(huán)境需水量進行計算研究，保證桃花江流域的生態(tài)環(huán)境用水，對于日漸惡化的區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要的現實意義。

1　流域生態(tài)環(huán)境需水量的內涵

1.1生態(tài)環(huán)境需水量

目前我國對流域生態(tài)環(huán)境需水量的研究工作還不是很完善，不同學者由于研究角度和研究目的的不同形成了多種研究結論，至今還未形成系統(tǒng)的體系。有學者從宏觀角度出發(fā)，根據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)境中各項功能正常運行并維持自然環(huán)境平衡的需水量以及生態(tài)環(huán)境中人、動物、植物、微生物生存所需要的水量。有學者從多個角度對流域生態(tài)環(huán)境需水量的概念進行了概述，認為流域生態(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準，具體來說就是只有達到該環(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)組合而成的復雜生態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)內一切自然活動均以流域內的水體為基礎，通常擁有較明顯的地理邊界。由于流域生態(tài)系統(tǒng)結構的特殊性，根據生態(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)中各項基礎功能能夠正常進行的前提，離開了水，流域生態(tài)系統(tǒng)就會逐漸退化直至消失。

河道內生態(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)，保護河道生態(tài)環(huán)境質量水平不進一步下降所需要的最小水量。對于河道來說，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]。

現階段我國學者在掌握原有計算理論的基礎上進行了相應的改進和創(chuàng)新，使得計算的公式能夠更加準確地計算出流域生態(tài)環(huán)境需水量。具體的計算方法有：以河流自身凈化能力為依據的環(huán)境功能設定法、標準年假設法、水量補充法、面積定額法、彭曼法等。根據前期對桃花江流域的環(huán)境、地理位置等方面的調研結果和信息收集，本次研究決定采用面積定額法和Tennant法進行計算。

面積定額法的應用原理為：在一定的區(qū)域范圍內，由于地表植被的種類不同，其生長過程需水量也有所不同，因此在計算生態(tài)需水量的過程中應分開計算，即用該植被的生態(tài)需水定額以及研究范圍內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，根據河道的功能定位選取適宜的生態(tài)需水評價等級，以對應的百分比作為計算河道內生態(tài)環(huán)境需水量的依據。此方法對于存在季節(jié)性徑流量差異的河流應用較多[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，其干流長度為65.3 km，主要經過的地區(qū)有臨桂、秀峰、象山等地。根據調查，由于人為破壞等原因，桃花江實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，桃花江流域屬于喀斯特地貌，地質脆弱，因此，地表水會通過縫隙滲流補充地下水。桃花江的地形特征會使得其在枯水季節(jié)出現水資源供給不足的問題。桃花江流域的生態(tài)系統(tǒng)順序是由內到外的：最內層是河流，由里到外依次是濕地、灌木植被、農作物、喬木植被、丘陵、水庫、池塘。各個生態(tài)系統(tǒng)通過水的流動相互聯系依存，如果其中一個系統(tǒng)的功能減弱或消失則會對整個生態(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)生產的聚集區(qū)，日常生活的垃圾和工業(yè)生產的廢物、廢水排放都是直接或是間接依靠桃花江來進行接納和凈化。因此，應該對整個流域進行系統(tǒng)全面的分析，從實際出發(fā)了解或計算出流域生態(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) 經濟作物需水量；(2) 河道外水體生態(tài)環(huán)境補充需水量。

4.1.1經濟作物需水量根據資料查閱結果，在桃花江流域上游部分和中游部分主要是農作物的種植區(qū)，主要種植水稻等農作物。在河道沿岸種植農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，同時還可以增加該地區(qū)的林草植被覆蓋率，特別是對于水土資源環(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]。經濟作物對于流域生態(tài)系統(tǒng)的正常運轉有著非常重要的作用，因此筆者認為，在計算過程中有必要將農作物、農田生態(tài)環(huán)境的需水量考慮在內。

經濟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量出來，因此，可以采用面積定額法來計算經濟作物需水量。其計算方法為：選取規(guī)定時間、單位地區(qū)內某一種作物需水量的平均值再乘以相應的種植面積以求得整個生態(tài)環(huán)境中該種農作物的需水量。

計算公式為：

Wp=∑Ai×Wr

(1)

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

根據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，查詢相關資料可得當地的水田和旱地的需水定額分別為1 530.3 m3/hm2和450 m3/hm2，可以計算出水田和旱地的生態(tài)需水量，依據公式(1) ，將兩項數值求和可得出流域內經濟作物生態(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。當水面蒸發(fā)量超過單位時間內實際的降水量時，要想保證地下水位的動態(tài)平衡就需要有一部分入流水量來填補兩者之間的差值。河道外水體生態(tài)環(huán)境補充需水量的計算需要考慮當地的雨季特征、氣候、溫度、平均濕度，年均雨水面面積、降水量等因素。當降水量的數值超過實際蒸發(fā)量的數值時，水體的水量得到補充，相應的生態(tài)需水可以得到滿足，此時可視水體生態(tài)環(huán)境需水量為0。具體計算公式可表示為：

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)。本次研究僅選取流域內大型水體進行計算。研究范圍內分布有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3 560 hm2。

根據統(tǒng)計數據，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)量往往分別出現在每年的5月和8月。因此，從時間上來看，最大降雨量和蒸發(fā)量出現在同一個時間段內的幾率較小。根據公式(2)將數據代入可計算出所需水量具體數據，如表1所示。

表1　桃花江流域降雨量和蒸發(fā)量統(tǒng)計

由表1數據可知，需水量最大值出現在9月，為0.036億m3，需水量最小值出現的時間為每年的2—8月，數值為0，將每個月的We數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)境補充需水量理論數值0.087億m3。

4.2河道內生態(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時段，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)為標準，根據流域的功能定位以及生態(tài)環(huán)境現狀，選取合適的評價等級及對應的生態(tài)環(huán)境需水量百分比計算出維持河道生態(tài)功能正常運轉的最小生態(tài)環(huán)境需水量。

目前，在Tennant法的應用過程中，國內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算河道內生態(tài)環(huán)境需水量，而汛期則選取30%～40%。

表2　Tennant法對生態(tài)環(huán)境需水量狀況的描述　%

根據前期調查結果，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。基于表1對河流流量的描述，結合桃花江流域的實際情況，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)境需水量為對應月份平均徑流量的10%，汛期(即4—9月)各月最小生態(tài)環(huán)境需水量為對應月份平均徑流量的30%。采用Tennant計算法進行計算，公式為：

(3)

式中：Wi——河道內生態(tài)環(huán)境需水量(m3)；Mi——第i個月的河道多年平均徑流量(m3/s)；Ni——對應第i個月的最小生態(tài)環(huán)境需水量的百分比(非汛期10%，汛期30%)；T——時間。運用公式(3)對表2中的數據進行計算可得，該流域河道內生態(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)境需水量的理論數值為0.146億m3，相當于流域年均徑流量3.36億m3的4.3%，河道內生態(tài)環(huán)境需水量的理論數值為0.901億m3，相當于流域年均徑流量3.36億m3的26.8%，由此可計算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，相當于流域年均徑流量的31.1%。

5　結 論

桃花江流域河道外生態(tài)環(huán)境需水量的理論數值為0.146億m3，相當于流域年均徑流量3.36億m3的4.3%，河道內生態(tài)環(huán)境需水量的理論數值為0.901億m3，相當于流域年均徑流量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，相當于流域年均徑流量的31.1%。

根據收集統(tǒng)計的資料可知，該流域范圍內近三年來農業(yè)、工商業(yè)、服務業(yè)等生產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，保護當地自然環(huán)境不被破壞，筆者認為應對桃花江流域人類生活和生產用水進行科學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,研究方向為水土保持。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