宿州市水生生態(tài)系統(tǒng)最小生態(tài)需水量計算

張 勇，黃淑玲，王 俊

（1.安徽省煤礦勘探工程技術(shù)中心，安徽 宿州234000；2.宿州學院 地球科學與工程學院，安徽 宿州234000）

進入新世紀，城市在迅速發(fā)展的同時也產(chǎn)生了一系列問題，水資源是否合理利用日益受到關(guān)注，城市水生生態(tài)系統(tǒng)最小生態(tài)需水量更是不容忽視。城市水生生態(tài)系統(tǒng)最小生態(tài)需水量內(nèi)涵是為生物提供適宜生境需要的水，或在生物系統(tǒng)其他生境條件（非最適宜的生境條件）下，維持生態(tài)系統(tǒng)一定的生態(tài)功能需要的水[1]。近些年來，生態(tài)需水已成為水科學領(lǐng)域非常新穎和熱門的研究課題，然而由于缺乏系統(tǒng)的科學理論，致使有關(guān)生態(tài)需水的研究仍停留在介紹一些基本的概念或定義上，其計算方法也只是從物理的水量平衡，水熱平衡，水沙平衡，水鹽平衡等方面考慮[2-3]。所以構(gòu)建完整的生態(tài)需水研究模型和探索出一套適合計算的公式就成為了當下眾多環(huán)境科學工作者的首要任務。

本文通過對河流、湖泊和濕地等水生生態(tài)系統(tǒng)資料的查閱，結(jié)合中外學者的理論模型和研究成果，設(shè)計出水生生態(tài)系統(tǒng)的最小生態(tài)需水量計算模型，以安徽省宿州市為例，計算出2012年水生生態(tài)系統(tǒng)最小生態(tài)需水量，可為水資源合理規(guī)劃利用和水生態(tài)文明建設(shè)方面提供技術(shù)支持。

1 宿州市水資源現(xiàn)狀

宿州市地處皖北，是淮海經(jīng)濟協(xié)作區(qū)的核心城市之一，也是安徽省距離出海口最近的城市，正是因為這樣特殊的地理位置，所以決定了宿州市水資源的構(gòu)成系統(tǒng)具有自己的特點，其水資源主要由大氣降水，地表水和地下水構(gòu)成。

1.1 大氣降水

宿州市的年平均降水量728-900mm，空間分布上呈現(xiàn)南多北少的特征，主要表現(xiàn)在南方的靈璧縣常年要比北方的碭山縣多出170mm的降水量，區(qū)域差異比較突出。從每個月降水分布來看，大多數(shù)情況下都以7月的降水為主，其次就是8月（北部）與6月或8月（中東部）；而12月的降水量最少往往只有7月的三分之一，季節(jié)分布上存在不均衡的現(xiàn)象。各月降水最大最小值相差的情況也比較突出，少的時候只有8倍，但最多的時候卻達到了200倍以上，年紀變化大也是洪澇災害的重要原因。

1.2 地表水

宿州市地處華東地區(qū)且宿州地表水資源較豐富，全市河流共分6大水系：新汴河水系、濉河水系、崇潼河水系、安河水系、南四胡水系、故黃河水系，六大水系中又以新汴河水系為代表，其水資源總量達到2.4億m3。宿州境內(nèi)有大小河流70多條，主要有澮河、沱河、濉河、奎河、蕭濉新河、新汴河等，地表水資源總量16.1億m3，地表水在空間分布上具有北多南少，東多西少的特征。

1.3 地下水

宿州地下水主要分為淺層地下水、深層地下水和基巖裂隙巖溶水，分布面積為9692.8km2，多年平均儲藏量11.58億m3，在全市的分布較為均勻，各縣區(qū)在1.00～3.53億m3。宿州市具體水資源情況見表1。

表1 宿州市水資源空間分布狀況

2 水生生態(tài)系統(tǒng)最小生態(tài)需水量研究路線

2.1 最小生態(tài)需水量計算路線

最小生態(tài)需水量的具體功能有[4]：為水生生物提供其必要的生活場所，提供稀釋凈化水用來滿足水生生物生活，正常的社會娛樂景觀等需求，以上三個方面可能會存在重復的部分，在具體計算時還要減去重復量。

針對研究區(qū)域首先進行資料查閱和實地考察，根據(jù)區(qū)域情況和事先規(guī)劃的研究目標，劃分研究區(qū)域；篩選參數(shù)，建立適合本區(qū)域特征的最小生態(tài)需水量計算模型，進行各分區(qū)最小生態(tài)需水量計算，減去重復計算的部分，從而求和得到最小生態(tài)需水量。

需要注意的是目前大多數(shù)研究者在研究生態(tài)需水量時都是以行政作為界限進行劃分計算，該法一般適合于水系比較集中的區(qū)域，可大多數(shù)情況下政區(qū)和水系間的聯(lián)系都會存在不連續(xù)的特點，采用該法就會割裂水系間的聯(lián)系，導致計算結(jié)果產(chǎn)生誤差。同時湖泊和濕地也是通過河道進行水系交換，此外，河流的上下游也會影響計算結(jié)果，所以在水系計算時必須將一個完整的水系作為參考對象進行研究。本文在計算區(qū)域的劃分范圍時，用宿州市東西南北城市四界的河流取代行政區(qū)域，對于計算分區(qū)的選擇，則可以按照研究范圍內(nèi)主要河流流域進行劃分，保證了計算結(jié)果的準確性。

2.2 研究區(qū)劃分和數(shù)據(jù)來源

為提高研究的準確性，依據(jù)水生生態(tài)系統(tǒng)的流域的連續(xù)性，確定研究區(qū)范圍為宿州市規(guī)劃城區(qū)和周邊部分區(qū)域，具體為：南起南四湖水系，北至新汴河水系，西起安河水系，東達故黃河水系，計算涵蓋新汴河水系、濉河水系、崇潼河水系、安河水系、南四胡水系、故黃河水系六大水系，總面積約為6845km2。

研究所需水資源數(shù)據(jù)來源于《宿州市水利資源公報》，《安徽省統(tǒng)計年鑒》和宿州市水利局提供的部分資料。

3 宿州市水生生態(tài)系統(tǒng)最小生態(tài)需水量計算

3.1 河流最小生態(tài)需水量的計算

河流最小生態(tài)需水量就是維持水生生物生存的前提情況下又能保護河道生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性，對河道外的植被生態(tài)需水量計算采用間接計算方法，對于河道內(nèi)生態(tài)需水量計算方法有綜合比較水文學方法，水力學方法和生境方法，結(jié)合宿州的實際情況采用水文學方法中的河流基本生態(tài)環(huán)境需水量法。

3.1.1 河道外間接計算法 河道外的生態(tài)需水量主要考慮的是植物的蒸騰作用，可以間接的通過計算出植物的蒸發(fā)量來表示河道外的生態(tài)需水量[5-6]。目前，在水分不足時，潛在蒸騰揮發(fā)量通常使用改進后的彭曼公式[7]，具體計算公式如下：

式中：ET—作物實際需水量，mm；ET0—植物潛在蒸騰揮發(fā)量，mm；KC—植物騰散系數(shù)，隨植物種類，生長發(fā)育階段而異，生育初期和末期較小，中期較大，接近或>1.0，一般通過實驗取得；f(s)—土壤影響因素。

河道外植被具體蒸騰量見表2。

表2 河道外綠色植被蒸騰量

3.1.2 河流基本生態(tài)環(huán)境需水量法 采用最小月平均徑流法[8-9]，實際計算中以最小月平均實際徑流量的多年平均值作為河流的基本生態(tài)環(huán)境需水量，在這種情況下基本可以滿足下游對水量的需求，計算公式為：

式中：Wb—河流基本生態(tài)需水量，單位：108m3；Qij—第 i年第 j月的月平均流量，m3/s；n—統(tǒng)計年數(shù)；T—換算系數(shù)，值為 31.536×106s。

依據(jù)河流基本生態(tài)環(huán)境需水量法，對所在研究區(qū)域范圍內(nèi)的河流水系進行了調(diào)查，獲取各水文監(jiān)測站的水流量數(shù)據(jù)，具體見表3。

表3 2006—2012年各站水文監(jiān)測數(shù)據(jù) m3/min

通過上述對河流生態(tài)需水量計算方法的選取，分別計算了河道內(nèi)、外的最小生態(tài)需水量，得出河道內(nèi)的最小生態(tài)需水量為0.62億m3，河道外的最小生態(tài)需水量為0.13億m3，即河流的最小生態(tài)需水量為0.75億m3。

3.2 湖泊最小生態(tài)需水量計算

湖泊最小生態(tài)需水量是指湖泊發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)正常作用所需要的水量，根據(jù)功能湖泊的生態(tài)環(huán)境需水量主要包括：湖泊蒸發(fā)需水量、湖泊自身存在的需水量和生物棲息地的需水量三部分，同時還有些其他因素需考慮，如湖泊下滲，取水等[10-11]。

3.2.1 湖泊蒸發(fā)需水量 湖泊需作為一個整體對象研究，考慮蒸發(fā)量時不僅要計算湖泊自身的蒸發(fā)量還要考慮到湖泊中水生生物的蒸發(fā)量。湖泊水面蒸發(fā)需水量公式為：

式中：Wv為湖面水分蒸發(fā)需水量；A為湖面面積；Ew為湖泊水分蒸發(fā)量；Qr為湖泊內(nèi)降水量。湖泊水生植物蒸散需水量公式為：

式中：Wp為湖泊水生植物蒸散需水量；dt為計算時段長度；ETm為植物的蒸散發(fā)量。

3.2.2 城市湖泊自身存在的需水量 湖泊常年所保持的正常蓄水量，能夠保障城市湖泊的正常存在和功能的發(fā)揮，最小生態(tài)需水量是保證湖泊中生物正常生活和湖泊發(fā)揮娛樂功能所必須的條件，它屬于生態(tài)需水量的重要組成部分。其公式為：

式中h為湖泊水深，T為換水系數(shù)。

3.2.3 生物棲息地的需水量 湖泊周圍一般不會存在大量的動物，因此湖泊在滿足自身需水量的要求上就已經(jīng)足夠了，考慮到宿州市湖泊周圍存有一定的生物，現(xiàn)實情況比較特殊，其需水量公式計算如下：

式中H為棲息地需水限制水深。

對研究區(qū)域范圍內(nèi)的湖泊進行了調(diào)查，采集數(shù)據(jù)，進行模型計算得出湖泊最小生態(tài)需水量，具體見表4。

表4 宿州湖泊生態(tài)需水量 萬m3

通過上述計算得知湖泊的生態(tài)需水量為0.61億m3，其中湖泊自身存在的需水量所占比例最大達到了0.25億m3，湖泊蒸發(fā)需水量占0.24億m3，生物棲息地的需水量最小，只需要0.12億m3。

3.3 濕地最小生態(tài)需水量的計算

目前還沒有成熟通用的濕地最小生態(tài)需水量計算方法，又缺乏相關(guān)的研究經(jīng)驗，僅僅只能從物理的水熱平衡等方面來考慮濕地的生態(tài)需水量，在計算結(jié)果上會與實際結(jié)果有一點點的誤差，不過可以通過修正盡量減少誤差[12]，水熱平衡原理是指水分在生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)與能量流動的結(jié)構(gòu)體中，既是物質(zhì)循環(huán)的一部分，又是其它物質(zhì)運轉(zhuǎn)的載體和能量流動的媒介。地面的水分受熱后要向空中蒸發(fā)(包括植物的蒸騰)，用熱量平衡方程推算蒸發(fā)量[13]，其方程為：

式中，R為輻射平衡量；A為大氣感熱；L為蒸發(fā)潛熱；E為蒸發(fā)量；QA為土壤熱交換量。上式可推導出蒸發(fā)量計算式：

式中，Δe為作物冠層上方的濕度梯度；ΔT為作物冠層上方的溫度梯度；α為標準氣壓與地面實際氣壓的比值。

宿州市的濕地主要是泗縣的石龍湖濕地公園和沱河自然保護區(qū)以及碭山，蕭縣等地的黃河故道濕地自然保護區(qū)，具體見表5。

表5 宿州市濕地相關(guān)數(shù)據(jù) mm

在計算生態(tài)需水量的時候，有必要按照等級劃分以增加計算精度，可將濕地景觀水深分別選取1.7m和0.6m作為最大和最小濕地生態(tài)景觀水深；將石龍湖濕地，沱河保護區(qū)濕地和黃河故道所得的相關(guān)數(shù)據(jù)納入計算模型，通過計算最終得出濕地的最小生態(tài)需水量為0.18億m3。

3.4 計算結(jié)果與分析

通過模型，可以計算出水生生態(tài)系統(tǒng)的最小生態(tài)需水量，可知宿州市2012年的水生生態(tài)系統(tǒng)最小生態(tài)需水量為1.54億m3左右，約占全市多年平均可供水資源總量的8.86%，與天長市生態(tài)需水量所占比例相近（其為11.45%），遠遠低于深圳市寶安區(qū)（其為33%），這主要是由于本文考慮的僅僅是水生生態(tài)系統(tǒng)的最小生態(tài)需水量，而深圳是全國七大嚴重缺水城市之一，寶安區(qū)更是深圳市缺水最嚴重的地區(qū)，可供水資源量有限，可見宿州市最小生態(tài)需水量完全在水資源承載范圍之內(nèi)[14-15]。

在宿州市水生生態(tài)系統(tǒng)最小生態(tài)需水量中，河流生態(tài)需水量達到了0.75億m3，占總需水量比例為48.7%，所占比例最大，這與北京市生態(tài)需水量研究成果一致[1]355，說明相對于宿州市這樣一個總體水資源相對較為短缺的城市來說，河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量的差異也間接反映出了城市對供水量大小的需求，這對今后宿州市城市建設(shè)在水資源合理規(guī)劃與利用方面提供了參考依據(jù)。湖泊的生態(tài)需水量則達到了0.61億m3，占總需水量比例為39.6%，這是因為湖泊的流動性要遠遠弱于河流，但是對于城市來說湖泊的需水量在保持城市的地下水深度和水資源循環(huán)方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，且與河流需水量并沒有顯著大幅度差距，因此城市生態(tài)建設(shè)也需將湖泊考慮在內(nèi)。雖然濕地的生態(tài)需水量僅需要0.18億m3，所占總需水量比例為11.7%，但因濕地有著地球之腎的功能，濕地的生態(tài)作用也不可被忽略。

4 結(jié)論

城市的發(fā)展離不開水，準確計算出宿州市水生生態(tài)系統(tǒng)最小生態(tài)需水量對宿州市水資源合理規(guī)劃利用和城市水生態(tài)文明建設(shè)具有重大意義。通過查詢最近幾年宿州市內(nèi)河流、湖泊和濕地的水文資源數(shù)據(jù)，依據(jù)由基本要素到整體對象的實驗思路，建立計算模型，最終得出宿州市2012年城市水生生態(tài)系統(tǒng)最小生態(tài)需水量為1.54億m3左右。

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