圖們江主要支流生態(tài)環(huán)境需水量研究

李連俠，滿衛(wèi)東，李春景，朱衛(wèi)紅

(延邊大學(xué)理學(xué)院地理系，吉林 延吉 133002)

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圖們江主要支流生態(tài)環(huán)境需水量研究

李連俠，滿衛(wèi)東，李春景，朱衛(wèi)紅

(延邊大學(xué)理學(xué)院地理系，吉林 延吉 133002)

[摘要]以圖們江流域近20年的水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用統(tǒng)計(jì)分析方法、水文學(xué)方法、GIS和遙感技術(shù)，對其主要支流布爾哈通河、嘎呀河、琿春河的生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行了量化研究.結(jié)果表明：各支流的河道徑流可充分滿足河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量的要求；嘎呀河河道外生態(tài)環(huán)境缺水3.3億m3，布爾哈通河、琿春河河道外生態(tài)環(huán)境需水分別占各自水資源總量的79%，71%，目前表現(xiàn)為不缺水.

[關(guān)鍵詞]圖們江支流；河流基本生態(tài)需水；河流輸沙生態(tài)需水；水面蒸發(fā)生態(tài)需水；植被生態(tài)需水

伴隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對水資源的過度開發(fā)，生態(tài)環(huán)境問題也越來越嚴(yán)重，由此引發(fā)了人們對生態(tài)需水量的關(guān)注，生態(tài)需水量是水資源合理配置的重要基礎(chǔ).本文以圖們江流域近20年的水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用統(tǒng)計(jì)分析方法、水文學(xué)方法、GIS和遙感技術(shù)，對其主要支流布爾哈通河、嘎呀河、琿春河的生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行了量化研究，旨為圖們江流域水資源的合理利用與分配提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

1研究區(qū)概況

本文選取圖們江的主要支流布爾哈通河、嘎呀河及琿春河作為研究區(qū)域.布爾哈通河橫貫延邊朝鮮族自治州中部的平原盆地，干流河長172 km，流域面積7 064 km2；嘎呀河是圖們江的最大支流，汛期暴雨集中，水量大、漲勢猛，河水易出槽泛濫；琿春河是圖們江下游的重要支流，伴隨著琿春地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對水資源的合理利用及水量平衡也提出了更高的要求.圖們江流域近20年來受人類活動的影響，水土流失不斷加劇，已引起河流水質(zhì)的下降.[1]

2研究方法

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)所處空間位置不同，可將河流生態(tài)環(huán)境需水分為河道內(nèi)需水和河道外需水.[2]本文將對流域生態(tài)系統(tǒng)影響較大的河道內(nèi)河流需水和河道外植被的生態(tài)環(huán)境需水量作為研究對象.

2.1河流基本生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算方法——最小月平均流量法

該方法是指維持河流的基本生態(tài)環(huán)境功能不受破壞、要求年內(nèi)各時(shí)段的河川徑流都能維持在一定水平而不出現(xiàn)諸如枯竭甚至斷流等問題所需要的水量[3]，即以河流最小月平均實(shí)測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.其計(jì)算公式為

(1)

式中:Wb為河流基本生態(tài)需水量(億m3)；Qij為第i年第j個(gè)月的月平均流量(m3/s)；T為換算系數(shù)，其值為31.536×106；n為統(tǒng)計(jì)年數(shù).

2.2河流輸沙生態(tài)需水量

河流輸沙需水不僅影響泥沙輸移過程，同時(shí)還會影響到河床變化和河流中污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程，為維持水沙平衡，維持沖刷與侵蝕的動態(tài)平衡，需要一定的生態(tài)環(huán)境用水量與之匹配，這部分水量就稱之為河流輸沙需水.[4]計(jì)算方法為

Ws=Si/Cmax.

(2)

式中:Ws為輸沙需水量(億m3)；Si為多年平均輸沙量(萬t)；Cmax為多年最大月平均含沙量的平均值(kg/m3).

2.3水面蒸發(fā)生態(tài)需水量

為維持河流系統(tǒng)正常的生態(tài)功能，當(dāng)水面蒸發(fā)高于降水時(shí)，必須從流域河道水面系統(tǒng)以外接納來水進(jìn)行彌補(bǔ)，因此把這部分水量稱為水面蒸發(fā)生態(tài)需水量.[5]當(dāng)降雨量大于蒸發(fā)量時(shí)，可認(rèn)為蒸發(fā)生態(tài)需水量為零.根據(jù)水面面積、降水量、水面蒸發(fā)量，可以求得相應(yīng)的各月的蒸發(fā)需水量.其計(jì)算公式為

We=A(E-P)，E>P；

We=0，E

(3)

式中：We為水面蒸發(fā)生態(tài)需水量；A為各月平均水面面積；E為各月平均蒸發(fā)量；P為各月平均降水量.

2.4植被生態(tài)需水——面積定額法

植被生態(tài)需水不僅包括維持陸地林木植被、草場植被所需的最小水資源量，還應(yīng)包括維持農(nóng)田人工生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展所需的最小水資源量[6].本文選用的是面積定額法，該方法適用于基礎(chǔ)工作較好的地區(qū)與植被類型.其計(jì)算公式為

Vj=Aj×Zj.

(4)

式中:Vj為植被類型j的生態(tài)環(huán)境需水量(億m3)；A為植被類型j的面積(km2)；Zj為植被類型j的生態(tài)環(huán)境需水定額(mm).

3結(jié)果及分析

3.1圖們江主要支流河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量

考慮到河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境需水量的一般特性，根據(jù)生態(tài)環(huán)境需水量的定義及圖們江流域的實(shí)際情況，河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量包括三部分：河流基本生態(tài)環(huán)境需水量；河流輸沙需水量；河流水面蒸發(fā)需水量.量化結(jié)果見表1.

表1　布爾哈通河、嘎呀河、琿春河河道內(nèi)年均生態(tài)環(huán)境需水量　億m3

由延邊州水資源公報(bào)可知，布爾哈通河1991—2010年總徑流量為246.49億m3，年平均徑流量為12.325億m3；嘎呀呵1991—2010年總徑流量為218.026億m3，年平均徑流量為10.901億m3；琿春河1991—2010年總徑流量為244.738億m3，年平均徑流量為12.237億m3.由表1的各支流河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量化結(jié)果可知，布爾哈通河、嘎呀呵、琿春河河道內(nèi)年均生態(tài)環(huán)境需水總量分別為1.55，1.07，2.07億m3，分別占各支流年平均徑流量的12.5%，9.8%，17%，表明河道徑流可充分滿足河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量的要求.

3.2圖們江主要支流河道外生態(tài)環(huán)境需水量

河道外植被生態(tài)需水量包括天然植被和人工植被的生態(tài)環(huán)境需水量.根據(jù)圖們江流域氣候、水文及森林植被生長情況，采用面積定額法進(jìn)行計(jì)算[7]，其中的關(guān)鍵是獲得不同植被類型的面積和確定需水定額.不同類型植被面積的獲取可通過遙感和GIS技術(shù)分析的土地利用現(xiàn)狀圖，采集的數(shù)據(jù)為2010年9，10月覆蓋圖們江流域的LANDSAT TM影像，空間分辨率為30 m；同時(shí)收集覆蓋該區(qū)的1∶5萬地形圖、水系分布圖、土地利用圖，用作影像幾何校正和輔助解譯.

基于本研究的具體情況，通過參考2007年8月頒布執(zhí)行的《土地利用分類》國家標(biāo)準(zhǔn)，本文將土地利用類型分為旱田、水田、林地、草地、水域、建筑用地和未利用地.在GIS軟件ArcView 9.3支持下，采用基于知識的人機(jī)交互式解譯方法，結(jié)合地形圖、土地利用圖、Google地球和野外實(shí)地考察反復(fù)比較和修改研究區(qū)，提取出了各土地利用類型信息(見圖1，2，3).利用Arcmap平臺，分別計(jì)算各支流各種土地類型面積(見表2).

圖1　布爾哈通河2010年土地利用遙感解譯圖

圖2　嘎呀河2010年土地利用遙感解譯圖

圖3　琿春河2010年土地利用遙感解譯圖

km2

由于相關(guān)資料的缺乏，在確定各類型植被生態(tài)需水定額時(shí)，只能借鑒前人的相關(guān)研究成果.田靜等[8]在對近20年來中國內(nèi)陸地表蒸散的時(shí)空變化研究中指出，東北地區(qū)林地蒸散量為520 mm，草地蒸散量為430 mm；陳麗華等[9]以Penman綜合法得出了北京地區(qū)森林植被用水定額.圖們江流域森林生態(tài)系統(tǒng)可分為落葉針葉林和落葉闊葉林，草原主要以草甸草原為主，根據(jù)以上研究成果具體分析研究區(qū)，確定林地需水定額為330 mm，草地為310 mm.圖們江流域的主要作物包括水稻、玉米和其他旱作物，鑒于不同作物對水資源有不同的需求量，在核算農(nóng)田生態(tài)環(huán)境需水量時(shí)，確定不同作物的需水定額十分必要.根據(jù)《灌溉節(jié)水技術(shù)》提供的吉林省農(nóng)作物平均需水量標(biāo)準(zhǔn)，參考實(shí)地調(diào)研結(jié)果和對相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料的分析，確定圖們江流域水田的需水定額為350 mm，旱田為250 mm.采用面積定額法，根據(jù)公式(2)—(4)，得到各支流植被生態(tài)環(huán)境需水量(見表3).

表3　布爾哈通河、嘎呀河、琿春河流域植被年生態(tài)環(huán)境需水量

3.3圖們江主要支流生態(tài)環(huán)境需水總量及各支流水量平衡分析

由于河道內(nèi)與河道外生態(tài)環(huán)境需水之間的關(guān)系十分復(fù)雜，不能簡單地將各項(xiàng)加在一起，因此本文對河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水總量與河道外生態(tài)環(huán)境需水總量分別進(jìn)行計(jì)算并對其進(jìn)行分析.將河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量與河道外生態(tài)環(huán)境需水量匯總，得出各支流年生態(tài)環(huán)境需水總量(見表4).

表4　各支流年生態(tài)環(huán)境需水總量　億m3

由表4可見，布爾哈通河、嘎呀河、琿春河年生態(tài)環(huán)境需水總量分別為17.05，21.57，13.37億m3.其中河道外生態(tài)環(huán)境需水量分別占各支流需水總量的91%，95%，85%.

水資源總量的確定是水量平衡分析的基礎(chǔ)，水資源總量是指降水形成的地表水和地下水的總和，在數(shù)值上等于地表水與地下水資源量之和再扣除兩者之間的重復(fù)計(jì)算量.圖們江流域基本上屬于山丘區(qū)，雖然有平原，但只占總流域面積的2.4%，因此，山丘區(qū)重復(fù)水量僅為山丘區(qū)地下徑流.[10]

由《延邊州水資源公報(bào)》(2012年)可知，水平年布爾哈通河、嘎呀河、琿春河年水資源總量分別為19.68，17.20，15.84億m3；由表4可知，布爾哈通河、嘎呀河、琿春河河道外年生態(tài)環(huán)境需水量分別為：15.5，20.5，11.3億m3，因此，嘎呀河河道外年生態(tài)環(huán)境缺水3.3億m3，布爾哈通河、琿春河河道外年生態(tài)環(huán)境需水只占各自水資源總量的79%，71%，表現(xiàn)為不缺水.

4結(jié)論

布爾哈通河、嘎呀呵、琿春河河道內(nèi)年生態(tài)環(huán)境需水總量只占各支流年平均徑流量的12.5%，9.8%，17%，表明河道徑流可以充分滿足河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量的要求；以水資源總量為基準(zhǔn)，對各支流生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行水量平衡分析可知，嘎呀河河道外年生態(tài)環(huán)境缺水3.3億m3，布爾哈通河、琿春河河道外年生態(tài)環(huán)境需水只占各自水資源總量的79%，71%，目前表現(xiàn)為不缺水.但隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源供需矛盾將會越來越突現(xiàn)，因此，必須加強(qiáng)水資源管理調(diào)配，充分發(fā)揮當(dāng)?shù)厮Y源的潛力，防止生態(tài)環(huán)境缺水現(xiàn)象的發(fā)生.

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(責(zé)任編輯：方林)

A study on eco-environment water demand of Tumen River’s main tributaries

LI Lian-xia，MAN Wei-dong，LI Chun-jing，ZHU Wei-hong

(Geography Department，College of Sciences，Yanbian University，Yanji 133002，China)

Abstract:This paper is mainly based on nearly two decades hydrological data of Tumen River Basin，using statistical analysis，hydrology methods，GIS and remote sensing technology to have environmental water demand quantitative research for its main tributaries—Buerhatong river，Gaya river，Hunchun river.Research results show that:(1) the river runoff of tributary could meet in-stream ecological water demand. (2) the stream ecological environment of Gaya river is a certain degree of water scarcity，Buerhatong river，Hunchun river in the aggregate performance of not dry.

Keywords:Tumen river；the basic ecological water demand；the river sediment ecological water demand；the surface evaporation ecological water demand；the vegetation ecological water demand

[中圖分類號]P 942[學(xué)科代碼]170·4510

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[作者簡介]李連俠(1985—)，女，碩士研究生；通訊作者：李春景(1966—)，女，博士，副教授，主要從事自然地理研究.

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41361015).

[收稿日期]2014-10-10

[文章編號]1000-1832(2016)01-0128-05

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.01.026