生态需水量估算
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1前言
水是地球生物赖以生存的源泉，是生命系统的基础。1988年联合国教科文组织（UNESO）和世界气象组织（WMO）定义水资源是“作为资源的水应当是可供利用或可能被利用，具有足够数量和可靠质量，并可为满足某地的水资源需求而能长期供应的水源。”〔1〕过去人们只注重生活用水，生产用水的开发与研究，而今随着可持续发展观念的深入和生态环境建设的需要，生态需水研究在世界许多国家受到广泛关注，已经成为目前生态学、水文学和水资源学研究的前沿问题。因此，做好现状和规划状态下的生态需水估算，有利于水利规划，有利于生态环境调控与管理，更有利于水资源的优化配置。
2生态环境需水量的概念
尽管国内外对生态需水这一类问题的研究很多，但到目前为止还没有一个得到学术界公认的特别准确的概念，甚至没有一个统一的名称，分别有生态用水、环境用水、生态需水、环境需水、生态环境用水和生态环境需水，不同的名称对应着各自不同的含义，现解释如下。
2.1需水与用水
需水与用水是不同层次的两个概念，需水是一个状态值，强调为了维持某种状态或达到某种程度而需要的水量，而用水是一个动态的概念，强调在发展过程中实际消耗的水量。因此，应将生态需水与生态用水在本质上加以区分，生态需水是维持某种生态系统功能或维持某种生态平衡所需要具备的水量，生态用水则是指生态系统在自然发展过程中实际消耗的水资源总量〔2〕。就其内涵和研究现状来看，国内外较为关注的是生态需水量。
2.2生态需水与环境需水
生态系统是由生物群落及其生存环境共同组成的、不断进行能量交换和物质循环、不断进行生态控制和生态调节的动态平衡系统。为生态系统提供所需的一定质量和数量的水以维持物种的多样性和生态完整性，这部分所需的水即叫做生态需水量。
环境泛指围绕某一中心——人类群体的生存环境的空间及其介质，一般，包括自然和社会环境。环境需水实质就是为满足自然、社会的各种功能健康所需要的水量。只有在明确目标的前提下环境用水才会被赋予具体的含义〔3〕。
2.3生态环境需水
严格的讲，生态与环境是分属两个不同学科但是在含义上有重叠的概念，在很多不具备分别探讨生态需水与环境需水的条件时，如果将生态需水和环境需水综合考虑就会自然的提出“生态环境需水量”这一概念，可以定义为：生物所在环境中的各种生态因子（环境中对生物有直接作用的因子）所构成的综合体称为生态环境，其维持生态系统水分平衡所需
要的水量叫做生态环境需水量〔3〕。有区域（水域）生态环境需水；城市生态环境需水；植被生态环境需水量；改善江、河、湖水的生态环境需水；湿地生态环境需水……等等
3生态环境需水量研究现状
3.1国外研究现状
生态环境需水量的研究工作最早是在国外开展的，美国早在1908年便对生态需水量进行了研究，提出了流域管理的概念，认为流域水环境是一个整体，并且先后提出了关于河道最小生态流量核算的多种方法，如7Q10法，Tennant法，湿周法，R2CROSS法等。20世纪中叶的美国，随着大量水库的修建和水资源开发利用程度的不断提高，资源管理部门开始关注渔场的减少，并逐步开展了一些关于鱼类生长、繁殖及其产量与河流流量之间的关系研究，从而提出了河流最小环境（或生物）流量的概念。英国从20世纪60年代设立水资源局，70年代进一步实行集中管理，设立国家水理事会，在各流域水务局管辖范围内实行对地表水和地下水、供水和排水、水质和水量的统一管理，协调水资源在各部门之间的分配。法国也在20世纪后期也进行了相关的研究，1992年颁布水法：要保证河流的最低生物流量。在渔业法和乡村法中规定了水利工程施工建设和运用管理应当保证的河道内最小环境流量的底限，最小环境流量或最低生物流量即相当于目前通常认为的生态用水量〔4〕。1940年，美国渔业与野生动物保护组织规定了维护河流的最小生态流量，后来随着河流污染问题的出现，河流生态恢复保护和水资源管理的需求，J.Sheail和P.H.Gleick等人对生态需水的概念、类别、生态需水范围等进行了探讨〔5〕。1996年，Gleick 明确给出基本生态需水(Basic eco logical water requirement) 的概念框架，即提供一定质量和一定数量的水给天然生境， 以求最小化地改变天然生态系统的过程， 并保护物种多样性和生态整合性〔6〕。澳大利亚把“低地河流系统环境需水量”作为1996—1997 年研究与发展计划项目；英国环境部2001 年《面向未来的水资源》报告中，对未来25 年英国的环境用水和社会用水需要进行了分析，提出了30个行动方案措施。预计在未来的几十年中，全世界范围内的生态环境用水量将明显增加〔7〕。
3.2国内研究现状
在我国，从20世纪80年代开始就有人对环境用水给出了定义：环境用水是改善水质、协调生态和美化环境用水等。1995 年，汤奇成以新疆地区为背景，论述了生态环境用水的主要用途：对一些重要的湖泊进行补水和人工植被用水〔8〕，是我国较早提出生态环境需水问题的教授。最近几年，随着经济发展水平的不断进步，人们对
生态环境重要性的认识不断提高，生态需水量的概念也受到越来越多的关注。由中国工程院组织专家完成的《21世纪中国可持续发展水资源战略研究》认为：广义的生态环境用水是指“维持全球生物地理生态系统水分平衡所需用的水，包括水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等，都是生态环境用水”。狭义的生态环境用水是指为“维护生态环境不再恶化并逐渐改善所需要消耗的水资源总量”〔2〕。我国从保护生态环境的目标出发对黄河、淮河、海河的河道内生态环境需水量进行了估算，对内陆河流域片干旱半干旱地区的生态环境需水、地下水超采严重的地区的生态环境用水进行了估算，并对全国生态环境用水制定了800～1 000亿m3的目标〔8〕。从生态用水研究与应用发展概况来看国内外生态用水研究已取得了较大进展，生态用水的概念已相对明确，核算方法也趋于完善。各国学者依据不同的案例进行了大量研究，特别是我国不仅研究了河流的生态用水，对林地、绿洲、湿地等生态用水也进行了研究〔9〕。
目前新型的技术、计算手段使生态环境需水量研究在原有理论、技术的基础上有了很多新的突破，3S技术，神经网络技术等令生态环境需水量的研究呈现出新的姿态。崔保山、胡波、杨志峰在西南纵向岭谷区河道生态需水量的计算中提出了生态径流—需水系数综合计算河道生态需水量模型，构建了河道生态需水评估体系，又根据河流水文情势的周期性变化，提出异变系数与生态特征指数综合设定河道生态需水等级系数的方法〔10〕；张长春、王光谦、魏加华等利用遥感技术重点对黄河三角洲湿地生态系统需水量中的蒸散量进行了计算〔7〕；张远、杨志峰等从黄淮海地区林地生态系统的水量平衡出发，在GIS支持下计算研究区的林地最小生态环境需水量〔6〕；拾兵、李希宁等利用人工神经网络的最新技术，建立了河口滨海区生态环境需水量与健康生态特征指标间的非线性耦合关系得到神经网络计算模型，借助Matlab工具箱，快速实现数据的预处理、网络的训练和仿真〔11〕；拾兵、李希宁等还针对河口与近海生物对环境条件变化响应的非线性和不连续性，利用BP神经网络强大的非线性映射能力，建立了以水位、流量、含沙量、叶绿素浓度为输入变量的神经网络模型，实现了对黄河口滨海区典型年份生态最小需水量的成功预测〔12〕。
4支持生态环境需水量研究的理论与方法
现在国内外对生态环境需水量的研究已经达到了比较先进的水平，计算方法多样且较为成熟，可是目前生态环境需水量的种类很多，包括城市生态环境需水
量，湿地环境需水量，流域生态环境需水量等等，不同的类型应对应有不同的研究方法，只有区别的加以对待才能有的放矢，准确地指导实践。
4.1城市生态环境需水量计算
4.1.1城市生活需水包括居民家庭生活需水和市政公共需水两部分。我国建设部于1998 年发布的《城市给水工程规划规范》(GB50282 —98) 中给出了城市人均综合用水定额的法定指标。 第i年的城市生活需水量可用相关法进行计算和预测〔12〕：
Wli=P0(1+R1)nKi（1）
式中：P0—基准年份人口数量（人）；R1—城市人口计划增长率（%）；Ki—第i水平年拟订的年人均综合用水定额（m3) ；n—从基准年到i水平年的年数。
4.1.2城市工业需水量工业需水是指工矿企业在生产过程中用于制造、加工、冷却、洗涤和其他工业生产过程中的用水。城市工业需水量的计算方法有万元产值需水量，即用现状年万元产值或预测水平年万元产值乘以工业万元产值需水量定额〔15〕。另一种计算工业需水量的方法是需水增长趋势分析法。此法是根据历年工业用水增长率计算推测第年的工业需水量〔12〕，计算公式如下：
Wi=W0(1+R2)n（2）
式中：W0—基准年份工业需水量（m3/ a）；R2—工业用水年平均增长率（%）。
4.1.3城市绿地生态需水和城市水面生态需水河流湖泊、林地草坪是城市生态系统的主要组成部分，城市绿地生态用水和城市水面生态用水构成了计算城市生态用水量的主体。理想的城市水生态环境应具有良好的水质、足够的水量和宽阔的水面〔2〕。城市绿地生态用水一般采用面积定额法计算，计算公式如下〔13〕：
QL=ΨF（3）
式中：QL—城市绿地生态用水量（m3/a）；Ψ—绿化用水定额（m3/a?m2)；F—绿化覆盖面积(m2)。城市水面因其没有人工取水，水面相对固定，可采用水面蒸发直接计算。
QS=(Ei-Pi)S/1 000（4）
式中：QS—城市水面生态用水量（m3/a）；(Ei-Pi)—i城市的蒸发和降雨量（mm/a）；S—城市的水面面积（km2）。
（4）城市生态环境需水量的总和就是生活需水量、工业需水量、城市绿地生态需水和水面生态需水的总和〔14〕。即：
W=Wli+Wi+QL+QS(5)
4.2湖泊生态环境需水量计算
确定和保证湖泊生态系统必须的最小需水量是解决问题的关键和前提，计算湖泊最小生态环境需水量的方法有：①水量平衡法；②换水周期法；③最小水位法；④功能法。对于受损失严重的湖泊，功能法无论从理论基础、计算原则和计算步骤，还是从需水量的分类和组成，都比较准确地反映了湖泊生态系统的健康
现状和湖泊生态系统需水量之间的相互关系〔6〕。
湖泊水资源以地表水为存在形式，同时与大汽水、土壤水和地下水有着密切的关系，在计算生态需水量时，应重点考虑以下几个方面〔2〕：①湖泊蒸散需水量W1，此项主要为湖泊水面蒸发量，若湖泊中含有大量的挺水植物和浮水植物，则还需要考虑这些高等植物的蒸散量。②湖泊渗漏水量W2。③湖泊自身存在的需水量W3，指为保证湖泊中水生生物的正常生长、发育和繁殖，需要湖泊常年存蓄一定的水量，同时，为保证湖泊、水库的正常存在及功能的发挥，应保持湖泊存在一定的蓄水量，此水量属于生态需水的重要组成部分。W3 的计算可依据湖泊多年的水文资料，在一定保证率的情况下，求出湖泊的平均水深，再根据湖面面积，算出湖泊平均蓄水量，此水量可作为W3 的估计值。④换水需水量W4 和环境稀释需水量W5，此两种需水量互相存在包容关系，所以在计算湖泊生态需水量时，不能把此两项需水量简单相加，而应取其中的最大值作为计算依据。换水需水量W4可根据城市规划部门确定的换水周期、换水方案和换水次数，模拟湖泊自身换水周期以达到清淤、疏浚和污染物净化的最佳效果来进行计算，换水的每年需水量环境稀释需水量W5可根据湖泊水质模型来确定，湖泊水质与湖泊蓄水量、出湖流量和污染物排入量有关，湖泊水体环境容量是湖泊水体的稀释容量、自净容量和迁移容量之和〔11〕。
综上所述，综合应用功能法和水量平衡法得到城市湖泊生态需水量为：
WS=W1+W2+W3+max(W4,W5)（6）
4.3湿地生态环境需水量计算
随着近年来湿地研究的升温，湿地对生态环境的重要性逐步被人们认识。湿地生态环境需水量是为解决湿地的生态问题并实现湿地的保护、管理目标所需要的水量，即湿地为维持自身的发展、保证基本生态功能所需要的水量，主要包括湿地生物群落需水量、湿地土壤需水量、湿地景观建设需水量等。
目前对于湿地生态环境用水的核算还没有特别具体的方法。北京师范大学崔保山等根据湿地生态环境需水量的基本特征和表现，对湿地生态需水量进行了分类，并根据各类型的特定功能和价值对各自的生态用水量计算进行了探讨，但其计算方法需要大量的基础数据，在应用中有相当难度〔4〕。大多数文章应用水量平衡原理参照河流生态用水进行核算，例如湿地基本生态需水量，可采用湿地的陆面和水域蒸发湿地水量平衡的研究是湿地生态环境需水计算过程中最基础的研究内容，又是研究和解决一系列实际问题的手段和方法。
一旦水量平衡失控，湿地水循环中的某一环节就要发生断裂，整个水循环将受到影响。依据水量平衡原理，计算湿地的生态环境需水量的公式总结为〔13〕：
W2=W1+P+S入-S出-E+ΔWg（7）
式中：W1、W2—湿地系统时段初、时段末水量；P—时段内降雨量；S入—时段内流入圩内湿地系统的径流量；S出—时段内流到圩外水网的径流量；E—时段内蒸发量；ΔWg—时段内地下水变化量。为维持湿地系统的生态环境功能，要求系统的蓄水量不发生变化，时段初和时段末蓄水量相等，即W2=W1系统的地下水位维持动态平衡，即ΔWg=0。当E/ P < 1 时，湿地系统需要排水，排水量Wd＜A（P-E）；当E/P=1时，系统水量满足生态需水；当E/P＞1时，干旱年湿地系统不能满足生态需水，调入水量为We=A（E-P），其中A为湿地系统面积。
此外，魏彦昌，苗鸿等还认为对于天然湿地生态环境需水量的确定可以依据湿地各种生态功能确定最低生态水位，如双台子河口湿地，可提供种植芦苇、养殖、旅游和保护盘锦及周边地区生态环境和物种多样性等功能，可按照每种生态功能分别确定相应的生态水位，综合考虑得到维护生态功能的最低水位。根据最低生态水位确定相应的水面和水深，通过考虑蒸发或渗漏来计算生态需水量。最低生态水位确定公式如下：
h=max｛h1,h2,h3,…｝（8）
式中：h—最小生态水位；h1，h2，h3—湿地不同功能所需最小水位。
实际计算时，可以分别按以上两种方法计算，将计算的结果进行对比，从维持湿地系统生态结构进行核算。
4.4流域生态环境需水量计算
尽管国内外生态环境需水量的研究种类很多，但是研究的最多的仍然是流域内的生态环境需水量，大量的文章都对此类问题作了研究探讨。流域的生态环境需水量包括河道内生态需水量和河道外的生态环境需水量两个方面。
4.4.1河道内生态环境需水量
河道内生态需水量是生态环境需水的组成部分，是指维系河道生态系统健康所必须的水量,其对河流生态系统的结构、功能、形态的维护具有重要的意义。从结构功能上看,河道生态需水是由多元变量组成的一个有机整体,包含河道基流量、河道输沙需水、下渗与蒸发需水、净化需水、河滨带湿地需水、生态景观需水等各个结构功能需水量〔21〕。其需水量的估算方法很多，有侧重水文学方面的，也有侧重水力学方面或生态学方面的方法。下面介绍几种目前最常用的计算方法。
（1）水文指标法是最简单、需要数据最少的方法，是依据历史水文数据确定生态环境需水
量的一种方法。最常用的有Tennant法、水生物基流法、可变范围法、7Q10法、年最小流量法和流量持续时间曲线分析法等〔14〕。
其中7Q10法是采用近10年中每年连续7天最枯的平均水量作为河流最小流量的设计值〔14〕。在我国，7Q10法演变为近10年最小月平均流量或90%保证率最小约平均流量。此方法现在我国应用较为广泛，主要是为了防止河流污染而设定的。
（2）水力学法是把流量变化与河道的各种水力几何参数联系起来的求解生态需水的方法。目前应用最多的是湿周法〔14〕。
此方法利用湿周作为栖息地的质量指标来估算期望的河道内流量值，假设保护好重点区域的栖息地的湿周也将对非重点区域的栖息地提供足够保护。通过在重点区域(通常大部分是浅滩) 现场搜集渠道的几何尺寸和流量数据，以重点区域栖息地类型作为河流其余栖息地部分的代表。该法需要确定湿周与流量之间的关系，这种关系可从多个渠道断面的几何尺寸与流量关系实测数据经验推求或从单一渠道的一组几何尺寸与流量数据中测算得出。湿周随流量加大而递增，速率由快变缓时的分界点流量被认为是维持河流生态系统最经济、最有效的流量。当流量降至常流量的20% 时，为维持生态功能底限，一般定为生态基础流量。R2CROSS 法〔4〕是对湿周法的扩展，它不以湿周作为环境条件的唯一标准，而是确定了平均深度、平均流速及湿周长百分数作为栖息地指标。平均深度与湿周长百分数分别是河流顶宽和河床总长与湿周长之比的函数，所有河流的平均流速均采用1英尺/s的常数〔24〕。
目前对于湿地生态环境用水的核算还没有特别具体的方法。北京师范大学崔保山等根据湿地生态环境需水量的基本特征和表现，对湿地生态需水量进行了分类，并根据各类型的特定功能和价值对各自的生态用水量计算进行了探讨，但其计算方法需要大量的基础数据，在应用中有相当难度〔4〕。大多数文章应用水量平衡原理参照河流生态用水进行核算，例如湿地基本生态需水量，可采用湿地的陆面和水域蒸发量代替。
崔丽娟等认为湿地水量平衡的研究是湿地生态环境需水计算过程中最基础的研究内容，又是研究和解决一系列实际问题的手段和方法。一旦水量平衡失控，湿地水循环中的某一环节就要发生断裂，整个水循环将受到影响。依据水量平衡原理，计算湿地的生态环境需水量的公式总结为〔13〕：
W2=W1+P+S入-S出-E+ΔWg（7）
式中：W1、W2—湿地系统时段初、时段末水量；P—时段内降雨量；S入—时段内流入圩内湿地系统的径流量；S出—
时段内流到圩外水网的径流量；E—时段内蒸发量；ΔWg—时段内地下水变化量。为维持湿地系统的生态环境功能，要求系统的蓄水量不发生变化，时段初和时段末蓄水量相等，即W2=W1系统的地下水位维持动态平衡，即ΔWg=0。当E/ P < 1 时，湿地系统需要排水，排水量Wd＜A（P-E）；当E/P=1时，系统水量满足生态需水；当E/P＞1时，干旱年湿地系统不能满足生态需水，调入水量为We=A（E-P），其中A为湿地系统面积。
此外，魏彦昌，苗鸿等还认为对于天然湿地生态环境需水量的确定可以依据湿地各种生态功能确定最低生态水位，如双台子河口湿地，可提供种植芦苇、养殖、旅游和保护盘锦及周边地区生态环境和物种多样性等功能，可按照每种生态功能分别确定相应的生态水位，综合考虑得到维护生态功能的最低水位。根据最低生态水位确定相应的水面和水深，通过考虑蒸发或渗漏来计算生态需水量。最低生态水位确定公式如下：
h=max｛h1,h2,h3,…｝（8）
式中：h—最小生态水位；h1，h2，h3—湿地不同功能所需最小水位。
实际计算时，可以分别按以上两种方法计算，将计算的结果进行对比，从维持湿地系统生态结构进行核算。
4.4流域生态环境需水量计算
尽管国内外生态环境需水量的研究种类很多，但是研究的最多的仍然是流域内的生态环境需水量，大量的文章都对此类问题作了研究探讨。流域的生态环境需水量包括河道内生态需水量和河道外的生态环境需水量两个方面。
4.4.1河道内生态环境需水量
河道内生态需水量是生态环境需水的组成部分，是指维系河道生态系统健康所必须的水量,其对河流生态系统的结构、功能、形态的维护具有重要的意义。从结构功能上看,河道生态需水是由多元变量组成的一个有机整体,包含河道基流量、河道输沙需水、下渗与蒸发需水、净化需水、河滨带湿地需水、生态景观需水等各个结构功能需水量〔21〕。其需水量的估算方法很多，有侧重水文学方面的，也有侧重水力学方面或生态学方面的方法。下面介绍几种目前最常用的计算方法。
（1）水文指标法是最简单、需要数据最少的方法，是依据历史水文数据确定生态环境需水量的一种方法。最常用的有Tennant法、水生物基流法、可变范围法、7Q10法、年最小流量法和流量持续时间曲线分析法等〔14〕。
其中7Q10法是采用近10年中每年连续7天最枯的平均水量作为河流最小流量的设计值〔14〕。在我国，7Q10法演变为近10年最小月平均流量或90%保证率最小约平均流量。此方法现在我国应用较为广泛，主
要是为了防止河流污染而设定的。
（2）水力学法是把流量变化与河道的各种水力几何参数联系起来的求解生态需水的方法。目前应用最多的是湿周法〔14〕。