流域生態(tài)用水研究

馬廣軍，盧宏瑋，侯保俊，張松濤，劉 佳，劉 磊

(1.華北電力大學可再生能源學院，北京 102206；2.山西省水資源管理中心，山西 太原 030001)

流域生態(tài)用水是指維持流域內(nèi)各生態(tài)系統(tǒng)的結構，功能及生態(tài)過程的用水量[1]。近年來，人口增加、工業(yè)發(fā)展、環(huán)境污染等原因，導致水資源短缺，人與環(huán)境的矛盾急劇惡化。因此，為了防止流域生態(tài)環(huán)境惡化，保證生態(tài)系統(tǒng)平穩(wěn)運行，在進行水資源配置時，生態(tài)用水應作為非常重要的一環(huán)予以考慮[2- 3]。

生態(tài)用水研究作為水環(huán)境領域重要的一個分支，受到了學者們的廣泛關注。湯奇成在1989、1995年研究西北干旱問題時首先對生態(tài)用水的內(nèi)涵做出了界定，提出保證塔里木盆地綠洲存在與發(fā)展的那部分水為生態(tài)用水[4- 5]。苗鴻等則對國內(nèi)外生態(tài)用水的計算方法進行了研究，比較了他們的優(yōu)缺點和適用范圍[6]。廖四輝，鮑達明，李云開等人分別對淮河流域、白洋淀濕地和永定河流域生態(tài)用水進行分析和核算[7- 9]。

滹沱河作為山西省境內(nèi)重要河流，近年來由于人類活動，境內(nèi)生態(tài)環(huán)境急劇惡化。文章以2006～2015年流域水文氣象數(shù)據(jù)為基礎，通過計算流域當前生態(tài)用水量以期為當?shù)厮Y源合理規(guī)劃利用提供決策意見。

1 區(qū)域概況

滹沱河是海河流域子牙河水系兩大支流之一，發(fā)源于山西省繁峙縣，滹沱河地處東亞溫帶氣候區(qū)，特點是春季少雨干旱多風沙；夏季炎熱，暴雨集中；秋季溫和晴朗；冬季寒冷干燥，年平均氣溫為4.0～8.8℃[10- 11]。干流全長605km，流域總面積25168km2，其中山西境內(nèi)流域面積18856km2，多年平均天然徑流量9.8億m3，流域人口369.98萬人，灌溉面積1474km2，流域DEM及水文站分布如圖1所示。

圖1 滹沱河流域DEM及水文站分布

2 研究內(nèi)容及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究內(nèi)容

文章按生態(tài)系統(tǒng)類型對滹沱河流域生態(tài)用水進行核算。流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)主要包括植被、河流、濕地、城市四個部分，各類型生態(tài)用水類型見表1[12]。將各部分生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水量分別進行核算并累加，即為流域生態(tài)用水量。

表1 各生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水類型

2.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)包括水文、氣象、DEM數(shù)據(jù)。其中徑流、蒸發(fā)、降水等數(shù)據(jù)來源于山西省水資源管理中心提供的流域境內(nèi)重要站點濟勝橋水文站2006～2015年逐月實測數(shù)據(jù)，如圖2所示，流域DEM取自地理空間數(shù)據(jù)云GDEMDEM 30M分辨率數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)。流域內(nèi)水庫數(shù)據(jù)來源于山西省水利廳2013年編寫的《山西省水利統(tǒng)計年鑒》。

圖2 濟勝橋水文站2006～2015年逐月徑流及降水量

3 結果分析

3.1 植被生態(tài)用水

滹沱河流域天然植被包括常綠針葉林、落葉闊葉林、針闊混交林、灌木、草原等5種類型，植被面積總計1.276萬km2。各類生態(tài)系統(tǒng)類型和面積見表2，植被分布如圖3所示。

植物的蒸散發(fā)量變化明顯的時期取決于其生長的季節(jié)，對于滹沱河流域，4～10月太陽輻射較強，適合植物生長，因此對這一時間段的蒸散發(fā)量予以計算即計為植被生態(tài)用水量。蒸散發(fā)量在年內(nèi)的動態(tài)變化見表3，可以看出，流域植被生態(tài)水量約1.49×108m3。

表2 滹沱河流域植被生態(tài)系統(tǒng)類型、面積表

圖3 滹沱河流域生態(tài)植被類型分布

植被面積/km2月蒸散發(fā)量/(108m3)蒸散發(fā)量/(108m3)4月5月6月7月8月9月10月1827.81-0.110.130.480.390.260.121.49

3.2 河流生態(tài)用水

滹沱河流域內(nèi)各主要支流及生態(tài)現(xiàn)狀見表4。

河流生態(tài)用水量分為三部分，包括河道基礎流量、蒸發(fā)量、滲漏量。河道基礎流量根據(jù)7Q10法和Tennant法分別進行計算，7Q10法算出河道基礎流量為0.69×108m3，Tennant法算出河道基礎流量為0.98×108m3。取兩者計算結果中的較大值作為河道基礎流量，即0.98×108m3。

表4 滹沱河流域各主要支流及生態(tài)現(xiàn)狀

蒸發(fā)量利用水面蒸發(fā)公式，滲漏量取滲漏率為0.15，計算結果見表5，河流生態(tài)用水量為3.68×108m3。

3.3 濕地生態(tài)用水

由圖3可以看出，滹沱河流域天然濕地幾乎消失殆盡，因此這一部分生態(tài)用水可忽略不計，不再計算。流域濕地生態(tài)用水只考慮水庫用水，流域內(nèi)水庫基本數(shù)據(jù)見表6。

表6 滹沱河流域主要水庫指標數(shù)據(jù)

水庫的生態(tài)用水只考慮其蒸發(fā)量與滲漏量。蒸發(fā)量取流域多年平均值，滲漏率取0.15，計算可得水庫蒸發(fā)量為1.07×108m3，滲漏量為0.38×108m3，濕地生態(tài)用水量為1.45×108m3。

3.4 城市生態(tài)用水

滹沱河在山西境內(nèi)主要流經(jīng)忻州市，對忻州的經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定方面起著顯著的作用。在經(jīng)濟發(fā)展過程中，城市生態(tài)用水在水資源分配中應該得以考慮，以保障經(jīng)濟社會的和諧發(fā)展。忻州市2015年經(jīng)濟社會指標見表7，城市生態(tài)用水總量為0.08×108m3。

表7 忻州市2015年經(jīng)濟社會指標

3.5 生態(tài)用水預測

根據(jù)制定的滹沱河流域生態(tài)恢復目標，計算各生態(tài)系統(tǒng)未來的生態(tài)用水量，對2020年和2030年生態(tài)用水量進行簡單的預測計算，計算結果如圖4所示。

圖4 滹沱河流域各生態(tài)系統(tǒng)當前及預測生態(tài)用水量

3.5.1 河流生態(tài)用水預測

根據(jù)滹沱河流域生態(tài)恢復目標，2020年植被恢復和水土保持，計劃新增水面面積445km2，2030年結合濕地補水，再恢復面積578km2。經(jīng)計算，2020年新增蒸發(fā)量為0.69×108m3，滲漏水量為0.2×108m3；2030年再增河道蒸發(fā)量為0.48×108m3，滲漏水量為0.16×108m3，河道基礎流量保持不變。因此2020年、2030年河流生態(tài)用水總量分別為4.57×108m3，5.21×108m3。

3.5.2 濕地生態(tài)用水預測

滹沱河流域天然濕地恢復目標是2020年恢復濕地面積471km2；到2030年再恢復濕地面積559km2，使恢復濕地總面積達到1030km2。而水庫建設目標是2020年增加庫容0.34×108m3，2030年再增加庫容0.14×108m3。根據(jù)目標年濕地恢復面積核算濕地蒸發(fā)與滲漏生態(tài)用水量。2020年新增濕地蒸發(fā)量為0.15×108m3，滲漏水量為0.04×108m3；2030年再增蒸發(fā)量為0.23×108m3，滲漏水量為0.06×108m3。因此滹沱河流域天然濕地2020年、2030年生態(tài)用水總量分別為0.19×108m3，0.48×108m3。而2020年新增的水庫蒸發(fā)與滲漏水量分別為0.36×108m3和0.06×108m3，2030年再增的水庫蒸發(fā)與滲漏水量分別為0.20×108m3和0.03×108m3。因此滹沱河流域濕地生態(tài)系統(tǒng)2020年、2030年生態(tài)用水總量分別為0.42×108m3，0.65億m3。計算得到2020年、2030年滹沱河流域濕地生態(tài)用水總量分別為2.06×108m3和2.58×108m3。

3.5.3 城市生態(tài)用水預測

根據(jù)忻州市城市發(fā)展規(guī)劃，城市生態(tài)用水量分別比當前增加50%和112.5%，2020年、2030年城市生態(tài)用水總量分別為：0.12×108m3和0.17×108m3。

4 結語

(1)文章利用水文氣象數(shù)據(jù)，按照滹沱河流域內(nèi)植被、河流、濕地、城市四個生態(tài)系統(tǒng)類型，分別核算了各個部分的生態(tài)用水量。

(2)各部分生態(tài)用水量結果：植被生態(tài)用水量為1.49×108m3；河流生態(tài)用水3.68×108m3；

濕地生態(tài)用水為1.45×108m3；城市生態(tài)用水量0.08×108m3。

(3)生態(tài)用水預測表明：2020年、2030年河流生態(tài)用水量分別為4.57×108m3，5.21×108m3；濕地生態(tài)用水量分別為2.06×108m3，2.58×108m3；城市生態(tài)用水量分別為0.12×108m3，0.17×108m3。流域生態(tài)用水總量將達到8.24×108m3和9.45×108m3，比當前生態(tài)用水量增加了23%和41%。

(4)隨著未來生態(tài)用水量的增加，水資源短缺問題愈加嚴重，決策部門亟需采取措施對水資源進行合理配置以保障生態(tài)用水。

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