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(xué)院 地球科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 宿州234000）

進(jìn)入新世紀(jì)，城市在迅速發(fā)展的同時(shí)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(xué)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(xué)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(jì)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(jì)算的公式就成為了當(dāng)下眾多環(huán)境科學(xué)工作者的首要任務(wù)。

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(xué)者的理論模型和研究成果，設(shè)計(jì)出水生生態(tài)系統(tǒng)的最小生態(tài)需水量計(jì)算模型，以安徽省宿州市為例，計(jì)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(jì)協(xié)作區(qū)的核心城市之一，也是安徽省距離出?？谧罱某鞘校且?yàn)檫@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(diǎn)，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(gè)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(shí)候只有8倍，但最多的時(shí)候卻達(dá)到了200倍以上，年紀(jì)變化大也是洪澇災(zāi)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(dá)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(chǔ)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(jì)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(huì)娛樂景觀等需求，以上三個(gè)方面可能會(huì)存在重復(fù)的部分，在具體計(jì)算時(shí)還要減去重復(fù)量。

針對研究區(qū)域首先進(jìn)行資料查閱和實(shí)地考察，根據(jù)區(qū)域情況和事先規(guī)劃的研究目標(biāo)，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(jì)算模型，進(jìn)行各分區(qū)最小生態(tài)需水量計(jì)算，減去重復(fù)計(jì)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(shí)都是以行政作為界限進(jìn)行劃分計(jì)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(huì)存在不連續(xù)的特點(diǎn)，采用該法就會(huì)割裂水系間的聯(lián)系，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差。同時(shí)湖泊和濕地也是通過河道進(jìn)行水系交換，此外，河流的上下游也會(huì)影響計(jì)算結(jié)果，所以在水系計(jì)算時(shí)必須將一個(gè)完整的水系作為參考對象進(jìn)行研究。本文在計(jì)算區(qū)域的劃分范圍時(shí)，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(jì)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(jìn)行劃分，保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 研究區(qū)劃分和數(shù)據(jù)來源

為提高研究的準(zhǔn)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(dá)故黃河水系，計(jì)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(bào)》，《安徽省統(tǒng)計(jì)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(jì)算

3.1 河流最小生態(tài)需水量的計(jì)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(hù)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(jì)算采用間接計(jì)算方法，對于河道內(nèi)生態(tài)需水量計(jì)算方法有綜合比較水文學(xué)方法，水力學(xué)方法和生境方法，結(jié)合宿州的實(shí)際情況采用水文學(xué)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(jì)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(jì)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(shí)，潛在蒸騰揮發(fā)量通常使用改進(jìn)后的彭曼公式[7]，具體計(jì)算公式如下：

式中：ET—作物實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)際計(jì)算中以最小月平均實(shí)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(jì)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(jì)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(jìn)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(jì)算方法的選取，分別計(jì)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(jì)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(shí)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(gè)整體對象研究，考慮蒸發(fā)量時(shí)不僅要計(jì)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(jì)算時(shí)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(huì)存在大量的動(dòng)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(shí)情況比較特殊，其需水量公式計(jì)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(jìn)行了調(diào)查，采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型計(jì)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(jì)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(dá)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(jì)算

目前還沒有成熟通用的濕地最小生態(tài)需水量計(jì)算方法，又缺乏相關(guān)的研究經(jīng)驗(yàn)，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(jì)算結(jié)果上會(huì)與實(shí)際結(jié)果有一點(diǎn)點(diǎn)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(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)的載體和能量流動(dòng)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(dǎo)出蒸發(fā)量計(jì)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(biāo)準(zhǔn)氣壓與地面實(shí)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(hù)區(qū)以及碭山，蕭縣等地的黃河故道濕地自然保護(hù)區(qū)，具體見表5。

表5 宿州市濕地相關(guān)數(shù)據(jù) mm

在計(jì)算生態(tài)需水量的時(shí)候，有必要按照等級劃分以增加計(jì)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(hù)區(qū)濕地和黃河故道所得的相關(guān)數(shù)據(jù)納入計(jì)算模型，通過計(jì)算最終得出濕地的最小生態(tài)需水量為0.18億m3。

3.4 計(jì)算結(jié)果與分析

通過模型，可以計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yán)重缺水城市之一，寶安區(qū)更是深圳市缺水最嚴(yán)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(dá)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(gè)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(dá)到了0.61億m3，占總需水量比例為39.6%，這是因?yàn)楹吹牧鲃?dòng)性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhǔn)確計(jì)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(shí)驗(yàn)思路，建立計(jì)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。

[1]馬洪濤,賈海峰,王軍,等.城市水生生態(tài)系統(tǒng)最小生態(tài)需水量-以北京為例[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2007,47(3):352-360.

[2]粟曉玲,康紹忠.生態(tài)需水的概念及其計(jì)算方法[J].水科學(xué)進(jìn)展,2003,14(6):740-744.

[3]Tennant DL.Instream flow regimens for fish,wildlife,recreation,and related environmental resources[C]//Orsborn J.F.and Allman C.H.eds.Proceedings of Symposium and Speciality Conference on Instream Flow Needs American Fisherics Society Bethcsda：Matyland,1976,359—373.

[4]王超,王沛芳.城市水生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)與管理[M].北京：科學(xué)出版社,2004:75-79.

[5]李文生,許士國.太子河河道生態(tài)環(huán)境蓄水量研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,46(1):116-120.

[6]劉新華,徐海量,凌紅波,等.塔里木河下游生態(tài)需水估算[J].中國沙漠,2013,33(4):1198-1205.

[7]Theodore A.Endreny.Urban Water Systems Modelling for Water Removal and Ecological Functions[J].Hydrological Processes,2004,18(3):583-586.

[8]劉新華,徐海量,凌紅波,等.塔里木河干流河道生態(tài)需水量研究[J].干旱區(qū)研究,2012,29（6）:984-991.

[9]彭濤,陳曉宏,王高旭,等.基于濕周法的河道最小生態(tài)需水量多目標(biāo)評價(jià)模型[J].水利水電科技進(jìn)展,2012,32（5）:6-10.

[10]郝增超,尚松.基于棲息地模擬的河道生態(tài)需水量多目標(biāo)評價(jià)方法及其應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào),2008,39(5):557-561.

[11]謝永宏,李峰,陳心勝.洞庭湖最小生態(tài)需水量研究[J].長江流域資源與環(huán)境,2012,21（1）:64-70.

[12]張淑娜.天津景觀水體水生生態(tài)系統(tǒng)健康體系的建立與評估[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué),2008,34（2）:112-116.

[13]徐艷菲,張義文,焦明,等.永年洼濕地生態(tài)需水量初步研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,52（9）2031-2034.

[14]阮曉波,陸寶宏,徐玲玲.天長市生態(tài)需水變化特征與預(yù)測[J].水電能源科學(xué),2012,30(7):20-22.

[15]毛小苓,田坤,李靜萍,等.城市生態(tài)需水量變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究-以深圳市寶安區(qū)為例[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2009,45(6):1046-1054.