生態環境需水計算方法概述
摘要：目前對生態環境需水量的研究越來越多，對生態環境需水量的定義和計算方法也各不相同。對各種定義加以區分，著重對不同類型生態環境需水量的計算方法進行概括總結，分別介紹了城市、湖泊、濕地和流域生態系統的生態環境需水量的計算方法。
關鍵詞：生態環境需水；概念；計算方法
1 前言
水是地球生物賴以生存的源泉，是生命系統的基礎。1988年聯合國教科文組織（UNESO）和世界氣象組織（WMO）定義水資源是“作為資源的水應當是可供利用或可能被利用，具有足夠數量和可靠質量，并可為滿足某地的水資源需求而能長期供應的水源。”［1］過去人們只注重生活用水，生產用水的開發與研究，而今隨著可持續發展觀念的深入和生態環境建設的需要，生態需水研究在世界許多國家受到廣泛關注，已經成為目前生態學、水文學和水資源學研究的前沿問題。因此，做好現狀和規劃狀態下的生態需水估算，有利于水利規劃，有利于生態環境調控與管理，更有利于水資源的優化配置。
2 生態環境需水量的概念
盡管國內外對生態需水這一類問題的研究很多，但到目前為止還沒有一個得到學術界公認的特別準確的概念，甚至沒有一個統一的名稱，分別有生態用水、環境用水、生態需水、環境需水、生態環境用水和生態環境需水，不同的名稱對應著各自不同的含義，現解釋如下。
2.1需水與用水
需水與用水是不同層次的兩個概念，需水是一個狀態值，強調為了維持某種狀態或達到某種程度而需要的水量，而用水是一個動態的概念，強調在發展過程中實際消耗的水量。因此，應將生態需水與生態用水在本質上加以區分，生態需水是維持某種生態系統功能或維持某種生態平衡所需要具備的水量，生態用水則是指生態系統在自然發展過程中實際消耗的水資源總量［2］。就其內涵和研究現狀來看，國內外較為關注的是生態需水量。
2.2生態需水與環境需水
生態系統是由生物群落及其生存環境共同組成的、不斷進行能量交換和物質循環、不斷進行生態控制和生態調節的動態平衡系統。為生態系統提供所需的一定質量和數量的水以維持物種的多樣性和生態完整性，這部分所需的水即叫做生態需水量。
環境泛指圍繞某一中心——人類群體的生存環境的空間及其介質，一般，包括自然和社會環境。環境需水實質就是為滿足自然、社會的各種功能健康所需要的水量。只有在明確目標的前提下環境用水才會被賦予具體的含義［3］。
2.3生態環境需水
嚴格的講，生態與環境是分屬兩個不同學科但是在含義上有重疊的概念，在很多不具備分別探討生態需水與環境需水的條件時，如果將生態需水和環境需水綜合考慮就會自然的提出“生態環境需水量”這一概念，可以定義為：生物所在環境中的各種生態因子（環境中對生物有直接作用的因子）所構成的綜合體稱為生態環境，其維持生態系統水分平衡所需要的水量叫做生態環境需水量［3］。有區域（水域）生態環境需水；城市生態環境需水；植被生態環境需水量；改善江、河、湖水的生態環境需水；濕地生態環境需水……等等
3 生態環境需水量研究現狀
3.1國外研究現狀
生態環境需水量的研究工作最早是在國外開展的，美國早在1908年便對生態需水量進行了研究，提出了流域管理的概念，認為流域水環境是一個整體，并且先后提出了關于河道最小生態流量核算的多種方法，如7Q10法，Tennant法，濕周法，R2CROSS法等。20世紀中葉的美國，隨著大量水庫的修建和水資源開發利用程度的不斷提高，資源管理部門開始關注漁場的減少，并逐步開展了一些關于魚類生長、繁殖及其產量與河流流量之間的關系研究，從而提出了河流最小環境（或生物）流量的概念。英國從20世紀60年代設立水資源局，70年代進一步實行集中管理，設立國家水理事會，在各流域水務局管轄范圍內實行對地表水和地下水、供水和排水、水質和水量的統一管理，協調水資源在各部門之間的分配。法國也在20世紀后期也進行了相關的研究，1992年頒布水法：要保證河流的最低生物流量。在漁業法和鄉村法中規定了水利工程施工建設和運用管理應當保證的河道內最小環境流量的底限，最小環境流量或最低生物流量即相當于目前通常認為的生態用水量［4］。1940年，美國漁業與野生動物保護組織規定了維護河流的最小生態流量，后來隨著河流污染問題的出現，河流生態恢復保護和水資源管理的需求，J.Sheail和P.H.Gleick等人對生態需水的概念、類別、生態需水范圍等進行了探討［5］。1996年，Gleick 明確給出基本生態需水(Basic eco logical water requirement) 的概念框架，即提供一定質量和一定數量的水給天然生境， 以求最小化地改變天然生態系統的過程， 并保護物種多樣性和生態整合性［6］。澳大利亞把“低地河流系統環境需水量”作為1996—1997 年研究與發展計劃項目；英國環境部2001 年《面向未來的水資源》報告中，對未來25 年英國的環境用水和社會用水需要進行了分析，提出了30個行動方案措施。預計在未來的幾十年中，全世界范圍內的生態環境用水量將明顯增加［7］。
3.2國內研究現狀
在我國，從20世紀80年代開始就有人對環境用水給出了定義：環境用水是改善水質、協調生態和美化環境用水等。1995 年，湯奇成以新疆地區為背景，論述了生態環境用水的主要用途：對一些重要的湖泊進行補水和人工植被用水［8］，是我國較早提出生態環境需水問題的教授。最近幾年，隨著經濟發展水平的不斷進步，人們對生態環境重要性的認識不斷提高，生態需水量的概念也受到越來越多的關注。由中國工程院組織專家完成的《21世紀中國可持續發展水資源戰略研究》認為：廣義的生態環境用水是指“維持全球生物地理生態系統水分平衡所需用的水，包括水熱平衡、水沙平衡、水鹽平衡等，都是生態環境用水”。狹義的生態環境用水是指為“維護生態環境不再惡化并逐漸改善所需要消耗的水資源總量”［2］。我國從保護生態環境的目標出發對黃河、淮河、海河的河道內生態環境需水量進行了估算，對內陸河流域片干旱半干旱地區的生態環境需水、地下水超采嚴重的地區的生態環境用水進行了估算，并對全國生態環境用水制定了800～1 000億m3的目標［8］。從生態用水研究與應用發展概況來看國內外生態用水研究已取得了較大進展，生態用水的概念已相對明確，核算方法也趨于完善。各國學者依據不同的案例進行了大量研究，特別是我國不僅研究了河流的生態用水，對林地、綠洲、濕地等生態用水也進行了研究［9］。
目前新型的技術、計算手段使生態環境需水量研究在原有理論、技術的基礎上有了很多新的突破，3S技術，神經網絡技術等令生態環境需水量的研究呈現出新的姿態。崔保山、胡波、楊志峰在西南縱向嶺谷區河道生態需水量的計算中提出了生態徑流—需水系數綜合計算河道生態需水量模型，構建了河道生態需水評估體系，又根據河流水文情勢的周期性變化，提出異變系數與生態特征指數綜合設定河道生態需水等級系數的方法［10］；張長春、王光謙、魏加華等利用遙感技術重點對黃河三角洲濕地生態系統需水量中的蒸散量進行了計算［7］；張遠、楊志峰等從黃淮海地區林地生態系統的水量平衡出發，在GIS支持下計算研究區的林地最小生態環境需水量［6］；拾兵、李希寧等利用人工神經網絡的最新技術，建立了河口濱海區生態環境需水量與健康生態特征指標間的非線性耦合關系得到神經網絡計算模型，借助Matlab工具箱，快速實現數據的預處理、網絡的訓練和仿真［11］；拾兵、李希寧等還針對河口與近海生物對環境條件變化響應的非線性和不連續性，利用BP神經網絡強大的非線性映射能力，建立了以水位、流量、含沙量、葉綠素濃度為輸入變量的神經網絡模型，實現了對黃河口濱海區典型年份生態最小需水量的成功預測［12］。
4 支持生態環境需水量研究的理論與方法
現在國內外對生態環境需水量的研究已經達到了比較先進的水平，計算方法多樣且較為成熟，可是目前生態環境需水量的種類很多，包括城市生態環境需水量，濕地環境需水量，流域生態環境需水量等等，不同的類型應對應有不同的研究方法，只有區別的加以對待才能有的放矢，準確地指導實踐。
4.1城市生態環境需水量計算
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兩部分。我國建設部于1998 年發布的《城市給水工程規劃規范》(GB50282—98) 中給出了城市人均綜合用水定額的法定指標。第i年的城市生活需水量可用相關法進行計算和預測［12］：
Wli=P0(1+R1)nKi（1）
式中：P0—基準年份人口數量（人）；R1—城市人口計劃增長率（%）；Ki—第i水平年擬訂的年人均綜合用水定額（m3) ；n—從基準年到i水平年的年數。
4.1.2城市工業需水量工業需水是指工礦企業在生產過程中用于制造、加工、冷卻、洗滌和其他工業生產過程中的用水。城市工業需水量的計算方法有萬元產值需水量，即用現狀年萬元產值或預測水平年萬元產值乘以工業萬元產值需水量定額［15］。另一種計算工業需水量的方法是需水增長趨勢分析法。此法是根據歷年工業用水增長率計算推測第年的工業需水量［12］，計算公式如下：
Wi=W0(1+R2)n（2）
式中：W0—基準年份工業需水量（m3/ a）；R2—工業用水年平均增長率（%）。
4.1.3城市綠地生態需水和城市水面生態需水河流湖泊、林地草坪是城市生態系統的主要組成部分，城市綠地生態用水和城市水面生態用水構成了計算城市生態用水量的主體。理想的城市水生態環境應具有良好的水質、足夠的水量和寬闊的水面［2］。城市綠地生態用水一般采用面積定額法計算，計算公式如下［13］：
QL=ΨF（3）
式中：QL—城市綠地生態用水量（m3/a）；Ψ—綠化用水定額（m3/a•m2)；F—綠化覆蓋面積(m2)。城市水面因其沒有人工取水，水面相對固定，可采用水面蒸發直接計算。
QS=(Ei-Pi)S/1 000（4）
式中：QS—城市水面生態用水量（m3/a）；(Ei-Pi)—i城市的蒸發和降雨量（mm/a）；S—城市的水面面積（km2）。
（4）城市生態環境需水量的總和就是生活需水量、工業需水量、城市綠地生態需水和水面生態需水的總和［14］。即：
W=Wli+Wi+QL+QS(5)
4.2湖泊生態環境需水量計算
確定和保證湖泊生態系統必須的最小需水量是解決問題的關鍵和前提，計算湖泊最小生態環境需水量的方法有：①水量平衡法；②換水周期法；③最小水位法；④功能法。對于受損失嚴重的湖泊，功能法無論從理論基礎、計算原則和計算步驟，還是從需水量的分類和組成，都比較準確地反映了湖泊生態系統的健康現狀和湖泊生態系統需水量之間的相互關系［6］。
湖泊水資源以地表水為存在形式，同時與大汽水、土壤水和地下水有著密切的關系，在計算生態需水量時，應重點考慮以下幾個方面［2］：①湖泊蒸散需水量W1，此項主要為湖泊水面蒸發量，若湖泊中含有大量的挺水植物和浮水植物，則還需要考慮這些高等植物的蒸散量。②湖泊滲漏水量W2。③湖泊自身存在的需水量W3，指為保證湖泊中水生生物的正常生長、發育和繁殖，需要湖泊常年存蓄一定的水量，同時，為保證湖泊、水庫的正常存在及功能的發揮，應保持湖泊存在一定的蓄水量，此水量屬于生態需水的重要組成部分。W3 的計算可依據湖泊多年的水文資料，在一定保證率的情況下，求出湖泊的平均水深，再根據湖面面積，算出湖泊平均蓄水量，此水量可作為W3 的估計值。④換水需水量W4 和環境稀釋需水量W5，此兩種需水量互相存在包容關系，所以在計算湖泊生態需水量時，不能把此兩項需水量簡單相加，而應取其中的最大值作為計算依據。換水需水量W4可根據城市規劃部門確定的換水周期、換水方案和換水次數，模擬湖泊自身換水周期以達到清淤、疏浚和污染物凈化的最佳效果來進行計算，換水的每年需水量環境稀釋需水量W5可根據湖泊水質模型來確定，湖泊水質與湖泊蓄水量、出湖流量和污染物排入量有關，湖泊水體環境容量是湖泊水體的稀釋容量、自凈容量和遷移容量之和［11］。
綜上所述，綜合應用功能法和水量平衡法得到城市湖泊生態需水量為：
WS=W1+W2+W3+max(W4,W5)（6）
4.3濕地生態環境需水量計算
隨著近年來濕地研究的升溫，濕地對生態環境的重要性逐步被人們認識。濕地生態環境需水量是為解決濕地的生態問題并實現濕地的保護、管理目標所需要的水量，即濕地為維持自身的發展、保證基本生態功能所需要的水量，主要包括濕地生物群落需水量、濕地土壤需水量、濕地景觀建設需水量等。
目前對于濕地生態環境用水的核算還沒有特別具體的方法。北京師范大學崔保山等根據濕地生態環境需水量的基本特征和表現，對濕地生態需水量進行了分類，并根據各類型的特定功能和價值對各自的生態用水量計算進行了探討，但其計算方法需要大量的基礎數據，在應用中有相當難度［4］。大多數文章應用水量平衡原理參照河流生態用水進行核算，例如濕地基本生態需水量，可采用濕地的陸面和水域蒸發量代替。
崔麗娟等認為濕地水量平衡的研究是濕地生態環境需水計算過程中最基礎的研究內容，又是研究和解決一系列實際問題的手段和方法。一旦水量平衡失控，濕地水循環中的某一環節就要發生斷裂，整個水循環將受到影響。依據水量平衡原理，計算濕地的生態環境需水量的公式總結為［13］：
W2=W1+P+S入-S出-E+ΔWg（7）
式中：W1、W2—濕地系統時段初、時段末水量；P—時段內降雨量；S入—時段內流入圩內濕地系統的徑流量；S出—時段內流到圩外水網的徑流量；E—時段內蒸發量；ΔWg—時段內地下水變化量。為維持濕地系統的生態環境功能，要求系統的蓄水量不發生變化，時段初和時段末蓄水量相等，即W2=W1系統的地下水位維持動態平衡，即ΔWg=0。當E/ P < 1 時，濕地系統需要排水，排水量Wd＜A（P-E）；當E/P=1時，系統水量滿足生態需水；當E/P＞1時，干旱年濕地系統不能滿足生態需水，調入水量為We=A（E-P），其中A為濕地系統面積。
此外，魏彥昌，苗鴻等還認為對于天然濕地生態環境需水量的確定可以依據濕地各種生態功能確定最低生態水位，如雙臺子河口濕地，可提供種植蘆葦、養殖、旅游和保護盤錦及周邊地區生態環境和物種多樣性等功能，可按照每種生態功能分別確定相應的生態水位，綜合考慮得到維護生態功能的最低水位。根據最低生態水位確定相應的水面和水深，通過考慮蒸發或滲漏來計算生態需水量。最低生態水位確定公式如下：
h=max｛h1,h2,h3,…｝（8）
式中：h—最小生態水位；h1，h2，h3—濕地不同功能所需最小水位。
實際計算時，可以分別按以上兩種方法計算，將計算的結果進行對比，從維持濕地系統生態結構進行核算。
4.4流域生態環境需水量計算
盡管國內外生態環境需水量的研究種類很多，但是研究的最多的仍然是流域內的生態環境需水量，大量的文章都對此類問題作了研究探討。流域的生態環境需水量包括河道內生態需水量和河道外的生態環境需水量兩個方面。
4.4.1河道內生態環境需水量
河道內生態需水量是生態環境需水的組成部分，是指維系河道生態系統健康所必須的水量,其對河流生態系統的結構、功能、形態的維護具有重要的意義。從結構功能上看,河道生態需水是由多元變量組成的一個有機整體,包含河道基流量、河道輸沙需水、下滲與蒸發需水、凈化需水、河濱帶濕地需水、生態景觀需水等各個結構功能需水量［21］。其需水量的估算方法很多，有側重水文學方面的，也有側重水力學方面或生態學方面的方法。下面介紹幾種目前最常用的計算方法。
（1）水文指標法是最簡單、需要數據最少的方法，是依據歷史水文數據確定生態環境需水量的一種方法。最常用的有Tennant法、水生物基流法、可變范圍法、7Q10法、年最小流量法和流量持續時間曲線分析法等［14］。
其中7Q10法是采用近10年中每年連續7天最枯的平均水量作為河流最小流量的設計值［14］。在我國，7Q10法演變為近10年最小月平均流量或90%保證率最小約平均流量。此方法現在我國應用較為廣泛，主要是為了防止河流污染而設定的。
（2）水力學法是把流量變化與河道的各種水力幾何參數聯系起來的求解生態需水的方法。目前應用最多的是濕周法［14］。
此方法利用濕周作為棲息地的質量指標來估算期望的河道內流量值，假設保護好重點區域的棲息地的濕周也將對非重點區域的棲息地提供足夠保護。通過在重點區域(通常大部分是淺灘) 現場搜集渠道的幾何尺寸和流量數據，以重點區域棲息地類型作為河流其余棲息地部分的代表。該法需要確定濕周與流量之間的關系，這種關系可從多個渠道斷面的幾何尺寸與流量關系實測數據經驗推求或從單一渠道的一組幾何尺寸與流量數據中測算得出。濕周隨流量加大而遞增，速率由快變緩時的分界點流量被認為是維持河流生態系統最經濟、最有效的流量。當流量降至常流量的20% 時，為維持生態功能底限，一般定為生態基礎流量。R2CROSS 法［4］是對濕周法的擴展，它不以濕周作為環境條件的唯一標準，而是確定了平均深度、平均流速及濕周長百分數作為棲息地指標。平均深度與濕周長百分數分別是河流頂寬和河床總長與濕周長之比的函數，所有河流的平均流速均采用1英尺/s的常數［24］。
4.4.2河道外生態環境需水量
對河網系統而言，河道外生態需水量主要是考慮干旱年份需要河網補充的水量，主要指維持河道外植被群落穩定所需要的水量,可參照植被生態需水量計算方法進行計算［18］。另外，河道外生態環境需水量還應該包括水土保持生態用水、回補因超采地下水而出現的生態環境需水等。
植被生態需水計算方法有直接計算法和間接計算法2種。
（1） 直接計算方法。以某一區域某一類型植被的面積乘以其生態用水定額，計算得到的水量即為生態用水，計算公式為：
W=ΣWi=ΣAi•ri（9）
式中：Ai—植被類型的面積；ri—植被類型的生態用水定額。
該方法適用于基礎工作較好的地區與植被類型。計算的關鍵是要確定不同生態需水類型植被的生態用水定額。考慮到有些干旱半干旱地區降水的作用， 并兼顧到計算的通用性， 把生態用水定額定義為降水量接近0 時的生態需水量減去實際降水量［21］。即：
ri=ri0-h（10）
式中：ri—某地區植被類型的生態需水定額；ri0—降水量接近0時植被類型i的生態需水量(常值)；h—某地區平均降水量。
(2) 間接計算方法。對于某些地區天然植被生態需水計算， 如果以前工作積累較少， 模型參數獲取困難，可以考慮采用間接計算方法。間接計算方法，是根據潛水蒸發量的計算， 來間接計算生態需水［21］。即，用某一植被類型在某一潛水位的面積乘以該潛水位下的潛水蒸發量與植被系數，得到的乘積即為生態需水。計算公式如下：
W=ΣWi=ΣAi•wgi•K（11）
式中：wgi—植被類型在地下水位某一埋深時的潛水蒸發量；K—植被系數，即在其它條件相同的情況下有植被地段的潛水蒸發量除以無植被地段的潛水蒸發量，所得的系數。這種計算方法主要適合于干旱區植被生存主要依賴于地下水的情況。式中，K和wgi是兩個很重要的變量，常由實驗確定。
水土保持生態用水可以采用水文法和水保法來計算［5］。
(1) 水文法。利用流域降雨和徑流觀測資料分析水土保持減水減沙作用的一種方法，根據對降雨和徑流基本規律的分析，利用實測降雨與徑流資料，建立降雨產流模型,利用模型計算某一時期治理流域在未治理狀態下的產流量，與同一時期實測徑流量相比,其差值即為水土保持用水量。
(2) 水保法。是從成因方面分析計算流域水沙變化的一種方法，是從人類活動對下墊面條件的改變而引起水沙變化的實際情況出發，根據各水保項措施的設備數量、質量和蓄水指標等因素分別計算各項水利水保措施的生態用水量，進而計算水利水保措施的單項及綜合生態需水量。水保法屬于經驗統計方法，計算精度的關鍵是蓄水攔沙指標的確定和治理措施數量、質量以及分布的調查核實的準確度，此外需要將各項水土保持措施的作用綜合起來進行計算，難度較大。
5 結語
目前生態環境需水量的研究在國際上已經受到了廣泛的關注，對生態環境需水量的研究已經達到了比較先進的水平，計算方法也多樣且較為成熟，多種新型研究方法如RS、GIS遙感技術，神經網絡技術等也得到了應用。生態環境需水量是一門交叉學科，應結合經濟、社會、規劃、生態、水文、水資源等進行研究，任何單學科的研究成果都是較片面的。生態環境需水量是水資源量的一部分，研究生態環境需水量應結合流域的水資源規劃，以可持續發展為目標，以水資源綜合利用效益最大為目標，確定合理的生態環境需水量。另外，生態需水量又是動態變化的，隨著人類認識水平的提高和生態環境的逐步改善，生態需水量的含義也會發生相應的變化。弄清各概念的內涵、各種方法的適用條件，才能更好的為計算工作打下基礎。
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