流域生态需水研究体系和计算方法

汪志荣 张晓晓 田彦杰

摘要：流域生态需水研究是科学管理水资源的重要前提，近年来广受国内外关注。在定义流域生态需水的概念基础上，针对国内外生态需水研究现状，提出了包含四级的生态需水研究体系，从流域角度对比分析了水生态系统和旱地生态系统以及二者地下水系统的生态需水计算方法，认为流域生态需水尚需要在生态需水的内涵和研究内容、时空尺度效应、“三水”耦合关系、计算方法、非常规水资源利用、３Ｓ技术应用等方面开展深入和系统的研究，在适应现代水资源流域管理的理念基础上，完善生态需水研究的理论和技术体系。

关键词：流域生态需水；研究体系；计算方法；流域管理

中图分类号：Ｘ１４３文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）15－3204-08

Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｒｉｖｅｒ Ｂａｓｉｎ

ＷＡＮＧ Ｚｈｉ-ｒｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ-ｘｉａｏ，ＴＩＡＮ Ｙａｎ-ｊｉｅ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｗａｔｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ（ＥＷＲ） ｏｆ ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐｒｅｒｅｑｕｉｓｉｔｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ， ａｎｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｃｕｓ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎ ｏｆ ＥＷＲ ｏｆ ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ ａｎｄ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ＥＷＲ， ｔｈｅ ｆｏｕｒ ｇｒａｄｅｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＥＷＲ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ＥＷＲ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｑｕａｔｉｃ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓ， ｄｒｙｌａｎｄ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔ ｏｆ ｂａｓｉｎ． Ｉｔ ｗａｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｔｈａｔ ｍｅａｎｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ＥＷＲ， ｓｐａｔｉａｌ ａｎｄ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｓｃａｌｅ ｅｆｆｅｃｔｓ， ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｔｅｒ－ｇｒｏｕｎｄ ｗａｔｅｒ－ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ， ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ， ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｎｏｎｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ＂３Ｓ＂ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ＥＷＲ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｐａｉｄ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｔｏ ｉｎ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＥＷＲ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｗａｔｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ； ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｙｓｔｅｍ； ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ； ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ

水循环是地球上物质和能量循环的基础，深刻影响着生态系统的结构与功能，水资源可持续发展是维持良性循环的生态环境的重要条件之一。随着世界性的环境问题日益严重，人们越来越清楚地认识到服从自然科学规律的水资源开发利用的重要性。生态系统的需水特性和规律以及生态需水量的计算方法是实现最佳水资源管理模式的理论基础，已成为目前国内外的研究热点。

国外对生态需水的研究较早，形成了以河道生态需水为主的理论和方法。２０世纪４０年代，美国鱼类和野生动物保护协会（ＵＳＦＷＳ）为保护水生物多样性，提出针对鱼类生长繁殖和产量与流量关系的河道最小流量（Ｉｎｓｔｒｅａｍ ｆｌｏｗ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ）的概念。接着许多国家都开展了相关研究，提出了许多计算和评价方法［１］。20世纪６０～９０年代，河流生态流量的定量和基于过程的研究以及流量和流速、鲜鱼、大型无脊椎动物、大型水生植物间的关系等陆续展开，同时也关注到能量流、碳通量和大型无脊椎动物生活史方面［２］。英国水资源法要求各河流管理局设置最小需水量。印度、孟加拉、巴基斯坦和埃及等国家的流域工程被重新评价和规划。美国在第二次水资源评价中，同时考虑了河道外需水和河道内需水，全面调整流域开发和管理目标，形成了流量计算方法和生态需水分配研究的雏形［３，４］。至20世纪９０年代，生态需水成为全球关注焦点，研究深度和广度增加。国际间的ＦＲＩＥＮＤ（Ｆｌｏｗ Ｒｅｇｉｍｅｓ ｆｒｏｍ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎｄ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｄａｔａ）组织成立，从不同角度提出河流生态需水量的计算方法，河流生态需水由单一目标发展为考虑多方面需求，将某时段的各种需求的最大值定为河道流量需水量。在空间尺度上从纵向、横向、垂向和时间域构成的四维动态系统进行研究［５］，也扩展到湖泊、湿地、河口三角洲等生态系统的需水研究。

在我国，方子云在１９８８年的《水资源保护工作手册》提及流域生态用水的内容；汤奇成［６］在分析塔里木盆地水资源与绿洲时提出了生态环境用水概念，率先开展了生态环境需水研究。２０世纪９０年代后期，生态环境需水进入了较全面的研究阶段。刘昌明［７］根据水资源与生态用水关系，提出水热平衡、水盐平衡、水沙平衡与水量平衡（含水资源供需平衡）原理，探讨了生活、生产与生态用水之间的共享性。

目前国内的研究目标多集中在这些地区且多以河流生态系统需水作为主要研究对象。国家“十五”科技攻关项目“中国分区域生态用水标准研究”从基础理论、应用技术、管理决策三个层面提出一系列相互关联的关键技术，形成符合我国实际的生态需水理论与计算方法体系，提出了水循环生态效应理论，建立了区域生态需水类型划分的三大准则，为区域生态需水计算奠定理论基础［８］。此外，针对黄河断流、海河河道萎缩、西北地区绿洲面积缩小等问题，众多学者分别对其生态需水进行了大量研究。

近年来，人们越来越深刻地意识到从流域尺度上研究需水的重要性。陈敏建等［８］在分析流域生态系统结构、功能模块的复杂性的基础上，提出流域生态需水具有整体综合性、模块复杂性、空间连续性、时间差异性以及自然、人工双控性的特性，并据此建立了流域生态需水规律研究的理论框架，并结合我国不同区域的生态环境特点与水文水资源状况以及河流生态环境需水量的影响因子，建立了全国河流生态水文分区体系和分区方法，为从流域尺度开展生态环境需水量研究提供了基础。林超等［９］通过对现状生态用水量调查，从水文学角度计算了海河流域的生态需水。刘洁等［１０］从降水—径流的发生与演变出发，按山区和平原生态圈层结构分层次计算了新疆玛纳斯河流域生态需水。

目前从流域尺度开展生态需水研究尚有诸多问题需要解决。一方面，流域尺度的生态需水的概念、功能、结构等都有其特殊性；另一方面，生态需水不仅涉及到理论基础，同时也直接关系到流域水资源管理的方方面面。因此，深刻理解流域生态需水的研究体系对流域生态需水分析和计算，以及科学指导流域管理具有重要意义。

１生态需水的涵义

１．１生态需水的概念

生态需水的概念至今尚未统一，因研究的角度和重点不同，各学者对生态需水进行了不同的定义。

国外较早出现的是关于河道枯水流量的研究，将枯水流量定义为“在持续干旱的天气下河流中水流流量”［１１］。１９９３年，Ｃｏｖｉｃｈ［１２］最早提出了生态需水的概念，即保证恢复和维持生态系统健康发展所需的水量。１９９6年，Ｇｌｅｉｃｋ［１３］提出了基本生态需水（Ｂａｓｉｃ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｗａｔｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ）概念，即为天然生境需要提供一定质量和一定数量的水。Ｈｕｇｈｅｓ［１４］指出生态需水是确保河流、河口、湿地以及蓄水层等在设定的生态条件下保持稳定可持续的水量与水质要求。加拿大２００１—２００５年水资源利用与供应研究计划中，定义生态需水量为维持现有生态系统或生态功能区域的满足一定水质要求的适宜水量［１５］。

我国将广义生态环境用水定义为“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”；狭义的生态环境用水定义为“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”［１６］。河湖生态需水评估导则（ＳＬ／Ｚ ４７９—２０１０，试行）指出，生态需水是指将生态系统结构、功能和生态过程维持在一定水平所需要的水量，指一定生态保护目标对应的水生态系统对水量的需求［１７］。

１．２生态环境的结构和功能与生态环境需水研究体系

生态环境的结构和功能与生态需水研究关系密切。针对我国地形地貌、水文气象、植被类型、行政区划、人工和自然生态、水资源管理体制等对生态环境需水的影响程度和层次上，综合前人研究成果，可以将我国的生态功能和结构从以下几个方面综合考虑：①从降水量上：干旱区（＜２００ ｍｍ）、干旱半干旱地区（２００～４００ ｍｍ）、半干旱半湿润区（过渡区，４００～８００ ｍｍ）、湿润区（８００～１ ６００ ｍｍ）与十分湿润区（＞１ ６００ ｍｍ）。②从水资源分区（流域）上：十个水资源一级区，北方六区：松花江、辽河、海河、黄河、淮河、西北诸河；南方四区：长江、东南诸河、珠江、西南诸河。③从地形地貌上：山地、丘陵与平原区。④从生态系统类型上：水生态（河流、河口、湖泊、湿地、沟渠、池塘、人工水生态等）与旱地生态（包括草地、林地、混合生态、人工生态等）。

由于我国水资源分区已综合考虑宏观的气候气象、地形地貌的影响，考虑到生态环境的功能、结构都密切依赖于水资源状况，因此生态环境需水的研究应建立在水资源分区基础上。首先根据具体情况考虑各流域不同的生态功能、生态结构和生态目标，然后在各流域层面上分别考虑流域的微观地形地貌（山地、丘陵、平原区）的生态系统类型的需水自然特征和实现各种生态系统类型（功能）的水资源管理（水量、水质、调控和配置等）措施。表１表示了生态需水研究体系，并以此为参考对生态环境需水进行分区研究，最大程度上反映生态环境需水的规律和特点，同时也对实现生态环境需水的管理提供便利。

流域是完整的自然地理单元，也是独特的人文地理单元，不论从水资源自然特性角度，还是从水资源开发利用以及规划管理的角度，从流域尺度定义和研究生态需水对全面认识和运用生态需水概念，实现水资源合理配置具有重要的科学意义和实际意义。

在总结国内外生态需水的理论和计算方法研究基础上，将流域生态需水定义为在一定的时空条件下，流域的生态系统用以维持一定的结构、功能和生态过程所需要的一定质量和数量的水。定义中体现了流域生态需水的自然特性、时空变化性、目的性、量质统一性、阈值性等特点。

流域生态需水的研究应该包括流域内生态（水生态和旱地生态、自然生态和人工生态）环境需水的自然规律的研究，生态需水规律和水资源时空分布影响下的流域内各种生态环境功能的定位或科学规划问题，不同生态功能下生态需水量与水资源管理措施的关系问题研究，针对可控制的水资源类型（常规水资源和非常规水资源）及其之间的补给或转化关系条件下的流域水资源管理问题研究等。

２流域生态需水量的计算方法

目前生态需水计算方法大概有２００多种涉及４４个国家和地区［１８］。

２．１水生态系统需水计算方法

２．１．１河流生态需水河流生态需水研究起步最早，其计算方法也相对成熟，可分为水文学、水力学、生境模拟、综合、环境功能设定五类方法（表２）。

１）水文学方法。水文学方法简单也最具代表性。其典型方法有Ｔｅｎｎａｎｔ法［１９］、Ｔｅｘａｓ法［２０］、７Ｑ１０法［２１］、ＲＶＡ法［２２］、ＮＧＰＲＰ法、基本流量法。其中Ｔｅｎｎａｎｔ法是水文学方法中应用最为广泛，多用于粗略检验其他方法。改进后的Ｔｅｎｎａｎｔ法被应用到黄河下游花园口、艾山和利津站，应用结果表明，改进后求得的流量能够更好地体现中国北方河流流量丰枯的季节性。７Ｑ１０法被应用于我国大型水利工程项目的环境影响评价，ＧＢ ３８３９—８３修改规定，一般河流采用近１０年最枯月平均流量或９０％保证率最枯月平均流量。在国外，Meyer等［２３］采用ＲＶＡ法并结合专家讨论与目标监测确定了环境流量。在国内，张洪波等［２４］以龙羊峡为例采用ＲＶＡ法评估水库运行影响表明，水库调节后对月流量、年极值、频率、延时和变化率指标产生了显著影响；史方方等［２５］采用ＲＶＡ法定量评估了黄家港水文站１９６７年前后水文情势的变化和丹江口水库对汉江中下游生态水文的影响。Ａｌｃáｚａｒ等［２６］利用基本流量法在西班牙计算了埃布罗河流域的最小流量，并以此为基础对该流域进行了区域分级。

２）水力学方法。尽管水力学方法在应用上有一定的局限性，但它和水文学方法依然是目前最普遍的生态需水计算方法。湿周法［２７］是其中应用最为广泛的方法。吉利娜等［２８］分别采用对数和幂函数拟合湿周—流量关系，以曲率最大法确定变化点，估算了滦河流域两个站点的最小生态需水量，认为采用斜率为１的估算结果要大于曲率最大的估算结果。叶朝霞等［２９］选择曲率法推求塔里木河下游断流河道最小生态流量及对应的水面宽、平均水深和平均流速等指标；Ｍｅｎ等［３０］对比Ｔｅｎｎａｎｔ法计算结果认为，官厅水库、雁翅、卢沟桥断面生态需水流量基本能使当地河道生态系统处于较好状态。Ｒ２-Ｃｒｏｓｓ法［３１］的参数难于确定使其应用受阻，郭新春等［３２］运用修正的R2-Cross法分析水力参数随流量增长与最小生态流量的关系，综合考虑了河段水力特性、生态特性和河道形态特性，并应用在山区小型河流中，结果较好。

３）生境模拟法。典型方法有ＩＦＩＭ法［３３］、ＰＨＡＢＳＩＭ法［３４］、Ｂａｓｑｕｅ法［３５］、ＣＡＳＭＩＲ法［３６］等。其中ＩＦＩＭ法最具代表性，国外应用较多。Ｅｌｌｉｏｔｔ等［３７］运用ＩＦＩＭ法及ＰＨＡＢＳＩＭ模型，分析了英国艾伦河和比斗河的水资源规划问题，并评价了韦河河道修复结果。目前国内的ＩＦＩＭ法主要用于分析鱼类适宜生态流量。蔡玉鹏等［３８］以IFIM法为基础，结合二维水力学模型和鱼类栖息地模型计算分析了中华鲟自然繁殖期间流量与栖息地加权可利用面积的关系和自然繁殖需流量。

４）综合法。ＢＢＭ法［３９］主要应用于国外，在国内尚无应用实例，但由ＢＢＭ的设计思路产生的ＤＥＳＫＴＯＰ ＲＥＳＥＲＶＥ模型不管在国外还是国内都有应用。Ｍａｚｖｉｍａｖｉ等［４０］应用此法评估津巴布韦１５１个子流域的最小需水量，结果表明环境需水量随流体变动性的增加而减少，随基流占总流量比例的增加而增加，并提出相应的管理建议。陈星等［４１］应用此法绘制了广东韩江流域某河段在现状生态下不同来水的年月基流量和高流量的分配图以及生态需水量保证率曲线。整体评价法［４２］是针对澳大利亚河流提出的一类方法，但由于它是建立在整个河流生态系统基础上的方法，因此也适用于其他地区。但因资料获取多使其应用难度大，目前尚未见国内相关研究报道。

５）环境功能设定法。国内在计算河流生态需水时，较多研究者采用环境功能设定法。如涂向阳等［４３］构建了考虑河流基本生态、自净、输沙和生态景观等功能的河流系统生态环境需水量理论体系，并以此研究海河流域控制性河流的生态环境需水量。

２．１．２河口生态需水河口生态系统受到陆海不同的物理、化学、气候等众多因素的影响，具有淡咸水混合、营养物质富集等不同于其他生态系统的环境特征。因此，河口生态需水是在一定生态目标下维持河口相应时空范围内生态系统健康所需要的水量。国内外学者对河口生态需水进行了大量研究，却未形成统一的计算方法体系。目前计算方法主要有功能设定法、相关分析法和生态模型法（表２）。

陈敏建等［８］分别给出河口生态系统水循环消耗、生物循环消耗以及河口生物栖息地等不同类型生态需水的计算方法，根据“加和性”和“最大值”原则计算了海河河口生态需水年度总量及其时间变化率；韩曾萃等［４４］研究了钱塘江河口包括维持河口冲淤平衡需水、防止河口咸水入侵需水、维持河口水功能区水质达标需水及最小生态需水的计算方法，并根据分时段考虑原则、兼容性原则和区域性原则对综合计算方法进行了探讨。王明娜等［４５］根据天津市历史海区盐度和海区渔产量与径流的关系以及与鱼类洄游、产卵、幼鱼孵化、幼体生长之间的关系建立非线性方程，计算了天津市最低入海水量需求。孙涛等［４６］针对河口生态系统不同生态保护目标将河口生态需水划分为基于典型生物资源保护目标、基于生境保护目标以及基于多目标整合分析３种类型，建立淡水输入与生态目标的相关关系，确定一定目标下的需水量和应用实例。王高旭等［４７］建立了大通至长江口外海一、二维耦合数学模型，计算河口盐的质量分数分布与大通站入流量关系，以维持长江口生态系统服务功能最大化为目标，选定盐的质量分数为控制标准，分析得出长江大通站生态流量。张蕊等［４８］根据河口湿地生态需水研究现状提出建立基于３Ｓ的具有统一物理机制的河口湿地生态水文耦合模拟模型对研究变化环境下河口湿地生态需水响应是十分必要的。

２．１．３湖泊、湿地生态需水湖泊生态需水量是指保证特定发展阶段的湖泊生态系统结构，发挥其正常功能而必需的一定数量和质量的水，具有明显的时空性、复杂性和综合性。湖泊生态需水量研究方法主要有水量平衡法、换水周期法、功能法、最小水位法（表２）。徐志侠等［４９］提出的采用天然水位资料统计法、湖泊形态分析法和生物空间最小需求法3种方法计算湖泊最低生态水位，以此计算湖泊生态需水量。

水量平衡是湿地生态需水量计算应用较多的方法，而遥感技术也逐渐成为湿地生态需水研究的重要辅助工具。崔保山等［５０］认为湿地生态系统的需水量包括湿地植被、土壤和野生生物栖息地的需水量。Ｊｉａ等［５１］假设蒸发是惟一的水量损失，以气候数据为基础，采用ＤＲＡＩＮＭＯＤ模型计算了干旱和半干旱地区湿地的净需水量。奚歌等［５２］通过遥感技术，利用ＳＥＢＳ模型，并结合ＭＯＤＩＳ和气象资料估算了黄河三角洲湿地蒸散量，结合植被生态需水量研究湿地植被的水分供应情况及恢复所需的补水量问题。

２．２旱地生态需水计算方法

旱地生态需水包括城市旱地、草地、林地生态需水等，目前国内的研究主要集中在干旱半干旱地区，研究的重点就是植被生态需水。对于植被生态需水量的计算，诸多学者根据植被类型及所处的气象、水文地质条件的不同，提出了不同的计算方法，目前应用较为广泛的方法有直接计算法，间接计算法，以及基于遥感和ＧＩＳ技术手段对研究区域进行生态分区后再利用直接或间接法计算（表２）。

２．２．１直接计算法 该类方法主要工作是确定不同区域天然或人工植被的生态需水定额和相应的植被面积。植被生态需水定额的确定主要有两种依据，一是根据前人实际测定的不同植物类型蒸散量以及灌溉用水量并结合不同地区的植被系数来确定不同植物类型的生态需水定额；二是根据植被生态系统的主要水分支出项——蒸散及其影响因子，根据各地气候条件、土壤因子的差异，同时考虑植物种类的差异来计算不同区域植被的生态需水定额的理论计算法。直接计算法是目前应用最多的计算植被生态需水的方法，典型方法有实测方法，面积定额法和彭曼公式。陈丽华等［５３］计算了北京市森林植被的年平均生态用水量。杨志峰等［５４］基于ＭＯＤＩＳ数据建立了区域植被用水模型，分析计算了海河流域的生态需水。郝博等［５５］结合遥感技术，计算了甘肃省民勤县的植被生态需水定额和需水量，以及生态缺水定额和生态缺水量。

２．２．２间接计算法此类计算方法中主要考虑旱地（有植被和无植被区域）的地下水水位与相应的潜水、蒸发、耗水之间的关系确定生态需水量的一类方法。典型方法有彭曼公式、阿维里扬诺夫公式、植物生长与地下水位关系模型。王让会等［５６］从研究植物生长与生态环境状况之间的定量关系角度出发，界定合理的生态水位，估算了新疆塔河流域、叶尔羌河流域、和田河流域及开都河—孔雀河流域４源流区的生态需水。张丽等［５７］依据生态适宜性理论建立了植物生长与地下水位关系模型，计算出黑河下游各种植物的最适地下水位。高凡等［５8］应用３Ｓ与数据库等技术动态监测并分析塔里木河干流１９９９～２００４年生态水平的动态变化特征，获得了不同水平年分区天然植被类型图、面积图和覆盖度图，并估算出相应生态水平下天然植被的生态需水量。

２．３地下生态需水

由表１生态需水研究体系可知，水生态和旱地生态需水研究中都涉及到地下水生态需水问题。目前水生态需水中对地下和地表生态需水的耦合关系尚未找到相关文献报道；旱地生态需水中间接计算法建立了植物生长和地下水位关系模型，即通过植被情况与地下水水位之间的关系确定适宜的地下水水位，在地下水需水计算过程中值得借鉴。地下水生态需水实际上是保证生态环境（植被、地表水、土壤）需水的基础，因此可以定义地下水生态需水为在一定气候气象和时空条件下，保证区域生态需水时维持地下水在合理水位所需的水量，应包括地下水的蒸发量、植被的利用量、补给地表水的水量等。冯平等［59］以采补平衡为原则给出了浅层地下水生态恢复需水量的计算方法，其中计算区恢复地下水位与现状地下水位的差值是首先要确定的指标。

综上所述，目前生态需水研究主要集中于河流生态需水，其余相对较少，从流域尺度计算生态需水还面临很多挑战。虽然有关生态需水的计算方法很多，但基本都是针对单个生态系统的研究，如河流生态系统、湖泊生态系统、植被生态系统、河口生态系统等，从流域或区域的角度出发，研究整体生态系统的需水状况还较少，并没有形成适用的统一公认的计算方法体系；其次，各子系统生态需水计算结果如何整合到流域生态系统是目前研究的重点与难点。将流域生态系统作为一个有机整体，研究水在各生态系统的循环状况、循环机理，以流域水循环为主线，加强各单个生态系统与其他生态系统之间需水的耦合关系研究，建立生态需水量耦合模型，定量分析流域生态需水量，对生态需水研究十分重要。

近年有很多学者尝试结合多种方法计算流域或区域生态流量。Ｌｅｒｏｙ等［６0］综合诸多水文和环境流量计算方法，建立了一个评估区域环境流量标准的新框架，可用来支持区域环境流量管理。Ｈｕｇｈｅｓ等［６1］结合ＧＩＳ平台和数据库管理技术，从水文、水力和生物响应角度建立了一个计算分析河流系统生态需水的集合框架。

３流域生态需水研究的未来发展方向

纵观国内外生态需水研究现状及存在问题，流域生态需水未来发展趋势应注重几个方面的研究。

３．１生态需水的内涵和研究内容

统一完整的生态需水概念及其研究的内涵和外延是生态需水研究的基础。从流域角度对生态需水的概念进行研究，对生态需水研究具有现实意义。

３．２时空尺度效应

目前单一生态系统的需水研究已不能适应于指导现代水资源管理，与水资源流域管理理念相适应的流域生态需水研究势在必行，建立完整的流域或区域生态需水研究体系已成为本领域的热点和难点，因此应加快从局部过程向全流域过程研究过渡的进程。同时，以年为单位的生态需水研究也已不适宜，生态需水过程的研究、区域水资源时空分布与生态需水时空分布的关系研究都是今后的发展趋势。

３．３“三水”耦合关系

地表水、土壤水和地下水是水循环的重要组成部分，它们之间转化关系复杂，土壤水和地下水对生态系统的贡献不容忽视，特别是半干旱半湿润地区。如何将地下水和土壤水纳入目前的地表水生态系统研究体系，探讨土壤水和地下水对生态系统需水的影响及地表水和地下水之间的耦合关系是一项重要的研究课题。

３．４计算方法

在现有计算体系中，建立子系统生态需水和流域生态系统需水间的响应关系，从流域角度研究生态需水的过程，是研究的一大挑战。生态需水量的确定是十分复杂的问题，一个具有物理基础，又有实际应用价值的能够充分反映生态系统复杂性的计算方法势在必行。因此，充分利用现有环境系统数学模型将是一个较好的研究思路，如利用ＳＷＡＴ模型增加生态系统模块，结合遥感技术，不仅充分考虑复杂生态系统，同时也可以实时分析生态需水的时空变化。

３．５非常规水资源利用

非常规水资源利用越来越引起重视，将其纳入密切的生态需水研究体系，充分考虑非常规水资源在生态系统中所起的作用，也是一个主要的发展趋势。

３．６３Ｓ技术应用

RS技术、ＧＩＳ技术和ＧＰＳ技术是未来生态需水研究的必然趋势。

参考文献：

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