宿州市水生生态系统最小生态需水量计算

张 勇，黄淑玲，王 俊

（1.安徽省煤矿勘探工程技术中心，安徽 宿州234000；2.宿州学院 地球科学与工程学院，安徽 宿州234000）

进入新世纪，城市在迅速发展的同时也产生了一系列问题，水资源是否合理利用日益受到关注，城市水生生态系统最小生态需水量更是不容忽视。城市水生生态系统最小生态需水量内涵是为生物提供适宜生境需要的水，或在生物系统其他生境条件（非最适宜的生境条件）下，维持生态系统一定的生态功能需要的水[1]。近些年来，生态需水已成为水科学领域非常新颖和热门的研究课题，然而由于缺乏系统的科学理论，致使有关生态需水的研究仍停留在介绍一些基本的概念或定义上，其计算方法也只是从物理的水量平衡，水热平衡，水沙平衡，水盐平衡等方面考虑[2-3]。所以构建完整的生态需水研究模型和探索出一套适合计算的公式就成为了当下众多环境科学工作者的首要任务。

本文通过对河流、湖泊和湿地等水生生态系统资料的查阅，结合中外学者的理论模型和研究成果，设计出水生生态系统的最小生态需水量计算模型，以安徽省宿州市为例，计算出2012年水生生态系统最小生态需水量，可为水资源合理规划利用和水生态文明建设方面提供技术支持。

1 宿州市水资源现状

宿州市地处皖北，是淮海经济协作区的核心城市之一，也是安徽省距离出海口最近的城市，正是因为这样特殊的地理位置，所以决定了宿州市水资源的构成系统具有自己的特点，其水资源主要由大气降水，地表水和地下水构成。

1.1 大气降水

宿州市的年平均降水量728-900mm，空间分布上呈现南多北少的特征，主要表现在南方的灵璧县常年要比北方的砀山县多出170mm的降水量，区域差异比较突出。从每个月降水分布来看，大多数情况下都以7月的降水为主，其次就是8月（北部）与6月或8月（中东部）；而12月的降水量最少往往只有7月的三分之一，季节分布上存在不均衡的现象。各月降水最大最小值相差的情况也比较突出，少的时候只有8倍，但最多的时候却达到了200倍以上，年纪变化大也是洪涝灾害的重要原因。

1.2 地表水

宿州市地处华东地区且宿州地表水资源较丰富，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、故黄河水系，六大水系中又以新汴河水系为代表，其水资源总量达到2.4亿m3。宿州境内有大小河流70多条，主要有浍河、沱河、濉河、奎河、萧濉新河、新汴河等，地表水资源总量16.1亿m3，地表水在空间分布上具有北多南少，东多西少的特征。

1.3 地下水

宿州地下水主要分为浅层地下水、深层地下水和基岩裂隙岩溶水，分布面积为9692.8km2，多年平均储藏量11.58亿m3，在全市的分布较为均匀，各县区在1.00～3.53亿m3。宿州市具体水资源情况见表1。

表1 宿州市水资源空间分布状况

2 水生生态系统最小生态需水量研究路线

2.1 最小生态需水量计算路线

最小生态需水量的具体功能有[4]：为水生生物提供其必要的生活场所，提供稀释净化水用来满足水生生物生活，正常的社会娱乐景观等需求，以上三个方面可能会存在重复的部分，在具体计算时还要减去重复量。

针对研究区域首先进行资料查阅和实地考察，根据区域情况和事先规划的研究目标，划分研究区域；筛选参数，建立适合本区域特征的最小生态需水量计算模型，进行各分区最小生态需水量计算，减去重复计算的部分，从而求和得到最小生态需水量。

需要注意的是目前大多数研究者在研究生态需水量时都是以行政作为界限进行划分计算，该法一般适合于水系比较集中的区域，可大多数情况下政区和水系间的联系都会存在不连续的特点，采用该法就会割裂水系间的联系，导致计算结果产生误差。同时湖泊和湿地也是通过河道进行水系交换，此外，河流的上下游也会影响计算结果，所以在水系计算时必须将一个完整的水系作为参考对象进行研究。本文在计算区域的划分范围时，用宿州市东西南北城市四界的河流取代行政区域，对于计算分区的选择，则可以按照研究范围内主要河流流域进行划分，保证了计算结果的准确性。

2.2 研究区划分和数据来源

为提高研究的准确性，依据水生生态系统的流域的连续性，确定研究区范围为宿州市规划城区和周边部分区域，具体为：南起南四湖水系，北至新汴河水系，西起安河水系，东达故黄河水系，计算涵盖新汴河水系、濉河水系、崇潼河水系、安河水系、南四胡水系、故黄河水系六大水系，总面积约为6845km2。

研究所需水资源数据来源于《宿州市水利资源公报》，《安徽省统计年鉴》和宿州市水利局提供的部分资料。

3 宿州市水生生态系统最小生态需水量计算

3.1 河流最小生态需水量的计算

河流最小生态需水量就是维持水生生物生存的前提情况下又能保护河道生态环境的稳定性，对河道外的植被生态需水量计算采用间接计算方法，对于河道内生态需水量计算方法有综合比较水文学方法，水力学方法和生境方法，结合宿州的实际情况采用水文学方法中的河流基本生态环境需水量法。

3.1.1 河道外间接计算法 河道外的生态需水量主要考虑的是植物的蒸腾作用，可以间接的通过计算出植物的蒸发量来表示河道外的生态需水量[5-6]。目前，在水分不足时，潜在蒸腾挥发量通常使用改进后的彭曼公式[7]，具体计算公式如下：

式中：ET—作物实际需水量，mm；ET0—植物潜在蒸腾挥发量，mm；KC—植物腾散系数，随植物种类，生长发育阶段而异，生育初期和末期较小，中期较大，接近或>1.0，一般通过实验取得；f(s)—土壤影响因素。

河道外植被具体蒸腾量见表2。

表2 河道外绿色植被蒸腾量

3.1.2 河流基本生态环境需水量法 采用最小月平均径流法[8-9]，实际计算中以最小月平均实际径流量的多年平均值作为河流的基本生态环境需水量，在这种情况下基本可以满足下游对水量的需求，计算公式为：

式中：Wb—河流基本生态需水量，单位：108m3；Qij—第 i年第 j月的月平均流量，m3/s；n—统计年数；T—换算系数，值为 31.536×106s。

依据河流基本生态环境需水量法，对所在研究区域范围内的河流水系进行了调查，获取各水文监测站的水流量数据，具体见表3。

表3 2006—2012年各站水文监测数据 m3/min

通过上述对河流生态需水量计算方法的选取，分别计算了河道内、外的最小生态需水量，得出河道内的最小生态需水量为0.62亿m3，河道外的最小生态需水量为0.13亿m3，即河流的最小生态需水量为0.75亿m3。

3.2 湖泊最小生态需水量计算

湖泊最小生态需水量是指湖泊发挥生态系统正常作用所需要的水量，根据功能湖泊的生态环境需水量主要包括：湖泊蒸发需水量、湖泊自身存在的需水量和生物栖息地的需水量三部分，同时还有些其他因素需考虑，如湖泊下渗，取水等[10-11]。

3.2.1 湖泊蒸发需水量 湖泊需作为一个整体对象研究，考虑蒸发量时不仅要计算湖泊自身的蒸发量还要考虑到湖泊中水生生物的蒸发量。湖泊水面蒸发需水量公式为：

式中：Wv为湖面水分蒸发需水量；A为湖面面积；Ew为湖泊水分蒸发量；Qr为湖泊内降水量。湖泊水生植物蒸散需水量公式为：

式中：Wp为湖泊水生植物蒸散需水量；dt为计算时段长度；ETm为植物的蒸散发量。

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，能够保障城市湖泊的正常存在和功能的发挥，最小生态需水量是保证湖泊中生物正常生活和湖泊发挥娱乐功能所必须的条件，它属于生态需水量的重要组成部分。其公式为：

式中h为湖泊水深，T为换水系数。

3.2.3 生物栖息地的需水量 湖泊周围一般不会存在大量的动物，因此湖泊在满足自身需水量的要求上就已经足够了，考虑到宿州市湖泊周围存有一定的生物，现实情况比较特殊，其需水量公式计算如下：

式中H为栖息地需水限制水深。

对研究区域范围内的湖泊进行了调查，采集数据，进行模型计算得出湖泊最小生态需水量，具体见表4。

表4 宿州湖泊生态需水量 万m3

通过上述计算得知湖泊的生态需水量为0.61亿m3，其中湖泊自身存在的需水量所占比例最大达到了0.25亿m3，湖泊蒸发需水量占0.24亿m3，生物栖息地的需水量最小，只需要0.12亿m3。

3.3 湿地最小生态需水量的计算

目前还没有成熟通用的湿地最小生态需水量计算方法，又缺乏相关的研究经验，仅仅只能从物理的水热平衡等方面来考虑湿地的生态需水量，在计算结果上会与实际结果有一点点的误差，不过可以通过修正尽量减少误差[12]，水热平衡原理是指水分在生态系统的物质循环与能量流动的结构体中，既是物质循环的一部分，又是其它物质运转的载体和能量流动的媒介。地面的水分受热后要向空中蒸发(包括植物的蒸腾)，用热量平衡方程推算蒸发量[13]，其方程为：

式中，R为辐射平衡量；A为大气感热；L为蒸发潜热；E为蒸发量；QA为土壤热交换量。上式可推导出蒸发量计算式：

式中，Δe为作物冠层上方的湿度梯度；ΔT为作物冠层上方的温度梯度；α为标准气压与地面实际气压的比值。

宿州市的湿地主要是泗县的石龙湖湿地公园和沱河自然保护区以及砀山，萧县等地的黄河故道湿地自然保护区，具体见表5。

表5 宿州市湿地相关数据 mm

在计算生态需水量的时候，有必要按照等级划分以增加计算精度，可将湿地景观水深分别选取1.7m和0.6m作为最大和最小湿地生态景观水深；将石龙湖湿地，沱河保护区湿地和黄河故道所得的相关数据纳入计算模型，通过计算最终得出湿地的最小生态需水量为0.18亿m3。

3.4 计算结果与分析

通过模型，可以计算出水生生态系统的最小生态需水量，可知宿州市2012年的水生生态系统最小生态需水量为1.54亿m3左右，约占全市多年平均可供水资源总量的8.86%，与天长市生态需水量所占比例相近（其为11.45%），远远低于深圳市宝安区（其为33%），这主要是由于本文考虑的仅仅是水生生态系统的最小生态需水量，而深圳是全国七大严重缺水城市之一，宝安区更是深圳市缺水最严重的地区，可供水资源量有限，可见宿州市最小生态需水量完全在水资源承载范围之内[14-15]。

在宿州市水生生态系统最小生态需水量中，河流生态需水量达到了0.75亿m3，占总需水量比例为48.7%，所占比例最大，这与北京市生态需水量研究成果一致[1]355，说明相对于宿州市这样一个总体水资源相对较为短缺的城市来说，河道内生态环境需水量的差异也间接反映出了城市对供水量大小的需求，这对今后宿州市城市建设在水资源合理规划与利用方面提供了参考依据。湖泊的生态需水量则达到了0.61亿m3，占总需水量比例为39.6%，这是因为湖泊的流动性要远远弱于河流，但是对于城市来说湖泊的需水量在保持城市的地下水深度和水资源循环方面发挥着举足轻重的作用，且与河流需水量并没有显著大幅度差距，因此城市生态建设也需将湖泊考虑在内。虽然湿地的生态需水量仅需要0.18亿m3，所占总需水量比例为11.7%，但因湿地有着地球之肾的功能，湿地的生态作用也不可被忽略。

4 结论

城市的发展离不开水，准确计算出宿州市水生生态系统最小生态需水量对宿州市水资源合理规划利用和城市水生态文明建设具有重大意义。通过查询最近几年宿州市内河流、湖泊和湿地的水文资源数据，依据由基本要素到整体对象的实验思路，建立计算模型，最终得出宿州市2012年城市水生生态系统最小生态需水量为1.54亿m3左右。

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