河南省生态用水的空间分异特征研究

石蒙蒙 薛兴燕 吴明作 何瑞珍 葛亚超

(河南农业大学林学院，河南 郑州 450002)

河南省生态用水的空间分异特征研究

石蒙蒙 薛兴燕 吴明作 何瑞珍 葛亚超

(河南农业大学林学院，河南 郑州 450002)

收集河南省各县市的气象资料与土地利用、工农业生产等统计数据，利用Penman模型与河南省用水定额等方法计算出各县市的生态用水各项分量，利用GIS等工具分析其空间变异特征。结果表明，河南省生态用水平均为 82 488.08 ×104m3，但变异系数较大，用水量较大的地区主要集中在南部、西部山区；生态用水密度平均为59.10×104m3/km2，其变异系数较小；生态用水量主要由生态环境需水量与水体蓄水量组成，与土地利用方式、气候条件、植被状况、国土面积等因素有关；排序分析表明，河南省生态用水大致可以分为用水量大但密度较小、用水量小但密度较大、用水量与密度均小3个区域。

生态用水；空间分异；生态需水；GIS；河南省

虽然生态用水与生态需水仍有许多问题尚未厘清[1-2]，但对其定量测算，是进行区域水资源开发利用与规划配置等工作的基础[2-3]，国内外对生态需水量进行了很多研究[1-3]，而基于生态需水测算区域性用水量的报道较少[4]。河南省属于北亚热带向暖温带的过渡地带，跨黄河、海河、淮河与长江流域，具有热量带与流域代表性，但水资源短缺、贫水化问题严重[5]，对其水资源与生态需水研究主要侧重于小尺度区域性的生态需水量[6-10]，针对全省范围的研究较少[11-12]，针对生态用水的研究更少[13]。本研究以河南省各县(市)为单元，测算其基本的生态用水量，并运用GIS等工具分析其空间变异性，为进一步测算河南省的水量平衡，水资源的开发利用、水量调度、规划与配置等提供基础资料，也为大尺度范围的类似研究提供借鉴。

1 研究地概况

河南地处北纬31°23′～36°22′，东经110°21′～116°39′，地势西高东低。西部和南部为丘陵山地，东部、北部和中部为辽阔平原。省域面积1.67×105km2，平原盆地、山区丘陵面积分别占全省土地总面积的55.7%和44.3%。地跨淮河、长江、黄河、海河四大流域，流域面积分别为8.83×104、2.77×104、3.62×104、1.53×104km2。全省100 km2以上的河流有493条。属典型的温带大陆性季风气候，年平均气温13～15 ℃，年平均降水量600～1 200 mm，年均日照时数2 000～2 600 h。可满足农作物1年2熟或2年3熟的需要，受气候影响，区域植被分布明显兼有南、北方的特点。

2 研究方法

2.1 资料来源

用于计算植物蒸散量的气象资料通过河南省气象局购买得到，共收集119个气象站点自建站(最早1951年，最晚1963年)至2003年间的各种气象要素资料，各台站气象资料年限为11 a的有25个、19 a的7个、20～30 a的4个，其余的均在30 a以上，50 a以上有11个，最长的为53 a。人口数据和生产总值数据来源于河南省2012年统计年鉴[27]。土地利用数据来源于各地的土地利用规划。

2.2 测算方法

本项研究以狭义概念为基础测算生态需水量[1-4,12,14]，加上生产生活用水作为生态用水量。

1) 作物蒸散量。计算参照作物蒸散量时，使用联合国粮农组织(FAO)推荐的Penman模型[15-16]，计算时对各参数按文献[17]进行修正。

2) 植被需水量。 对于有河南省用水定额标准的植被(市区绿地、苗圃地等)，采用定额法计算：

W=α×q×A

式中：W为植被需水量，m3；α为单位换算系数；q为灌溉定额，m3/hm2；A为某植被类型的面积，hm2。灌溉定额依据河南省地方标准计算[18]。

对于没有定额标准的植被(林地、草地等)，则采用系数法计算：

Etc=ET0×Kc

式中：Etc为植被需水量；ET0为参考作物蒸散量；Kc为系数，根据已有研究确定[14]。

因河南省农作物多数进行了套种，且常绿针叶林与针阔混交林所占面积比例较大，故计算植被需水量时采用了整年时间而非只计算生长期。

3) 土壤用水量。土壤用水量指在适宜含水定额时，植物生长强度不受土壤含水量限制的临界含水量，其值一般为田间持水量的75%[10,19]，本文计算时，土壤深度取0.5 m，田间持水量根据河南省土壤类型取样实际测定得到。

4)潜水蒸发量。根据已有报道[20-22]，用叶水庭公式计算潜水蒸发量，临界埋深取5 m，用Penman模型计算蒸发能力ET0代替蒸发皿实测值：

E=ET0×e-aH

式中：E为潜水蒸发强度，mm/d；ET0为大气蒸发能力，mm/d；a为经验常数，与土质及地下水埋深有关，按逐日拟合计算，其值在砂礓黑土(在河南省主要是信阳、漯河两地)时为3.40，在黄潮土时为0.65；H为潜水埋深，m，其值依据参考文献[23-25]确定。

5) 水面蒸发水量。河流与湖泊均因水面蒸发而需要一定的补给水量。一般地，水面蒸发量可认为是自由水面蒸发量，可按Pemman模型计算。

6) 径流维持用水。径流维持用水量也即河道需水量，本研究以径流量进行测算。取各地区的地表径流量、水资源量等数据[26]，按该地区内各县(市)的面积比例进行测算。

7) 生产与生活用水量。生产与生活用水量采用定额法测算，用水定额参考河南省地方标准[18]。生产用水包括工业与农业生产用水，前者采用万元产值用水定额测算；后者采用单位面积灌溉用水定额测算。生活用水包括城市生活用水和农村生活用水，分别根据城镇人口和农村人口的计算数乘以人均综合用水定额进行测算。

2.3 数据处理方法

数据整理计算利用Excel 2003，空间分布格局采用ArcGIS 10.1绘制，排序图采用Canoco 4.5 for windows绘制，趋势面分析采用ForStat 2.1完成，其他绘图采用Origin 8.0。

3 结果与分析

3.1 生态用水量的空间分异

根据测算结果，运用GIS工具绘制河南省生态用水量的空间分布格局，结果见图1。

河南省生态用水的空间变异较大，一般情况下，南部与西部山区的生态用水量较大，东北部与中部的黄淮海平原地区整体较小(图1)。全省生态用水量平均为 82 488.08 万m3，变异系数为66.34%，也表明各地数值变化较大。最大值出现在信阳市区，为 414 998.29 万m3，是最小值 23 110.90 万m3(义马市)的18倍。这种差异与当地的气候条件、植被状况、水域面积等因素有关，也与国土面积有关。

根据国土面积计算各地的生态用水密度(因各市区人口与工业生产发达，用水量较多，此处未计入)。结果表明，河南省生态用水密度为59.10×104m3/km2(未计各市区)，变异系数为38.01%，虽然义马市的生态用水总量较小，但其生态用水密度最大，为230.04×104m3/km2，是最小值卢氏县(34.75×104m3/km2)的6.6倍。义马市为河南省煤炭产区，面积较小，人口较多，其生态用水主要是生活与工矿用水；而卢氏县面积较大，人口较少，其生态用水主要是生态环境用水，生活用水较少。由此可见，生态用水量与诸多因素有关，在进行用水规划时，需要考虑用水总量及其密度。

3.2 生态用水量空间分异的趋势分析

以各气象站所在县(市)的地理坐标为解释变量，利用ForStat 2.1进行空间趋势面分析，结果见图2。由图2知，生态用水量随着经度与纬度的升高表现出减小趋势，即在河南省的东部与北部用水量比西部与南部较小；这与图1的变异基本一致。此研究结果表明，对于空间变异可以采用多种分析方法。

3.3 生态用水分项的区域分异

分别测算河南省内各县(市)需水量的各个组成分项，按市域合并，结果见图3。

由图3可知，河南省各市生态用水的分项组成相差较大，各市土壤含水量所占比例很小(最大值为南阳市的 14 716.83 万m3)，生态用水主要由生态需水量与水体蓄水量2个部分组成，且基本上前者所占比重较大，后者较小，这与河南省的实际情况一致。河南省整体上水域面积较小，其蓄水量相对较小；但信阳、驻马店2市因市域内水域面积较大，其水体蓄水量所占比重较大，南阳市的2个分项水量较为接近；信阳市的水体蓄水量为全省最大值(517 752.00 万m3)，但其土壤含水量仅有 12 328.85 万m3，前者约是后者的42倍。

3.4 生态用水量空间分异的排序分析

利用Canoco 4.5 for windows软件的各项缺省值，以生态用水总量、生态需水量、生态用水密度为指标，运用DCA方法对其进行排序，结果见图4(图中各轴表示各地点之间的相似度距离)。由图4可以看出，各县(市)的生态用水在图中表现为相对较连续的序列，但大致可区分为以下3个类型。

1) 类型1：特点是生态用水总量与生态需水量较大，但生态用水密度相对较小。包括河南省的大部分山区县(市)，由北向南有灵宝、陕县、卢氏、洛宁、汝阳、嵩县、栾川、鲁山、汝南、确山、泌阳、南召、西峡、内乡、方城、淅川、桐柏、罗山、固始、潢川、光山、商城、新县；这些地区境内植被发育良好，但通常国土面积也较大。

2) 类型2：特点是生态用水总量与生态需水量较小，但生态用水密度相对较大。包括大部分市区、面积较小的县(市)，由北向南有安阳市区、汤阴、清丰、濮阳市区、鹤壁市区、新乡市区、新乡县、焦作市区、义马市、杞县、通许、新密、郑州市区、新郑、许昌市区、许昌县、长葛、禹州、驻马店市区；这些地区植被覆盖率较低，水域面积较小，通常国土面积也较小。

3) 类型3：特点是生态用水总量与生态需水量相对较小，且生态用水密度通常也较小。除上述地区外其余全部属于该类型；这些地区植被覆盖率通常较低，同时国土面积也较小。

生态用水量包含了水体蓄水量、生态需水量与生产生活用水量等，影响因素较多，因此，各县(市)生态用水之间具有一定连续性(图4)。类型3中包含的一些地区如唐河、新野、信阳市区、淮滨、息县等与类型1较接近；洛阳市区、南乐、获嘉、鄢陵、襄城、漯河市区、临颍等与类型2较接近。可见，对生态用水、生态需水定额[12]等指标，采用排序方法比聚类方法更能说明其实际情况。

4 结论与讨论

1) 河南省平均生态用水量 82 488.08 万m3，但空间变异较大，山区一般大于平原地区；随经度与纬度的升高而减小，南部与西部的较大，东北部与中部的较小。平均生态用水密度为59.10×104m3/km2，变异系数为38.01%；义马市生态用水总量最小,但密度最大。在进行用水规划时，应考虑区域分异、用水密度等因素。

2) 河南省生态用水主要由生态需水量与水体蓄水量决定，大部分地区主要取决于生态需水量，但在部分水域面积较大的地区，水体蓄水量所占比例较大；全省生态用水大致可分为3个类型，分别是用水量较大但用水密度较小、用水量较小但用水密度较大、用水量与用水密度均较小。

3) 不同区域的生态用水量、分项组成等均可能不同；对于河南省的生态用水，区域用水总量、用水密度、分项组成等均有差异，可通过GIS工具、排序或聚类等方法进行空间分析，寻找其变异趋势，从而为水资源规划等提供依据与参考。但在分析时，应注意各种影响因素导致测算结果在空间上的连续性，这在受气象条件等空间连续因素影响较大的生态用水、用水定额等指标中表现较为明显[12]。

4) 对于生态需水与生态用水虽然研究很多[1-3]，但由于在概念及其内涵使用上有一定差异，其结果往往难以相互比较[2]。笔者认为，应区别需水与用水的概念，将前者限定于自然生态系统运行与维持所需要的水量，后者还应包括生产与生活用水[4]；生态用水是进行水资源平衡测算、规划、调度等的基础。未来研究应厘清生态用水的分项组成，测算区域生态用水量，并与水资源供给等进行结合研究。

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(责任编辑 张 坤)

Spatial Variation of Ecological Water Utilization in Henan Province

SHI Meng-meng, XUE Xing-yan, WU Ming-zuo, HE Rui-zhen, GE Ya-chao

(College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou Henan 450002, China)

Based on meteorological data, land utilization, statistic data of industrial and agricultural production, by using the method of water quota and the Penman model, this paper calculated the ecological water amount and its component of Henan Province, and then analyzed its spatial variation by GIS. The result showed that, the average ecological water amount was 82 488.08×104m3, but the coefficient of variation was high. A larger value appeared in the Southern and Western mountainous region. The average ecological water density was 59.10×104m3/km2, and coefficient of variation was smaller. The ecological water amount was mainly composed of ecological demanded water and water body storage, which relative to land utilization, meteorological condition, vegetation statue and regional area. The cluster analysis result indicated that ecological water of Henan Province could be divided into 3 regions, which were higher amount with lower density, lower amount with higher density, and lower amount with lower density, respectively.

ecological water; spatial variation; ecological water demanded; GIS; Henan Province

2014-06-11

国家科技部重大专项(2008ZX07526-002-03)资助；淮河水利委员会“淮河流域水土保持生态修复机理和评价指标体系研究”项目资助。

吴明作(1965—)，男，博士，副教授。研究方向：生态过程监测与功能评价。Email: wumingzuo@hotmail.com。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.06.008

S715.5

A

2095-1914(2014)06-0049-06

第1作者：石蒙蒙(1990—)，女，硕士生。研究方向：生态系统结构与功能研究。Email: 757371216@qq.com。