流域生态用水研究

马广军，卢宏玮，侯保俊，张松涛，刘 佳，刘 磊

(1.华北电力大学可再生能源学院，北京 102206；2.山西省水资源管理中心，山西 太原 030001)

流域生态用水是指维持流域内各生态系统的结构，功能及生态过程的用水量[1]。近年来，人口增加、工业发展、环境污染等原因，导致水资源短缺，人与环境的矛盾急剧恶化。因此，为了防止流域生态环境恶化，保证生态系统平稳运行，在进行水资源配置时，生态用水应作为非常重要的一环予以考虑[2- 3]。

生态用水研究作为水环境领域重要的一个分支，受到了学者们的广泛关注。汤奇成在1989、1995年研究西北干旱问题时首先对生态用水的内涵做出了界定，提出保证塔里木盆地绿洲存在与发展的那部分水为生态用水[4- 5]。苗鸿等则对国内外生态用水的计算方法进行了研究，比较了他们的优缺点和适用范围[6]。廖四辉，鲍达明，李云开等人分别对淮河流域、白洋淀湿地和永定河流域生态用水进行分析和核算[7- 9]。

滹沱河作为山西省境内重要河流，近年来由于人类活动，境内生态环境急剧恶化。文章以2006～2015年流域水文气象数据为基础，通过计算流域当前生态用水量以期为当地水资源合理规划利用提供决策意见。

1 区域概况

滹沱河是海河流域子牙河水系两大支流之一，发源于山西省繁峙县，滹沱河地处东亚温带气候区，特点是春季少雨干旱多风沙；夏季炎热，暴雨集中；秋季温和晴朗；冬季寒冷干燥，年平均气温为4.0～8.8℃[10- 11]。干流全长605km，流域总面积25168km2，其中山西境内流域面积18856km2，多年平均天然径流量9.8亿m3，流域人口369.98万人，灌溉面积1474km2，流域DEM及水文站分布如图1所示。

图1 滹沱河流域DEM及水文站分布

2 研究内容及数据来源

2.1 研究内容

文章按生态系统类型对滹沱河流域生态用水进行核算。流域内生态系统主要包括植被、河流、湿地、城市四个部分，各类型生态用水类型见表1[12]。将各部分生态系统生态用水量分别进行核算并累加，即为流域生态用水量。

表1 各生态系统生态用水类型

2.2 数据来源

数据包括水文、气象、DEM数据。其中径流、蒸发、降水等数据来源于山西省水资源管理中心提供的流域境内重要站点济胜桥水文站2006～2015年逐月实测数据，如图2所示，流域DEM取自地理空间数据云GDEMDEM 30M分辨率数字高程模型数据。流域内水库数据来源于山西省水利厅2013年编写的《山西省水利统计年鉴》。

图2 济胜桥水文站2006～2015年逐月径流及降水量

3 结果分析

3.1 植被生态用水

滹沱河流域天然植被包括常绿针叶林、落叶阔叶林、针阔混交林、灌木、草原等5种类型，植被面积总计1.276万km2。各类生态系统类型和面积见表2，植被分布如图3所示。

植物的蒸散发量变化明显的时期取决于其生长的季节，对于滹沱河流域，4～10月太阳辐射较强，适合植物生长，因此对这一时间段的蒸散发量予以计算即计为植被生态用水量。蒸散发量在年内的动态变化见表3，可以看出，流域植被生态水量约1.49×108m3。

表2 滹沱河流域植被生态系统类型、面积表

图3 滹沱河流域生态植被类型分布

植被面积/km2月蒸散发量/(108m3)蒸散发量/(108m3)4月5月6月7月8月9月10月1827.81-0.110.130.480.390.260.121.49

3.2 河流生态用水

滹沱河流域内各主要支流及生态现状见表4。

河流生态用水量分为三部分，包括河道基础流量、蒸发量、渗漏量。河道基础流量根据7Q10法和Tennant法分别进行计算，7Q10法算出河道基础流量为0.69×108m3，Tennant法算出河道基础流量为0.98×108m3。取两者计算结果中的较大值作为河道基础流量，即0.98×108m3。

表4 滹沱河流域各主要支流及生态现状

蒸发量利用水面蒸发公式，渗漏量取渗漏率为0.15，计算结果见表5，河流生态用水量为3.68×108m3。

3.3 湿地生态用水

由图3可以看出，滹沱河流域天然湿地几乎消失殆尽，因此这一部分生态用水可忽略不计，不再计算。流域湿地生态用水只考虑水库用水，流域内水库基本数据见表6。

表6 滹沱河流域主要水库指标数据

水库的生态用水只考虑其蒸发量与渗漏量。蒸发量取流域多年平均值，渗漏率取0.15，计算可得水库蒸发量为1.07×108m3，渗漏量为0.38×108m3，湿地生态用水量为1.45×108m3。

3.4 城市生态用水

滹沱河在山西境内主要流经忻州市，对忻州的经济发展和社会稳定方面起着显著的作用。在经济发展过程中，城市生态用水在水资源分配中应该得以考虑，以保障经济社会的和谐发展。忻州市2015年经济社会指标见表7，城市生态用水总量为0.08×108m3。

表7 忻州市2015年经济社会指标

3.5 生态用水预测

根据制定的滹沱河流域生态恢复目标，计算各生态系统未来的生态用水量，对2020年和2030年生态用水量进行简单的预测计算，计算结果如图4所示。

图4 滹沱河流域各生态系统当前及预测生态用水量

3.5.1 河流生态用水预测

根据滹沱河流域生态恢复目标，2020年植被恢复和水土保持，计划新增水面面积445km2，2030年结合湿地补水，再恢复面积578km2。经计算，2020年新增蒸发量为0.69×108m3，渗漏水量为0.2×108m3；2030年再增河道蒸发量为0.48×108m3，渗漏水量为0.16×108m3，河道基础流量保持不变。因此2020年、2030年河流生态用水总量分别为4.57×108m3，5.21×108m3。

3.5.2 湿地生态用水预测

滹沱河流域天然湿地恢复目标是2020年恢复湿地面积471km2；到2030年再恢复湿地面积559km2，使恢复湿地总面积达到1030km2。而水库建设目标是2020年增加库容0.34×108m3，2030年再增加库容0.14×108m3。根据目标年湿地恢复面积核算湿地蒸发与渗漏生态用水量。2020年新增湿地蒸发量为0.15×108m3，渗漏水量为0.04×108m3；2030年再增蒸发量为0.23×108m3，渗漏水量为0.06×108m3。因此滹沱河流域天然湿地2020年、2030年生态用水总量分别为0.19×108m3，0.48×108m3。而2020年新增的水库蒸发与渗漏水量分别为0.36×108m3和0.06×108m3，2030年再增的水库蒸发与渗漏水量分别为0.20×108m3和0.03×108m3。因此滹沱河流域湿地生态系统2020年、2030年生态用水总量分别为0.42×108m3，0.65亿m3。计算得到2020年、2030年滹沱河流域湿地生态用水总量分别为2.06×108m3和2.58×108m3。

3.5.3 城市生态用水预测

根据忻州市城市发展规划，城市生态用水量分别比当前增加50%和112.5%，2020年、2030年城市生态用水总量分别为：0.12×108m3和0.17×108m3。

4 结语

(1)文章利用水文气象数据，按照滹沱河流域内植被、河流、湿地、城市四个生态系统类型，分别核算了各个部分的生态用水量。

(2)各部分生态用水量结果：植被生态用水量为1.49×108m3；河流生态用水3.68×108m3；

湿地生态用水为1.45×108m3；城市生态用水量0.08×108m3。

(3)生态用水预测表明：2020年、2030年河流生态用水量分别为4.57×108m3，5.21×108m3；湿地生态用水量分别为2.06×108m3，2.58×108m3；城市生态用水量分别为0.12×108m3，0.17×108m3。流域生态用水总量将达到8.24×108m3和9.45×108m3，比当前生态用水量增加了23%和41%。

(4)随着未来生态用水量的增加，水资源短缺问题愈加严重，决策部门亟需采取措施对水资源进行合理配置以保障生态用水。

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