九龙江流域生态需水量时空变化趋势分析

彭 莹, 李世曙, 李 磊

(1.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 南京210098; 2.中水珠江规划勘测设计有限公司, 广州 510630)

生态环境需水量(ecological water demand)，指维护生态环境功能所需水量。国外对生态需水的研究较早，20世纪40年代开始，美国对河流生态蓄水进行研究，主要考虑河道基本形态和典型鱼类等水生生物对流量的需求，并提出了最小流量与最佳流量等概念[1-2]。国内外许多研究者对生态需水量的理解和定义存在差异，Gleick等[3]提出了维持和保护自然生态系统所需的最小水量为基本生态需水量，我国对生态环境需水量的研究一开始着重于河流生态环境需水量，指维系水生生态系统所需水量，包括河流、湖泊、湿地、河口等水生态系统，逐渐将研究从河道扩展到流域范围[4-7]，特别是生态系统脆弱的干旱和半干旱地区。按照需水空间，可将生态环境需水量分为河道内生态需水量和河道外生态需水量。河流生态系统的良性循环对于促进流域生态系统健康具有重要作用[8-9]。河道外生态需水量包括植被生态系统、农业生态系统、城市生态系统等，其中植被是其他陆地生态系统研究的基础，对遏制河道断流、防止流域生态环境退化有重要意义[10]。从单一的水文学到水文—生态—气象—环境等多学科相融合，从河流生态需水量到区域生态需水量，相关研究正逐步深入[11]。

河道内生态需水量常用的方法有水文学法、水力学法、栖息地法和系统分析法4类[12-13]；其中水文学法如Tennant法、Q90法等，简洁可行，被广泛应用[14-15]。植被生态需水量的确定常用面积定额法、潜水蒸发法、改进后的彭曼公式法等[7,16]。如吕明权等[17]计算了不同土地利用和土地覆盖情景下东北沟流域植被生态需水量并评估其对产流的影响；李肖杨等[5]在新疆孔雀河流域分别采用Tennant法和90%保证率法确定生态基流、采用潜水蒸发法和定额法确定天然植被需水量，对流域生态输水工程提供科学调控依据；陈丽华等[18]采用生态用水定额法，确定不同类型林木的植被系数，计算北京市生态用水总量；闵庆文等[19]根据土壤水分有效性划分，分别确定林地最小生态需水定额和适宜生态需水定额。南方湿润地区虽总体水资源丰富，但生态需水与人类生产生活活动用水之间存在竞争性，导致局部地区出现生态需水无法满足的情况。符静[20]计算了湖南省农作物与林地的生态需水量，认为两者之间存在竞争关系，林地对地表产流、水土保持、涵养水源、调节气候等有积极作用，但农作物具有社会经济价值，需要进行权衡。另外水污染也是南方水生态环境问题之一。

由于某一确定流域尺度大、土地利用覆盖类型复杂、土壤质地分布不均、气象条件空间差异大，增加了流域内的植被需水量定量计算的难度。魏华[21]指出通过理论公式计算植被需水定额的方法在土壤动态监测手段及气象数据的获得方法还存在一定的局限性。而随着遥感与GIS技术的发展，对土地利用及地表覆盖类型的识别越来越快速和精确，基于遥感卫星数据开发的地表蒸散发的产品也越来越多，对于传统利用气象数据或土壤数据，确定生态需水定额的方法，在反映空间上生态需水的分异规律具有突出优势。王芳等[6]基于RS/GIS技术建立了水资源分区和生态分区的对应关系，借助流域水量平衡原理计算了流域生态需水量；宫兆宁等[22]利用Landsat影像反演湿地下垫面物候特征，准确获取研究区内土地利用/覆被的动态变化信息，并利用SEBAL模型反演并扩展了湿地蒸散发量，提高了生态需水量估算的准确性和实用性。

NASA提供有基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)遥感数据开发的MOD16地表蒸散发产品和MCD12土地利用类型产品，该产品被水文气象等相关研究领域广泛使用，众多研究者在全球很多地区对其进行过精度验证，具有一定可靠性[23]。本研究应用水文学法对流域河道内生态需水量进行估算，利用MODIS传感器数据开发的遥感产品，结合GIS技术，应用面积定额法，对区域植被生态需水量进行计算，分别分析河道内生态需水量和植被生态需水量的时空变化特征，使得区域生态需水量随气象因子的空间异质性和土地利用类型的变化而变化的部分得以体现，对区域生态需水量的可视化作业也能更直观地展示不同地区生态环境面临的问题和生态服务功能，为实现流域水资源优化配置和合理规划调度提供科学依据，为决策层提供决策依据，实现经济社会高质量可持续发展。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

九龙江为福建省第二大河流，是独流入海河流，流经龙岩、漳州、厦门三市，由北溪、西溪、南溪三条主要河流组成，干支流总长1 923 km，流域面积14 741 km2，本研究未包括南溪流域(其面积660 km2，占九龙江流域面积的4.5%)。九龙江流域完全位于福建省境内，靠近北回归线，属亚热带季风气候，区域年均气温在20℃左右，全年日照充足，无霜期长，森林覆盖率高达78%，自然地理环境复杂。主要土壤类型为水稻土、赤红壤、石质土等。流域植被覆盖率高，有超过1 000种亚热带植物，其中有十多种稀珍植物如桫椤、建柏、宿轴木兰等已列作国家或省级保护对象。九龙江河口是全国生态功能区划的水源涵养三级功能区、东南沿海红树林生物多样性保护功能区，其生态服务功能重要。流域属于四级水资源分区，有大量可利用水资源，是闽西南重要水源。近年来，由于人口增加以及农业和城镇扩张、水电水利设施建设、生物资源过度开发等原因，流域内部分河流河道出现减水甚至断流，水土流失严重，自然生境遭到破坏，生物多样性受到威胁。在进行水量合理分配，完善水资源管理制度，实现高效水资源配置的同时，须防止对生态环境造成破坏。

1.2 数据来源

九龙江流域内北溪的浦南水文站和西溪的郑店水文站的逐月径流数据通过水文年鉴查得，站点位置和各自控制的集水区范围见图1；土壤类型来源于中国1∶100万土壤质地空间分布数据(http:∥www.resdc.cn)；MODIS是搭载在Terra和Aqua两颗卫星上的中分辨率成像光谱仪，主要用于地面观测，数据由美国航空航天局发布(https:∥earthdata.nasa.gov/)，本文选取了Collection 6提供的蒸散发产品MOD16A2，空间分辨率为500 m，时间分辨率为8 d，以及土地利用类型产品MCD12Q1，空间分辨率为500 m，时间分辨率为1 a，格式为HDF-EOS，投影类型为正弦投影。以上数据均选择2000—2018年时段。

图1 流域高程及范围、水文站点位置及集水区范围

2 研究方法

《水资源规划规范》(GB/T51051-2014)指出要对河道外与河道内生态需水量协调平衡分析。本研究的生态需水量计算分为河道内生态需水量与植被生态需水量两部分。河道内最小生态环境需水量指河流应维持河道基本形态、纳污能力等需要的最小水量；植被生态需水量与土壤含水量变化有关，很多研究认为，暂时凋萎含水量和生长阻滞含水量分别是能保证林草地基本生存和正常生长时土壤含水量的下限，能维持植被基本生存时所必须消耗的水量被称为植被最小生态需水量，保证植被正常生长所必须的水量被称为适宜生态需水量，本研究讨论植被最小生态需水量。

2.1 河道内生态需水量

Tennant法通过建立流量与河流生态环境状况之间的经验性关系，进而确定年内各月的生态环境需水量[1]。计算公式如下：

(1)

2.2 植被生态需水量

生态二级分区与水资源分区的空间对应关系可以反映水资源开发利用对生态的影响范围[6]。因此本文参考土地覆盖/利用类型分类，将九龙江流域植被分为有林地、疏林地、草地、农田4类。

面积定额法是根据某一区域某一类型植被单位面积的需水定额乘以其种植面积计算，使用于基础工作较好的地区与植被类型，多用于防风固沙、人工绿洲等生态需水量计算，公式如下：

W=∑Wi=∑Ai·ETi

(2)

式中:W为植被生态需水量(m3);Wi为第i类植被的生态需水量(m3);Ai为第i类植被的面积(m2);ETi为第i类植被的生态需水量(m3/m2)。

植被的生态需水量主要受气候条件、土壤水分含量以及植被种类3大因素的影响，关键是确定不同类型植被在非充分供水条件下的需水定额。植被生态需水定额可由下式计算：

ETq=ET0·Kc·Ks

(3)

式中:ETq为植被生态需水定额;ET0为植被潜在蒸散发量(mm);Kc为植被系数,与植被类型和生长状态有关,综合相关研究[24],本文有林地、疏林地、草地、农田植被系数Kc取值分别为1,0.73,0.26,1.03;Ks为土壤水分系数,与土壤质地和土壤含水量有关。

当土壤水分供应不充足时，土壤水分含量是植被实际蒸散量的主要限制因素，本文计算植被最小生态需水量，参考已有的研究成果[24]，本文中对应的粗砂土、砂壤土、砂黏土、粉黏土、粉土的土壤水分系数分别取0.548 4，0.556 4，0.522 1，0.538 7，0.536 5。

Mann-Kendall检验(简称M-K检验)是随机序列趋势分析的常用方法，本文选择该方法对植被生态需水量时间变化趋势的显著性进行分析，取置信度为95%，当p参数值小于0.05时，认为变化显著，否则不显著。

3 结果与分析

3.1 河道内生态需水量时间变化分析

根据九龙江流域的生态环境状况以及 2000—2018年实测径流资料，采用上述Tennant法，估算最小生态需水量。控制断面分别选取北溪上的浦南水文站所在断面、西溪上接近汇入口的郑店水文站所在断面，根据天然径流量计算出生态需水量，并以水文比拟法获得西溪、北溪下游衔接断面生态需水量。表1列出了北溪和西溪逐月生态需水量，可以看出两条河流总需水量分别为22.68亿m3，10.67亿m3，均在4—9月汛期需水量大，分别为占总需水量的89%，88%。

表1 九龙江生态需水量计算结果 亿m3

图2展示了河流生态需水量的年际变化，北溪和西溪生态需水量波动规律相近，在2000—2018年河流年均生态需水量呈下降趋势，变化速率分别为-0.075亿m3/a，-0.108亿m3/a，经M-K趋势显著性检验，发现两条河流的生态需水量下降趋势均不显著。

图2 九龙江河流生态需水量年际变化趋势(2000-2018年)

3.2 植被生态需水量时空变化趋势分析

(1) 土地覆盖/利用类型面积的时间变化特征。利用MCD12Q1产品统计了研究区域内有林地、疏林地、草地、农田、城市和建设用地、水体、其他等土地覆盖类型2000—2018年的面积，其中有林地、疏林地、草地、农田多年平均面积约为5 525 km2，4 761 km2，3 659 km2，1 069 km2，各土地类型面积19年间的变化趋势见图3，可以发现草地面积呈下降趋势，2005年以后，有林地和疏林地面积分别呈现明显上升和下降趋势，农田和城市以及建设用地均呈现上升趋势，农田从2000年的975 km2上升至2018年的1 330 km2，增加36.4%，城市和建设用地从926 km2上升至1 115 km2，增加20.5%。可以看出在受人类活动影响较大的地区，土地覆盖/利用类型年际变化剧烈，基于某一基准年的土地覆盖/利用类型情况进行植被的生态需水量估算和预测的方法有待改进。

图3 九龙江流域2000-2018年不同土地覆盖/ 利用类型面积时间变化

(2) 植被生态需水量的时间变化特征。统计分析有林地、疏林地、草地、农田4类土地覆盖/利用类型的多年月平均需水定额，结果见表2，4种类型的生态需水定额年份分布均存在明显季节性，4—10月高，11月至翌年3月低，最高值均出现在7月，最低值出现在12月或1月，与该地区植被生长的物候规律基本一致。总体来看，生态需水定额有林地>农田>疏林地>草地。

表2 不同土地覆盖/利用类型各月平均生态需水定额 mm

研究区4种土地覆盖/利用类型生态需水量2000—2018年的年际变化见图4，线性回归拟合的结果可以看出有林地和草地生态需水量呈上升趋势，上升速率分别为0.45亿m3/a和0.31亿m3/a，疏林地和农田呈下降趋势，下降速率为0.3亿m3/a和0.03亿m3/a。对4类生态需水量和植被整体生态需水量进行M-K时间变化趋势检验，检验的特征值见表3，可以发现当置信度取95%时，有林地、草地均呈显著上升趋势，疏林地呈显著下降趋势，而农田呈下降趋势，但不显著。

表3 不同土地覆盖/利用类型年生态需水量显著性检验特征值

图4 4种土地覆盖/利用类型生态需水量年际变化(2000-2018)

(3) 植被生态需水量的空间分布特征。根据土地覆盖/利用类型面积及其对应生态需水定额，统计得到有林地、灌丛、草地旱地和水田生态需水量的结果见表4。有林地的多年平均生态需水定额为905.71 mm，疏林地、农田多年平均生态需水定额分别为692.48 mm，854.26 mm，草地多年平均生态需水定额最小，为358.7 mm；流域内有林地面积最大，为5 525.56 km2，农田最小，为1 068.98 km2；有林地的多年平均生态需水量最高，为50.05亿 m3；疏林地、草地多年平均生态需水量分别为32.97亿 m3，13.12亿 m3，农田的多年平均生态需水量最小，为9.13亿 m3。

植被多年平均生态需水定额的空间分布见见图5，结合图1流域高程图，沿海地区高程低，生态需水定额高，中北部由南至北分别是博平岭、玳瑁山、武夷山脉，盆地和山谷地区的生态需水定额高于山脊地区。研究区域内生态需水定额范围为1 291～2 045 mm，整体看来，东南部沿海地区植被生态需水定额比内陆地区高，东南沿海地区即厦门市辖区及周边由于高度城市化以及河口湿地等水体分布较多，社会经济生活用水量及河道内生态需水量均较内陆地区多，因此东部沿海地区存在植被生态需水与经济社会需水的矛盾较为突出。

表4 不同土地覆盖/利用类型多年平均面积及生态需水量 亿m3

图5 植被多年平均生态需水定额分布

4 讨 论

本文对2000—2018年流域的河道内和河道外的生态需水量进行定量分析，发现前者整体呈不显著上升趋势，后者整体呈不显著下降趋势。福建省从20世纪80年代以来，在经济高速发展的同时，实施各类植树造林工程和水土流失治理工程等大量生态工程，经济生产生活用水和生态需水量呈现同步增加的态势。根据《厦门市水资源公报》2001—2018年九龙江流域平均地表水资源量为140.5亿m3，整体呈现不显著上升趋势，地表水资源量年际差异较大，在地表水资源量少的枯水年份，植被生态需水量更大，在某些年份会出现生态需水缺口，需要施行人工灌溉、节水等工程和非工程措施。

河道生态需水量的计算，须从生态保护对象的角度出发，主要包括河湖基本形态、基本栖息地、基本自净能力等基本生态保护对象，以及保护要求明确的重要生态敏感区、水生生物多样性、输沙、河口压咸等特殊生态保护对象。本文仅考虑了基本生态保护对象，获得生态流量为生态基流，该水量仅在短期内遏制河道生态系统的恶化态势，维持现状水平年的现状，为关键性物种如鱼类提供最小生存空间，不考虑生态系统的恢复和改善，无法使生态系统达到健康状态。

植被生态需水量的时空分布受两个方面的影响：(1) 土地覆盖/利用类型的动态变化，人类活动起主导作用，如城市扩张、农业用地增加、植树造林带来的森林面积增大等综合因素使得土地覆盖/利用类型的年际变化剧烈，因此为了保护局部地区生态系统的脆弱植被[25]，决策者需根据局部的用地变化调整水资源分配；(2) 植被潜在蒸散量的变化，植被的蒸散能力受气象条件变化的影响，全球很多地区正呈现气温上升、太阳辐射减少、风速减缓等现象，这些因素对特定地区蒸散发量的综合影响需进一步确定。本研究还有以下几个方面有待改进：本文中对于直接采纳了MCD12Q1的土地覆盖/利用分类，且空间分辨率为500 m，每年一副，由于农作物和林地不同生长时期的蒸散发量不同，采用同一个植被系数进行计算造成误差，未来可以利用Landsat TM/OLI等遥感影像，进行土地覆盖/利用类型提取，获得时空分辨率更高的地物分类产品，采用动态植被系数Kc；另外，对植被生态需水量进行时间变化趋势检验，但未对造成变化的影响因素进行分析，未来可就植被生态需水量对气候变化等因素的敏感性、气候变化和人类活动对植被生态需水量的影响等方面展开深入研究。

5 结 论

(1) 根据Tennant法计算河道内生态需水量，九龙江流域北溪段河道内多年平均生态需水量为22.68亿 m3，呈不显著下降趋势，下降速率为0.07亿 m3/a；西溪段河道多年平均生态需水量为10.67亿 m3，呈不显著下降趋势，下降速率为0.11亿 m3/a；

(2) 植被多年平均生态需水量为105.27亿m3，总体呈现上升趋势，上升速率为0.43亿m3/a，但上升趋势不显著；其中有林地和草地均呈上升趋势，上升速率为0.45亿m3/a和0.31亿m3/a，均通过95%的显著性检验，上升趋势显著；疏林地和农田呈下降趋势，下降速率为0.3亿m3/a和0.03亿m3/a，疏林地的下降趋势通过95%的显著性检验，下降趋势显著，而农田未通过检验，下降趋势不显著。符静[20]对于同为湿润地区的湖南省的植被生态需水量变化进行研究，发现该研究区域内植被生态需水量整体下降不显著，在2004年后，由下降趋势转为上升趋势，与本研究结果近似。

(3) 河道内生态需水量的年内分配与径流量规律一致，植被生态需水量的年内分配与植被的生长物候规律一致。从区域整体上来看，汛期(4—9月)的生态需水量有多大，枯水季(10月至次年3月)的生态需水量小。