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植被生態需水計算方法

發布時間:2024-05-06 23:23:51

1. 關於生態及環境需水的概念

目前,對生態環境需水的概念尚無統一的定義,有些定義為生態需水,有些定義為環境需(用)水,有些定義為生態環境(需)用水,有些將生態需水與環境需水進行區分。文獻[2]對此作了如下闡述:

Covich認為,生態需水就是保證恢復和維持生態系統健康發展所需的水量。Peter H Gleick提出了基本生態需水(basic ecological water requirement)的概念,即提供一定質量和一定數量的水給天然生境,以求最大程度地改變天然生態系統的過程,並保護物種多樣性和生態整合性;同時應該考慮氣候、季節變化等因素對生態需水的影響,認為基本生態需水應是在一定范圍內可以變動的值,而不是一個固定的值。

楊振環、崔宗培、徐乾清等將環境用水的概念定義為:「改善水質、協調生態和美化環境的用水」。湯奇成界定了乾旱區的生態環境用水量概念,認為生態環境用水,一是指對一些重要(對綠洲經濟的持續發展和對周圍生態環境起重要作用)的湖泊進行補水,不主張對乾旱區所有萎縮和乾涸的湖泊進行補水,如羅布泊、台特馬湖等;二是人工造林及人工草場的用水量,以土地沙漠化的面積不再擴大為原則。賈寶全等認為,生態用水就是環境用水或生態環境用水,並給出了乾旱區生態用水的粗略概念:在乾旱區內,凡是對綠洲景觀的生存與發展及環境質量維護與改善起支撐作用的系統所消耗的水分,稱之為生態用水。謝新民等認為:所謂生態需水量是指為解決生態問題(如保護湖泊、濕地、水生生物、生態防護等)所需要的水量。劉昌明根據水資源開發利用與生態用水的關系,提出了「四大平衡」的原理,即水分能量平衡、水鹽平衡、水沙平衡與水量平衡(含水資源供需平衡)。錢正英等認為;「從廣義上講,維持全球生物地理生態系統水分平衡所需要的水,包括水熱平衡、生物平衡、水沙平衡、水鹽平衡等所需要的水都是生態環境用水」,「狹義的生態環境用水是指為維護生態環境不再惡化並逐漸改善所需要消耗的水資源總量」,其狹義概念的實質是生態環境建設用水。根據狹義觀點,錢正英等從保護和恢復內陸河下游的天然植被及生態環境、水土保持和水保范圍之外的林草植被建設、維持河流水沙平衡及濕地水域等生態環境的基流、回補黃淮海平原及其他地方的超采地下水等方面,估算了全國的生態用水,認為全國的生態用水低限應為800×108~1000×108m3

綜上所述,應該看到,生態需水和環境需水是有區別的:

(1)環境需水是指為保護和改善人類居住環境及其水環境所需要的水量。主要有下列幾個方面:①改善用水水質。對於河流,應保證枯水期的最小流量,使其保證河流最基本的環境功能,達到一定的污徑比,以改善水質。對於湖泊,主要是加強受污染水體的水量交換,提高水體自凈能力和降低單位容積的納污量,以達到湖泊功能要求和水質標准。②協調生態環境。為維持水沙平衡、水鹽平衡及維護河口地區生態環境,需要保持一定的下瀉水量或入海水量。③回補地下水。為遏制超采地下水所引起的地質環境問題,需要一定的回灌用水。④美化環境。主要指城市凈化、綠化及公園湖泊等用水。

(2)生態需水是指維持生態系統中具有生命的生物物體水分平衡所需要的水量。主要有下列幾個方面:①維護天然植被所需要的水量,如森林、草地、濕地、荒漠植被等;②水土保持及水保范圍之外的林草植被建設所需要的水量,如綠洲、生態防護林等;③保護水生生物所需要的水量,如維持湖泊、河流中魚類、浮游植物等生存的用水。

文獻[3]主張「生態用水」概念,並定義為「在一定區域,支撐生態系統完整性所需用的水量」,同時指出,在操作時應根據研究區具體情況,劃分生態系統類型,進而劃分生態用水類型與范圍,針對每一生態用水計算區進行計算,再匯總。顯然,這里的完整性包含了環境的含義在內。文獻中列舉了生態用水計算模型和生態用水定額的確定方法,描述了生態用水量與水資源量的關系以及水資源配置中如何考慮生態水的建議。

筆者認為,「環境」與「生態」有交互重疊的部分,但只用「生態需(用)水」或只用「環境需(用)水」都難以完全涵蓋用以自然生態系統中的水需用量。因此,採用「生態環境需水量」一詞較為貼切。

2. 流域的生態環境需水量計算

生態需水與環境需水雖相互聯系,但有不同,前者偏重於自然方面,後者側重污染與水環境容量[1]。流域生態環境需水量主要分為河道內需水與河道外需水兩大部分。

(1)河道內的生態用水可從河流功能的各方面來分項計算。包括:

——河道基流。根據多年最小徑流Rmin與多年平均最小月徑流Rmin,a,確定求取Rmin/Rmin,av=α,在只有多年月系列的情況下,河道生態最小基流量用a確定。

——沖沙水量(Rsid)。從河流多年流量與泥沙系列中選擇實測大斷面與相應的流量、泥沙進行定量。

——河道環境需水量。主要是保持河流水環境容量的需水量,可參照以下方法計算:①Tennant法;②月流量保證率設定計算;③100%保證率最小月流量等方法。

——與河流相連接的湖泊、濕地的生態需水量。前者用設定水位來計算,後者由濕地水量平衡來確定。

——河流生物需水量。綜合考慮水量與水質。簡單的方法採用歷史資料鑒別。

——城市生態環境需水量。主要是綠化植被的需水量。面積按城市規劃計算。

(2)河道外的生態用水。從河道引出的水量,主要是生活與生產用水,過去並未專門提供生態用水的計算,但是河流中的水量來自河道外的流域面積。流域內的土地覆蓋與土地利用實際要影響匯入河道中的水量。主要是綠化——林草、農田及水土保持(含少量的雨水利用)需用(耗)的水量,可按生態環境保護的規劃(規劃部門提供)分別在計算河道內、外各種生態系統環境需水的基礎上進行匯總。

文獻[4]綜合不同學者的觀點,認為生態需水量是生態系統中客觀存在的水量,是水資源的一部分,它是一個時間變數,隨生態系統的發展而動態變化;生態用水量具有一定的目標性,它是一個空間變數,根據不同需求,可將生態用水量劃分為最大、最小和適宜生態用水量。文中闡述了生態需水量估算的理論基礎和方法,並指出:對於流域而言,生態需水的計算分河道內和河道外。河道外的生態需水量應首次選定天然植被並進行本底分區,然後由區域天然植被生長的年降水量、氣溫及熱量平衡資料結合區域水量平衡算出植被的需水量(文獻[1]中也引用了國外Baird等的不同植被蒸騰量的確定與估算)。河道內按不同生態功能計算需水量。二者之和扣除重復才是整個流域的生態需水量。

王西琴等認為[2],根據人類對水資源的利用和影響程度,可以將地表水資源利用劃分為4個階段:①未被人類利用階段;②合理利用階段;③極限利用階段;④過度利用階段。由此分析得出:①雖然地表水能被人類利用,但是有一個限度。國際上認為,地表水合理的開發利用率應為25%。考慮到我國北方地區水資源短缺的實際情況,其合理利用率為40%。只有低於合理的利用率,才能保證河流系統的穩定和平衡。②河道內必須留有足夠的水量,以保證水體固有的生態和環境功能。③人類不能無節制地利用水資源和追求河道水體的功利性功能,而必須重視生態系統本身所需要的水,以保證水資源的良性循環,達到水資源的持續利用。

河流的功能有兩個方面。一是功利性功能,如為生產、生活提供用水,為航運、水上娛樂、養殖等提供水域,對水力發電提供能源等;二是生態環境功能,如為水生生物提供生存環境,對污染物的稀釋自凈作用,保證河口地區生態系統穩定,以及輸沙排鹽、濕潤空氣、補充土壤含水等功能。根據上述分析,河道環境需水是指為保護和改善河流水體水質、為維持河流水沙平衡、水鹽平衡及維持河口地區生態環境平衡所需要的水量。可以概括為河道基本環境需水、輸沙需水及入海需水。三者之間有重合部分,其中基本環境需水包含於輸沙需水和入海需水之中,輸沙需水和入海需水既有重合部分,又有包含與被包含的關系,其主要決定於河流的主導功能。河道最小環境需水量是指為維系和保護河流的最基本環境功能不受破壞所必須在河道內保留的最小水量的閾值。河道生態需水是指維持水生生物正常生長及保護特殊生物和珍稀物種生存所需要的水量。如果以水資源開發利用階段衡量,其相當於水資源利用的第二階段河道內留有的水量。河道最小生態需水是指維系和保護河流的最基本生態功能不受破壞所必須在河道內保留的最小水量的閾值。如果以水資源開發利用階段衡量,其相當於水資源利用的第三階段河道內留有的水量。

事實上,生態、環境需水隨著生態環境保護目標的不同而發生相應的變化。對生態環境功能的要求越高,則相應的生態需水量也越多,反之亦然。因此,生態(環境)需水不是一個定值。而最小生態(環境)需水是保證生態系統平衡所必須具有的最低閾值。因此,在一定階段,如果對生態環境功能的要求不變,則最小生態(環境)需水應是一個定值。

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