流域生態需水概念及估算方法評述

施文軍 凌紅波

（1. 新疆水利廳瑪納斯河流域管理處 新疆石河子 832000；2. 中國科學院新疆生態與地理研究所 新疆烏魯木齊 830011）

1 引言

生態需水是當前生態學、水文學、環境學等領域的研究熱點，凡是涉及與水資源過程相關的生態系統保育和人類活動影響下的生態系統修復以及生態脆弱區水資源的開發利用等問題，都不可避免的要回答有關生態需水的問題。對于干旱區而言，水資源是發展區域經濟的主要限制因素，也是保護生態環境的關鍵?，F階段人類對水資源利用呈現出掠奪式開發，生產、生活用水和生態需水矛盾日益激化。因此，流域生態需水量化是合理配置水資源，實現水資源可持續利用的基礎。

國內外學者對生態需水理論和方法進行了大量的研究和探索。國外生態需水的研究始于20世紀70年代，關注的焦點主要是河流和濕地生態系統。國內生態需水研究從20世紀90年代開始，伴隨經濟和環境協調發展戰略的提出而大量出現，關注的尺度不僅包括綠洲、河流、濕地、湖泊和林地、草地等中小尺度生態系統，還包括整個新疆、西北干旱區等大尺度區域。但是，不論是國內還是國外，有關生態需水概念的內涵以及方法的適用性普遍存在著爭議，不同學者針對同一區域生態需水計算結果存在差異，難以科學指導生產實踐中水資源合理配置和生態環境建設。因此，明晰生態需水概念和估算方法的適用條件是區域生態需水量計算的基礎。

2 生態需水概念內涵

國內外與生態需水有關的概念，除了有生態需水、生態用水、生態耗水之外，還存在環境需水、生態需水和生態環境需水等。生態需水概念的界定多達幾十種，由于其概念內涵的不確定性，導致估算過程困難重重。造成生態需水概念不確定主要有4方面原因。

（1）研究對象及尺度不同。研究對象包括有森林、草地、河流、濕地、湖泊、植被、西北地區等。如葉朝霞、王西芹等以河流為研究對象；左其亭、徐志霞等以湖泊為研究對象；程國棟以整個西北干旱區為研究對象。研究對象及尺度不同，對概念的定義必然不同。

（2）對需水、耗水、用水等概念理解差異。王芳、楊志峰、賈曉玲等認為針對地下水現狀或一定植被覆蓋條件下生態系統的水量計算屬于耗水或用水范疇，需水則指未來一段時間內生態系統所需求的水量。王嬌妍、賈寶全等人則將生態耗水、生態用水等同于生態需水。筆者認為生態耗水多指生態系統現狀條件下的生物和無機環境實際消耗的水量，生態用水與生產、生活用水的概念相類似，指客觀實際用于整個生態系統的水量。生態耗水可能大于、等于或小于生態用水，當生態系統消耗的水量大于實際用于生態的水量即造成生態系統水量虧損；當耗水量與用水量相當，則生態系統水量保持平衡；當耗水量小于用水量，生態系統會存在一定水量蓄存。生態需水則是指生態系統處于某種期望的水平并且維持這種平衡狀態所需水量，是一種主觀的期望值。

（3）環境、生態、生態環境等概念理解差異。許新宜、楊志峰等在各自的研究中認為生態和環境兩個概念存在差異，指出生態是指生態系統中的有機生命部分，而環境則是生態系統非生命的無機部分。而筆者認為根據英國生態學家Tansley在1935年對生態系統的明確定義，強調在整個生態系統中生物和環境的不可分割性，認為生態系統是一定空間共同棲息的所有生物群落和其環境之間不斷進行物質循環和能量流動過程而形成的統一體。因此，環境（區別于一般意義上的環境）包含于生態當中，是其構成要素之一。

（4）水資源內涵理解上存在差異。廣義的水資源項包括地表水、地下水、土壤水。而狹義的水資源項僅包括地表水和地下水。一般來說，植被是整個生態系統中的重要生命組成部分，其生長離不開無機土壤環境。因此，生態需水當指廣義的水資源。

正確理解生態需水的內涵是生態需水研究要解決的首要問題。生態需水研究必須基于特定的研究區域，與該生態系統的組成、水資源結構和利用途徑相統一。就西北干旱區而言，由于流域水資源嚴重短缺，河道多出現斷流，地下水位大幅下降，天然植被全面衰退，生態系統的主要生產者植被的需水尚不能得到保證。在這種情況下談河流輸沙需水、水生生物需水及河流自凈需水毫無意義。

筆者認為，生態需水首先是針對一個確定的生態系統，為了保障其一定時期內生物群落正常的生長、發育、繁殖，以及生物群落所處環境水分平衡，所需要的水資源總量。

3 流域生態需水估算方法

根據上述分析，可將流域生態需水定義為特定的流域生態系統（如塔里木河、黑河、黃河等），為保障流域內生物群落（植物群落、水生生物群落等）正常的生長、發育和更新，以及生物群落所處環境（潛水蒸發、水面蒸發等）水分平衡所需的水資源量。目前對于流域生態需水量的計算，多將其劃分為河道內生態需水和河道外生態需水兩部分分別計算。

河道內生態需水是指保障河道水文過程完整性的基礎流量需水、水面蒸發需水和滲漏需水的總和。需要明確的是，河道內滲漏需水主要指用來抬升地下水埋深需水，雖然河道外天然植被蒸騰和潛水蒸發絕大多數是通過河道下滲補給的，但不應包括在河道滲漏需水之中。

河道外生態需水是指為保證河道外各種天然林草植被群落的結構和功能穩定的需水量。河道外生態需水不僅包括植被蒸騰，裸地潛水蒸發也需考慮。對于干旱區而言，內陸河流域河道內、外主要的需水項及其基本功能見表1。

表1 內陸河流域生態需水項及其功能

3.1 河道內生態需水

河道內生態需水不僅是流域生態需水的重要組成部分，也是保障河道水文過程完整性的基本要求。干旱區內陸河河道內生態需水主要包括河道基礎流量需水和河道蒸發、滲漏需水。

3.1.1 基礎流量需水

河道基礎流量需水，是指為一定時期內為保障河道生態系統健康和水分平衡所需的河流徑流量。國內外對于河道內基礎流量需水研究較為成熟，常見的計算方法有水文學方法、水力學方法、生境模擬法和綜合法。

（1）水文學方法。水文學方法最簡單也最具代表性，是以歷史流量資料為基礎，根據簡單水文指標設定的河流流量，直接獲取歷史統計資料中月或年的天然徑流量（近似天然徑流量）的百分數作為河道基礎流量需水。典型方法有：1）Tennant法。也稱Montana法，是非現場測定的標準方法，將年內劃分為一般用水期和魚類產卵育幼期，以不同用水期相應天然徑流量與徑流量均值的百分比作為河道內需水量的評價標準，見表2。由于Tennant法對河流的實際情況作了簡化處理,通常只能在優先度不高的河段使用，或者用于其他方法計算結果的定性評價或檢驗；2）Texas法。通過某一保證率下月均流量代表所需的生態流量，該法首次考慮了不同生物特性（產卵期和孵化期）和區域水文特征（年內各月流量差異）條件下的月需水量；3）逐月頻率計算法，根據各月歷史流量資料，將年內劃分為豐水和枯水兩個時期，對各個時期擬定不同的保證率，豐水期50%保證率，枯水期90%保證率，分別計算各個時期不同保證率下的河道徑流量，常用于計算河道適宜生態需水量。

表2 Tennant法評價河流生態健康標準 （單位：%）

（2）水力學法。水力學法是將流量的變化與河道的各種水力幾何學參數聯系起來，以求解生態需水的方法。典型方法有1）濕周法，濕周是指過水斷面上河槽被水流浸濕部分的周長，通常濕周隨著河流流量的增大而增加，當濕周超過某一臨界值后，河流不斷增大僅僅能引起濕周的微小變化。因此，可以通過建立河道斷面濕周—流量關系曲線，求算曲線上的臨界變化點（拐點）即為河道最小基流生態流量，拐點的求算方法常見的有斜率法和曲率法（見圖 1）；2）R2Cross法，該方法由科羅拉多水利委員會的專家為保護高海拔冷水河流淺灘棲息地和冷水魚而開發，以Manning公式為計算基礎，通過河流的平均水深、平均流速和濕周率計算特定淺灘處河道最小流量，并用其代表整個河流的最小流量。R2Cross法必須對河流斷面進行實地調查以獲取相關的參數。因此實際應用中較為困難，而且僅以單個河道斷面水力參數代表整條河流水力參數，容易產生誤差。

圖1 濕周-流量曲線示意圖

（3）生境模擬法。生境模擬法是根據指示物種所需的水力條件，并基于生物原則的物理實驗模型來確定河流流量的一類方法。比較典型的方法有：1）IFIM法。IFIM法是20世紀70年代由美國魚類和野生動物保護部門開發,為評估水資源開發和管理活動對水生生物及河道外生態系統影響所建立的概念模型。由 IFIM法產生的決策變量是棲息的總面積，該面積隨特定物種的生長階段或特定的行為（如產卵）而變化，是流量的函數。IFIM法常用于解決水資源管理和生態系統最小需水量問題，適用于中小型棲息地；2）PHABSM法。PHABSIM法可以預測流量變化對魚類、無脊椎動物和大型水生植物的影響以及自然棲息地的變化，并可量化其生態價值。應用PHABSIM模型需要進行有關河流水力和形態方面的詳細勘查，通常和IFIM法耦合使用。

（4）綜合法。從生態系統整體出發，綜合分析流量、泥沙運輸、河床形狀與河岸帶群落的關系，使推薦的河道流量同時滿足生物保護、棲息地維持、泥沙沉積、污染控制和景觀維護等功能。最典型的方法是BBM法，BBM法把河道內的流量劃分四個等級，即最小流量、棲息地能維持的洪水流量、河道可維持的洪水流量和生物產卵期回游需要的流量。分別確定了這4個等級的逐月分配流量、生態環境狀況級別和生態管理類型。該方法的優點在于對大、小生態流量均考慮了月的變化，但是由于該方法是針對特定環境而開發的，針對性強，且計算過程比較繁瑣，在其它地方采用此方法應根據當地實際情況對方法進行適當改造。

在實際應用中，為了避免單一方法計算結果的不確定性，有時也需要根據上述幾種方法的適用條件和原理，將 2種或幾種方法結合起來使用。如劉昌明等集成水文學（大斷面、流量、水位等資料）和水力學（Manning公式）提出了生態水力半徑法，并對南水北調一期工程所涉及的雅礱江支流泥曲的朱八站進行了實例分析。

3.1.2 水面蒸發需水

水面蒸發是指流域內江河、湖泊、水庫等水體的蒸發。當水面蒸發大于降水時，水面蒸發量與降水量的差值即為維持河道水量平衡所需的水面蒸發量。計算公式如下：

式中：W為水面蒸發生態需水量；S為水面面積；E為水面蒸發強度；P為降水的強度。

大水體蒸發量的觀測往往非常困難，很難得到實測資料。實際計算過程中，往往通過小面積水面蒸發觀測，建立小面積水面蒸發與大范圍水體水面蒸發間的關系，間接推算大水體水面蒸發(如：蒸發皿折算法)。1972年 9月世界氣象組織蒸發工作組在日內瓦會議上做出決定：認為使用20m2蒸發池研究淺水湖泊的蒸發，可得出滿意的結果。因此，通常采用20m2蒸發池的蒸發量來近似代替自然水體的蒸發量，并通過確定直徑20cm蒸發皿與 20m2池蒸發量的折算系數，進而推算河流、水庫和湖泊等大范圍水體的蒸發量。將φ 20cm蒸發皿觀測的水面蒸發量折算為標準的20m2水面蒸發池觀測的水面蒸發量，水面蒸發折算系數即為：

式中：Kws為水面蒸發折算系數；E20為 20m2蒸發池觀測的水面蒸發量，mm；E0為φ 20cm蒸發皿蒸發量。水面蒸發折算系數Kws就是E20～E0直線關系中截距為零時的斜率。

3.1.3 滲漏需水

根據前文所述，此處河道滲漏需水主要指用來抬升河道最大影響范圍內地下水埋深至目標水位的需水。針對西北干旱區而言，河道兩岸地下水埋深普遍低于河道兩岸影響范圍內天然植被需求適宜水位，處于負均衡狀態。當河道水量下滲時，隨著地下水埋深逐漸恢復，淺層土壤含水量增加，地下水對滲流頂托作用隨之增強，并最終達到一個較穩定的狀態。因此，可將現狀的地下水位與達到期望恢復水位間所對應的水位稱之為地下水恢復水量（見圖 2）。地下水恢復水量(ΔW )采用下式計算：

式中：W1為河中心到地下水最大影響范圍之內土體的蓄水量；W2為河中心到地下水最大影響范圍之內地下水位達到穩定后原地下水位以上土體的蓄水量。

圖2 地下水恢復量示意圖

3.2 河道外生態需水

對于干旱區而言，植被是河道外生態系統的主體，也是整個流域生態系統最主要的保護目標，河道外天然植被需水是河道外生態需水計算的關鍵。

3.2.1 天然植被需水

以植被為主體的河道外生態需水，需要考慮不同植被類型（林、灌、草)需水量的差異。目前估算河道外生態需水量的方法可分為2類：直接計算法（面積定額法）和間接計算法（水量平衡法、潛水蒸發法、生物量法、遙感判讀法等）。

（1）面積定額法。以某一區域某一類型植被的面積乘以其需水定額，得到整個生態需水總量。計算公式為：

式中：Ai為植被類型i的面積；ri為植被類型i的需水定額。

面積定額法適用于基礎條件較好、資料完善的地區需水量估算。由于影響植被耗水的因子非常多，而且自然條件下不同植被需水定額測定也較為困難，實際應用當中有一定的困難。王讓會等在對塔里木河流域“四源一干”喬灌草不同退化等級劃分及其面積確定的基礎上，對其天然植被需水量進行了計算。

（2）水量平衡法。把植被需水視為植被—土壤—大氣綜合系統水量循環的一個因子，通過水量平衡方程，求出一個時段植被的蒸散量作為這一時段植被生態需水量。植被—土壤系統的水量平衡關系可表示為：

式中：Et為t到t +1時段植被蒸散量；P為降雨量；C為地下水補給量；R為地表徑流量；D為土壤水滲漏量；Wt為t時刻土壤含水量；Wt+1為t+1時刻土壤含水量。

水量平衡法通過分析水資源的輸入、輸出和儲存量之間的關系，間接求算生態系統的需水量，原理成熟方法簡單，是區域較大尺度上缺乏與生態系統本身有關數據時常采用的方法之一。但是，水量平衡法算式中各水分收入項、支出項的確定仍然是比較困難的，這會對區域植被需水量的計算精度產生影響。閆正龍以塔里木河流域土壤—植被—大氣連續體(SPAC)作為研究對象，并在建立流域天然植被需水的量化模型的基礎上，計算了塔里木河干流天然植被需水量。

（3）潛水蒸發法。根據潛水蒸發量的計算來間接確定植被需水量。即某一植被類型在某一潛水位的面積乘以該潛水位下潛水蒸發量與植被系數。計算公式為:

潛水蒸發法適合于干旱區植被生存主要依賴于地下水的情況。雖然該方法由于研究目的、對象以及參數取值的不同，計算結果會差別很大，但在實施流域水資源調配以及規劃和管理時，該法的計算結果仍可作為參考。郭斌等根據塔里木河流域主要氣象站月蒸發量，采用阿維里揚諾夫公式和群克水均衡場公式對塔里木河干流天然植被月潛水蒸發量進行了計算。

（4）生物量法。不同植被類型對水分利用效率存在差異，即單位水量產生的干物質量有差別，根據以下公式計算：

式中：Qnppi為 i類植被凈第一性生產力，即單位面積、單位時間內干物質的重量；μi為 i類植物水分利用系數，表示單位土地面積上生產的干物質量與蒸散耗水量之比。

生物量的估算應包括根、徑、葉等，在目前研究中，一般僅考慮地上部分，對地下部分的估算重視不夠。另外，實際運用中生物量的估算較為困難，水分利用效率的數據也難以準確獲取，使得該方法的應用受到一定限制。趙文智等基于不同植被 NDVI遙感判讀基礎上，與當年生物量(NPP)建立線性回歸方程，估算了黑河中游典型荒漠人工綠洲的需水量。

（5）遙感判讀法。利用RS和GIS技術進行生態分區，然后通過生態分區與水資源分區疊加分析確定流域各級生態分區的面積及其需水類型，并以流域為單元進行降水平衡分析和水資源平衡分析，在此基礎上根據實測資料計算不同植被群落、不同蓋度、不同地下水位埋深下的植物蒸騰，從而求出該地區的植被需水量。

基于遙感技術的河道外需水量計算是一種新興的計算方法，能夠提供大范圍的地表景觀信息，為大尺度非均勻區域的需水研究提供了新途徑。楊志峰等基于MODIS數據建立了區域植被用水模型，結合植被系數計算了地表植被生態用水，對海河流域的生態需水進行了分析。

3.2.2 潛水蒸發需水

當河道兩岸影響范圍內的地下水位抬升到潛水極限蒸發水位以上后，地下水消耗項除了植被蒸騰外，還存在潛水蒸發。只要彌補了潛水蒸發和植被蒸騰的損失量，就可以保證地下水位不再下降。植被蒸騰量計算方法上文中已經介紹，潛水蒸發損失量的計算公式如下：

式中：Q為潛水蒸發需水量；F為林地（草地）面積；L為裸地面積；Eg為潛水蒸發強度；G為植被覆蓋度。

3.2.3 尾閭湖泊需水

尾閭湖泊生態需水量是指保證一定階段湖泊生態系統結構穩定，發揮其正常功能而必需的一定水量。湖泊生態需水可以在最小和最大閾值范圍內波動，最大生態需水是指超過此值，湖泊將水漫堤岸，發生洪澇災害；最小生態需水是指低于此值，湖泊生態系統結構與功能將受到不可逆的損害。湖泊生態需水主要有3種計算方法：

（1）水量平衡法。根據水量平衡原理，湖泊的蓄水量由于入流和出流水量不盡相同，在沒有或較少人為干擾的狀態下，湖泊水量的變化處于動態平衡，如下式：

式中：P為降水；R為地表徑流的入湖水量；I為地下徑流的入湖水量；D為地表徑流的出湖水量；E為湖泊水面的蒸散量；U為地下徑流的出湖水量。

（2）更新周期法。更新周期系指全部湖水更新一次所需時間，是判斷某一湖泊水資源能否持續利用和保持良好水質條件額度的一項重要指標。計算公式如下：

式中：T為換水周期，d；W為多年平均蓄水量；N為多年平均出湖水量。

湖泊生態環境需水量計算公式如下：

湖泊生態需水量可以根據枯水期的出湖水量和湖泊換水周期來確定，這對于湖泊生態系統，特別是人工湖泊的科學管理是非常重要的。

（3）水位法。湖泊的水位與其水面面積和貯水量具有明顯的相關性。水位法是指通過維持湖泊生態系統各組成分和滿足湖泊生態環境功能的水位與水面面積的乘積，來確定湖泊生態需水量。

式中：Q為湖泊生態需水量；H為維持湖泊生態系統各組成分和滿足湖泊生態功能的合理水位；S為湖泊水面面積。

4 存在的問題與展望

從當前流域生態需水研究來看，仍處在起步性階段，定性描述較多。今后需要加強以下4個方面的研究：

（1）尺度轉換。尺度放大的問題是水文學和生態學研究的熱點和難點之一。由于下墊面、水文參數等空間的變異性，不同尺度的生態需水規律存在差異，而且這種規律不是簡單的線性外延或疊加，如何把小尺度的研究成果應用到大尺度上，其計算的理論依據等均需考慮。因此，生態需水的機理、不同尺度需水量的轉化將是今后研究的重點。

（2）差異化水量。生態需水是一個變量，隨時間和地點的不同而存在差異，同時也與生態保護目標密切相關。今后的研究工作，應當在對植物水分需求機理深入分析的基礎上，合理地計算維持不同保護目標、不同保護等級和不同需水時期下的差異化水量，增加計算結果的實用性。

（3）水量交叉。流域生態需水研究包括河道下滲需水、維持河道水文過程完整性需水以及保障植被蒸騰需水等，這些水量是交叉、重疊的，避免生態需水量的重復統計造成計算結果的誤差，從而更加合理準確地為水量調度提供依據也應當是今后關注的重點。

（4）評價體系。在確定生態系統的不同保護目標下，建立可持續發展的生態需水評價標準，即在大量的野外試驗的基礎之上，建立生態需水與生物多樣性、生境多樣性和生態系統健康狀況相關聯的指標體系，完善生態需水合理性評價標準是今后工作中不可或缺的。

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