杨 娣

(甘肃省水文站，甘肃 兰州 730000)

1 研究背景

水是组成生态环境的基本要素之一，同时也是维持非生命系统运行、支撑地球生命系统运转的关键，也是确保地区经济乃至整个国家发展的重要资源。但是，为了加快社会经济发展，人们在生产工作中常常会忽视生态系统的承载能力，过度开发和利用有限水资源，以至于自然生态系统遭受破坏，陷入严重的生态环境问题中。对此，基于此背景下，研究与分析生态系统的保护措施、修复方案以及重建水资源引起了业界人士和社会人员的广泛关注。

对于生态需水的研究，与国外相比，我国要稍显滞后些。尽管我国关于此方面的研究较晚，但是发展速度飞快，尤其是20世纪后，国内众多学者对生态需水概念进行了研讨，并引入了国外许多关于生态需水的理论、方法和运用，在生态需水问题研究上，人们计算生态需水时缺乏对生态环境现状的调查、忽略对生态系统的生态需水特点的分析以及忽视对水循环分析等，最终造成生态需水评估的结果经不起检验。

2 研究流程

生态水计算方法与理论离不开生态系统类型。由于生态系统类型需水的不同，其生态学特征与水循环过程也会存在较大差异。例如，河道外生态需水以流域植被的蒸散发、耗水及土壤水研究为主，这些均是水文研究过程中的重点问题。而河道内生态需水则是以水生生物的栖息地、需水与水质标准等生态需水量为主。不过在当前研究中，忽略了流域中河道外水力与河道内的人为隔断补给关系，从而容易忽略河道外或河道内需水变化或某流域水文情势变化对其他区域需水量的影响。所以，进行生态需水研究活动时，需要对复杂多样的生态系统间水文循环过程进行分析。水文循环分析生态需水图见图1。本研究重点对生态环境现状进行了分析，并深入了解流域生态需水的特征，同时对河道内外水力补给关系做了具体分析，挖掘更能建立完善水文循环过程描述的方法，以及模拟和确定出生态需水量计算方方法，最终计算得出研究渔区河道内外生态的需水量。

图1 基于水文循环分析的生态需水计算流程图

3 洮河流域水文循环分析

3.1 研究区概况

洮河是黄河上游重点支流，它源自青海省河南蒙古族自治县西倾山，流经地包括临潭、碌曲和卓尼县城南等地，同时流经岷县茶埠、九甸峡与海奠峡，通过临洮盆地和永靖县流入到刘家峡水库。流域面积达2.55万 km2，全长673 km。多年以来，沟门村站的年经流量为53亿 m3，平均流量为172 m3/s，特别是5-10月份占率高达75%以上，充分为甘肃中部补给了大量水资源。植被类型多以森林、草甸与灌丛为主；强林占流域总面积的20%、草地占地68%、强耕地和其他用地等占地11%左右。十年里土地利用形式基本不变。

3.2 水文循环分析

许多学者在研究中表明，认识生态系统的水量平衡状况和水文循环是探究生态需水的关键。通过水文循环分析便能掌握诸多关于生态需水的内容，例如：对水蒸发量和降水量的分析，就能确定出植被生态水分来源(Et)是指示性指标；明确出河道水与地下水之间的补给关系后就可以用来分析河道水减少后，影响临近河道植被生态用水的程度和范围，进而结合生态保护要求制定出可行性方案和对策。

通过不同天然水体环境的同位素构成特点来研究水源的运移、形成和混合等动态过程，确定多样化水体间的补排关系和水文地质单元关系，就能说是环境同位素示踪。一般情况下，地下水来源与地表水体蒸发指示剂的稳定同位素是2H与18O氧和氢，其相关测值如下：

(1)

(2)

水样中的中氢氧同位素变化状况可以用来研究河川径流的来源，进而了解地下水补给关系等。同时，使用此方法的过程中，也可以辅助电导分析法进行使用。

对区域水力补给过程进行分析的过程中，离不开自然条件的影响，比如地貌地形、地质构造以及降水气候等方面。在采用同位素方法进行研究地下水与和河水之间的补给关系时，需要根据这些因素共同来分析，这样才能得出更加具有说服力的结论。

4 洮河流域生态需水量计算

4.1 洮河河道内与河道外生态保护目标

通过研究可以得出，生态保护目标主要有两点，一是生态保护对象，二是保护对象的程度。在确定生态保护目标时，需要结合研究区的生态环境现状来进行。根据洮河流域实地调查与室内遥感影像进行分析后，得出该区域土地利用类型以林地与草地为主，且十年来受人类影响程度小，组成构造十分稳定。因为地下水对河水的单向补给关系，可知洮河的植被受水量减少影响小，不用对调水的生态需水问题进行考虑。所以，河道外生态保护重点以林地与草地的生态用水需求为核心，也就是确保植被面积不减少。按照相关学者对洮河鱼类河其生境调查，得出洮河优势鱼种成鱼的适宜流速是0.45～1.74 m/s，8-9月为软刺裸裂尻鱼繁殖期，3-4月为齐口裂腹鱼繁殖期。由此可以确定河道内生态保护目标是用来研究鱼类生长繁殖期用水量与流速的等最低环境指标。

4.2 洮河河道内生态需水量计算与分析

当下，国内外用来研究生态需水的计算方法很多。关于河道内的计算方法，主要包括了四类，(1)水文学方法、(2)生态学方法、(3)水力学方法、(4)综合法，且在这几大方法中又衍伸出了诸多子方法。方法不同具备的优劣势也不同，适用范围自然也不一样。

Tennant法主要将预先年平均流量的百分数当作推荐流量，以平均流量的30%当成多年平均流量的满意流量，以10%的年平均流量当成最小河流生态需水量，另外，还表示这两种流量是为鱼类提供生存所需的1/2生境或全部生境(具体见表1)。

表1 河流生态用水的流量状况标准

Texas法实际上是一种基于Tennant法上对季节变化因素加以考虑后，把50%保证率下月流量的特定百分率当成最小生态流量的一种方法，而特定百分率可以结合研究区典型的鱼类需水特征来确定，另外，也有部分学者在研究流量序列变异系数时，可以结合各月的流量来确定。

基本上，在确定河流的生态环境需水量法时可以通过各年的河流月平均实测流量最小值的多年平均值，也就是河流生态的需水量：

(3)

在上述式子中，河流生态需水量(108m3)以Wb表示；第i年第j个月的月均流量(m3/s)以Qij表示；换算系数其值为31.536×106s以T表示；统计年数以n表示。

湿周法(wettedperimetermethod)是一种按照流量与湿周变化来判定河流最小生态流量的方法。该方法的使用流程是先确定出河道断面湿周与流量的曲线关系，接着通过斜率法找到最近似1的点，并将此点当作是湿周与流量的关系曲线突变点，同时，这个点对应的流量就是需要计算的所求生态流量。

不同方法所求得的洮河生态需水量见表2所示。根据表2数据可知发现，这五种不同的方法中，多年生态流量变化值在36.3～46.8 m3/s之间，通过计算后，得出占多年平均流量(191.8 m3/s)的18.9%～24.4%。

表2 各方法计算的洮河多年平均生态流量

Tennant法主要将20%的多年平均流量当作是最小生态流量，满足水生生物繁殖与生长的用水需求，多以鱼类为主。河流的基本生态环境需水量法按照河流的最枯水量来计算，表示基于自然条件下，水生生物能够自适河道流量天然消落的状况，然而，通过调查研究后，发现洮河流域调水河段基本不受人类活动影响，多数受天然元素影响，因此，这种计算流量的方法只满足本研究区需求。

上面所采用的五种生态需水量计算法中，都对生态保护目标设定了参数，其对洮河生态保护的研究具有较大的参考意义。所以，得出河道最小生态流量介于36.3～46.8 m3/s，对应最小生态需水量值介于11.50～14.82亿 m3。

4.3 洮河流域河道外生态需水量计算与分析

根据上面分析所得，河道植被生态需水有没有符合要求，主要将(Et)当作判定指示性指标，结合建立起来的分布式水文模型，就能计算林地与草地的降水量河蒸发量，通过对比分析，如果Et，就可以说明天然降水量符合植被的生长用水量需求；相反，如果Et，就可以表明天然降水不符合植被用水需求，为了更好保护植被生态系统，此时必须要做进一步的补水处理。

通过变增益模型DTVGM，就能较好得出林地与草地的区域降水量与蒸发量，通过对比分析，若Et，则表示天然降水符合草地生态用水需求，河道外生态需水量实际上也就是植被的实际蒸散发量(见图2)。

图2 草地与林地的降水与蒸散发

5 结语

本文重点对当下生态需水研究的生态保护目标与水文循环分析问题等进行了介绍，然后提出在水文循环分析的生态需水量计算流程图和方法的基础上，采取室内遥感分析与野外现场勘察法可以得出相关结论，并且明确研究区生态需水的特征，通过环境同位素分析法的应用，可以较好计算出河道内外水力与水来源的补给关系，进而明确生态保护目标的具体生态需水量。进行具体研究后，最终所得结论包括以下几点：(1)通过生态环境现状调查与水文循环分析后，只要确保洮河流域河道外生态保护目标目前植被面积不减少，就能满足河道内生态系统的鱼类繁殖提供所需的水量与流速等最低生存条件；(2)通过初步水文循环分析后，发现洮河地区各种水主要受大气降水补给影响；而河水除了受大气降水补给影响外，还受到冰雪融化时的地下水补充影响；河道内水量的减少对两岸植被影响不大；(3)流域内林地与草地的年平均实际蒸发量比降水量大，也就是Et，表明天然降水符合林地与草地的生态需水要求；(4)根据所确定的生态保护目标，得出河道最小生态流量介于36.3～46.8 m3/s，对应最小生态需水量值介于11.50～14.82亿 m3。