建设项目水资源论证中生态需水的计算方法

口李云开 杨培岭 任树梅 邱信蛟

    所谓建设项目水资源论证，主要是指对建设项目用水的可行性、合理性、对周围环境的作用、对其他用水户的影响等诸多因素进行分析，最终提出建设项目用水的水量、水质、工艺流程、排污等一系列方案的科技咨询活动。2002年5月1日颁布并施行的《建设项目水资源论证管理办法》中虽然没有明确规定必须在水资源论证中考虑生态需水，但从重视生态环境，协调生活、生产、生态用水等方面考虑，在建设项目水资源论证中必需考虑生态需水问题。这就要求将长期以来在研究水资源供需及水资源配置问题时，需水量由农业需水、工业需水、城市生活需水三部分改变为农业需水、工业需水、城市生活需水、生态需水四部分组成。在生态环境脆弱地区，对生态需水需要赋予更高的优先级。

    一、生态需水的基本概念

1．我国生态需水研究的发展状况

生态需水维系着流域的生态安全、水安全，是生态水文学在水资源与水环境研究中应用的关键科学之一，我国生态需水问题是近几年得到关注并开始研究的。1989年，中国科学院地理研究所的汤奇成较早提出生态用水问题，20世纪90年代后期，国家“九五”科技攻关项目“西北地区水资源合理利用与生态环境保护”的实施，真正揭开了我国生态需水研究的序幕，以后许多专家学者对生态需水、生态用水和生态耗水等问题提出不同的观点、定义，丰富了生态需水的理论与学术研究。《21世纪中国可持续发展水资源战略研究》认为：“广义的生态环境用水，是指维持全球生物地理生态系统水分平衡所需用的水，包括水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等，都是生态环境用水”；“狭义的生态环境用水是指为维护生态环境不再恶化并逐渐改善所需要消耗的水资源总量”。刘昌明等提出了在计算生态环境用水中如何估算水热平衡、水盐平衡、水沙平衡和区域水量平衡的方法。以此为基础所做的初步工作表明，全国生态环境用水总量估计为800亿～1000亿m³，主要在黄淮海流域和内陆河流域。

2．生态需水的定义

对于生态需水的研究有不同的途径与观点，没有形成一个系统、科学的理论体系，学者们对于生态需水的概念还不能达成一致。从总体上来看，多数人认为生态需水是水资源短缺地区为了维护生态系统的稳定和保持生态环境质量的最小水资源需求量。笔者认为生态需水是指维持全球或区域生态系统的稳定和修复脆弱的生态系统使其形成良性循环并充分发挥其最优功能，单位生态用水所提供的服务量最大，这时生态系统所需要的最小水量。

研究生态需水须具备一定的前提条件：①必须是最优的生态组合，②最适宜的生态地下水位条件，③应该是节水型的生态系统，④应该是基于不同水文年型的生态系统。为了便于研究，根据不同需求，将生态需水划分为最优生态需水、目标生态需水、临界生态需水、现状生态需水四种类型，在这一意义上来讲，上述定义的生态需水也可以称为最优生态需水。以生态环境现状作为评价生态用水的起点，在一定最优生态需水保证率的条件下，满足一定生态环境标准、功能和规划目标条件下的区域或流域生态系统所需要的最小需水量，称为目标生态需水。临界生态需水是指维持和保护生态系统最基本环境功能不受破坏的条件下生态系统所需要的最小水量。现状生态需水是指在现有水资源与技术水平下，为维持现状生态系统、建设良性的生态系统或改善与恢复生态环境体系所需要的最小水量。从维护水生态环境的天然结构与功能的目标出发，可以认为生态需水主要是由河道内生态需水与河道外生态需水组成。

二、河道内生态需水的计算方法

河道内生态需水(W_r)是指满足河道环境生态功能的最小流量，研究范围包括河道及连通的湖泊、湿地、洪泛区等水体，主要包括以下几个部分：

①维持稀释自净能力所需水量(W_d)。主要是保持河流水环境容量的需水量，可用Tennant法、90％保证率最枯月平均流量等进行计算。

②维持河流下游生态地下水位所需水量(W_g)。生态地下水位是指在一定的气候条件特别是降水条件下，维持某种植物群落壮龄阶段稳定生长而不使优势植物生长环境被其他植物占据的某一范围的地下水位。主要包括地下水位维持与恢复水量、侧向排泄量及河道蒸发量三部分。

③河道冲沙所需水量(W_s)。从河流多年流量与泥沙系列中选择实测大断面与相应的流量、泥沙进行定量。

④维持水生生物栖息地所需水量(W_h)。最为典型的核算方法是美国的“湿周法”和“R2CROSS法”，以及20世纪70年代末和80年代初出现的“河道内流量增加法”。

⑤河道水流蒸发量(W_e)。水面蒸发高于降水时，这部分水量成为水面蒸发生态需水量，根据水面面积、降水量、水面蒸发量进行推测，当水面蒸发低于降水时则以零计。

    当然这其中有重复的部分，则河道内生态需水可以用式(1)进行计算：

三、河道外生态需水的计算方法

    河道外生态需水(W_v)主要是指除农业生产之外的生态植被需水，包括天然植被和人工植被。河道外生态需水由植被腾发需水量W_P、植被生长制造有机物需水量W_u和植被最小土壤含水定额W_sn组成。河道外生态需水W_v可以通过式(2)进行计算：

    式中：W_v为河道外生态需水；A_vi为第i种植被类型的面积；m_vi：为第i种植被类型的生态需水定额。

    1．植被腾发需水量(Wp)

    植被腾发量m_p可以通过式(3)进行计算：  

    式中：Kc为作物系数，随植物种类、同一种植物所处的生长发育阶段、生长季节不同而具有不同的数值，一般是通过试验取得，全生育期平均为0.6-1.2，裸地为0.4-0.6，陈丽华等确定北京市不同类型林木需水量值为：刺槐林0.78，板栗林0.70，油松林0.75，荆条林0.68；ET_o为参考植被需水量，可以利用公式进行计算。植被需水量还可以通过植被蒸腾与潜水位之间的关系模型进行计算。

           式中：a、b为待定系数，E_o为水面蒸发强度，H为地下水位埋深，H_max为极限潜水蒸发深度。

    2.植被生长制造有机物需水量(W_u)

    根据植被的耗水机理，植被自身的含水量和植被蒸散量的比例大致为1:99，故植被生长制造有机物需水量：           

  3．植被土壤需水量(W_s)

  植被土壤需水量W_s为能够维持植被目标生存和生长状况所需要的最小土壤含水量，可以利用式(6)进行计算。   

    式中：β为植被目标生长状况修正系数，45％<<100％；W_pc为植被土壤田间持水量。

    四、结论

    建设项目水资源论证中考虑生态需水问题无论对管理部门还是对研究部门而言，都是一个全新的领域，有许多理论和方法问题需要进一步探讨和深入研究，同时在实践中进行验证。建设项目水资源论证中生态需水问题不但要从计算方法上，而且还要从评价指标体系上、需水阈值上进行系统化研究，为管理决策提供具有操作性的方案和准则。当然，应该在保障自然生态功能和人与自然和谐的前提下，最大程度地降低生态环境需水量，增加可利用水量的途径和措施。   

参考文献：

1 赵文智，程国栋干旱区生态水文过程研究若干问题评述．科学通报，2001，46

2  王西琴，张远，刘昌明．河道生态及环境需水理论探讨．自然资源学报，2003.18

3  杨培岭，任树梅，李云开．水资源经济．北京：中国水利水电出版社，2003

4 王西琴，刘昌明，杨志峰．生态及环境需水量研究进展与前瞻．水科学进展，2002.13

5 康绍忠，刘晓明，熊运章．土壤一植物大气连续体水分传输理论及其应用．北京：水利电力出版社，1994

6 王西琴，刘昌明，杨志峰．河道最小环境需水量确定方法及其应用研究．环境科学学报，2001.21

7 刘昌明，陈永勤，李丽娟等．21世纪中国水文科学研究的新问题新技术和新方法．北京：科学出版社，2001