生态环境需水量的分析与计算(1)
生态环境需水量的分析与计算
□胥洪军□朱东彪（河南省许昌水文水资源勘测局）
摘要：生态环境需水量是维持生态与环境功能和进行生态环境建设所必需的最小需水量，对人与社会和谐可持续发展具有重要意义。本文结合《许昌市东区水系治理及补源工程建设项目水资源论证报告》，阐述了生态环境需水量的含义及其计算方法简介，从保持水生态环境的目标出发，在建设项目水资源论证中更合理对生态环境需水量的进行分析计算。
关健词：建设项目生态需水水资源论证计算方法
2002年5月1日，由国家水利部和计委颁布的《建设项目水资源论证管理办法》开始实施。建设项目水资源论证，主要是从取水、用水、退水及其影响等方面，对建设项目取用水全过程进行分析计算，对建设项目用水的可行性、合理性以及对周围环境的作用、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，作为取水（预）许可申请的技术依据。在需水预测分析计算中，除考虑传统的农业需水、工业需水、城市生活需水外，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还必需考虑生态环境需水问题。在生态环境脆弱地区，对生态环境需水需要赋予更高的优先级。因此，在2005年5月水利部颁布实施的《建设项目水资源论证导则（试行）》（SL/Z 322—2005）中明确提出在需水预测中应包括河道内生态需水量。本文将根据国内外的有关理论方法，结合水资源论证实践，对生态环境需水量的分析和计算进行初步探讨。
1.生态环境需水的基本概念
生态环境需水的定义
对于生态环境需水的研究有不同的途径与观点，目前还没有形成一个系统、科学的理论体系，研究者对于生态环境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基本水资源需求量。笔者认为生态环境需水是指为维持生态持续与环境功能和进行生态环境建设所必需的最小需水量。生态环境需水量是一个具有生态、环境和自然属性的概念，既反映了水生态系统的可持续性、水环境系统承受和恢复能力，又反映了水生态系统能维持社会发展的能力，其数量值是动态的，取决于自然水体功能、水资源数量、质量和时空分布特征及开发利用深度、排污、社会发展和技术水平、人类认识水平和社会文明进步等诸多因素。
生态环境需水的分类
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。根据需水的空间位置可分为河道内生态需水和河道外（陆池和湿地）生态需水和维持景观、水上娱乐等环境需水量。河道内生态需水包括维持水生生物生存、防止泥沙淤积、防止河流水质污染、防止海水入侵、防止河道断流、湖泊萎缩等所需的最小径流量。河道外生态需水则主要指维持河道外植被群落稳定所需要的水量。
河道内生态环境需水
该项内容一直是主要的研究对象，也是最早进行研究的。研究范围应包河道及连通的湖泊、湿地、洪泛区范围内的陆地，其生态环境需水由以下方面组成：①维持水生生物栖息地生态平衡所需的水量；②维持合理的地下水位，以保护河流湿地、沼泽生态平衡，保持和地表水转换所必需的入渗补给水量和蒸发消耗量；
③维持河口淡、咸水平衡和生态平衡所需保持的水量；④维持河流系统水沙平衡和水盐平衡的入海水量；⑤使河流系统保持稀释和自净能力的最小环境流量。⑥防止河道断流、湖泊萎缩所需维持的最小径流量。
河道外生态需水
河道外生态需水包括：①原始状态和人工生态保护植被、绿洲防护林带的耗水量，主要是区域性植被所消耗的降水和非地带性植被通过水利设施供水工程直接或间接所消耗的水量；②水土保持治理范围内进行生物措施治理需水量；③维持特殊生态环境系统安全的应急需水量（生态恢复需水量）。
维持景观、水上娱乐等环境需水量
维持景观、水上娱乐等环境需水量是为保持自然景观功能、绿地、水上娱乐面积和水环境良好条件等所需要保持的水量。随人类文明进步，生活质量提高，这部分需水的地位越来越重要，主要包括：①保持水体调节气候、美化景观等功能自然蒸发量；②维持景观功能的新鲜水补充量等。
2.生态环境需水量的计算方法
生态环境需水量的计算和确定，在《建设项目水资源论证导则（试行）》中仅提出了“原则上上按多年平均流量的10％到20％确定；水网区、湖泊、水库、闸坝等蓄水工程，可以最小水深控制；季节性河流或干旱地区地区，应在保持现状生态用水量的基础上适度增加用水量。”在实际论证工作中，参照国内外的研究也可采用以下方法。
河道内生态需水量
河道内生态需水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，主要分析计算方法有：
标准流量设定法
常用方法有Tennant 法、90％保证率最枯月平均流量法（也称7Q10法）等。在《许昌市东区水系治理及补源工程建设项目水资源论证报告》北汝河生态需水量的计算就采用90％保证率最枯月平均流量法。
水生生物栖息地法
最为典型的计算方法是美国的河道湿周法和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、CASIMIR 法。
功能设定法
可分为污染物稀释净化需水量，根据不同水文年设定保证率的时段平均流量
和入河污水排放量确定，适于各种河流；输沙、入海水量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，主要适用于大江大河等。 水量补充法
包括根据蒸发、渗漏及水质要求计算河道补充水量等。
曲线相关法
包括流量变化曲线法，适用于平均流量季节变化明显的河流，其方法有TWL
法和UT 法河道水流蒸发量；污染物与流量关系曲线法等。
河道外生态需水
河道外生态需水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、植被生长制造有机物需水量和植被最小土壤含水定额组成。
植被腾发需水量
植被腾发量mp 可以通过下式进行计算：
0c p ET K m ＝ (1)
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，裸地为；ETo 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。 0b max p E H 1a m ）（＝ (2)
式中：a 、b 为待定系数，Eo 为水面蒸发强度，H 为地下水位埋深，Hmax 为极限潜水蒸发深度。
植被生长制造有机物需水量
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Wu ：
99W W p
u ＝ (3)
植被土壤需水量
植被土壤需水量Ws 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(4)进行计算。
pc s W W β＝ (4)
式中：β为植被目标生长状况修正系数，45％<<100％；Wpc 为植被土壤田间持水量。
环境景观需水量
环境景观需水量主要包括景观需水、绿地需水、河湖补水等。
绿地需水
可采用绿化灌溉需水或绿地植被蒸散发需水量等途径来计算。前者由城市绿
地平均需水定额与绿地总面积得到总需水量，该法应用较普遍，在《许昌市东区水系治理及补源工程建设项目水资源论证报告》中就采用该法计算城市绿地需水量。后者采用人均绿地定额法或城市绿化覆盖率法得到。
河湖补水
可采用水面蒸发需水量法、换水需水量法、河道输水损失量法、渗漏需水量
法、水体自身存在的需水量法、河道基流量法等，这几种方法可参考文献1根据情况分别选用，在《许昌市东区水系治理及补源工程建设项目水资源论证报告》中就根据城市换水次数，分别采用了分别采用了水面蒸发需水量法、换水需水量法、河道输水损失量法、渗漏需水量法、河道基流量法等。
景观需水
休闲娱乐、旅游等需水量，重点计算特殊湿地区用于该项的需水量。其计算
模型可表示为：
)(/t Q dt dQT = (5)
式中：QT 为娱乐休闲需水量，Q 为时间t 生物栖息地需水量，常计算湿地水体水量，与野生生物栖息地需水量一致。
在对许昌市东区水系治理及补源工程引用北汝河水的可行性进行分析论证
时，根据国家新的治水思路，水资源开发应兼顾生态环境用水的需要。在利用颍汝干渠进行引水的同时，还应该兼顾北汝河下游河道生态用水要求。尤其在枯水月份，必须满足下游河道生态用水需要，保证河道不断流，维持有一定的下泄水量。通过对大陈站历年流量资料分析，北汝河最枯流量多发生在2月份；经统计计算，大陈站2月份的多年平均流量为 m 3/s 。经分析认为多年月平均最小流量（ m 3/s ）可以基本维持下游河道生态用水要求，故本次采用 m 3/s 作为调节计
算的最小河道下泄流量的下限值。
3. 结论
北汝河大陈闸在向许昌市区补源工程项目供水情况下，2010年水平年，多年平均周庄水厂需水量4249×104m3；下游河道生态环境需水量2176×104m3。北汝河大陈闸以上流域经过长系列调节计算，多年平均可为周庄水厂供水4150×104m3，与规划需水量比较，多年平均缺水144×104m3，供水保证率%，但从供水保证程度看，缺水量仅占需水量的%，供水保证程度较高；农业灌溉可供水量1453×104m3，与农业需水量比较，年缺水量187×104m3，供水保证率%，可满足农业灌溉供水保证率50%-75%的要求；下游河道生态环境可供水量390×104m3。
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来说，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，并且要结合当地自然条件，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]水利部水资源司.水资源论证法规及有关文件汇编[M].北京：水利水电出版社，.
[2]水利部SL/Z 322－2005.建设项目水资源论证导则（试行）.
[3]河南省水文水资源局.许昌市东区水系治理及补源工程建设项目水资源论证报告.
作者简介：胥洪军（1969-），男，助理工程师，主要从事水文水资源勘测工作。