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長江上游地區(qū)生態(tài)到底需要多少水?
0 引 言
水資源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源,也是社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)三者之間和諧發(fā)展的重要基礎(chǔ)。尤其是在干旱/半干旱區(qū)內(nèi)陸河流域,水資源天然不足,生態(tài)環(huán)境十分脆弱,水就成為了決定生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和建設(shè)方向最關(guān)鍵的控制性因素。隨著水資源供需矛盾的日益突出和人們保護(hù)生態(tài)環(huán)境意識的提高,生態(tài)環(huán)境需水量的研究成為流域水文學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
生態(tài)需水最早出現(xiàn)在1940 s國外為保持河流最小的生態(tài)流量來避免河流生態(tài)系統(tǒng)退化的研究中。1998年,GLEICK提出了基本生態(tài)需水量的概念,即天然的生態(tài)環(huán)境需要一定的水量,以保護(hù)物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)完整性。我國對生態(tài)環(huán)境需水的研究起源于20世紀(jì)70年代,也是從河流生態(tài)系統(tǒng)開始的。近年來生態(tài)需水的研究已從局部水文過程向全流域水文過程發(fā)展,并逐步擴(kuò)展到其他類型的生態(tài)系統(tǒng),研究范圍涵蓋河流、湖泊、濕地及干旱半干旱區(qū)等,所涉及的學(xué)科從水文、水利擴(kuò)展到生態(tài)以及地理、氣象等,形成了較為成熟的生態(tài)需水計(jì)算方法。河流生態(tài)需水量和植被生態(tài)需水量是維系流域生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的兩個(gè)基本要素,對這兩個(gè)基本要素開展定性和定量研究,對于防止河道斷流、抑制水土流失和土地退化,維持生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義。
長江上游地區(qū)自然資源豐富、生物種類繁多,是整個(gè)長江流域和中國的重要水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)屏障。近幾十年來,在水資源短缺日益加劇的背景下,長江上游地區(qū)總需水量、農(nóng)業(yè)需水量均呈顯著增加的趨勢。同時(shí),隨著上游人口增加,經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市規(guī)模不斷擴(kuò)大,生產(chǎn)和生活用水大量擠占生態(tài)用水,河道生態(tài)需水及周圍植被生態(tài)需水得不到保證,造成了如植被退化、水土流失、生物多樣性減少等嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題,使長江上游地區(qū)的生態(tài)安全和社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展受到了一定的威脅。開展長江上游地區(qū)生態(tài)需水研究,有利于在水資源有限的情況下合理分配流域水量,也是防止生態(tài)系統(tǒng)退化、進(jìn)行流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)的關(guān)鍵,對此相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開展了大量研究。沈忱計(jì)算了長江上游保護(hù)區(qū)干流上游、支流岷江、以及干流下游的生態(tài)基流年徑流量,確定了保護(hù)區(qū)不同魚類產(chǎn)卵場的適宜生態(tài)環(huán)境需水過程。王晶等根據(jù)是否考慮輸沙需水進(jìn)行不同層面的生態(tài)需水的計(jì)算,探討維持處于長江上游生態(tài)脆弱區(qū)干旱河谷生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀的最小生態(tài)需水量。萬東輝提出基于水文循環(huán)分析的生態(tài)需水量計(jì)算流程圖和方法,總結(jié)雅礱江流域生態(tài)需水特征。李波等基于MIKE BASIN軟件平臺建立了渝西水資源配置模型,從生態(tài)基流需水、水生生物需水、基本自凈功能需水3個(gè)方面分析了河流控制斷面生態(tài)環(huán)境需水量,提出了相應(yīng)的水資源配置方案。
可以看出,從長江上游地區(qū)需水量計(jì)算到水資源優(yōu)化配置,已有的研究多是基于長江上游地區(qū)各支流及小范圍內(nèi)地區(qū)的水資源規(guī)劃,對整個(gè)長江上游地區(qū)河段基本生態(tài)基流調(diào)控以及河道輻射范圍內(nèi)的天然植被需水量研究較少。同時(shí),生態(tài)需水研究通常將流域劃分為旱地系統(tǒng)、濕地系統(tǒng)及河口系統(tǒng)不同生態(tài)組合模塊,并對系統(tǒng)中某一生態(tài)類型(如林地、河流、湖泊等)的需水量進(jìn)行估算,分析其時(shí)空分布特征。事實(shí)上,由于流域不同河段生態(tài)背景的差異,面臨的生態(tài)環(huán)境問題和生態(tài)服務(wù)功能也存在空間異質(zhì)性,現(xiàn)有的研究無法滿足以可持續(xù)性生態(tài)系統(tǒng)健康為目標(biāo)的流域生態(tài)管理的要求。本研究主要圍繞著長江上游地區(qū)開展,基于1981—2015年的氣象數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)和土質(zhì)數(shù)據(jù),借助GIS技術(shù),采用已被廣泛應(yīng)用的Penman-Monteith公式,對研究區(qū)及水資源二級區(qū)的生態(tài)基流與植被需水量開展初步計(jì)算,分析河流生態(tài)需水和植被生態(tài)需水的時(shí)空變化特征,以期為該地區(qū)水資源的規(guī)劃和配置、植被的保護(hù)與恢復(fù)以及生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定和發(fā)展提供一定科學(xué)依據(jù)。
1 研究區(qū)概況
長江上游位于長江發(fā)源地至宜昌段,涉及青、藏、云、貴、川、渝、陜、甘、鄂共9個(gè)省份,包含了金沙江石鼓以上、金沙江石鼓以下、嘉陵江、岷沱江、烏江和宜賓至宜昌6個(gè)水資源二級分區(qū),全長4 500 km, 總面積100萬km2(見圖1)。長江上游地區(qū)地形復(fù)雜多樣,地勢西高東低,山高坡陡,河流眾多,北部以秦嶺分界與黃河相鄰,南部以南嶺、黔中高原、大庾嶺與珠江為界,西南則以橫斷山脈與瀾滄江為界。長江上游西部高原和山地屬寒帶氣候,其余為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。區(qū)域年均氣溫8~10 ℃,多年平均降水量800~1 200 mm, 蒸散發(fā)量400~700 mm。由于地勢地貌、氣候變化等因素,植被類型也有很大差異,區(qū)域內(nèi)有18個(gè)生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū),主要生態(tài)系統(tǒng)類型為荒漠、荒漠草原、原始森林、典型的湖泊河流生態(tài)系統(tǒng)。其中,西部地區(qū)生物氣候垂直差異大,植被類型以常綠闊葉林和常綠落葉闊葉混交林為主,中部地區(qū)盆地和山地較多,植被類型以針葉林和常綠闊葉林為主。長江上游作為我國一個(gè)重要的生態(tài)屏障,對中下游的發(fā)展和全流域的生態(tài)及水資源安全都至關(guān)重要。
2 數(shù)據(jù)來源與研究方法
2.1 數(shù)據(jù)來源
本研究選用的氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http: //data.cma.cn/)1981—2015年的氣象資料,包括站點(diǎn)經(jīng)緯度、站點(diǎn)海拔高度、月均氣溫、月最高氣溫、月最低氣溫、月平均水汽壓、月平均風(fēng)速、相對濕度等,流域內(nèi)及周邊各縣(區(qū))主要站點(diǎn)的河流流量數(shù)據(jù)來源于實(shí)測資料,植被數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http: //www.resdc.cn/)。
2.2 研究方法
合理分配區(qū)域生態(tài)需水比例,進(jìn)行水資源優(yōu)化配置,是進(jìn)行生態(tài)保護(hù)和修復(fù)的關(guān)鍵,而估測生態(tài)需水成為首要解決的問題。本研究生態(tài)需水量計(jì)算分為河流生態(tài)需水與植被生態(tài)需水兩部分。
2.2.1 河流生態(tài)需水
Tennant法又叫Moniana法,是一種以實(shí)測資料為依據(jù),不考慮特定用途的綜合性計(jì)算方法。它根據(jù)水資源規(guī)劃目標(biāo),以年均流量的百分?jǐn)?shù)作為合適的基流標(biāo)準(zhǔn)(見表1),應(yīng)用較為普遍,適用于生態(tài)資料缺乏的地區(qū)。同時(shí),經(jīng)前人研究對比后發(fā)現(xiàn),Tennant法較適合干旱和半干旱區(qū)河道生態(tài)需水量。計(jì)算Tennant 法計(jì)算河流生態(tài)需水量的公式為
考慮到長江上游地區(qū)降水主要發(fā)生在汛期,本研究選擇多年平均流量的10%~30%作為“中”等條件下的生態(tài)需水量,其中汛期(4—9月)采用多年平均月徑流量的30%進(jìn)行計(jì)算,非汛期(10月—翌年3月)采用10%進(jìn)行計(jì)算。
表1 Tennant法推薦的基流標(biāo)準(zhǔn)
Table 1 The base flow standard recommended by the Tennant
流量描述 |
推薦的基流占平均流量百分比/% |
|
一般用水期 |
魚類產(chǎn)卵育幼期 |
|
最 大 |
200 |
200 |
最佳范圍 |
60~100 |
60~100 |
極 好 |
40 |
60 |
非常好 |
30 |
50 |
好 |
20 |
40 |
中 |
10 |
30 |
差或最小 |
10 |
10 |
極 差 |
0~10 |
0~10 |
2.2.2 植被生態(tài)需水
2.2.2.1植被生態(tài)需水總量
基于流域?qū)用嬗?jì)算特征,采用面積定額法[18]計(jì)算流域植被總生態(tài)需水量。計(jì)算公式為
2.2.2.2生態(tài)需水定額(ETq)
植被的生態(tài)需水主要受氣候因子、土壤水分含量和植被類型差異這三個(gè)因素的影響,因此植被生態(tài)需水定額可以表示為
參照研究區(qū)土質(zhì)類型和已有的研究結(jié)果,本文中粉砂土、黏土、沙土的土壤水分系數(shù)Ks取值分別為0.536 5、0.548 4、0.538 7。
2.2.2.3植被潛在蒸散發(fā)量(ET0)
根據(jù)研究區(qū)域多年氣象資料,采用聯(lián)合國農(nóng)糧組織(FAO)推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算植被潛在蒸散發(fā)量(ET0)。該公式在先前的研究中得到了廣泛應(yīng)用和普遍認(rèn)同,公式為
3 結(jié)果與討論
3.1 河流生態(tài)需水量分析
3.1.1 河流生態(tài)需水年內(nèi)變化
根據(jù)長江上游地區(qū)各控制節(jié)點(diǎn)生態(tài)環(huán)境狀況和1981—2015年徑流資料,采用上述計(jì)算方法,估算長江上游重要控制節(jié)點(diǎn)的生態(tài)基流和最小生態(tài)需水量。表2為各控制站點(diǎn)生態(tài)基流量,可以看出,石鼓站汛期生態(tài)基流為584.89 m3/s, 非汛期為131.24 m3/s, 分別占河道斷面多年平均流量的42.74%、9.59%;屏山站汛期生態(tài)基流為1 917.52 m3/s, 非汛期為503.99 m3/s, 分別占河道斷面多年平均流量的41.65%、10.95%;高場站汛期生態(tài)基流為1 114.27 m3/s, 非汛期為237.07 m3/s, 分別占河道斷面多年平均流量的42.70%、10.95%;北培站汛期生態(tài)基流為894.92 m3/s, 非汛期為166.69 m3/s, 分別占河道斷面多年平均流量的44.69%、8.32%;武隆站汛期生態(tài)基流為609.82 m3/s, 非汛期為119.84 m3/s, 分別占河道斷面多年平均流量的41.95%、 8.24%;宜昌站汛期生態(tài)基流為5 557.42 m3/s, 非汛期為1 263.32 m3/s, 分別占河道斷面多年平均流量的41.99%、9.55%。
依據(jù)Tennant法,經(jīng)計(jì)算長江上游地區(qū)河流生態(tài)需水量為1 022.29億m3,其中6—10月需水量占比最大,占總需水量的74.50%;枯水季節(jié)河流生態(tài)需水為117.75億m3,占總需水的11.52%。金沙江石鼓以上、金沙江石鼓以下、岷江流域、嘉陵江流域、烏江流域和宜賓至宜昌段的全年生態(tài)需水量分別是106.5億m3、240.9億m3、204.4億m3、161.8億m3、114.2億m3和194.5億m3,分別占研究區(qū)生態(tài)需水量的10.42%、23.57%、20%、15.83%、11.17%和19.03%。
表2 河流生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果
Table 2 The calculation results of ecological base flow
m3/s
控制 |
1月 |
2月 |
3月 |
4月 |
5月 |
6月 |
7月 |
8月 |
9月 |
10月 |
11月 |
12月 |
汛期(3— |
非汛期(10— |
石 鼓 |
45.18 |
41.19 |
44.21 |
180.17 |
282.23 |
500.35 |
871.83 |
906.06 |
843.73 |
509.87 |
89.92 |
57.09 |
584.89 |
131.24 |
|
177.35 |
156.76 |
147.82 |
491.66 |
721.29 |
1 467.87 |
2 886.85 |
2 868.47 |
3 013.50 |
1 972.99 |
345.94 |
223.08 |
1 917.52 |
503.99 |
|
81.36 |
76.45 |
92.04 |
390.29 |
619.45 |
1 185.93 |
1 734.53 |
1 636.97 |
1 341.96 |
890.73 |
168.25 |
113.58 |
1 114.27 |
237.07 |
|
47.19 |
39.64 |
50.72 |
257.68 |
489.46 |
757.13 |
1 648.54 |
1 198.02 |
1 228.33 |
685.24 |
115.47 |
61.88 |
894.92 |
166.69 |
|
49.93 |
50.12 |
63.35 |
346.06 |
591.22 |
905.65 |
967.75 |
614.80 |
445.55 |
397.69 |
97.90 |
60.06 |
609.82 |
119.84 |
|
469.60 |
439.71 |
490.50 |
2 063.63 |
3 340.38 |
5 266.01 |
8 823.71 |
7 700.82 |
7 040.62 |
4 666.79 |
930.29 |
583.06 |
5 557.42 |
1 263.32 |
表3 水資源二級區(qū)河流生態(tài)需水量年內(nèi)分布
Table 3 Annual distribution of river ecological environmental water demand of secondary water resources area
億m3
水資源二級區(qū) |
1月 |
2月 |
3月 |
4月 |
5月 |
6月 |
7月 |
8月 |
9月 |
10月 |
11月 |
12月 |
合 計(jì) |
金沙江石鼓以上 |
1.21 |
1.00 |
1.18 |
4.67 |
7.56 |
12.97 |
23.35 |
24.27 |
21.87 |
4.55 |
2.33 |
1.53 |
106.49 |
金沙江石鼓以下 |
3.54 |
2.80 |
2.78 |
8.07 |
11.76 |
25.08 |
53.97 |
52.56 |
56.24 |
13.06 |
6.64 |
4.45 |
240.94 |
岷沱江 |
2.18 |
1.85 |
2.47 |
10.12 |
16.59 |
30.74 |
46.46 |
43.84 |
34.78 |
7.95 |
4.36 |
3.04 |
204.38 |
嘉陵江 |
1.26 |
0.96 |
1.36 |
6.68 |
13.11 |
19.62 |
44.15 |
32.09 |
31.84 |
6.12 |
2.99 |
1.66 |
161.84 |
烏 江 |
1.34 |
1.21 |
1.70 |
8.97 |
15.84 |
23.47 |
25.92 |
16.47 |
11.55 |
3.55 |
2.54 |
1.61 |
114.16 |
宜賓至宜昌 |
3.05 |
2.82 |
3.66 |
14.98 |
24.61 |
24.61 |
42.48 |
37.03 |
26.21 |
6.43 |
5.25 |
3.33 |
194.47 |
全流域 |
12.58 |
10.64 |
13.14 |
53.49 |
89.47 |
136.50 |
236.33 |
206.26 |
182.49 |
41.67 |
24.11 |
15.62 |
1 022.29 |
3.1.2 河流生態(tài)需水年際變化
由圖3可看出,研究區(qū)1981—2007年河流年均生態(tài)需水量呈下降趨勢,變化率為-5.29億m3/a。最大值出現(xiàn)在1998年(1 337.80億m3),最小值出現(xiàn)在2006年(627.14億m3)。各水資源二級區(qū)中,年均生態(tài)需水量呈下降趨勢的有嘉陵江、宜賓至宜昌、岷沱江和烏江,變化率分別為-3.62億m3/a、-2.10億m3/a、-1.37億m3/a和-0.13億m3/a; 年均生態(tài)需水量呈上升趨勢的有金沙江石鼓以上和金沙江石鼓以下,變化率分別為0.31億m3/a和1.61億m3/a。金沙江石鼓以下、宜賓至宜昌、嘉陵江年均生態(tài)需水量最大值都出現(xiàn)在1998年,并且各分區(qū)年均生態(tài)需水量最小值都在2006年,這可能與1998年特大洪水與2006年西南地區(qū)區(qū)域性氣象干旱有關(guān)。
3.2 植被生態(tài)需水量分析
3.2.1 生態(tài)需水量的時(shí)間變化特征
圖4為研究區(qū)1981—2015年植被生態(tài)需水總量的年際變化,從1981—2015年的長期趨勢看,研究區(qū)整體植被生態(tài)需水總量呈增長趨勢,從1981年的4 678.98億m3到2015年的5 224.23億m3,增加了545.25億m3,整體增量不明顯。水田生態(tài)需水總量變化較為明顯,變化率為0.134 m3/a。尤其在1995年之后,增長速度明顯加快,2015年達(dá)到最大值1 927.95億m3,研究期間水田生態(tài)需水量增幅達(dá)到37.03%。灌叢、林地、旱地和草地生態(tài)需水量變化都不大,整體趨于平穩(wěn)。其中,林地與灌叢增長率在2001—2005年明顯加快,之后逐漸平緩,最大值分別為2015年的1 553.20億m3和1 315.40億m3。
表4為生長季內(nèi)植被各月的生態(tài)需水量,可以看出,4—7月為需水增長期,7—10月為需水減少期,這與植物的生長周期規(guī)律是一致的。林地和水田生態(tài)需水量在各月中的占比均較高,且在整個(gè)生長季內(nèi)變化幅度較大,林地5月的生態(tài)需水量達(dá)到頂峰(169.23億m3),6月份有所回落,7月又上升至162.95億m3。水田7月生態(tài)需水量最大(182.71 億m3),8月次之(174.37億m3)。灌叢與草地生態(tài)需水量變化情況與林地相一致,均在7月份出現(xiàn)最大值,5月份出現(xiàn)次大值。從需水總量來看,研究區(qū)植被的生態(tài)需水主要集中在5—8月,占整個(gè)生長季全部需水的63.78%,其中林地、灌叢、草地、旱地和水田各自占比分別為 62.75%、63.72%、64.19%、64.49%和64.45%。同時(shí),從表4還可以看出,植被的生長季始期需水量要遠(yuǎn)大于末期,且不同類型植被生長季始末期需水量差值又各不相同,這反映了不同植被在生長季不同時(shí)期對水的需求程度的差異。
表4 不同植被生長季內(nèi)生態(tài)需水量
Table 4 Ecological water demand in different vegetation growing seasons
億m3
植被 |
4月 |
5月 |
6月 |
7月 |
8月 |
9月 |
10月 |
林 地 |
149.93 |
169.23 |
159.34 |
162.95 |
154.07 |
125.39 |
103.15 |
灌 叢 |
124.53 |
142.22 |
137.13 |
144.87 |
135.54 |
108.69 |
85.89 |
草 地 |
39.58 |
47.10 |
46.56 |
47.67 |
44.15 |
35.75 |
28.17 |
旱 地 |
1.49 |
1.76 |
1.72 |
1.79 |
1.67 |
1.28 |
0.99 |
水 田 |
142.06 |
169.62 |
165.93 |
182.71 |
174.37 |
136.81 |
103.21 |
3.2.2生態(tài)需水量的空間變化特征
根據(jù)流域土地類型、土壤質(zhì)地、潛在蒸散量,利用GIS工具計(jì)算不同土地利用/覆蓋類型的的生態(tài)需水定額,統(tǒng)計(jì)得到林地、灌叢、草地旱地和水田的生態(tài)需水量(見表5)。結(jié)果表明,1981—2015年長江上游地區(qū)植被多年平均潛在蒸散發(fā)量為1 209.37 mm, 結(jié)果與黃會平[25]2015年測算的四川盆地及西南地區(qū)潛在蒸散發(fā)量相接近。各植被類型平均生態(tài)需水定額為482.07 mm, 水田生態(tài)需水定額最高,為1 073.97 mm; 旱地為744.39 mm; 林地為516.80 mm; 灌叢為410.56 mm; 草地生態(tài)需水定額明顯小于其他植被類型,為166.75 mm, 說明草地滿足自身生長所需的水分最低(見圖5)。研究區(qū)植被生態(tài)需水總量的多年平均值為4 668.43億m3,不同類型植被生態(tài)需水量差異較大,生態(tài)需水量由大到小為水田、林地、灌叢、草地和旱地,分別占流域植被生態(tài)需水總量的33.51%、31.28%、26.39%、8.51%和0.31%。
表5 不同植被類型面積及生態(tài)需水量
Table 5 area and ecological water demand of different vegetation types
植 被 |
面積/km2 |
生態(tài)需水定額/mm |
生態(tài)需水量/億m3 |
林 地 |
282 559 |
516.80 |
1 460.27 |
灌 叢 |
300 045 |
410.56 |
1 231.86 |
草 地 |
238 171 |
166.75 |
39.72 |
旱 地 |
1 960 |
744.39 |
14.59 |
水 田 |
145 680 |
1 073.97 |
1 564.55 |
表6 各水資源不同類型植被生態(tài)需水量
Table 6 Ecological water demand of different types of vegetation in different water resources
億m3
植被 |
金沙江 |
金沙江 |
岷沱江 |
嘉陵江 |
烏 江 |
宜賓至 |
林 地 |
138.11 |
571.53 |
359.44 |
158.17 |
137.23 |
95.49 |
灌 叢 |
171.89 |
369.83 |
78.21 |
229.13 |
186.33 |
196.03 |
草 地 |
212.52 |
126.81 |
52.72 |
5.07 |
0.00 |
0.00 |
旱 地 |
3.27 |
0.00 |
0.00 |
10.55 |
0.00 |
0.76 |
水 田 |
0.00 |
40.87 |
389.79 |
685.85 |
124.96 |
324.00 |
合 計(jì) |
525.80 |
1 109.03 |
880.16 |
1 088.77 |
448.52 |
616.28 |
長江上游地區(qū)各水資源分區(qū)植被生態(tài)需水總量不同,需水結(jié)構(gòu)存在差異。各分區(qū)植被生態(tài)需水量由大至小依次為金沙江石鼓以下、嘉陵江、岷沱江、宜賓至宜昌段、金沙江石鼓以上和烏江,分別為1 109.03億m3、1 088.77億m3、880.16億m3、616.28億m3、525.80億m3、448.52億m3,其中嘉陵江流域植被生態(tài)需水量約為烏江流域的3倍。各分區(qū)不同類型植被生態(tài)需水結(jié)構(gòu)也存在差異(見圖6),具體而言,嘉陵江流域和宜賓至宜昌段的水田生態(tài)需水量超過了分區(qū)內(nèi)生態(tài)需水總量的一半,占比分別為63%和53%,可知水田是兩區(qū)域生態(tài)需水的主要植被類型;林地在金沙江石鼓以下占比最高,為52%,岷沱江流域緊隨其后,為41%,嘉陵江流域和宜賓至宜昌林地生態(tài)需水量占比較較低,都占各自分區(qū)生態(tài)需水量的15%;灌叢生態(tài)需水量的比重在烏江流域比重最大,占41%,金沙江石鼓以上、金沙江石鼓以下和宜賓至宜昌段的灌叢生態(tài)需水量占分區(qū)需水總量的比重相近,在32%~33%之間,岷沱江流域灌叢生態(tài)需水量占比最小,為6%;草地生態(tài)需水量比重在各個(gè)分區(qū)差異較大,比重最高在金沙江石鼓以上,為40%,其次是在金沙江石鼓以下,為11%;旱地生態(tài)需水在各分區(qū)中占比都很小,可忽略不計(jì)。造成差異的原因主要有以下幾點(diǎn):各水資源分區(qū)土地利用格局不同,使植被生態(tài)需水量結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的地理分布差異;嘉陵江流域和宜賓至宜昌耕地尤其是水田相較其他分區(qū)比重較大,水土涵養(yǎng)能力較弱,加之耕地滿足自身生長所需的水分較大,因此生態(tài)需水量比重大,灌叢和草地生態(tài)需水量比重小;金沙江石鼓以下地處橫斷山系,流域?yàn)榍鹆甑貛?,覆蓋有發(fā)達(dá)的高山森林植被,因而林地需水比重較大。
4 結(jié)果討論
通過準(zhǔn)確計(jì)算流域生態(tài)需水量和分析生態(tài)需水的時(shí)空分布特征,以便利用調(diào)整作物結(jié)構(gòu)、規(guī)劃調(diào)水工程、提高水資源利用率等方法來緩解水資源壓力。根據(jù)各水文站點(diǎn)資料與河流生態(tài)需水量的對比,可以得出在天然徑流條件下,各水文站都能滿足河流基本生態(tài)需水量的要求,而且還有部分剩余水量,可作為河道外引用水。各水資源二級區(qū)河流生態(tài)需水量和植被生態(tài)需水量具有明顯的季節(jié)性,因此應(yīng)充分利用河流的上游水庫,在汛期蓄水,引洪灌溉,在非汛期或枯水年放水,既可以減少洪水帶來的災(zāi)害,又可保持河流基本生態(tài)需水量,同時(shí)為下游植被提供生長所需水量。
本文針對長江上游地區(qū)流域生態(tài)需水量進(jìn)行了一些探索,但研究中的數(shù)據(jù)資料和計(jì)算方法仍有待進(jìn)一步思考和完善。Tennant法及其推薦的基流百分比最初是分析美國11條河流斷面數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出的,故其適用范圍具有一定的局限性。我國學(xué)者將其引入國內(nèi)并進(jìn)行了一定的改進(jìn),并在黃河流域、海河流域和長江流域部分地區(qū)對該方法的適用性開展了初步研究。但對于長江上游地區(qū)生態(tài)流量的計(jì)算是否適用,仍需進(jìn)一步研究,基流劃分標(biāo)準(zhǔn)有待本地化。應(yīng)在充分了解區(qū)域生態(tài)因素和環(huán)境因素的基礎(chǔ)上,結(jié)合當(dāng)?shù)睾恿鞴芾砟繕?biāo)調(diào)整基流百分比,同時(shí)考慮季節(jié)性比例差異。另外,用Tennant法計(jì)算的河流生態(tài)需水量為1 022億m3,占總水量的24.50%。參考理論界認(rèn)為的生態(tài)需水占總水量的60%(另一種說法為40%),此計(jì)算結(jié)果是偏小的,因?yàn)楸狙芯恐挥?jì)算了河流基本生態(tài)環(huán)境需水,沒有考慮輸沙、沿程蒸發(fā)與滲漏、水面蒸發(fā)等方面的需水,后續(xù)可在研究區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,針對不同需求進(jìn)行估算,完善流域水資源信息。
本研究中植被系數(shù)Kc是根據(jù)以往的研究經(jīng)驗(yàn),采用的固定值,但實(shí)際上Kc不僅跟植被類型有關(guān),還與環(huán)境條件、潛水埋深、植被生長階段及長勢等因素有關(guān)。因此,在不同年份,水熱條件和植被生長期不同的情況下,植被需水節(jié)律是有差異的,Kc是一個(gè)動態(tài)值。后續(xù)可基于各分區(qū)的氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù),考慮地下水埋深和潛水蒸發(fā)等條件,對植被各生長階段Kc進(jìn)行分別計(jì)算。
5 結(jié) 論
(1)長江上游地區(qū)1981—2015年多年平均生態(tài)需水總量為5 690.84億m3,其中:金沙江石鼓以下生態(tài)需水量1 349.97億m3(植被1 109.03億m3;河流:240.94億m3);嘉陵江生態(tài)需水量1 250.61億m3(植被1 088.77億m3;河流:161.84億m3);岷沱江生態(tài)需水量1 084.54億m3(植被880.16億m3;河流:204.38億m3);宜賓至宜昌生態(tài)需水量810.75億m3(植被616.28億m3;河流:194.47億m3);金沙江石鼓以上生態(tài)需水量632.28億m3(植被525.80億m3;河流:106.49億m3);烏江生態(tài)需水量562.68億m3(植被448.52億m3;河流:114.16億m3)。
(2)依據(jù)Tennant法計(jì)算得到的長江上游地區(qū)河流1981—2015年多年平均生態(tài)需水量為1 022.29億m3,其中6—10月需水量占比最大,占總需水量的74.50%;枯水季節(jié)河道基本生態(tài)需水為117.75億m3,占總需水的11.52%。年際變化上來看,1980—2007年年均河流生態(tài)需水量呈下降趨勢,變化率為-5.29億m3/a。水資源二級區(qū)中,嘉陵江年均河流生態(tài)需水量變化率最大,為-3.63億m3/a。
(3)長江上游地區(qū)1981—2015年植被多年平均潛在蒸散發(fā)量為1 209.37 mm, 各植被類型平均生態(tài)需水定額為482.07 mm, 植被生態(tài)需水總量的多年平均值為4 668.43億m3。不同類型植被生態(tài)需水量差異較大,生態(tài)需水量由大到小為水田(1 564.55億m3)、林地(1 460.27億m3)、灌叢(1 231.86億m3)、草地(39.72億m3)和旱地(14.59億m3),分別占流域植被生態(tài)需水總量的33.51%、31.28%、26.39%、8.51%和0.31%。
(4)從1981—2015年的長期趨勢看,研究區(qū)整體植被生態(tài)需水總量增加了545.25億m3,但增量不明顯。其中,水田生態(tài)需水總量變化較為明顯,變化率為0.134 m3/a。灌叢、林地、旱地和草地生態(tài)需水量變化都不大,整體趨于平穩(wěn)。生長季內(nèi),各類型植被的生態(tài)需水主要集中在5—8月,占整個(gè)生長季全部需水的63.78%。
作者簡介:劉玉婷(1996—),女,碩士研究生,主要從事氣候變化下的生態(tài)水文格局響應(yīng)研究。*許繼軍(1971—),男,正高級工程師,博士,主要從事資源與環(huán)境領(lǐng)域科研規(guī)劃和技術(shù)咨詢工作。
引用:劉玉婷,許繼軍,劉思敏,等. 長江上游地區(qū)生態(tài)需水量變化研究[J]. 水利水電技術(shù)( 中英文) ,2021,52( 8) : 120-131. LIU Yuting,XU Jijun,LIU Simin,et al. Study on change of eco-water demand in region of upper Yangtze River[J]. Water Resources and Hydropower Engineering,2021,52( 8) : 120-131.
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