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基于生态功能考虑的西北干旱地区生态需水研究

来源：花图问答

第32卷第9期2007年9月

环境科学与管理

ENVIRONMENTALSCIENCEANDMANAGEMENTVol132No19Sep.2007

文章编号:1673-1212(2007)09-0145-04

基于生态功能考虑的西北干旱地区生态需水研究

李强坤,丁宪宝,胡亚伟,孙娟

(1.黄河水利科学研究院,河南郑州450003;2.黄委会三门峡库区水文水资源局,河南三门峡452000)

摘　要:在当前生态需水研究的基础上,选取植被盖度作为衡量绿洲生态功能的主要指标,根据植被盖度和侵蚀率之间的关系,从生态系统的需水机理出发,提出了基于生态功能考虑的西北干旱地区生态需水量计算方法。以额济纳绿洲为例,计算了2000年额济纳绿洲生态需水,并与额济纳绿洲不同时期的生态需水进行了对比分析。

关键词:生态功能;植被盖度;生态需水;额济纳中图分类号:X171.4文献标识码:A

StudyonEcologicalWaterRequirementsBasedonConsiderations

ofEcologicalFunctionsinNorthwestAridRegions

LiQiangkun,DingXianbao,HuYawei,SunJuan

(1.YellowRiverInstituteofHydraulicResearch,YRCC,Zhengzhou450003,China;

2.SurveyBureauofHydrologyandWaterResoursesofSanmenxiaReservoir,YRCC,Sanmenxia452000,China)Abstract:Inthecurrentstudyingonthebasisofecologicalwaterrequirements,selectedvegetationcoverageasakeyindica2torsaboutmeasureofOasisecologicalfunction.Accordingtotherelationshipbetweenvegetationandtherateoferosion,meantimeconsideredtothemechanismofeco-systemandbasedonconsiderationsofecologicalfunctions,themethodtocalculateecologi2calwaterrequirementsinnorthwestaridregionwasputforward.TakingtheEjinaoasisforinstance,thispapercalculatedtheeco2logicalwaterrequirementsin2000,andhaddoneacomparativeanalysisoftheecologicalwaterrequirementsofEjinaoasisatdif2ferenttimes.

Keywords:ecologicalfunctions;vegetationcoverage;ecologicalwaterrequirements;Ejina

　　随着人口数量的增加及其社会经济的发展,人与自然的冲突日益加大,由此而诱发的生态环境问题也愈益突出。其中由于水资源的不合理运用所导致的生态环境问题引起了人们的高度关注和重视,生态需水一度成为研究热点之一。1995年,Gleick提出了基本生态需水量(Basicecologicalwaterre2quirement)的概念,指出提供一定数量和质量的水给天然生境,以求最大程度地改变天然生态系统的过

[1]

程,并保护物种的多样性和生态整合性;1999年Baird等针对各类型生态系统的基本结构和功能,较详细地分析了植物和水文过程的相互关系,强调了

[2]

水作为环境因子对自然保护和恢复的作用。与此

收稿日期:2007-04-12

基金项目:科技部社会公益研究专项资金项目(2001DIB10079)作者简介:李强坤(1968-),男,河南灵宝人,硕士,高级工程师,主要

从事生态水文与环境水文等方面研究工作。

同时,国外研究也提出了许多生态需水的计算方法,

[3]

应用较多的如Tennant法、枯水频率法(7Q10)、

[4]

R2CROSS法、IFIM(InstreamFlowIncremental

[5]

Methodology)法等;国内对生态需水的研究始于

[6]

20世纪80年代末期,1989年,汤奇成提出生态用水问题,之后不少专家、学者都根据各自的理解和认识对生态需水的概念、计算方法等,从不同的角度进行了探讨。综合国内现有研究,生态需水一般分为河道内和河道外两部分,河道内生态需水计算多采用前述国外提出的一些方法,河道外方法则主要有:面积定额法(蒸散发法)、水量平衡法、地下水动量变幅法、彭曼公式法等等,但由于生态系统组成的复杂性以及研究方法的局限性,即使对同一区域,不同学者计算出的生态需水量也不尽相同,个别区域甚至差别很大,这说明了生态需水计算理论、方法的不成熟,尚有进一步探讨的必要。

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1　植被盖度和生态水平

绿洲是干旱地区人类赖以生存的基础,也是干旱区经济发展的承载体。绿洲中的林、灌、草各级植被所构成的土地覆盖,对于减缓强风的侵蚀作用,减少地表扬尘,具有明显的防护作用。植被作为地理环境的重要组成部分,是影响土壤风蚀最活跃的因素,植被覆盖程度越高,则土壤风力侵蚀越小,反之,则风力侵蚀越大,绿洲植被覆盖程度的高低与土壤风蚀量的大小密切相关。因此,绿洲生态水平的高低可以借助绿洲植被覆盖程度这一指标进行衡量,从而使生态水平这一抽象概念在研究过程中具体化。植被盖度(Vegetationcoverage)是植物学上的一个概念,指植物群落总体或个体地上部份的垂直投影面积与样方面积之比的百分数,是反映植物群落覆盖茂密程度的一个重要量化指标。植被盖度的高

[7]

低与土壤风蚀量之间关系密切,据董治保等人应用风洞模拟试验,在风速为1217m/s的条件下,植被盖度和风蚀率之间的关系见图1。

生理活动所需的生理需水以及维持生物群落所处环境能够持续的环境需水(区别于一般意义上的环境用水)。其次,生态需水还应与确定的生态系统相对应,也就是说,生态需水是一个确定的生态系统的需水量,离开了这个确定的生态系统,泛谈生态需水没有任何实际意义。这一点可以从以下三方面理解:(1)空间性。不同的生态系统具有不同的区域空间范围,不同的区域空间又具有不同的地质、水文、气象等客观条件,并决定着不同的生态种类组成;(2)时间性。生态系统的变异伴随着时间的变异,时间是确定生态系统的基本测度;(3)目标性。不同的生态目标就有不同的生态需水,确定了时空尺度后,生态需水还应与一定的的生态目标相联系。综合上述理解,结合当前研究现状,生态需水可概括为:特定区域一定规模一定生态水平下,维持生物体自身生存以及维持生物体所需生境条件的需水量之和。2.2　生态需水计算

从前述生态需水概念出发,生态需水可以划分为两部分:维持生物群落正常生理活动所需的生理需水以及维持生物群落所处环境能够持续的环境需水,用式2表示为:

(2)W=W1+W2式中:W———生态需水量(10m);

W1———植物生长蒸腾需水量,生理需水(10

m);

图1　风蚀率与植被盖度之间的关系

W2———植被群落间潜水蒸发量,环境需水

(10m)。

进一步拟合,植被盖度和风蚀率之间的关系可

用式1表示。

-5c

(1)E=830114×(8120×10)

式中:E———侵蚀率(g/min),单位时间(1min)内土

样的风蚀量(g);c———植被盖度(%)。

从图1中可以看出,植被盖度对土壤风蚀作用的影响可分为三个阶段:(1)植被盖度在60%以上时,土壤风蚀率为零;(2)随着植被盖度减少,风蚀率开始缓慢增加;(3)当植被盖度减少至25%左右时,风蚀率突然增加,这一趋势一直维持到植被全部消失。说明在同一风速下,随着植被盖度的变化,土壤风蚀的质和量都在发生变化。

植物生长蒸腾需水量除与植被本身的叶面蒸腾强度有关外,还与植被的覆盖度有关,覆盖度越大,蒸腾叶面表面积越大,在相同的蒸发强度下蒸发量越大,则导致需水量越大。这一关系可用式3表示:

W1=

∑∑ET

×Aij×Pi

(3)

432

式中:ETi———i类植物生长蒸腾耗水量(10m/km);

Aij———i类植物j种盖度的面积(km);Pi———i类植物的盖度(%)。

2　生态需水研究

2.1　生态需水认识

确切地说,生态需水指的是一个确定的生态系统

为了维持一定的动态平衡所需要的水量。由于生态系统是由生物群落及其生存环境共同组成的一个动态平衡体,因此生态需水应当包括维持生物群落正常・146・

植被群落间裸地的潜水蒸发量包括两部分:一是植物株间的潜水蒸发,二是植被覆盖区植物非生长期的潜水蒸发,因而有:

(4)W2=E1+E2

式中:E1———植物株间的潜水蒸发量(10m);

E2———植被覆盖区植物非生长期的潜水蒸发

量(10m)。

植物株间的潜水蒸发量是指研究区内未被植物覆盖的区域的蒸发量,其值大小与研究区的植被盖度有很大关系,计算公式如:

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E1=

∑∑A

ijk

×Euk×(1-Pi)

(5)

式中:Aijk———计算区域i类植物j种盖度在地下水

埋深条件k下的面积(km);

Euk———埋深条件k下的潜水蒸发强度

(10m/km)。

植被覆盖区植物非生长期的潜水蒸发量是指在植物非生长期,由于植物叶面脱落,覆盖度减小,也即在植物生长期被覆盖而在植物非生长期未被覆盖的区域发生的潜水蒸发量,其值大小与植被覆盖度也有很大关系,如式6所示:

E2=

被生长蒸腾耗水量ETi、埋深条件k下的潜水蒸发强度Euk、埋深条件k下植被覆盖区非生长期的潜水蒸发强度Evk以及计算区域i类植物j种盖度在地下水埋深条件k下的面积Aijk、植物盖度Pi。其中前三个称作基本参数,受计算区植被状况、水文气象等因素影响,可以通过必要试验,由研究区客观条件决定;后二个参数称作计算参数,由所计算范围的具体情况而定。

3　研究实例以额济纳绿洲为例,应用上述计算模型对额济纳绿洲2000年生态需水进行计算。3.1　研究区概况

额济纳绿洲位于内蒙古自治区阿拉善盟额济纳旗,处于中国第二大内陆河—黑河尾端,年均降水量不足40mm,蒸发量高达2500mm以上,属极端干旱区。历史上,依靠黑河来水,额济纳绿洲得以生存维系并一度颇具规模。解放后特别是20世纪80年代以来,随着黑河流域社会经济的发展和人类活动的加强,黑河来水逐渐减少,额济纳地区地下水位持续下降,绿洲植被退化,生态功能日益衰退。

根据2000年卫星影像及实地调查验证资料,额

济纳绿洲总面积为3328km,各分区面积、植被盖度见表1。

∑∑A

ijk

×Evk×Pi

(6)式中:Evk———埋深条件k下植被覆盖区非生长期的潜水蒸发强度(10m/km)。

从以上计算过程可以看出,在生态需水计算的式3、5、6中都含有植被盖度,因此,以上公式计算出的生态需水是一定植被盖度下的生态需水量。由于植被覆盖程度的高低与土壤风蚀量的大小密切相关,绿洲生态水平的高低又可用植被盖度这一指标进行衡量。因此,在生态需水量计算过程中考虑到植被盖度的影响,就等同于在一定程度上考虑到了绿洲的生态水平,所计算的生态需水量就是在一定生态水平下的生态需水量,从而使生态需水量与生态水平具有高度的一致性。

上述计算公式中共有五个参数,分别是:i类植

河　　段狼心山～纳林河口纳林河口～布都格斯昂茨河水闸～东居延海漠农湖～东居延海纳林河进水闸～分水闸分水闸～棵棵吉格达棵棵吉格达～曙光水闸曙光水闸～纳林河尾端狼心山～老西庙老西庙～杜金桃来杜金桃来～乌兰苏海杜金桃来～乌兰苏海狼心山～四号老西庙～达赛公路孟克图水闸～叩克敖包

零星绿洲合　　计

0～88～5050～7777～1010～5959～113113～163113～1630～130～470～56

表1　2000年额济纳绿洲情况统计表

桩号(km)

0～1818～50110～160

绿洲分布位置沿河两岸沿河两岸及纳林河口沿八条支流分布七、八道河下游沿河两岸沿河两岸沿河两岸零星、斑状分布沿河两岸及河滩沿河两岸及河滩沿河两岸干流两侧各6km

沿河两岸沿河两岸沿河两岸

面积(km2)

16.267.5672230821016.214.4141.6167.46062510.451.750.4987.23328

覆盖度(%)

30～4030～4050～705～1040～605～1020～4010～2050～7040～6030～505～740～6040～6020～40

・147・

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3.2　参数确定

计算过程中各参数按照以下方法确定:埋深条件k下的潜水蒸发强度Euk、埋深条件k下植被覆盖

地下水埋深区间(m)年潜水蒸发量(104m3/km2)

0～162.15

1～220.95

2～37.07

区非生长期的潜水蒸发强度Evk根据额济纳地区地

中渗透仪测定的潜水蒸发量与地下水埋深之间的关系,见表2中有关数据取值。

3～42.38

4～50.80

5～60.27

6～70.097～80.0.3

表2　额济纳地区不同地下水埋深区间年潜水蒸发量

　　植物生长蒸腾耗水量ETi采用“九五”科技攻关

项目(96-912)实测蒸腾法试验分析结果,见表3。

表3　额济纳绿洲几种主要植物的年蒸腾耗水量

植物蒸腾量

(104m3/km2)

胡杨沙枣林

100～120柽柳、梭梭

1～3苦豆子、胖姑娘等2～3

芦苇1～2

　　不同植被盖度所对应的地下水埋深参照当地相关试验区调查资料确定,限于篇幅不再一一列出;计算区域i类植被j种盖度在地下水埋深条件k下的面积Aijk、植被盖度Pi依据各分区植被种类、盖度组成分别取值。3.3　结果与讨论

应用前述模型计算2000年额济纳绿洲生态需

水量为5.30亿m,见表4。

草地

合计

需水量

(亿m)0.762.122.38

表4　2000年额济纳绿洲生态需水量计算结果

胡杨

需水类型

面积(km2)

283283283

灌木

需水量

(亿m)1.560.151.53

面积

(km)581581581

需水量

(亿m)0.350.360.46

面积

(km)246424642464

面积

(km)332833283328

需水量

(亿m3)2.672.635.30

植株蒸腾潜水蒸发小　　计

　　近年来,随着额济纳绿洲生态问题的突出,有关单位、学者都对额济纳绿洲的生态需水问题进行了详细的分析和论证,虽然时间、空间尺度不尽一致,但相

[8]

互之间可做一定的参考类比:(1)高前兆等针对20世纪80年代额济纳绿洲生态水平,根据当时农田、林地、草场等人工调查面积以及相应植被的耗水定额,

估算额济纳绿洲生态需水总量为6178亿m;根据绿洲区不同部位地下水蒸发强度及各类植被蒸腾量估

算,额济纳绿洲生态需水量为7157亿m;(2)内蒙古自治区水利科学研究院针对1995年额济纳绿洲生态水平,综合分析,认为:1995年条件下,额济纳绿洲共

需河水7150亿m,少于5170亿m时则植被退化;(3)扬国宪[9]针对2000年额济纳绿洲,选取研究面积

2937km,依据地下水变动幅度计算生态需水量为

5101亿m。20世纪80年代以后,随着黑河尾水的减少,额济纳绿洲是一个衰退的过程,植被盖度降低,绿洲面积萎缩,生态功能降低。上述一系列计算结果说明,随着额济纳绿洲的变异,其生态需水量是一个逐渐减少的过程,同时也证明了生态需水的空间性和时间性。另外,由于植被种类和盖度的变化,生态需水变化并不是简单的线性叠加或外延趋势,说明生态需水与一定的生态水平相对应。

题。凡是联系到与水相关的生态系统自然发育、气候变化和人类活动干预下的生态系统退化等问题,都需要回答维系生态系统所需求的水分或者河川径流等问题。文章选取植被盖度作为衡量绿洲生态功能的主要指标,根据植被盖度和侵蚀率之间的指数关系,在当前生态需水研究的基础上,从生态系统的需水机理出发,提出了基于生态功能考虑的西北干旱地区生态需水量计算方法。以额济纳绿洲为例,计算了2000年额济纳绿洲生态需水,并与额济纳绿洲不同时期的生态需水进行了对比分析,说明生态需水具有空间性、时间性和目标性的特点,一定量的生态需水必然与一定的生态水平相对应。

参考文献:

[1]GleickPH.WaterinCrisis:PathstoSustainableWa2terUse,EcologicalApplications[J].1996,8(3):571-579.

[2]BairdAJ,WilbyRL.Eco-hydrology.PlantsandWaterinTerrestrialandAquaticEnvironments[M].Routledge,London,UK,1999.

[3]CaissieD.,EI-JabiN.,BourgeoisG.Instreamflowevaluatioubyydrologically-basedandhabitatpreference(hydrobiological)sechniques[J].ReuSciEau,1998,11(3):347-363.

[4]Mosely.M.P.Theeffctofchangingdischargeonchan2nalmorphologyandinstreamusesandinabraideriver,OhauRiver,NewZealand[J].WaterResourcesResearches.1982,18:800-812.

4　结语

生态需水是生态水文学中的一个重要研究课・148・

(下转第156页)

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王晓华・循环经济与木材资源利用

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表1　木材废弃物的能量转换方式

燃料

能量转换过程燃　　烧

气化

木材废弃物

热化学转换

油化碳化

生物化学转换

发酵(乙醇)

液体燃料热能、电能利用形态

　　通过对木材进行400℃～600℃左右的气化热

处理,就可以产生可燃气体,再利用这个可燃气体对燃烧产生的木材灰烬在1300℃以上的高温下进行熔融处理,这样就不会出现废弃物,产生的热能可以用来发电;急遽加热木材至500℃～600℃,可以使其油化;通过热处理可以使其碳化,除了利用其热能以外,还可以得到碳素素材,同时通过使用等离子放电等手段,还可以生产高性能的碳化物。通过热分解还可以生产甲醇、二甲醚,以它们为动力用作燃料的研究正在进行。

化学转换的主要产品是以纤维素为主要成分的纸浆和纸。通过发酵,可以把木材废弃物中含有的

[8]

纤维素糖化,从而可以产生甲烷和乙醇。通过对木材废弃物施加生物处理,可以把木材转化为有机肥。目前,世界上以木材废弃物为原料,热电联产(Cogeneration)型的能源生产正在不断扩大。燃料成型机、燃料用锅炉的开发也在不断有新的进展。

确保废弃物回收处理的义务和责任。从而达到抑制

天然资源的消费,减轻环境压力的目标。

二是通过学校教育、培训和大众传媒对公众环境意识进行培养,使循环经济成为公众的共识,形成良好的社会氛围,使消费者和企业经营者自觉按“零排放”的理念安排生活、从事生产活动。使公众在生产和消费中形成注重环境保护,节约资源和能源,避免废弃物产生的行为规范。鼓励企业经营者不断采用先进技术对废弃物进行处理。

三是要增加科技投入,鼓励科技人员开展对木材高度加工利用、废弃物处理和再利用等技术问题开展科技攻关。要加强多学科、多领域协同攻关,并给予政策上的倾斜,争取短期内在废弃木材的生物、化学、能源转化等领域取得经济实用的高科技成果。

参考文献:

[1]伍绍中.循环经济是经济发展的新增长点[J].社会

科学,1998(10):18-19.

[2]诸大建.循环经济与上海可持续发展[J].上海环境

科学,1998(10):1-3.

[3]安田八十五.ごみ󰁼󰂭社会をめざして-循　型社

会󰁸󰁺ƒ󰂠の　築と実践-[M].　京:日報,1999.

[4]三　規宏.󰁼󰂭󰁩󰂟≤󰁸󰂧󰂳と日本経　[M].　

京:岩波　店,1997.

[5]鲍甫成.中国木材科学近期主攻方向[J].世界林业

研究,1994(6):1-5.

[6]郭萌,崔积常.循环经济与上海可持续发展[J].上

4　几点建议

如上所述,科学技术的进步为木材资源利用过

程中发展循环经济,实现“零排放”开拓了广阔的前景,但要实现真正意义上的“零排放”,还需要进行多方面的努力。其中最重要的有三个方面。

一是国家应通过制定相应的政策和法规,建立起循环经济发展的体系来保证“零排放”的实施。这样的政策和法规应当把“零排放”的概念反映出来,即抑制废弃物的发生量、规定资源的循环利用、

海环境科学,1998(10):1-3.

[7]JohnB.Zucaro,RobertR.Reen.TheSecondForest:FillingtheWoodSourceGapWhileCreatingtheEnvironmentalPerformanceBoardofthe21stCentury[G].29thInternationalParticleboard/CompositeMaterialsSymposium,WashingtongStateUniversity,April6,1995.

[8]KobayashiM,TsukamotoK,TomitaB.Applicationofliquefiedwoodtoanewresinsystem-synthesisandpropertiesofliquefiedwood/epoxyresin[J].Holzforshcung,2000,54:93-97.

(上接第148页)

　　[5]GoreJA,KingJM,Hamman,KCD.Applicationofthe

InstreamFlowIncrementalMethodologytoSouthernAfricanRiv2ers:ProtectingEndemicFishoftheOlifantsRiver[J].WaterSaWasadv,1991,17(3):225-236.

[6]汤奇成.塔里木盆地水资源与绿洲建设[J].自然资

[7]董治宝,陈渭南,董光荣,等.植被对风沙土风蚀作

用的影响[J].环境科学学报,1996,10(4):437-442.

[8]高前兆,等.黑河水资源合理开发利用[M].兰州:甘

肃科学技术出版社,1990:75-80.

[9]杨国宪,候传河,韩献红,等.黑河额济纳绿洲生态

源,1989(6):28-34.与水[M].郑州:黄河水利出版社,2006:100-102.

・156・

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