（农业水土工程专业论文）考虑灌区生态需水的水资源优化配置研究.pdf

摘要 在查阅大量资料和掌握相关数据的基础上，以定量分析为主导，对青铜峡灌区生态需水问题 进行了研究，对灌区生态用水量进行了定量化计算，并运用系统分析方法建立了考虑灌区生态需 水的水资源优化配置模型，提出了不同水平年灌区水资源合理配置的优化方案。研究结果对于实 现当地水资源的可持续利用，促进当地经济、社会、生态的和谐发展都具有重要的现实意义。 主要有以下几个方面的内容： ( 1 ) 通过分析，提出青铜峡河西灌区的生态需水主要包括湖泊湿地生态需水量、天然植被生 态需水量、城市生态需水量、人工防护林生态需水量、以及保持灌区脱盐进程的盐分淋洗需水量 等。针对每一类生态耗水分别构建了灌区湖泊湿地生态需水量、天然植被生态需水量、人工防护 林生态需水量、城市生态环境需水量及洗盐生态环境需水量的计算模型，为具体计算奠定了基础。 ( 2 ) 在充分掌握相关资料的基础上，采用各自的计算模型对青铜峡河西灌区各类生态用水量 进行了计算。计算结果表明：现状水平年( 2 0 0 5 ) ，灌区生态需水量为6 0 8 亿m 3 ，规划水平年( 2 0 1 0 ) 灌区生态需水量为6 5 6 亿m 3 。2 0 2 0 年灌区生态需水量为7 1 8 亿m 3 ，具体到各生态耗水要素， 则现状平水年灌区湖泊生态需水量为0 3 2 亿m 3 ，天然植被生态需水量为o 4 7 亿m 3 ，灌区周边防 护林带的生态需水为2 4 6 亿m 3 ，灌区中城市生态环境需水量为0 0 8 7 亿m 3 。洗盐用水2 7 4 亿 m 3 。 ( 3 )进行了青铜峡河西灌区的供需水量平衡分析，对灌区需水按城镇生活、农村人畜生活、 工业用水、生态环境用水和农业灌溉用水分别进行了计算。根据灌区的需水量和可供水量的分析 计算，进行了青铜峡河西灌区不同水平年水资源供需平衡分析，结果表明，随着节水措施的实施， 在规划水平年引黄水量逐渐减少的条件下，节约农业用水，以满足日益增加的工业_ i j 水和城市生 活用水，保证生态环境用水，同时地下水的利用程度逐步提高。水资源供需结构趋于合理，效益 提高。 ( 4 ) 在分析和掌握灌区有关资料的情况下，运用系统分析方法建立了考虑灌区生态需水的水 资源优化配置模型，采用理论与方法比较成熟的线性规划模型建立了水资源优化配置模型，同时 介绍了模型的求解过程，结果可知：该区水资源利用总量为5 4 8 亿m 3 ，其中生活用水为1 0 8 亿 m 3 ，生态用水为6 0 2 亿m 3 ，工业用水为2 1 5 亿m 3 ，农业用水为4 8 8 7 亿m 3 ，从资源供需角度 来说，没有超过该区可供水量5 5 2 6 亿m 3 ，表明在可供水范畴之内，水资源能够保证持续利用， 这说明水资源实际利用中存在的供需矛盾可以通过合理利用和配置水资源来解决，但是还需要提 高节水意识，减少水资源浪费。所建优化模型基本符合客观实际，可用于灌区水资源的优化管理 中 关键词：生态需水，水资源，优化配置，线性规划模型 a b s t r a c t g r e a td e a l so fr e f e r e n c es o u r c ew e r ec o n s u l t e d ，a n dal o to fr e l e v a n td a t aw e r eo b t a i n e d o nt h e s e g r o u n d , t h ep r o b l e ma b o u tt h e d e m a n do fe c o l o g i c a lw a t e ri nq i n g t o n g x i ai r r i g a t i o na r e aw a s r e s e a r c h e d t h r o u g ht h eq u a n t i t a t i v et e r m s ，t h ea m o u n to ft h ew a t e rd e m a n do re e o l o g yi nt h i sa r e aw a s c a l c u l a t e d a n dt h e n ，w i t ht h em e t h o do fs y s t e ma n a l y s i s ，ar e a s o n a b l eo p t i m i z a t i o np r o g r a mw h i c hc a n a l l o c a t et h ew a t e rr e s o u r c e ss c i e n t i f i c a l l yi nt h ei r r i g a t e da r 鼯sr e g a r d i n gt h ed i f f e r e n tl e v e l - y e a r s 1 1 1 e a n a l y s i sa n dt h ep r o p o s a lc a l lb eh e l p f u lt ot h es u s t a i n a b l eb s eo ft h el o c a lw a t e rt e s o b t c e s ，a n di nt h e m e a n w h i l e ，t h i sp a p e rc a nb ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo nt h eh a r m o n yd e v e l o p m e n to fl o c a l e c o n o m i c s o c i a la n de c o l o g i c a l t h i sp a p e ri n c l u d e sf o u rp a r t sa sf o l l o w e d 1 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so nag r e a td e a lo fd a t a ，t h ea m o u n to f w a t e rn e e d e di nq i n g t o n g x i ai r r i g a t i o n a r e aw a sw o r k e do u t s u c ha st h ea m o u n to fw a t e rn e e d e do nl a k ew e t l a n d ，n a t u r a lv e g e t a t i o ne c o l o g y , u r b a ne c o l o g y , a r t i f i c i a ls h e l t e rf o r e s te c o l o g ya n dt h ed e m a n do ns a l tl e a c h i n gw h i c hc a nk e e pt h e d e s a l i n a t i o np r o c e s sw e r el i s t e d t h e n ，t h em o d a l sa n dt h em e t h o d st oc o m p u t et h ed e m a n do ns om a n y f i e l d sw e l ed e s i g n e da c c o r d i n g l ya sar e s u l t ，t h es p e c i f i ca m o u n to fw a t e rd e m a n dw o u l db ew o r k e d o u te a s i l ya n ds c i e n t i f i c a l l y 2 ) w i t ht h em a t h e m a t i cm o d e l s ，t h ed a t aw e r em a d eg o o dl l s eo ft of i g u r eo u tt h ea m o u n to fa l lk i n d s w a t e rd e m a n di nq i n g t o n g x i ai r r i g a t i o na r e a 1 n l er e s u l t ss h o wt h a t ：i nt h es t a t u sq u ol e v e ly e a r ( 2 0 0 5 ) ， 6 0 8m i l l i o nm 3w a t e rw a su s e da se c o l o g i c a lw a t e r ；, i nt h ep | a n n i n gl e v e ly e a r ( 2 0 1 0 ) 6 5 6m i l l i o nm 3 w a sn e e d e df o re c o l o g y , a n d7 18m i l l i o nm w o u l db en e e d e di n2 0 2 0 i nd e t a i l s ，i n2 0 0 5 ，t h el a k e e c o l o g i c a lw a t e rd e m a n df o r0 3 2m i l l i o nm ，n a t u r a lv e g e t a t i o ne c o l o g i c a lw a t e rd e m a n df o ro 4 7 m i l l i o n 矗，i r r i g a t i o na r e as u r r o u n d i n gt h es h e l t e rb e l t se c o l o g i c a lw a t e rd e m a n df o r2 4 6m i l l i o nm ，i n t h ec i t y se c o l o g i c a le n v i r o n m e n ti r r i g a t i o nd i s t r i c tw a t e rd e m a n df o r t h eo 0 8 7b i l l i o nm 3 s a l tw a s h i n g w a t e rd e m a n df o r2 7 4m i l l i o nm 3 3 ) 1 1 1 eb a l a n c eb e t w e e ns u p p l ya n dd e m a n do nt h ew a t e ri nq i n g t o n g x i ai r r i g a t i o na r e aw a sa n a l y z e d a n dt h ed e m a n dw a t e rw a sd i v i d e di n t o5p a r t ss u c h 猫d e m a n df o rc i t yl i f e , f o rp e o p l ea n dl i v e s t o c ki n r u r a la r e a ，f o ri n d u s t r i a lw a t e r , e n v i r o n m e n t a la n da g r i c u l t u r a li r r i g a t i o nw a t e rt oc a l c u l a t er e s p e c t i v e l y r e s u l ts h o w e dt h a t ，、i mt h ei m p l e m e n t a t i o no fw a t e r - s a v i n gm e a s u r e s , u n d e rt h es i t u a t i o nt h a tt h e w a t e rf r o my e l l o wr i v e rr e d u c e dg r a d u a l l y , e c o n o m i z i n ga g r i c u l t u r a lw a t e ri no r d e rt oi n c r e a s et h e s u p p l yw a t e rf o ri n d u s t r ya n de i t yl i f ea n dg h l l s u r et om e e tt h ee c o l o g i c a lw a t e rd e m a n dw o u l db eag o o d w a yt oi m p r o v et h eu s eo fg r o u n dw a t e r s o t h es t r u c n l r eo fs u p p l ya n dd e m a n do nt h ew a t e rw o u l db e m o r er e a s o n a b l e ，a n dt h eb e n e f i tw o u l db ei m p r o v e da c c o r d i n g l y 4 ) i nc o n c l u s i o n ，o p t i m i z a t i o na l l o c a t i o nm o d e lf o re c o l o g i c a lw a t e rd e m a n di ni r r i g a t i o na r e aw a s i i i e s t a b l i s h e d 谢mt h es y s t e m i ca n a l y s i sm e t h o da n do p t i m i z a t i o na l l o c a t i o nm o d e lf o ra l l o c a t i o no f w a t e r r e s o u r c e sw i mt h el i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e lw h i c hi sm o r em a t u r eb o t h0 1 1t h e o r i e sa n dm e t h o d s w h a t sm o r e ，b o t ho ft h etw om o d e l se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e ra r eo b j e c t i v ea c c o r d i n gw i t hr e a l i t y , a n d c a nb eu s e dt oo p t i m i z et h ea d m i n i s t r a t i o no ft h ew a t e rr e s o u r c e s k e yw o r d s ：e c o l o g i c a l 肠航w a t e rr e s o u r c e s ；o p t i m a la l l o c a t i o n ；l i n e a rp r o g r a m m i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 研究生签名 时间：渺孑年为钿 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位 论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名， v 蝴 时间：a 秒参聿 二鬻 撰 蛰 ( 时 。急乏舞 k 矿、 。帮j曼多吾芏二j o 链 籀焚 鼗 、 、 卜蕾、一 弓。疆人硕i j 学f t 论之钨二夸肯 f c 岐河两滞f 溉i 圮 2 1 1 自然地理概况与经济状况 青铜峡河两游区是我国古老的特人型灌区之一，位于宁夏北部，黄河上游下段，属黄河河 套平原( 前套) 的重要组成部分。，南起青铜峡水利枢纽，北至= f 一嘴山，矾抵贺：! 山，东至鄂尔多斯 台地西缘，北纬3 7 。3 6 3 9 。2 3 ，东经1 0 5 。3 77 1 6 0 。5 9 ，为j 。夏平原地势最低之处， 游区内总耕地面积3 6 4 万亩，折合6 2 万1 l m 2 现灌溉面积3 3 万h m 2 ，占总十地面积的5 3 ，其 中自流3 0 万h m 2 ，扬水3 万h m 2 。青铜峡灌区包括青铜峡市河两、银川、贺兰、平罗、惠农、大 武口等七个市县( 区) ，自治区首府银川位居其中。 在开发宁夏境内丰富的煤炭资源和利j j 六十年代内迁工业企业的基础上，建起了银川、石嘴 山、吴忠、青铜峡等j j 业基地，形成了煤炭、电力、机械、冶金、化工、建材、轻纺、皮革、仪 器等以能源丁业、高耗能工业、机械工业为骨干的工业体系。在整个： 业结构中，重工业所占比 重人，轻- t 业所占比重小。在重j r 业内部，能源工业，高耗能工业、机械工业是j 。夏重工业的三 人支柱。在轻丁业内部，食晶工业、造纸t 业和纺织工业占有重要的地位。 2 1 2 河流水系 青铜峡河西灌区主要河流有黄河干流及其支流。 黄河干流白j 。夏中卫县南长滩入境，流经卫j 。灌区至青铜峡水库，进入青铜峡灌区至年i 嘴山 市头道坎以下麻黄沟出境，宁夏境内流程3 9 7 k m ：其中青铜峡灌区内流程2 7 5 k m ，占黄河宁夏段全 长的6 9 3 。多年平均径流量以1 9 5 6 年1 9 9 5 年4 0 年系列计算，下河沿入境水量为3 1 7 亿m 3 。 1 9 8 6 年以来，由于龙羊峡水库投入蓄水运行，年来水量明显偏小，1 9 8 6 1 9 9 5 年下河沿站平均 来水量只有2 7 1 7 亿m 3 。 灌区以黄河为界分为河东、河西两部分，河东、河西灌区平原面积分别为4 7 7 9 k m 2 和8 7 2 1l 【l n 2 ： 灌溉面积分别为1 2 1 万亩和3 7 4 万亩。现有总干渠、干渠及主要支干渠1 8 条，总长1 0 8 4 3 h n ， 其中己砌护1 4 3 8 h n ，砌护率1 3 3 总引水流量6 0 31 1 1 3 s ，年引水总量6 6 4 亿m 3 。骨干排水沟 道2 4 条，总长6 6 0 1 h m ，控制排水面积6 2 8 7 万亩，排水能力5 5 8 6m 3 s ，总排水量4 1 o 亿i n 3 ， 引排差2 5 4 亿m 3 ，排引比0 6 2 0 灌区根据引水方式的不同，分为自流灌区与扬水灌区。自流灌区由河西、河东自流灌区组 成：扬水灌区由陶乐扬水、盐环定扬水和渠道边缘扬水组成。下图为青铜峡河西灌区主要排水沟 道概况表和青铜峡河西灌区主要引水渠道： 宁夏j ：7 - 硕卜化论之筑一一：牵卉锕坎河两澎k 噘况 曼篁苎! ! ! 曼! 皇曼曼! 曼! 毫曼- - - - -i _ 2 - - - - _ m , n 皇曼曼曼曼 表2 1青铜峡河西灌区主要排水沟道概况表 渠道兴建 流经县市长度( 妣)排水 排水支沟 年代 能力面积 条数k 度 m 3 sl 锄2 ( k m ) 河西灌区4 5 7 73 3 4 83 4 2 9 人坝沟1 9 6 2 矩青铡峡1 0 53 o3 9 6 中沟 1 9 6 4 年 青铜峡 2 0 91 0 07 9 6 反帝沟 1 9 7 0 钜 青铜峡 1 7 21 5 o6 0 02 32 9 中滩沟 1 9 6 5 钲 青铜峡 2 4 5l o 06 2 8 胜利沟1 9 7 4 盆 青铜峡 7 85 o2 5 68 一排 1 9 5 1 年 青铜峡、永宁 2 6 43 5 o2 0 6 087 2 中十沟 1 9 7 4 壬e 永宁 2 4 51 1 o5 5 62 77 4 永清沟 1 9 6 4 钲 永宁 2 2 51 8 55 2 8 3 38 4 5 永二干沟 1 9 7 0 年 永宁、银川 2 6 2 1 5 51 2 4 03 7 二二捧1 9 5 2 年银川、贺兰3 2 92 5 o2 8 7 07 91 6 4 银新沟1 9 7 3 年银川、贺兰3 3 84 5 01 2 6 0 四排1 9 5 6 年银、贺、平4 3 75 4 37 4 4 05 52 3 7 五排 1 9 5 7 钜 贺、平、惠 8 7 25 6 55 9 2 09 63 3 2 三排 1 9 5 3 拒 贺、平、惠 8 0 o3 1 0 9 4 7 0 4 7 1 2 3 宁疆，i 学硕i | 伊论之第：帝t 弩锕帔河而滞f i o 。c 平均积 温3 6 3 0 3 8 3 0 c ，平均日照时数2 8 7 0 - 3 0 8 0 h ，无霜期1 6 4 d 。由于灌区内长期大规模的灌溉增加 了空气中的水汽含量，土壤平均温度和近地气层的平均气温降低，昼夜温度变化趋于平缓，起到 了缓解干旱气候的作用，形成了局地的类似于沙漠中绿洲的气候。 2 3 土地资源及利用状况 青铜峡河西灌区涉及7 个县市，灌区总土地面积1 2 3 1 4 万亩，土壤类型主要有九人类，以灰 钙士和灌淤土面积最大分别占2 5 左右，其余依次为潮土、盐土、风沙土、新积土、沼泽土、龟裂 碱士、泥炭土等。见表2 - 9 1 6 宁q ：，弼ii 。学f 7 论文第一：帝青锕峡河两滞k 概况 表2 - - 9青铜峡河西灌区土地利用状况表单位：万亩 单位 项日 十地总面耕地 园地 林场草场城乡水域其它 积t 矿 合计 1 2 5 7 9 5 3 6 4 0 4 8 0 1 6 5 2 05 9 4 0 53 1 3 04 6 9 05 1 7 0 惑农 2 2 2 3 03 8 3 2 00 0 03 1 6 01 3 4 7 08 2 06 7 02 5 0 ，f 罗3 1 0 08 6 6 0o 5 03 8 7 01 2 4 9 0o 8 01 5 6 04 2 9 0 贺兰 1 8 4 3 06 8 30 6 02 3 1 0 7 6 7 05 4 0 8 6 01 6 0 银川2 1 0 6 5 1 8 01 9 03 4 7 0 9 0 5 0l o 5 09 1 03 1 0 永宁 1 4 5 7 06 0 1 0o 5 01 4 4 06 5 4 01 3 03 6 00 4 0 青铜峡河西( 脱0 5 )e 珏o )q 9 0 )忽7 0 )l 两)6 1 )8 3 。)也勋 备注 括n 内的数据为青制峡市河两川i 区灌区面积 目前灌区边缘尚有人片宜农荒地8 2 0 万亩( 毛面积) ，主要分布丁唐徕渠、西干渠及贺兰山 东麓和尔干渠边缘，海拨1 3 0 0 m 以下；自流灌区内部有零星荒地3 8 万亩，合计灌区共有宜农荒地 2 0 0 万亩。 青铜峡河西灌区不仅荒地资源丰富，而且中低产田面积分布也较，“泛。据有关资料统计，1 9 9 1 年青铜峡河西灌区中低产田面积为2 0 0 9 万亩，占耕地面积的7 l ，经过十几年的农业综合 开发，目前尚有中低产面积2 2 0 万亩，占耕地面积的4 5 8 灌区中低产田主要是盐碱型，约占中 低产田面积的9 0 ，其次是瘠薄型和渍涝型。中低产田土要分布在银北地区，约占灌区中低产田 面积的6 3 6 ，见表2 8 表2 - 1 0 青铜峡河西灌区中低产田与盐渍化面积统计表单位：万亩 灌区中低产田盐渍化地 小计中产田低产田 小计微盐化轻盐化中盐化重盐化 地地地地 青铜峡2 2 0 01 2 8 09 2 01 9 7 77 2 35 6 24 1 12 8 1 灌区 河西灌 1 8 0 01 0 6 07 4 01 6 5 06 1 04 7 o3 4 02 3 o 区 1 银南4 0 03 0 ol o o2 5 01 1 o7 o4 o3 o 2 银北 1 4 0 07 6 06 4 01 4 0 05 0 04 0 03 0 o2 0 0 宁夏大学硕l ：q - 位论文第：章青铜岐河两灌防概况 2 4 灌区水利建设情况 河西灌区建国前有排列的唐徕、大清、汉延、惠农四大干渠和有南北布设的东沟、西沟、黑 阴、黄阳、北大、西大登沟。这些渠沟大都弯曲狭小、饮水排水均欠畅通，再加上大水漫灌、重 灌轻排，导致灌区内积水、湖泊星罗棋布，尤其是中部居多，故有“七十二连湖”之说，地下水 充斥成灾。 建国后在整修旧渠开挖新渠的同时，新建和改建了排水沟道。经过4 0 多年的建设，全灌区 水利及排灌系统基本配套，结束了历史上有灌少排的局面。 青铜峡河西灌区的灌溉主要以引黄河自流灌溉为主，在唐徕渠、大清渠、汉延渠、惠农渠、 西干渠和泰民渠等六大干渠从河西总干渠引水，流经青铜峡、永宁、银川、贺兰、平罗、惠农等 六县市，干渠总长6 1 3 2 6 k i n 。目前，灌区内有能够正常运行的扬水站1 5 1 座，扬水灌溉面积超过 5 0 0 0 亩的有6 座，各类机井6 4 4 3 眼。灌区内有3 4 0 万亩农田基本上能够得剑保证灌溉，完整的 灌溉体系基本上建成。下图为青铜峡河西灌区灌溉设施表2 - 1 1 表2 - 11青铜峡河西灌区灌溉设施表 主干渠项目 渠道长度引水能力引水量 支斗渠数量 灌溉面积 支斗渠 ( 公里)( m a s )( 亿3 )( 条)( 万亩)口( 座) 西十渠 l 王2 54 5 o5 3 46 94 9 7 唐徕渠1 5 4 61 6 9 01 6 86 9 61 1 6 26 9 5 惠农渠1 7 5 08 5 o1 0 15 2 91 0 8 05 2 9 汉延渠8 8 69 0 o8 4 72 7 84 9 72 7 8 大清渠 2 5 02 3 02 5 57 4l o o7 4 泰民渠 4 7 o2 0 o1 3 19 96 o9 9 合计 6 0 2 74 2 3 04 4 63 3 9 6 2 5 灌区灌溉节水潜力 宁夏是我国水资源最匮乏的省区。水资源短缺是宁夏回汉各族人民谋求生存与发展的最大资 源制约因素。进入2 1 世纪，面对工业化、城市化和生态环境建设的需求，产业之间、部门之间、 地域之间的用水矛盾更显尖锐，水资源紧缺形势更为严峻。近期，在黄河水源不能增加的情况下， 只能从区内节流着手，通过水资源的合理调配、优化配置，提高水资源的利用效率，来缓解用水 1 8 宁夏人学硕l ：学侮论文第二葶青铜峡；r i 两灌l 墨溉况 矛盾，保障经济、社会的发展和生态环境的改善。节流的关键是农业节水，突破口是建设节水型 灌区。远期( 2 0 1 0 年后) ，一方面要继续抓好节水型社会建设，另一方面要着力开源，在南水北调 不同阶段，不失时机地争取增加可耗用黄河水量，从根本上解决水资源对生存与发展的制约问题。 2 0 0 0 年，农业用水量 总用水量的9 2 8 ，农业耗水量占总耗水量的9 4 8 ，水资源基本耗 用于农业，农业节水无疑是缓解j 。夏水资源供需矛盾的关键，据2 0 0 0 年宁夏水资源公报报 道，全区总供水量中，黄河水占9 2 ，黄河水的9 2 ( 7 3 3 3 亿m 3 ) 又被引入宁夏中卫市、中宁县和青 铜峡市两市自流灌区，因此，减少两灌区的引黄水量，建设节水型灌区是农业节水的突破口。 2 6 目前灌区水资源利用存在的问题 河西灌区水资源开发利用现状及存在问题土要有： ( 1 ) 水资源配置不合理，造成农业用水浪费；农业是个用水大户，占总量的8 0 多，这样占用了其 他部i j 的用水，限制七工业等部门的发展，水资源利用率较低，农业灌溉人引大排，用水管理粗放， 农田灌溉仍然淌“大锅水”，田间灌水量大，水量浪费大，综合灌溉定额7 0 5 0 m 3 h m 2 ，渠道及田间渗 漏十分严重，大量水资源消耗于无效蒸发，灌区年引水量高达4 5 5 4 亿m 3 ，排水量2 5 0 8 亿i n 3 ，大引 大排加大了灌排工程规模，不利于灌区工程的改造和管理，也造成了水资源浪费。 ( 2 ) 省水灌溉技术不普及，大水漫灌严重，不仅造成了水资源的浪费而且抬高了地下水位。地下水 位的太高，造成土壤的盐渍化，进一步使得中低产田地面积逐年增多。 ( 3 ) 在水资源配置时没有考虑或很少考虑生态环境用水。很多年以来在当地水资源的分配过程中， 只有凭经验和统计进行水量的分配，这样造成有些地方水量过于充沛而被浪费，有些地方水量缺 少致使生产下降，甚至在分配过程中的暗箱操作的问题严重。把洗盐用水等都被考虑在农业用水 中，没有把灌区的生态环境重视起来，直到现在灌区的生态环境恶化才开始注意了，但是实际的 行动还没有付诸于实施。 1 9 宁夏大学硕f ：学位论文第一章生态需水计算 曼曼皇蔓皇! 曼皇曼曼曼曼皇曼曼鼍曼曼曼鼍曼曼曼曼曼量曼皇曼皇曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼鼍量舅! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼鼍ii ；ii i i = u 皇曼曼曼鼍曼曼曼皇曼曼曼 第三章生态需水量计算 随着我国社会经济的发展和入口的大量增加，人类活动对生态环境的影响越来越大，由此引发 的生态环境问题日益突出，流域生态环境中出现的危机主要表现在：水体污染、河道断流、河道 泥沙淤积、河道萎缩、河口和灌区生态环境恶化及水生生态系统退化等。生态环境的恶化在局部 地区对社会经济发展、人民生活水平的提高产生了严重影响，生态环境缺水是导致生态环境质量下 降的主要原因之一。 生态需水量是一个临界值，当现实水生生态系统的水量一水质处于这一临界值时，生态系统维 持现状，生态系统基本稳定健康：当水生生态系统的水量大于这一临界值，水质好于这一临界值时， 生态系统则向更稳定，初级生产量增加的方向演替，使水生生态系统处于良性循环的状态；否则， 低于这一临界值时，水生生态系统将走向衰败，最后干涸，导致沙漠化。从以上的分析，定义流域生态 需水量是指为改善生态环境质量或维护生态环境质量不至于进一步下降时生态系统所需要的最 少水量和在这一水量下生态系统能够忍耐的最差水质。 下图为生态环境需水量等级与系统健康健康 疾病临界 建健康 糜 一 藩 中等 级 一。寸 较健廉 疾病临界 需水量等级 图3 1 生态环境需水量等级与系统健康健康 3 1 生态需水量的概念 生态环境需水是近几年提出来的概念，理论研究发展很快，目前与生态环境需水相关的名词有很 多【3 5 删，如生态用水、生态耗水、生态需水等，其中对生态环境需水及生态耗水研究偏多，生态 环境需水研究尚未形成统一的学科体系。由于生态环境需水涉及面比较广，对生态环境需水的研 究一般视研究者的认识、研究的对象以及研究的目的的不同而不同。此外，我们还有许多相关和 几个混淆概念要区分开来，主要有需水用水生态需水生态用水生态环境用水等。现列表区分： 宁夏人学硕i 学他论文第i 章生态需水计算 表3 1几个重要概念的区分 名称定义备注 需水需水足一个状态值强调为了维持某种状态或达 到某种程度而需要的水量 需水与用水是不同层次的两个概 念 用水用水是一个动态的概念，强调在发展过程中实际 消耗的水量 生态需水维持某种生态系统功能或维持某种生态平衡所 需要具备的水量，这种动态平衡系统为生态系 统提供所需的一定质量和数量的水以维持物种严格的讲，生态j 环境足分属两个 的多样性和生态完整性，这部分所需的水即为生不同学科但是在含义上有重叠的 态需水量。生态用水则是指生态系统在自然发展概念，在很多不具备分别探讨生态 过程中实际消耗的水资源总量需水与环境需水的条件时，如果将 生态需水和环境需水综合考虑就 会自然的提出“生态环境需水量”， 环境需水环境泛指围绕某一中心一人类群体的生存环境 可见做好生态需水和环境需水预 的空间及其介质，一般包括自然和社会环境。环 测，对整个生态环境的意义至关重 境需水实质就是为满足自然、社会的各种功能健 要。做好现状和规划状态下的生态 康所需要的水量。只有在明确 需水估算，有利于水利规划，有利 目标的前提下环境用水才会被赋予具体的含义 于生态环境调控与管理，更有利于 水资源的优化配置 生态环境用水生物所在环境中的各种生态因子( 环境中对生物 有直接作用的因子) 所构成的综合体称为生态环 境，其维持生态系统水分平衡所需要的水量叫做 生态环境需水量 2 1 宁夏人学硕i 。学何论文第二审生态需水汁算 从广义上讲，维持全球生物地球化学平衡如水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等所消耗的水分 都是生态环境需水( 刘昌明等，1 9 9 6 ) 。对生态环境脆弱区，生态需水应当指维护生态环境不再进 一步恶化逐渐改善所需地表水和地一f 水资源问题，对荒漠绿洲来说，生态需水是指对绿洲景观的 稳定和发展及绿洲环境质量维持和改变起支撑作用的系统所消耗的水量( 贾宝全1 9 9 8 ) 。干旱地区 半干旱区的生态需水，是指符合生态保护目标且对景观维持及环境状况改善起支撑作用的系统， 为维持其平衡所要消耗的水分( 王芳1 9 9 9 ) 。“九五”国家重点科技攻关项目西北干旱区水资源 与生态环境评价研究第一次明确提出了“生态环境需水”可操作性的计算方法。生态需水量是 指为维持地表水体特定的生态环境功能，天然水体必须储存和消耗的最小水量。在实际计算中， 生态环境需水量分为三部分：( 1 ) 河流基本生态环境需水量，是指维持河流系统最基本的生态环 境功能所需要的最少水量；( 2 ) 河流输沙排盐需水量，指为维持河流形态和盐分的动态平衡，在 一定输沙、排盐要求下所需要的水量；( 3 ) 湖泊洼地生态环境需水量，指为维持湖泊洼地的水体 功能而消耗于蒸发的水量( 李丽娟2 0 0 0 ) 。但迄今为止，由于国内生态需水的研究起步较晚， 理论和方法还不够完善，再由于生态需水量研究涉及到的学科较多，问题极其复杂，因此目前还 没有一个明确的生态需水定义，同时，生态需水与生态用水、生态耗水、环境需水概念常容易引 起混淆，对生态需水概念的外延理解争议还较多。因此在干旱半干旱地区研究中严格界定相关的 概念是十分重要的。根据青铜峡河两灌区的实际情况，生态用水则是指生态系统在自然发展过程 中实际消耗的水资源总量，根据天然生态和人工生态的区分，可以把生态环境用水分为天然生态 用水和人工生态用水两大类。本文生态需水量计算主要包括天然植被和林草地生态需水、湖泊生 态需水、洗盐用水。 区域生态需水量与生态系统水资源调控模式研究目前处于探索性研究阶段，因此存在许多有 待研究的问题：对区域生态系统水资源调控模式的研究缺乏系统性、完整性；区域生态需水量的 概念体系还没有形成，从而给区域生态需水量定量计算带来了困难；目前用天然植被生态需水量 的方法来计算天然植被生态需水量是否合适，还值得进一步研究：对受损区域生态系统恢复和重建 所需水量的研究较少；生态系统是一个开放系统，易受到干扰。生态系统需水与水资源开发利用相 互作用，相互影响机理也是有待研究的薄弱环节等等这些问题。这就给区域生态蓄水量计算带来相 当大的困难。 3 2 生态需水量计算方法 干旱区绿洲生态环境与生产、经济效益具有高度的统一性，良好的生态环境不仅是获取高经 济效益的基础和保证，而且更是绿洲可持续发展的必需，对于灌区来说意义更是重大，而如何才 能更好地维护、恢复、重建绿洲生态系统和建设生态型的灌区，则取决于在干旱区严重缺水的现 状下能否保证生态系统最低限度的用水量；同时，对干旱区内陆河流域水资源在工农业用水、生 活用水、生态用水三者之间进行合理定量的分配，是实现流域内经济、生态、社会和谐发展的首 要问题，生态需水的确定可以为干旱区水资源的合理配置、土地资源利用以及产业部门的合理布 宁夏人学顾f j 学f 节沦文第j 章牛态需水汁算 曼皇曼曼鼍。一一i 一一 iiii m l ；一1 一。皇曼曼曼皇曼曼! 曼! 曼曼曼皇曼! 苎曼皇曼曼曼曼皇曼曼 局提供依据，从而使得干早区社会经济的持续发展得以实现。基本思想是：先确定满足区域内各 种植被生艮所需的地f 水位，然后确定要保持该地下水位所需的最小水量，此水量即为该区域的 生态水需水量。本文针对青铜峡河西灌区的实际情况，主要是人工生态需水量计算和天然植被生 态需水量计算；其中人工生态需水量计算包括人工林草地生态蓄水量、城市绿地需水量和洗盐用 水量计算即改良盐碱士的生态需水；天然植被生态需水量计算包括天然植被生态需水量和湖泊生 态需水量。 3 2 1 人工生态需水量计算 人工生态需水是指通过人工的方式进行灌溉如林草地，城市绿地等所用的耗水量。本文计算 的主要是人工林草地和城市绿地的生态需水量计算。 ( 1 ) 人工林草地生态需水计算 以某一区域某一类型植被的面积乘以其生态用水定额，计算得到的水量即为生态需水，以前的 水资源的利用中，人工林草生态需水是农业用水的一部分，本文在计算时从农业用水中分出来。 其计算公式为： 形：y 彤：y 4 n 厶一一 ( 1 ) 式中w ：人工生态需水量5 a i ：植被类型的面积； r t ：植被类型的生态用水定额7 该方法是本文要采用的方法。该方法适用于基础工作较好的地区与植被类型。计算的关键是要确 定不同生态需水类型植被的生态用水定额。 对于林草地生态需水的计算还有很多的方法：赵博，王铁良，周林飞，杨培奇等【4 7 1 用直接计算法和间 接计算法来计算人工林草地生态需水的。对于林地而言，林地蒸散量是林地生态需水的消耗量。 土壤含水量是非消耗量。杨志峰，崔保山浏静玲【删建立了数学模型，分别计算了沼泽湖泊湿地、城 市河湖、河道内流量问题和林地生态需水量的计算。 。；。 彤= 窆a 。风- i - 兰a i 阢 ”v - 、j 厮= 。a a 风 。阢 其中林地生态需水量的计算 胃百 式中w f ：林地生态环境需水量： a i ：林地面积： a ：田间持水量或饱和持水量百分比； h 。：土壤厚度，取1 5m ，e t ：为蒸散发； i ：表示所计算的第i 块林地： n ：为所计算的林地总数： j ：表示月份； 林地生态系统为维护自身生长、发挥生态功能所需要消耗和占用的水资源量，包括林地蒸散量和土 壤含水量两种形式旧1 。杨志峰等对林地生态需水量的计算方法，生态需水量( e q w ) 的计算公式如 下： s w c - - w a h 中夏人学硕f j 学位论文第三市生态需水计算 e t j = ( e t q ) jx a 10 0 0 e t q i - s w c + e t j 1 2 e w q = s w c + e t i ( 3 ) j = l 式中s w c ：植被区土壤含水量m 3 ； w q ：植被区土壤单位体积含水定额； a ：植被区域面积m 2 ； h ：土壤深度m ； e t j ：为第j 月植被区蒸散量m 3 ； ( e t q ) j 为第j 月的植被区蒸散定额1 1 1 1 1 1 ； e t q j 为第j 月生态需水量1 1 1 3 ； e w q ：为植被区年生态需水量i l l 3 ； 还有很多的方法计算林草地生态需水量，但是主要都是探索性的估算，还没有形成完整的理 论。 ( 2 ) 城市绿地生态需水计算 城市绿地生态需水是指为了改善城市环境而人为补充的水量。城镇绿化用水采用定额法进行 估算。 形= 胍= 彳m ( 4 )厶一 一 | ， 式中w ：城市绿地生态需水量； a t ：不同地区绿地的面积； r i ：不同地区绿地的生态用水定额； 需要强调的是城市绿地用水主要是抽取的地下水为主，对黄河水的使用微少。 3 2 2 天然植被生态需水量计算 天然植被生态需水是指天然植被依靠地下水的补给来维持生态，所以地下水的埋深对天然植 被的发展起决定性的作用。生态埋深是指为地下水位既不能使得土壤产生沼泽化又能防止天然植 被自然死亡的地下水埋置深度。植被具有蓄水、防风、固沙、防治碱化等重要作用，是生态系统 最基本的组成部分，是防止生态系统功能衰退最关键的因素。水又是其虽重要的生态环境因子， 生态系统在水资源短缺的情况下会导致植被迅速退化，因此，必须充分保证植被生态系统用水量， 才能使植被生态系统趋于稳定，不至于进一步恶化。 天然植被生态需水计算方法目前较多，归纳可以分为两大类【5 0 】：一类是“直接”法，基本思 想是：研究某一区域的生态需水时，首先确定其植被各类及各自面积，再确定各类植被的需水定 额，进而算出该区域的生态需水量：第二类是“间接”法。除了上两种方法之外还有土壤湿度法、 潜水蒸发蒸腾等。其中潜水蒸发量是一个重要的变量，其计算方法有很多，如彭曼公式、阿维里扬 诺夫公式、潜水蒸腾公式、道尔顿经验公式、沈立昌公式、清华公式等，阿维里扬诺夫公式求得 宁夏人学硕i 学何论文第三章生态需水计算 蔓曼曼曼曼曼曼曼皇曼! 皇曼曼! 曼量! 皇曼i i i i - - 一m m m m1 1 1 i i ；i i 曼曼曼曼! 皇! 曼曼曼! 曼曼 计算关系式为： w g i _ e 2 。( 卜h i h 。) “ n - - l 3( 5 ) 其中：h ；：地下水的埋深( m ) ； h 。：潜水蒸发的极限埋深( m ) ； e ：2 0 m 蒸发池水面蒸发量( m 3 ) ； 在此基础上进行修正本文采用以下公式进行天然植被生态需水量的计算： 厶g = 地o( 6 ) 式中：e g ：天然植被生态需水量i t i i i i ； e o ：2 0 m 蒸发池水面蒸发量m 3 ； k ：植被系数； 在干旱地区，维持植物群落适宜生长的地下水位被称为生态地下水位。生态水位是指能够充分发挥 地下水对生态环境的控制作用，即满足生态环境要求不造成生态环境恶化的地下水位。它是由一 系列满足生态环境要求的