河道外生态环境用水计算的探讨

1、东北水利水电 2006年第 2期 (第 24卷 259期 收稿日期 2005-12-01作者简介 董 岚 (1972- , 安 徽 蚌 埠 人 , 讲 师 , 从 事 水 资 源 相 关 课 程 教 学 工 作 。文章编号 1002-0624(2006 02-0022-03河道外生态环境用水计算的探讨董 岚 1, 单 丽2(1. 沈阳农业大学高等职业技术学院 , 辽宁 沈阳 110122; 2. 辽宁省水文水资源勘测局 , 辽宁 沈阳 110003摘 要 本 文 介 绍 了 河 道 外 生 态 环 境 用 水 的 有 关 概 念 及 其 计 算 方 法 , 并 结 合 实 例 对 河 道 外

2、生 态 环 境用 水 的 计 算 方 法 进 行 了 探 讨 。关键词 河 道 外 ; 生 态 环 境 用 水 ; 计 算 方 法 中图分类号 X3文献标识码 A生 态 环 境 用 水 一 般 可 分 为 两 大 类 来 进 行 计 算 , 即 河 道 内 生 态 环 境 用 水 及 河 道 外 生 态 环 境 用 水 。 河 道 内 生 态 环 境 用 水 是 指 流 水 所 占 据 的 河 道 及 与 其 相 连 的 河 岸 湿 地 、 湖 泊 和 河 口 的 生 态 环 境 用 水 , 而 河 道 外 生 态 环 境 用 水 则 是 指 河 道 以 外 陆 域 以 及 不 与 河 道 之

3、 间 相 通 的 湿 地 、 湖 泊 的 生 态 环 境 用 水 。 河 道 内 生 态 环 境 用 水 与 每 条 河 流 的 特 性 关 系 密 切 , 计 算 方 法 差 别 很 大 , 本 文 仅 就 河 道 外 生 态 环 境 用 水 , 探 讨 其 计 算 方 法 。在 生 态 环 境 用 水 的 研 究 中 , 除 了 要 明 确 研 究 目 的 、 计 算 内 容 (项 目 外 , 还 要 研 究 科 学 的 计 算 方 法 , 才 能 得 到 符 合 实 际 并 能 指 导 水 资 源 配 置 利 用 的 结 果 。 生 态 环 境 用 水 实 际 上 包 括 保 护 生 态

4、 环 境 与 改 善 生 态 环 境 两 个 方 面 的 用 水 量 。 因 此 , 河 道 外 生 态 用 水 应 包 括 :水 土 保 持 用 水 、 林 业 生 态 工 程 用 水 、 城 镇 生 态 用 水 、 非 通 河 湖 泊 生 态 用 水 、 非 通 河 湿 地 生 态 用 水 和 地 下 水 回 灌 用 水 。 对 于 生 态 环 境 用 水 的 计 算 或 预 测 , 要 以 流 域 为 单 元 进 行 , 因 为 以 流 域 为 单 元 便 于 计 算 流 域 水 资 源 的 供 需 平 衡 情 况 。 对 于 某 些 跨 省 (自 治 区 的 大 流 域 , 可 先 以

5、 省 (自 治 区 为 单 元 计 算 , 然 后 再 综 合 计 算 流 域 的 生 态 环 境 用 水 量 。1水土保持生态环境用水的计算方法水 土 保 持 生 态 环 境 用 水 主 要 包 括 人 工 造 林 (乔 灌 用 水 、 人 工 种 草 用 水 、 淤 地 坝 或 拦 沙 坝 用 水 、 梯 田 用 水 和 生 态 修 复 (封 育 用 水 。 水 土 保 持 生 态 环 境 用 水 的 计 算 方 法 有 水 保 法 和 水 文 法 两 种 方 法 。水 保 法 , 也 叫 成 因 分 析 法 。 它 是 根 据 水 土 保 持 试 验 站 对 各 项 水 土 保 持 措

6、施 减 水 减 沙 作 用 的 观 测 资 料 , 按 各 项 措 施 分 项 计 算 后 逐 项 相 加 , 并 考 虑 流 域 产 沙 在 河 (沟 道 运行 中 的 冲 淤 变 化 , 以 及 人 类 活 动 的 新 增 水 土 流 失 数 量 等 来 计 算 水 土 保 持 减 水 减 沙 的 一 种 方 法 。 该 方 法 是 从 成 因 方 面 分 析 计 算 流 域 的 水 沙 变 化 , 其 优 点 有 3个 :一 是 能 清 楚 地 了 解 各 项 措 施 在 流 域 水 沙 变 化 中 的 作 用 ; 二 是 能 检 查 分 析 水 文 法 计 算 结 果 是 否 合 理

7、; 三 是 能 预 测 水 沙 变 化 的 趋 势 。 根 据 目 前 研 究 资 料 成 果 , 在 水 保 法 坡 面 措 施 减 水 减 沙 计 算 中 , 存 在 两 种 方 法 即 “ 以 洪 算 沙 法 ” 和 “ 成 因 分 析 法 ” , 这 两 种 方 法 亦 可 根 据 洪 水 和 泥 沙 的 相 对 关 系 形 象 地 称 为 串 联 法 和 并 联 法 。水 文 法 , 是 利 用 水 文 泥 沙 观 测 资 料 分 析 水 土 保 持 减 水 减 沙 作 用 的 一 种 方 法 。 其 基 本 原 理 是 根 据 对 降 雨 、 径 流 和 产 沙 基 本 规 律 分

8、 析 , 建 立 计 算 水 土 保 持 减 水 减 沙 作 用 的 降 雨 产 流 产 沙 模 型 。 目 前 , 产 流 产 沙 模 型 可 以 分 为 两 类 :经 验 性 模 型 (统 计 模 型 和 概 念 性 模 型 。 经 验 性 模 型 是 按 照 水 文 统 计 相 关 建 立 治 理 前 流 域 产 流 产 沙 模 型 , 然 后 将 治 理 后 降 雨 条 件 代 入 还 原 计 算 相 当 于 治 理 前 的 产 流 产 沙 量 , 再 与 治 理 后 实 验 水 沙 量 比 较 , 从 而 求 得 水 土 保 持 措 施 减 水 减 沙 效 益 , 这 种 方 法 统

9、 称 为 经 验 性 模 型 或 统 计 模 型 ; 概 念 性 流 域 产 流 产 沙 模 型 是 基 于 侵 蚀 力 学 、 水 力 学 、 水 文 学 及 泥 沙 运 动 力 学 等 基 本 理 论 , 利 用 多 种 数 学 方 法 , 把 侵 蚀 产 沙 、 水 沙 汇 流 及 泥 沙 沉 积 的 物 理 过 程 经 过 一 定 的 简 化 , 用 数 学 形 式 表 达 出 来 的 因 变 量 与 自 变 量 之 间 的 关 系 。 它 是 随 着 研 究 的 不 断 深 入 而 建 立 的 一 种 流 域 产 流 产 沙 模 型 。本 文 仅 讨 论 采 用 水 保 法 进 行

10、水 土 保 持 坡 面 措 施 生 态 环 境 用 水 的 计 算 , 水 土 保 持 坡 面 措 施 生 态 环 境 用 水 一 般 包 括 人 工 造 林 (乔 灌 用 水 、 人 工 种 草 用 水 和 梯 田 用 水 3项 。 这 3项 生 态 用 水 均 可 采 用 定 额 法 进 行 计 算 :222006年第 2期 (第 24卷 259期 东北水利水电W i =1qi Ai(1式 中 Wi 某 项 水 土 保 持 坡 面 措 施 生 态 用 水 量 , 万 m 3; q i 某 项 水 土 保 持 坡 面 措 施 生 态 用 水 定 额 , m 3/hm 2; A i 某 项 水

11、 土 保 持 坡 面 措 施 有 效 保 存 面 积 , hm 2。(1 水 土 保 持 坡 面 措 施 有 效 保 存 面 积 (Ai的 确 定 。水 土 保 持 坡 面 措 施 有 效 保 存 面 积 (Ai是 确 定 水 土 保 持 措 施 生 态 用 水 量 最 重 要 的 参 数 之 一 , 对 计 算 结 果 的 精 度 有 着 重 要 的 影 响 。 我 国 主 要 生 态 环 境 建 设 类 型 区 的 各 县 级 以 上 行 政 区 一 般 都 有 分 年 度 的 水 土 保 持 措 施 统 计 资 料 , 但 由 于 受 统 计 方 法 、 人 为 误 差 等 诸 多 因

12、素 的 影 响 , 行 政 统 计 资 料 的 水 土 保 持 坡 面 措 施 有 效 保 存 面 积 与 实 际 情 况 出 入 很 大 。 因 此 , 需 要 调 查 核 实 和 校 正 。水 土 保 持 坡 面 措 施 有 效 保 存 面 积 的 调 查 核 实 与 校 正 可 采 用 典 型 调 查 法 , 即 在 每 个 行 政 县 内 , 根 据 其 自 然 社 会 经 济 特 征 , 选 取 35个 进 行 实 地 调 查 统 计 水 土 保 持 措 施 的 数 量 、 质 量 及 分 布 状 况 , 并 利 用 航 片 测 绘 或 GIS 等 方 法 对 梯 田 、 造 林 、

13、 种 草 的 保 存 面 积 进 行 校 对 。 根 据 典 型 行 政 乡 的 可 靠 数 据 对 非 典 型 行 政 乡 的 统 计 数 据 按 比 例 进 行 折 算 、 校 正 。(2 水 土 保 持 坡 面 措 施 生 态 用 水 定 额 (q i 的 确 定 。 水土 保 持 坡 面 措 施 生 态 用 水 定 额 (qi是 指 单 位 面 积 某 项 水 土 保 持 坡 面 措 施 的 年 减 水 量 , 单 位 为 m 3/hm 2或 者 万 m 3/km 2。 q i 可 采 用 频 率 分 析 法 来 确 定 , 频 率 分 析 法 的 原 理 是 :在 径 流 小 区 统

14、 计 系 列 内 , 分 别 计 算 水 土 保 持 坡 面 措 施 及 对 照 区 的 径 流 量 及 对 应 的 汛 期 降 雨 量 , 得 出 各 项 措 施 在 不 同 径 流 量 频 率 、 不 同 雨 量 等 级 下 的 减 水 量 。 代 表 径 流 小 区 坡 面 减 水 量 的 确 定 。代 表 径 流 小 区 的 选 择 。 在 综 合 考 虑 影 响 水 土 流 失 主 要 因 子 及 径 流 场 (区 布 设 、 观 测 系 列 等 客 观 实 际 的 基 础 上 , 代 表 小 区 的 资 料 系 列 应 该 具 有 代 表 性 , 即 有 一 定 年 限 的 观 测

15、 系 列 (n 10 , 在 系 列 内 部 成 因 的 径 流 量 应 能 满 足 常 规 分 析 中 丰 、 平 、 枯 各 种 情 况 下 的 频 率 分 布 。措 施 区 与 对 照 区 系 列 的 确 定 。 如 :梯 田 农 耕 地 、 人 工 林 荒 草 坡 、 人 工 牧 草 宜 牧 坡 耕 地 等 。统 计 资 料 。 各 对 比 区 的 系 列 年 份 要 求 一 致 (n 相 等 , 且年份一一对应 。 逐年统计各小区措施 区 、 对照区年径流 量即观测系列内历年汛期降雨量 。措 施 减 水 量 频 率 分 析 。 依 据 各 系 列 措 施 区 径 流 量 与 对 照

16、区 径 流 实 测 值 , 分 别 求 出 各 自 的 经 验 频 率 曲 线 , 然 后 采 用 目 估 配 线 法 分 别 拟 合 各 自 的 皮 尔 逊 型 理 论 频 率 曲 线 , 同 频 率 对 照 区 径 流 皮 尔 逊 型 理 论 频 率 曲 线 与 措 施 区 径 流 量 皮 尔 逊 型 理 论 频 率 曲 线 的 差 值 , 即 为 某 一 频 率 下 措 施 区 的 减 水 量 。不 同 降 雨 下 的 减 水 量 分 析 。 由 于 小 区 降 雨 量 与 措 施 减 水 量 存 在 着 明 显 正 相 关 关 系 , 可 将 不 同 径 流 量 频 率 下 的 减 水

17、 量 转 化 为 不 同 降 雨 下 的 减 水 量 。 其 方 法 是 :点 绘 不 同 小 区 汛 期 降 雨 量 经 验 频 率 分 析 曲 线 , 用 皮 尔 逊 型 理 论 频 率 曲 线 概 化 , 计 算 统 计 参 数 (P , CV, C S 。 采 用 频 率 对 应 的 方 法 , 便 可 将 不 同 径 流 量 频 率 下 的 减 水 量 转 化 为 不 同 降 雨 下 的 减 水 量 。 流 域 坡 面 措 施 减 水 量 (减 水 定 额 的 确 定 。 代 表 小 区 的 减 水 量 不 能 直 接 应 用 于 大 面 积 流 域 上 , 也 就 是 说 , 小

18、区 不 能 直 接 推 算 大 区 或 更 长 。 这 是 因 为 影 响 小 区 与 大 区 减 水 量 的 因 素 存 在 着 点 面 差 异 和 地 区 差 异 。 点 面 差 异 是 指 诸 如 降 雨 的 分 布 不 均 匀 性 , 天 然 流 域 内 坡 面 上 各 部 位 的 产 流 强 度 及 措 施 质 量 、 分 布 、 治 理 水 平 等 功 能 因 素 的 差 异 ; 地 区 差 异 是 指 由 于 土 壤 侵 蚀 类 型 区 的 不 同 而 导 致 降 雨 产 流 水 平 的 差 异 。 因 此 , 小 区 推 大 区 就 是 要 消 除 其 点 面 差 异 和 地

19、区 差 异 。流 域 坡 面 单 项 措 施 减 水 量 (减 水 定 额 的 公 式 为 : q i =q 1i (2式 中 qi 流 域 坡 面 单 项 措 施 减 水 量 (减 水 定 额 , m 3/hm 2或 者 万 m 3/km 2; q 1i 代 表 小 区 单 项 措 施 减 水 量 , m 3/hm 2或 者 万 m 3/km 2; 为 点 面 修 正 系 数 , 即 为 流 域 平 均 降 雨 量 与 代 表 小 区 平 均 汛 期 降 雨 量 的 比 值 ; 为 地 区 产 流 水 平 改 正 系 数 , 即 为 流 域 平 均 径 流 模 数 与 代 表 小 区 所 在

20、 地 区 平 均 径 流 模 数 的 比 值 。 对 于 代 表 小 区 所 在 的 流 域 , =1。 根 据 公 式 (2 可 以 求 出 任 意 年 份 和 多 年 平 均 汛 雨 量 下 的 流 域 坡 面 某 单 项 措 施 的 减 水 量 。 这 里 将 对 应 与 多 年 平 均 汛 雨 量 下 的 流 域 坡 面 某 单 项 措 施 的 减 水 量 , 称 为 流 域 坡 面 该 单 项 措 施 的 减 水 定 额 。2植被生态环境用水的计算方法水 土 保 持 坡 面 措 施 生 态 用 水 中 的 人 工 造 林 (乔 灌 用 水 、 人 工 种 草 用 水 和 林 业 生

21、态 工 程 中 的 人 工 造 林 (乔 灌 用 水 统 称 为 旱 地 植 被 生 态 环 境 用 水 , 简 称 为 植 被 生 态 环 境 用 水 。 植 被 生 态 环 境 用 水 均 可 采 用 上 述 的 定 额 法 来 计 算 ,而 公 式 (1 中 的 用 水 定 额 (qi除 了 可 采 用 频 率 分 析 法 确 定 以 外 , 还 可 采 用 蒸 散 发 法 来 确 定 。 蒸 散 发 法 又 可 以 分 为 彭 曼 公 式 法 和 实 测 法 。(1 彭 曼 公 式 法ET=P Rn+Ea +1(3式 中 ET 可 能 蒸 散 量 , 亦 称 潜 在 蒸 散 量 , m

22、m/d , 该 值 完 全 由 当 地 气 候 条 件 决 定 ; / 标 准 大 气 压 下 的 温 度 函 数 , 其 中 为 平 均 气 温 T 时 饱 和 水 气 压 随 温 度 的 变 率 , 即 de a /dt 。 其 中 , e a 为 气 温 T 时 的 饱 和 水 气 压 , t 为 温 度 ; = 0.66hPa / , 为 湿 度 常 数 ; P 0/P 海 拔 高 度 影 响 温 度 函 数东北水利水电 2006年第 2期 (第 24卷 259期 频率 (%汛期降雨 (mm 梯田 (万 m 3/km 2人工造林 (万 m 3/km 2 人工种草 (万 m 3/km 2

23、hPa , P 为 计 算 地 点 的 平 均 气 压 , hPa ; Rn 太 阳 净 辐 射 , 以蒸 发 的 水 层 深 度 计 , mm/d , 可 用 经 验 公 式 计 算 或 从 查 表 求 得 或 用 辐 射 平 衡 表 直 接 测 取 ; E a 干 燥 力 , mm/d , E a =0.26(1+0.54u(e a -e d , 其 中 e d 为 当 地 的 实 际 水 气 压 , u 为 离地 面 2m 高 处 的 风 速 , m/s 。(2 实 测 法 。 通 常 所 说 的 实 测 法 就 是 将 某 地 区 某 种 植 被 类 型 蒸 散 发 的 多 年 观 测

24、 值 的 平 均 值 作 为 该 地 区 植 被 类 型 的 用 水 定 额 。3城镇生态环境用水的计算方法城 镇 生 态 环 境 用 水 包 括 绿 地 用 水 、 河 湖 景 观 娱 乐 用 水 和 环 境 卫 生 用 水 。 这 里 仅 讨 论 绿 地 用 水 问 题 , 城 镇 绿 地 用 水 可 采 用 定 额 法 来 进 行 计 算 :W 绿 =1q 绿 A 绿式 中 W 绿 绿 地 生 态 用 水 量 , 万 m 3; q绿 绿 地 生 态 用 水 定额 , m 3/hm 2; A 绿 绿地面积 , hm 2, 可直接采用统计数据 。4河道外生态环境用水的计算实例本 文 以 地

25、处 太 子 河 流 域 的 辽 阳 市 为 例 , 对 其 现 状 河 道 外 生 态 环 境 用 水 进 行 计 算 。4.1水 土 保 持 生 态 用 水 量 的 计 算(1 水土保持坡面措施有效保存面积 A i 的确定 。 根据 辽 阳 市 水 土 保 持 工 作 站 调 查 、 核 实 、 校 正 结 果 , 截 止 到 2000年年底 , 辽阳市水土保持坡面措施有效保持面积 :梯田面积26393hm 2; 人工造林 32294hm 2; 种草面积 38.8hm 2。(2 水 土 保 持 坡 面 措 施 生 态 用 水 定 额 q i 的 确 定 。 太 子 河 流 域 1951200

26、0年 长 系 列 汛 期 雨 量 均 值 为 610.4mm , 计 算 某 年 辽 阳 市 汛 期 雨 量 为 595.8mm 及 均 值 为 600.6mm , 不 同 雨 量 等 级 下 , 梯 田 、 人 工 造 林 和 人 工 种 草 的 减 水 量 及 减 水 定 额 。其 计 算 步 骤 如 下 : 首 先 点 绘 不 同 小 区 汛 期 降 雨 量 经 验 频 率 分 析 曲线 , 用 皮 尔 逊 型 理 论 频 率 曲 线 概 化 , 计 算 统 计 参 数 (P ,C V , C S 。 采 用 频 率 对 应 的 方 法 , 将 不 同 径 流 量 频 率 下 的 减水

27、量 转 化 为 不 同 降 雨 下 的 减 水 量 。 其 中 , 偏 差 系 数 C S 值 , 采 用 C S 与 C V 的 倍 比 关 系 。 根 据 辽 宁 省 水 资 源 评 价 报 告 中 对 辽 宁 省 长 系 列 资 料 分 析 , 确 定 全 省 年 降 水 采 用 C S =2C V , 各 不 同 频 率 下 的 点 值 X p 用 式 (5 计 算 :X P =(! C V +1 (5式 中 ! 为 皮 尔 逊 型 曲 线 的 离 均 系 数 。 经 计 算 得 :600.6, C V =0.22, C S =0.44。 辽 阳 市 不 同 径 流 量 频 率 不 同

28、 雨量 等 级 下 的 减 水 量 见 表 1。 计 算 q 1i 和 值 。 计 算 流 域 某 年 汛 期 雨 量 595.8mm 的 模 比 系 数 :K 1=595.8/610.4=0.98, 根 据 模 比 系 数 相近 的 原 则 , 求 得 辽 阳 市 对 应 的 汛 期 雨 量 为 :0.98600.6=586.2mm 。根 据 表 1, 通 过 插 补 求 得 对 应 586.2mm 下 的 辽 阳 市 梯 田 (q 1梯 、人 工 造 林 (q 1林和 人 工 种 草 (q 1草的 减 水 量 分别 是 :q 1梯 =4.46万 m 3/km 2, q 1林 =3.46万 m 3/km 2, q 1草万 m 3