施文軍 凌紅波

（1. 新疆水利廳瑪納斯河流域管理處 新疆石河子 832000；2. 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所 新疆烏魯木齊 830011）

1 引言

生態(tài)需水是當(dāng)前生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、環(huán)境學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，凡是涉及與水資源過程相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)保育和人類活動影響下的生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)以及生態(tài)脆弱區(qū)水資源的開發(fā)利用等問題，都不可避免的要回答有關(guān)生態(tài)需水的問題。對于干旱區(qū)而言，水資源是發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟(jì)的主要限制因素，也是保護(hù)生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵。現(xiàn)階段人類對水資源利用呈現(xiàn)出掠奪式開發(fā)，生產(chǎn)、生活用水和生態(tài)需水矛盾日益激化。因此，流域生態(tài)需水量化是合理配置水資源，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的基礎(chǔ)。

國內(nèi)外學(xué)者對生態(tài)需水理論和方法進(jìn)行了大量的研究和探索。國外生態(tài)需水的研究始于20世紀(jì)70年代，關(guān)注的焦點(diǎn)主要是河流和濕地生態(tài)系統(tǒng)。國內(nèi)生態(tài)需水研究從20世紀(jì)90年代開始，伴隨經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略的提出而大量出現(xiàn)，關(guān)注的尺度不僅包括綠洲、河流、濕地、湖泊和林地、草地等中小尺度生態(tài)系統(tǒng)，還包括整個新疆、西北干旱區(qū)等大尺度區(qū)域。但是，不論是國內(nèi)還是國外，有關(guān)生態(tài)需水概念的內(nèi)涵以及方法的適用性普遍存在著爭議，不同學(xué)者針對同一區(qū)域生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果存在差異，難以科學(xué)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐中水資源合理配置和生態(tài)環(huán)境建設(shè)。因此，明晰生態(tài)需水概念和估算方法的適用條件是區(qū)域生態(tài)需水量計(jì)算的基礎(chǔ)。

2 生態(tài)需水概念內(nèi)涵

國內(nèi)外與生態(tài)需水有關(guān)的概念，除了有生態(tài)需水、生態(tài)用水、生態(tài)耗水之外，還存在環(huán)境需水、生態(tài)需水和生態(tài)環(huán)境需水等。生態(tài)需水概念的界定多達(dá)幾十種，由于其概念內(nèi)涵的不確定性，導(dǎo)致估算過程困難重重。造成生態(tài)需水概念不確定主要有4方面原因。

（1）研究對象及尺度不同。研究對象包括有森林、草地、河流、濕地、湖泊、植被、西北地區(qū)等。如葉朝霞、王西芹等以河流為研究對象；左其亭、徐志霞等以湖泊為研究對象；程國棟以整個西北干旱區(qū)為研究對象。研究對象及尺度不同，對概念的定義必然不同。

（2）對需水、耗水、用水等概念理解差異。王芳、楊志峰、賈曉玲等認(rèn)為針對地下水現(xiàn)狀或一定植被覆蓋條件下生態(tài)系統(tǒng)的水量計(jì)算屬于耗水或用水范疇，需水則指未來一段時間內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)所需求的水量。王嬌妍、賈寶全等人則將生態(tài)耗水、生態(tài)用水等同于生態(tài)需水。筆者認(rèn)為生態(tài)耗水多指生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀條件下的生物和無機(jī)環(huán)境實(shí)際消耗的水量，生態(tài)用水與生產(chǎn)、生活用水的概念相類似，指客觀實(shí)際用于整個生態(tài)系統(tǒng)的水量。生態(tài)耗水可能大于、等于或小于生態(tài)用水，當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)消耗的水量大于實(shí)際用于生態(tài)的水量即造成生態(tài)系統(tǒng)水量虧損；當(dāng)耗水量與用水量相當(dāng)，則生態(tài)系統(tǒng)水量保持平衡；當(dāng)耗水量小于用水量，生態(tài)系統(tǒng)會存在一定水量蓄存。生態(tài)需水則是指生態(tài)系統(tǒng)處于某種期望的水平并且維持這種平衡狀態(tài)所需水量，是一種主觀的期望值。

（3）環(huán)境、生態(tài)、生態(tài)環(huán)境等概念理解差異。許新宜、楊志峰等在各自的研究中認(rèn)為生態(tài)和環(huán)境兩個概念存在差異，指出生態(tài)是指生態(tài)系統(tǒng)中的有機(jī)生命部分，而環(huán)境則是生態(tài)系統(tǒng)非生命的無機(jī)部分。而筆者認(rèn)為根據(jù)英國生態(tài)學(xué)家Tansley在1935年對生態(tài)系統(tǒng)的明確定義，強(qiáng)調(diào)在整個生態(tài)系統(tǒng)中生物和環(huán)境的不可分割性，認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)是一定空間共同棲息的所有生物群落和其環(huán)境之間不斷進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程而形成的統(tǒng)一體。因此，環(huán)境（區(qū)別于一般意義上的環(huán)境）包含于生態(tài)當(dāng)中，是其構(gòu)成要素之一。

（4）水資源內(nèi)涵理解上存在差異。廣義的水資源項(xiàng)包括地表水、地下水、土壤水。而狹義的水資源項(xiàng)僅包括地表水和地下水。一般來說，植被是整個生態(tài)系統(tǒng)中的重要生命組成部分，其生長離不開無機(jī)土壤環(huán)境。因此，生態(tài)需水當(dāng)指廣義的水資源。

正確理解生態(tài)需水的內(nèi)涵是生態(tài)需水研究要解決的首要問題。生態(tài)需水研究必須基于特定的研究區(qū)域，與該生態(tài)系統(tǒng)的組成、水資源結(jié)構(gòu)和利用途徑相統(tǒng)一。就西北干旱區(qū)而言，由于流域水資源嚴(yán)重短缺，河道多出現(xiàn)斷流，地下水位大幅下降，天然植被全面衰退，生態(tài)系統(tǒng)的主要生產(chǎn)者植被的需水尚不能得到保證。在這種情況下談河流輸沙需水、水生生物需水及河流自凈需水毫無意義。

筆者認(rèn)為，生態(tài)需水首先是針對一個確定的生態(tài)系統(tǒng)，為了保障其一定時期內(nèi)生物群落正常的生長、發(fā)育、繁殖，以及生物群落所處環(huán)境水分平衡，所需要的水資源總量。

3 流域生態(tài)需水估算方法

根據(jù)上述分析，可將流域生態(tài)需水定義為特定的流域生態(tài)系統(tǒng)（如塔里木河、黑河、黃河等），為保障流域內(nèi)生物群落（植物群落、水生生物群落等）正常的生長、發(fā)育和更新，以及生物群落所處環(huán)境（潛水蒸發(fā)、水面蒸發(fā)等）水分平衡所需的水資源量。目前對于流域生態(tài)需水量的計(jì)算，多將其劃分為河道內(nèi)生態(tài)需水和河道外生態(tài)需水兩部分分別計(jì)算。

河道內(nèi)生態(tài)需水是指保障河道水文過程完整性的基礎(chǔ)流量需水、水面蒸發(fā)需水和滲漏需水的總和。需要明確的是，河道內(nèi)滲漏需水主要指用來抬升地下水埋深需水，雖然河道外天然植被蒸騰和潛水蒸發(fā)絕大多數(shù)是通過河道下滲補(bǔ)給的，但不應(yīng)包括在河道滲漏需水之中。

河道外生態(tài)需水是指為保證河道外各種天然林草植被群落的結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定的需水量。河道外生態(tài)需水不僅包括植被蒸騰，裸地潛水蒸發(fā)也需考慮。對于干旱區(qū)而言，內(nèi)陸河流域河道內(nèi)、外主要的需水項(xiàng)及其基本功能見表1。

表1 內(nèi)陸河流域生態(tài)需水項(xiàng)及其功能

3.1 河道內(nèi)生態(tài)需水

河道內(nèi)生態(tài)需水不僅是流域生態(tài)需水的重要組成部分，也是保障河道水文過程完整性的基本要求。干旱區(qū)內(nèi)陸河河道內(nèi)生態(tài)需水主要包括河道基礎(chǔ)流量需水和河道蒸發(fā)、滲漏需水。

3.1.1 基礎(chǔ)流量需水

河道基礎(chǔ)流量需水，是指為一定時期內(nèi)為保障河道生態(tài)系統(tǒng)健康和水分平衡所需的河流徑流量。國內(nèi)外對于河道內(nèi)基礎(chǔ)流量需水研究較為成熟，常見的計(jì)算方法有水文學(xué)方法、水力學(xué)方法、生境模擬法和綜合法。

（1）水文學(xué)方法。水文學(xué)方法最簡單也最具代表性，是以歷史流量資料為基礎(chǔ)，根據(jù)簡單水文指標(biāo)設(shè)定的河流流量，直接獲取歷史統(tǒng)計(jì)資料中月或年的天然徑流量（近似天然徑流量）的百分?jǐn)?shù)作為河道基礎(chǔ)流量需水。典型方法有：1）Tennant法。也稱Montana法，是非現(xiàn)場測定的標(biāo)準(zhǔn)方法，將年內(nèi)劃分為一般用水期和魚類產(chǎn)卵育幼期，以不同用水期相應(yīng)天然徑流量與徑流量均值的百分比作為河道內(nèi)需水量的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見表2。由于Tennant法對河流的實(shí)際情況作了簡化處理,通常只能在優(yōu)先度不高的河段使用，或者用于其他方法計(jì)算結(jié)果的定性評價(jià)或檢驗(yàn)；2）Texas法。通過某一保證率下月均流量代表所需的生態(tài)流量，該法首次考慮了不同生物特性（產(chǎn)卵期和孵化期）和區(qū)域水文特征（年內(nèi)各月流量差異）條件下的月需水量；3）逐月頻率計(jì)算法，根據(jù)各月歷史流量資料，將年內(nèi)劃分為豐水和枯水兩個時期，對各個時期擬定不同的保證率，豐水期50%保證率，枯水期90%保證率，分別計(jì)算各個時期不同保證率下的河道徑流量，常用于計(jì)算河道適宜生態(tài)需水量。

表2 Tennant法評價(jià)河流生態(tài)健康標(biāo)準(zhǔn) （單位：%）

（2）水力學(xué)法。水力學(xué)法是將流量的變化與河道的各種水力幾何學(xué)參數(shù)聯(lián)系起來，以求解生態(tài)需水的方法。典型方法有1）濕周法，濕周是指過水?dāng)嗝嫔虾硬郾凰鹘癫糠值闹荛L，通常濕周隨著河流流量的增大而增加，當(dāng)濕周超過某一臨界值后，河流不斷增大僅僅能引起濕周的微小變化。因此，可以通過建立河道斷面濕周—流量關(guān)系曲線，求算曲線上的臨界變化點(diǎn)（拐點(diǎn)）即為河道最小基流生態(tài)流量，拐點(diǎn)的求算方法常見的有斜率法和曲率法（見圖 1）；2）R2Cross法，該方法由科羅拉多水利委員會的專家為保護(hù)高海拔冷水河流淺灘棲息地和冷水魚而開發(fā)，以Manning公式為計(jì)算基礎(chǔ)，通過河流的平均水深、平均流速和濕周率計(jì)算特定淺灘處河道最小流量，并用其代表整個河流的最小流量。R2Cross法必須對河流斷面進(jìn)行實(shí)地調(diào)查以獲取相關(guān)的參數(shù)。因此實(shí)際應(yīng)用中較為困難，而且僅以單個河道斷面水力參數(shù)代表整條河流水力參數(shù)，容易產(chǎn)生誤差。

圖1 濕周-流量曲線示意圖

（3）生境模擬法。生境模擬法是根據(jù)指示物種所需的水力條件，并基于生物原則的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠泶_定河流流量的一類方法。比較典型的方法有：1）IFIM法。IFIM法是20世紀(jì)70年代由美國魚類和野生動物保護(hù)部門開發(fā),為評估水資源開發(fā)和管理活動對水生生物及河道外生態(tài)系統(tǒng)影響所建立的概念模型。由 IFIM法產(chǎn)生的決策變量是棲息的總面積，該面積隨特定物種的生長階段或特定的行為（如產(chǎn)卵）而變化，是流量的函數(shù)。IFIM法常用于解決水資源管理和生態(tài)系統(tǒng)最小需水量問題，適用于中小型棲息地；2）PHABSM法。PHABSIM法可以預(yù)測流量變化對魚類、無脊椎動物和大型水生植物的影響以及自然棲息地的變化，并可量化其生態(tài)價(jià)值。應(yīng)用PHABSIM模型需要進(jìn)行有關(guān)河流水力和形態(tài)方面的詳細(xì)勘查，通常和IFIM法耦合使用。

（4）綜合法。從生態(tài)系統(tǒng)整體出發(fā)，綜合分析流量、泥沙運(yùn)輸、河床形狀與河岸帶群落的關(guān)系，使推薦的河道流量同時滿足生物保護(hù)、棲息地維持、泥沙沉積、污染控制和景觀維護(hù)等功能。最典型的方法是BBM法，BBM法把河道內(nèi)的流量劃分四個等級，即最小流量、棲息地能維持的洪水流量、河道可維持的洪水流量和生物產(chǎn)卵期回游需要的流量。分別確定了這4個等級的逐月分配流量、生態(tài)環(huán)境狀況級別和生態(tài)管理類型。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于對大、小生態(tài)流量均考慮了月的變化，但是由于該方法是針對特定環(huán)境而開發(fā)的，針對性強(qiáng)，且計(jì)算過程比較繁瑣，在其它地方采用此方法應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況對方法進(jìn)行適當(dāng)改造。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了避免單一方法計(jì)算結(jié)果的不確定性，有時也需要根據(jù)上述幾種方法的適用條件和原理，將 2種或幾種方法結(jié)合起來使用。如劉昌明等集成水文學(xué)（大斷面、流量、水位等資料）和水力學(xué)（Manning公式）提出了生態(tài)水力半徑法，并對南水北調(diào)一期工程所涉及的雅礱江支流泥曲的朱八站進(jìn)行了實(shí)例分析。

3.1.2 水面蒸發(fā)需水

水面蒸發(fā)是指流域內(nèi)江河、湖泊、水庫等水體的蒸發(fā)。當(dāng)水面蒸發(fā)大于降水時，水面蒸發(fā)量與降水量的差值即為維持河道水量平衡所需的水面蒸發(fā)量。計(jì)算公式如下：

式中：W為水面蒸發(fā)生態(tài)需水量；S為水面面積；E為水面蒸發(fā)強(qiáng)度；P為降水的強(qiáng)度。

大水體蒸發(fā)量的觀測往往非常困難，很難得到實(shí)測資料。實(shí)際計(jì)算過程中，往往通過小面積水面蒸發(fā)觀測，建立小面積水面蒸發(fā)與大范圍水體水面蒸發(fā)間的關(guān)系，間接推算大水體水面蒸發(fā)(如：蒸發(fā)皿折算法)。1972年 9月世界氣象組織蒸發(fā)工作組在日內(nèi)瓦會議上做出決定：認(rèn)為使用20m2蒸發(fā)池研究淺水湖泊的蒸發(fā)，可得出滿意的結(jié)果。因此，通常采用20m2蒸發(fā)池的蒸發(fā)量來近似代替自然水體的蒸發(fā)量，并通過確定直徑20cm蒸發(fā)皿與 20m2池蒸發(fā)量的折算系數(shù)，進(jìn)而推算河流、水庫和湖泊等大范圍水體的蒸發(fā)量。將φ 20cm蒸發(fā)皿觀測的水面蒸發(fā)量折算為標(biāo)準(zhǔn)的20m2水面蒸發(fā)池觀測的水面蒸發(fā)量，水面蒸發(fā)折算系數(shù)即為：

式中：Kws為水面蒸發(fā)折算系數(shù)；E20為 20m2蒸發(fā)池觀測的水面蒸發(fā)量，mm；E0為φ 20cm蒸發(fā)皿蒸發(fā)量。水面蒸發(fā)折算系數(shù)Kws就是E20～E0直線關(guān)系中截距為零時的斜率。

3.1.3 滲漏需水

根據(jù)前文所述，此處河道滲漏需水主要指用來抬升河道最大影響范圍內(nèi)地下水埋深至目標(biāo)水位的需水。針對西北干旱區(qū)而言，河道兩岸地下水埋深普遍低于河道兩岸影響范圍內(nèi)天然植被需求適宜水位，處于負(fù)均衡狀態(tài)。當(dāng)河道水量下滲時，隨著地下水埋深逐漸恢復(fù)，淺層土壤含水量增加，地下水對滲流頂托作用隨之增強(qiáng)，并最終達(dá)到一個較穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，可將現(xiàn)狀的地下水位與達(dá)到期望恢復(fù)水位間所對應(yīng)的水位稱之為地下水恢復(fù)水量（見圖 2）。地下水恢復(fù)水量(ΔW )采用下式計(jì)算：

式中：W1為河中心到地下水最大影響范圍之內(nèi)土體的蓄水量；W2為河中心到地下水最大影響范圍之內(nèi)地下水位達(dá)到穩(wěn)定后原地下水位以上土體的蓄水量。

圖2 地下水恢復(fù)量示意圖

3.2 河道外生態(tài)需水

對于干旱區(qū)而言，植被是河道外生態(tài)系統(tǒng)的主體，也是整個流域生態(tài)系統(tǒng)最主要的保護(hù)目標(biāo)，河道外天然植被需水是河道外生態(tài)需水計(jì)算的關(guān)鍵。

3.2.1 天然植被需水

以植被為主體的河道外生態(tài)需水，需要考慮不同植被類型（林、灌、草)需水量的差異。目前估算河道外生態(tài)需水量的方法可分為2類：直接計(jì)算法（面積定額法）和間接計(jì)算法（水量平衡法、潛水蒸發(fā)法、生物量法、遙感判讀法等）。

（1）面積定額法。以某一區(qū)域某一類型植被的面積乘以其需水定額，得到整個生態(tài)需水總量。計(jì)算公式為：

式中：Ai為植被類型i的面積；ri為植被類型i的需水定額。

面積定額法適用于基礎(chǔ)條件較好、資料完善的地區(qū)需水量估算。由于影響植被耗水的因子非常多，而且自然條件下不同植被需水定額測定也較為困難，實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中有一定的困難。王讓會等在對塔里木河流域“四源一干”喬灌草不同退化等級劃分及其面積確定的基礎(chǔ)上，對其天然植被需水量進(jìn)行了計(jì)算。

（2）水量平衡法。把植被需水視為植被—土壤—大氣綜合系統(tǒng)水量循環(huán)的一個因子，通過水量平衡方程，求出一個時段植被的蒸散量作為這一時段植被生態(tài)需水量。植被—土壤系統(tǒng)的水量平衡關(guān)系可表示為：

式中：Et為t到t +1時段植被蒸散量；P為降雨量；C為地下水補(bǔ)給量；R為地表徑流量；D為土壤水滲漏量；Wt為t時刻土壤含水量；Wt+1為t+1時刻土壤含水量。

水量平衡法通過分析水資源的輸入、輸出和儲存量之間的關(guān)系，間接求算生態(tài)系統(tǒng)的需水量，原理成熟方法簡單，是區(qū)域較大尺度上缺乏與生態(tài)系統(tǒng)本身有關(guān)數(shù)據(jù)時常采用的方法之一。但是，水量平衡法算式中各水分收入項(xiàng)、支出項(xiàng)的確定仍然是比較困難的，這會對區(qū)域植被需水量的計(jì)算精度產(chǎn)生影響。閆正龍以塔里木河流域土壤—植被—大氣連續(xù)體(SPAC)作為研究對象，并在建立流域天然植被需水的量化模型的基礎(chǔ)上，計(jì)算了塔里木河干流天然植被需水量。

（3）潛水蒸發(fā)法。根據(jù)潛水蒸發(fā)量的計(jì)算來間接確定植被需水量。即某一植被類型在某一潛水位的面積乘以該潛水位下潛水蒸發(fā)量與植被系數(shù)。計(jì)算公式為:

潛水蒸發(fā)法適合于干旱區(qū)植被生存主要依賴于地下水的情況。雖然該方法由于研究目的、對象以及參數(shù)取值的不同，計(jì)算結(jié)果會差別很大，但在實(shí)施流域水資源調(diào)配以及規(guī)劃和管理時，該法的計(jì)算結(jié)果仍可作為參考。郭斌等根據(jù)塔里木河流域主要?dú)庀笳驹抡舭l(fā)量，采用阿維里揚(yáng)諾夫公式和群克水均衡場公式對塔里木河干流天然植被月潛水蒸發(fā)量進(jìn)行了計(jì)算。

（4）生物量法。不同植被類型對水分利用效率存在差異，即單位水量產(chǎn)生的干物質(zhì)量有差別，根據(jù)以下公式計(jì)算：

式中：Qnppi為 i類植被凈第一性生產(chǎn)力，即單位面積、單位時間內(nèi)干物質(zhì)的重量；μi為 i類植物水分利用系數(shù)，表示單位土地面積上生產(chǎn)的干物質(zhì)量與蒸散耗水量之比。

生物量的估算應(yīng)包括根、徑、葉等，在目前研究中，一般僅考慮地上部分，對地下部分的估算重視不夠。另外，實(shí)際運(yùn)用中生物量的估算較為困難，水分利用效率的數(shù)據(jù)也難以準(zhǔn)確獲取，使得該方法的應(yīng)用受到一定限制。趙文智等基于不同植被 NDVI遙感判讀基礎(chǔ)上，與當(dāng)年生物量(NPP)建立線性回歸方程，估算了黑河中游典型荒漠人工綠洲的需水量。

（5）遙感判讀法。利用RS和GIS技術(shù)進(jìn)行生態(tài)分區(qū)，然后通過生態(tài)分區(qū)與水資源分區(qū)疊加分析確定流域各級生態(tài)分區(qū)的面積及其需水類型，并以流域?yàn)閱卧M(jìn)行降水平衡分析和水資源平衡分析，在此基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)測資料計(jì)算不同植被群落、不同蓋度、不同地下水位埋深下的植物蒸騰，從而求出該地區(qū)的植被需水量。

基于遙感技術(shù)的河道外需水量計(jì)算是一種新興的計(jì)算方法，能夠提供大范圍的地表景觀信息，為大尺度非均勻區(qū)域的需水研究提供了新途徑。楊志峰等基于MODIS數(shù)據(jù)建立了區(qū)域植被用水模型，結(jié)合植被系數(shù)計(jì)算了地表植被生態(tài)用水，對海河流域的生態(tài)需水進(jìn)行了分析。

3.2.2 潛水蒸發(fā)需水

當(dāng)河道兩岸影響范圍內(nèi)的地下水位抬升到潛水極限蒸發(fā)水位以上后，地下水消耗項(xiàng)除了植被蒸騰外，還存在潛水蒸發(fā)。只要彌補(bǔ)了潛水蒸發(fā)和植被蒸騰的損失量，就可以保證地下水位不再下降。植被蒸騰量計(jì)算方法上文中已經(jīng)介紹，潛水蒸發(fā)損失量的計(jì)算公式如下：

式中：Q為潛水蒸發(fā)需水量；F為林地（草地）面積；L為裸地面積；Eg為潛水蒸發(fā)強(qiáng)度；G為植被覆蓋度。

3.2.3 尾閭湖泊需水

尾閭湖泊生態(tài)需水量是指保證一定階段湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，發(fā)揮其正常功能而必需的一定水量。湖泊生態(tài)需水可以在最小和最大閾值范圍內(nèi)波動，最大生態(tài)需水是指超過此值，湖泊將水漫堤岸，發(fā)生洪澇災(zāi)害；最小生態(tài)需水是指低于此值，湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能將受到不可逆的損害。湖泊生態(tài)需水主要有3種計(jì)算方法：

（1）水量平衡法。根據(jù)水量平衡原理，湖泊的蓄水量由于入流和出流水量不盡相同，在沒有或較少人為干擾的狀態(tài)下，湖泊水量的變化處于動態(tài)平衡，如下式：

式中：P為降水；R為地表徑流的入湖水量；I為地下徑流的入湖水量；D為地表徑流的出湖水量；E為湖泊水面的蒸散量；U為地下徑流的出湖水量。

（2）更新周期法。更新周期系指全部湖水更新一次所需時間，是判斷某一湖泊水資源能否持續(xù)利用和保持良好水質(zhì)條件額度的一項(xiàng)重要指標(biāo)。計(jì)算公式如下：

式中：T為換水周期，d；W為多年平均蓄水量；N為多年平均出湖水量。

湖泊生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算公式如下：

湖泊生態(tài)需水量可以根據(jù)枯水期的出湖水量和湖泊換水周期來確定，這對于湖泊生態(tài)系統(tǒng)，特別是人工湖泊的科學(xué)管理是非常重要的。

（3）水位法。湖泊的水位與其水面面積和貯水量具有明顯的相關(guān)性。水位法是指通過維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)各組成分和滿足湖泊生態(tài)環(huán)境功能的水位與水面面積的乘積，來確定湖泊生態(tài)需水量。

式中：Q為湖泊生態(tài)需水量；H為維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)各組成分和滿足湖泊生態(tài)功能的合理水位；S為湖泊水面面積。

4 存在的問題與展望

從當(dāng)前流域生態(tài)需水研究來看，仍處在起步性階段，定性描述較多。今后需要加強(qiáng)以下4個方面的研究：

（1）尺度轉(zhuǎn)換。尺度放大的問題是水文學(xué)和生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。由于下墊面、水文參數(shù)等空間的變異性，不同尺度的生態(tài)需水規(guī)律存在差異，而且這種規(guī)律不是簡單的線性外延或疊加，如何把小尺度的研究成果應(yīng)用到大尺度上，其計(jì)算的理論依據(jù)等均需考慮。因此，生態(tài)需水的機(jī)理、不同尺度需水量的轉(zhuǎn)化將是今后研究的重點(diǎn)。

（2）差異化水量。生態(tài)需水是一個變量，隨時間和地點(diǎn)的不同而存在差異，同時也與生態(tài)保護(hù)目標(biāo)密切相關(guān)。今后的研究工作，應(yīng)當(dāng)在對植物水分需求機(jī)理深入分析的基礎(chǔ)上，合理地計(jì)算維持不同保護(hù)目標(biāo)、不同保護(hù)等級和不同需水時期下的差異化水量，增加計(jì)算結(jié)果的實(shí)用性。

（3）水量交叉。流域生態(tài)需水研究包括河道下滲需水、維持河道水文過程完整性需水以及保障植被蒸騰需水等，這些水量是交叉、重疊的，避免生態(tài)需水量的重復(fù)統(tǒng)計(jì)造成計(jì)算結(jié)果的誤差，從而更加合理準(zhǔn)確地為水量調(diào)度提供依據(jù)也應(yīng)當(dāng)是今后關(guān)注的重點(diǎn)。

（4）評價(jià)體系。在確定生態(tài)系統(tǒng)的不同保護(hù)目標(biāo)下，建立可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)需水評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即在大量的野外試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，建立生態(tài)需水與生物多樣性、生境多樣性和生態(tài)系統(tǒng)健康狀況相關(guān)聯(lián)的指標(biāo)體系，完善生態(tài)需水合理性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是今后工作中不可或缺的。

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