石蒙蒙 薛興燕 吳明作 何瑞珍 葛亞超

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002)

河南省生態(tài)用水的空間分異特征研究

石蒙蒙 薛興燕 吳明作 何瑞珍 葛亞超

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002)

收集河南省各縣市的氣象資料與土地利用、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用Penman模型與河南省用水定額等方法計(jì)算出各縣市的生態(tài)用水各項(xiàng)分量，利用GIS等工具分析其空間變異特征。結(jié)果表明，河南省生態(tài)用水平均為 82 488.08 ×104m3，但變異系數(shù)較大，用水量較大的地區(qū)主要集中在南部、西部山區(qū)；生態(tài)用水密度平均為59.10×104m3/km2，其變異系數(shù)較??；生態(tài)用水量主要由生態(tài)環(huán)境需水量與水體蓄水量組成，與土地利用方式、氣候條件、植被狀況、國(guó)土面積等因素有關(guān)；排序分析表明，河南省生態(tài)用水大致可以分為用水量大但密度較小、用水量小但密度較大、用水量與密度均小3個(gè)區(qū)域。

生態(tài)用水；空間分異；生態(tài)需水；GIS；河南省

雖然生態(tài)用水與生態(tài)需水仍有許多問題尚未厘清[1-2]，但對(duì)其定量測(cè)算，是進(jìn)行區(qū)域水資源開發(fā)利用與規(guī)劃配置等工作的基礎(chǔ)[2-3]，國(guó)內(nèi)外對(duì)生態(tài)需水量進(jìn)行了很多研究[1-3]，而基于生態(tài)需水測(cè)算區(qū)域性用水量的報(bào)道較少[4]。河南省屬于北亞熱帶向暖溫帶的過(guò)渡地帶，跨黃河、海河、淮河與長(zhǎng)江流域，具有熱量帶與流域代表性，但水資源短缺、貧水化問題嚴(yán)重[5]，對(duì)其水資源與生態(tài)需水研究主要側(cè)重于小尺度區(qū)域性的生態(tài)需水量[6-10]，針對(duì)全省范圍的研究較少[11-12]，針對(duì)生態(tài)用水的研究更少[13]。本研究以河南省各縣(市)為單元，測(cè)算其基本的生態(tài)用水量，并運(yùn)用GIS等工具分析其空間變異性，為進(jìn)一步測(cè)算河南省的水量平衡，水資源的開發(fā)利用、水量調(diào)度、規(guī)劃與配置等提供基礎(chǔ)資料，也為大尺度范圍的類似研究提供借鑒。

1 研究地概況

河南地處北緯31°23′～36°22′，東經(jīng)110°21′～116°39′，地勢(shì)西高東低。西部和南部為丘陵山地，東部、北部和中部為遼闊平原。省域面積1.67×105km2，平原盆地、山區(qū)丘陵面積分別占全省土地總面積的55.7%和44.3%。地跨淮河、長(zhǎng)江、黃河、海河四大流域，流域面積分別為8.83×104、2.77×104、3.62×104、1.53×104km2。全省100 km2以上的河流有493條。屬典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫13～15 ℃，年平均降水量600～1 200 mm，年均日照時(shí)數(shù)2 000～2 600 h。可滿足農(nóng)作物1年2熟或2年3熟的需要，受氣候影響，區(qū)域植被分布明顯兼有南、北方的特點(diǎn)。

2 研究方法

2.1 資料來(lái)源

用于計(jì)算植物蒸散量的氣象資料通過(guò)河南省氣象局購(gòu)買得到，共收集119個(gè)氣象站點(diǎn)自建站(最早1951年，最晚1963年)至2003年間的各種氣象要素資料，各臺(tái)站氣象資料年限為11 a的有25個(gè)、19 a的7個(gè)、20～30 a的4個(gè)，其余的均在30 a以上，50 a以上有11個(gè)，最長(zhǎng)的為53 a。人口數(shù)據(jù)和生產(chǎn)總值數(shù)據(jù)來(lái)源于河南省2012年統(tǒng)計(jì)年鑒[27]。土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于各地的土地利用規(guī)劃。

2.2 測(cè)算方法

本項(xiàng)研究以狹義概念為基礎(chǔ)測(cè)算生態(tài)需水量[1-4,12,14]，加上生產(chǎn)生活用水作為生態(tài)用水量。

1) 作物蒸散量。計(jì)算參照作物蒸散量時(shí)，使用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman模型[15-16]，計(jì)算時(shí)對(duì)各參數(shù)按文獻(xiàn)[17]進(jìn)行修正。

2) 植被需水量。 對(duì)于有河南省用水定額標(biāo)準(zhǔn)的植被(市區(qū)綠地、苗圃地等)，采用定額法計(jì)算：

W=α×q×A

式中：W為植被需水量，m3；α為單位換算系數(shù)；q為灌溉定額，m3/hm2；A為某植被類型的面積，hm2。灌溉定額依據(jù)河南省地方標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算[18]。

對(duì)于沒有定額標(biāo)準(zhǔn)的植被(林地、草地等)，則采用系數(shù)法計(jì)算：

Etc=ET0×Kc

式中：Etc為植被需水量；ET0為參考作物蒸散量；Kc為系數(shù)，根據(jù)已有研究確定[14]。

因河南省農(nóng)作物多數(shù)進(jìn)行了套種，且常綠針葉林與針闊混交林所占面積比例較大，故計(jì)算植被需水量時(shí)采用了整年時(shí)間而非只計(jì)算生長(zhǎng)期。

3) 土壤用水量。土壤用水量指在適宜含水定額時(shí)，植物生長(zhǎng)強(qiáng)度不受土壤含水量限制的臨界含水量，其值一般為田間持水量的75%[10,19]，本文計(jì)算時(shí)，土壤深度取0.5 m，田間持水量根據(jù)河南省土壤類型取樣實(shí)際測(cè)定得到。

4)潛水蒸發(fā)量。根據(jù)已有報(bào)道[20-22]，用葉水庭公式計(jì)算潛水蒸發(fā)量，臨界埋深取5 m，用Penman模型計(jì)算蒸發(fā)能力ET0代替蒸發(fā)皿實(shí)測(cè)值：

E=ET0×e-aH

式中：E為潛水蒸發(fā)強(qiáng)度，mm/d；ET0為大氣蒸發(fā)能力，mm/d；a為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，與土質(zhì)及地下水埋深有關(guān)，按逐日擬合計(jì)算，其值在砂礓黑土(在河南省主要是信陽(yáng)、漯河兩地)時(shí)為3.40，在黃潮土?xí)r為0.65；H為潛水埋深，m，其值依據(jù)參考文獻(xiàn)[23-25]確定。

5) 水面蒸發(fā)水量。河流與湖泊均因水面蒸發(fā)而需要一定的補(bǔ)給水量。一般地，水面蒸發(fā)量可認(rèn)為是自由水面蒸發(fā)量，可按Pemman模型計(jì)算。

6) 徑流維持用水。徑流維持用水量也即河道需水量，本研究以徑流量進(jìn)行測(cè)算。取各地區(qū)的地表徑流量、水資源量等數(shù)據(jù)[26]，按該地區(qū)內(nèi)各縣(市)的面積比例進(jìn)行測(cè)算。

7) 生產(chǎn)與生活用水量。生產(chǎn)與生活用水量采用定額法測(cè)算，用水定額參考河南省地方標(biāo)準(zhǔn)[18]。生產(chǎn)用水包括工業(yè)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水，前者采用萬(wàn)元產(chǎn)值用水定額測(cè)算；后者采用單位面積灌溉用水定額測(cè)算。生活用水包括城市生活用水和農(nóng)村生活用水，分別根據(jù)城鎮(zhèn)人口和農(nóng)村人口的計(jì)算數(shù)乘以人均綜合用水定額進(jìn)行測(cè)算。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)整理計(jì)算利用Excel 2003，空間分布格局采用ArcGIS 10.1繪制，排序圖采用Canoco 4.5 for windows繪制，趨勢(shì)面分析采用ForStat 2.1完成，其他繪圖采用Origin 8.0。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)用水量的空間分異

根據(jù)測(cè)算結(jié)果，運(yùn)用GIS工具繪制河南省生態(tài)用水量的空間分布格局，結(jié)果見圖1。

河南省生態(tài)用水的空間變異較大，一般情況下，南部與西部山區(qū)的生態(tài)用水量較大，東北部與中部的黃淮海平原地區(qū)整體較小(圖1)。全省生態(tài)用水量平均為 82 488.08 萬(wàn)m3，變異系數(shù)為66.34%，也表明各地?cái)?shù)值變化較大。最大值出現(xiàn)在信陽(yáng)市區(qū)，為 414 998.29 萬(wàn)m3，是最小值 23 110.90 萬(wàn)m3(義馬市)的18倍。這種差異與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、植被狀況、水域面積等因素有關(guān)，也與國(guó)土面積有關(guān)。

根據(jù)國(guó)土面積計(jì)算各地的生態(tài)用水密度(因各市區(qū)人口與工業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá)，用水量較多，此處未計(jì)入)。結(jié)果表明，河南省生態(tài)用水密度為59.10×104m3/km2(未計(jì)各市區(qū))，變異系數(shù)為38.01%，雖然義馬市的生態(tài)用水總量較小，但其生態(tài)用水密度最大，為230.04×104m3/km2，是最小值盧氏縣(34.75×104m3/km2)的6.6倍。義馬市為河南省煤炭產(chǎn)區(qū)，面積較小，人口較多，其生態(tài)用水主要是生活與工礦用水；而盧氏縣面積較大，人口較少，其生態(tài)用水主要是生態(tài)環(huán)境用水，生活用水較少。由此可見，生態(tài)用水量與諸多因素有關(guān)，在進(jìn)行用水規(guī)劃時(shí)，需要考慮用水總量及其密度。

3.2 生態(tài)用水量空間分異的趨勢(shì)分析

以各氣象站所在縣(市)的地理坐標(biāo)為解釋變量，利用ForStat 2.1進(jìn)行空間趨勢(shì)面分析，結(jié)果見圖2。由圖2知，生態(tài)用水量隨著經(jīng)度與緯度的升高表現(xiàn)出減小趨勢(shì)，即在河南省的東部與北部用水量比西部與南部較?。贿@與圖1的變異基本一致。此研究結(jié)果表明，對(duì)于空間變異可以采用多種分析方法。

3.3 生態(tài)用水分項(xiàng)的區(qū)域分異

分別測(cè)算河南省內(nèi)各縣(市)需水量的各個(gè)組成分項(xiàng)，按市域合并，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，河南省各市生態(tài)用水的分項(xiàng)組成相差較大，各市土壤含水量所占比例很小(最大值為南陽(yáng)市的 14 716.83 萬(wàn)m3)，生態(tài)用水主要由生態(tài)需水量與水體蓄水量2個(gè)部分組成，且基本上前者所占比重較大，后者較小，這與河南省的實(shí)際情況一致。河南省整體上水域面積較小，其蓄水量相對(duì)較??；但信陽(yáng)、駐馬店2市因市域內(nèi)水域面積較大，其水體蓄水量所占比重較大，南陽(yáng)市的2個(gè)分項(xiàng)水量較為接近；信陽(yáng)市的水體蓄水量為全省最大值(517 752.00 萬(wàn)m3)，但其土壤含水量?jī)H有 12 328.85 萬(wàn)m3，前者約是后者的42倍。

3.4 生態(tài)用水量空間分異的排序分析

利用Canoco 4.5 for windows軟件的各項(xiàng)缺省值，以生態(tài)用水總量、生態(tài)需水量、生態(tài)用水密度為指標(biāo)，運(yùn)用DCA方法對(duì)其進(jìn)行排序，結(jié)果見圖4(圖中各軸表示各地點(diǎn)之間的相似度距離)。由圖4可以看出，各縣(市)的生態(tài)用水在圖中表現(xiàn)為相對(duì)較連續(xù)的序列，但大致可區(qū)分為以下3個(gè)類型。

1) 類型1：特點(diǎn)是生態(tài)用水總量與生態(tài)需水量較大，但生態(tài)用水密度相對(duì)較小。包括河南省的大部分山區(qū)縣(市)，由北向南有靈寶、陜縣、盧氏、洛寧、汝陽(yáng)、嵩縣、欒川、魯山、汝南、確山、泌陽(yáng)、南召、西峽、內(nèi)鄉(xiāng)、方城、淅川、桐柏、羅山、固始、潢川、光山、商城、新縣；這些地區(qū)境內(nèi)植被發(fā)育良好，但通常國(guó)土面積也較大。

2) 類型2：特點(diǎn)是生態(tài)用水總量與生態(tài)需水量較小，但生態(tài)用水密度相對(duì)較大。包括大部分市區(qū)、面積較小的縣(市)，由北向南有安陽(yáng)市區(qū)、湯陰、清豐、濮陽(yáng)市區(qū)、鶴壁市區(qū)、新鄉(xiāng)市區(qū)、新鄉(xiāng)縣、焦作市區(qū)、義馬市、杞縣、通許、新密、鄭州市區(qū)、新鄭、許昌市區(qū)、許昌縣、長(zhǎng)葛、禹州、駐馬店市區(qū)；這些地區(qū)植被覆蓋率較低，水域面積較小，通常國(guó)土面積也較小。

3) 類型3：特點(diǎn)是生態(tài)用水總量與生態(tài)需水量相對(duì)較小，且生態(tài)用水密度通常也較小。除上述地區(qū)外其余全部屬于該類型；這些地區(qū)植被覆蓋率通常較低，同時(shí)國(guó)土面積也較小。

生態(tài)用水量包含了水體蓄水量、生態(tài)需水量與生產(chǎn)生活用水量等，影響因素較多，因此，各縣(市)生態(tài)用水之間具有一定連續(xù)性(圖4)。類型3中包含的一些地區(qū)如唐河、新野、信陽(yáng)市區(qū)、淮濱、息縣等與類型1較接近；洛陽(yáng)市區(qū)、南樂、獲嘉、鄢陵、襄城、漯河市區(qū)、臨潁等與類型2較接近?？梢姡瑢?duì)生態(tài)用水、生態(tài)需水定額[12]等指標(biāo)，采用排序方法比聚類方法更能說(shuō)明其實(shí)際情況。

4 結(jié)論與討論

1) 河南省平均生態(tài)用水量 82 488.08 萬(wàn)m3，但空間變異較大，山區(qū)一般大于平原地區(qū)；隨經(jīng)度與緯度的升高而減小，南部與西部的較大，東北部與中部的較小。平均生態(tài)用水密度為59.10×104m3/km2，變異系數(shù)為38.01%；義馬市生態(tài)用水總量最小,但密度最大。在進(jìn)行用水規(guī)劃時(shí)，應(yīng)考慮區(qū)域分異、用水密度等因素。

2) 河南省生態(tài)用水主要由生態(tài)需水量與水體蓄水量決定，大部分地區(qū)主要取決于生態(tài)需水量，但在部分水域面積較大的地區(qū)，水體蓄水量所占比例較大；全省生態(tài)用水大致可分為3個(gè)類型，分別是用水量較大但用水密度較小、用水量較小但用水密度較大、用水量與用水密度均較小。

3) 不同區(qū)域的生態(tài)用水量、分項(xiàng)組成等均可能不同；對(duì)于河南省的生態(tài)用水，區(qū)域用水總量、用水密度、分項(xiàng)組成等均有差異，可通過(guò)GIS工具、排序或聚類等方法進(jìn)行空間分析，尋找其變異趨勢(shì)，從而為水資源規(guī)劃等提供依據(jù)與參考。但在分析時(shí)，應(yīng)注意各種影響因素導(dǎo)致測(cè)算結(jié)果在空間上的連續(xù)性，這在受氣象條件等空間連續(xù)因素影響較大的生態(tài)用水、用水定額等指標(biāo)中表現(xiàn)較為明顯[12]。

4) 對(duì)于生態(tài)需水與生態(tài)用水雖然研究很多[1-3]，但由于在概念及其內(nèi)涵使用上有一定差異，其結(jié)果往往難以相互比較[2]。筆者認(rèn)為，應(yīng)區(qū)別需水與用水的概念，將前者限定于自然生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行與維持所需要的水量，后者還應(yīng)包括生產(chǎn)與生活用水[4]；生態(tài)用水是進(jìn)行水資源平衡測(cè)算、規(guī)劃、調(diào)度等的基礎(chǔ)。未來(lái)研究應(yīng)厘清生態(tài)用水的分項(xiàng)組成，測(cè)算區(qū)域生態(tài)用水量，并與水資源供給等進(jìn)行結(jié)合研究。

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(責(zé)任編輯 張 坤)

Spatial Variation of Ecological Water Utilization in Henan Province

SHI Meng-meng, XUE Xing-yan, WU Ming-zuo, HE Rui-zhen, GE Ya-chao

(College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou Henan 450002, China)

Based on meteorological data, land utilization, statistic data of industrial and agricultural production, by using the method of water quota and the Penman model, this paper calculated the ecological water amount and its component of Henan Province, and then analyzed its spatial variation by GIS. The result showed that, the average ecological water amount was 82 488.08×104m3, but the coefficient of variation was high. A larger value appeared in the Southern and Western mountainous region. The average ecological water density was 59.10×104m3/km2, and coefficient of variation was smaller. The ecological water amount was mainly composed of ecological demanded water and water body storage, which relative to land utilization, meteorological condition, vegetation statue and regional area. The cluster analysis result indicated that ecological water of Henan Province could be divided into 3 regions, which were higher amount with lower density, lower amount with higher density, and lower amount with lower density, respectively.

ecological water; spatial variation; ecological water demanded; GIS; Henan Province

2014-06-11

國(guó)家科技部重大專項(xiàng)(2008ZX07526-002-03)資助；淮河水利委員會(huì)“淮河流域水土保持生態(tài)修復(fù)機(jī)理和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究”項(xiàng)目資助。

吳明作(1965—)，男，博士，副教授。研究方向：生態(tài)過(guò)程監(jiān)測(cè)與功能評(píng)價(jià)。Email: wumingzuo@hotmail.com。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.06.008

S715.5

A

2095-1914(2014)06-0049-06

第1作者：石蒙蒙(1990—)，女，碩士生。研究方向：生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能研究。Email: 757371216@qq.com。