張學(xué)文，和志國,馬海峰

（1.寧夏水文水資源勘測局，750001,銀川；2.寧夏水利科學(xué)研究院，750021，銀川）

近年隨著艾依河濕地生態(tài)功能的進(jìn)一步顯現(xiàn)，明確其水平衡已成為該區(qū)域水生態(tài)環(huán)境保護(hù)的一項(xiàng)重要研究任務(wù)。本文通過系統(tǒng)分析艾依河的主要功能和河湖特征，建立適宜的河湖濕地水量平衡方程，測算其基本需水量和生態(tài)需水量，進(jìn)一步明確其水生態(tài)內(nèi)在平衡與方式，對于寧夏乃至整個(gè)西北干旱區(qū)景觀河湖水生態(tài)環(huán)境的修復(fù)和保護(hù)具有重要的意義。

一、艾依河河湖濕地水平衡研究的目標(biāo)選擇

河湖濕地水平衡是一個(gè)復(fù)雜的科學(xué)問題，既是建立在區(qū)域自然環(huán)境基礎(chǔ)上的平衡，也是在一定的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展水平上的平衡。在區(qū)域可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)與水資源有限背景協(xié)同的角度上，湖泊濕地水平衡至少應(yīng)當(dāng)有兩重目標(biāo)：一是維持一定規(guī)模的濕地生態(tài)平衡；二是保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的用水，以達(dá)到維持基本規(guī)模濕地生態(tài)平衡的目標(biāo)。

從需水量的角度來看，崔麗娟等認(rèn)為維持湖泊濕地水平衡要注意以下7個(gè)方面：①維系濕地生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀；②維持新生濕地生態(tài)系統(tǒng)不再退化；③恢復(fù)歷史某個(gè)時(shí)期的濕地生態(tài)景觀和功能；④維持濕地基本特征或者某些具體目標(biāo)；⑤保護(hù)濕地生物多樣性；⑥保護(hù)不同級別瀕危珍稀物種或特殊生態(tài)系統(tǒng)；⑦實(shí)現(xiàn)國家發(fā)展計(jì)劃?？傊瑵竦乜偟纳鷳B(tài)環(huán)境需水量是由不同的需水分量構(gòu)成的，包括植物需水量、土壤需水量、野生生物棲息地需水量、補(bǔ)水需水量、防止鹽水入侵需水量、防止岸線侵蝕及河口生態(tài)環(huán)境需水量、凈化污染物需水量等。

艾依河濕地的主要功能是生態(tài)維護(hù)、城市景觀和城市防洪，因此本文的目標(biāo)之一是以維持艾依河現(xiàn)有濕地為目的，匡算區(qū)域的靜態(tài)水平衡量，即維持現(xiàn)有濕地格局和規(guī)模的基本需水量，為進(jìn)一步規(guī)劃建設(shè)艾依河提供一定的科學(xué)指導(dǎo)。目標(biāo)之二是在考慮艾依河水環(huán)境需水的情形下，進(jìn)一步了解其水生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、功能等特征，從保證濕地用水量和水質(zhì)不惡化的角度，計(jì)算區(qū)域生態(tài)需水量，為濕地污染防治和景觀建設(shè)服務(wù)。

二、艾依河水量平衡與基本需水量

1.水量平衡方程

河湖濕地水量平衡是指這一系統(tǒng)某時(shí)段出、入河湖水量之差與河湖增、減水之間的關(guān)系，可由如下方程式確定：

式中，R入為單位時(shí)段的入河湖水量，R出為單位時(shí)段的出河湖水量。

綜合考量艾依河水量變化的控制因素，方程（1）可細(xì)化為：

式中，P為單位時(shí)段內(nèi)湖面上的降水量（m3）；WS下為單位時(shí)段進(jìn)入艾依河的地下自然徑流量（m3）；WS溝為單位時(shí)段溝道補(bǔ)給水量（m3）；WS渠為單位時(shí)段渠道補(bǔ)給水量，即生態(tài)補(bǔ)水量（m3）；WS井為單位時(shí)段抽取井水補(bǔ)給水量（m3）；EC為單位時(shí)段內(nèi)湖面水汽凝結(jié)量（m3）；E為單位時(shí)段內(nèi)湖面上的蒸發(fā)量（m3）；WD排為單位時(shí)段以溝渠形式外排水量（m3）；WD下為單位時(shí)段流出艾依河的地下自然徑流量（m3）；WD井為單位時(shí)段時(shí)以暗管或井排、抽取綠化用水等形式從艾依河排出水量（m3）。

2.影響水量平衡的主要因素及其賦值

降雨（P）是艾依河的重要補(bǔ)給來源之一，艾依河地處寧夏引黃灌區(qū)腹地，降水量少且時(shí)空分布不均，多集中在 6—9月，根據(jù)近 3年（2009—2011年）降雨量觀測，艾依河平均降雨量僅為176.7 mm。

區(qū)域地下水也對艾依河有一定的補(bǔ)充（WS下），特別是在艾依河銀川段中下游，由于地勢逐漸下降，加之地下水水位較高等原因，地下水側(cè)向補(bǔ)給河道。根據(jù)相關(guān)研究成果，艾依河中段地下水年補(bǔ)給量為109.6萬m3。

溝道水是艾依河最主要的補(bǔ)水水源（WS溝），主要通過第二排水溝、四二干溝、平二支溝、南梁溝等溝道匯集農(nóng)業(yè)灌溉排水補(bǔ)充艾依河，根據(jù)監(jiān)測，近3年年平均補(bǔ)給量為3 899萬m3，占總補(bǔ)給量的67%。

渠道是艾依河另一個(gè)重要的補(bǔ)給水源（WS渠），即生態(tài)補(bǔ)水水源。根據(jù)寧夏引黃灌區(qū)灌溉期特點(diǎn)以及避免湖泊濕地和農(nóng)田灌溉爭水，利用灌溉空閑期進(jìn)行艾依河上段補(bǔ)水，保證河道水位，調(diào)控河道水質(zhì)。近3年生態(tài)補(bǔ)水量的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，年均達(dá)到1 576萬m3，占總補(bǔ)給量的27%。

通過機(jī)井抽取地下水補(bǔ)給（WS井），是銀川市域湖泊濕地的水源輔助補(bǔ)給方式，一般來說，是因?yàn)橐韵聝煞N因素驅(qū)動(dòng)而采用的補(bǔ)水措施。其一為主動(dòng)因素，是湖泊濕地管理部門在溝渠補(bǔ)水不敷使用的情況下，為保證湖泊景觀生態(tài)和漁業(yè)用水不得已而為之；其二為被動(dòng)因素，即在灌溉農(nóng)田進(jìn)行排水吸鹽作業(yè)時(shí)，湖泊濕地因地勢低洼，自然而然地成為水鹽吞吐場所?？紤]該補(bǔ)給方式屬于臨時(shí)、偶發(fā)補(bǔ)給，故不作具體分析，在此取值為0。

各種用途再生水利用的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求是再生水利用的起點(diǎn)。在美國，此類標(biāo)準(zhǔn)以專門的再生水法規(guī)規(guī)定，或者由健康和環(huán)境法律規(guī)定。各種用途水質(zhì)、處理工藝、管網(wǎng)建設(shè)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以及對水處理、水分配、用水設(shè)備和環(huán)境、健康問題進(jìn)行的監(jiān)管程序，其規(guī)定都非常詳細(xì)。例如，對于管網(wǎng)系統(tǒng)中再生水和飲用水管網(wǎng)的交叉，美國的要求是在嚴(yán)格標(biāo)記的前提下，每4年進(jìn)行一次細(xì)致檢查，以確保再生水與飲用水不會(huì)混合。補(bǔ)給地下水的再生水項(xiàng)目，均要求通過監(jiān)測井等方式防范污染地下水。衛(wèi)生部門對污水利用的合法性，即水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程以及其他相關(guān)法律的適用進(jìn)行監(jiān)管。

年內(nèi)湖面水汽凝結(jié)量（EC）相對于蒸發(fā)量和降水量非常微小，可忽略不計(jì)。水面蒸發(fā)量（E）是艾依河最主要的水量支出項(xiàng)，其值大小與氣溫、風(fēng)速、氣壓、太陽輻射等因素有密切關(guān)系。由于艾依河區(qū)域氣候干旱，光照強(qiáng)烈，加之降水稀少，故水面蒸發(fā)強(qiáng)度很大，參考銀川市多年平均年水面蒸發(fā)量（E601 型）1 332 mm，本文取艾依河區(qū)域水面蒸發(fā)量為1 332 mm。根據(jù)寧夏的監(jiān)測成果與經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算水面蒸發(fā)量需進(jìn)行折減，折減系數(shù)為0.6～0.7，本文取上限0.7。

艾依河補(bǔ)給沿線地下水也是重要的水量支出項(xiàng)（WD下）。特別是在艾依河銀川段上游，河道側(cè)向或垂向大量補(bǔ)給地下水。根據(jù)相關(guān)研究成果，艾依河銀川段年補(bǔ)給地下水量為2 498.6 萬 m3。

鑒于本文在分析艾依河河湖濕地水平衡時(shí)，關(guān)注其基本需水量問題，加之分析的重點(diǎn)區(qū)域是艾依河銀川段，溝道輸入艾依河水量遠(yuǎn)大于輸出水量，故引入溝道入河凈水量△W值，將溝道輸出水量（WD排）與輸入水量統(tǒng)一考慮，即：△W=WS溝-WD排。

艾依河的水資源消耗中，以暗管或機(jī)井排出的情況極為少見，但是抽取綠化用水、抽水補(bǔ)灌農(nóng)田、補(bǔ)給其他水體的情形比較普遍，根據(jù)艾依河管理局監(jiān)測統(tǒng)計(jì)，艾依河銀川段以艾依河為水源的綠地有3 500畝（1 hm2=15畝，下同），綠化用水定額平均1000m3/畝，年用水量約350萬m3；2009年開始，銀川市閱海集團(tuán)6 000畝水稻逐步由唐徠渠灌溉改為由唐徠渠、艾依河湖泊濕地灌溉，每年從艾依河取水量約500萬m3，本次研究取該值。

3.艾依河基本需水量

根據(jù)上述水量平衡影響因素的賦值情況，水量平衡方程（4）可以簡化如下：

可以進(jìn)一步簡化為：

依據(jù)河湖濕地基本需水量的概念，艾依河河湖濕地基本需水量即指在保持年度自然水平衡的前提下，艾依河通過溝道補(bǔ)水△W、渠道補(bǔ)充生態(tài)水WS渠等非自然途徑的補(bǔ)充水量WJ。因此，

利用式（7）計(jì)算艾依河河湖濕地基本需水量，其中，艾依河銀川段河湖面積為31 649畝，在維持現(xiàn)有濕地格局和規(guī)模情形下，艾依河基本需水量為 4 484.27萬 m3，見表 1。

三、艾依河濕地生態(tài)需水量

1.生態(tài)需水量計(jì)算方法

區(qū)域河湖濕地生態(tài)環(huán)境需水量側(cè)重于計(jì)算維持河湖濕地基本面積和基本水質(zhì)的用水量，其值與其功能性質(zhì)、構(gòu)成要素特征等有直接關(guān)系，植物及其群落類型、面積、生理生態(tài)、水質(zhì)水量、水下土壤和底泥中的營養(yǎng)物質(zhì)及污染物積累情況等，都決定著湖泊濕地的生態(tài)需水量。

城市河湖濕地生態(tài)需水量的計(jì)算以湯潔等總結(jié)的有關(guān)城市河湖生態(tài)需水量計(jì)算方法比較常用 （見表2），即將河湖濕地需水量分解為五個(gè)需水分量，分別是水面蒸發(fā)需水量、換水需水量、河道輸水損失量、滲透需水量和河道基流量，五者相加為總需水量。

2.影響區(qū)域生態(tài)需水量的主要因素及其賦值

（1）河湖濕地水面蒸發(fā)需水量

指水面不斷向大氣蒸發(fā)水分而消耗的河湖濕地水量，為湖泊濕地面積與水面蒸發(fā)量的乘積。地處半干旱地區(qū)的艾依河，水面蒸發(fā)是湖泊濕地水資源耗損的主要途徑，蒸發(fā)量計(jì)算數(shù)據(jù)如前，達(dá)到1 968.29萬m3。

（2）換水需水量

指基于河湖濕地由于水流不暢而造成水質(zhì)下降和泥沙積淀，加之在發(fā)展旅游業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的過程中造成水質(zhì)下降和泥沙積淀，為改善水質(zhì)水環(huán)境而排泄和補(bǔ)充的水量。

近年銀川市先后提出建設(shè)西北地區(qū)最適于人類生存的城市，并規(guī)劃了“塞上湖城”“兩宜”（最適宜居住、最適宜創(chuàng)業(yè)）“五創(chuàng)”（創(chuàng)建國家節(jié)水城市、創(chuàng)建國家衛(wèi)生城市、創(chuàng)建國家園林城市、創(chuàng)建國家環(huán)境保護(hù)模范城市和爭創(chuàng)中國人居環(huán)境獎(jiǎng)）等建設(shè)目標(biāo)，實(shí)施了景觀水道、森林公園、銀西防護(hù)林以及濕地恢復(fù)等一系列城市生態(tài)建設(shè)工程。按照建設(shè)生態(tài)文明城市的標(biāo)準(zhǔn)（城市河湖水體水質(zhì)必須達(dá)到國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類以上），艾依河作為銀川市一條重要的城市綠化、生態(tài)補(bǔ)水河道，其水體水質(zhì)總體上較好。通過監(jiān)測艾依河銀川段典型斷面的水質(zhì)數(shù)據(jù)（見表3），與《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)相比較，僅有總氮（TN）超標(biāo)，其他指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)。

通過分析艾依河典型斷面的水質(zhì)狀況，本文認(rèn)為艾依河每年通過溝、渠等補(bǔ)水，有效改善了水體水質(zhì)，滿足了河湖生態(tài)環(huán)境對水質(zhì)的要求，故此，可以將每年溝、渠補(bǔ)水作為艾依河的換水需水量進(jìn)行計(jì)算。通過監(jiān)測，艾依河近3年 （2009—2011年）溝、渠平均補(bǔ)水量為5 476萬m3。

（3）河道輸水損失量及滲漏需水量

根據(jù)河道輸水損失量及滲漏需水量的定義，結(jié)合艾依河的實(shí)際河湖特征，本文認(rèn)為艾依河河道輸水損失量與滲漏需水量屬同一范疇，即河道補(bǔ)給地下水量 （WD下），因此只計(jì)算其中一種，避免重復(fù)，需水量為2498.6萬m3。

表1 基本需水量計(jì)算結(jié)果表 單位：104m3

表2 城市河湖生態(tài)需水量計(jì)算方法表

表3 典型斷面水質(zhì)與國家標(biāo)準(zhǔn)比較分析

（4）河湖基流量

指河湖在自然狀態(tài)下接受的補(bǔ)水量，就艾依河而言，主要是降水補(bǔ)給量和地下水自然補(bǔ)給量，其計(jì)算數(shù)據(jù)亦如前述，為482.61萬m3。

3.生態(tài)需水量

通過上述生態(tài)需水量各組成部分需水量的分析和賦值，結(jié)合艾依河基本需水量的分析結(jié)果，得出艾依河銀川段生態(tài)環(huán)境需水總量10 425.5萬m3，換水需水量 5 476萬 m3，占總需水量的59%，可以看出艾依河作為一條以生態(tài)維護(hù)、城市景觀和為沿線湖泊濕地補(bǔ)水為主要功能的水道，對其水質(zhì)的要求較高，生態(tài)環(huán)境需水量較大。

四、結(jié) 語

通過系統(tǒng)分析影響艾依河水量平衡的主要因素，并加以合理賦值，建立了適宜的水量平衡方程，測算了維持艾依河現(xiàn)有濕地格局和規(guī)模的基本需水量。同時(shí)以城市河湖生態(tài)需水理論為依據(jù)，通過測算其水面蒸發(fā)需水量、換水需水量、河道輸水損失量、滲透需水量和河道基流量，得出了維持艾依河濕地生態(tài)健康的生態(tài)需水量。研究成果對維持艾依河濕地水生態(tài)環(huán)境健康具有重要的意義，可以為寧夏乃至整個(gè)西北干旱區(qū)景觀河湖水環(huán)境的管理和保護(hù)提供技術(shù)支撐和科學(xué)指導(dǎo)。

[1]喬云峰，等.基于生態(tài)經(jīng)濟(jì)理論的生態(tài)需水計(jì)算方法研究 [J].水科學(xué)進(jìn)展，2004,15（5）.

[2]劉昌明.關(guān)于生態(tài)需水量的概念和重要性[J].科學(xué)對社會(huì)的影響，2002（2）.

[3]崔保山，楊志峰.濕地生態(tài)環(huán)境需水量研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2002（22）.

[4]崔麗娟，等.基于生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的濕地生態(tài)需水研究[J].世界林業(yè)研究，2006,19（2）.