银川平原艾依河湿地生态水平衡研究

张学文，和志国,马海峰

（1.宁夏水文水资源勘测局，750001,银川；2.宁夏水利科学研究院，750021，银川）

近年随着艾依河湿地生态功能的进一步显现，明确其水平衡已成为该区域水生态环境保护的一项重要研究任务。本文通过系统分析艾依河的主要功能和河湖特征，建立适宜的河湖湿地水量平衡方程，测算其基本需水量和生态需水量，进一步明确其水生态内在平衡与方式，对于宁夏乃至整个西北干旱区景观河湖水生态环境的修复和保护具有重要的意义。

一、艾依河河湖湿地水平衡研究的目标选择

河湖湿地水平衡是一个复杂的科学问题，既是建立在区域自然环境基础上的平衡，也是在一定的经济、社会发展水平上的平衡。在区域可持续发展目标与水资源有限背景协同的角度上，湖泊湿地水平衡至少应当有两重目标：一是维持一定规模的湿地生态平衡；二是保障经济社会发展的用水，以达到维持基本规模湿地生态平衡的目标。

从需水量的角度来看，崔丽娟等认为维持湖泊湿地水平衡要注意以下7个方面：①维系湿地生态环境现状；②维持新生湿地生态系统不再退化；③恢复历史某个时期的湿地生态景观和功能；④维持湿地基本特征或者某些具体目标；⑤保护湿地生物多样性；⑥保护不同级别濒危珍稀物种或特殊生态系统；⑦实现国家发展计划。总之，湿地总的生态环境需水量是由不同的需水分量构成的，包括植物需水量、土壤需水量、野生生物栖息地需水量、补水需水量、防止盐水入侵需水量、防止岸线侵蚀及河口生态环境需水量、净化污染物需水量等。

艾依河湿地的主要功能是生态维护、城市景观和城市防洪，因此本文的目标之一是以维持艾依河现有湿地为目的，匡算区域的静态水平衡量，即维持现有湿地格局和规模的基本需水量，为进一步规划建设艾依河提供一定的科学指导。目标之二是在考虑艾依河水环境需水的情形下，进一步了解其水生态系统的组成、结构、功能等特征，从保证湿地用水量和水质不恶化的角度，计算区域生态需水量，为湿地污染防治和景观建设服务。

二、艾依河水量平衡与基本需水量

1.水量平衡方程

河湖湿地水量平衡是指这一系统某时段出、入河湖水量之差与河湖增、减水之间的关系，可由如下方程式确定：

式中，R入为单位时段的入河湖水量，R出为单位时段的出河湖水量。

综合考量艾依河水量变化的控制因素，方程（1）可细化为：

式中，P为单位时段内湖面上的降水量（m3）；WS下为单位时段进入艾依河的地下自然径流量（m3）；WS沟为单位时段沟道补给水量（m3）；WS渠为单位时段渠道补给水量，即生态补水量（m3）；WS井为单位时段抽取井水补给水量（m3）；EC为单位时段内湖面水汽凝结量（m3）；E为单位时段内湖面上的蒸发量（m3）；WD排为单位时段以沟渠形式外排水量（m3）；WD下为单位时段流出艾依河的地下自然径流量（m3）；WD井为单位时段时以暗管或井排、抽取绿化用水等形式从艾依河排出水量（m3）。

2.影响水量平衡的主要因素及其赋值

降雨（P）是艾依河的重要补给来源之一，艾依河地处宁夏引黄灌区腹地，降水量少且时空分布不均，多集中在 6—9月，根据近 3年（2009—2011年）降雨量观测，艾依河平均降雨量仅为176.7 mm。

区域地下水也对艾依河有一定的补充（WS下），特别是在艾依河银川段中下游，由于地势逐渐下降，加之地下水水位较高等原因，地下水侧向补给河道。根据相关研究成果，艾依河中段地下水年补给量为109.6万m3。

沟道水是艾依河最主要的补水水源（WS沟），主要通过第二排水沟、四二干沟、平二支沟、南梁沟等沟道汇集农业灌溉排水补充艾依河，根据监测，近3年年平均补给量为3 899万m3，占总补给量的67%。

渠道是艾依河另一个重要的补给水源（WS渠），即生态补水水源。根据宁夏引黄灌区灌溉期特点以及避免湖泊湿地和农田灌溉争水，利用灌溉空闲期进行艾依河上段补水，保证河道水位，调控河道水质。近3年生态补水量的监测数据显示，年均达到1 576万m3，占总补给量的27%。

通过机井抽取地下水补给（WS井），是银川市域湖泊湿地的水源辅助补给方式，一般来说，是因为以下两种因素驱动而采用的补水措施。其一为主动因素，是湖泊湿地管理部门在沟渠补水不敷使用的情况下，为保证湖泊景观生态和渔业用水不得已而为之；其二为被动因素，即在灌溉农田进行排水吸盐作业时，湖泊湿地因地势低洼，自然而然地成为水盐吞吐场所。考虑该补给方式属于临时、偶发补给，故不作具体分析，在此取值为0。

各种用途再生水利用的水质标准和技术要求是再生水利用的起点。在美国，此类标准以专门的再生水法规规定，或者由健康和环境法律规定。各种用途水质、处理工艺、管网建设等技术标准，以及对水处理、水分配、用水设备和环境、健康问题进行的监管程序，其规定都非常详细。例如，对于管网系统中再生水和饮用水管网的交叉，美国的要求是在严格标记的前提下，每4年进行一次细致检查，以确保再生水与饮用水不会混合。补给地下水的再生水项目，均要求通过监测井等方式防范污染地下水。卫生部门对污水利用的合法性，即水质标准、规程以及其他相关法律的适用进行监管。

年内湖面水汽凝结量（EC）相对于蒸发量和降水量非常微小，可忽略不计。水面蒸发量（E）是艾依河最主要的水量支出项，其值大小与气温、风速、气压、太阳辐射等因素有密切关系。由于艾依河区域气候干旱，光照强烈，加之降水稀少，故水面蒸发强度很大，参考银川市多年平均年水面蒸发量（E601 型）1 332 mm，本文取艾依河区域水面蒸发量为1 332 mm。根据宁夏的监测成果与经验，计算水面蒸发量需进行折减，折减系数为0.6～0.7，本文取上限0.7。

艾依河补给沿线地下水也是重要的水量支出项（WD下）。特别是在艾依河银川段上游，河道侧向或垂向大量补给地下水。根据相关研究成果，艾依河银川段年补给地下水量为2 498.6 万 m3。

鉴于本文在分析艾依河河湖湿地水平衡时，关注其基本需水量问题，加之分析的重点区域是艾依河银川段，沟道输入艾依河水量远大于输出水量，故引入沟道入河净水量△W值，将沟道输出水量（WD排）与输入水量统一考虑，即：△W=WS沟-WD排。

艾依河的水资源消耗中，以暗管或机井排出的情况极为少见，但是抽取绿化用水、抽水补灌农田、补给其他水体的情形比较普遍，根据艾依河管理局监测统计，艾依河银川段以艾依河为水源的绿地有3 500亩（1 hm2=15亩，下同），绿化用水定额平均1000m3/亩，年用水量约350万m3；2009年开始，银川市阅海集团6 000亩水稻逐步由唐徕渠灌溉改为由唐徕渠、艾依河湖泊湿地灌溉，每年从艾依河取水量约500万m3，本次研究取该值。

3.艾依河基本需水量

根据上述水量平衡影响因素的赋值情况，水量平衡方程（4）可以简化如下：

可以进一步简化为：

依据河湖湿地基本需水量的概念，艾依河河湖湿地基本需水量即指在保持年度自然水平衡的前提下，艾依河通过沟道补水△W、渠道补充生态水WS渠等非自然途径的补充水量WJ。因此，

利用式（7）计算艾依河河湖湿地基本需水量，其中，艾依河银川段河湖面积为31 649亩，在维持现有湿地格局和规模情形下，艾依河基本需水量为 4 484.27万 m3，见表 1。

三、艾依河湿地生态需水量

1.生态需水量计算方法

区域河湖湿地生态环境需水量侧重于计算维持河湖湿地基本面积和基本水质的用水量，其值与其功能性质、构成要素特征等有直接关系，植物及其群落类型、面积、生理生态、水质水量、水下土壤和底泥中的营养物质及污染物积累情况等，都决定着湖泊湿地的生态需水量。

城市河湖湿地生态需水量的计算以汤洁等总结的有关城市河湖生态需水量计算方法比较常用 （见表2），即将河湖湿地需水量分解为五个需水分量，分别是水面蒸发需水量、换水需水量、河道输水损失量、渗透需水量和河道基流量，五者相加为总需水量。

2.影响区域生态需水量的主要因素及其赋值

（1）河湖湿地水面蒸发需水量

指水面不断向大气蒸发水分而消耗的河湖湿地水量，为湖泊湿地面积与水面蒸发量的乘积。地处半干旱地区的艾依河，水面蒸发是湖泊湿地水资源耗损的主要途径，蒸发量计算数据如前，达到1 968.29万m3。

（2）换水需水量

指基于河湖湿地由于水流不畅而造成水质下降和泥沙积淀，加之在发展旅游业、养殖业的过程中造成水质下降和泥沙积淀，为改善水质水环境而排泄和补充的水量。

近年银川市先后提出建设西北地区最适于人类生存的城市，并规划了“塞上湖城”“两宜”（最适宜居住、最适宜创业）“五创”（创建国家节水城市、创建国家卫生城市、创建国家园林城市、创建国家环境保护模范城市和争创中国人居环境奖）等建设目标，实施了景观水道、森林公园、银西防护林以及湿地恢复等一系列城市生态建设工程。按照建设生态文明城市的标准（城市河湖水体水质必须达到国家地表水环境质量标准Ⅳ类以上），艾依河作为银川市一条重要的城市绿化、生态补水河道，其水体水质总体上较好。通过监测艾依河银川段典型断面的水质数据（见表3），与《国家地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类标准相比较，仅有总氮（TN）超标，其他指标均符合标准。

通过分析艾依河典型断面的水质状况，本文认为艾依河每年通过沟、渠等补水，有效改善了水体水质，满足了河湖生态环境对水质的要求，故此，可以将每年沟、渠补水作为艾依河的换水需水量进行计算。通过监测，艾依河近3年 （2009—2011年）沟、渠平均补水量为5 476万m3。

（3）河道输水损失量及渗漏需水量

根据河道输水损失量及渗漏需水量的定义，结合艾依河的实际河湖特征，本文认为艾依河河道输水损失量与渗漏需水量属同一范畴，即河道补给地下水量 （WD下），因此只计算其中一种，避免重复，需水量为2498.6万m3。

表1 基本需水量计算结果表 单位：104m3

表2 城市河湖生态需水量计算方法表

表3 典型断面水质与国家标准比较分析

（4）河湖基流量

指河湖在自然状态下接受的补水量，就艾依河而言，主要是降水补给量和地下水自然补给量，其计算数据亦如前述，为482.61万m3。

3.生态需水量

通过上述生态需水量各组成部分需水量的分析和赋值，结合艾依河基本需水量的分析结果，得出艾依河银川段生态环境需水总量10 425.5万m3，换水需水量 5 476万 m3，占总需水量的59%，可以看出艾依河作为一条以生态维护、城市景观和为沿线湖泊湿地补水为主要功能的水道，对其水质的要求较高，生态环境需水量较大。

四、结 语

通过系统分析影响艾依河水量平衡的主要因素，并加以合理赋值，建立了适宜的水量平衡方程，测算了维持艾依河现有湿地格局和规模的基本需水量。同时以城市河湖生态需水理论为依据，通过测算其水面蒸发需水量、换水需水量、河道输水损失量、渗透需水量和河道基流量，得出了维持艾依河湿地生态健康的生态需水量。研究成果对维持艾依河湿地水生态环境健康具有重要的意义，可以为宁夏乃至整个西北干旱区景观河湖水环境的管理和保护提供技术支撑和科学指导。

[1]乔云峰，等.基于生态经济理论的生态需水计算方法研究 [J].水科学进展，2004,15（5）.

[2]刘昌明.关于生态需水量的概念和重要性[J].科学对社会的影响，2002（2）.

[3]崔保山，杨志峰.湿地生态环境需水量研究[J].环境科学学报，2002（22）.

[4]崔丽娟，等.基于生态保护目标的湿地生态需水研究[J].世界林业研究，2006,19（2）.