图们江主要支流生态环境需水量研究

李连侠，满卫东，李春景，朱卫红

(延边大学理学院地理系，吉林 延吉 133002)



图们江主要支流生态环境需水量研究

李连侠，满卫东，李春景，朱卫红

(延边大学理学院地理系，吉林 延吉 133002)

[摘要]以图们江流域近20年的水文数据为基础，利用统计分析方法、水文学方法、GIS和遥感技术，对其主要支流布尔哈通河、嘎呀河、珲春河的生态环境需水量进行了量化研究.结果表明：各支流的河道径流可充分满足河道内生态环境需水量的要求；嘎呀河河道外生态环境缺水3.3亿m3，布尔哈通河、珲春河河道外生态环境需水分别占各自水资源总量的79%，71%，目前表现为不缺水.

[关键词]图们江支流；河流基本生态需水；河流输沙生态需水；水面蒸发生态需水；植被生态需水

伴随着社会经济的快速发展，人类对水资源的过度开发，生态环境问题也越来越严重，由此引发了人们对生态需水量的关注，生态需水量是水资源合理配置的重要基础.本文以图们江流域近20年的水文数据为基础，利用统计分析方法、水文学方法、GIS和遥感技术，对其主要支流布尔哈通河、嘎呀河、珲春河的生态环境需水量进行了量化研究，旨为图们江流域水资源的合理利用与分配提供数据基础.

1研究区概况

本文选取图们江的主要支流布尔哈通河、嘎呀河及珲春河作为研究区域.布尔哈通河横贯延边朝鲜族自治州中部的平原盆地，干流河长172 km，流域面积7 064 km2；嘎呀河是图们江的最大支流，汛期暴雨集中，水量大、涨势猛，河水易出槽泛滥；珲春河是图们江下游的重要支流，伴随着珲春地区经济的快速发展，对水资源的合理利用及水量平衡也提出了更高的要求.图们江流域近20年来受人类活动的影响，水土流失不断加剧，已引起河流水质的下降.[1]

2研究方法

根据生态系统所处空间位置不同，可将河流生态环境需水分为河道内需水和河道外需水.[2]本文将对流域生态系统影响较大的河道内河流需水和河道外植被的生态环境需水量作为研究对象.

2.1河流基本生态环境需水量计算方法——最小月平均流量法

该方法是指维持河流的基本生态环境功能不受破坏、要求年内各时段的河川径流都能维持在一定水平而不出现诸如枯竭甚至断流等问题所需要的水量[3]，即以河流最小月平均实测径流量的多年平均值作为河流的基本生态环境需水量.其计算公式为

(1)

式中:Wb为河流基本生态需水量(亿m3)；Qij为第i年第j个月的月平均流量(m3/s)；T为换算系数，其值为31.536×106；n为统计年数.

2.2河流输沙生态需水量

河流输沙需水不仅影响泥沙输移过程，同时还会影响到河床变化和河流中污染物的迁移转化过程，为维持水沙平衡，维持冲刷与侵蚀的动态平衡，需要一定的生态环境用水量与之匹配，这部分水量就称之为河流输沙需水.[4]计算方法为

Ws=Si/Cmax.

(2)

式中:Ws为输沙需水量(亿m3)；Si为多年平均输沙量(万t)；Cmax为多年最大月平均含沙量的平均值(kg/m3).

2.3水面蒸发生态需水量

为维持河流系统正常的生态功能，当水面蒸发高于降水时，必须从流域河道水面系统以外接纳来水进行弥补，因此把这部分水量称为水面蒸发生态需水量.[5]当降雨量大于蒸发量时，可认为蒸发生态需水量为零.根据水面面积、降水量、水面蒸发量，可以求得相应的各月的蒸发需水量.其计算公式为

We=A(E-P)，E>P；

We=0，E

(3)

式中：We为水面蒸发生态需水量；A为各月平均水面面积；E为各月平均蒸发量；P为各月平均降水量.

2.4植被生态需水——面积定额法

植被生态需水不仅包括维持陆地林木植被、草场植被所需的最小水资源量，还应包括维持农田人工生态系统良性发展所需的最小水资源量[6].本文选用的是面积定额法，该方法适用于基础工作较好的地区与植被类型.其计算公式为

Vj=Aj×Zj.

(4)

式中:Vj为植被类型j的生态环境需水量(亿m3)；A为植被类型j的面积(km2)；Zj为植被类型j的生态环境需水定额(mm).

3结果及分析

3.1图们江主要支流河道内生态环境需水量

考虑到河流系统生态环境需水量的一般特性，根据生态环境需水量的定义及图们江流域的实际情况，河道内生态环境需水量包括三部分：河流基本生态环境需水量；河流输沙需水量；河流水面蒸发需水量.量化结果见表1.

表1　布尔哈通河、嘎呀河、珲春河河道内年均生态环境需水量　亿m3

由延边州水资源公报可知，布尔哈通河1991—2010年总径流量为246.49亿m3，年平均径流量为12.325亿m3；嘎呀呵1991—2010年总径流量为218.026亿m3，年平均径流量为10.901亿m3；珲春河1991—2010年总径流量为244.738亿m3，年平均径流量为12.237亿m3.由表1的各支流河道内生态环境需水量化结果可知，布尔哈通河、嘎呀呵、珲春河河道内年均生态环境需水总量分别为1.55，1.07，2.07亿m3，分别占各支流年平均径流量的12.5%，9.8%，17%，表明河道径流可充分满足河道内生态环境需水量的要求.

3.2图们江主要支流河道外生态环境需水量

河道外植被生态需水量包括天然植被和人工植被的生态环境需水量.根据图们江流域气候、水文及森林植被生长情况，采用面积定额法进行计算[7]，其中的关键是获得不同植被类型的面积和确定需水定额.不同类型植被面积的获取可通过遥感和GIS技术分析的土地利用现状图，采集的数据为2010年9，10月覆盖图们江流域的LANDSAT TM影像，空间分辨率为30 m；同时收集覆盖该区的1∶5万地形图、水系分布图、土地利用图，用作影像几何校正和辅助解译.

基于本研究的具体情况，通过参考2007年8月颁布执行的《土地利用分类》国家标准，本文将土地利用类型分为旱田、水田、林地、草地、水域、建筑用地和未利用地.在GIS软件ArcView 9.3支持下，采用基于知识的人机交互式解译方法，结合地形图、土地利用图、Google地球和野外实地考察反复比较和修改研究区，提取出了各土地利用类型信息(见图1，2，3).利用Arcmap平台，分别计算各支流各种土地类型面积(见表2).

图1　布尔哈通河2010年土地利用遥感解译图

图2　嘎呀河2010年土地利用遥感解译图

图3　珲春河2010年土地利用遥感解译图

km2

由于相关资料的缺乏，在确定各类型植被生态需水定额时，只能借鉴前人的相关研究成果.田静等[8]在对近20年来中国内陆地表蒸散的时空变化研究中指出，东北地区林地蒸散量为520 mm，草地蒸散量为430 mm；陈丽华等[9]以Penman综合法得出了北京地区森林植被用水定额.图们江流域森林生态系统可分为落叶针叶林和落叶阔叶林，草原主要以草甸草原为主，根据以上研究成果具体分析研究区，确定林地需水定额为330 mm，草地为310 mm.图们江流域的主要作物包括水稻、玉米和其他旱作物，鉴于不同作物对水资源有不同的需求量，在核算农田生态环境需水量时，确定不同作物的需水定额十分必要.根据《灌溉节水技术》提供的吉林省农作物平均需水量标准，参考实地调研结果和对相关统计资料的分析，确定图们江流域水田的需水定额为350 mm，旱田为250 mm.采用面积定额法，根据公式(2)—(4)，得到各支流植被生态环境需水量(见表3).

表3　布尔哈通河、嘎呀河、珲春河流域植被年生态环境需水量

3.3图们江主要支流生态环境需水总量及各支流水量平衡分析

由于河道内与河道外生态环境需水之间的关系十分复杂，不能简单地将各项加在一起，因此本文对河道内生态环境需水总量与河道外生态环境需水总量分别进行计算并对其进行分析.将河道内生态环境需水量与河道外生态环境需水量汇总，得出各支流年生态环境需水总量(见表4).

表4　各支流年生态环境需水总量　亿m3

由表4可见，布尔哈通河、嘎呀河、珲春河年生态环境需水总量分别为17.05，21.57，13.37亿m3.其中河道外生态环境需水量分别占各支流需水总量的91%，95%，85%.

水资源总量的确定是水量平衡分析的基础，水资源总量是指降水形成的地表水和地下水的总和，在数值上等于地表水与地下水资源量之和再扣除两者之间的重复计算量.图们江流域基本上属于山丘区，虽然有平原，但只占总流域面积的2.4%，因此，山丘区重复水量仅为山丘区地下径流.[10]

由《延边州水资源公报》(2012年)可知，水平年布尔哈通河、嘎呀河、珲春河年水资源总量分别为19.68，17.20，15.84亿m3；由表4可知，布尔哈通河、嘎呀河、珲春河河道外年生态环境需水量分别为：15.5，20.5，11.3亿m3，因此，嘎呀河河道外年生态环境缺水3.3亿m3，布尔哈通河、珲春河河道外年生态环境需水只占各自水资源总量的79%，71%，表现为不缺水.

4结论

布尔哈通河、嘎呀呵、珲春河河道内年生态环境需水总量只占各支流年平均径流量的12.5%，9.8%，17%，表明河道径流可以充分满足河道内生态环境需水量的要求；以水资源总量为基准，对各支流生态环境需水量进行水量平衡分析可知，嘎呀河河道外年生态环境缺水3.3亿m3，布尔哈通河、珲春河河道外年生态环境需水只占各自水资源总量的79%，71%，目前表现为不缺水.但随着社会经济的发展，水资源供需矛盾将会越来越突现，因此，必须加强水资源管理调配，充分发挥当地水资源的潜力，防止生态环境缺水现象的发生.

[参考文献]

[1]高文义，张守伟.图们江流域泥沙特性分析[J].吉林水利，2008(04)：13-15.

[2]崔树彬.关于生态环境需水若干问题的探讨[J].中国水利，2001(8)：71-75.

[3]史方方，黄薇.河道内基本生态环境需水量计算方法研究[J].水利科技与经济，2008，14(10)：779-781.

[4]陈朋成，周孝德，冯民权.河流生态环境需水量研究[J].水利科技与经济，2007，13(10)：754-759.

[5]张丽，李丽娟，梁丽乔，等.流域生态需水的理论及计算研究进展[J].农业工程学报，2008，24(7)：307-312.

[6]张琳，刘琼，白颖，等.关于河道外生态需水的讨论[J].北京师范大学学报(自然科学版)，2009(Z1)：543-546.

[7]王玲，姚亚楠，奚秀梅，等.基于遥感的石河子垦区植被生态需水量的研究[J].石河子大学学报(自然科学版)，2011(02)：218-223.

[8]田静，苏红波，陈少辉，等.近20年来中国内陆地表蒸散的时空变化[J].资源科学，2012，34(7):1277-1286.

[9]陈丽华，王礼先.北京市生态用水分类及森林植被生态用水定额的确定[J].水土保持研究，2001(4)：161-164.

[10]南颖，郑东春，金文洙，等.图们江流域水资源[J].延边大学学报(自然科学版)，1998，9(3):31-36.

[11]苏飞，陈敏建，董增川.河流生态需水观点及计算方法评述[J].浙江水利科技，2009 (4):1-3.

(责任编辑：方林)

A study on eco-environment water demand of Tumen River’s main tributaries

LI Lian-xia，MAN Wei-dong，LI Chun-jing，ZHU Wei-hong

(Geography Department，College of Sciences，Yanbian University，Yanji 133002，China)

Abstract:This paper is mainly based on nearly two decades hydrological data of Tumen River Basin，using statistical analysis，hydrology methods，GIS and remote sensing technology to have environmental water demand quantitative research for its main tributaries—Buerhatong river，Gaya river，Hunchun river.Research results show that:(1) the river runoff of tributary could meet in-stream ecological water demand. (2) the stream ecological environment of Gaya river is a certain degree of water scarcity，Buerhatong river，Hunchun river in the aggregate performance of not dry.

Keywords:Tumen river；the basic ecological water demand；the river sediment ecological water demand；the surface evaporation ecological water demand；the vegetation ecological water demand

[中图分类号]P 942[学科代码]170·4510

[文献标志码]A

[作者简介]李连侠(1985—)，女，硕士研究生；通讯作者：李春景(1966—)，女，博士，副教授，主要从事自然地理研究.

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(41361015).

[收稿日期]2014-10-10

[文章编号]1000-1832(2016)01-0128-05

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.01.026