现状生态用水的分析方法及应用

5.5.2.1 生态用水特征分析

为了对生态用水状况进行研究分析，首先定义两个重要的生态用水特征值，生态用水系数和生态用水模数，其计算公式为

式中 Cu——生态用水系数，%；

Wu——消耗性生态用水量，m3或mm；

P——降水量，m3或mm；

Mu——生态用水模数，m3或mm（km2·a）；

A——流域或区域面积，km2。

生态用水系数Cu反映的是消耗性生态用水量与降水量的比例，即在多年中平均有多少降水消耗于生态用水（采用2001～2004年平均降水量各地平均降水量）；而生态用水模数Mu是平均一年内单位面积上的生态用水量，它反映了一定流域与区域单位面积上的综合生态用水量。根据1995年山西省降水资料和计算获得的消耗性生态用水量，分区计算得到的不同生态区Cu和Mu值见表5.33～表5.35和图5.6。

表5.33　一级生态区生态用水特征值表

表5.34　二级生态区生态用水特征值表

续表

表5.35　三级生态用水特征值表

分析结果表明：

（1）从一级生态分区水平分析。海河流域生态用水系数和生态用水模数明显低于黄河流域，说明海河生态用水量比黄河流域的余地大。全省平均生态用水系数为12.21%，其中黄河流域为14.97%，海河流域为9.45%。全省平均用水模数为6.23万m3/（km2·a），其中黄河流域生态用水模数为7.92万m3/（km2·a），海河流域生态用水模数为4.54万m3/（km2·a）。

图5.6　山西省各地生态用水系数和生态用水模数排序结果图

（2）从二级生态分区水平分析。土石山区生态用水系数和生态用水模数最大，这表明虽然土石山区降水量相对较大，但土石山区森林植被覆盖率较高，生态用水量的潜力并不大。土石山区生态用水系数最大，为18.21%，其次为黄土丘陵缓坡风沙区，为15.62%，最小为冲积平原区，为2.98%；土石山区生态用水模数最大，为9.62万m3/（km2·a），其次为黄土丘陵缓坡风沙区，为6.47万m3/（km2·a），最小为冲积平原区，为1.58万m3/（km2·a）。

（3）从三级生态区水平分析。全省临汾、晋城、吕梁和太原的生态用水系数较大，晋城、临汾的生态用水模数最大：表明这些地区的植被覆盖率高，生态建设走在了全省的前列，但也说明生态用水的潜力相对较小；运城市生态用水系数为9.15%，用模数为5.46 m3/（km2·a），这与运城市降水量相对较大，另一方面与其有大面积农业用地，且有一定的灌溉面积有关；大同市生态用水系数为9.95%，生态用水模数为3.87万m3/（km2·a），这与大同市降水量小，植被覆盖率低有关。

以上单纯从生态用水角度进行分析，事实上，生态建设还受土地利用、人口密度、光热条件等多方面的影响。如中部断陷盆地及两侧阶地区生态用水系数和生态用水模数均很小，但本区域内大部分为农业用地，恢复林草植被的余地并不大，只能说两侧阶地区则仍有进一步建设经济林木的可能性。

5.5.2.2 降水平衡分析

降水平衡分析是研究生态用水与水资源的对比关系。了解现状生态用水与水资源的对比关系有助于明确区域内生态环境的质量、降水量与水资源之间的关系，为准确量化生态环境建设所需生态用水量与水资源量之间的关系奠定基础。

根据水资源的基本情况概述可知全省境内2001～2004年平均降水量为798.38亿m3，其中黄河流域降水量为514.03亿m3，海河流域降水量284.35亿m3，由降水量形成的地表径流量为57.76亿m3，地下水资源量为72.16亿m3，多年平均入境水量为0.53亿m3，出境水量为34.12亿m3。

根据以上基本情况得到现状生态用水量与以降水资源为基础的水资源平衡关系式

式中 Wp——区域多年平均降水资源量；

W入——区域多年平均入境水量；

W出——区域多年平均出境水量；

WR——区域多年平均地表径流量；

WG——区域多年平均地下水资源量；

WE——区域多年平均总蒸发量；

ΔW——区域多年平均蓄水量的变化量。对于多年平均而言，此项可忽略，即：ΔW＝0。

将上述值代入公式后，可得到全省总的年蒸发量为670.85亿m3，其中降水消耗性生态用水为90.42亿m3，占蒸散总量的13.43%，农作物降水消耗性用水为173.79亿m3，占蒸散总量的25.91%，径流消耗性生态用水量16.39亿m3，占蒸散总量的2.44%，这部分水量在工作中2004年观测计算水资源量时已经蒸发消耗，应视为有效蒸发，其余的390.25亿m3的降水资源量用于土壤蒸发、水域蒸发的消耗，从生态学的生物产量角度看是无效蒸发，即蒸发不能形成生物产量而被消耗进入大气。

表5.36　降水消耗性现状生态用水与降水资源平衡关系表

注　因生态用水计算植被等资料以1997年为基准，2001～2004年地表径测算，修正至2004年，即16.39＝13.42＋8.93－13.42）×7/13。(www.xing528.com)

由表5.36可以看出，全省平均总降水资源中有1/6的水量形成地表水和地下水资源，而用于基本农田、无林草地（低于统计标准以下的）土壤蒸发、水域蒸发的消耗占总降水量的一半左右。由水量平衡可以看出，全省的无效蒸发占有很大的比重，这就为今后增加林地面积、提高森林覆盖度等生态建设用水的增加留有一定的空间。同时，通过森林植被建设和水土保持工程等措施可将无效降水转化为消耗性生态用水，以减小不必要的资源浪费。

5.5.2.3 水资源平衡分析

水资源平衡分析是研究生态用水与国民经济用水的对比关系，从而指出现状生态用水中存在的问题。

水资源总量平衡主要考虑国民经济用水、生态用水、出入境水量。

由山西省水资源态势中表5.37（本表计算采用2001～2004年），可以计算出国民经济多年平均用水量为56.31亿m3。

全省水资源平衡公式如下

式中 W水——水资源总量；

W入——入境水量；

W出——出境水量；

W农——农业耗水量；

W工——工业耗水量；

W生——生活耗水量；

W生态——径流消耗性生态耗水量；

ΔW——平衡差。

由式（5.39）可得：

ΔW＝4.04亿m3

表5.37　山西省水资源平衡关系表　单位：亿m3

注　国民经济耗水量＝国民经济用水量×74%。

由表5.37可以看出，国民经济耗水量占可供水资源总量的44%，全省入境水量与出境水量相差33.59亿m3。可供水资源总量和耗水总量之间有18.69亿m3的平衡差，这表明在现状条件下，有18.69亿m3盈余。

实际上，2000年山西省国民经济用水量中回归河流与地下的水包括废污水约9.1亿m3，农业灌溉渗入或排放回归的量水6.9亿m3，总计达16亿m3。因此，若考虑水质问题，全省水资源供已起趋于平衡，若遇到干旱年份，水资源必然亏缺。因此，污水处理与中水回用是山西省水资源利用中亟待解决的问题。