随着社会经济的发展，在水资源开发利用过程中不考虑生态环境用水需求，导致了一系列生态环境问题，如：河流萎缩、湖泊干涸、水土流失、土地沙化等。要从根本上解决这些问题，水资源的合理分配、尤其是生态环境用水的优先满足至关重要^[1]。兰州新区自2012年8月被批准为第5个国家级新区后，生态建设面积呈现逐年增加形势，但由于当地水资源稀缺，社会经济短期内快速增长、生态建设规模迅速扩大，造成区域社会经济、生态环境用水矛盾加剧。

近年来，有关生态需水问题的研究受到了诸多专家和学者^[2-4]的关注，也取得了许多优秀的成果。笔者认为生态需水量可以引用杨爱民等^[5]的定义，即生态需水量是指在一定的生态保护、恢复或建设目标下，在特定的时空范围内，生态系统达到或维持某种生态平衡所需要的基本水量，即生态环境健康发展所需要的合理的水量^[5]。生态需水的概念、需水类型划分方法、计算方法等因研究地点、研究对象的不同而存在较大差异，还没有形成一套统一完整的评价体系^[3-4]。例如以苗鸿等^[6]为代表的一些学者对生态用水的基本理论和计算方法进行了探讨；宋炳煜等^[7]采用试验的方法对皇甫川流域人工杨树林地的生态用水量进行了测定；何永涛等^[8]借助遥感影像资料和GIS手段，对黄土高原地区森林植被的生态需水量进行了研究。许多研究成果是按照土地利用类型的分类计算了包含天然植被和人工植被在内的所有生态需水量，而没有明确指出哪些植被是人工供水、哪些是天然需水，也没有明确指出人工植被生态需水量是多少，这将导致在水资源开发利用中无法确定应将水资源总量中的多少分配给生态环境。尤其是对于像兰州新区这样的主要依靠外来引水的地区，人工生态建设面积占水资源用水总量份额较大，研究其需水量的问题是必要的。

笔者以兰州新区人工生态系统为研究对象，以2016年高分一号遥感影像为数据源，依据研究区现状和相关建设规划，划分生态需水类型，统计现状年和规划年(2020和2030年)的生态需水面积，计算现状年、规划年生态需水量，以期为水资源可持续开发利用和生态环境建设提供理论依据。

1 研究区概况

兰州新区位于兰州北部秦王川盆地(图 1)，地理坐标介于E 103°51′~104°45′、N 36°17′~36°43′之间，距兰州市区38.5 km，包括上川、中川、秦川、树屏、西岔镇和水阜乡6个乡(镇)。项目区南北长约49 km，东西最宽处达到23 km，规划区总面积806 km²。研究区域属温带半干旱大陆季风气候，多年平均气温6.5 ℃，年均降水量261.2 mm，降雨主要集中于7—9月，年均蒸发量1 879.8 mm，年日照时间2 600 h，无霜期约150 d左右，最大冻土深度1.46 m，主导风向为西北风，年平均风速2.3 m/s。项目区生态环境脆弱，自产水资源匮乏，无常年地表径流，地下水埋藏在10~30 m以下，矿化度高、水质较差，区内农业灌溉、生产生活用水90%以上来自引大入秦工程供水。以上资料来源于兰州新区农林水务局提供的《兰州新区水土保持规划(2017—2030)》。

2 数据来源与研究方法

数据来源于：1)遥感影像采用2016年6月高分一号遥感影像(空间分辨率PMS：2 m、8 m)；2)气象数据为兰州新区气象站(2008—2017年)气象资料(兰州市气象局)，及距研究区约36km的皋兰气象站(1988—2017年)气象资料(国家气象数据中心)；3)《兰州新区林业生态建设规划(2011—2030)》《兰州新区生态建设“十三五”规划(2016—2020年)》《兰州新区供水工程规划(2011—2030)》等。

生态需水可以按照生态系统是人工的还是天然的划分为：人工生态需水和天然生态需水。从水资源开发利用与合理配置上讲，对实际工作最具指导意义的是狭义水资源口径下的植被生态用水^[1]，因此，本文主要研究人工生态系统需水量。笔者根据生态系统功能和需水特性的相似性，将生态类型划分为3个大类，即植被生态需水、人工水体生态需水和城市建设生态需水，下文用字母WV、WB和WU表示。又根据生态系统组成及结构和功能的相似性将3个大类划分成13个子类，其中：植被生态需水类型WV包括6个子分类；水库、湖泊、坑塘等人工水体生态需水类型WB包括4个子分类；城市建设生态需水类型WU包括3个子分类。各子分类均分别以不同的字母表述，详见表 1。

现状年生态需水量为现状植被、人工水体和城市建设生态需水量之和。2020年、2030年生态需水量为新增植被、人工水体和城市建设生态需水量与现状年生态需水量之和。单位为万m³。

2.1 植被生态需水量的计算

采用Penman-Monteith公式^[9]计算参考作物蒸散发ET₀，再根据植物生长类型和土壤水分情况采用植被系数K_C和土壤水分系数K_S进行修正，确定出植被生态需水定额ET，再乘以植被的生长面积，得到植被生态需水量。该方法在世界范围内具有较好的适用性，并被FAO(Food and Agriculture Organization of the United Nations)和WMO(World Meteorological Organization of the United Nations)推荐^[10-11]。计算公式为

$ {\rm{ET = E}}{{\rm{T}}_{\rm{0}}}{K_{\rm{C}}}{K_{\rm{S}}}。$

(1)

1) 参考作物蒸散发

$ {\rm{E}}{{\rm{T}}_0} = \frac{{0.408\Delta \left( {{R_{\rm{n}}} - G} \right) + \gamma \frac{{900}}{{{T_{{\rm{mean }}}} + 273}}{u_2}\left( {{e_{\rm{s}}} - {e_{\rm{a}}}} \right)}}{{\Delta + \gamma \left( {1 + 0.34{u_2}} \right)}}。$

(2)

式中：ET₀为参考作物蒸散量，mm/d；Δ为饱和水汽压曲线斜率，kPa/℃；R_n为地表净辐射，MJ/(m·d)；G为土壤热通量，MJ/(m²·d)；γ为干湿表常数kPa/℃；T_mean为日平均温度，℃；u₂为2 m高处风速，m/s；e_s为饱和水汽压，kPa；e_a为实际水汽压，kPa。

2) 植被系数K_C。植被系数是反映植被类型、生长状况对潜在耗水量影响的关键指数。笔者采用广泛应用的FAO非完全覆盖条件下自然植被系数的计算方法^[12]确定不同生态类型的植被系数。

3) 土壤水分系数K_S。土壤水分系数反映在供水不充分时，植物的实际蒸散量受土壤供水状况的影响程度，与土壤质地、土壤含水量状况有关。一般可用Jensen公式^[12]来计算。

$ {K_{\rm{s}}} = \ln \left( {\frac{{S - {S_{\rm{w}}}}}{{{S^*} - {S_{\rm{w}}}}}100 + 1} \right)/\ln 101。$

(3)

式中：S为土壤的实际含水质量分数，g/kg；S^*为土壤临界含水质量分数，g/kg；S_w为土壤凋萎含水质量分数，g/kg。

2.2 人工水体生态需水量的计算

采用水面蒸发补给法^[5-6]计算。项目区干旱少雨，蒸发量远大于降水量，生态用水主要消耗于水面蒸发。计算公式为：

$ {W_{\rm{S}}} = \sum {{A_i}} \left( {{P_i} - {E_i}} \right)。$

(4)

式中：W_S为人工水体生态需水总量，万m³；A_i为第i种水体的水面面积，km²；P_i为第i种水体的平均降水量，mm；E_i为第i种水体的平均蒸发量，mm。

2.3 城市建设生态需水量的计算

根据有关灌溉定额资料结合现场调查综合确定灌溉定额，采用面积定额法^[5-6]计算生态需水量。

3 结果与分析 3.1 生态需水类型划分

项目组于2018年9月、2019年5月进行了为期30 d的调研，采用ArcGIS 10.2对研究区遥感影像目视解译，统计得出并绘制2016年生态面积及空间分布图，见表 1和图 2(其中水体面积结合影像解译及水利部门的统计资料确定，此处仅在表 1中列出，未予图上显示)。由表 1可知，研究区现状年生态需水总面积39.55 km²，其中，植被生态需水类型面积最大，为24.57 km²，城市建设生态类型次之，为9.76 km²，人工水体需水类型最小，为5.22 km²。在植被生态需水类型中，荒坡防护林面积最大，为13.34 km²，其次为农田防护林和东一干防护林，分别为5.06和4.37 km²，水源地防护林、机场高速通道绿化带和人工草地面积较小，分别为0.63、0.48和0.69 km²。

3.2 不同生态类型需水量计算 3.2.1 植被生态需水

1) 潜在蒸散发量。兰州新区气象站建站时间不长，仅有10年气象资料，且逐年降水量波动性较大，尤其近年来属于降水偏丰的年份，极端暴雨天气频发，代表性较差。而皋兰站2008—2017年降水系列特征值与30年降水系列(1988—2017年)非常接近(相差仅3%)，认为其具有较好的代表性。依据皋兰站气象数据计算研究区ET₀，结果见表 2。

2) 植被系数K_C。按前述方法计算植被系数如表 3所示。

3) 土壤水分系数K_S。按前述方法计算土壤水分系数，WV1、WV2和WV6的土壤质地以细砂，粉砂为主，土壤水分系数为0.896 2，WV3、WV4、WV5的土壤质地以砂壤土和轻壤土为主，土壤水分系数为0.903 8。

4) 植被生态需水量。计算可得项目区逐月植被生态需水定额及生态需水量(分别见表 4及图 3)。其中：农田防护林、机场高速通道绿化带年生态需水定额最大，为738.7 mm；其次是荒坡防护林和东一干防护林，分别为668.3和660.8 mm；植被生态类型年生态需水定额为675.5 mm。植被生态类型年生态需水总量为1 660万m³，其中，荒坡防护林生态需水量最大，生态需水量为892万m³，其次为农田防护林、东一干防护林。

3.2.2 人工水体生态需水

根据皋兰气象站气象资料(图 4)，研究区多年平均降水量256.8 mm，多年平均小型蒸发量(20 cm口径)1 640.36 mm。小型蒸发量换算成水面蒸发量需乘以水面折算系数，河西走廊地区正义峡站水面折算系数为0.62^[3]，本研究取值0.62，计算可得研究区多年平均水面蒸发量为1 066.2 mm。扣去降雨量，可得人工水体年需水定额为820.3 mm，人工水体年生态需水量为428万m³，结果见表 5。

3.2.3 城市建设生态需水

根据现场调查，城区绿化采取乔灌草相结合的种植方式，均配套有完善的灌溉设施。根据《甘肃省水利用水定额》(2017年版)对于园林绿化用水定额的规定(1、4季度为1 L/(m²·d)，2、3季度为3 L/(m²·d))及现场调查，城市建设年生态需水定额约为0.6 m³/(m²·a)(731.0 mm)。城市建设生态类型生态需水量计算结果见表 6，年生态需水总量为713万m³。

3.3 现状年生态需水量计算

计算出研究区2016年逐月生态需水总量，结果见表 7。项目区现状年生态需水量为2 801万m³，其中：植被年生态需水量最大，为1 660万m³(675.5 mm)；其次为城市建设年生态需水量，为713万m³(731.0 mm)；人工水体年生态需水量最小，为428万m³(820.3 mm)。

3.4 规划年生态需水量计算 3.4.1 规划年新增生态需水面积及生态需水总面积

根据相关规划，研究区2016—2020年新增各类生态建设面积38.82 km²，2020—2030年新增各类生态建设面积3.53 km²。具体情况见表 8所示。

3.4.2 规划水平年2020、2030年生态需水量计算结果

研究区2020年、2030年逐月生态需水量计算结果见表 9和表 10。2020年研究区年生态需水总量5 579万m³，其中，植被生态类型3 330万m³，人工水体606万m³，城市建设生态类型1 643万m³。2030年研究区年生态需水总量5 844万m³，其中，植被生态类型3 520万m³，人工水体681万m³，城市建设生态类型1 643万m³。

4 结论与讨论

笔者以研究区人工生态需水为研究对象，探讨了生态需水类型的划分方法和需水量的计算方法，通过分析不同生态需水类型现状和规划年的需水量，为更好地指导生态建设灌溉实践和水资源的可持续开发利用提供理论依据。将研究区人工生态系统划分为共3个大类、13个子类。现状年人工生态需水总面积39.55 km²，其中，植被生态需水类型面积最大，为24.57 km²；城市建设生态类型面积次之，为9.76 km²；人工水体需水类型面积最小，为5.22 km²。

研究区2016年生态需水总量为2 801万m³，其中植被生态需水量最大，为1 660万m³(675.5 mm)；其次为城市建设生态需水量，为713万m³(731.0 mm)；人工水体生态需水量最小，为428万m³(820.3 mm)。植被生态需水类型中，荒坡防护林年生态需水量最大，为892万m³(668.3 mm)；农田防护林、东一干防护林年生态需水量较大，分别为374万m³(738.7 mm)、289万m³(660.8 mm)。研究区2020年生态需水总量5 579万m³，其中，植被生态类型年生态需水量3 330万m³，人工水体606万m³，城市建设生态类型1 643万m³。2030年生态需水总量5 844万m³，植被生态类型年生态需水量3 520万m³，人工水体681万m³，城市建设生态类型1 643万m³。

研究区现状年、规划年植被生态需水量最大，城市建设生态需水量第二大、人工水体需水量最小。生态需水量随着一年中季节和温度的变化呈现先逐渐增加，至平稳后，再逐渐降低的趋势。供水时应统筹考虑生态需水量在时间上的变化特点，在高温干旱季节保证有足够的灌溉水源用于灌溉，在低温季节可适当地减少灌水量。植被生态类型及城市建设生态类型生态需水所占比例较大，灌溉供水系统的空间布局上应重点考虑这2种类型，尤其是面积最大的荒坡防护林，应综合考虑地形、距离远近等因素对供水系统进行合理布局，尽可能使供水循环利用、缩短供水管道长度，减少供水过程中的能量损失和输水损失、提高供水利用效率。在社会经济发展中开发利用水资源应给生态系统预留足够的生态需水量，要根据生态建设的保护目标和不同生态类型的用水特点及用水权重供给充足的水资源，保障生态系统的健康稳定发展。

笔者基于遥感影像、GIS技术计算了研究区现状、规划水平年人工生态系统需水量。然而，由于研究区范围较大开展试验研究比较困难，生态需水的相关计算公式中有诸多参数其取值仅通过经验公式计算，存在较大的不确定性，在一定程度上影响了计算结果的准确性。在进一步的研究中应尽可能的采用试验的手段来获取或佐证相关参数取值，进一步增强计算成果的可靠性。