河南省生態(tài)用水的空間分異特征研究

石蒙蒙 薛興燕 吳明作 何瑞珍 葛亞超

(河南農(nóng)業(yè)大學林學院，河南 鄭州 450002)

河南省生態(tài)用水的空間分異特征研究

石蒙蒙 薛興燕 吳明作 何瑞珍 葛亞超

(河南農(nóng)業(yè)大學林學院，河南 鄭州 450002)

收集河南省各縣市的氣象資料與土地利用、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用Penman模型與河南省用水定額等方法計算出各縣市的生態(tài)用水各項分量，利用GIS等工具分析其空間變異特征。結(jié)果表明，河南省生態(tài)用水平均為 82 488.08 ×104m3，但變異系數(shù)較大，用水量較大的地區(qū)主要集中在南部、西部山區(qū)；生態(tài)用水密度平均為59.10×104m3/km2，其變異系數(shù)較??；生態(tài)用水量主要由生態(tài)環(huán)境需水量與水體蓄水量組成，與土地利用方式、氣候條件、植被狀況、國土面積等因素有關；排序分析表明，河南省生態(tài)用水大致可以分為用水量大但密度較小、用水量小但密度較大、用水量與密度均小3個區(qū)域。

生態(tài)用水；空間分異；生態(tài)需水；GIS；河南省

雖然生態(tài)用水與生態(tài)需水仍有許多問題尚未厘清[1-2]，但對其定量測算，是進行區(qū)域水資源開發(fā)利用與規(guī)劃配置等工作的基礎[2-3]，國內(nèi)外對生態(tài)需水量進行了很多研究[1-3]，而基于生態(tài)需水測算區(qū)域性用水量的報道較少[4]。河南省屬于北亞熱帶向暖溫帶的過渡地帶，跨黃河、海河、淮河與長江流域，具有熱量帶與流域代表性，但水資源短缺、貧水化問題嚴重[5]，對其水資源與生態(tài)需水研究主要側(cè)重于小尺度區(qū)域性的生態(tài)需水量[6-10]，針對全省范圍的研究較少[11-12]，針對生態(tài)用水的研究更少[13]。本研究以河南省各縣(市)為單元，測算其基本的生態(tài)用水量，并運用GIS等工具分析其空間變異性，為進一步測算河南省的水量平衡，水資源的開發(fā)利用、水量調(diào)度、規(guī)劃與配置等提供基礎資料，也為大尺度范圍的類似研究提供借鑒。

1 研究地概況

河南地處北緯31°23′～36°22′，東經(jīng)110°21′～116°39′，地勢西高東低。西部和南部為丘陵山地，東部、北部和中部為遼闊平原。省域面積1.67×105km2，平原盆地、山區(qū)丘陵面積分別占全省土地總面積的55.7%和44.3%。地跨淮河、長江、黃河、海河四大流域，流域面積分別為8.83×104、2.77×104、3.62×104、1.53×104km2。全省100 km2以上的河流有493條。屬典型的溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫13～15 ℃，年平均降水量600～1 200 mm，年均日照時數(shù)2 000～2 600 h?？蓾M足農(nóng)作物1年2熟或2年3熟的需要，受氣候影響，區(qū)域植被分布明顯兼有南、北方的特點。

2 研究方法

2.1 資料來源

用于計算植物蒸散量的氣象資料通過河南省氣象局購買得到，共收集119個氣象站點自建站(最早1951年，最晚1963年)至2003年間的各種氣象要素資料，各臺站氣象資料年限為11 a的有25個、19 a的7個、20～30 a的4個，其余的均在30 a以上，50 a以上有11個，最長的為53 a。人口數(shù)據(jù)和生產(chǎn)總值數(shù)據(jù)來源于河南省2012年統(tǒng)計年鑒[27]。土地利用數(shù)據(jù)來源于各地的土地利用規(guī)劃。

2.2 測算方法

本項研究以狹義概念為基礎測算生態(tài)需水量[1-4,12,14]，加上生產(chǎn)生活用水作為生態(tài)用水量。

1) 作物蒸散量。計算參照作物蒸散量時，使用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman模型[15-16]，計算時對各參數(shù)按文獻[17]進行修正。

2) 植被需水量。 對于有河南省用水定額標準的植被(市區(qū)綠地、苗圃地等)，采用定額法計算：

W=α×q×A

式中：W為植被需水量，m3；α為單位換算系數(shù)；q為灌溉定額，m3/hm2；A為某植被類型的面積，hm2。灌溉定額依據(jù)河南省地方標準計算[18]。

對于沒有定額標準的植被(林地、草地等)，則采用系數(shù)法計算：

Etc=ET0×Kc

式中：Etc為植被需水量；ET0為參考作物蒸散量；Kc為系數(shù)，根據(jù)已有研究確定[14]。

因河南省農(nóng)作物多數(shù)進行了套種，且常綠針葉林與針闊混交林所占面積比例較大，故計算植被需水量時采用了整年時間而非只計算生長期。

3) 土壤用水量。土壤用水量指在適宜含水定額時，植物生長強度不受土壤含水量限制的臨界含水量，其值一般為田間持水量的75%[10,19]，本文計算時，土壤深度取0.5 m，田間持水量根據(jù)河南省土壤類型取樣實際測定得到。

4)潛水蒸發(fā)量。根據(jù)已有報道[20-22]，用葉水庭公式計算潛水蒸發(fā)量，臨界埋深取5 m，用Penman模型計算蒸發(fā)能力ET0代替蒸發(fā)皿實測值：

E=ET0×e-aH

式中：E為潛水蒸發(fā)強度，mm/d；ET0為大氣蒸發(fā)能力，mm/d；a為經(jīng)驗常數(shù)，與土質(zhì)及地下水埋深有關，按逐日擬合計算，其值在砂礓黑土(在河南省主要是信陽、漯河兩地)時為3.40，在黃潮土時為0.65；H為潛水埋深，m，其值依據(jù)參考文獻[23-25]確定。

5) 水面蒸發(fā)水量。河流與湖泊均因水面蒸發(fā)而需要一定的補給水量。一般地，水面蒸發(fā)量可認為是自由水面蒸發(fā)量，可按Pemman模型計算。

6) 徑流維持用水。徑流維持用水量也即河道需水量，本研究以徑流量進行測算。取各地區(qū)的地表徑流量、水資源量等數(shù)據(jù)[26]，按該地區(qū)內(nèi)各縣(市)的面積比例進行測算。

7) 生產(chǎn)與生活用水量。生產(chǎn)與生活用水量采用定額法測算，用水定額參考河南省地方標準[18]。生產(chǎn)用水包括工業(yè)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水，前者采用萬元產(chǎn)值用水定額測算；后者采用單位面積灌溉用水定額測算。生活用水包括城市生活用水和農(nóng)村生活用水，分別根據(jù)城鎮(zhèn)人口和農(nóng)村人口的計算數(shù)乘以人均綜合用水定額進行測算。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)整理計算利用Excel 2003，空間分布格局采用ArcGIS 10.1繪制，排序圖采用Canoco 4.5 for windows繪制，趨勢面分析采用ForStat 2.1完成，其他繪圖采用Origin 8.0。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)用水量的空間分異

根據(jù)測算結(jié)果，運用GIS工具繪制河南省生態(tài)用水量的空間分布格局，結(jié)果見圖1。

河南省生態(tài)用水的空間變異較大，一般情況下，南部與西部山區(qū)的生態(tài)用水量較大，東北部與中部的黃淮海平原地區(qū)整體較小(圖1)。全省生態(tài)用水量平均為 82 488.08 萬m3，變異系數(shù)為66.34%，也表明各地數(shù)值變化較大。最大值出現(xiàn)在信陽市區(qū)，為 414 998.29 萬m3，是最小值 23 110.90 萬m3(義馬市)的18倍。這種差異與當?shù)氐臍夂驐l件、植被狀況、水域面積等因素有關，也與國土面積有關。

根據(jù)國土面積計算各地的生態(tài)用水密度(因各市區(qū)人口與工業(yè)生產(chǎn)發(fā)達，用水量較多，此處未計入)。結(jié)果表明，河南省生態(tài)用水密度為59.10×104m3/km2(未計各市區(qū))，變異系數(shù)為38.01%，雖然義馬市的生態(tài)用水總量較小，但其生態(tài)用水密度最大，為230.04×104m3/km2，是最小值盧氏縣(34.75×104m3/km2)的6.6倍。義馬市為河南省煤炭產(chǎn)區(qū)，面積較小，人口較多，其生態(tài)用水主要是生活與工礦用水；而盧氏縣面積較大，人口較少，其生態(tài)用水主要是生態(tài)環(huán)境用水，生活用水較少。由此可見，生態(tài)用水量與諸多因素有關，在進行用水規(guī)劃時，需要考慮用水總量及其密度。

3.2 生態(tài)用水量空間分異的趨勢分析

以各氣象站所在縣(市)的地理坐標為解釋變量，利用ForStat 2.1進行空間趨勢面分析，結(jié)果見圖2。由圖2知，生態(tài)用水量隨著經(jīng)度與緯度的升高表現(xiàn)出減小趨勢，即在河南省的東部與北部用水量比西部與南部較?。贿@與圖1的變異基本一致。此研究結(jié)果表明，對于空間變異可以采用多種分析方法。

3.3 生態(tài)用水分項的區(qū)域分異

分別測算河南省內(nèi)各縣(市)需水量的各個組成分項，按市域合并，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，河南省各市生態(tài)用水的分項組成相差較大，各市土壤含水量所占比例很小(最大值為南陽市的 14 716.83 萬m3)，生態(tài)用水主要由生態(tài)需水量與水體蓄水量2個部分組成，且基本上前者所占比重較大，后者較小，這與河南省的實際情況一致。河南省整體上水域面積較小，其蓄水量相對較小；但信陽、駐馬店2市因市域內(nèi)水域面積較大，其水體蓄水量所占比重較大，南陽市的2個分項水量較為接近；信陽市的水體蓄水量為全省最大值(517 752.00 萬m3)，但其土壤含水量僅有 12 328.85 萬m3，前者約是后者的42倍。

3.4 生態(tài)用水量空間分異的排序分析

利用Canoco 4.5 for windows軟件的各項缺省值，以生態(tài)用水總量、生態(tài)需水量、生態(tài)用水密度為指標，運用DCA方法對其進行排序，結(jié)果見圖4(圖中各軸表示各地點之間的相似度距離)。由圖4可以看出，各縣(市)的生態(tài)用水在圖中表現(xiàn)為相對較連續(xù)的序列，但大致可區(qū)分為以下3個類型。

1) 類型1：特點是生態(tài)用水總量與生態(tài)需水量較大，但生態(tài)用水密度相對較小。包括河南省的大部分山區(qū)縣(市)，由北向南有靈寶、陜縣、盧氏、洛寧、汝陽、嵩縣、欒川、魯山、汝南、確山、泌陽、南召、西峽、內(nèi)鄉(xiāng)、方城、淅川、桐柏、羅山、固始、潢川、光山、商城、新縣；這些地區(qū)境內(nèi)植被發(fā)育良好，但通常國土面積也較大。

2) 類型2：特點是生態(tài)用水總量與生態(tài)需水量較小，但生態(tài)用水密度相對較大。包括大部分市區(qū)、面積較小的縣(市)，由北向南有安陽市區(qū)、湯陰、清豐、濮陽市區(qū)、鶴壁市區(qū)、新鄉(xiāng)市區(qū)、新鄉(xiāng)縣、焦作市區(qū)、義馬市、杞縣、通許、新密、鄭州市區(qū)、新鄭、許昌市區(qū)、許昌縣、長葛、禹州、駐馬店市區(qū)；這些地區(qū)植被覆蓋率較低，水域面積較小，通常國土面積也較小。

3) 類型3：特點是生態(tài)用水總量與生態(tài)需水量相對較小，且生態(tài)用水密度通常也較小。除上述地區(qū)外其余全部屬于該類型；這些地區(qū)植被覆蓋率通常較低，同時國土面積也較小。

生態(tài)用水量包含了水體蓄水量、生態(tài)需水量與生產(chǎn)生活用水量等，影響因素較多，因此，各縣(市)生態(tài)用水之間具有一定連續(xù)性(圖4)。類型3中包含的一些地區(qū)如唐河、新野、信陽市區(qū)、淮濱、息縣等與類型1較接近；洛陽市區(qū)、南樂、獲嘉、鄢陵、襄城、漯河市區(qū)、臨潁等與類型2較接近?？梢姡瑢ι鷳B(tài)用水、生態(tài)需水定額[12]等指標，采用排序方法比聚類方法更能說明其實際情況。

4 結(jié)論與討論

1) 河南省平均生態(tài)用水量 82 488.08 萬m3，但空間變異較大，山區(qū)一般大于平原地區(qū)；隨經(jīng)度與緯度的升高而減小，南部與西部的較大，東北部與中部的較小。平均生態(tài)用水密度為59.10×104m3/km2，變異系數(shù)為38.01%；義馬市生態(tài)用水總量最小,但密度最大。在進行用水規(guī)劃時，應考慮區(qū)域分異、用水密度等因素。

2) 河南省生態(tài)用水主要由生態(tài)需水量與水體蓄水量決定，大部分地區(qū)主要取決于生態(tài)需水量，但在部分水域面積較大的地區(qū)，水體蓄水量所占比例較大；全省生態(tài)用水大致可分為3個類型，分別是用水量較大但用水密度較小、用水量較小但用水密度較大、用水量與用水密度均較小。

3) 不同區(qū)域的生態(tài)用水量、分項組成等均可能不同；對于河南省的生態(tài)用水，區(qū)域用水總量、用水密度、分項組成等均有差異，可通過GIS工具、排序或聚類等方法進行空間分析，尋找其變異趨勢，從而為水資源規(guī)劃等提供依據(jù)與參考。但在分析時，應注意各種影響因素導致測算結(jié)果在空間上的連續(xù)性，這在受氣象條件等空間連續(xù)因素影響較大的生態(tài)用水、用水定額等指標中表現(xiàn)較為明顯[12]。

4) 對于生態(tài)需水與生態(tài)用水雖然研究很多[1-3]，但由于在概念及其內(nèi)涵使用上有一定差異，其結(jié)果往往難以相互比較[2]。筆者認為，應區(qū)別需水與用水的概念，將前者限定于自然生態(tài)系統(tǒng)運行與維持所需要的水量，后者還應包括生產(chǎn)與生活用水[4]；生態(tài)用水是進行水資源平衡測算、規(guī)劃、調(diào)度等的基礎。未來研究應厘清生態(tài)用水的分項組成，測算區(qū)域生態(tài)用水量，并與水資源供給等進行結(jié)合研究。

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(責任編輯 張 坤)

Spatial Variation of Ecological Water Utilization in Henan Province

SHI Meng-meng, XUE Xing-yan, WU Ming-zuo, HE Rui-zhen, GE Ya-chao

(College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou Henan 450002, China)

Based on meteorological data, land utilization, statistic data of industrial and agricultural production, by using the method of water quota and the Penman model, this paper calculated the ecological water amount and its component of Henan Province, and then analyzed its spatial variation by GIS. The result showed that, the average ecological water amount was 82 488.08×104m3, but the coefficient of variation was high. A larger value appeared in the Southern and Western mountainous region. The average ecological water density was 59.10×104m3/km2, and coefficient of variation was smaller. The ecological water amount was mainly composed of ecological demanded water and water body storage, which relative to land utilization, meteorological condition, vegetation statue and regional area. The cluster analysis result indicated that ecological water of Henan Province could be divided into 3 regions, which were higher amount with lower density, lower amount with higher density, and lower amount with lower density, respectively.

ecological water; spatial variation; ecological water demanded; GIS; Henan Province

2014-06-11

國家科技部重大專項(2008ZX07526-002-03)資助；淮河水利委員會“淮河流域水土保持生態(tài)修復機理和評價指標體系研究”項目資助。

吳明作(1965—)，男，博士，副教授。研究方向：生態(tài)過程監(jiān)測與功能評價。Email: wumingzuo@hotmail.com。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.06.008

S715.5

A

2095-1914(2014)06-0049-06

第1作者：石蒙蒙(1990—)，女，碩士生。研究方向：生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能研究。Email: 757371216@qq.com。