0 引 言

水资源是国民经济发展的重要资源，也是社会、经济、生态三者之间和谐发展的重要基础。尤其是在干旱/半干旱区内陆河流域，水资源天然不足，生态环境十分脆弱，水就成为了决定生态系统保护和建设方向最关键的控制性因素。随着水资源供需矛盾的日益突出和人们保护生态环境意识的提高，生态环境需水量的研究成为流域水文学、生态学、环境学等领域的研究热点。

生态需水最早出现在1940 s国外为保持河流最小的生态流量来避免河流生态系统退化的研究中。1998年，GLEICK提出了基本生态需水量的概念，即天然的生态环境需要一定的水量，以保护物种多样性和生态系统完整性。我国对生态环境需水的研究起源于20世纪70年代，也是从河流生态系统开始的。近年来生态需水的研究已从局部水文过程向全流域水文过程发展，并逐步扩展到其他类型的生态系统，研究范围涵盖河流、湖泊、湿地及干旱半干旱区等，所涉及的学科从水文、水利扩展到生态以及地理、气象等，形成了较为成熟的生态需水计算方法。河流生态需水量和植被生态需水量是维系流域生态系统运转的两个基本要素，对这两个基本要素开展定性和定量研究，对于防止河道断流、抑制水土流失和土地退化，维持生态系统的可持续性发展具有重要意义。

长江上游地区自然资源丰富、生物种类繁多，是整个长江流域和中国的重要水源涵养区和生态屏障。近几十年来，在水资源短缺日益加剧的背景下，长江上游地区总需水量、农业需水量均呈显著增加的趋势。同时，随着上游人口增加，经济发展和城市规模不断扩大，生产和生活用水大量挤占生态用水，河道生态需水及周围植被生态需水得不到保证，造成了如植被退化、水土流失、生物多样性减少等严重的生态环境问题，使长江上游地区的生态安全和社会经济的可持续发展受到了一定的威胁。开展长江上游地区生态需水研究，有利于在水资源有限的情况下合理分配流域水量，也是防止生态系统退化、进行流域生态环境建设的关键，对此相关学者已经开展了大量研究。沈忱计算了长江上游保护区干流上游、支流岷江、以及干流下游的生态基流年径流量，确定了保护区不同鱼类产卵场的适宜生态环境需水过程。王晶等根据是否考虑输沙需水进行不同层面的生态需水的计算，探讨维持处于长江上游生态脆弱区干旱河谷生态环境现状的最小生态需水量。万东辉提出基于水文循环分析的生态需水量计算流程图和方法，总结雅砻江流域生态需水特征。李波等基于MIKE BASIN软件平台建立了渝西水资源配置模型，从生态基流需水、水生生物需水、基本自净功能需水3个方面分析了河流控制断面生态环境需水量，提出了相应的水资源配置方案。

可以看出，从长江上游地区需水量计算到水资源优化配置，已有的研究多是基于长江上游地区各支流及小范围内地区的水资源规划，对整个长江上游地区河段基本生态基流调控以及河道辐射范围内的天然植被需水量研究较少。同时，生态需水研究通常将流域划分为旱地系统、湿地系统及河口系统不同生态组合模块，并对系统中某一生态类型(如林地、河流、湖泊等)的需水量进行估算，分析其时空分布特征。事实上，由于流域不同河段生态背景的差异，面临的生态环境问题和生态服务功能也存在空间异质性，现有的研究无法满足以可持续性生态系统健康为目标的流域生态管理的要求。本研究主要围绕着长江上游地区开展，基于1981—2015年的气象数据、流量数据、土地利用数据和土质数据，借助GIS技术，采用已被广泛应用的Penman-Monteith公式，对研究区及水资源二级区的生态基流与植被需水量开展初步计算，分析河流生态需水和植被生态需水的时空变化特征，以期为该地区水资源的规划和配置、植被的保护与恢复以及生态环境的稳定和发展提供一定科学依据。

1 研究区概况

长江上游位于长江发源地至宜昌段，涉及青、藏、云、贵、川、渝、陕、甘、鄂共9个省份，包含了金沙江石鼓以上、金沙江石鼓以下、嘉陵江、岷沱江、乌江和宜宾至宜昌6个水资源二级分区，全长4 500 km, 总面积100万km2(见图1)。长江上游地区地形复杂多样，地势西高东低，山高坡陡，河流众多，北部以秦岭分界与黄河相邻，南部以南岭、黔中高原、大庾岭与珠江为界，西南则以横断山脉与澜沧江为界。长江上游西部高原和山地属寒带气候，其余为亚热带湿润季风气候。区域年均气温8～10 ℃,多年平均降水量800～1 200 mm, 蒸散发量400～700 mm。由于地势地貌、气候变化等因素，植被类型也有很大差异，区域内有18个生物多样性保护优先区，主要生态系统类型为荒漠、荒漠草原、原始森林、典型的湖泊河流生态系统。其中，西部地区生物气候垂直差异大，植被类型以常绿阔叶林和常绿落叶阔叶混交林为主，中部地区盆地和山地较多，植被类型以针叶林和常绿阔叶林为主。长江上游作为我国一个重要的生态屏障，对中下游的发展和全流域的生态及水资源安全都至关重要。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究选用的气象数据来源于中国气象数据网(http: //data.cma.cn/)1981—2015年的气象资料，包括站点经纬度、站点海拔高度、月均气温、月最高气温、月最低气温、月平均水汽压、月平均风速、相对湿度等，流域内及周边各县(区)主要站点的河流流量数据来源于实测资料，植被数据和土壤数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http: //www.resdc.cn/)。

2.2 研究方法

合理分配区域生态需水比例，进行水资源优化配置，是进行生态保护和修复的关键，而估测生态需水成为首要解决的问题。本研究生态需水量计算分为河流生态需水与植被生态需水两部分。

2.2.1 河流生态需水

Tennant法又叫Moniana法，是一种以实测资料为依据，不考虑特定用途的综合性计算方法。它根据水资源规划目标，以年均流量的百分数作为合适的基流标准(见表1),应用较为普遍，适用于生态资料缺乏的地区。同时，经前人研究对比后发现，Tennant法较适合干旱和半干旱区河道生态需水量。计算Tennant 法计算河流生态需水量的公式为

考虑到长江上游地区降水主要发生在汛期，本研究选择多年平均流量的10%～30%作为“中”等条件下的生态需水量，其中汛期(4—9月)采用多年平均月径流量的30%进行计算，非汛期(10月—翌年3月)采用10%进行计算。

表1 Tennant法推荐的基流标准

Table 1 The base flow standard recommended by the Tennant

2.2.2 植被生态需水

2.2.2.1植被生态需水总量

基于流域层面计算特征，采用面积定额法[18]计算流域植被总生态需水量。计算公式为

2.2.2.2生态需水定额(ETq)

植被的生态需水主要受气候因子、土壤水分含量和植被类型差异这三个因素的影响，因此植被生态需水定额可以表示为

参照研究区土质类型和已有的研究结果，本文中粉砂土、黏土、沙土的土壤水分系数Ks取值分别为0.536 5、0.548 4、0.538 7。

2.2.2.3植被潜在蒸散发量(ET0)

根据研究区域多年气象资料，采用联合国农粮组织(FAO)推荐的Penman-Monteith公式计算植被潜在蒸散发量(ET0)。该公式在先前的研究中得到了广泛应用和普遍认同,公式为

3 结果与讨论

3.1 河流生态需水量分析

3.1.1 河流生态需水年内变化

根据长江上游地区各控制节点生态环境状况和1981—2015年径流资料，采用上述计算方法，估算长江上游重要控制节点的生态基流和最小生态需水量。表2为各控制站点生态基流量，可以看出，石鼓站汛期生态基流为584.89 m3/s, 非汛期为131.24 m3/s, 分别占河道断面多年平均流量的42.74%、9.59%;屏山站汛期生态基流为1 917.52 m3/s, 非汛期为503.99 m3/s, 分别占河道断面多年平均流量的41.65%、10.95%;高场站汛期生态基流为1 114.27 m3/s, 非汛期为237.07 m3/s, 分别占河道断面多年平均流量的42.70%、10.95%;北培站汛期生态基流为894.92 m3/s, 非汛期为166.69 m3/s, 分别占河道断面多年平均流量的44.69%、8.32%;武隆站汛期生态基流为609.82 m3/s, 非汛期为119.84 m3/s, 分别占河道断面多年平均流量的41.95%、 8.24%;宜昌站汛期生态基流为5 557.42 m3/s, 非汛期为1 263.32 m3/s, 分别占河道断面多年平均流量的41.99%、9.55%。

依据Tennant法，经计算长江上游地区河流生态需水量为1 022.29亿m3,其中6—10月需水量占比最大，占总需水量的74.50%;枯水季节河流生态需水为117.75亿m3,占总需水的11.52%。金沙江石鼓以上、金沙江石鼓以下、岷江流域、嘉陵江流域、乌江流域和宜宾至宜昌段的全年生态需水量分别是106.5亿m3、240.9亿m3、204.4亿m3、161.8亿m3、114.2亿m3和194.5亿m3,分别占研究区生态需水量的10.42%、23.57%、20%、15.83%、11.17%和19.03%。

表2 河流生态基流计算结果

Table 2 The calculation results of ecological base flow

m3/s

表3 水资源二级区河流生态需水量年内分布

Table 3 Annual distribution of river ecological environmental water demand of secondary water resources area

亿m3

3.1.2 河流生态需水年际变化

由图3可看出，研究区1981—2007年河流年均生态需水量呈下降趋势，变化率为-5.29亿m3/a。最大值出现在1998年(1 337.80亿m3),最小值出现在2006年(627.14亿m3)。各水资源二级区中，年均生态需水量呈下降趋势的有嘉陵江、宜宾至宜昌、岷沱江和乌江，变化率分别为-3.62亿m3/a、-2.10亿m3/a、-1.37亿m3/a和-0.13亿m3/a; 年均生态需水量呈上升趋势的有金沙江石鼓以上和金沙江石鼓以下，变化率分别为0.31亿m3/a和1.61亿m3/a。金沙江石鼓以下、宜宾至宜昌、嘉陵江年均生态需水量最大值都出现在1998年，并且各分区年均生态需水量最小值都在2006年，这可能与1998年特大洪水与2006年西南地区区域性气象干旱有关。

3.2 植被生态需水量分析

3.2.1 生态需水量的时间变化特征

图4为研究区1981—2015年植被生态需水总量的年际变化，从1981—2015年的长期趋势看，研究区整体植被生态需水总量呈增长趋势，从1981年的4 678.98亿m3到2015年的5 224.23亿m3,增加了545.25亿m3,整体增量不明显。水田生态需水总量变化较为明显，变化率为0.134 m3/a。尤其在1995年之后，增长速度明显加快，2015年达到最大值1 927.95亿m3,研究期间水田生态需水量增幅达到37.03%。灌丛、林地、旱地和草地生态需水量变化都不大，整体趋于平稳。其中，林地与灌丛增长率在2001—2005年明显加快，之后逐渐平缓，最大值分别为2015年的1 553.20亿m3和1 315.40亿m3。

表4为生长季内植被各月的生态需水量，可以看出，4—7月为需水增长期，7—10月为需水减少期，这与植物的生长周期规律是一致的。林地和水田生态需水量在各月中的占比均较高，且在整个生长季内变化幅度较大，林地5月的生态需水量达到顶峰(169.23亿m3),6月份有所回落，7月又上升至162.95亿m3。水田7月生态需水量最大(182.71 亿m3),8月次之(174.37亿m3)。灌丛与草地生态需水量变化情况与林地相一致，均在7月份出现最大值，5月份出现次大值。从需水总量来看，研究区植被的生态需水主要集中在5—8月，占整个生长季全部需水的63.78%,其中林地、灌丛、草地、旱地和水田各自占比分别为 62.75%、63.72%、64.19%、64.49%和64.45%。同时，从表4还可以看出，植被的生长季始期需水量要远大于末期，且不同类型植被生长季始末期需水量差值又各不相同，这反映了不同植被在生长季不同时期对水的需求程度的差异。

表4 不同植被生长季内生态需水量

Table 4 Ecological water demand in different vegetation growing seasons

亿m3

3.2.2生态需水量的空间变化特征

根据流域土地类型、土壤质地、潜在蒸散量，利用GIS工具计算不同土地利用/覆盖类型的的生态需水定额，统计得到林地、灌丛、草地旱地和水田的生态需水量(见表5)。结果表明，1981—2015年长江上游地区植被多年平均潜在蒸散发量为1 209.37 mm, 结果与黄会平[25]2015年测算的四川盆地及西南地区潜在蒸散发量相接近。各植被类型平均生态需水定额为482.07 mm, 水田生态需水定额最高，为1 073.97 mm; 旱地为744.39 mm; 林地为516.80 mm; 灌丛为410.56 mm; 草地生态需水定额明显小于其他植被类型，为166.75 mm, 说明草地满足自身生长所需的水分最低(见图5)。研究区植被生态需水总量的多年平均值为4 668.43亿m3,不同类型植被生态需水量差异较大，生态需水量由大到小为水田、林地、灌丛、草地和旱地，分别占流域植被生态需水总量的33.51%、31.28%、26.39%、8.51%和0.31%。

表5 不同植被类型面积及生态需水量

Table 5 area and ecological water demand of different vegetation types

表6 各水资源不同类型植被生态需水量

Table 6 Ecological water demand of different types of vegetation in different water resources

亿m3

长江上游地区各水资源分区植被生态需水总量不同，需水结构存在差异。各分区植被生态需水量由大至小依次为金沙江石鼓以下、嘉陵江、岷沱江、宜宾至宜昌段、金沙江石鼓以上和乌江，分别为1 109.03亿m3、1 088.77亿m3、880.16亿m3、616.28亿m3、525.80亿m3、448.52亿m3,其中嘉陵江流域植被生态需水量约为乌江流域的3倍。各分区不同类型植被生态需水结构也存在差异(见图6),具体而言，嘉陵江流域和宜宾至宜昌段的水田生态需水量超过了分区内生态需水总量的一半，占比分别为63%和53%,可知水田是两区域生态需水的主要植被类型；林地在金沙江石鼓以下占比最高，为52%,岷沱江流域紧随其后，为41%,嘉陵江流域和宜宾至宜昌林地生态需水量占比较较低，都占各自分区生态需水量的15%;灌丛生态需水量的比重在乌江流域比重最大，占41%,金沙江石鼓以上、金沙江石鼓以下和宜宾至宜昌段的灌丛生态需水量占分区需水总量的比重相近，在32%～33%之间，岷沱江流域灌丛生态需水量占比最小，为6%;草地生态需水量比重在各个分区差异较大，比重最高在金沙江石鼓以上，为40%,其次是在金沙江石鼓以下，为11%;旱地生态需水在各分区中占比都很小，可忽略不计。造成差异的原因主要有以下几点：各水资源分区土地利用格局不同，使植被生态需水量结构呈现明显的地理分布差异;嘉陵江流域和宜宾至宜昌耕地尤其是水田相较其他分区比重较大，水土涵养能力较弱，加之耕地满足自身生长所需的水分较大，因此生态需水量比重大，灌丛和草地生态需水量比重小;金沙江石鼓以下地处横断山系，流域为丘陵地带，覆盖有发达的高山森林植被，因而林地需水比重较大。

4 结果讨论

通过准确计算流域生态需水量和分析生态需水的时空分布特征，以便利用调整作物结构、规划调水工程、提高水资源利用率等方法来缓解水资源压力。根据各水文站点资料与河流生态需水量的对比，可以得出在天然径流条件下，各水文站都能满足河流基本生态需水量的要求，而且还有部分剩余水量，可作为河道外引用水。各水资源二级区河流生态需水量和植被生态需水量具有明显的季节性，因此应充分利用河流的上游水库，在汛期蓄水，引洪灌溉，在非汛期或枯水年放水，既可以减少洪水带来的灾害，又可保持河流基本生态需水量，同时为下游植被提供生长所需水量。

本文针对长江上游地区流域生态需水量进行了一些探索，但研究中的数据资料和计算方法仍有待进一步思考和完善。Tennant法及其推荐的基流百分比最初是分析美国11条河流断面数据的基础上提出的，故其适用范围具有一定的局限性。我国学者将其引入国内并进行了一定的改进，并在黄河流域、海河流域和长江流域部分地区对该方法的适用性开展了初步研究。但对于长江上游地区生态流量的计算是否适用，仍需进一步研究，基流划分标准有待本地化。应在充分了解区域生态因素和环境因素的基础上，结合当地河流管理目标调整基流百分比，同时考虑季节性比例差异。另外，用Tennant法计算的河流生态需水量为1 022亿m3,占总水量的24.50%。参考理论界认为的生态需水占总水量的60%(另一种说法为40%),此计算结果是偏小的，因为本研究只计算了河流基本生态环境需水，没有考虑输沙、沿程蒸发与渗漏、水面蒸发等方面的需水，后续可在研究区生态环境现状的基础上，针对不同需求进行估算，完善流域水资源信息。

本研究中植被系数Kc是根据以往的研究经验，采用的固定值，但实际上Kc不仅跟植被类型有关，还与环境条件、潜水埋深、植被生长阶段及长势等因素有关。因此，在不同年份，水热条件和植被生长期不同的情况下，植被需水节律是有差异的，Kc是一个动态值。后续可基于各分区的气象站点数据，考虑地下水埋深和潜水蒸发等条件，对植被各生长阶段Kc进行分别计算。

5 结 论

(1)长江上游地区1981—2015年多年平均生态需水总量为5 690.84亿m3,其中：金沙江石鼓以下生态需水量1 349.97亿m3(植被1 109.03亿m3;河流：240.94亿m3);嘉陵江生态需水量1 250.61亿m3(植被1 088.77亿m3;河流：161.84亿m3);岷沱江生态需水量1 084.54亿m3(植被880.16亿m3;河流：204.38亿m3);宜宾至宜昌生态需水量810.75亿m3(植被616.28亿m3;河流：194.47亿m3);金沙江石鼓以上生态需水量632.28亿m3(植被525.80亿m3;河流：106.49亿m3);乌江生态需水量562.68亿m3(植被448.52亿m3;河流：114.16亿m3)。

(2)依据Tennant法计算得到的长江上游地区河流1981—2015年多年平均生态需水量为1 022.29亿m3,其中6—10月需水量占比最大，占总需水量的74.50%;枯水季节河道基本生态需水为117.75亿m3,占总需水的11.52%。年际变化上来看，1980—2007年年均河流生态需水量呈下降趋势，变化率为-5.29亿m3/a。水资源二级区中，嘉陵江年均河流生态需水量变化率最大，为-3.63亿m3/a。

(3)长江上游地区1981—2015年植被多年平均潜在蒸散发量为1 209.37 mm, 各植被类型平均生态需水定额为482.07 mm, 植被生态需水总量的多年平均值为4 668.43亿m3。不同类型植被生态需水量差异较大，生态需水量由大到小为水田(1 564.55亿m3)、林地(1 460.27亿m3)、灌丛(1 231.86亿m3)、草地(39.72亿m3)和旱地(14.59亿m3),分别占流域植被生态需水总量的33.51%、31.28%、26.39%、8.51%和0.31%。

(4)从1981—2015年的长期趋势看，研究区整体植被生态需水总量增加了545.25亿m3,但增量不明显。其中，水田生态需水总量变化较为明显，变化率为0.134 m3/a。灌丛、林地、旱地和草地生态需水量变化都不大，整体趋于平稳。生长季内，各类型植被的生态需水主要集中在5—8月，占整个生长季全部需水的63.78%。

作者简介：刘玉婷(1996—),女，硕士研究生，主要从事气候变化下的生态水文格局响应研究。*许继军(1971—),男，正高级工程师，博士，主要从事资源与环境领域科研规划和技术咨询工作。

引用：刘玉婷，许继军，刘思敏，等． 长江上游地区生态需水量变化研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021，52( 8) : 120-131. LIU Yuting，XU Jijun，LIU Simin，et al． Study on change of eco-water demand in region of upper Yangtze Ｒiver［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2021，52( 8) : 120-131.