广西壮族自治区地质矿产测试研究中心 530023
摘要：一般在灌区中常出现人工绿洲与天然绿洲用水冲突的问题，因此在考虑生态用水安全的条件下分析灌区生态需水量。从气象因素和种植结构两方面分析灌区生态需水量驱动因子，在此基础上，估算灌区天然林地的有效降水量和蒸发量，人工植被的有效降水量和作物需水量，进而计算出灌区生态需水量，再结合灌区生态需水量驱动因子，建立节水效益、经济效益、生态效益的目标函数，通过求出最优解实现水资源的合理规划与利用，并提出合理的用水建议，为灌区生态系统的稳定提供一定的理论依据。
关键词：生态用水安全；灌区；生态需水量；节能环保
引言
全球温度变化最直接的影响就是水资源的利用，人们的日常生活离不开水资源，水资源的合理利用对资源的可持续发展有重要意义[1]。从目前的水资源分布形式来看，主要特点是水资源储量比较少，并且在世界上分布不均匀。就我国而言，水资源呈现出南多北少，东多西少的特点。特别是我国部分地区，降雨量小但蒸发强烈，灌区内水资源缺乏情况比较严重，其内部的生态环境因为水少而变得极其脆弱[2]。随着近年来人类活动强度的不断加强，在灌区水资源与生态环境方面表现出来的问题逐渐加重，农业用水量逐渐增加，生态用水得不到保障，灌溉面积增加，灌区水资源供需矛盾更加突出，加重了生态环境的恶化[3]。为了减缓灌区生态环境退化和地下水水位下降等现象的发生。在已有研究资料的基础上，研究基于生态用水安全的灌区生态需水量。围绕着灌区生态需水量，结合灌区生态系统和河流径流特点，研究可持续的水资源开发利用方式。
1灌区生态需水量驱动因子分析
灌区受到气象因素和种植结构变化的影响，其需水量也在不断变化，分析灌区需水量，从驱动因子角度出发，合理配置水资源，保证水资源利用合理可持续。将最低气温、最高气温、平均气温、相对湿度、风速、降水量、蒸发量和灌区林地面积作为自变量，以2008年到2018年的灌区需水量作为参考，从而获得参考与分析序列。2008年到2018年的灌区需水量如下图所示。
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图1广西某灌区需水量（万m3）
基于灰色关联分析法，从灌溉需水量角度出发，分析灌区生态需水量驱动因子。结合图中需水量的变化分析可知，灌区需水量与各个变量之间存在线性关系，并通过计算自变量的关联度可知，在上述驱动因子中，林地面积是影响灌区需水量最明显的驱动因子，其次是蒸发量和降水量，影响最少的是最低温度，其关联度最低。由此可知，在灌区生态需水量的研究中，通过合理规划林地面积，调整其与降水量和蒸发量之间的关系，即可达到安全用水的目的，保证水资源利用的节约环保。
2灌区生态需水量的估算
灌区生态需水量的计算需要考虑该区域的有效降水量，在区域降水有效利用系数为
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，通过计算公式得到灌区的有效降水量
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。公式如下：
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（1）
公式中
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表示降水量，
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表示有效降水量。考虑灌区天然林地作为参照作物，计算其相应的蒸发量，计算公式如下：
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（2）
公式中
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表示参考作物蒸发蒸腾量，mm/d；
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表示饱和水汽压随温度的变化率，kPa/℃；
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表示净辐射，MJ/（m2·d）；
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表示土壤热通量，MJ/（m2·d）；
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表示湿度表常数，kPa/℃；
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表示气温，
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表示2米处的平均风速，m/s；利用公式1和公式2即可计算出灌区天然林地的生态需水量，在已知灌区天然林生态需水系数和林地面积，结合土壤水修正系数，计算出灌区天然林地生态需水量。
对于灌区人工植被，单独估算作物生态需水量。作物需水量是指农田作物为保证正常其正常生长所需要的水资源量。根据广西灌区在2008年~2018年的作物需水定额，按照公式1计算出有效降水量，再根据往年的有效降水量得到灌区各作物的净灌溉需水定额。灌区有效降水量如下图所示。
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图2广西某灌区作物区域有效降水量（mm）
根据上述中确定的作物的有效降水量，用作物的生态需水定额扣除有效降水量，得到净灌溉需水定额。考虑土壤供水条件，确定土壤水分修正系数，进而计算出灌区作物需水量。将估算结果与灌区生态需水量驱动因子分析结果相结合，合理配置水资源，以达到生态安全用水的目的。
3考虑生态用水安全的水资源规划
在上述灌区生态需水量驱动因子分析和需水量估算的基础上，以节约环保为核心，针对灌区现状发展情况引用灌区需水量、水利用系数、工业增加值需水量等变量。分别以节水效益、经济效益、生态效益为目标函数，对其求解，实现灌区生态用水安全。
为了保证灌区内生态用水的安全供应，改善灌区生态环境，对区域内一些存在跑、冒、漏等现象的渠道进行修复，避免水资源浪费，节约用水。对于灌区水资源的分配与规划，节水效益是第一要素，也是核心目的。主要是在缺水的情况，供水量一定时，使用水量和需水量达到最小，节水效益达到最大。由此可知，节水效益的目标函数为：
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（3）
公式中
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表示节水效益最大值，
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表示灌区内第
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类区域的需水量（108m3），
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表示水源向灌区内第
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类区域的供水量（108m3）。在此基础上，以灌区经济效益最大作为目标函数，以实现灌区内高产高效为主要目的，求解目标函数。灌区经济效益中包含工业产值和农业产值。因此确定经济效益目标函数时，考虑工业和农业产值。其目标函数如下：
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（4）
公式中
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表示灌区第
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类区域水量收益值（元/m3）。灌区生态需水量的研究主要是通过水资源的合理利用，达到节约水资源，改善灌区内生态环境的目的。由此可知，在生态效益目标函数建立中，以灌区内水环境中重要污染物最小排放量作为生态效益目标函数。公式如下：
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（5）
公式中
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表示第
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类区域的废污水排放系数，
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表示生态效应最大值，
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表示第
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类区域的废污水排放量中包含的污染物浓度（mg/l）。在对各个目标函数求解之前，对目标函数设置约束条件。设置灌区农业用水效率指标为灌区水利用系数，该指标满足：农业用水效率指标在最大灌溉水利用系数与最小灌溉水利用系数之间；在灌区内，工业对需水量造成的影响较小，只要将工业用水量控制在一定范围内，就能够实现控制用水效率的目标。设置范围是：工业产值用水量控制在最小工业增加值用水量和最大工业增加值用水量。
灌区内主要以农牧业为主，也是主要经济发展目标，在农业种植过程中使用的农药化肥，是影响河流水质主要的污染源之一。因此在水资源配置中，应将控制水体中COD和氨氮等主要污染物浓度列为约束条件。一般情况下，灌区排放的主要污染物负荷应小于河段允许排放量。则约束公式如下：
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（6）
公式中
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表示污染物允许排放量。通过公式6达到约束灌区排水水质的目的。
面对灌区人工植被与天然植被用水冲突的问题，为了防止生态环境退化，优化灌区内水资源配置，预留生态水量。在农业用水上，以水定地，优化种植结构，依据灌区水资源条件控制作物种植面积，特别是耗水量较大的作物类型，另外针对灌区农业发展的实际情况，合理控制农业用水的定额，积极推进灌区节水改造，提高灌溉水利用系数；在工业用水方面，严格环境准入，控制高耗水行业的产能和规模，推行清洁生产，做好污水处理、回收利用等措施，提高再生水利用率，实现水资源的循环利用；在生活用水上，积极宣传节约用水理念，在不影响人们的日常生活的前提下，推行节水器皿、节水措施的使用与执行。
4结束语
本研究主要以广西某灌区为研究区域，从多个方面研究影响灌区生态需水量的驱动因子，并估算出该区域的生态需水量，根据分析与估算结果，以提高水资源利用率为目的，采取一系列措施与方法。受到技术水平的限制，研究中存在不足之处，如缺少大数据理论支撑等，未来对生态用水问题进行深入探索，对存在的问题开展针对性的调查与研究。
参考文献：
[1]汪洋，安沙舟.干旱区内陆河流域典型灌区土地利用变化与耗水量研究[J].新疆农业科学，2018，55（02）：362-370.
[2]范亚云，郭玉川，卢刚，等.艾比湖流域植被生态需水量[J].中国沙漠，2018，38（04）：865-871.
[3]于晓龙，徐洪增，刘新阳，等.东平湖生态水位和水生态系统健康研究[J].人民黄河，2019，41（11）：59-64.