基于景观变化的河口湿地生态环境需水量研究

2018-08-01康思宇周林飞胡艳海

节水灌溉 2018年7期

康思宇，周林飞，胡艳海

(沈阳农业大学水利学院，沈阳 110161)

湿地是位于水生生态系统和陆生生态系统间的过渡地区，能够为地球上现有约20%的物种提供生存空间，素有“地球之肾”的美名[1]，湿地是极其重要的生态景观，不仅对区域气候有着至关重要的调节作用，而且能够提高人类生活环境的宜居度。近些年，由于人类过分追逐经济和利益，大幅度抢占湿地资源，打破湿地生态平衡，导致环境恶化。为消除湿地的保护与经济发展间的矛盾，使湿地健康发展，需通过计算湿地的适宜与最小生态环境需水量，以求最大程度改善湿地因水资源的紧缺引起的系列问题。本文以辽宁省凌河口湿地为研究背景，以3S技术为依托，对湿地的景观破碎化程度进行定量分析，在此基础上，结合多年水文资料，计算出适宜与最小生态环境需水量，以期通过科学的方法解决人类发展与湿地保护之间的矛盾。

凌河口湿地位于辽宁省境内，是省级自然保护区，其地理坐标是东经121°00′～121°30′，北纬40°45′～41°00′，与辽河河口湿地邻接，沿凌海市南部海岸线由东向西呈带状分布，全长约为48 km，总面积约为835.75 km[2]。据调查显示，湿地约为250种鸟类(其中水禽145种)提供了生存空间，其中包括国家一级珍稀保护动物白鹤、丹顶鹤以及国家二级珍稀保护动物蓑羽鹤和白枕鹤，是濒危鸟类黑嘴鸥的重要栖息地也是珍危鸟类迁徙的主要通道之一[3]。

1 基于3S的凌河口湿地覆被信息提取

本次研究以1995年9月11日、2000年9月8日、2005年7月20日、2009年8月16日以及2014年7月13日的单幅TM多光谱遥感影像为主要数据源，其空间分辨率为30 m，对影像进行前处理。采用目视解译法，提取凌河口湿地覆被信息。利用GPS进行野外各地类定点取样，记录经度和纬度，部分用于建立解译标志，部分用于验证解译的准确性。运用ArcGis软件中的统计分析工具，将各种地物类型的总面积以及对应斑块数量分别计算出来，同时将凌河口湿地划分为3个区域，分别为核心区、缓冲区以及实验区。因本次研究只涉及整个湿地的各地类的面积、整个湿地的斑块数以及核心区各地类的面积，故只罗列出此三项数据，如表1所示。

表1 凌河口湿地属性信息表Tab.1 Information table of wetland properties of Linghekou

2 凌河口湿地景观破碎化定量分析

景观破碎度表示生态景观被自然力或人为影响分割的破碎程度，可以定量的反映出湿地景观镶嵌体随时间变化的情况，折射出研究区的生态演变过程。为了解凌河口湿地景观的开发利用程度、斑块特征和多样性特征，本文选取斑块密度指数、多样性指数以及景观香农多样性指数，对凌河口湿地景观破碎化进行定量分析，为适宜与最小生态环境需水量的计算提供分析依据[4]。

2.1 景观空间格局指标

(1)斑块密度指数：能够定量的反映出研究区的景观破碎程度，可以表示该地区被某种斑块分离的程度，斑块密度指数越小，研究区分离程度越低越完好[5]，计算公式如下式。

PD=N/A

(1)

式中：PD为研究区域内的斑块密度指数；N为研究区域内的斑块总数，块；A为该地的总面积，km2。

(2)多样性指数：湿地景观斑块类型的复杂程度以及各斑块在对应面积上分布的均匀程度是决定该地区多样性指数大小的关键因素。计算公式为：

(2)

式中：H为研究区域内的多样性指数；m为研究区域内的景观类型的数量；Pi为该地第i类景观类型所占总面积比例。

(3)景观香农多样性指数：能够反映出研究区的开发利用程度。景观香农多样性指数越大，表明研究区开发程度越高，景观破碎越严重。计算公式如下式。

(3)

式中：SHDI为景观香农多样性指数。

2.2 湿地内部破碎化分析

以表1各类型湿地斑块数和面积等数据为基础，按照公式(1)～(3)计算得PD、H和SHDI，见表2。由表2可知，多样性指数、斑块密度指数以及香农多样性指数均呈先增加后降低的趋势变化，拐点均出现在2005年，由此可以说明，1995-2005年研究区景观破碎化逐渐加剧，人为影响日趋严重，2005年为本研究时段内景观破碎化最严重的一年，2005-2014年由于相关部门的干预并加强了保护，景观破碎化已逐渐降低，湿地生态环境日渐改善。

表2 5个时期的凌河口湿地自然保护区景观指标值Tab.2 The landscape index value of Linghekou wetland nature reserve in 5 periods

3 凌河口湿地生态环境需水量计算

由于不同学者在界定生态环境需水量概念方面存在差异，导致计算需水量的对象、方法和结果各有不同，引起湿地生态特征向不同的方向发展。为使计算结果更具有实际意义，更加贴合凌河口湿地的发展方向，界定生态环境需水量的含义显得尤为重要。本文根据研究区实际情况，定义生态环境需水量为能够保持生态环境不再恶化并能够维持正常生态系统的物质循环稳定所需要的水量。据此通过计算湿地的植被需水量、湿地土壤所需的水量、水面蒸发的需水量、生物栖息地所需要的水量以及凌河口湿地补给地下水的需水量这五种类型的生态环境需水量，以期为维护湿地基本生态功能提供数据基础。

本次计算需要的水文数据包括研究区域内降雨量、水面蒸发量、苇田蒸散量以及水田蒸散量。降雨资料采用凌海站、安屯站和锦州水文站1972-2014年逐月观测数据，经计算多年平均降雨量为586.405 mm；水面蒸发数据采用锦州水文站1972-2014年逐月观测资料，经计算多年平均水面蒸发量为942.07 mm；据相关资料显示，研究区内苇田年蒸散发量为700 mm，4月为60.30 mm，5月为92.94 mm，6月为125.39 mm，7月为177.46 mm，8月为152.24 mm，9月为91.67 mm；水田年蒸散发量为650 mm，4月为55.99 mm，5月为86.30 mm，6月为116.43 mm，7月为164.79 mm，8月为141.37 mm，9月为85.12 mm。

3.1 计算方法

3.1.1 湿地植被需水量

湿地植被需水量主要是由维持植被正常生长需求的土壤蒸发水和植被蒸腾水共同组成，两者约占植被需水量总量的99%，合称为植被的蒸散发量[6]，对于较大面积的湿地，在估算植被需水量时，采用公式(4)计算。

dWp/dt=A(t)ETm(t)

(4)

式中：Wp为植被的需水量，m3；A(t)为研究区内植被面积，m2；ETm(t)为植被蒸散发量，mm；t为时间，a。

凌河口湿地内植被种类庞杂，在计算需水量时应选择关键物种，芦苇和水田所占的面积大，是关键植物，因此选此2种进行计算。将苇田和水稻田各月的蒸散发量分别代入式(4)进行计算，得出苇田和水稻田的需水量，并将各月相加，如表3所示。将同一年份的芦苇和水稻全年植被需水量相加，即可得到1995、2000、2005、2009以及2014年的凌河口湿地植被需水量分别为1.3、1.521、1.242、1.746和1.824 亿m3。

表3 凌河口湿地植被需水量亿m3Tab.3 The vegetation water demand of the wetland in Linghekou

3.1.2 湿地土壤需水量

凌河口湿地的土壤需水量是保障土体环境稳定以及依赖于土体的植被能够健康生长所需要的水量[7]，计算公式为：

Qt=αγHtAt

(5)

式中：Qt为研究区内湿地的土壤需水量，m3；α为该地田间持水量或者饱和持水量百分比(据研究区域内土壤的类型而定)；γ为研究区域内的土壤容重；Ht为湿地的土层厚度，m；At为研究区土壤面积，m2。

按照土壤水分的特征将该地的土壤分为水稻土、盐土和沼泽土。对于滩涂湿地以盐土为主要土壤类型，芦苇为沼泽土和盐土中的优势物种，盐土、沼泽土的体积百分数为45%～55%，为方便计算，可取50%，植物根系的土层厚度为0.8 m；水稻土体积百分比为60%～70%，计算时取65%；植物根系的土层厚度为1.2m[8]。将相关数据代入式(5)即可得到1995、2000、2005、2009以及2014年的凌河口湿地土壤需水量分别为1.26、1.45、1.08、1.67和1.79 亿m3。

3.1.3 水面蒸发需水量

由于研究区位于辽宁省境内，拥有蒸发量大于降雨量的特点，为使水面储水量处于动态平衡状态，需要计算该地区的水面蒸发需水量，计算公式如下。

WE=∑A(E-P)×10-3

(6)

式中：WE为水面蒸发需水量，m3；A为湿地内湖泊-养殖塘和河流的水面面积，m2；E为相应水面的蒸发量，mm；P为相应水面的降水量，mm。

选择区域较大的明水面(湖泊-养殖塘和河流)作为水面蒸发需水量的计算对象，将各月多年平均降雨量和各月多年平均水面蒸发量以及面积数据，代入式(6)，计算得出各月水面蒸发所需要的水量，如表4所示。

3.1.4 生物栖息地需水量

凌河口湿地的生物栖息地需水量是能够满足该地区鱼类、鸟类等生物基本生长繁殖需求的水量，其计算公式如式(7)所示。

dWq/dt=A(t)CH(t)

(7)

式中：Wq为湿地生物栖息地的需水量，m3；A(t)为湿地的面积，m；C为水面面积的百分比，%；H(t)为研究区域内的水深，m；t为时间，a。

表4 凌河口湿地水面蒸发需水量亿m3Tab.4 The water surface evaporation water demand of the wetland in Linghekou

注：“-”代表降水量大于蒸发量，不需要补水。

由于凌河口湿地是国际上非常重要的珍禽如黑嘴鸥、丹顶鹤、东方白鹳等生存、迁徙的必经之地。为保护珍稀野生动物，生物栖息地需水量主要用以满足黑嘴鸥、丹顶鹤的生存需要。黑嘴鸥和丹顶鹤主要栖息在芦苇沼泽湿地中，据资料显示，芦苇沼泽水面面积百分比为10%～75%，为方便计算取45%；芦苇生长所需水深一般在0.5～1.0 m之间，这一水深范围能够满足其基本的生长需求，计算时取0.8 m。因还需考虑鱼类、虾类等生物的需水量，其生存环境如湖泊、河流也应考虑在内，平均水深取1.5 m。将相关数据代入式(7)即可得到1995、2000、2005、2009以及2014年的凌河口湿地生物栖息地需水量分别为0.58、2.00、2.27、2.89和3.13 亿m3。

3.1.5 湿地补给地下水需水量

湿地具有能够通过渗漏的途径实现补给地下水的功能，计算公式如式(8)所示。

Wb=kIAT

(8)

式中：Wb为苇田、湖泊-养殖塘和河流补给地下水需水量，m3；k为渗透系数，m/d，湿地中土质均属黏质土，故取0.005 m/d；I为水力坡度；A为研究区内渗流剖面的面积，m2；T为计算时段的长度，d，受冻融和季节性来水的影响，T取150 d。

对于大面积的水稻田，其生长期的灌溉入渗和降水因素应一并考虑，其计算公式如式(9)所示。

W=ΦTF

(9)

式中：W为水田补给地下水需水量，m3；Φ为水稻田稳渗率，黏土Φ=0.001 m/d；T为水稻的生长期(包括泡田期)，单季稻可取120 d；F为该地水稻田用于计算的面积。

将相关数据代入式(9)即可得到1995、2000、2005、2009以及2014年的凌河口湿地补给地下水需水量分别为0.33、0.70、0.77、0.93和0.86 亿m3。

3.1.6 湿地生态环境需水总量

湿地植被的需水量、湿地土壤的需水量、水面蒸发所需的水量、生物栖息地的需水量和湿地补给地下水所需要的需水量之间没有重复，因此湿地内五种类型生态环境需水量的总和可认为是凌河口湿地生态环境需水的总量(Q，m3)，计算公式如下，经计算结果如表5所示。核心区的计算方法与整个湿地相同，不再赘述，计算结果见表5。

Q=Wp+Qt+WE+Wq+Wb+W(10)

表5 凌河口湿地生态环境需水量亿m3Tab.5 The water requirement of Eco-environment of the Linghekou wetland

3.2 结果分析

由表5可以反映出凌河口湿地生态环境需水量在1995-2014年的变化过程中，湿地核心区需水总量逐渐增加，而整个保护区需水总量基本上呈逐渐升高的态势变化，但2005年明显低于2000年的总需水量，因需水总量为各类型需水量的和，2005年的植被需水量和土壤需水量低于2000年对应的需水量，是2005年总需水量偏低的主要原因，而2005年水田面积的骤减是植被需水量和土壤需水量降低的主要原因。综上所述，2005-2014年人类愈发重视湿地的保护，相关部门的干预日渐成效，凌河口湿地的环境正在向积极的方向变化，与破碎化分析结果相一致。

1995年的生物栖息地需水量明显严重低于其他年份的需水量，其养殖塘-湖泊的面积严重低于其他年份是主要原因，说明1995-2000年人类在湿地内部过分占用土地，追求经济利益，导致湿地景观破碎，生态失去平衡。生物栖息地需水量所占比例最大，约为总需水量的34.05%；而水面蒸发需水量所占比重最轻，约为总需水量的8.96%；其次是土壤需水量约为总需水量的22.72%；植被需水量约为总需水量的22.70%，以及补给地下水需水量约为总需水量的11.57%。不论哪种类型的需水量，所占比例多少，均是凌河口湿地环境的重要组成部分，都具有不可替代的作用，相应的需水量都应得到必要的满足。

4 适宜与最小生态环境需水量

4.1 适宜生态环境需水量的确定与计算

由景观破碎化分析可以得到2014年为1995-2014年湿地状态最好的一年，可作为计算凌河口湿地适宜生态环境需水量的水平年。为使计算结果更加精确，应扣除在计算需水量时水田和芦苇沼泽没有考虑到的降雨因素。水田和芦苇沼泽对应的降雨量为湿地4-9月平均降雨量，分别为28.178、45.035、79.644、163.255、144.893、63.285 mm，分别与2014年芦苇沼泽和水田面积约为260.43 km2相乘，经计算湿地4-9月扣除的降雨量分别为0.07、0.12、0.21、0.43、0.38、0.16 亿m3。2014年凌河口湿地扣除相应降雨数据后的生态环境需水总量为7.10 亿m3，逐月需水过程见表6。

4.2 最小生态环境需水量的确定与计算

湿地核心区是为保护珍危野生动植物划分出的区域，对于湿地发展至关重要，是生态环境的重点保护区域[9]。凌河口湿地核心区占湿地总面积的36.60%，约为305.89 km2，保护核心区健康发展是最基本的任务，所以核心区的适宜生态环境需水量就可以看作是湿地的最小生态环境需水量。由表5可知，2014年核心区的生态环境需水总量为4.29 亿m3，为防止计算结果偏大，应统一扣除降雨因素，与上述方法一致，即用湿地4-9月平均降雨量与核心区芦苇沼泽和水田面积相乘，经计算湿地核心区4-9月扣除的降雨量分别为0.02、0.04、0.06、0.13、0.11、0.05 亿m3。扣除相应降雨因素的凌河口湿地核心区适宜生态环境的需水总量为3.87 亿m3，即为该湿地的最小生态环境需水量，逐月需水过程见表6。

表6 凌河口湿地生态环境逐月需水过程亿m3Tab.6 The Water Requirement process of Eco-environment of the Linghekou wetland

在计算最小生态环境需水量时，因有些降水量少的年份，最小生态环境需水量不足以满足生态需要，湿地的生态健康依然受到威胁，此时还应考虑到降雨保证率的影响，即应增加P=75%年份和P=95%年份的降雨量与多年平均降雨量相比，缺少的部分，可将此部分水量加至水田、芦苇沼泽和湖泊-养殖塘。将水文站1972-2014年逐月观测的降雨量数据从大到小进行排序，按照数学期望公式P=m/(n+1)×100%计算每一项的经验频率，再利用水文频率分布曲线试线软件绘制出降雨量频率曲线，得出75%频率和95%频率对应的全年降雨量分别为467.82和338.67 mm，与平均降雨量之差即为应增加的雨量，分别为118.59和247.74 mm，需增加的雨量与对应面积的乘积即为需增加的水量，分别为0.24和0.49 亿m3，需增加的水量与核心区适宜生态环境需水总量相加即为75%频率和95%频率所对应的最小生态环境需水量，分别为4.11和4.36 亿m3，逐月需水过程[10]见表6。