張 欣,周林林,李 萌,王鐵良

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,遼寧沈陽 110161;2.水利部珠江水利委員會,廣東廣州 510611;3.遼寧地方水電設(shè)計研究院,遼寧沈陽 110003)

遼寧盤錦雙臺子河口濕地生態(tài)環(huán)境需水量研究

張 欣1,周林林2,李 萌3,王鐵良1

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,遼寧沈陽 110161;2.水利部珠江水利委員會,廣東廣州 510611;3.遼寧地方水電設(shè)計研究院,遼寧沈陽 110003)

遼寧盤錦雙臺子河口濕地生態(tài)環(huán)境需水量主要由生態(tài)需水量和環(huán)境需水量組成。根據(jù)雙臺子河口濕地生態(tài)環(huán)境需水量的特點,選取適宜的生態(tài)環(huán)境需水量計算方法,利用3S技術(shù)對濕地地表信息進行提取,計算該濕地2000年和2005年各類生態(tài)環(huán)境需水量的最小、最適合和最大值。計算結(jié)果表明:2005年濕地生態(tài)環(huán)境需水量較2000年有所減少。對生態(tài)環(huán)境需水量的變化進行了對比分析,闡述了雙臺子河口濕地生態(tài)環(huán)境需水量變化的原因,為雙臺子河口濕地保護和水資源合理利用提供有利依據(jù)。

河口濕地;生態(tài)環(huán)境;需水量;遼寧省

1 研究區(qū)概況

遼寧盤錦雙臺子河口濕地位于盤錦市遼河三角洲的最南端,遼東灣北部的雙臺子河入海口處,南接渤海。雙臺子河口濕地地處中緯度地帶,屬于北溫帶半濕潤季風(fēng)性氣候區(qū),年平均氣溫為8.4℃。年平均降水量為623.2mm,降水主要集中在夏季,夏季平均降水量為 392.1 mm,占全年降水總量的62.9%。冬季降水量最小,占全年降水總量的2.2%。各月降水以7月份最多,1月份最少。濕地年蒸發(fā)量大于年降水量,年平均蒸發(fā)量為1 669.6 mm,是年降水量的2.7倍。

雙臺子河口濕地是遼河三角洲最具典型、原有濕地生態(tài)特征保存最好的區(qū)域,區(qū)內(nèi)具有大面積的蘆葦沼澤、灘涂、濕草甸、海水水域、河流等多種濕地類型,其中蘆葦面積居世界第2位,區(qū)內(nèi)水資源豐富,流經(jīng)濕地的主要河流有雙臺子河、大遼河、大凌河、饒陽河等。雙臺子河口濕地主要保護大面積的蘆葦沼澤濕地、廣闊的潮間帶灘涂、水域和以遷徙水禽占優(yōu)勢的野生動物種群。

2 研究方法

2.1 利用3S技術(shù)進行信息提取

采用雙臺子河口濕地2000年和2005年的衛(wèi)星影像,通過GPS定位建立研究區(qū)的解譯標志,應(yīng)用ARCVIEW3.2軟件,對濕地基本信息進行提取。濕地類型和面積變化信息見表1。

表1 雙臺子河口濕地各類型濕地面積

從表1可見,雙臺子河口濕地從2000年到2005年總體面積減少了近10.5 km2,其中灘涂面積減少最為嚴重,其次是居民區(qū)、灘地;水田以及水庫、水塘、養(yǎng)殖塘的面積也有所減少,其中大部分面積為當?shù)厥烷_采所占用。油井面積在此年間增加最多,嚴重威脅著濕地的生態(tài)環(huán)境。而濕地中旱地的面積也增加了近7km2。這些面積的變化情況反映出雙臺子河口濕地的生態(tài)環(huán)境仍處在有待恢復(fù)的狀態(tài)。

2.2 濕地生態(tài)環(huán)境需水量計算方法

濕地生態(tài)環(huán)境需水量可分為生態(tài)需水量和環(huán)境需水量兩個部分。濕地生態(tài)需水量指濕地為維持自身發(fā)展過程和保護生物多樣性所需要的水量,包括濕地植物需水量、濕地土壤需水量和生物棲息地需水量等。濕地環(huán)境需水量指濕地支持和保護自然生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程、支持和保護人類活動與生命財產(chǎn)以及改善環(huán)境而需要的水量,包括補給地下水需水量、防止岸線侵蝕及河口生態(tài)環(huán)境需水量和凈化污染物需水量等。簡單講,濕地生態(tài)環(huán)境需水量就是指能夠抑制濕地生態(tài)環(huán)境惡化趨勢,并逐步使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到健康狀態(tài)所需要的適宜水量。為了便于對濕地生態(tài)環(huán)境需水量進行研究,崔保山等[1]按照濕地生態(tài)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),將其劃分了5個等級,其中比較常用的3個等級劃分是:最大、最適合和最小需水量。最大需水量是系統(tǒng)可以承受的最大水量,超過這一水量,系統(tǒng)便會產(chǎn)生突變;最適需水量是系統(tǒng)存在所需的最佳水量,此時系統(tǒng)處于最理想狀態(tài);最小需水量是系統(tǒng)維持自身發(fā)展所需的最低水量,低于這一水量,系統(tǒng)便會很快萎縮、退化甚至消失。

2.2.1 濕地植被需水量

濕地植被正常生長所需要的水量就是濕地植被需水量。一般植被需水量包括4部分:植物同化工程耗水和植物體內(nèi)包含的水分、植物葉面蒸騰耗水、植物間土壤蒸發(fā)耗水。其中植物葉面蒸騰耗水和植物間土壤蒸發(fā)耗水占植被需水量的99%,因此將植物葉面蒸騰耗水和植物間土壤蒸發(fā)耗水之和近似為植被需水量[2],其計算公式為[3]:

式中:Wp為植被需水量,m3;Ap為濕地植被面積,m2;ETm為蒸散發(fā)量,mm。

2.2.2 濕地土壤需水量

濕地土壤需水量與植物生長及其需水量密切相關(guān),但土壤含水量并不等于土壤需水量,不同的濕地土壤的持水量、含水量等水特征值不同,需水量就有差異。濕地土壤需水量計算公式為[3]:

式中:Wt為土壤需水量,m3;α為田間持水量或飽和持水量百分比(據(jù)土壤類型而定),%;Ht為土壤厚度,m;At為濕地土壤面積,m2。

2.2.3 生物棲息地需水量

生物棲息地需水量是指魚類、鳥類等棲息繁殖需要的基本水量。生物棲息地需水量可通過水面面積百分比和水深進行計算[3],公式如下:

式中:Wq為生物棲息地需水量,m3;A為濕地面積,m2;B為水面面積百分比,%;Hw為水深,m。

2.2.4 補給地下水需水量

補給地下水需水量是指通過自然滲漏補給地下水的水量,雙臺子河口濕地補給地下水需水量包括葦田、水田以及水庫、水塘、養(yǎng)殖塘和河流揮渠補給地下水的水量。葦田補給地下水需水量計算公式為:

式中:Wb為補水量,m3;K為滲透系數(shù),m/d;I為水力坡度;As為滲流剖面面積,m2;T為計算時段長度,d。

由于雙臺子河口濕地中有大面積水田,因此,水稻生長期的降水入滲和灌溉入滲也應(yīng)計算在內(nèi),計算水田補給地下水量的公式為:

式中:Wr為水田補給地下水量,m3;Φ黏為水田穩(wěn)滲率,Φ黏=1mm/d;Tr為水稻生長期,單季稻為120d;F為水田面積,m2。

2.2.5 水庫、水塘、養(yǎng)殖塘生態(tài)環(huán)境需水量

水庫、水塘、養(yǎng)殖塘生態(tài)環(huán)境需水量是指為了維護水庫、水塘、養(yǎng)殖塘基本生態(tài)功能所需水量。計算公式為:

式中:Wl為水庫、水塘、養(yǎng)殖塘生態(tài)環(huán)境需水量,m3;Ai為第i個水庫、水塘、養(yǎng)殖塘的水面面積,m2;Ei為相應(yīng)的水面蒸發(fā)量,mm;Pi為第i個水庫、水塘、養(yǎng)殖塘上的降水量,mm。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 濕地植被需水量

雙臺子河口濕地主要植被群落類型有草甸群落、鹽地堿蓬群落、蘆葦群落、香蒲群落和種植群落等。由于濕地內(nèi)植被種類繁多,計算時只能選擇關(guān)鍵物種。種植群落以水稻田為主,野生植被以蘆葦為主,因此只計算這兩種植物的需水量。需水量級別可以根據(jù)這兩種植物的生長基本特征劃分,這里以植被生長級別及蓋度為分級指標。

根據(jù)雙臺子河口濕地歷年水文資料,年平均水面蒸發(fā)量約為933～941mm,植被生長期蒸散發(fā)量約為水面蒸發(fā)量的2倍,非生長期蒸散發(fā)量約為水面蒸發(fā)量的1.1倍,利用式(1)計算濕地植被需水量結(jié)果見表2。

表3 雙臺子河口濕地土壤需水量

表2 雙臺子河口濕地植被需水量

3.2 濕地土壤需水量

雙臺子河口濕地主要的土壤類型有潮灘鹽土、濱海鹽土、草甸鹽土、沼澤鹽土和水稻土,計算濕地土壤需水量時按照土壤水分特征將濕地土壤分為鹽土、沼澤土和水稻土。鹽土和沼澤土生長的植被以蘆葦為主,廣泛的灘涂濕地土壤類型以鹽土為主,水稻土主要分布在水田等人工濕地。利用式(2)計算濕地土壤需水量結(jié)果見表3。

3.3 生物棲息地需水量

雙臺子河口濕地內(nèi)分布有大量的珍稀鳥類,其中黑嘴鷗占全部種群數(shù)量的50%以上。黑嘴鷗主要棲息在蘆葦沼澤濕地中,雙臺子河口濕地的蘆葦沼澤面積約占濕地總面積的40%左右。水面和沼澤植被共同組成的濕地系統(tǒng)可為水禽提供最佳的棲息場所,水面和沼澤植被面積的相對比率是決定物種豐富性的重要因素。根據(jù)雙臺子河口濕地的實際情況,蘆葦沼澤濕地的水面面積百分比在10%～75%之間,蘆葦生長所需水深一般在0.5～1.0m之間,這一水深范圍能夠滿足黑嘴鷗生長繁殖的需要,考慮到黑嘴鷗生存還需要魚類作為食物,因此將水深最大值定為2m。根據(jù)主要生物的棲息面積并利用式(3)計算2000年和2005年生物棲息地需水量,結(jié)果見表4。

表4 雙臺子河口濕地生物棲息地需水量

3.4 補給地下水需水量

假定雙臺子河口濕地的葦田中僅有水面的部分補給地下水,無水面的部分只滿足自身的需水要求。因此按照葦田不同的水面面積百分比劃分需水量等級。利用式(4),其中由于濕地中土壤均屬黏質(zhì)土,滲透系數(shù)取0.005m/d,受濕地季節(jié)性來水和凍融影響,補給時間按150d計,計算結(jié)果見表5。

表5 葦田補給地下水需水量

利用式(5)得到2000年和2005年水田補給地下水量分別為0.125億m3和0.124億m3。

另外根據(jù)面積和入滲率計算得到2000年和2005年水庫、水塘、養(yǎng)殖塘和河流河渠的補給地下水量分別為0.748億m3和0.750億m3。

3.5 水庫、水塘、養(yǎng)殖塘生態(tài)環(huán)境需水量

雙臺子河口濕地多年平均降水量為623.2mm,水面蒸發(fā)量為933～941mm。水庫、水塘、養(yǎng)殖塘最小、最適合和最大生態(tài)環(huán)境需水量等級系數(shù)按0.94,1.00和1.10劃分[4]。利用式(6)計算水庫、水塘、養(yǎng)殖塘的生態(tài)環(huán)境需水量,結(jié)果見表6。

表6 雙臺子河口水庫、水塘、養(yǎng)殖塘生態(tài)環(huán)境需水量

3.6 濕地生態(tài)環(huán)境需水總量

濕地各類生態(tài)環(huán)境需水量之和即為濕地生態(tài)環(huán)境需水總量。雙臺子河口濕地生態(tài)環(huán)境需水總量計算結(jié)果見表7。

3.7 濕地生態(tài)環(huán)境需水量變化分析

圖1～3分別比較了2000年和2005年雙臺子河口濕地各類生態(tài)環(huán)境需水量的最小值、最適值和最大值的變化情況。

圖1 2000、2005年雙臺子河口濕地最小生態(tài)環(huán)境需水量

圖2 2000、2005年雙臺子河口濕地最適生態(tài)環(huán)境需水量

圖3 2000、2005年雙臺子河口濕地最大生態(tài)環(huán)境需水量

由圖1可知,雙臺子河口濕地最小生態(tài)環(huán)境需水量中2000年和2005年濕地植被需水量和土壤需水量占生態(tài)環(huán)境需水總量均為78%;補給地下水需水量占生態(tài)環(huán)境需水總量的15%;生物棲息地需水量和水庫、水塘、養(yǎng)殖塘生態(tài)環(huán)境需水量分別占生態(tài)環(huán)境需水總量的4%和3%。除補給地下水需水量略有增加,其他生態(tài)環(huán)境需水量均有所減少。

由圖2可知,濕地最適生態(tài)環(huán)境需水量中2000年和2005年濕地植被需水量、土壤需水量和生物棲息地需水量占生態(tài)環(huán)境需水總量均為83%,在濕地生態(tài)環(huán)境需水總量構(gòu)成中占主要地位,補給地下水需水量和水庫、水塘、養(yǎng)殖塘生態(tài)環(huán)境需水量分別占生態(tài)環(huán)境需水總量的15%和2%。

表7 雙臺子河口濕地生態(tài)環(huán)境需水量 億m3

由圖3可知,雙臺子河口濕地最大生態(tài)環(huán)境需水量中2000年和2005年濕地各類生態(tài)環(huán)境需水量按大小排序為:生物棲息地需水量,植被需水量,土壤需水量,補給地下水需水量,水庫、水塘、養(yǎng)殖塘生態(tài)環(huán)境需水量。其中前三者占總生態(tài)環(huán)境需水量的86%。

綜合圖1～3可知,各類濕地生態(tài)環(huán)境需水量中,濕地植被需水量、土壤需水量和生物棲息地需水量為生態(tài)環(huán)境需水總量的主要組成部分,2005年和2000年相比,土壤需水量減少最多,約為0.092億m3,其次為植被需水量和生物棲息地需水量,補給地下水需水量和水庫、水塘、養(yǎng)殖塘生態(tài)環(huán)境需水量變化很小或基本無變化。

從濕地生態(tài)環(huán)境需水總量的變化情況來看,2000年濕地最小、最適合和最大生態(tài)環(huán)境需水量分別為6.753億～8.319億m3,10.824億～14.698億m3,19.346億～22.203億m3;2005年濕地生態(tài)環(huán)境需水量最小、最適合、最大值分別為6.675億～8.198億m3,10.689億～14.523億m3,19.138億～21.962億m3。2005年濕地生態(tài)環(huán)境需水量比2000年減少了1%。

從生態(tài)環(huán)境需水量的空間分布情況來看,由于葦田和水田的生態(tài)環(huán)境需水量種類豐富,且兩者面積占濕地總面積比例較大,濕地生態(tài)環(huán)境需水量主要集中分布在葦田和水田上,2005年和2000年相比,分布在葦田和水田上的生態(tài)環(huán)境需水量呈現(xiàn)減少的趨勢。

綜上,雙臺子河口濕地生態(tài)環(huán)境需水量2005年和2000年相比,趨于穩(wěn)定但仍有減少的趨勢。分析濕地生態(tài)環(huán)境需水量變化的原因,主要是受到當?shù)貙υ搮^(qū)域不斷開發(fā)的影響,特別是當?shù)貙κ偷拈_采,2005年雙臺子河口濕地油井的面積比2000年增加了2%,采油機和輸油管道等石油開采設(shè)施不僅占用了大量的濕地面積,輸油管道泄露等原因還會造成濕地水質(zhì)的污染,直接影響了濕地生態(tài)環(huán)境需水量。

另外,農(nóng)業(yè)開發(fā)過程中農(nóng)藥、化肥污染以及生活污水的排放也會對濕地生態(tài)環(huán)境需水量造成影響,2005年和2000年相比,水田和居民區(qū)面積雖有所減少,一定程度上緩解了濕地生態(tài)環(huán)境需水量的壓力,但總體上仍未改變其減少的趨勢。雙臺子河口濕地目前還存在著對濕地資源隨意濫用,破壞濕地生態(tài)環(huán)境等諸多問題,這些都是造成雙臺子河口濕地生態(tài)環(huán)境需水量減少的原因。

4 結(jié) 語

a.按照濕地生態(tài)環(huán)境需水量的概念,將雙臺子河口濕地的生態(tài)環(huán)境需水量視為幾個不同類型的濕地生態(tài)環(huán)境需水量之和,并將其劃分為最小、最適合和最大3個等級,計算結(jié)果更有利于根據(jù)不同的管理目標對濕地水資源進行合理利用和靈活配置。

b.利用3S技術(shù)提取雙臺子河口濕地土地利用類型和面積作為計算生態(tài)環(huán)境需水量的基礎(chǔ)資料,根據(jù)雙臺子河口濕地生態(tài)環(huán)境需水特點選取適宜的計算方法,對其進行計算,得到雙臺子河口濕地2000和2005年生態(tài)環(huán)境需水量的最小、最適合、最大值分別為6.753億～8.319億m3、10.824億～14.698億m3、19.346億～22.203億m3和6.675億～8.198億m3、10.689億～14.523億m3、19.138億～21.962億m3。

c.計算雙臺子河口濕地2000年和2005年的濕地生態(tài)環(huán)境需水量,可以反映出濕地生態(tài)環(huán)境的變化情況。分析結(jié)果表明,雙臺子河口濕地的生態(tài)環(huán)境趨于穩(wěn)定但仍有所退化。研究雙臺子河口濕地生態(tài)環(huán)境需水量可為該區(qū)域的濕地保護提供依據(jù)。

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[2]劉昌明,王會肖.土壤-作物-大氣界面水分過程與節(jié)水調(diào)控[M].北京:科學(xué)出版社,1999:110-181.

[3]崔保山,楊志峰.濕地生態(tài)環(huán)境需水量研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2002,22(2):219-224.

[4]李加林,趙寒冰,劉闖.遼河三角洲濕地生態(tài)環(huán)境需水量變化研究[J].水土保持學(xué)報,2006,20(2):129-135.

Eco-environmental water requirement of Shuangtaizi estuarine wetland in Panjin,Liaoning Province

ZHANG Xin1,ZHOU Lin-lin2,LI Meng3,WANG Tie-liang1
(1.College of Water Conservancy,Shenyang Agricultural University,Shenyang110161,China;2.Planning Department of the Pearl River WaterResourcesCommission,Ministry of Water Resources,Guangzhou510611,China;3.Liaoning Local Hydropower Design and Research Institute,Shenyang110003,China)

The eco-environmental water requirement of the Shuangtaizi estuarine wetland in Panjin,in Liaoning Province of China consists of ecological water requirements and environmental water requirements.Based on selection of the appropriate calculation method for computing the eco-environmental water requirement,and collection of information on the wetland surface with the 3S technique,the minimum,maximum and optimum eco-environmental water requirements of the Shuangtaizi estuarine wetland in 2000 and 2005were calculated.The eco-environmental water requirement in 2005 was less than that in 2000.That change was explained by comparison and analysis of the data,which could provide a useful basis for conservation and reasonable water resources exploitation of the Shuangtaizi estuarine wetland.

estuarine wetland;eco-environmental water requirement;wetland ecosystem;Liaoning Province

X171.1

A

1004-6933(2010)04-0008-05

10.3969/j.issn.1004-6933.2010.04.003

國家自然科學(xué)基金(50879046);教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金:教技發(fā)中心函[2006]226號;遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計劃項目:遼教發(fā)[2006]124號。

張欣(1984—),女,遼寧沈陽人,碩士研究生,研究方向為水環(huán)境質(zhì)量評價及濕地生態(tài)環(huán)境。E-mail:xiner.0822@163.com

王鐵良,教授。E-mail:tieliangwang@126.com

2009-05-26 編輯:高渭文)