孫才志，高 穎，朱正如

(1.遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，大連116029;2.遼寧省自然地理與空間信息科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連116029)

在我國(guó)北方干旱與半干旱地區(qū)，由于地表水資源相對(duì)貧乏，而地下水一般具有水質(zhì)良好、分布廣泛、水量相對(duì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此地下水便一直作為工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及生活用水的主要供水水源。但人們?cè)陂_(kāi)發(fā)利用地下水資源的過(guò)程中，通常只注重地下水的資源功能，而忽略了其生態(tài)功能，這給由地下水所維系的生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)重威脅，導(dǎo)致了諸如河流斷流、海水入侵、濕地退化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。鑒于我國(guó)北方地區(qū)地下水系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)之間存在著密切的依附關(guān)系以及環(huán)境水文地質(zhì)問(wèn)題突出的現(xiàn)實(shí)情況，對(duì)于該區(qū)域地下水生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)更應(yīng)受到重視，地下水生態(tài)需水的研究也尤為迫切。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于生態(tài)需水的研究大多集中于河流［1-3］、湖泊［4-5］、濕地［6-8］和陸地植被［9-10］等領(lǐng)域，并形成了比較完善的計(jì)算方法，而對(duì)于地下水生態(tài)需水的研究則相對(duì)較少。在我國(guó)，地下水生態(tài)方面的研究主要集中于西北干旱地區(qū)，但研究角度多側(cè)重于地下水合理水位的確定方面［11-12］。楊志峰等提出了生態(tài)環(huán)境需水評(píng)價(jià)中地下水補(bǔ)水量的計(jì)算公式［13］，但在整個(gè)研究區(qū)只給出了一套水文地質(zhì)參數(shù)，忽視了水文地質(zhì)條件的空間異質(zhì)性問(wèn)題，在一定程度上影響了計(jì)算精度，該方法主要適用于小空間尺度;孫才志等［14］采用情景分析的方法，在降水入滲與蒸發(fā)規(guī)律的基礎(chǔ)上，設(shè)置了兩種情景下下遼河平原地下水生態(tài)水位標(biāo)準(zhǔn)，然后通過(guò)對(duì)地下水實(shí)際埋深與生態(tài)水位埋深的比較，計(jì)算出滿足地下水生態(tài)水位要求的地下水調(diào)控量，但僅從水文地質(zhì)的角度考慮地下水生態(tài)需水量，忽略了地表生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于地下水的需求;張建立等采用二維地下水?dāng)?shù)值估算了白洋淀濕地地下水生態(tài)需水量［15］，但只考慮了濕地一種生態(tài)系統(tǒng)類型，地下水生態(tài)水位標(biāo)準(zhǔn)單一，同樣該方法主要適用于小空間尺度。鑒于此，本文以下遼河平原地下水系統(tǒng)為研究對(duì)象，綜合考慮水文地質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)兩方面因素，分別考慮其對(duì)于地下水量的需求，進(jìn)而估算下遼河平原地下水系統(tǒng)生態(tài)需水量。研究成果對(duì)于豐富生態(tài)需水理論具有一定的理論意義。

下遼河平原是東北最缺水的地區(qū)之一，該區(qū)域供水的65%來(lái)源于地下水資源。地下水資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)利用，產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，已經(jīng)影響到了研究區(qū)內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，成為制約東北老工業(yè)基地振興的重要瓶頸之一。因此，為更合理的配置和管理地下水資源，下遼河平原地下水系統(tǒng)生態(tài)需水的研究變得重要而且迫切。本文通過(guò)對(duì)下遼河平原地區(qū)2009年Landsat ETM的遙感解譯，得到本區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)類型，在合理確定地下水生態(tài)水位的基礎(chǔ)上，結(jié)合相應(yīng)水文地質(zhì)參數(shù)，利用Golden surfer軟件計(jì)算出下遼河平原的地下水生態(tài)需水量，研究成果對(duì)于維護(hù)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康和地下水資源的合理開(kāi)發(fā)利用具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

下遼河平原是遼寧省最大的平原，呈北東—南西方向?qū)拵钚迸P在遼寧省的中部。地理坐標(biāo)為E121.0877°—123.85582°，N40.6379°—42.2943°，東西寬120—140 km，南北長(zhǎng)240 km，面積約2.32萬(wàn)km2，行政區(qū)劃隸屬于遼寧省鐵嶺市、沈陽(yáng)市、撫順市、遼陽(yáng)市、鞍山市、營(yíng)口市、盤錦市、錦州市和阜新市，總跨9市17縣(圖1)。

下遼河平原東、西兩側(cè)為山地丘陵，南臨渤海，北為遼北低丘區(qū)，形成三面環(huán)山、一面臨海的地形特點(diǎn)。平原地勢(shì)由北向南逐漸降低，由北部海拔50—250 m逐步降為南部海拔2—10 m。本區(qū)屬于溫帶半濕潤(rùn)半干旱季風(fēng)氣候區(qū)的過(guò)渡帶，全年平均氣溫在7—11℃之間，降水量在600—1100 mm左右，具有東南向西北遞減的變化規(guī)律。該區(qū)有兩個(gè)獨(dú)立水系，一個(gè)為遼河下游經(jīng)雙臺(tái)子河由盤山入海;另一個(gè)為渾河、太子河于三岔河匯合后經(jīng)大遼河由營(yíng)口入海。自然植被類型具有從溫帶草原向暖溫帶闊葉落葉過(guò)渡的特點(diǎn)，其中，東部山地以溫帶針闊葉混交林為代表，南部和西部為暖溫帶落葉闊葉林，北部為溫帶草甸草原。

下遼河平原作為中新生代的沉降盆地，既是區(qū)域新生界尤其是第四系的沉降中心，又是區(qū)域地表水和地下水的匯集中心。巨厚的第三系河湖相碎屑沉積、第四系沖洪積和沖積層以及巖石中廣泛發(fā)育的裂隙都為地下水的賦存、運(yùn)移提供了廣大的空間，上述地層構(gòu)成了具有統(tǒng)一補(bǔ)給、徑流、排泄的下遼河平原地下水系統(tǒng)。地下水的補(bǔ)給主要來(lái)自大氣降水和地表水入滲，地下水總的徑流方向由山前向中部平原呈放射狀，至中部平原后總的徑流方向是由東北向西南，最后進(jìn)入遼東灣。

圖1 下遼河平原地理位置圖Fig．1 The geographic location map of the lower Liaohe River plain

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理平臺(tái)

收集了研究區(qū)內(nèi)2009年Landsat ETM遙感影像、遼寧省地質(zhì)圖、遼寧省第四紀(jì)地質(zhì)圖、遼寧省水文地質(zhì)圖、下遼河平原地下水資源圖、遼寧省地貌圖、遼寧省土地類型圖、遼寧省植被圖、《遼河流域水文資料》(2004—2008)、遼寧省水文數(shù)據(jù)(2010年)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。數(shù)據(jù)處理平臺(tái)包括MapInfo 7.0、ArcView GIS 3.3、Erdas Imagine 9.1、Golden surfer 9.0、Fortran PowerStation 4.0等。

3 下遼河平原地下水生態(tài)水位的確定

3.1 地下水生態(tài)水位的概念

地下水生態(tài)水位是指:能夠充分發(fā)揮地下水對(duì)生態(tài)環(huán)境的控制作用，即滿足生態(tài)環(huán)境要求、不造成生態(tài)環(huán)境惡化的地下水位。它是由一系列滿足生態(tài)環(huán)境要求的地下水水位構(gòu)成，是一個(gè)隨時(shí)空變化的函數(shù)［16］。地下水生態(tài)水位主要受含水層巖性、包氣帶特征、地形、地貌和植被條件的影響。

3.2 下遼河平原地下水生態(tài)水位確定

3.2.1 從水文地質(zhì)學(xué)的角度確定地下水生態(tài)水位

從水文地質(zhì)學(xué)的角度確定地下水生態(tài)水位，需要綜合考慮下遼河平原的水鹽運(yùn)移規(guī)律、潛水蒸發(fā)等影響因素。在確定生態(tài)水位時(shí)，使?jié)撍舭l(fā)的強(qiáng)度減至最小，土壤積鹽極其微弱。該區(qū)的含水層巖性主要為粘土、黃土狀亞粘土、亞砂土、粉砂土、粉細(xì)砂、細(xì)砂、中砂及濱海咸水地區(qū)的粘土、砂土。根據(jù)該區(qū)的巖性，利用當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)部門的野外蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，把不同含水層巖性下極限蒸發(fā)深度作為地下水生態(tài)水位埋深［17］，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同巖性下的地下水生態(tài)水位埋深Table 1 The ecological groundwater head burying depth of different lithological character

3.2.2 從生態(tài)系統(tǒng)健康的角度確定地下水生態(tài)水位

自然界中的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于地下水的依賴情況是各不相同的，通常根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)地下水的依賴程度不同，可將生態(tài)系統(tǒng)分為:完全依賴型、強(qiáng)烈依賴型、偶爾依賴型和完全不依賴型［18］。對(duì)于對(duì)地下水依賴程度較低的生態(tài)系統(tǒng)，在確定地下水生態(tài)水位時(shí)，可以只考慮其地質(zhì)學(xué)方面的因素，而對(duì)地下水依賴較強(qiáng)的生態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于地下水位的要求。

通過(guò)對(duì)2009年遙感資料進(jìn)行幾何校正，經(jīng)檢驗(yàn)配準(zhǔn)誤差控制在0.5個(gè)像素元之內(nèi)，采取最鄰近法進(jìn)行重采樣。在Erdas Imagine 9.1處理平臺(tái)上，確立解譯標(biāo)志和解譯精度，通過(guò)人工交互式對(duì)遙感影像進(jìn)行目視解譯。最后在GIS環(huán)境中對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行裁剪、合并等修改，得到下遼河平原2009年Landsat ETM的解譯結(jié)果(圖2)，由圖2可知，下遼河平原的生態(tài)系統(tǒng)類型主要有河流生態(tài)系統(tǒng)、天然草地生態(tài)系統(tǒng)(面積1365.5 km2)、天然林地生態(tài)系統(tǒng)(面積4524.0 km2)、天然濕地生態(tài)系統(tǒng)(面積356.3 km2)、耕地生態(tài)系統(tǒng)(面積16408.8 km2)以及城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)(面積4524.0 km2)。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際情況，對(duì)地下水依賴程度較高的生態(tài)系統(tǒng)有天然草地生態(tài)系統(tǒng)、天然河流生態(tài)系統(tǒng)和天然濕地生態(tài)系統(tǒng)。因此，本文從這3個(gè)生態(tài)系統(tǒng)健康的角度出發(fā)，研究與其相關(guān)區(qū)域地下水生態(tài)水位。

(1)有天然草地覆蓋的區(qū)域。

下遼河平原的天然植被類型多樣，但是，由于人類的不斷開(kāi)墾和人工改造，下遼河平原幾乎已經(jīng)沒(méi)有原始植被。經(jīng)研究都證實(shí)，影響天然植被生長(zhǎng)和恢復(fù)的土壤水分和鹽分與地下水埋深高低有密切關(guān)系［19-21］，在有天然草地覆蓋地區(qū)，確定既不使土壤發(fā)生強(qiáng)烈鹽漬化和荒漠化，又能使植被健康生長(zhǎng)的生態(tài)地下水位對(duì)研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境保育至關(guān)重要。

樊自立等［11］將適宜的地下水位埋深定義為2—4 m，因?yàn)樵诖怂宦裆钕?，土壤全剖面含水率?7.0%—22.0%，約為毛管持水量的70%以上，潛水年蒸發(fā)量在50—375 mm，潛水主要供給土壤水分被植物吸收利用，無(wú)效蒸發(fā)耗水很少，能滿足天然植被的生長(zhǎng)需水。因此，本文將此埋深定義為有天然草地覆蓋地塊的生態(tài)地下水位埋深。根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，下遼河平原天然草地的生長(zhǎng)期為4—10月，而夏季植被蒸騰要高于春、秋季，因此，天然草地夏季需水量較高，故在確定生態(tài)水位時(shí)，將天然草地的生長(zhǎng)期分為6、7、8月和4、5、9、10月兩部分考慮(表2)。

(2)有濕地覆蓋的區(qū)域

對(duì)于濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)，應(yīng)該要求保持濕地水體的規(guī)模和質(zhì)量。因此在考慮濕地覆蓋地塊的地下水生態(tài)需水時(shí)，應(yīng)滿足沼澤化地下水位的要求，即地下水埋深應(yīng)在1 m以內(nèi)［11］，以保證濕地的覆蓋面積，確保沼澤地塊生物的健康生存和棲息地的穩(wěn)定發(fā)展。

圖2 下遼河平原生態(tài)系統(tǒng)類型示意圖Fig．2 The ecosystem types in the lower reach of LiaoRiver plain

表2 下遼河平原不同季節(jié)天然草地地下水生態(tài)水位埋深Table 2 The ecological groundwater head burying depth of natural grassland in different seasons

下遼河平原天然濕地主要為遼河三角洲的盤錦濕地，該區(qū)植被類型多樣，其中雙臺(tái)河口濕地不僅生長(zhǎng)有大量蘆葦，還為大量鳥(niǎo)類和兩棲類提供了棲息場(chǎng)所。而為保證野生生物棲息地的健康，濕地的水深應(yīng)在0.3—2.0 m之間［22］。兼顧沼澤化地下水埋深在1 m以內(nèi)的要求，本文把該區(qū)域不同季節(jié)地下水埋深設(shè)定在0.3—1.0 m。另外，研究區(qū)內(nèi)濕地在不同的氣候條件下對(duì)于地下水的需求不同，夏季植被生長(zhǎng)茂盛，動(dòng)物活動(dòng)也比較活躍，濕地需水量較大;而冬季恰好相反，植物枯萎，不少動(dòng)物冬眠，鳥(niǎo)類南飛，所以需水量相對(duì)較小。因此，本文確定了有天然濕地覆蓋地區(qū)不同季節(jié)的地下水生態(tài)水位埋深，見(jiàn)表3。

而對(duì)于濱海低平原南部，由于河道淤淺改道，海水頂托，地勢(shì)低洼積水，地下水的水平徑流基本停滯，垂直蒸發(fā)十分強(qiáng)烈，土壤大面積形成鹽漬化和沼澤化，屬于濱海濕地。故確定本區(qū)域的生態(tài)埋深為1 m，即沼澤化水位，此條件下雖然潛水蒸發(fā)量大，耗水較多，但對(duì)于該區(qū)濕地生物多樣性的維護(hù)和濕地保護(hù)有重要意義。

表3 下遼河平原不同季節(jié)天然濕地地下水生態(tài)水位埋深Table 3 The ecological groundwater head burying depth of natural wetland in different seasons

(3)有河流流經(jīng)的區(qū)域

研究區(qū)內(nèi)河流的徑流季節(jié)變化較大，有春夏兩個(gè)汛期，其中春汛期短，一般為2月底到3月初，量小，僅占全年徑流的3%—4%;夏汛一般為6—9月，可占年徑流的70%—82%;枯水期(12月—翌年3月)徑流很少;平水期(4—5月)徑流僅占年徑流的10%。其中，枯水期河流在沒(méi)有降水的情況下，出現(xiàn)一個(gè)流量低而穩(wěn)定的最小徑流期，此時(shí)河流僅靠地下水補(bǔ)給，如果地下水埋深低于河道，將會(huì)出現(xiàn)斷流，因此，枯水期是保持河流自我生存能力至關(guān)重要的時(shí)期。另外，由于上游開(kāi)采量加大，減少下泄流量，致使地下水位下降奪取河道徑流，使河道大規(guī)模干涸斷流。因此，在確定有河流流經(jīng)區(qū)域的地下水生態(tài)需水問(wèn)題時(shí)，應(yīng)把河流生態(tài)流量和地下水位作為統(tǒng)一的整體來(lái)考慮?；诖?，本文從以下三個(gè)方面定量分析生態(tài)地下水位:考慮補(bǔ)排平衡，要求適宜的埋深，水位不能過(guò)低;考慮防止鹽堿化，水位不能過(guò)高;要維持和支撐河道生態(tài)用水，公式如下:

式中，Ge為有河流流經(jīng)區(qū)域河道外生態(tài)水位;G1為考慮補(bǔ)排平衡的最低地下水位;G2為考慮防止鹽堿化的最高地下水位;Zr為河底高程。

把下遼河平原按照水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐譃槲鞑可角捌皆瓍^(qū)、東部山前平原區(qū)、中部平原區(qū)和南部濱海平原區(qū)(圖3)。其中，位于山前平原區(qū)的河道外淺層地下水汛期最佳控制生態(tài)水位埋深在5—10 m，汛后埋深控制在3—5 m;位于中部平原區(qū)的河道外淺層地下水的汛前最佳控制生態(tài)水位埋深在6—11 m，汛后埋深控制在4—6 m［23］。而對(duì)于枯水期，則應(yīng)保證生態(tài)水位埋深至少與河道持平，以保證河流的健康維持，但同樣要保證其小于鹽堿化水位埋深1—2 m［11］。

根據(jù)《遼河流域水文資料》2004—2008年研究區(qū)河流水位、河底高程等數(shù)據(jù)，得出下遼河平原各水文站測(cè)得的各月平均水位，根據(jù)上述分析得到有河流流經(jīng)區(qū)域的地下水生態(tài)水位埋深(表4)。由于水文站點(diǎn)數(shù)目過(guò)多，表4僅顯示部分典型站點(diǎn)地下水生態(tài)水位埋深數(shù)據(jù)。

圖3 下遼河平原水文地質(zhì)單元分區(qū)及給水度圖Fig．3 The specific yield in different hydro-geological partition

表4 下遼河平原有河流流經(jīng)區(qū)域地下水生態(tài)水位埋深Table 4 The ecological groundwater head burying depth with river flows through

3.2.3 從人類需要的角度綜合調(diào)整地下水生態(tài)水位

下遼河平原已經(jīng)在沈陽(yáng)、鞍山、遼陽(yáng)等地區(qū)形成了永久性地下水降落漏斗及地下水含水層的部分疏干，其中，沈陽(yáng)市地下水含水層疏干面積已經(jīng)超過(guò)60 km2，地下水位最大降深達(dá)30 m，遼陽(yáng)首山水源地地下水位累計(jì)下降近40 m［24］?；谝陨蠈?shí)際情況，要在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)這些地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)完全健康并不現(xiàn)實(shí)，故應(yīng)調(diào)整這些地區(qū)的地下水生態(tài)水位，以使經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的逐步改善達(dá)到平衡。

根據(jù)2008年《遼寧省水資源公報(bào)》統(tǒng)計(jì)，把超采漏斗區(qū)和海水入侵區(qū)全部作為地下水超采區(qū)界定，下遼河平原的超采區(qū)主要有沈陽(yáng)城區(qū)地下水漏斗區(qū)(漏斗區(qū)面積14.75 km2)、遼陽(yáng)首山地下水漏斗區(qū)(漏斗區(qū)面積196.00 km2)和錦州海侵區(qū)(171.06 km2)?；诖耍疚母鶕?jù)以上區(qū)域地下水位埋深的實(shí)際情況，對(duì)地下水生態(tài)水位埋深做了如下調(diào)整:沈陽(yáng)城區(qū)7—9 m，遼陽(yáng)首山6—7 m，錦州海侵區(qū)6—8 m。

綜合以上論述，利用MapInfo軟件提取點(diǎn)坐標(biāo)工具，自動(dòng)獲取區(qū)域經(jīng)緯度，并輸入不同區(qū)域地下水生態(tài)水位埋深數(shù)據(jù)，得到下遼河平原全年各月地下水生態(tài)水位埋深數(shù)據(jù)(表5)。

4 下遼河平原地下水系統(tǒng)生態(tài)需水量的估算

本文應(yīng)用MapInfo軟件對(duì)空間數(shù)據(jù)的分析與查詢功能，配合Golden surfer軟件的體積計(jì)算功能計(jì)算下遼河平原的地下水生態(tài)需水量［25］。首先，將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)其以文本格式導(dǎo)出，利用Golden surfer軟件將其格網(wǎng)化。同時(shí)，給水度值根據(jù)下遼河平原水文地質(zhì)分區(qū)，按照同樣方法得到格網(wǎng)數(shù)據(jù)。然后，應(yīng)用Golden surfer軟件的體積計(jì)算功能，將研究區(qū)內(nèi)地下水實(shí)際埋深格網(wǎng)文件(FBHi．grd)與地下水生態(tài)水位埋深格網(wǎng)文件(EBHi．grd)進(jìn)行對(duì)比，并乘以給水度格網(wǎng)文件(μ．grd)，得到下遼河平原地下水系統(tǒng)生態(tài)需水量值。

4.1 地下水生態(tài)需水量的概念界定

雖然目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于生態(tài)需水的概念較多，理解也各不相同，但廣義上講維持全球生物地理過(guò)程水分平衡所需要的水都稱生態(tài)需水，如水熱平衡、生物平衡、水沙平衡、水鹽平衡等所需的水分［26］;狹義上講生態(tài)需水是指為維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定、保持生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的最小水資源需求量［27］。而地下水生態(tài)需水量則是指為維持地下水生態(tài)系統(tǒng)不再惡化并逐漸改善所需要的地下水資源總量，也即保證地下水正常的生態(tài)功能正常發(fā)揮所需要的地下水資源總量［28］?；谝陨隙x，本文認(rèn)為地下水生態(tài)需水量的估算問(wèn)題，主要是找到能夠滿足地下水生態(tài)功能的地下水生態(tài)水位，進(jìn)而計(jì)算從現(xiàn)有實(shí)際地下水位恢復(fù)到生態(tài)水位所需要的水量，即地下水生態(tài)恢復(fù)需水量是本文主要研究和關(guān)注的。

表5 下遼河平原全年各月地下水生態(tài)水位埋深Table 5 The ecological groundwater head burying depth monthly/m

4.2 區(qū)域地下水實(shí)際埋深分布

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地下水長(zhǎng)觀孔的分布情況，本文選取了2010年161個(gè)點(diǎn)全年12個(gè)月份的地下水實(shí)際觀測(cè)資料，應(yīng)用Golden surfer軟件得到地下水實(shí)際埋深格網(wǎng)文件(FBHi．grd)，并構(gòu)建了淺層地下水埋深等值線圖(圖4)。根據(jù)下遼河平原的水文地質(zhì)分區(qū)，以及對(duì)應(yīng)地貌下的給水度μ值［29］(圖3)，得到研究區(qū)給水度格網(wǎng)文件(μ．grd)。在圖3—6中，由于月份數(shù)目較多，論文在展示等值線圖時(shí)，僅以5月為代表，其中，A代表沈陽(yáng)市，B代表遼陽(yáng)市，C代表鞍山市，D代表營(yíng)口市，E代表盤錦市，F(xiàn)代表錦州市。

4.2.2 區(qū)域生態(tài)地下水埋深分布

綜合前文分析，根據(jù)下遼河平原全年12個(gè)月的地下水生態(tài)水位埋深數(shù)據(jù)，利用Golden surfer軟件的制圖功能，得到生態(tài)地下水埋深格網(wǎng)文件(EBHi．grd)，并繪出相應(yīng)的水位埋深等值線圖(圖5)。

圖4 下遼河平原5月地下水實(shí)際埋深等值線圖Fig．4 The actual groundwater burying depth contour in May 2010

圖5 下遼河平原5月地下水生態(tài)埋深等值線圖Fig．5 The burying depth contour of ecological groundwater table in May 2010

4.3 地下水生態(tài)需水量的估算

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地下水水位實(shí)際埋深與確定出的地下水生態(tài)水位，利用Golden surfer軟件的制圖和體積計(jì)算功能，計(jì)算下遼河平原地下水系統(tǒng)生態(tài)需水量。公式為:

根據(jù)格網(wǎng)文件DHi．grd，可以繪制出全年各月地下水生態(tài)需水量分布等值線圖(圖6)，圖中，等值線正值區(qū)為實(shí)際地下水量無(wú)法滿足生態(tài)需水量，即生態(tài)系統(tǒng)缺水區(qū)，需要進(jìn)行地下水的保護(hù)及補(bǔ)給;負(fù)值區(qū)為實(shí)際地下水量能滿足生態(tài)需水量區(qū)，即生態(tài)系統(tǒng)水量盈余區(qū)，可以維持在現(xiàn)有水平。

應(yīng)用Golden surfer軟件和格網(wǎng)文件DHi．grd，可以獲得全年各月的地下水生態(tài)系統(tǒng)缺水區(qū)、盈余區(qū)面積，以及它們分別對(duì)應(yīng)的缺水量和盈余水量，進(jìn)而得出地下水系統(tǒng)生態(tài)需水量(表6)。

表6中的地下水生態(tài)需水量，屬于非消耗型需水，在全年需水量整合時(shí)，不能簡(jiǎn)單求和計(jì)算。因此，本文基于楊志峰等［13］針對(duì)河流最大允許廢水排放量提出的月保證率設(shè)定法，對(duì)求得的各月地下水生態(tài)需水量進(jìn)行需水整合。

圖6 下遼河平原5月地下水生態(tài)需水量分布等值圖Fig．6 The groundwater demand contour for ecological restoration in May 2010

表6 下遼河平原各月地下水生態(tài)需水量Table 6 The monthly water demand for groundwater ecological restoration

(1)對(duì)于估算出的12個(gè)月地下水系統(tǒng)生態(tài)需水量，求出生態(tài)需水量的概率密度曲線，進(jìn)而得出不同保證率下的地下水系統(tǒng)生態(tài)需水量。由于使用傳統(tǒng)的概率分析方法進(jìn)行計(jì)算通常需要30個(gè)以上的樣本才能得到令人信服的結(jié)果，12個(gè)樣本數(shù)據(jù)顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了要求。當(dāng)樣本數(shù)量不多時(shí)，樣本提供給我們認(rèn)識(shí)概率的知識(shí)是不完備的，由于不完備信息是一類模糊信息，根據(jù)信息擴(kuò)散原理，一定存在著一個(gè)適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散函數(shù)，可以將傳統(tǒng)的單值樣本變換為集值樣本，以彌補(bǔ)資料不足的缺陷，提高了結(jié)果的可靠性［30］。

因此，基于信息擴(kuò)散理論，將論域空間確定為U=［35．15，57．33］，對(duì)求得的各月地下水生態(tài)需水量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體操作步驟如下:

首先，將求得的12月地下水系統(tǒng)生態(tài)需水量作為樣本點(diǎn)，用X表示:

設(shè)其論域?yàn)?

正態(tài)信息擴(kuò)散函數(shù)公式為:

式中，h為擴(kuò)散系數(shù)，它與樣本集合中最大值b、最小值a以及樣本數(shù)n有關(guān)，具體計(jì)算公式見(jiàn)文獻(xiàn)［30］。令

則相應(yīng)的模糊子集的隸屬度函數(shù)為:

此時(shí)，稱μxj(ui)為樣本點(diǎn)xj經(jīng)過(guò)歸一化后的信息分布，然后對(duì)μxj(ui)進(jìn)行進(jìn)一步處理:

令

則

這樣，p(ui)就是樣本點(diǎn)落在ui處的頻率值，最后，可以得到超越ui的概率值，即為保證率值:

(2)分別求得90%，80%，70%，60%，50%保證率下的地下水生態(tài)需水量值。

(3)以上述結(jié)果為基礎(chǔ)，把不同保證率需水量的100%，80%，60%，40%，20%作為5個(gè)推薦恢復(fù)等級(jí)(極好、非常好、好、中、最小)計(jì)算地下水生態(tài)需水量值(表7)。

表7 下遼河平原不同保證率、不同恢復(fù)等級(jí)年地下水生態(tài)需水量Table 7 The annual water demand for groundwater ecological restoration at different guarantee rates and different restoration levels/(108m3)

5 結(jié)論及對(duì)策

下遼河平原是遼寧省工、農(nóng)業(yè)最發(fā)達(dá)地區(qū)，地下水的不合理開(kāi)發(fā)利用，造成了生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，因此本文通過(guò)對(duì)地下水生態(tài)需水量的研究，提出了有利于研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)維持和地下水資源合理開(kāi)發(fā)利用的水資源配置策略，結(jié)論如下:

(1)確立合理的地下水生態(tài)水位對(duì)于防治下遼河平原的生態(tài)環(huán)境惡化具有重要作用，其中不同的區(qū)域和系統(tǒng)對(duì)于地下水位的要求不盡相同，故本文力求尋找一個(gè)能盡量滿足各系統(tǒng)要求的生態(tài)水位。在確定時(shí)，以對(duì)地下水敏感的天然生態(tài)系統(tǒng)為主，輔以水文地質(zhì)和人類需要進(jìn)行綜合調(diào)整，最終得到下遼河平原的地下水生態(tài)水位埋深。其中，南部沿海為0.3—2 m，東、西部平原為5—9 m，中部平原為3—6 m。

(2)利用Golden surfer軟件，計(jì)算現(xiàn)狀地下水位埋深與生態(tài)水位埋深差值，得到下遼河平原不同月份的地下水缺水量41.83×108—60.07×108m3、缺水區(qū)面積2.05×104—2.34×104km2、盈余水量2.73×108—6.68×108m3、盈余區(qū)面積0.30×104—0.59×104km2、地下水生態(tài)需水量35.15×108—57.33×108m3。

(3)基于月保證率法，運(yùn)用信息擴(kuò)散技術(shù)對(duì)各月需水量整合后，得到下遼河平原不同保證率、不同恢復(fù)等級(jí)下地下水生態(tài)需水量。結(jié)果可見(jiàn)，隨著保證率的降低，地下水生態(tài)需水量不斷增加，而需水量等級(jí)越高，需水量增加幅度越大。其中，50%保證率、恢復(fù)等級(jí)為極好的年需水量為42.91×108m3，90%保證率、恢復(fù)等級(jí)為最小條件下的年需水量?jī)H為7.38×108m3。

地下水生態(tài)需水量的研究最終目的是為水資源配置、環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)，而從前文下遼河平原的實(shí)際情況來(lái)看，改善下遼河平原地下水超采嚴(yán)重，水資源短缺的對(duì)策主要有:1)注重雨洪資源的利用和調(diào)配;2)注重濕地保護(hù)，減少海水入侵面積;3)利用東水西調(diào)工程引入水量，解決研究區(qū)內(nèi)城鄉(xiāng)生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水問(wèn)題;4)利用棄水及處理后達(dá)到地下水回灌標(biāo)準(zhǔn)的污水對(duì)地下水超采區(qū)進(jìn)行人工回灌。

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