張 蕊 ，嚴登華 ，羅先香 ，楊建強 ，張 誠

（1.中國海洋大學海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，266100，青島；2.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心，266033，青島；3.中國水利水電科學研究院水資源研究所，100038，北京）

一、河口濕地生態(tài)需水研究的基本框架

河口濕地生態(tài)需水為在特定的生態(tài)保護目標下，維持河口濕地生態(tài)水文相互作用關系的淡水補給量。

基于這一概念，構建了河口濕地生態(tài)需水研究的框架體系 （圖1），該框架主要包括三個方面的研究：一是生態(tài)環(huán)境保護目標的確定，確定生態(tài)環(huán)境保護目標是進行河口濕地生態(tài)需水量研究的基礎；二是水文與生態(tài)相互作用關系的研究，內(nèi)容包括濕地生態(tài)水文演變規(guī)律、濕地生態(tài)水文格局及濕地生態(tài)水文相互響應，探討濕地水文與生態(tài)相互作用關系是進行河口濕地生態(tài)需水量研究的核心；三是水資源配置方案的優(yōu)選，是在滿足變化環(huán)境下的河口濕地生態(tài)需水要求的基礎上選取最優(yōu)水資源配置方案，是濕地生態(tài)需水研究的目的。

1.研究基礎——合理的生態(tài)環(huán)境保護目標

河口濕地生態(tài)環(huán)境保護目標是河口濕地生態(tài)需水研究的基礎，需要確定合理的河口濕地生態(tài)用地和生態(tài)用水閾值范圍。生態(tài)用地范圍的確定需結合河口濕地現(xiàn)狀調(diào)查結果、歷史區(qū)域范圍資料以及未來期望范圍進行綜合分析，生態(tài)用地范圍過小，不利于濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護，過大則影響區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，因此，要對現(xiàn)狀與歷史、自然與社會、生態(tài)與經(jīng)濟、理論與現(xiàn)實等多方矛盾進行協(xié)調(diào)處理，力求使生態(tài)服務發(fā)揮最大價值。不同的生態(tài)環(huán)境保護目標對應的生態(tài)需水量不同，因為生態(tài)需水的年際變化、年內(nèi)變化以及不同生態(tài)目標所對應的生態(tài)需水量是不同的。生態(tài)需水的年際變化與徑流量有關，豐水年的生態(tài)需水量應參考理想生態(tài)需水量，而枯水年的生態(tài)需水應參考最小需水量。生態(tài)需水的年內(nèi)變化是對于汛期而言的，不同生態(tài)目標是對于生態(tài)環(huán)境管理目標而言，即多年平均年徑流量。因此，確定生態(tài)需水的生態(tài)環(huán)境保護目標要針對特定生態(tài)目標、特定水平年以及特定年內(nèi)季節(jié)進行綜合考慮。

圖1 河口濕地生態(tài)需水研究基礎框架

2.研究核心——河口濕地水與生態(tài)相互作用關系

水分作為濕地生態(tài)系統(tǒng)最敏感的因子，其動態(tài)平衡使?jié)竦匦纬闪擞袆e于陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)的水文特征。濕地水文過程（降水、蒸發(fā)、滲漏、地下水補給、入流和出流）通過濕地水文要素，包括水位、淹水周期和淹水頻率來調(diào)節(jié)濕地植被、營養(yǎng)物質(zhì)進出而影響著濕地微地貌的發(fā)育和演化，改變并決定了濕地下墊面性質(zhì)和特定的生態(tài)系統(tǒng)響應。同時，濕地的植被群落特征、下墊面性質(zhì)和微地貌形態(tài)也影響著濕地的水文過程。濕地植被通過冠層截留、植被蒸騰蒸散等作用影響著濕地的水文過程要素，特別是降水的再分配過程，進而影響濕地功能。濕地生態(tài)需水的研究正是基于水分與生態(tài)相互作用關系，分析維持生態(tài)系統(tǒng)的正常水文情勢所需要的水量。水分與生態(tài)相互作用的研究主要可以分為定性研究和定量研究，前者是對濕地生態(tài)需水機理層次的把握，后者則是濕地生態(tài)需水量計算的依據(jù)。

3.研究目的——河口濕地生態(tài)需水配置與調(diào)度

濕地生態(tài)需水研究的目的是確定合理的生態(tài)需水閾值，從而為流域水資源配置、保障濕地生態(tài)安全和補水方案確定服務，因此，濕地生態(tài)需水理論體系的根本目標就是確立合理的補水方案。河口濕地生態(tài)需水補水方案需要在統(tǒng)籌水資源條件、水資源配置工程設施以及濕地生態(tài)保護需求的基礎上，建立河口濕地水資源反饋機制，對多種補水方案的可行性進行分析、比較，從而篩選出最佳的補水量和補水途徑。

二、河口濕地生態(tài)需水研究的關鍵問題

濕地生態(tài)系統(tǒng)的復雜性和多樣性增加了濕地生態(tài)需水量計算的難度，目前尚缺乏河口濕地生態(tài)需水量計算的專門研究，大多數(shù)學者是根據(jù)不同河口濕地具體情況運用一般濕地生態(tài)需水常規(guī)方法（表1）計算濕地生態(tài)需水量。

對河口濕地而言，目前多采用生態(tài)功能法或是模型模擬法進行生態(tài)需水量的研究。采用生態(tài)功能法計算河口濕地生態(tài)需水量時，增加了河口濕地防止岸線侵蝕及河口生態(tài)環(huán)境需水。張長春等結合遙感技術采用生態(tài)功能法對黃河三角洲自然保護區(qū)的生態(tài)環(huán)境需水量進行了計算。趙欣勝等運用科克蘭 (Cocnran)Q檢驗法，將黃河流域濕地分為河道型、河濱型、河口型三類，利用生態(tài)功能法對河口型濕地（黃河三角洲濕地）的生態(tài)需水進行了計算，提出了“濕地生態(tài)環(huán)境需水量計算時應主要關注濕地消耗水量”的觀點。劉蕾在對東北地區(qū)典型濕地生態(tài)需水研究中提出了基于水循環(huán)的濕地生態(tài)需水研究方法，利用所構建的水文模型對流域水循環(huán)過程進行模擬，計算研究區(qū)生態(tài)需水量。無論采用功能法還是模擬法，都缺少濕地生態(tài)水文相互作用機理方面的研究，難以為不同補水措施方案的優(yōu)選提供理論依據(jù)。河口濕地生態(tài)水文法是基于水循環(huán)原理，探討生態(tài)水文相互作用關系，通過構建生態(tài)水文模型，經(jīng)過模擬得到生態(tài)水文格局和演變規(guī)律的一種動態(tài)演繹方法，該方法不僅能再現(xiàn)歷史生態(tài)水文演變過程，同時還可以進行不同情景條件下的生態(tài)水文響應預測，可以為變化環(huán)境下河口濕地生態(tài)補水措施的優(yōu)選提供理論依據(jù)和技術支撐。該方法的關鍵問題主要涉及河口濕地生態(tài)需水量的整合計算，河口濕地生態(tài)水文模型的構建，變化環(huán)境下河口濕地生態(tài)水文響應，以及河口濕地生態(tài)水文指標的選取等四個方面。的同時彌補不足，對于生態(tài)需水配置與調(diào)度方案的驗證以及多種情景條件的分析都很有幫助。

表1 濕地生態(tài)需水常規(guī)計算方法

圖2 河口濕地生態(tài)需水量整合計算步驟

1.河口濕地生態(tài)需水整合計算

河口濕地生態(tài)需水計算具體步驟見圖2，首先基于生態(tài)法和水文法對河口濕地生態(tài)水文狀況進行調(diào)查，收集相關資料，包括水文資料（降水、蒸發(fā)、徑流等）和生態(tài)資料（優(yōu)勢物種、生物量等），并結合現(xiàn)場觀測來確定河口濕地生態(tài)環(huán)境保護目標，采用生態(tài)水文法定性分析河口濕地生態(tài)水文相互作用關系，為進一步模型構建提供依據(jù)。然后，通過生態(tài)水文模型模擬，定量研究河口濕地生態(tài)水文相互作用關系，確定河口濕地生態(tài)水文格局及其演變規(guī)律，并根據(jù)生態(tài)功能法進行河口濕地生態(tài)需水量的計算。最后，依據(jù)變化環(huán)境下的河口水資源條件和水資源配置工程措施狀況，提出多種補水措施方案，利用模型進行不同的情景模擬，以生態(tài)服務功能為指標，評價不同補水方案下的生態(tài)效應，篩選出最佳補水方案，完成生態(tài)需水的計算，進入水資源配置階段。該方法涉及水文法、生態(tài)功能法、水量平衡法以及模擬法等多種方法，是普通濕地生態(tài)需水計算方法的集成，發(fā)揮各方法優(yōu)點

2.構建河口濕地生態(tài)水文模型

目前，用于河口生態(tài)水文研究的模型有很多，比如用于分析河口水動力變化對生物影響的珊瑚礁模型，分析河口動植物間捕食關系的食物網(wǎng)模型，以及河口富營養(yǎng)化過程中溶解氧消耗的工程模型和潮汐模型等，大多基于海洋水動力和生物間相互作用關系而建立，側重于海洋動力方面，并不適用于研究水分與植被相互作用關系，故不能用于河口濕地生態(tài)需水的研究，因此必須建立針對河口濕地生態(tài)需水研究的生態(tài)水文模型。然而，構建河口濕地生態(tài)水文模型存在諸多難點：首先是濕地范圍的確定問題，由于濕地并不像流域是一相對獨立的封閉系統(tǒng)，因此無法去監(jiān)測濕地內(nèi)部的降水徑流形成量，如何確定合適的濕地邊界是當前的研究熱點問題；其次是生態(tài)水文耦合模型構建問題，當前濕地生態(tài)水文模擬研究尚處于初級階段，一方面對于濕地生態(tài)水文過程的相互作用深層次的機理把握不足，另一方面濕地生態(tài)水文耦合模型的建模多處于分離模擬、松散耦合階段，而要針對更加復雜的河口濕地系統(tǒng)來建立這樣的模型，難度更大；再者是模型數(shù)據(jù)不足問題，模型輸入數(shù)據(jù)不但需要長序列的水文歷史資料，還需要大范圍高精度的土地利用、植被覆蓋、人口、工業(yè)和其他社會發(fā)展信息，高精度數(shù)據(jù)庫的建立對于模型模擬結果的準確度至關重要。

（1）流域尺度下的河口濕地生態(tài)需水研究

河口濕地同時受陸域河流和海洋潮汐雙重作用影響，流域范圍的人類生產(chǎn)生活用水擠占生態(tài)用水，直接導致河流徑流量降低，當海洋咸潮上涌時，感潮河段延長，加重濕地土壤鹽漬化。流域范圍的人類活動是造成河口濕地生態(tài)用水不足、濕地土壤鹽漬化的直接原因，海洋潮汐作用間接加重了這種影響的程度，因此從問題導向的角度出發(fā)，優(yōu)先考慮陸域水資源變化對河口濕地生態(tài)需水的影響，重點研究流域水資源優(yōu)化配置方案，是保障河口濕地生態(tài)需水、維持濕地生態(tài)環(huán)境安全的關鍵。針對流域水資源問題，考慮將河口濕地納入整個流域范圍加以研究，一方面有助于合理確定河口濕地的生態(tài)用地范圍，解決濕地邊界不易劃分的問題；另一方面有助于流域水資源配置管理方案的設定，通過運用當前發(fā)展相對成熟的流域生態(tài)水文的相關研究成果，分析河口濕地生態(tài)水文問題，為探究河口濕地生態(tài)水文演變過程和規(guī)律，確定合理生態(tài)需水量閾值提供新途徑。

（2）河口濕地生態(tài)水文耦合模型的構建

目前濕地生態(tài)水文模型構建尚處于初級階段，耦合模型多屬單項傳遞，松散耦合，對于生態(tài)水文機理研究明顯不足，難以滿足研究需求。

要建立具有統(tǒng)一物理機制的河口濕地生態(tài)水文耦合模擬模型，一方面需要將濕地納入流域尺度的研究范圍，充分發(fā)揮流域分布式水文模型對于水文過程的物理性研究優(yōu)勢；另一方面基于各生態(tài)、水文模型多采用模塊化處理方法，可以從濕地生態(tài)水文學的角度出發(fā)，依據(jù)濕地生態(tài)水文相互作用關系，選取不同生態(tài)、水文模塊，進行合理的時空尺度嵌套，輸入?yún)?shù)和模擬過程要素的雙統(tǒng)一，實現(xiàn)濕地生態(tài)水文基于過程機理性描述的雙向緊密式耦合模擬平臺的建立，如圖3所示。

圖3 生態(tài)水文耦合模型

（3）基于3S的模型輸入數(shù)據(jù)庫的建立

濕地研究工作的關鍵在于定量化獲取和分析濕地時空信息，以3S技術為代表的現(xiàn)代測繪技術的發(fā)展，為濕地生態(tài)需水研究提供了新的方法和手段。利用3S技術進行濕地資源調(diào)查可以克服傳統(tǒng)的野外采樣覆蓋范圍小、耗時長、對濕地有破壞性等特點，因此在區(qū)域資源環(huán)境研究方面具有巨大潛力。張長春等為了得到三角洲保護區(qū)內(nèi)植被不再惡化的最小需水量，利用遙感技術重點對黃河三角洲1990—1997年區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)需水量中的蒸散量進行了計算。河口濕地研究數(shù)據(jù)具有多測點、多時相和動態(tài)變化的特點，因此，要針對其特點，充分利用3S技術，建立濱海濕地信息系統(tǒng)，將GIS數(shù)據(jù)庫中的信息用于濕地生態(tài)水文模擬平臺基礎數(shù)據(jù)庫的構建，能夠更好地為探索河口濕地生態(tài)水文格局、研究生態(tài)需水量服務。

3.變化環(huán)境下的河口濕地生態(tài)需水響應

在自然和人為因素影響下，河口濕地生態(tài)需水也隨之發(fā)生變化，考慮變化環(huán)境下（包括全球氣候變化和人類活動影響）河口濕地生態(tài)需水變化，可以為河口地區(qū)水資源合理配置提供現(xiàn)實依據(jù)，這一命題也將成為河口濕地生態(tài)需水研究前沿問題。

（1）全球氣候變化下的河口濕地生態(tài)水文響應

全球氣候變化下，海平面上升、降水量發(fā)生改變，影響河口濕地生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)過程，水鹽平衡被打破，造成濕地水量供需不平衡，濕地生物物種演替，濕地面積萎縮；氣候變暖通過減少水供應和增加水需求改變水分的收支平衡；降水是維持水量補給和水位環(huán)境的關鍵因素，降水量增加或減少都會影響濕地生態(tài)系統(tǒng)水量平衡過程，改變濕地水文周期。根據(jù)不同氣候要素改變值，利用模型進行不同情景模擬，可以充分展示全球氣候變化下濕地生態(tài)水文的動態(tài)演變規(guī)律，預測未來氣候變化對河口濕地生態(tài)需水的影響，確定濕地在氣候變化下的生態(tài)需水閾值，為河口濕地水資源配置提供理論依據(jù)。

（2）人類活動影響下的河口濕地生態(tài)水文響應

人類活動對濕地生態(tài)水文的影響主要表現(xiàn)在水利工程（水庫、堤壩、排水渠）修建、濕地圍墾、城市化進程以及水資源開發(fā)利用等。水利工程的修建會隔斷濕地與周圍環(huán)境之間的水力聯(lián)系，影響濕地水文格局，減少濕地入流量，降低濕地水位，延長濕地淹水周期；濕地圍墾侵占大片濕地，造成濕地面積萎縮，影響河口濕地水質(zhì)，引起近海水域的富營養(yǎng)化；城市化進程改變徑流、水文周期和水質(zhì)等要素，從而影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能。美國科羅拉多河上修建的大型水庫群，使入海徑流減少90%，造成沼澤地干枯、水質(zhì)惡化、珍稀海洋物種瀕臨死亡。水資源開發(fā)利用一方面減少了濕地補水源，另一方面降低了地下水水位，易形成地下水漏斗，影響地下水對濕地的補給，從而影響濕地水文過程，造成濕地退化。

對變化環(huán)境下的河口濕地生態(tài)需水響應的研究，需要從兩者相互作用關系的機理出發(fā)，通過不同情景模擬，進行定量的預測和分析，以檢驗不同補水措施下的生態(tài)水文演變趨勢和格局變化情況，從而為河口濕地生態(tài)需水量計算提供理論基礎。

三、結 語

在全球氣候變化和人類活動影響下，河口濕地生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)淡水資源不足，導致河口濕地結構功能發(fā)生改變，濕地退化，嚴重制約河口地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。針對河口濕地生態(tài)需水研究現(xiàn)狀，需要構建河口濕地生態(tài)需水研究理論框架，就必須制定合理的生態(tài)環(huán)境保護目標，明晰河口濕地生態(tài)水文相互關系以及水資源配置的問題。常規(guī)濕地生態(tài)需水計算方法已遠不能滿足河口濕地生態(tài)需水計算的需要，應考慮一種基于河口濕地生態(tài)水文模擬的河口濕地生態(tài)需水計算新方法，將河口濕地納入流域尺度范圍加以考慮，通過構建統(tǒng)一于物理機理下生態(tài)水文耦合模型，基于3S的模型輸入文件數(shù)據(jù)庫整備，研究變化環(huán)境下河口濕地生態(tài)需水響應，為河口濕地生態(tài)系統(tǒng)水資源配置提供依據(jù)，從而保障河口生態(tài)系統(tǒng)健康、穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。

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