董文君 曹學(xué)章 胡麗麗

1.南京信息工程大學(xué)遙感學(xué)院，南京，210044；2.環(huán)保部南京環(huán)境科學(xué)研究所，南京，210042；3.河北省安新縣氣象局，安新，071000

白洋淀濕地生態(tài)需水量計(jì)算

董文君12曹學(xué)章2胡麗麗3

1.南京信息工程大學(xué)遙感學(xué)院，南京，210044；2.環(huán)保部南京環(huán)境科學(xué)研究所，南京，210042；3.河北省安新縣氣象局，安新，071000

入淀補(bǔ)給的水量不足，是造成白洋淀濕地生態(tài)及其環(huán)境惡化、淀泊萎縮的重要原因。通過生態(tài)水位法計(jì)算不同代表年白洋淀最小、適宜需水量，為濕地補(bǔ)水奠定基礎(chǔ)。

白洋淀；濕地；生態(tài)需水

白洋淀位于華北平原中部，是大清河中有緩洪、滯瀝、蓄水興利的大型天然平原洼淀。白洋淀流域面積為3.12萬km2，在行政區(qū)域上包括河北省、山西省、北京市管轄下的多個(gè)市縣。直接匯入白洋淀濕地的河道有潴龍河、唐河、府河、漕河、瀑河、孝義河、南拒馬河及白溝引河。

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人口的增長、水資源的過度開發(fā)和氣候的干旱，白洋淀濕地干淀頻繁出現(xiàn)，生態(tài)環(huán)境惡化、淀泊萎縮、濕地面積減少，生物多樣性和濕地生態(tài)功能遭到破壞。只有明確了濕地不同代表年不同等級(jí)生態(tài)需水量，才能對(duì)其生態(tài)補(bǔ)水進(jìn)行合理配置。

1.濕地生態(tài)需水研究進(jìn)展

濕地對(duì)生態(tài)環(huán)境的重要性逐步被人們認(rèn)識(shí)，近年來學(xué)者們對(duì)濕地研究越來越重視。生態(tài)需水量的定義主要適用于陸地、河流系統(tǒng)，具有普遍的意義，濕地生態(tài)需水量有其自身的特點(diǎn)。不同學(xué)者從各自的研究目的和角度出發(fā)，給出了不同的概念：崔保山、楊志峰[1-2]對(duì)其內(nèi)涵分別進(jìn)行了闡述：廣義的濕地生態(tài)需水量就是指濕地為維持自身發(fā)展過程和保護(hù)生物多樣性所需要的水量；狹義的濕地生態(tài)需水量是指濕地每年用于生態(tài)消耗而需要補(bǔ)充的水量，主要是補(bǔ)充濕地生態(tài)系統(tǒng)蒸發(fā)需要的水量；廣義的濕地環(huán)境需水量是指濕地支持和保護(hù)自然生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程、支持和保護(hù)人類活動(dòng)與生命財(cái)產(chǎn)以及改善環(huán)境而需要的水量；狹義的濕地環(huán)境需水量是指濕地每年由于環(huán)境消耗而需補(bǔ)充的水量，即補(bǔ)充濕地每年滲漏、防止鹽水入侵及補(bǔ)給地下水漏斗、防止岸線侵蝕及河口生態(tài)環(huán)境需要的水量。郭躍東等[3]認(rèn)為濕地生態(tài)環(huán)境需水是指維持濕地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)平衡和正常發(fā)展、保障濕地系統(tǒng)水文功能及相關(guān)環(huán)境功能正常發(fā)揮所需的水量。李九一等[4]則認(rèn)為，濕地生態(tài)需水量應(yīng)指濕地每年因消耗而需要補(bǔ)充的水量，濕地內(nèi)合理的蓄存水量不應(yīng)該列入濕地生態(tài)需水量之中，應(yīng)將其稱為濕地生態(tài)儲(chǔ)水量。周林飛等[5]認(rèn)為，濕地生態(tài)環(huán)境需水量包括存量和通量兩個(gè)組成部分，存量是指為維持濕地自身發(fā)展及濕地各種功能正常發(fā)揮的地表蓄水量（或地下水位），通量是指維持濕地各項(xiàng)功能需消耗掉的水量，包括水面蒸發(fā)、滲漏和植物蒸散發(fā)量等。

濕地生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算目前還沒有系統(tǒng)的方法。崔保山等[1-2]根據(jù)濕地生態(tài)環(huán)境需水量的基本特征和表現(xiàn)，對(duì)濕地生態(tài)需水量進(jìn)行了分類，并根據(jù)各類型的特定功能和價(jià)值對(duì)各自的生態(tài)用水量計(jì)算進(jìn)行了探討，但其計(jì)算方法需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在應(yīng)用中有相當(dāng)難度。崔麗娟等[6]認(rèn)為濕地水量平衡的研究是濕地生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算過程中最基礎(chǔ)的研究內(nèi)容，也是研究和解決一系列實(shí)際問題的手段和方法。此外，魏彥昌、苗鴻等[7]還認(rèn)為對(duì)于天然濕地生態(tài)環(huán)境需水量的確定可以依據(jù)濕地各種生態(tài)功能確定最低生態(tài)水位，如雙臺(tái)子河口濕地，可提供種植蘆葦、養(yǎng)殖、旅游和保護(hù)盤錦及周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境和物種多樣性等功能，可按照每種生態(tài)功能分別確定相應(yīng)的生態(tài)水位，綜合考慮得到維護(hù)生態(tài)功能的最低水位，根據(jù)最低生態(tài)水位確定相應(yīng)的水面和水深，通過考慮蒸發(fā)或滲漏來計(jì)算生態(tài)需水量。在計(jì)算過程中，不同學(xué)者從各自的研究目的和角度出發(fā)，根據(jù)對(duì)濕地生態(tài)需水概念理解的不同，濕地生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算口徑多種多樣，如李九一等[4]、周林飛等[5]計(jì)算濕地所需的蓄水量；崔麗娟等[6]計(jì)算濕地每年所需的耗水量時(shí)不扣除濕地范圍內(nèi)的降水量；李九一等[4]、戴向前等[8]、唐蘊(yùn)等[9]、楊柳等[10]計(jì)算濕地每年的耗水中扣除濕地范圍內(nèi)降水補(bǔ)給外還需由徑流補(bǔ)充的水量。另外郭躍東等[3]、李興春等[11]、王建群等[12]、劉加海等[13]、劉春麗等[14]、唐占輝等[15]、孫曉梅等[16]、趙東升等[17]、孫靜霞等[18]等將濕地生態(tài)環(huán)境需水量分成不同部分，有的計(jì)算儲(chǔ)水量、有的計(jì)算耗水量、有的計(jì)算需由徑流補(bǔ)充的水量、還有的部分計(jì)算濕地從目前蓄水狀況提高到某一目標(biāo)所需的水量。

根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)研究，濕地生態(tài)需水可分為生態(tài)儲(chǔ)水需水量和生態(tài)耗水需水量，后者又有兩種計(jì)算口徑，一種包括濕地范圍內(nèi)降水在內(nèi)，另一種只計(jì)算除降水外需由徑流補(bǔ)充的水量。本文計(jì)算的白洋淀生態(tài)需水量是每年的白洋淀耗水中扣除淀區(qū)降水外還需由徑流補(bǔ)充的水量。

2.白洋淀濕地需水計(jì)算

白洋淀的耗水主要是蒸散和滲漏消耗，這兩項(xiàng)消耗減去水面降水即凈耗水需水量，就是白洋淀濕地需要由徑流補(bǔ)充的水量。本文在前人研究的基礎(chǔ)上采用水量損失法原理計(jì)算白洋淀濕地生態(tài)需水量。由于白洋淀濕地各月水面面積不同、降雨量分布不同、蒸發(fā)能力不同，因此濕地水面凈耗水量需分月計(jì)算。其中濕地蒸散量和水面降水量均以月為時(shí)段分別計(jì)算后匯總得到，年滲漏量利用劉建芝等[19]的河北省水科所1979年側(cè)滲模擬實(shí)驗(yàn)成果內(nèi)插得到。計(jì)算公式為：

式中：Ai為i月生態(tài)水面面積；Ei和Pi分別為i月蒸發(fā)量和降水量；L為年滲漏量。

2.1 白洋淀生態(tài)水位、水面面積

由于白洋淀濕地各月水位、水面面積不同，因此要確定白洋淀各月的最小、適宜生態(tài)水位，然后根據(jù)水位－水面面積關(guān)系查出逐月最小、適宜生態(tài)水面面積。根據(jù)衷平等[20]提出的生態(tài)水位法，將最小、適宜年生態(tài)水位分別除以白洋淀多年平均水位，得到最小、適宜生態(tài)水位系數(shù)，如公式（2）和（3）。將生態(tài)水位系數(shù)乘以各月水位多年平均值，得到逐月的最小、適宜生態(tài)水位，如公式（4）和（5）。

式中：

近年來許多學(xué)者對(duì)白洋淀的生態(tài)水位進(jìn)行了研究，如王俊德[21]根據(jù)白洋淀防洪、灌溉與工業(yè)用水、漁業(yè)、植葦、水生植物生長和旅游功能對(duì)水位的要求，提出白洋淀所需的最低水位為7.3m。衷平等[20]首次用生態(tài)水位法對(duì)白洋淀處于高頻率水位范圍內(nèi)的年份和該年份的生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行分析后認(rèn)為7.32 m和8.56 m可分別作為計(jì)算白洋淀最小和理想生態(tài)環(huán)境需水量的水位。趙翔等[22]在分析白洋淀生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，利用水量面積法、最低年平均水位法、年保證率設(shè)定法和功能法等4種方法對(duì)其最低生態(tài)水位進(jìn)行分析和計(jì)算，綜合4種方法的計(jì)算結(jié)果認(rèn)為以7.30m（大沽高程）作為白洋淀最低生態(tài)水位是合理的。閻新興等[23]通過分析白洋淀汛期和非汛期的水位經(jīng)驗(yàn)頻率，得出汛期和非汛期的高頻水位，結(jié)合蘆葦生產(chǎn)、蓮藕種植和漁業(yè)對(duì)水位的要求，確定白洋淀汛期和非汛期生態(tài)適宜水位7.9 m。劉越等[24]采用白洋淀濕地1956年～2000年的逐月實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)，采用類似方法，確定白洋淀的生態(tài)適宜水位范圍為7.9m～8.7 m，如果不能維持此水位，則應(yīng)維持在7.1m～7.9 m的范圍。

綜合上述研究成果，可將7.30 m和7.90 m（大沽高程）分別作為白洋淀最小年生態(tài)水位（L最小年生態(tài)）和適宜年生態(tài)水位（L適宜年生態(tài)）。白洋淀多年平均水位（L多年平均）為7.80 m。依據(jù)式（2）和式（3），最小生態(tài)水位系數(shù)δ最?。?.30m/7.80m＝0.94，適宜生態(tài)水位系數(shù)δ適宜＝7.90m/7.80m＝1.01。根據(jù)式（4）和式（5），計(jì)算出逐月最小、適宜生態(tài)水位（表1）。根據(jù)白洋淀水位－水面面積關(guān)系（圖1），查找對(duì)應(yīng)的生態(tài)水面面積，結(jié)果見表1。

2.2 白洋淀濕地不同代表年蒸發(fā)量計(jì)算

參考水利電力部水文局[26]將安新縣的蒸發(fā)量實(shí)測(cè)值（利用20cm口徑蒸發(fā)皿觀測(cè)）折算系數(shù)取0.6作為自然水面的蒸發(fā)值。1980年～2009年安新縣蒸發(fā)量、降雨量數(shù)據(jù)的關(guān)系如圖2、3所示。從圖2中多年月平均蒸發(fā)量、月平均降雨量對(duì)比可知，只有汛期的7、8月降雨量大于蒸發(fā)量，其他月份降雨量均小于蒸發(fā)量。根據(jù)圖3可知，近30年來除了1968年外，白洋淀的年蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于年降雨量。由此可見，白洋淀水面蒸發(fā)量比較大，自身水位維持需要上游水源的補(bǔ)給。

根據(jù)1980～2009年安新縣年蒸發(fā)量、年降雨量關(guān)系，用SPSS軟件進(jìn)行檢驗(yàn)，有顯著負(fù)相關(guān)性。參考李輝等[27]提及對(duì)蒸發(fā)量計(jì)算方法，因此對(duì)蒸發(fā)量序列進(jìn)行升序排頻，選擇典型年計(jì)算出各保證率下的設(shè)計(jì)值如表2。

2.3 白洋淀濕地不同代表年降雨量計(jì)算

白洋淀主要位于保定市安新縣內(nèi)，根據(jù)河北省安新縣氣象局1980年～2009年降雨量數(shù)據(jù)，利用適線法原理，繪制年降雨量頻率曲線（皮爾遜Ⅲ型分布曲線）如圖4。

根據(jù)典型年選擇原則，從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中選擇典型代表年，并以年降水量來計(jì)算縮放系數(shù)如表3。用各縮放系數(shù)乘以相應(yīng)的代表年各月降雨量，即得平水年（P=50%）、一般枯水年（P=75%）、特枯水年（P=95%）的設(shè)計(jì)降雨量年內(nèi)分配(見表4)。

2.4 白洋淀濕地滲漏量計(jì)算

根據(jù)表5可知，水位7.30 m時(shí)的每年滲漏量為2368萬m3；水位7.90 m時(shí)的每年滲漏量利用表5的成果內(nèi)插得到為3218萬m3。計(jì)算白洋淀生態(tài)需水量。

3 結(jié)論與分析

根據(jù)公式（1）以及上述研究結(jié)果，計(jì)算得到白洋淀濕地不同代表年的需水量（見表6）。白洋淀濕地在平水年最小需水量為6620萬m3，適宜需水量為10108萬m3；在一般枯水年最小需水量為8452萬m3，適宜需水量為12578萬m3，枯水年最小需水量為9687萬m3，適宜需水量為14058萬m3。由此可見：在平水年，白洋淀濕地汛期降雨量一般都能滿足白洋淀自身蒸發(fā)量，非汛期需水量大，需從上游水庫來補(bǔ)給；在一般枯水年、特枯水年，白洋淀濕地降雨量偏少、凈蒸散量大，不能夠維持自身生態(tài)功能的消耗，需從上游水庫得到補(bǔ)給。

表1 白洋淀逐月生態(tài)水位和生態(tài)水面面積計(jì)算結(jié)果

表2 不同代表年白洋淀蒸發(fā)量年內(nèi)分配結(jié)果（m m）

?

?

?

表6 白洋淀濕地生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果（/104m3）

[1]楊志峰,崔保山,劉靜玲,等.生態(tài)環(huán)境需水量理論、方法與實(shí)踐[M].北京:科學(xué)出版社.2003;38-39

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

[3]郭躍東,何巖,鄧偉,等.扎龍國家自然濕地生態(tài)環(huán)境需水量研究[J].水土保持學(xué)報(bào).2004;18(6):163-166

[4]李九一,李麗娟,姜德娟,等 沼澤濕地生態(tài)儲(chǔ)水量及生態(tài)需水量計(jì)算方法探討

[J].地理學(xué)報(bào).2006;61(3):289-296

[5]周林飛,許士國,李青山,等.扎龍濕地生態(tài)環(huán)境需水量安全閾值的研究[J].水利學(xué)報(bào).2007;38(7):845-851

[6]崔麗娟,鮑達(dá)明,肖紅,等.扎龍濕地生態(tài)需水分析及補(bǔ)水對(duì)策[J].東北師大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2006;38(3):128-132

[7]魏彥昌,苗鴻,歐陽志云,等.海河流域生態(tài)需水核算[J].生態(tài)學(xué)報(bào).2004; 24 (10):2100-2107

[8]戴向前,劉昌明,陳敏建,等.扎龍濕地生態(tài)需水研究[J].南水北調(diào)與水利科技.2007;5(5):41-44

[9]唐蘊(yùn),王浩,嚴(yán)登華.向海自然保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)需水研究[J].資源科學(xué).2005;2 7 (5):101-106

[10]楊柳,馬克明,白雪,等.洪河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)最小生態(tài)需水量與補(bǔ)水分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào).2008;28(9):4501-4507

[11]李興春,林年豐,湯潔,等.扎龍濕地生態(tài)環(huán)境需水量研究[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版).2004;42(1):143-146

[12]王建群,韓麗,馬鐵民.扎龍濕地生態(tài)系統(tǒng)需水量[J].湖泊科學(xué).2006;18(2): 114-119

[13]劉加海,許唯臨,曹波.扎龍濕地生態(tài)需水分析[J].水利科技與經(jīng)濟(jì).2007;13 (1):52-54

[14]劉春麗,呂洪波,魏永霞.扎龍濕地生態(tài)需水量研究[J].水利科技與經(jīng)濟(jì).2 0 0 9; 15(11):950-952

[15]唐占輝,馬遜風(fēng).向海濕地生態(tài)需水量的初步研究[J].吉林水利,2003;(12): 1-2

[16]孫曉梅,杜連梅,趙東輝.向海濕地生態(tài)環(huán)境需水量分析.東北水利水電.2010;(2):37-39

[17]趙東升,吳正方,商麗娜.洪河保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)需水量研究.濕地科學(xué).2004;2 (2):133-138

[18]孫靜霞,王瑋晶,李智,依起超.洪河自然保護(hù)區(qū)水資源退化原因及生態(tài)需水分析.黑龍江水利科技.2006;34(4):131-132

[19]劉建芝,魏建強(qiáng).白洋淀蒸發(fā)滲漏與補(bǔ)水量計(jì)算分析[J].水科學(xué)與工程技術(shù).2007;(1)15-16

[20]衷平,楊志峰,崔保山,劉靜玲.白洋淀濕地生態(tài)環(huán)境需水量研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào).2005;25(8):1119-1126

[21]王俊德.白洋淀環(huán)境管理與規(guī)劃研究[M].河北水利水電技術(shù).1999;(4):26-27

[22]趙翔,崔保山,楊志峰.白洋淀最低生態(tài)水位研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào).2005;25(5): 1033-1040

[23]閻新興,張素珍,李素麗，等.白洋淀水資源綜合承載力最佳水位研究[J].南水北調(diào)與水利科技.2009；7(3):81-83

[24]劉越,程伍群,尹健梅,王秀艷.白洋淀濕地生態(tài)水位及生態(tài)補(bǔ)水方案分析[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2010;33(2):107-109

[25]張素珍,宋保平,白洋淀水資源承載力研究[J].水土保持研究.2004;11(2): 100-103

[26]水利電力部水文局.中國水資源評(píng)價(jià)[M].水利電力出版社.1987;56-65

[27]李輝,何春梅,王衛(wèi)成,扎龍自然保護(hù)區(qū)水平衡分析[J].黑龍江水專家學(xué)報(bào).2005;(32):39-40

[28]尹健梅,程伍群,嚴(yán)磊,陳秀鳳.白洋淀濕地水文水資源變化趨勢(shì)分析[J].水資源保護(hù).2009;25(1):52-54

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.11.005