楊 薇，趙彥偉，劉 強(qiáng)，孫 濤

(1:北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100875)(2:北京師范大學(xué)水環(huán)境模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875)(3:北京師范大學(xué)水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875)

生態(tài)需水(Environmental water或water for the environment)，是指維持水生生態(tài)系統(tǒng)健康所必要的流量或水位的大小、時機(jī)和水質(zhì)[1]，研究對象涉及河流、湖泊、沼澤等多種生態(tài)系統(tǒng)類型，其中河流多采用生態(tài)流量或環(huán)境流量表述, 湖泊濕地多采用生態(tài)水位表述. 近些年來關(guān)于生態(tài)需水的研究多集中在河流生態(tài)系統(tǒng)，并提出了一系列的研究方法，如水文學(xué)方法、水力學(xué)方法、棲息地模擬法以及整體法四大類[2]. 湖泊生態(tài)需水是指維持湖泊濕地的生態(tài)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與重要功能完整的生態(tài)水位，具有明顯的時空性、復(fù)雜性和綜合性[3-5]，計(jì)算方法有水量平衡法、換水周期法、最小水位法、功能設(shè)定法、水質(zhì)目標(biāo)法等[6-8]；也有學(xué)者認(rèn)為湖泊生態(tài)需水量是指為維持湖泊功能不受破壞而每年因消耗所需要補(bǔ)充的水量[9]. 不同學(xué)者有不同的理解，并將上述方法應(yīng)用在鄱陽湖[10-11]、太湖[12-13]、博斯騰湖[14]、南四湖[15]等淡水湖泊生態(tài)水位核算中.

白洋淀作為我國北方最大的淺水草型湖泊，其生態(tài)需水研究也得到了國內(nèi)生態(tài)水文學(xué)家的關(guān)注，自從2003年以來，國內(nèi)生態(tài)環(huán)境學(xué)者采用多種方法，從生態(tài)需水等級要求、隨月際變化等角度定量核算了淀區(qū)生態(tài)需水，但大多數(shù)仍處于初步、粗略核算階段，缺乏需水機(jī)理的理解和闡釋[8,16]. 由于入淀水量不足、各類污染物輸入量大、生態(tài)空間萎縮以及生態(tài)環(huán)境管理體制機(jī)制不完善等原因，白洋淀存在水體污染較重、生態(tài)水文過程弱化、沼澤化嚴(yán)重和生物多樣性退化等生態(tài)環(huán)境問題，生態(tài)需水核算亟待明確，生態(tài)環(huán)境修復(fù)刻不容緩[17]. 此外，河北雄安新區(qū)規(guī)劃和建設(shè)也為白洋淀生態(tài)環(huán)境提出了更高的要求，生態(tài)需水保障是白洋淀生態(tài)修復(fù)的核心，已有針對白洋淀生態(tài)需水的相關(guān)研究能否有效支撐多源補(bǔ)水長效機(jī)制的構(gòu)建、科學(xué)指導(dǎo)白洋淀生態(tài)水文調(diào)控策略，尚缺乏系統(tǒng)梳理與科學(xué)論述. 本研究從生態(tài)需水核算方法的原理切入，總結(jié)了滿足白洋淀不同生態(tài)管理目標(biāo)要求的生態(tài)需水核算方法及其結(jié)果，從生態(tài)管理目標(biāo)內(nèi)涵、生態(tài)水文響應(yīng)機(jī)制、不同時空尺度差異以及河湖水系連通等角度深入剖析了當(dāng)前湖泊生態(tài)需水核算中存在的不足，提出了新形勢下白洋淀淀區(qū)生態(tài)需水研究的新思路，可對河北雄安新區(qū)的藍(lán)綠空間格局和水資源管理提供重要的科技支撐.

1 數(shù)據(jù)來源

本研究基于中國知網(wǎng)和Web of Science數(shù)據(jù)庫平臺，選擇關(guān)鍵詞“白洋淀”+“生態(tài)水位、最小水位、生態(tài)需水、環(huán)境需水、生態(tài)環(huán)境需水、生態(tài)流量、環(huán)境流量”(英文：“Baiyangdian” +“Ecological water level, minimum water level, ecological water requirements, environmental water requirements, environmental flows, ecological flows”)作為檢索策略，檢索時間段截至2018年，共檢索到有效論文35篇，包括中文27篇，英文8篇(期刊論文24篇，會議論文2篇，學(xué)位論文9篇). 從圖1可以看出，白洋淀生態(tài)需水研究自2000以來展開并逐年遞增，于2011年成果產(chǎn)出最多.

圖1 白洋淀生態(tài)需水核算文獻(xiàn)及項(xiàng)目支撐Fig.1 Publication and technical project about water for environment in Lake Baiyangdian

2 白洋淀生態(tài)需水核算方法及成果分析

2.1 白洋淀生態(tài)需水核算方法原理

白洋淀生態(tài)需水核算方法包括常用的水量損失法、生態(tài)水位法、功能設(shè)定法、水量水質(zhì)耦合法、最小水位法、水量平衡法、生境分析法等，均以水量或水質(zhì)作為關(guān)注核心要素(表1). 生態(tài)水位法是最常用的方法之一，該方法通過對其長序列的水文資料分析，尋求多年來頻率出現(xiàn)較高的水位作為濕地較適宜水文條件，并與生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行對照進(jìn)行驗(yàn)證，其實(shí)質(zhì)上是考慮了生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的水文學(xué)方法[18]；水量損失法以濕地水域范圍作為核心研究目標(biāo)，考察的是濕地蒸發(fā)、滲漏等自身消耗的總水量；最小水位法和功能設(shè)定法雖然目標(biāo)為生態(tài)環(huán)境功能維護(hù)，多依賴于經(jīng)驗(yàn)、主觀地確定相應(yīng)一定的水位[19]. 此外，近些年來發(fā)展起來的其他方法如生態(tài)系統(tǒng)擾動法[7]、生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評估法[20]、服務(wù)價值法[8,21-20]等，試圖從生態(tài)系統(tǒng)完整性、穩(wěn)定性、功能健全的角度計(jì)算白洋淀生態(tài)需水.

廣義上生態(tài)需水指濕地為維持自身存在和發(fā)展以及發(fā)揮濕地應(yīng)有的生態(tài)環(huán)境效益所需要的水量，可理解為存量、蓄水量，狹義上一般認(rèn)為是補(bǔ)充濕地生態(tài)系統(tǒng)每年消耗的水量，可以理解為通量、補(bǔ)水量；對于受人工調(diào)控的白洋淀而言，針對兩種內(nèi)涵開展的研究普遍存在. 也有學(xué)者將其分解為滿足淀區(qū)水資源蒸發(fā)入滲消耗的剛性需求以及改善淀區(qū)水動力條件和水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的彈性需求[9]，其實(shí)質(zhì)與通量和存量概念并不矛盾. 可以從白洋淀生態(tài)水位和基于補(bǔ)水量的生態(tài)需水兩個方面進(jìn)行分析.

2.2 不同方法對白洋淀生態(tài)需水核算結(jié)果的影響

采用不同方法核算的白洋淀生態(tài)需水量如圖2所示. 有11種方法從淀區(qū)存量的角度進(jìn)行了需水核算(圖2a)，由于面向的生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)目標(biāo)(如水量保障、水質(zhì)改善、功能維持等)不同，導(dǎo)致核算結(jié)果有顯著差異. 其中，水量平衡法、年保證率法、水面變化速率法均以維持一定的水面，即水量保障為目標(biāo)，計(jì)算結(jié)果普遍比較保守，在1.10億～1.73億m3之間；生態(tài)水位法、生態(tài)系統(tǒng)擾動法和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值法分別以維持生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)最優(yōu)、生態(tài)系統(tǒng)健康和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能最大為具體目標(biāo)，核算結(jié)果在2.80億～3.10億m3之間；而功能設(shè)定法、生境分析、生態(tài)系統(tǒng)脆弱法等均以維持正常生態(tài)環(huán)境功能為管理目標(biāo)，核算出的結(jié)果偏高，分別在4.20億～5.37億m3之間；而量質(zhì)耦合法和換水周期法均為以保持良好的水質(zhì)條件為重要目標(biāo)，核算結(jié)果分別為5.57億、5.99億m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于僅僅考慮水量需求的水文方法. 另外有6種核算方法從補(bǔ)水量的角度核算了白洋淀生態(tài)需水量(圖2b)，同樣可以看出，由于考慮了水質(zhì)改善需求，環(huán)境改善法和物質(zhì)平衡法的核算結(jié)果均顯著大于水量損失法、最小水位法和水量平衡法等單純的水文學(xué)方法.

圖2 不同生態(tài)需水核算方法及研究結(jié)果Fig.2 Results from different methods of water for environment in Lake Baiyangdian

2.3 白洋淀生態(tài)水位及生態(tài)需水量分析

崔保山等[51]早在2003年首次提出了生態(tài)需水等級概念和內(nèi)涵，為后來濕地生態(tài)需水核算奠定了理論基礎(chǔ)，其中最大生態(tài)需水量是系統(tǒng)可能承受的最大水量，超過該水量系統(tǒng)可能發(fā)生突變；適宜生態(tài)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)；最小生態(tài)需水量是系統(tǒng)維持自身發(fā)展所需的最低水量，低于該水量系統(tǒng)可能發(fā)生萎縮、退化甚至消失. 分析了檢索的文獻(xiàn)，有16篇從白洋淀最小、適宜和最大三個等級核算的結(jié)果(圖3). 統(tǒng)計(jì)分析表明，白洋淀最小水位為7.45±0.66 m，適宜水位為8.61±0.52 m，最大水位為9.46±0.51 m；相應(yīng)的生態(tài)需水量年均最小為1.93億m3，適宜需水量為4.02億m3，且最大值為6.93億m3. 而上游水庫攔蓄背景下白洋淀入淀流量小，自1997年以來，長期依賴于“引黃濟(jì)淀”、“引岳濟(jì)淀”、“南水北調(diào)”中線補(bǔ)水等調(diào)水工程措施，淀內(nèi)水位在7.0 m左右波動[52]，長期處于最小水位下限，勉強(qiáng)維持生態(tài)基本需求.

圖3 白洋淀最小、適宜和最大等級的年均生態(tài)水位(a)和生態(tài)需水量(b)Fig.3 Annual water for environment in minimum, suitable and maximum grades in Lake Baiyangdian:(a) ecological water levels; (b) ecological water demand

有14篇文獻(xiàn)從月尺度分析了白洋淀不同等級的生態(tài)水位或生態(tài)需水量(圖4). 各核算方法獲得的生態(tài)需水量月際變化趨勢大致相同，8月和9月份生態(tài)需水量較大，5月份最??；但各個月份最小、適宜生態(tài)需水量的變幅均比較大，適宜需水量計(jì)算結(jié)果的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.08億m3；最小需水量的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差0.42億m3；體現(xiàn)了不同核算方法引起的差異.

圖4 白洋淀最小和適宜的月均生態(tài)水位(a)和需水量(b)Fig.4 Monthly water for environment in minimum and suitable grades in Lake Baiyangdian: (a) ecological water levels; (b) ecological water demand

2.4 面向生態(tài)補(bǔ)水的白洋淀生態(tài)需水核算成果分析

圖5 白洋淀各等級月均生態(tài)補(bǔ)水量Fig.5 Monthly water releasing for environment in minimum, suitable and maximun grades in Lake Baiyangdian

作為典型的受人工調(diào)控的淺水湖泊，許多學(xué)者認(rèn)為白洋淀生態(tài)需水是指需要補(bǔ)充的水量，即作為水資源配置或三生用水(生產(chǎn)、生活和生態(tài))的重要組成進(jìn)行核算，該研究成果并非國際上通用的生態(tài)需水的概念，但可以對研究區(qū)的生態(tài)流量保障提供有效支撐. 共有3篇文獻(xiàn)從每月生態(tài)補(bǔ)水的角度進(jìn)行了核算，其中陳賀等[7]和董文君等[29]都采用了凈蒸散量和滲漏損失之和獲得了淀區(qū)生態(tài)補(bǔ)水量，2篇文獻(xiàn)計(jì)算的最小生態(tài)補(bǔ)水量分別為0.845億m3和1.0億m3，較為接近；但適宜生態(tài)補(bǔ)水量差別較大，分別為1.26億m3和3.1億～6.47億m3；而李經(jīng)偉[41]采用功能設(shè)定法獲得了最小生態(tài)補(bǔ)水量1.887億m3、適宜生態(tài)補(bǔ)水量3.389億m3、最大生態(tài)補(bǔ)水量5.909億m3. 各月生態(tài)補(bǔ)水量如圖5所示，由于不同方法考慮的生態(tài)保護(hù)目標(biāo)差異，導(dǎo)致結(jié)果變幅較大. 實(shí)際上，生態(tài)保護(hù)目標(biāo)、研究方法、關(guān)鍵參數(shù)、假設(shè)條件、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、時空尺度，均會對生態(tài)需水量的核算結(jié)果產(chǎn)生重要的影響，也是科學(xué)合理核算生態(tài)水量、科學(xué)指導(dǎo)長效生態(tài)補(bǔ)水的重要前提.

3 白洋淀生態(tài)需水核算研究中存在的問題

3.1 生態(tài)管理目標(biāo)選取不同，導(dǎo)致核算結(jié)果差別較大

當(dāng)前白洋淀采用的生態(tài)需水核算方法中，有僅僅考慮水文要素的水量平衡法、年保證率法、水面變化速率法，也有考慮水質(zhì)改善的量質(zhì)耦合法、換水周期法、環(huán)境改善法和物質(zhì)平衡法等，還有從生態(tài)系統(tǒng)整體健康、功能最大的生態(tài)水文學(xué)方法，涵蓋過多研究目標(biāo)和要求，平行的單目標(biāo)或多目標(biāo)方法體系并存，故因生態(tài)管理目標(biāo)選擇的不同，直接導(dǎo)致了生態(tài)需水核算結(jié)果的顯著差異，考慮水質(zhì)改善的核算結(jié)果和關(guān)注湖泊生態(tài)系統(tǒng)功能維持的核算結(jié)果分別是單純水量保障相關(guān)方法的4～6倍和1.5～2.5倍；然而白洋淀生態(tài)需水內(nèi)涵應(yīng)該如何界定，生態(tài)管理目標(biāo)應(yīng)該是什么需要進(jìn)一步明確. 據(jù)2018年布里斯班宣言和全球行動議程[1]，生態(tài)需水是指維持水生生態(tài)系統(tǒng)所必需的一定數(shù)量、時間和水質(zhì)的淡水流量或水位，用以維持人類文化、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)生產(chǎn)生活及人類福祉. 當(dāng)前國際主流來看，在生態(tài)需水核算中生態(tài)管理目標(biāo)旨在保證健康可持續(xù)的水生生態(tài)系統(tǒng). 白洋淀生態(tài)環(huán)境治理與保護(hù)規(guī)劃[17]要求白洋淀以水面恢復(fù)、水質(zhì)達(dá)標(biāo)、生態(tài)修復(fù)為目標(biāo)進(jìn)行綜合治理，逐步恢復(fù)“華北之腎”功能. 因此，在當(dāng)前水量、水質(zhì)、生態(tài)問題并存的情況下，有必要結(jié)合具體階段具體分析. 當(dāng)前入淀河流多數(shù)斷流，入淀水量逐年減少，白洋淀水質(zhì)整體處于IV類以下的情況下，水質(zhì)改善是白洋淀生態(tài)環(huán)境功能正常發(fā)揮的限制條件；未來一段時間，隨著雄安新區(qū)建設(shè)、白洋淀污染源控制、環(huán)境質(zhì)量改善，可將生態(tài)管理目標(biāo)重點(diǎn)放在生態(tài)系統(tǒng)功能維持上.

3.2 湖泊生態(tài)-水文響應(yīng)規(guī)律及機(jī)制缺乏，難以保障生態(tài)需水核算結(jié)果科學(xué)性

在生態(tài)需水核算方法中，Poff等提出了近自然水文情勢法IHA/RVA法[53]曾一度被生態(tài)需水學(xué)者推崇，該方法適用于人工化程度相對較低的水生態(tài)系統(tǒng)，但我國并不能廣泛適用，2017年P(guān)off進(jìn)一步提出了該方法不能適應(yīng)變化環(huán)境中生態(tài)需水核算的缺陷和不足[54]. 當(dāng)前國際上比較認(rèn)可的是ELOHA法[55]，該方法屬于整體法，通常根據(jù)區(qū)域內(nèi)多條河流的已有水文和生態(tài)數(shù)據(jù)庫，獲得不同類型水體的流量-生態(tài)響應(yīng)關(guān)系曲線，是制定濕地生態(tài)需水標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ). 此外，國內(nèi)學(xué)者及管理者也逐步將河湖生態(tài)需水的管理目標(biāo)從水文均值、水質(zhì)指標(biāo)、單一魚類保護(hù)逐步發(fā)展到更多關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、健康等層面上來，推動了對河湖生態(tài)需水內(nèi)涵上的理解和對湖泊管理上的提升. 當(dāng)前白洋淀水文數(shù)據(jù)比較翔實(shí)，但是生態(tài)數(shù)據(jù)的觀測資料精度較低，更缺乏有效的時間序列資料，難以獲取有效的水文-生態(tài)響應(yīng)曲線；而已有白洋淀生態(tài)水位法[18]中則是通過水文頻率(用月均和年均水位表示)的高低進(jìn)行估算的，認(rèn)為長時間尺度的高頻水位是生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)適應(yīng)的水位，對應(yīng)水量即為生態(tài)需水，尚缺少湖泊水文-生態(tài)響應(yīng)規(guī)律和機(jī)制解釋，也缺乏從整體角度分析淀區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、生物多樣性等與水文關(guān)系的闡釋.

3.3 生態(tài)需水核算中時間尺度考慮不足，不利于生態(tài)系統(tǒng)健康及多樣性維持

當(dāng)前研究中多關(guān)注白洋淀年均水位以及年內(nèi)最小、適宜、最大水位等，僅有14個案例中涉及到了月均水位的變化，鮮有學(xué)者研究關(guān)注水文脈沖及漲落過程[8]. 多種國際上較為先進(jìn)的生態(tài)需水核算方法中(如IHA/RVA法、ELOHA等)，均特別強(qiáng)調(diào)了隨時間變化的動態(tài)需水特征，以及營造年內(nèi)和年際高流量脈沖對于河湖生態(tài)系統(tǒng)多樣性的維持極具重要意義[53-55]. 盡管高流量脈沖與生物生命周期的相關(guān)關(guān)系機(jī)理尚不夠清晰，但眾多研究顯示年內(nèi)周期性變化和高流量脈沖模式共存，為湖泊濕地提供了動態(tài)的水位條件，使水生植物與濕生植物交替生長；水位漲落變化會引發(fā)魚類等生物如產(chǎn)卵繁殖和洄游等特定行為，是水生生物群落多樣性的關(guān)鍵[56]. 由于白洋淀生態(tài)需水的科技支撐不足，以往淀區(qū)生態(tài)補(bǔ)水時往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)臨界水位(6.0 m)作為補(bǔ)水需求的指示，導(dǎo)致白洋淀實(shí)際水位變化中高流量脈沖漲落過程不明顯，次數(shù)偏少，且與歷史水文情勢過程嚴(yán)重不匹配，年內(nèi)高水位(1997-2011年)相比以往(1959-1996年)的8-9月，提前到了3月，導(dǎo)致即使在每年堅(jiān)持補(bǔ)水1～2次的情況下，生態(tài)效應(yīng)仍不容樂觀[57]. 白洋淀生態(tài)環(huán)境治理與保護(hù)規(guī)劃[17]要求淀區(qū)正常水位達(dá)到6.5～7.0 m，非植物生長季可適當(dāng)降低，因此為改善和提升生態(tài)系統(tǒng)健康，有必要結(jié)合ELOHA等先進(jìn)的河流生態(tài)流量核算技術(shù)，在明確淀區(qū)水位變化與生態(tài)效應(yīng)響應(yīng)曲線的基礎(chǔ)上，合理界定白洋淀年內(nèi)及年際生態(tài)需水的動態(tài).

3.4 缺乏考慮淀區(qū)內(nèi)部空間異質(zhì)性，難以支撐新區(qū)建設(shè)中淀區(qū)科學(xué)精細(xì)管理

已有白洋淀生態(tài)需水研究中，均將全淀概化為一個靜態(tài)的、完整的淺水湖泊濕地. 一方面，缺乏淀區(qū)水面-植被-臺田等不同景觀格局差異的考慮，難以支撐白洋淀生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)規(guī)劃[17]中關(guān)于加強(qiáng)淀區(qū)水動力過程調(diào)控和精細(xì)化管理的需求；另一方面，淀區(qū)庫容曲線一直沿用1950s的歷史數(shù)據(jù)，在淀內(nèi)底泥淤積以及疏浚等過程影響下，淀底高程與歷史狀態(tài)已經(jīng)有較大差異，導(dǎo)致了當(dāng)前生態(tài)需水核算成果的不準(zhǔn)確性. 實(shí)際上，就自然力而言，湖泊會因地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動和長期淤積致使湖水變淺，尤其是白洋淀草型湖泊，只入流、不出流的水文現(xiàn)狀以及過剩的氮磷營養(yǎng)物質(zhì)使水生生物生長茂盛，沼澤化趨勢明顯[58]. 當(dāng)前生態(tài)需水核算結(jié)果存在高度概化，只提供淀區(qū)單一需水量值，缺少空間分布信息的缺陷. 也有研究者對淀區(qū)景觀格局演變開展相關(guān)研究[59-60]，闡釋明水面、蘆葦沼澤、農(nóng)田和居民地之間的變化及轉(zhuǎn)換，定性分析水位變化、人類活動、降水等驅(qū)動力對景觀格局指數(shù)的影響.

3.5 孤立研究湖泊水量需求，無法有效支撐生態(tài)補(bǔ)水調(diào)控的實(shí)施

現(xiàn)有研究中多針對白洋淀淀區(qū)的生態(tài)需水及生態(tài)補(bǔ)水量開展核算，缺乏考慮水文連通背景下的河流湖沼關(guān)系. 白洋淀生態(tài)環(huán)境治理與保護(hù)規(guī)劃中明確要求建立多水源補(bǔ)水機(jī)制，開展水量聯(lián)合調(diào)度，實(shí)現(xiàn)河淀聯(lián)動，恢復(fù)淀泊水動力過程. 濕地生態(tài)水文調(diào)控不僅要解決如何補(bǔ)水問題，還要解決如何排水的問題，恢復(fù)與維持濕地生態(tài)系統(tǒng)合理的水文情勢、安全的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和良好的生態(tài)功能. 白洋淀從歷史上九河入梢，演變?yōu)閮H有府河、孝義河承接上游縣市城鎮(zhèn)污水處理廠出水，水量缺乏水質(zhì)惡化并存；而當(dāng)前雄安新區(qū)建設(shè)新形勢下需要統(tǒng)籌引黃入冀補(bǔ)淀、上游水庫、本地非常規(guī)水資源以及“南水北調(diào)”水資源，河湖水系關(guān)系復(fù)雜多變. 新區(qū)建設(shè)的高起點(diǎn)規(guī)劃、高規(guī)格要求下，新區(qū)要求建設(shè)水系連通工程，恢復(fù)淀泊水動力過程，形成“一淀、多廊”的生態(tài)格局. 因此，忽略水文水動力、水質(zhì)因素，以及河湖沼之間的水力連通關(guān)系，孤立地計(jì)算白洋淀淀區(qū)水面水位需求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，很難有效支撐白洋淀多源生態(tài)補(bǔ)水調(diào)控和淀泊生態(tài)水文過程優(yōu)化.

4 新形勢下白洋淀生態(tài)需水核算研究展望

大量學(xué)者針對白洋淀生態(tài)水位開展了系統(tǒng)而有深度的研究，從水量平衡、植被需水、蒸發(fā)滲漏損失、水質(zhì)改善、生境脆弱評估等不同角度核算了白洋淀最小、適宜和最大生態(tài)水位、生態(tài)補(bǔ)水量等，對白洋淀生態(tài)保護(hù)與修復(fù)起到了積極的科技支撐作用. 河北雄安新區(qū)建設(shè)規(guī)劃給白洋淀生態(tài)環(huán)境提出了新的要求和挑戰(zhàn)，在高起點(diǎn)規(guī)劃、高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)雄安新區(qū)要求下，精準(zhǔn)核算白洋淀生態(tài)水位和大清河水系廊道生態(tài)基流，是構(gòu)建多源補(bǔ)水機(jī)制、形成“一淀”、“多廊”生態(tài)格局的前提. 以下從分時分區(qū)的淀區(qū)生態(tài)需水精細(xì)化核算、分時分段的淀區(qū)生態(tài)需水質(zhì)量耦合模擬、考慮河湖連通的淀區(qū)水動力過程恢復(fù)等方面提出相應(yīng)的對策和建議.

4.1 分級分區(qū)的淀區(qū)生態(tài)需水精細(xì)化核算

白洋淀淀區(qū)內(nèi)有大小不等的143個淀泊和3700多條溝壕，零星分布有36個純水村，常駐農(nóng)村居民達(dá)10萬人以上，河淀相連，蘆葦-臺田-水域鑲嵌，景觀格局復(fù)雜；且淀底高程一般為5.5～6.5 m，壕溝溝底高程為6.0～7.0 m，蘆葦高程在7.5～8.0 m，園田高程在9.0 m以上[61]，不同季節(jié)、不同水位條件下淀區(qū)核心水域、植被格局的空間異質(zhì)性變化明顯. 為實(shí)現(xiàn)白洋淀淀區(qū)生態(tài)需水的科學(xué)精細(xì)核算，從湖沼濕地生態(tài)需水機(jī)制的角度，對淀區(qū)進(jìn)行生態(tài)功能劃分并分時分區(qū)開展生態(tài)需水的相關(guān)研究勢在必行. 當(dāng)前我國的生態(tài)功能分區(qū)工作還主要集中在流域、省級和全國等大尺度上，對于單個湖泊進(jìn)行的生態(tài)功能分區(qū)工作比較少，僅鄱陽湖開展了科學(xué)探討[62].

未來研究中，可通過高分辨率遙感影像解譯分析白洋淀不同時期水面-植被-臺田之間的景觀格局特征，構(gòu)建白洋淀生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空模擬模型(如InVEST模型等)，對其棲息地質(zhì)量、碳儲量、水質(zhì)凈化、文化服務(wù)等重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行空間化和動態(tài)化的定量評估，解析白洋淀生態(tài)功能的空間異質(zhì)性，并結(jié)合兩規(guī)提出白洋淀生態(tài)功能的多級分區(qū)方案；對于臺田蘆葦沼澤區(qū)域，分析不同水位與淀區(qū)生態(tài)格局關(guān)系，明確水位波動、季節(jié)差異對植被分布格局和蒸散發(fā)過程的影響，建立淀區(qū)消耗性需水核算方法；針對淀區(qū)核心水域，建立水位水量驅(qū)動下的湖泊水域生態(tài)系統(tǒng)模擬模型(如PClake，IPH-ECO等)[63-64]，模擬水位對湖泊生態(tài)系統(tǒng)演變的驅(qū)動機(jī)制，闡明生態(tài)要素-水位水量之間的響應(yīng)關(guān)系曲線，耦合消耗性需水動態(tài)，形成不同功能區(qū)劃的白洋淀生態(tài)水位核算技術(shù)及閾值方案(圖6).

圖6 白洋淀生態(tài)需水精細(xì)核算的研究思路Fig.6 Framework of fine calculation of water for environment in Lake Baiyangdian

4.2 分時分段的淀區(qū)生態(tài)需水量質(zhì)耦合模擬

雖然生態(tài)需水有水量和水質(zhì)兩重含義，但是在內(nèi)源、外源污染得不到控制的情況下，核算生態(tài)水位既不符合可持續(xù)發(fā)展，也達(dá)不到有效指導(dǎo)生態(tài)補(bǔ)水的效果. 近年來，白洋淀水質(zhì)長期處于IV～劣V類之間，富營養(yǎng)化問題及沼澤化趨勢并存，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率不足25%，白洋淀中水村居民的生活廢水、垃圾滲濾水等得不到即時管控，淀外污染源尚未徹底切斷，污染物總量居高不下. 中國環(huán)境狀況公報顯示，2005-2011年白洋淀水質(zhì)屬于劣V類，2012-2014年為重度污染湖泊. 《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》明確表示，要修復(fù)水體底部水生動物棲息生態(tài)環(huán)境，提升淀泊水環(huán)境質(zhì)量，將白洋淀水質(zhì)逐步恢復(fù)到Ⅲ～Ⅳ類. 然而任何修復(fù)工程都不是一蹴而就，白洋淀也不例外.

有必要在考慮水質(zhì)管理措施和目標(biāo)的前提下分階段核算白洋淀生態(tài)需水量，實(shí)現(xiàn)白洋淀水生態(tài)環(huán)境的系統(tǒng)治理與整體修復(fù). 白洋淀系統(tǒng)治理措施包括控源、凈淀和生態(tài)補(bǔ)水等措施，其中，控源重點(diǎn)關(guān)注包括淀外點(diǎn)源和面源在內(nèi)的陸上污染源、納污支流、入淀河流、草型河口的各項(xiàng)污染源負(fù)荷削減；凈淀主要是淀內(nèi)及淀中村生活污水、生活垃圾、畜禽養(yǎng)殖污染治理以及科學(xué)精準(zhǔn)的底泥疏浚、沼澤化控制等；生態(tài)水文調(diào)控包括引黃入冀補(bǔ)淀、上游水庫(安格莊、西大洋、王快、龍門等)及本地非常規(guī)水資源在內(nèi)的多源長效補(bǔ)水機(jī)制的構(gòu)建. 要科學(xué)合理量化淀泊生態(tài)需水過程，就需要在充分考慮控源、凈淀等系統(tǒng)治理措施的分階段實(shí)施的條件，建立白洋淀水文-水動力-水質(zhì)耦合模型(如MIKE21，Delft3D等)，進(jìn)而通過量質(zhì)耦合過程模擬，確定不同階段的生態(tài)需水調(diào)控方案.

圖7 基于水文-水動力-水質(zhì)耦合模型的生態(tài)需水調(diào)控研究思路Fig.7 Regulation framework of water for environment based on hydrological-hydrodynamic-water quality coupling mode in Lake Baiyangdian

4.3 考慮河湖連通的淀區(qū)水動力過程恢復(fù)

《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》明確指出，“建設(shè)水系連通工程，聯(lián)合調(diào)度安格莊、西大洋、王快、龍門等上游水庫水量，恢復(fù)淀泊水動力過程”. 而白洋淀溝壑分布復(fù)雜，圍埝眾多，且多年來依賴于補(bǔ)水維持淀區(qū)最小水位，尚無水可下泄，導(dǎo)致了極弱的淀泊水動力過程. 作為淀區(qū)中物質(zhì)輸送、遷移和擴(kuò)散的主要驅(qū)動力，水動力過程對淀泊生態(tài)系統(tǒng)的演變起著重要的作用[65]，特別是淺水、空間異質(zhì)等特征，水文連通對水動力過程恢復(fù)舉足輕重. 伴隨著強(qiáng)烈的多源補(bǔ)水需求，水文連通框架及關(guān)鍵技術(shù)體系研究成為白洋淀生態(tài)水文調(diào)控工作的重點(diǎn)，特別是新區(qū)規(guī)劃建設(shè)新形勢新要求下，引水水源選擇、引水路線優(yōu)化、生態(tài)指標(biāo)篩選、補(bǔ)水優(yōu)先次序、組合模式、時間展布均需要科學(xué)合理的技術(shù)支撐.

未來研究中，需要從水文連通全新視角來開展白洋淀生態(tài)水文調(diào)控、提升淀內(nèi)生態(tài)水文動力過程和生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)能力，以流場分布、連通強(qiáng)度、滯留時間以及水齡變化等重要參數(shù)變化作為表征[66-68]，重點(diǎn)關(guān)注并開展白洋淀流域水系連通演變過程及驅(qū)動、水系網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化、連通格局強(qiáng)度及時效的生態(tài)效應(yīng)，生態(tài)補(bǔ)水的優(yōu)先次序及組合模式和多源補(bǔ)水長效機(jī)制構(gòu)建等幾個方面(圖8).

圖8 水系連通及淀泊水動力過程恢復(fù)的研究思路Fig.8 Restoration framework of river-lake hydrological connectivity and hydrodynamic process in Lake Baiyangdian

5 結(jié)論

1)系統(tǒng)分析了國內(nèi)外文獻(xiàn)中關(guān)于白洋淀生態(tài)需水核算的研究現(xiàn)狀，研究取得了較為豐碩的成果，從存量的角度，白洋淀最小生態(tài)水位為7.45±0.66 m，適宜水位為8.61±0.52 m，最大水位為9.46±0.51 m；各等級生態(tài)需水月際變化趨勢大致相同，8-9月份最大，5月份最小，但各月不同等級生態(tài)需水量的變幅較大；從通量的角度，白洋淀最小生態(tài)補(bǔ)水量為1.35億m3，適宜補(bǔ)水量2.40億m3，最大生態(tài)補(bǔ)水量6.20億m3，研究成果在一定程度上支撐了現(xiàn)階段白洋淀生態(tài)補(bǔ)水.

2)在雄安新區(qū)高起點(diǎn)規(guī)劃、高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的新形勢下，當(dāng)前研究成果尚不能很好契合與支撐多源長效補(bǔ)水需求，如不同生態(tài)修復(fù)階段各類生態(tài)需水核算方法的適應(yīng)性問題；湖泊生態(tài)-水文響應(yīng)規(guī)律及機(jī)制缺乏，難以保障生態(tài)需水核算結(jié)果科學(xué)性；存在對生態(tài)需水核算中時間維度考慮不足且缺乏考慮淀區(qū)內(nèi)部空間異質(zhì)性的問題，難以支撐新區(qū)建設(shè)中淀區(qū)科學(xué)精細(xì)管理；且多孤立研究湖泊水量需求，尚未考慮水文連通，無法有效支撐生態(tài)補(bǔ)水調(diào)控的實(shí)施.

3)為推進(jìn)白洋淀生態(tài)需水成果進(jìn)一步提升，綜合已有研究和熱點(diǎn)前沿，本文提出分時分區(qū)的淀區(qū)生態(tài)需水精細(xì)化核算、分時分段的淀區(qū)生態(tài)需水質(zhì)量耦合模擬、考慮河湖連通的淀區(qū)水動力過程恢復(fù)提精準(zhǔn)核算等幾個方面的建議和展望，以期科學(xué)支撐新區(qū)多源補(bǔ)水長效機(jī)制的構(gòu)建和“一淀、多廊”生態(tài)格局的形成.