（环境科学专业论文）黄河口典型湿地生态需水及生态水文调控.pdf

黄河口典型湿地生态需水及生态水文调控 本文以黄河口典型湿地为研究对象，基于生态需水理论，对黄河口湿地水资 源供需平衡进行分析，提出黄河口湿地生态水文调控模式，实现研究区水资源的 可持续利用，促进生态与社会、经济和谐发展，研究成果对黄河口湿地的保护、 开发和管理提供全面、多层次的信息共享与技术参考。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 湿地生态水文过程及调控 生态水文过程是指水文过程与生物动力过程之间的功能关系，从水分行为的 角度可以分为生态水文物理过程、生态水文化学过程及其生态效应( 黄奕龙，傅 伯杰，陈利顶，2 0 0 3 ) 。在湿地水文( w e t l a n dh y d r o l o g y ) 、湿地植被( h y d m p h y t e s ) 和湿地土壤( h y d r i cs o i l ) 典型要素中，湿地水文在湿地的形成、发育、演替直 至消亡全过程中都起着直接而重要的作用( 邓伟，潘响亮，栾兆擎，2 0 0 3 ) 。对于湿 地生态水文过程，其物理过程包括湿地植被降水截留、蒸散发、径流和地下水等 水文过程；生态水文化学过程不同于生态过程中的化学过程，它主要是指水文行 为的化学方面，也就是水质性研究；水文过程的生态效应主要指水文过程对植被 生长和分布的影响( 于文颖，周广胜，迟道才，等，2 0 0 7 ) 。 随着湿地生态系统退化、景观破碎化等生态环境问题的加剧，基于湿地水文 等基本要素状况对湿地生态系统健康( 蒋卫国，李京，李加洪，等，2 0 0 5 ；崔保山， 杨志峰，2 0 0 2 ；崔保山，杨志峰，2 0 0 2 ) 、生态安全( 刘红玉，2 0 0 5 ) 等进行评价成为研 究热点。在2 0 世纪9 0 年代，在美国大范围应用湿地功能评价方法一水文地貌 评价法( h y d r o g e o m o r p h i c h g ma p p r o a c h ) 中将湿地水文作为湿地功能实现的 重要条件之- - ( b r i n s o nm m ，19 9 6 ) 。 生态水文过程研究的另一个重点是生态水文模拟。生态水文模拟以水文与生 态的相互作用以及它们的响应过程为模拟对象，因研究对象的不同，具体的模拟 过程也不同( 王凌河，严登华，龙爱华，等，2 0 0 9 ) 。k r y s a n o v a 等( k r y s a l l o v lv ， h a t t e r m a n nf w e c h s u n gf , 2 0 0 5 ) 利用s w i m 模型对欧洲典型半湿润地区易北河 流域的生态水文过程的模拟，从流域和区域尺度上评估气候变化影响的复杂性和 不确定性。生态水文过程本身极其复杂，不仅要模拟水动力过程，还要描述各类 物理化学物质在区域或水体中的运移转化，研究生态过程的水文学机制，涉及到 许多物理、化学和生物过程，而且生态水文过程具有明显的区域性，影响因素多 样，相互作用机理复杂，必然导致模型大都比较复杂( 夏佰成，胡金明，宋新 山，2 0 0 4 ) 。目前，湿地生态水文过程模型还很不完善，大气植被土壤界面的降 水截流、径流和蒸散作用的模拟尚需进一步研究发展，已开发模型也存在着参数 化和模拟精度问题( 于文颖，周广胜，迟道才，等，2 0 0 7 ) 。 随着生态需水量研究的深入，生态水文学和恢复生态学的发展能够为水文调 黄河口典型湿地生态需水及生态水文调控 控提供理论支持和工具( 严登华，何岩，邓伟，2 0 0 1 ) ，国内学者对湿地现状生态水 文格局能否满足湿地生态需水的要求，维持湿地生态系统健康进行进一步的研 究，实施湿地水文调控。 部分学者提及在退化湿地生态系统恢复过程中，通过恢复湿地原有水文条件 和改善湿地水环境质量，加快湿地恢复过程( 彭少膦，任海，张倩媚，2 0 0 3 ；张永 泽，王炬，2 0 0 1 ) 。由于我国北方湿地降水偏少，不能满足湿地生态需水量的要求， 因此需要对湿地进行水文调控，实施生态补水。从理论上对生态补水基本概念进 行界定( 杨爱民，唐克旺，王浩，等，2 0 0 4 ) ，在综合考虑生态环境、社会效益、经 济效益和资源价值效益的基础上，建立生态补水综合效益评价指标体系( 张树军， 赵峰，罗陶露，等，2 0 0 8 ) 。v a d a s 采用h e c 5 方法对加利福尼亚州的圣华金河谷 的水资源分配进行研究( v a d a srg ，g a r c i al a ，l a b a d i ej w ，1 9 9 5 ) ；崔丽娟等 对扎龙湿地分析结果为现有水资源量不足以保证湿地生态系统健康，每年应向湿 地补水8 8 亿m 3 ( 崔丽娟，鲍达明，肖红，等，2 0 0 6 ) 。 1 2 2 湿地生态需水研究 2 0 世纪4 0 年代，美国鱼类和野生动物保护协会( u s f i s ha n dw m 腧 s e r v i c e ) 为保护河流水生生态系统开始对河道枯水流量、鱼类及无脊椎动物等所 需水量进行研究。2 0 世纪7 0 年代，河道最小生态、环境流量概念的提出( t e n n a r a d l 。1 9 7 6 ) ，明确自然与景观河流的基本流量。2 0 世纪7 0 年代之后，欧洲各国 以及澳大利亚、新西兰等接受河流生态流量的概念并对其生态环境需水开展研 究，相继提出河流最小生态 或生物) 流量的概念和计算方法。随后，日本、南 非等国家也开始对河流生态系统对水量与水质的要求开展各项研究，并提出各自 的计算方法。1 9 9 6 年，g l e i e k 首次明确提出了基本生态需水量( b a s i ce c o l o g i c a l w a t e rr e q u i r e m e n t ) 的定义，即在考虑气候、季节变化、现状生态等因素对生态 系统影响的基础上，实现最小程度地改变生态系统、保护物种多样性和生态系统 的完整性的目标所需要的水资源量( g l e i c kp h ，1 9 9 8 ) 。 河流生态需水计算方法主要包括水文学方法、水力学方法、水文生态耦合方 法三大类。其中，水文学方法中比较常用主要包括：蒙大拿法( t e n n a n t 法) ( t e n n a n t d l ，1 9 7 6 ；j o w e t ti g ，1 9 9 7 ) 、枯水频率法( 7 q 1 0 ) ( c a i s s i ed ，e i - j a b in b o u r g e o i s g ，1 9 9 8 ) 、t e x a s 法( m a t h e w sj ，rc ，b a oy ，1 9 9 1 ) 、r v a 法( r i c h t e r b d ， b a u m g a r t n e rj v p o w e l lj ，e ta l ，19 9 6 ；r i c h t e rb d ，b a u m g a l t n e rj v ， w i g i n g t o n & ，c ta 1 ，1 9 9 7 ) 等；水力学方法主要代表方法有湿周法( w e t t e dp e r i m e t e r m e t h o d ) ( u b e r t i n il ，m a n e i o l ap c a s a d e is ，l9 9 6 ) 和r 2 c r o s s 法( m o s l e ym p ，1 9 8 2 ) 等。水文生态耦合方法是依据选取河道中目标物种，根据物种不同生活 阶段对河流流量与流速的需求，从而确定其生态需水量，包括：i f i m ( i n s l r e a m 黄河口典型湿地生态需水及生态水文调控 f l o wi n c r e m e n t a lm e t h o d o l o g y ) ( s t a l n a k e rc ，1 9 9 5 ) 、构建模块法( b u i l d i n gb l o e l 1 0 为2 7 6 2 8 0 d ， 1 0 为2 0 3 2 0 6 d 。无霜期超过2 0 0 d 。年平均降雨量为6 1 3 6 m m ，主要集中于 夏季，约占全年平均降雨量的6 9 ，且年际变化较大。年平均蒸发量为1 9 2 6 衄， 蒸降比约为3 ：1 。 ( 四) 水文 黄河是本地区主要的过境河流，多年平均水量为3 1 0 x 1 0 8 m 3 ( 利津水文站 1 9 5 0 - 2 0 0 9 年数据) 。除黄河外，骨干排水河道3 0 条，其中控制面积在l o o k m 2 以上的有1 2 条，包括黄河以北的马新河、沾利河、草桥沟、挑河、草桥沟东干 流、褚官河、太平河和黄河以南的小岛河、三排沟、永丰河、溢洪河、广利河。 上述河道多年平均总径流量为3 2 5 1 0 8 m 3 。 黄河口湿地受海水入侵和水下三角洲填海造陆的影响，咸水( 矿化度大于 3 9 l ) 广泛分布。受到黄河侧向补给作用，黄河现行河道两侧形成淡水分布带( 矿 化度小于l g l ) ，在黄河故道带黄河侧渗影响范围内咸水被逐渐淡化，形成1 - 3 9 l 的微咸水分布带( 姚秀菊，王洪德，张福存，等，2 0 0 2 ) 。 ( 五) 波浪和潮汐 黄河e l 湿地仅神仙沟口附近岸段潮汐表现为不正规日潮，其余大部分岸段为 不正规半日潮且离神仙沟口愈远半日潮性质愈强。神仙沟口外“无潮点”潮差最 小，仅有0 4 m ，由此沿北部岸线向西和沿东部岸线向南，潮差均逐渐增大。大 潮多发生于3 4 月和7 一1 1 月，潮位最高超过5 米。黄河口近岸海域的波浪随季 节变化，春季东北和东南向浪交替出现：夏季东南向浪占优势：秋季偏北浪为主 ( 马妍妍，2 0 0 8 ) 。余流是由风、地形、径流等因素引起的，为逆时针环流系统，流 速一般为5 - - 6 c n a s ( 陈俊卿，张建华，崔玉刚，等，2 0 0 4 ) 。由于黄河口湿地特殊的 地形和地理环境，沿岸极易遭受风暴潮侵袭，是温带风暴潮频发区。 黄河口典型湿地生态需水及生态水文调控 ( 六) 湿地土壤 黄河三角洲为冲积海积平原，保护区内主要土壤类型包括冲积土、滨海潮滩 盐土、滨海盐土和潮土四种类型。分布面积最大的为冲积土，约为3 6 x1 0 4 l 击， 主要分布于黄河故道和黄河现行水道；其次为潮土，约为3 0 1 0 4 1 一：滨海盐 土在近海呈带状分布，其分布面积略小于潮土的分布，为2 8 1 0 4 h m 2 ，滨海潮 滩盐土的分布面积最小，仅为0 5 1 0 4 h n f 。 ( 七) 生物资源 本区属暖温带落叶阔叶林区，共有种子植物1 8 9 种，隶属1 2 0 属4 0 科，蕨 类植物3 科3 属4 种。黄河三角洲自然保护区内植被面积为6 5 3 1 9 h m 2 ，植被覆 盖率5 3 7 ( 赵延茂，宋朝枢，1 9 9 5 ) 。植被组成以草本植物为主，共计1 5 1 种( 李政 海，王海梅，刘书润，等，2 0 0 6 ) ，约为植被总数的7 8 ，木本植物所占比例小， 只有柽柳、杞柳、早柳和紫穗槐等少数几种。由于土壤含盐量、潜水水位和矿化 度等因素的影响，湿生和盐生植物是黄河口湿地主要建群种和优势种。全区1 9 3 种植物中，有湿生、水生植物9 2 种，占总种数的4 7 7 ；盐生植物7 3 种，占总 种数的3 7 8 ( 邢尚军，郗金标，张建锋，等，2 0 0 3 ) 。 本区野生动物种类多，记录野生动物共1 5 2 4 种。陆生脊椎动物3 0 0 种，其 中鸟类为2 6 5 种，如白鹳、中华秋沙鸭、丹顶鹤等7 种属于国家i 级重点保护鸟 类，如大天鹅、鸳鸯、灰鹤等3 3 种属于国家i i 级重点保护鸟类。陆生无脊椎动 物5 8 3 种；陆生性水生动物2 2 3 种；此外还包括海洋性水生动物4 l8 种( 赵延茂， 宋朝枢，1 9 9 5 ) 。 2 1 2 社会经济状况 东营市于1 9 8 3 年1 0 月1 日成立，辖东营、河口2 个区，广饶、利津、垦利 3 个县。根据东营市2 0 1 0 年统计资料：全市总人口为1 8 4 8 7 万人，人口出生 率为8 9 2 0 ，死亡率为4 8 4 o ，自然增长率为4 0 8 o 。2 01 0 年全年地区生产总 值2 3 5 9 9 4 亿元，比上年增长1 3 4 。全年城市居民人均总收入2 7 0 8 2 元，比上 年增长1 2 8 ，其中人均可支配收入2 3 7 9 6 元，增长1 1 7 。 本地区有丰富的石油、天然气、盐卤、地热、鱼虾、贝壳等资源，且土地辽 阔，光能资源充足。已探明石油地质储量4 8 3 4 亿吨，天然气储量2 2 9 9 9 5 亿立 方米；由于黄河携带大量泥沙入海，陆进海退，使得本地区拥有丰富的土地资源， 适宜农业多层次高效开发。粮食作物以小麦、水稻、大豆为主，经济作物主要包 括棉花、蔬菜、冬枣等。本地区北面依靠京津唐经济圈，南面与山东半岛城市群 紧密相连，具有优越的地理区位。2 0 0 9 年国务院正式批复黄河三角洲高效生 态经济区发展规划，使黄河三角洲区域的发展上升至国家战略的高度。 数据来源东营市统计年鉴h t l p j w w w d o n g y i n g g o v c n h t m l t j g b 2 0 1 0 i n d e x h t m l - 1 1 黄河口典型湿地生态需水及生态水文调控 2 2 黄河口湿地生态环境特征分析 根据2 0 0 8 年8 月一2 0 1 0 年8 月5 次对黄河三角洲近海河口湿地进行野外调查 资料( 如图2 2 所示) 和样品分析数据，结合黄河口湿地已有基础数据及其他相 关研究，对黄河口湿地生态环境特征进行分析。 l l8 0 4 0 0 ”ell9 0 0 0 ”e l1 8 。4 0 0 ”el1 9 。0 0e 图2 - 2 黄河口湿地采样站点分布 f i g 2 - 2d i s t r b u t i o no f t h es a m p l i n gp o i n t s ( 一) 天然湿地面积萎缩由于黄河泥沙的强烈堆积作用，黄河口湿地面积 不断增加，但是天然湿地面积呈现萎缩趋势。张高生等通过对现代黄河三角洲湿 地的遥感影像的研究，表明黄河口湿地总面积在1 9 8 7 年之后呈现增加趋势，但 天然湿地约减少1 3 x1 0 5 时( 张高生，李克勤，战立伟，2 0 0 9 ) 。袁西龙等的研究 发现黄河三角洲人工湿地面积呈现显著增加趋势，特别是盐田与虾池在2 0 0 0 年 之后更是迅速增加；而天然湿地面积呈现波动下降趋势( 袁西龙，李清平，贾永 山，等，2 0 0 8 ) 。刘键等对黄河三角洲景观格局的研究结论是黄河三角洲湿地面积 增加主要源于平原水库、养殖池的增加，而滩涂和芦苇地等天然湿地却显著减少 ( 刘键，陈尚，夏涛，等，2 0 0 8 ) 。 ( 二) 河口湿地生境退化河口湿地生境退化的总体特征是湿地景观破碎 化、物种栖息地破坏和生物多样性下降等。 受到油田开发、农业开垦和人工养殖等人为开发活动的影响，黄河口湿地景 观破碎程度加剧，湿地景观格局变化较快，其中湿地景观破碎程度较大的两种类 黄河口典型湿地生态需水及生态水文调控 型是低潮滩涂和斜平地( 主要位于黄河古河道区域) 。叶庆华等对1 9 5 6 1 9 9 6 年 黄河三角洲土地利用变化图谱的分析表明海岸带面积最大的土地利用图谱单元 是新生盐生草甸转变为盐碱地和垦殖区，约为3 2 x 1 0 4 h n ( 叶庆华，刘高焕，田国 良，等，2 0 0 4 ) ；这是因为低潮滩涂区域受到大面积盐田和人工养殖池的修建等人 类活动的影响，同时也是海浪侵袭频繁的区域。布仁仓等采用斑块密度方法分析 结果表明黄河改道后，黄河故道区域的农业开垦活动以及由此加速土壤返盐引起 的部分耕地成为弃荒地，导致黄河故道附近湿地景观破碎化严重( 布仁仓，王宪 礼，肖笃宁，1 9 9 9 ) 。宗秀影等对1 9 8 6 - , - 2 0 0 6 年黄河三角洲湿地景观格局动态变化 的研究表明黄河三角洲约1 8 1 的芦苇草甸转化为农田，2 6 6 的翅碱蓬草甸转 化为盐田；1 1 9 的芦苇沼泽转化为芦苇草甸( 宗秀影，刘高焕，乔玉良，等，2 0 0 9 ) 。 河口湿地的萎缩和退化直接威胁到保护区鸟类赖以生存的栖息地以及生态 系统的生态过程和景观结构的完整性，最终影响生物多样性。相关研究表明自 2 0 世纪9 0 年代由于黄河口湿地干旱化趋势明显，芦苇沼泽湿地和翅碱蓬滩涂湿 地严重萎缩，石油开采修建的油井和道路使河口湿地景观破碎化严重等原因，黄 河口湿地丹项鹤适宜生境面积大幅度减少，近3 0 的栖息地生境发生退化，其中 严重退化的生境占11 ，以丹顶鹤为代表的珍稀鸟类的生境保护面临严峻的形势 ( 黄种，刘高焕张海龙，等，2 0 0 9 ) 。 黄河三角洲生态系统脆弱，自然灾害频繁发生；近年来随着环境污染、过度 捕捞、过度放牧和资源的过度开发等人为活动的影响加剧，导致生物多样性受到 威胁。李政海等对黄河三角洲植被物种各科所含种数的统计结果表明与2 0 世纪 9 0 年代中期相比都有不同程度的下降( 李政海，王海梅，刘书润，等，2 0 0 6 ) 。郗 金标等对黄河三角洲林地的调查结果显示2 0 世纪5 0 年代初，黄河三角洲有天然 柽柳林4 0 0 0 0 公顷，林木覆被率为2 0 9 3 ；到1 9 8 3 年天然柽柳林仅8 0 0 0 余公 顷，林木覆被率仅有3 7 1 之后的植树造林，使林木覆被率提高到9 8 ( 郗金标， 宋玉民，邢尚军，等，2 0 0 2 ) 。 ( 三) 湿地植被特征黄河口湿地为新生湿地，受到湿地土壤成土过程较短 和土壤盐渍化程度高、养分含量少和熟化程度低等因素的影响导致植株高度和生 物量较低。对比黄河三角洲与辽河三角洲、长江口湿地主要植被状况( 见表2 1 ) ， 黄河三角洲不同芦苇类型的生物量和植株高度显著低于辽河三角洲和长江口湿 地相同生境类型。黄河口湿地翅碱蓬群落的生物量高于长江口湿地的，但低于辽 河三角洲的：群落高度显著低于辽河三角洲和长江口崇明东滩翅碱蓬的高度。 黄河口典型湿地生态需水及生态水文调控 表2 - 1 不同河口湿地植被状况 t a b 2 1v e g e t a t i o ns t a t u so f t h ed i f f e r e n te s t u a m ew e t l a n d s 芦苇群落碱蓬群落 研冗区域 芦苇类型生物鼍 高度c m生物薯高度c m 又腻 ( k g h m 。)( k g h m 4 ) 黄睢角洲釜嚣蓁2 洲6 0 0 勰2 枷m s o c 撇删 辽河三角洲焉罢2 6 0 0 0 1 = 5 。8 0 0 0 3 瓣溯, 2 0 1 0 ； 芦苇沼泽2 5 0 ( 索安宁) 鬻龚鼻薯蓁一7 8 3 2 0 4 1 6 2 8 62 4 5 4 舛7 7c 奸删 明东滩堤外芦苇 一一。7 篓鎏曼3 ；i 竺1 7 o 一一( 唐承佳舢) 九段沙4 6 0 0 0 17 p j l u 【唇累住，2 0 u 3 】 ( 四) 湿地水环境特征黄河口湿地上覆水属弱碱性，盐度变化幅度大，有 些地方盐度超过海水。水中n h 3 n 、p 0 4 p 等营养盐物质含量较低，d o c 含量 低，不超过地表水环境质量类标准，水体中的无机氮以n 0 3 n 为主，n h 3 n 和n 0 2 n 比重很小，无机氮浓度相对较高，、i 类和i v 类水质均有，时间和 区域差异较大：湿地水体中石油类含量较高，以i 类、i v 类水质为主，个别超 过v 类标准。整体上，湿地上覆水中营养物质含量较低，主要污染物是石油烃 类。 表2 2 黄河口湿地上覆水环境特征 t a b 2 2w a t g rq u a t i ：c yo ft h eo v e r l y i n gw a t e ri nt h ey e l l o wr i v e re s t u a r i n ew e t l a n d s 黄河下游为地上悬河，沿岸的污水和面源污染物不能进入河道内，黄河水质 相对较好。根据“黄河水资源公报”，利津水文站处黄河水质达类。除黄河外， 黄河三角洲内其他地表水体普遍受到污染。根据东营市2 0 0 7 年污染源普查，境 内工业废水排放量为6 7 2 8 1 0 4 t ，其中c o d 总排放量为1 6 0 x1 0 4 t ，氨氮排放总 量为0 1 5 1 0 4 t ，均通过河流排入海洋。 黄河口典型湿地生态需水及生态水文调控 ( 五) 湿地土壤环境特征黄河口湿地土壤主要由河流泥沙强烈堆积上形成 的，成土母质为河海沉积物，成土时间短，发育不完全，营养元素含量普遍较低。 黄河口湿地蒸降比约为3 ：1 ，强烈的蒸发作用以及径流量减少、海水项托等 自然因素导致黄河口湿地土壤盐碱化严重。湿地表层土壤可溶性盐的分布呈现以 黄河为轴向近海增加的趋势，由于黄河南岸分布有大量的盐田和养殖池，湿地土 壤表层可溶性盐含量明显大于北岸( 如图2 2 所示) 。关元秀等通过遥感影像对 黄河三角洲土壤盐碱化研究表明黄河三角洲地区有近5 0 的土地发生了不同程 度的盐渍化( 关元秀，刘高焕，刘庆生，等，2 0 0 1 ) 。在垂直剖面上，刘庆生、姚荣 江等研究表明黄河三角洲土壤盐分剖面类型以表聚型( 即土壤表层盐分含量较 多，其它层次的盐分含量少于该层) 为主且所占比例呈现上升趋势，即土壤脱盐 过程不明显，土壤盐分的运移处于上升状态( 刘庆生，刘高焕，范晓梅，2 0 1 0 ；姚 荣江，杨劲松，姜龙，等，2 0 0 8 ) 。 图2 - 2 黄河口湿地土壤可溶性盐分布图 f i g 2 - 2d i s m b u t i o n o ft h es o i ls o l u t es a l t 缸t h ey e l l o wr i v e re s t u a r m ew e t l a n d s 湿地表层土壤总磷的分布呈现以黄河为轴向近海减小趋势，黄河淡水的输入 是该区域营养物质的主要来源。根据全国第二次土壤普查养分分级标准( 全国土 壤普查办公室，1 9 9 8 ) ，黄河口湿地表层土壤t o c 含量处于四级及以下较低水平； 全氮的含量属于中下水平，全国土壤全磷平均含量约为5 0 0 m g k g ，黄河e l 自然 湿地土壤全磷含量略高于全国平均水平，但有效磷含量处于四级及以下水平( 有 效磷含量 1 0 m g l ( g ) ，如表2 3 所示。湿地表层土壤总磷的分布呈现以黄河为轴 向近海减小趋势( 见图2 4 ) ，说明黄河淡水的输入是该区域营养物质的重要来源。 黄河口典型湿地生态需水及生态水文调控 z l ： ， 1 1 9 1 l e 图2 3 黄河口湿地土壤总氮分布图图2 4 黄河口湿地土壤总磷分布图 f i g 2 - 3d i s t r m u t i o no f t h es o i lt o t a ln i n o g e n r i g 2 - 4d i s t r i b u t i o no ft h es o i lt o t a lp h o s p h o r u s i nt h ey e l b wr i v e re s t u a r i n ew e t l a n d s 表2 3 黄河口湿地土壤环境特征 t a b 2 - 3s o i le n v i r o n m e n t a lq u a l i t yi nt h ey e l l o wr i v e re s r u a r i n ew e t l a n d s 注：全国土壤普查办公室中国土壤中国农业出版社1 9 9 8 1 1 8 0 4 1 j 0 。el j 坩1 1 r e z l ： f z z t 王 寻 l i 妒4 1 n e li t ，。ij 1 e z = i ， z k 王 寻 图2 5 黄河口湿地土壤石油烃分布图 f i g 2 5d i s t r g 加t i o no ft h es o i lo i li l it h ey e l l o wr i v e re s t u a r m ew e t l a n d s 1 6 黄河口典型湿地生态需水及生态水文调控 湿地表层土壤污染物石油烃的分布呈现从近海向陆地减小的趋势，在孤东油 田形成一个污染高峰区，如图2 5 所示。 2 3 小结 黄河口湿地具有防止海水入侵、调节气候、降解污染物、固碳及作为野生动 物栖息地等生态服务功能。近几十年来，受到开垦j 养殖和油田开发等人类活动 的影响，黄河口湿地面临一系列生态环境问题：黄河口湿地中滩涂、芦苇沼泽等 自然湿地面积呈现减小趋势；河口湿地生境退化，表现为湿地景观破碎化、物种 栖息地破坏、生物多样性下降等；与其他河口湿地相比较，黄河口湿地植被高度 较低，生物量小；湿地上覆水中营养物质含量较低，主要污染物是石油烃类；湿 地土壤可溶性盐含量高，营养元素含量较低，且部分土壤受到石油烃污染。 黄河口典型湿地生态需水及生态水文调控 3 黄河口湿地生态水文过程模拟 目前，水文模型主要分为两类：集总式水文模型和分布式水文模型。其中， 分布式水文模型具有很强的物理机制，同时考虑水文过程的空间异质性，将流域 离散成很多小单元，水在离散单元之间运动和交换，所揭示的水文循环物理过程 更接近客观世界，更能真实地模拟水文循环过程( 徐宗学，程磊，2 0 1 0 ) 。本研究中， 采用水分能量传输模型( w a t e r a n de n e r g y t r a n s f e r p r o c e s s w e p 模型) 分布式水 文模型对黄河口湿地的水文现状进行模拟。 3 1 水文模型模拟概述 3 1 1w e p 模型简介 ( 一) 模型的水平结构 模型的空间计算单元采用正方形网格。在模拟区模型总体格网单元采用 2 0 0 m 2 0 0 m 。考虑网格内土地利用的不均匀性，采用“马赛克法，即把网格内的 土地归成数类，分别计算各类土地类型的地表面水热通量，取其面积平均值为网 格单元的地表面水热通量。土地利用类型首先分为水域、裸地植被域、不透水 域3 大类。裸地植被域又分为裸地、草地与耕地、林地3 类；不透水域分为地 表面与都市建筑物。另外，根据数字高程模型( d e m ) 及实际河道等，设定网 格单元的汇流方向来追迹计算坡面径流。而各支流及干流的河道汇流计算，根据 有无下游边界条件采用一维运动波法或动力波法由上游端至下游端追迹计算。 ( 二) 模型的垂直结构 模型的垂直结构从上到下包括植被或建筑物截留层、地表洼地储留层、土壤 表层、过渡带层、浅层地下水层和深层地下水层等。状态变量包括植被截留量、 洼地储留量、土壤含水率、地表温度、过渡带层储水量、地下水位及河道水位等。 3 1 2 模拟区域概化 由于黄河口湿地特殊的地形、地貌特征及行水特点，模拟此区域水文情势时， 需要对黄河口湿地进行概化： ( 一) 模拟区域选择黄河口湿地陆域稳定区域，由此同时，将模拟的范围扩一 大至河流整个集水区，包括东营市大部、滨州市一部分，如图3 1 所示。 黄河口典型湿地生态需水及生态水文调控 ij 8f 1 i i ”b1 1 83 0 o ”e1 1 9t i - 0 ”e 图3 1 模拟区域的范围 f i g 3 - 1b a s i no ft h em o d e ld o m a i n ( 二) 模拟区域黄河现行水道和黄河故道的高程显著高于周围，不参与模拟 区域中的坡面汇流，而在模拟区域起到分水岭的作用。因此在模拟过程中，不考 虑黄河的行水过程。 3 2 模型参数及其格式化 模型需要输入的数据可以分为三类：( 1 ) 水文数据，包括数字高程模型、河 流形态数据、坡向、坡度等；( 2 ) 土壤数据，包括土地利用数据及水文地质数据： ( 3 ) 气象数据，主要包括降水、气温、风和日照时数等。 3 2 1 水文参数 ( 一) 高程模型及数字水系 数字高程模型( d i g i t a le l e v a t i o n m o d e l ，简称d e m ) 是由美国麻省理工学院 c h a i r e sl m i l l e 教授于1 9 5 6 年提出来的。目前，d e m 有多种表示方法，其中主 要包括规则矩形格网( g r i d ) 、不规则三角网( 删：t r i a n g u l a t e di r r e g u l a rn e t w o r k ) 和等高线三种。 本研究中，采用s r t m ( s h u t t l er a d a rt o p o g r a p h ym i s s i o n ) 提供的全球陆地 9 0 m x 9 0 m 的d e m 数据，在a r c i n f o 下将模拟区处转化为2 0 0 m x 2 0 0 m 的栅格 单元( 如图3 2 所示) ，并以此为基础生成数字水系。在平坦地区，由d e m 直接 生成的数字河网与实际河道存在较大的差别，需要对d e m 进一步修正，主要包 括抬高流域边界处d e m 值，确保边界外不会流入到模拟区域之中；同时要降低 河道处d e m 值，保证坡面汇流最终能够进入河道之中，而不会再汇流过程中出 现逆流等，采用a r c i n f o 程序中的a r ch y d r ot o o l s 工具集降低河道处d e m 值。 黄河口典型湿地生态需水及生态水文调控 图3 - 2 黄河口湿地数字地形模型及其修正 f i g 3 - 2d e m o ft h ey e l l o wr i v e re s t u a r i n ew e t l a n d s d e m 中存在洼地和峰区，洼地会在计算水流方向时出现逆流，产生部分流 路不能流出的现象，需要对d e m 中的洼地进行判别及修订。在a r c v i e w 中对 修订后的d e m 数据进行填洼处理，如图3 3 所示。 图3 - 3d e m 填洼图3 4 汇流累积董 f i g 3 3f i l lo ft h ed e mf i g 3 - 4f l o wa c c u m u l a t i o n 采用d 8 法确定模拟区坡面汇流方向，即确定每个栅格单元与相邻的8 个栅 格单元中坡降最大的为其流向，以正东方向为1 ，按顺时针旋转，以数字2 n 表 示不同流向。 假定每个d e m 栅格单元都有单位为l 的水量，依据水流方向确定不同的每 个栅格单元的流过的水量数值，生成汇流累积量，如图3 - 4 所示。 黄 n 口典型 i ! 地生态需水发生态水文调挖 图3 - 5 数字河网及其修订 f i g 3 - 5d i g i t a lc h a n n e ln e t w o r k s 选取汇流累积量大于2 0 0 0 处生成数字河网，如图3 5 所示。根据实际河流状 况，对生成的数字河网进行修订，并对每个单元网格进行编码。设定出水口，生 成各级子流域。 ( 二) 坡度、坡向等其他数据 地形坡度、坡向对于产汇流具有重要的影响。坡向的不同会造成同照时数和 太阳辐射量的显著差异，引起感热潜热的显著差异，导致蒸散发量的不同；此 外，对生物的生长和降水也有显著影响，对流域内的水文循环具有重要的作用。 坡度数据对计算水流路径和单元汇水面积时具有重要的影响。模拟区域主要为平 原区，地势平坦，最大坡度为3 0 ，且主要位于黄河现行水路上，如图3 - 6 所示。 、 fl 、l i 图3 - 6 坡度 f i g 3 - 6s l o p eo ft h es t u d ya r e a 黄河口典型湿地生态需水及生态水文调控 3 2 2 土壤数据 模型需要输入的土壤数据包括影响产、汇流等水文过程的土地利用类型数 据，土壤质地数据等。 ( 一) 土地利用类型数据 土地利用类型数据共获得1 9 8 5 年、1 9 9 0 年和2 0 0 0 年三期l ：10 万土地利用 数据，根据对产、汇流等的贡献不同，分为耕地，林地，草地，水域，城乡、工 矿、居民用地和未利用土地六大类并进一步细分为2 5 种不同土地利用类型。在 模拟区域共包括有林地，疏林地，其他林地，高覆盖度草地，中覆盖度草地，低 覆盖度草地，河渠，湖泊，水库、坑塘，海涂，滩地，城镇用地，农村居民点用 地，工交建设用地，沙地，盐碱地，沼泽地，裸土地，平原区水田、平原区旱田 和其他土地利用类型等共2 2 种土地利用类型，如图3 7 所示。再将所得土地利 用类型数据转成为栅格单元大小为2 0 0 m x 2 0 0 m 的栅格文件，并计算每个栅格单 元不同土地利用类型所占面积比例，生成输入文件。 图3 7 模拟区1 9 8 5 、1 9 9 0 、2 0 0 0 年3 期十地利用数据 f i g 3 7l a i l du s eo f t h es t u d y a r e ai n19 8 5 ，19 9 0 ，2 0 0 0 a ( 二) 土壤类型 土壤类型数据截取自中国科学院南京土壤研究所汇编的1 ：1 0 0 力黄淮海地区 土壤数据资料，栅格大小为2 0 0 0 r e x 2 0 0 0 m ，在a r c i n f o 下转化为2 0 0 m 2 0 0 m 栅格单元。模拟区域主要有三种土壤质地类型，分别为粉沙壤土、粉砂质粘壤土 和壤质粘土，其中以粉砂壤土为主，如图3 8 所示。 黄河口典型湿地生态需水及生态水文调控 图3 - 8 模拟区土壤质地 f i g 3 - 8s o i lt e x t u r eo ft h es t u d ya r e a 3 2 3 气象参数 气象因子对于水文过程具有直接的影响，降雨是形成径流的直接水分来源， 而蒸散发对径流流量的大小也具有直接的影响。模型需要的气象数据包括降水、 风速、日照时数、温度和相对湿度等。气象数据主要选取本区域具有长时间序列 的气象站点，选择黄骅、淄博、东营( 羊角沟) 、惠民四个站自1 9 8 0 2 0 1 0 年共 3 1 年连续气象数据资料，基于泰森多边形进行空间插值。 3 3 分布式水文模型校验 3 3 1 模型校验参数的确定 目前，水文模型普遍采用将模拟径流与实测径流相比较，采用纳什系数等对 模拟结果进行判断。但是在模拟区域内的水文站均位于模拟区域之外，缺乏实测 径流数据资料，因此必须采用其他方法对模拟结果进行判断。 在水量平衡研究中，径流系数是表征径流动态的一个重要参数。对于一封闭 流域，径流系数是某一时段内的径流深与相应时段内流域平均降雨量之间的比 值，多年平均径流系数是一个相对稳定值( 郭华，苏布达，王艳君，等，2 0 0 7 ) ，其 计算公式为： r 口= 一 p 其中，a 为径流系数，无量纲，范围介于0 - - i 之间，湿润地区a 值大，干旱 地区( i t 值小：r 为某一时段内的径流深，i r i i i ：p 为相应时段内该流域平均降雨 黄河口典型湿地生态需水及生态水文调控 量，m m 。 3 3 2 水文模型的校验 相关研究表明模拟区多年平均径流系数为0 0 7 ( 张学成，王玲，高贵成， 等，2 0 0 1 ) 。对模拟结果的分析，模拟河流的年径流系数围绕多年平均径流系数上 下波动，如图3 - 9 所示；在模拟期间，多年平均径流系数的平均值均位于o 0 5 0 1 0 之间( 见表3 1 ) ，与“中国河川径流系数图”( 刘明光，1 9 9 8 ) 确定的本区域的多年 平均径流系数相符，因此认为模型模拟结果是比较满意的。 表3 1 模拟期间河流平均径流系数 t a b 3 1a v e r a g er u n o f f c o e f f i c i e n to f t h e r i v e r sd u r i n gt h es i m u l a t i o n p e r i o d 注：刘明光中国自然地理图集中国地图出版社。1 9 9 8 印份 图3 - 9 河流的径流系数 f i g 39r u n o f f c o e f f i e n to ft h er i v e r s 3 4 黄河口湿地水文演变特征 3 4 1 降水变化特征分析 1 9 8 0 - - 2 0 1 0 年黄河口湿地平均降水量为5 7 0 m m ，变差系数( c v ) 为0 2 8 7 ， 表明年降水量变化较大，表明降水较不稳定。差积曲线表明黄河口湿地降水量可 必分为5 个主要变化阶段：在2 0 世纪8 0 年代，呈现明显下降趋势，即此期间降 水偏少，处于少雨期；从1 9 9 0 年到1 9 9 8 年，呈现上升趋势，即此阶段降水较为 丰富，处于多雨期；1 9 9 8 2 0 0 2 年，呈现明显下降趋势，即降水量少，黄河口湿 地进入少雨期；2 0 0 3 2 0 0 5 年，呈现明显上升趋势，处于多雨期：2 0 0 6 - - 2 0 1 0 年， 差积曲线无显著变化，表明降水量接近多年平均降水量。 黄河口典型湿地生态需水及生态水文调控 三6 n ( 女 二3 0 l l u k f ll u k il t ll 小j 二川h2 1 s 2 1 l 图3 1 0 黄河口湿地年降水量变化趋势及其差积曲线 f i g 3 - 1 0c h a n g i n gt r e n da n dr e s i d u a lm a s sc t e v e so fa n n u a lp r e c i p i t a t i o n 黄河口湿地降水的季节分布不均，如图3 1 1 所示。降水主要集中在汛期( 6 8 月份) ，约占年降水量的5 6 6 ：冬季时降水量仅占全年总降水量的3 6 。 1 6 0 1 2 0 置 ：；8 0 耋 4 0 ( 1 l 圆忤水越i 霾 l 一勰翮圈图 霞 圜卤豳一 i234567 门份 图3 1 l 黄河口湿地月平均降水量 f i g 3 11t h em o n t ha v e r a g ep r e c i p i t a t i o ni nt h ey e l l o wr i v e re s t u a r i n ew e t l a n d s 3 4 2 蒸发变化特征分析 黄河口湿地年蒸发量的年际变化并不显著( 见图3 1 2 ) ，。1 9 8 0 - - 2 0 1 0 年平均蒸 发量为5 4 5 4 m m 。最小蒸发发生在1 9 8 9 年，蒸发量为4 2 7 m m ；最大蒸发发生在 1 9 9 0 年，年蒸发量为6 6 4 8 m m 。差积曲线表明，黄河口湿地年蒸发量的变化趋 势与年降水量的变化趋势基本类似，在1 9 8 0 年代，黄河口湿地蒸发量相对较小： 在1 9 9 0 1 9 9 5 年问，蒸发量比较强烈：在1 9 9 5 2 0 0 2 年间，蒸发量相对较小：在 2 0 0 2 2 0 1 0 年间，蒸发量比较强烈。 黄河口典型湿地生态需水及生态水文调控 7 0 0 6 0 0 弋5 0 0 g ：4 ( t u 3 ( 1 0 0 2 t i o 、一 i u n l |j v 5 )i 、，l ，( i v o ，)二”lj )i j i 【j “澎 图3 1 2 黄河口湿地多年蒸发量及其变化趋势 f ：i g 3 12t h ea n n u a le v a p o r a t i o na n dc h a n g et r e n di n t h ey e l l o wr i v e re s m a r i n ew c n a n d s 黄河口湿地蒸发量随季节变化显著( 如图3 1 3 所示) 。夏季蒸发量最大，约 占全年蒸发量的5 3 5 8 ，冬季蒸发量最小，仅占全年蒸发量的i 9 3 。这除了 受到湿地降水年内分配不均影响外，还受到植被生长阶段不同的影响，夏季为植 被生长旺盛期，蒸发量大，以满足自身生理需求。 1 4 l i j 2 0 名i 憎 量 ：冀 i 囊“ 4 i j 2 0 l二345 f 79l i jj i1 2 h 份 图3 1 3 黄河口湿地多年平均月蒸发量 f i g 3 1 3t h em o n t ha v e r a g ee v a p o r a t i o ni nt h ey e l l o wr i v e re s t u a r i n ew e t l a n d s 3 4 3 下渗变化特征分析 黄河口湿地下渗量年际变化显著( 见图3 1 4 ) ，年最小下渗量( 1 9 8 1 年) 为 2 0 3 4 m m ，最大年下渗量( 1 9 9 0 年) 为5 3 3 9 m m 。1 9 8 0 - - 2 0 1 0 年平均下渗量为 3 3 6 0 m m 。差积曲线表明：在1 9 8 0 年代，呈现下降趋势，即下渗量相对较小： 在1 9 9 0 - - 1 9 9 8 年期间，下渗量相对较大；在1 9 9 8 2 0 0 2 年间，下渗量较小：在 2 0 0 2 年到2 0 0 6 年，黄河口湿地下渗量增加；2 0 0 6 2 0 1 0 年，黄河口湿地下渗量 减少。黄河口湿地年入渗量变化趋势与湿地降水量呈现较好的正相关关系，这是 因为黄河口湿地降水是土壤水的重要来源之一。此外，黄河口湿地是河积海积湿 黄河口典型湿地生态错水及生态水文调控 地，土壤质地以粉砂壤土为主，有利于水分的向下运移。 4 0 ( j 2 l l 0 7 ： 二i 一( o 图3 1 4 黄河口湿地多年下渗量及其差积曲线 f i g 3 1 4t h ei n f i j t r a t i o no ft h ey e l l o wr j v e a - e s t u a r i n