【《湿地需水特点及补水问题分析综述》7800字】

湿地需水特点及补水问题分析综述目录TOC\o"1-3"\h\u19050湿地需水特点及补水问题分析综述 1199591.1湿地生态需水量计算方法 139561.1.1维持湿地功能不退化需水量 223001.1.2恢复湿地功能目标需水量 3151281.1.3出入湿地动态变化需水量 3324071.2湿地需水规律分析 4176221.3补水方案问题分析 695601.1.1补水模式 7311711.1.2生态补水量 8111701.1.3补水位置 955831.1.4补水时段 9水是决定湿地类型和维持湿地发展的首要因素，任何由自然和人类活动引起的水资源变化都会反映在湿地生态系统的结构和功能上。水是湿地之魂，缺水是湿地退化的关键原因，而湿地生态需水量是补水修复的理论基础，分析湿地的需水规律是合理配置补水的必要前提。湿地补水方案的制定要分析当前问题所在，便于后续补水方案优化，因地制宜将补水矛盾降低至最小。本章通过计算研究区域湿地生态需水量并分析需水过程规律特点，阐述湿地补水方案现状及存在问题，为补水方案优化制定提供科学依据。1.1湿地生态需水量计算方法湿地生态需水量是确定湿地生态补水方案的理论根据和定量手段，能为湿地水资源的优化配置提供科学根据，并为湿地修复提供技术支持ADDINNE.Ref.{9EA92204-E2E7-4910-ABC5-5F3326523889}[26]。湿地生态需水量在概念内涵上可分为两个层次，有广义和狭义之分。广义上的湿地生态需水量是指在一定的生态恢复目标条件下，湿地维持和有效发展生态系统平衡、发挥湿地系统水文、环境等功能所需要总的水量，包含湿地水面蒸发、土壤、植被、生物栖息地、景观等需水量ADDINNE.Ref.{A4B6F5B2-2317-4134-8E1F-351368E591CA}[51]；而狭义上的湿地生态需水量是指在一定的恢复目标条件下，湿地为维持和发挥生态系统功能所需要补充的水量，如湿地水面、植被蒸发等生态消耗需要补充的径流性水资源量。其中在水资源规划配置中，只能对狭义上的湿地生态需水量进行调动和配置，因此径流性水资源的狭义生态需水量定义更具有实际意义，更有助于为湿地生态水利工程提供直接参考ADDINNE.Ref.{754F3EF0-ACB1-455E-A34F-D1B5A8376833}[26]。湿地生态需水量的计算涉及到典型水平年的选取，一般取来水频率分别为50%、75%、95%的平水年、偏枯水年、枯水年。当为丰水年及平水年时，降雨量相对较大，湿地保护区几乎不用大规模补水，不同典型年计算方法相同，考虑到补水工程的实际意义以及时间和计算机设备的限制因素，本研究采用狭义概念计算75%天然来水频率枯水年的湿地生态需水量，衔接后续湿地补水方案的分析确定，为其提供基础数据。本研究中湿地生态需水量计算类型主要分为维持湿地正常功能不退化需水量、恢复湿地功能目标需水量、流入或流出湿地动态变化水量。具体可由下式表示：(1.1)式中：—维持湿地功能不退化需水量，m3；—恢复湿地功能目标需水量，m3；—出入湿地动态变化水量，m3。1.1.1维持湿地功能不退化需水量受水循环影响，湿地生态系统不断地与大气、土壤进行水分交换，本研究区域多年来水分交换不平衡，整体蒸发大于降雨，此部分水量是湿地生态系统保持其正常结构和功能所必须消耗的水量。在湿地恢复中要使湿地不退化，维持湿地面积不发生萎缩，这部分也是必须补充的水量。此部分需水量包括：水面蒸发消耗需水量、湿地植物蒸散发需水、降雨量和渗漏消耗需水（经实地考察分析，潜育层、淀积层、母质层的土壤容重较大，土壤比较密实，通透性差，水难以下渗，加之存在3~17米厚的粘土层，研究区域地表水与地下水的联系微弱，因此本次忽略此项计算）。当湿地系统维持其生态环境功能时，需要湿地系统需水时段内的蓄水量维持不变。当蒸发量小于降雨量时，湿地系统的排水量为；当蒸发量等于降雨量时，系统水量满足生态需水；当蒸发量大于降雨量时，干旱年湿地系统不能满足生态需水，需要补水量，其中A为湿地系统面积ADDINNE.Ref.{73EF4510-120F-4093-AC5A-ED3E3059A7A6}[52]。计算公式如下：(1.2)式中：—维持湿地功能需水量，m3；A—各地物类型蒸发面积，m2；E—水面、植被蒸发能力，mm；P—降雨量，mm。1.1.2恢复湿地功能目标需水量恢复湿地到目标年份的生境状态，就要满足原有湿地土壤饱和湿地需水和沼泽植被良好生长和动物生存繁殖所需的基本水量，因此这部分需水量包含湿地土壤需水量和湿地生物栖息地需水量。二十世纪九十年代末期湿地接近自然状态水平，生态系统结构及功能状态良好，且其核心区保存的比较完整。此时期的湿地时空分布能够满足湿地动植物的生存需求，一定时期内可以恢复至此状态水平。结合湿地现状和恢复计划将湿地恢复目标确定为九十年代末期，挠力河、三环泡、七星河、东升、友谊湿地保护区的适宜恢复目标ADDINNE.Ref.{A6003490-15AD-4A64-A425-D4F4977CF968}[53]湿地面积分别为116865hm2、21810hm2、16965hm2、13320hm2、3436hm2，总计172396hm2。湿地水域和沼泽区域一般是有一定的积水，其土壤蓄水量应为饱和含水量ADDINNE.Ref.{38F8C6E0-BEB9-43F5-8F7E-4487264AD9B2}[54]，此部分土壤需水量无需重复计算。通过遥感解译得到的湿地保护区内不同土地利用面积相互转化情况，研究区域内有较多部分沼泽湿地逐渐被耕地、旱地草甸等取代，由于过度开荒和开垦湿地，破坏了原有地表积水的饱和状态，致使其在正常条件下基本上处于非饱和状态。在湿地生态补水修复时，需将应恢复的耕地等缺水区域逐渐恢复成土壤为饱和含水量的状态。生物栖息地需水量主要指满足正常年份湿地沼泽植被和湿地鱼类、鸟类等动植物在保护区栖息、繁殖所需要的基本水量，一般采取相同类区域类比估算法进行计算ADDINNE.Ref.{F7025C49-FB03-4A8B-9C00-A58953B9A398}[55]。湿地保护区内的水域面积及水深是影响区域内珍稀动植物生存的重要因素，根据湿地保护区主要的保护对象及类型，计算湿地生物栖息地需水量。恢复湿地功能目标需水量可由土壤饱和需水量和生物栖息地需水量相加得到，计算公式如下：(1.3)式中：Wr—恢复湿地功能需水量，m3；—饱和持水量百分比，%；—土壤容重，g/cm3；Ht—土壤厚度，m；At—待恢复的耕地土壤面积，m2；Ah—湿地水域面积，m2；Hh—区域平均水深，m;W0—湿地现状蓄水量，m。1.1.3出入湿地动态变化需水量研究区域内包含沼泽和沼泽化草甸湿地、湖泊湿地、河道型湿地等多个湿地类型，分布最为广泛的是沼泽和沼泽化草甸湿地和河流湿地两种湿地类型，而沼泽及沼泽化草甸湿地类型中又以草本沼泽为主。挠力河湿地保护区分别沿挠力河、梧桐河和嘟噜河两岸有部分河流湿地，主要为永久河流和洪泛平原湿地；其他自然保护区内部还有零星分布的湖泡湿地和沼泽化草甸；仅挠力河自然保护区内有森林沼泽。非封闭型湿地，如河道型湿地，挠力河自然保护区内有挠力河干流以及内七星河、外七星河、蛤蟆通河等大大小小的支流水系，且挠力河横穿整个挠力河自然保护区，河流影响范围较大。河流与湿地保持有水力联系，当有较大降雨时湿地内河道形成产汇流，水量会与外界发生动态交换，有径流流入或流出；除此之外，农业退水可以作为湿地的重要补充水源，几个保护区周边均分布有农场及农田灌区，在农业灌溉用水高峰期会产生部分农业退水流入到湿地保护区。计算公式如下：(1.4)式中：—出入湿地动态变化水量，m3；S入—流入湿地水量，m3；S出—流出湿地水量，m3。1.2湿地需水规律分析根据湿地生态系统保护规划的恢复目标，依据水量平衡原理叠加降雨、蒸发、出入径流等各部分水量来计算湿地需水量，分析湿地的生态需水过程需水规律。维持湿地功能不退化需水量计算中涉及到水面蒸发、植被蒸散发需水量、降雨量的计算。水面面积依据前文遥感解译中湿地水域面积（泡沼、河流等）确定，湿地植被一般都覆盖在湿地沼泽表面，植被蒸散发面积由湿地沼泽面积确定；水面蒸发数据根据研究区域附近宝清站、菜嘴子站、保安站等水文站蒸发数据转换得到，植被蒸散发数据根据涡度相关技术结论分析得到。研究区域周边分布的水文站有保安站、宝清站、菜嘴子站、红旗岭站，雨量站有富廷岗站、七星岗站，对各个水文站、雨量站的1980~2017年（部分水文站数据为1980~2015年）实测降雨数据进行降雨量频率计算得到对应枯水年降雨量。恢复湿地功能目标需水量计算涉及到湿地土壤需水量、栖息地需水量、前期蓄水量的计算。湿地待恢复的土壤面积由湿地沼泽向耕地转移的土地利用类型面积确定，再结合不同土壤类型的蓄水深度、容重及饱和含水量得到湿地土壤需水量。湿地生物栖息地需水量根据相同类区域类比估算法由水域面积和不同动植物的适宜水深计算得到。湿地生物栖息地需水量是满足湿地植被、珍稀水禽生存繁殖所必需的水量，属于非消耗型的需水量，其需水时段没有固定的时段，根据研究区域水资源状况可一次性补给和分时段补给。当地鸟类等动物的活动时间一般在4-10月，大多在4月份产卵，考虑到一次性补给生物栖息地需水量会对鸟类产卵产生不利影响，本研究中将湿地生物栖息地需水量平均分配到4-10月中。湿地原有蓄水量根据遥感解译现状年水域面积，同时结合湿地实地考察各湿地保护区的积水区域常年平均水深（本研究取0.25m）分析计算。出入湿地动态变化需水量计算主要考虑流入和流出湿地的水量是否平衡，湿地内有多条河流水量流入，通过研究区域相关水文站的径流资料分析计算河流入流水量。另外湿地保护区内以及周边的灌区退水也是湿地的重要补充水源，主要集中在5-7月。湿地内多年水资源较为短缺，且蒸发量大于降雨量，水量几乎不对外流失，因此本研究忽略计算流出湿地的水量。将以上三部分生态需水量进行叠加计算可得出研究区域整个需水过程的生态需水量，见表1.1所示。表1.1各湿地保护区生态需水量Tab.1.1Ecologicalwaterdemandofeachwetlandreserve保护区湿地逐月需水量（104m3）四五六七八九十全年挠力河2525.911607.15478.43134.62525.912272.45337.742881.8三环泡234.31825.71196.6358.6225.62094.1545.86472.1七星河270.41386.8930.2371.8270.41718.9517.05467.5东升631.91588.91135.0760.0631.91898.91044.07694.4友谊177.8177.8191.8177.8177.8475.3229.31609.6合计3831.616586.38934.04804.73831.618459.67671.864125.4从表中可以得知各个湿地保护区在每个月的生态需水量的大小，研究区域1-3月、11-12月由于冰冻生态需水量值很小，可以忽略不计，本研究不再做统计。将生物栖息地需水量分配到各月需水后挠力河、三环泡、七星河、东升、友谊湿地保护区全年需水量依次为4.3亿m3、0.65亿m3、0.55亿m3、0.77亿m3、0.16亿m3，总需水量为6.43亿m3。将每个保护区的生态需水量绘制成图，如图1.4所示，得到不同湿地保护区的生态需水过程。图1.4各湿地生态需水过程Fig.1.4Ecologicalwaterdemandprocessofwetlands由于挠力河湿地面积较大，生态需水量整体上和其它几个湿地相比较大，从图中几个湿地生态需水过程来看，可以发现之间共同的生态需水特征。特征一：各湿地保护区的生态需水过程变化趋势基本相同，均呈现“M型”变化趋势。从1-3月东北湿地处于冰封期，各湿地生态需水量均较小，变化缓慢。从3-5月各湿地生态需水量突然快速增大，并在5月达到M的第一个峰值，随后在7、8月份又降了下来。在9月份形成M的第二个峰值，之后逐渐下降，直至年底。特征二：各湿地生态需水量在5月份和9月份达到最大值，且9月份稍大于5月份。挠力河湿地在5、9月的生态需水量为11607.1万m3、12272.4万m3，分别占全年需水量的27.1%、28.6%；整个研究区域在5、9月的生态需水量为16586.3万m3、18459.6万m3，分别占全年需水量的25.8%、28.7%。由于研究区域湿地在5、9月份的蒸发量较大，降雨量较小，另外5月份湿地植被开始萌芽生长，对水的需求较大，因此湿地生态需水量在5、9较大，出现峰值。特征三：7、8月份各湿地生态需水量急剧下降。挠力河湿地在7、8月份的生态需水量为3134.6万m3、2525.9万m3，分别占全年需水量的7.3%、5.9%；整个研究区域在7、8月的生态需水量为4804.7万m3、3831.6万m3，分别占全年需水量的7.5%、6.0%。由降雨数据可知，在8月份左右时的降雨量最大，且此时湿地内有河流经过，输送较多的水资源量，所以此时需水量较小。特征四：冬季时湿地的生态需水量较小。经过生态需水量计算发现湿地在11月至次年3月时段内的需水量较低，此时段三江平原正处于寒冷的冬季，蒸发量较小，水域和泥土皆处于冰封状态，鸟类等动物基本迁至南方，生态需水量较低。1.3补水方案问题分析多年来进入挠力河流域湿地的径流量整体呈下降趋势，如图1.5所示，尤其是在1998之后，出现连续干旱年份，说明湿地地表水资源来水量整体上减少是直接导致湿地面积萎缩的重要原因。为了防止湿地继续萎缩和退化，对湿地进行人工补水修复成为一种非常重要且又有效可行的修复方法。生态补水工程为湿地植被提供了良好的生长条件，为湿地众多珍稀水禽、鸟类以及鱼类等水生生物提供了良好的水域空间，可以驱使湿地生态系统朝着良好的方向演变发展。对湿地进行生态补水的目的是让前期计算的生态需水量理论值合理的配置到湿地缺水区域，且根据湿地需水时段所具有一定的时效性，湿地通过补水使其水域面积、水深达到适宜状态并在一定时间内保持相对稳定，从而维持湿地的生态功能。线性（挠力河湿地群线性（挠力河湿地群入流量）挠力河湿地群入流量图1.5挠力河湿地群入流量Fig.1.5InflowofNaoliRiverwetlandgroup但目前对湿地补水的研究还不算成熟，存在一定的问题，大量的湿地补水修复研究仍然停留在湿地需补水量的理论化阶段，只注重了在不同缺水区域的需补水量大小，而忽略了补水策略以及补水过程。在实际补水工程中，水量未必会配置到理想的缺水区域，许多补水措施仍然采用有水就补或者相机补水的方式，没有注重考虑对湿地的补水时机和效果。本研究将从补水模式、生态补水量、补水位置、补水时段几个方面对湿地补水方案进行分析。1.1.1补水模式目前关于湿地的补水模式存在多种，由补水水源的不同可分为雨洪补给模式、应急补水模式、退水补给模式等ADDINNE.Ref.{76AB62C6-3BAE-4F93-905A-17EB4ADB516C}[26]。雨洪补给湿地是洪泛平原湿地常见的一种补水模式，研究区域分布有大面积的沼泽湿地、沼泽化草甸湿地、河流湿地，当湿地遇到极端的水文情势后，湿地内的河流漫滩、低洼地区、地势平坦地区便会被洪水泛滥。洪水补给一般会以高流量、高脉冲的水流进入湿地，具有破坏力大的特点，可能会对湿地珍稀水禽、植被和生物栖息地带来不利影响。但是洪水干扰同样也会带来一定的正面效应，由于水流的急速性，短时间内可以流入大量的水资源，补充湿地地表水，扩大湿地面积、提高湿地地表水水位ADDINNE.Ref.{61FDDC89-B59C-4DDB-8D3B-29B33B65D76A}[56]。另外其携带的营养物质非常丰富，可有助于湿地蓄滞洪区的修复，有益于湿地生物生存繁衍，化灾害为资源。但是随着近些年的经济发展，为了更好的服务于湿地保护区周边的农业灌区，增加粮食产量和经济收入，在研究区域内大量兴建灌井、沟渠等水利工程，原有大面积依赖于雨洪补给的湿地水量来源被这些水利工程阻断，造成湿地内水资源短缺、退化严重，有些湿地干涸甚至消失。利用洪水资源对湿地进行补给是一种靠天然来水的补给模式，缺点是严重依赖于自然条件，不受人为控制，因此有资源和灾害两种发展倾向。研究区域多年降雨量小于蒸发量，湿地日渐退化，再加之区域内水利工程的影响，仅靠雨洪补给还远远不足，需要在分析降雨、径流等天然来水补给的基础上对湿地进行人工补水。应急补水是对湿地进行紧急缓解和挽救湿地严重生态危机的一种补水模式，在我国也得到了广泛应用。采用此种湿地修复模式需要付出大量的工程代价，需提前考虑补水来源进行补水工程规划、设计。随着人类对生态环境的重视，结合在本研究区域内的水系连通等工程条件，对湿地进行应急补水修复是一种良好的补水模式。在研究区域水利工程效益之前可采用应急补水模式，但仅靠应急补水则费力费时，同时湿地补水效果也发挥不到极致，待水利工程完善以后应实施长效补水机制，对湿地进行长时间持续修复。研究区域尚未有成体系的补水方案，建立一个高效的补水方案异常关键，对今后湿地补水修复有重大意义。退水补给模式往往要伴随着其他的补水方式一起对湿地进行补给，为了满足灌区农作物的生长，本研究区域内有限的水资源主要用于农业灌溉。研究区域分布有大兴灌区、龙头桥灌区、锦南灌区等诸多灌区，随着井灌水面面积的增加，大量的地表水被引入灌区来满足农业灌溉需求，相应的灌区农业退水也会增加，大部分水量都会流入湿地或者河流。因此在枯水年规划补水方案时农业退水也将湿地的重要补给水源，若能将农业退水资源加以合理的利用，将会有效缓解湿地生态用水需求，减轻当地水资源压力。由于研究区域内水资源短缺，生态用水严重不足，需求量大，适用于本区域的补水方法多样，并不局限于单一补水方法，因此可考虑采用多种模式对湿地进行补水。综合利用区域周边多种水源使得多种补水策略相结合，使区域内有限的水资源来满足湿地生态用水需求。1.1.2生态补水量生态补水量的理论计算是补水资源优化配置以及补水方案确定的科学依据和前提，目前我国对于湿地生态补水量的定义还不是特别明确。生态需水量和生态补水量有着密切的联系，生态需水量有广义需水量和狭义需水量之分，广义上的生态需水量是指为了在恢复目标下维护湿地生态系统和功能正常运行并正向有效发展所需的总水量，而狭义上的生态需水量为维护湿地生态系统和功能正常运行并正向有效发展所需要补充的水量，是能直接调动和支配的径流性水资源。将广义上的生态需水量作为生态补水量是不精确、不合理的，因为总的需水量包含了天然来水量（如降雨、河水流入湿地）、湿地地表原有储水量，此部分水量后续不要通过补水工程来重复补充。从补水工程实际意义上狭义的湿地生态需水量更加接近生态补水量。湿地生态补水量在时效性方面与湿地生态需水量有所不同。湿地生态需水量具有时段性，湿地需水时间比较集中，需要计算每个月的需水量，湿地需水总量是逐月需水量累加的结果；而湿地生态补水量是一个总量的概念，补水量和补水过程是自主性的，具体的补水量和补水阶段及过程要根据实际补水效果进行合理配置。以往不少补水案例同样考虑到了湿地需水过程，对湿地按照实际需水量进行补给，但是忽略了实际水流延迟和损失的影响，易导致需水和补水在水量和过程上的不同步。因此，要综合考虑湿地生态需水过程和实际水流演进来确定补水量和补水过程。1.1.3补水位置补水位置的选取是生态补水配置中比较关键的内容，不能随意设置补水口的位置和数量，补水位置不合理或数量较少可能导致补水水体很难演进漫延至湿地保护区较远的内部区域，补水效果不能很好的发挥到极致。补水位置及路线的规划设计应充分考虑地形、水利工程设施等因素，使水资源高效利用。同时补水口的数量也应合理设置，结合引水总渠、排水干渠等采用分段布置，设置多个补水口，尽量对不同补水单元和各个湿地保护区都均匀设置补水点，充分利用现有补水设施，尽量利用