七星河國家自然保護(hù)區(qū)生態(tài)需水量計算分析

潘華盛,姚俊英,崔守斌,李崇濤,高 峰

(1.黑龍江省氣象臺，哈爾濱 150030；2.黑龍江省氣象服務(wù)中心，哈爾濱 150030； 3.七星河國家自然保護(hù)區(qū)管理局， 黑龍江 寶清 155600；4.寶清縣生產(chǎn)力促進(jìn)中心，黑龍江 寶清 155600)

七星河國家自然保護(hù)區(qū)生態(tài)需水量計算分析

潘華盛1,姚俊英2,崔守斌3,李崇濤4,高 峰4

(1.黑龍江省氣象臺，哈爾濱 150030；2.黑龍江省氣象服務(wù)中心，哈爾濱 150030； 3.七星河國家自然保護(hù)區(qū)管理局， 黑龍江 寶清 155600；4.寶清縣生產(chǎn)力促進(jìn)中心，黑龍江 寶清 155600)

基于自然保護(hù)區(qū)水文、氣象參數(shù)及濕地生態(tài)環(huán)境特征值，采用水量平衡方程，計算了區(qū)內(nèi)約2×104hm2濕地(包括蘆葦濕地、淡水湖面、草地和耕地)的生態(tài)需水量。結(jié)果表明，最佳生態(tài)需水量4.07×108m3，最大生態(tài)需水量4.40×108m3,最小生態(tài)需水量3.51×108m3。由于保護(hù)區(qū)周邊水稻種植面積增長，保護(hù)區(qū)增加補(bǔ)給地下水量2.65×108m3/a。

生態(tài)需水量；計算；分析；地下水

0 引 言

七星河國家自然保護(hù)區(qū)位于黑龍江省三江平原腹地，寶清縣北部40 km處。地理坐標(biāo)為132°5′E～132°26′E，46°40′N～46°52′N。東西長30 km，南北寬10 km，總面積約2×104hm2。其中核心區(qū)7 960 hm2，緩沖區(qū)面積3 600 hm2，實(shí)驗(yàn)區(qū)面積8 440 hm2。屬于內(nèi)陸濕地和水域生態(tài)系統(tǒng)類型自然保護(hù)區(qū)。保護(hù)區(qū)距七星河與撓力河匯合處僅25 km，地勢低洼，排水不暢，河流坡降比1/4 500,為典型的低平原河谷漫灘地貌景觀。濕地保護(hù)區(qū)的地貌特征可概括為“兩草一水七分葦”，是三江平原唯一的大面積蘆葦沼澤，具有高度的代表性和典型性，同時該濕地是三江平原比較完整的生態(tài)系統(tǒng)原始、典型、齊全的濕地，是典型的內(nèi)陸低溫高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)[1]。

近年來對濕地水文，濕地生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)重建、水資源配置已成為濕地水文專家關(guān)注的焦點(diǎn)[2-5]。生態(tài)需水研究是生態(tài)水文學(xué)的重要研究內(nèi)容之一,對生態(tài)恢復(fù)與環(huán)境保護(hù)和水資源合理配置提供科學(xué)依據(jù)[6-8]。濕地生態(tài)需水量計算是為濕地配水服務(wù)的, 需要有一定的地表水量, 以滿足蘆葦?shù)人参锏纳L和水禽的棲息、繁殖等需要。

1 方法與資料

七星河國家自然保護(hù)區(qū)降水資料，采用Barnes網(wǎng)格距離權(quán)重插值方法[9],用濕地保護(hù)區(qū)周圍有氣象觀測資料的五九七農(nóng)場、寶清、富錦、雙鴨山、佳木斯、集賢等臺站降水，形成了七星河濕地保護(hù)區(qū)1961～2008年年降水資料。濕地蒸散發(fā)量是濕地水量平衡中的一個重要分量，濕地植被種類對濕地蒸散發(fā)量有很大影響,采用陳剛起等研究蘆葦沼澤比開闊水面有更大的蒸散發(fā)量結(jié)果[10];因植被的蒸散力除了受太陽輻射、風(fēng)、溫度外還受到物種、葉面指數(shù)、密度、蓋度等影響，增大了蒸發(fā)面積。而水面蒸發(fā)僅受單一氣象因素影響，水面蒸發(fā)量是要比植物蒸散量小。根據(jù)七星河國家自然保護(hù)區(qū)，地貌特征概括為“兩草一水七分葦”和參考2009年全國濕地資源調(diào)查結(jié)果，將保護(hù)區(qū)劃分以下幾個組成部分，見表1。

表1 保護(hù)區(qū)地貌特征面積

2 七星河濕地保護(hù)區(qū)年降水(1967-2008年)年際變化

保護(hù)區(qū)近42 a年降水變化見圖1。由圖1可見，多年平均年降水為518.0 mm?？偟膭澐?個時段為宜，1967～1980年年降水稍少時段，均值為500 mm，1970年出現(xiàn)了年降水極小值為353 mm。1981～1997年年降水偏多時段，均值為560 mm較常年多42 mm，1981年出現(xiàn)了年降水極大值為801 mm。1998～2008年為降水偏少時段，均值497 mm較常年少21 mm?；九c黑龍江省氣候變化一致[11]。

圖1 保護(hù)區(qū)1967～2008年年降水變化Fig.1 Annual precipitation change in reserve in 1967～2008

3 濕地生態(tài)需水量計算與分析

濕地生態(tài)需水量就是指濕地為維持其生命活動和自身發(fā)展過程所需要的水量。包括濕地植物需水量(濕地植物的蒸騰耗水、棵間水面或土壤的蒸發(fā)耗水)；濕地土壤需水量(土壤持水量)；濕地動物需水量(動物生態(tài)習(xí)性、生理活動需水量)。它區(qū)別生態(tài)環(huán)境需水，生態(tài)環(huán)境需水指為基本遏制生態(tài)環(huán)境惡化趨勢，并逐步改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量所需要的水量[12]。

沼澤濕地蒸散發(fā)耗水量以及地下水出流量之和再去掉降水量即為濕地生態(tài)需水量，即水量平衡方程[8]為：

(1)

式中Ws為常年生態(tài)需水量，m3；E為常年蒸發(fā)量，m3，其中包括蘆葦蒸散發(fā)量，濕地純湖面蒸發(fā)量和陸地蒸發(fā)量(草地+耕地)3項(xiàng)之和；G為常年地下水流出量，m3；P為常年降水量，m3。

由于濕地保護(hù)區(qū)沒有蘆葦蒸散發(fā)量的監(jiān)測資料，蘆葦?shù)恼羯l(fā)量，因其生長情況不同而有很大變化, 且不同地區(qū)的蘆葦蒸散發(fā)量也會有很大不同, 目前相關(guān)的研究尚不多見。實(shí)際計算中,可取相近地區(qū)的測量值。本文取文獻(xiàn)[6]蘆葦濕地蒸散發(fā)量按蘆葦?shù)燃壷械壬w度( 60%～80% ) ，蘆葦級別Ⅱ，蒸散量1 400 mm。因這兩個保護(hù)區(qū)基本處在同一緯度上，濕地類型相似。其它取本保護(hù)區(qū)濕地資料，水面蒸發(fā)量為857.7 mm，陸地蒸發(fā)量630.5 mm。多年平均降水量518.0 mm。代入式(1)中E-P項(xiàng)：

(2)

同樣可求出

(2a)

(2b)

水分通過滲漏的途徑實(shí)現(xiàn)地下水交換，如濕地周邊豐水, 而沼澤濕地儲水量較少，水位較低時,周邊補(bǔ)給沼澤濕地,反之則沼澤濕地補(bǔ)給周邊。由于水稻種植面積的迅速發(fā)展，加大了對七星河地下水的開采強(qiáng)度。1992～2001年七星河下游平原地區(qū)地下水位呈下降趨勢，其中潛水位下降速率在11～32 cm/a。地下水位的降低加大了濕地水對地下含水層的補(bǔ)給速率，導(dǎo)致濕地水量減少，加快濕地萎縮與退化的進(jìn)程，使地下水文系統(tǒng)處在負(fù)均衡系統(tǒng)。位于七星河南側(cè)保護(hù)區(qū)及周邊地區(qū)的地下水位同樣總體呈下降趨勢。同時對地下水開采量明顯增加，使得地下水位呈明顯下降趨勢。如五九七農(nóng)場四分場24隊(duì)長期觀測井自1997年5月至2005年6月20日5日地下水變化顯示水稻田的發(fā)展對地下水位的下降有明顯貢獻(xiàn)。由于每年5至8月，地下水位下降2～3 m，這將加速保護(hù)區(qū)地表水對周邊地區(qū)補(bǔ)充地下水的水量和速度。這可能是保護(hù)區(qū)近10 a地下水位呈下降趨勢的一個較為重要原因之一。

據(jù)統(tǒng)計五九七農(nóng)場濕地水稻耕地面積由1984年的13 hm2到1985年增至130 hm2,到2009年增至16 000 hm2是1985年的123倍。友誼農(nóng)場水稻種植面積自1984年377 hm2,增至到2007年的21 347 hm2增加了55.6倍；地下水位的埋深和地下水位的降低是保護(hù)區(qū)周邊水稻面積的大幅增加的一個主要原因。

為定量分析七星河保護(hù)區(qū)周邊對保護(hù)區(qū)地下水的補(bǔ)充量，可導(dǎo)出因積水深增加而增加補(bǔ)給地下水量(△Q入滲)的計算公式[7-8]，當(dāng)沼澤濕地水位增加時，將增加對地下水的補(bǔ)充量。

(3)

式中△Q入滲為周邊濕地積水入滲補(bǔ)充地下水量，m3;K為濕地土壤飽和導(dǎo)水率，m/d,取0.068 m/d；△H為濕地積水深增加值，取0.5 m，春汛增加水深25 cm, 夏秋汛增加水深30 cm；Zr為潛水位埋深，保護(hù)區(qū)5 m；F為具有明顯積水濕地面積，保護(hù)區(qū)17 333 hm2；T為計算時段，d春汛取30 d，夏秋汛取60 d。以上特征值代人式(3)

(4)

七星河濕地自然保護(hù)區(qū)增加補(bǔ)給地下水量2.65×108m3。如按給水度0.30計，從靜態(tài)角度分析保護(hù)區(qū)可實(shí)際需得到補(bǔ)給地下水量0.8×108m3。使?jié)竦貐^(qū)域地下水位回升0.4 m?？梢姳Ｗo(hù)區(qū)具有較強(qiáng)的地下水補(bǔ)給功能。

將△Q入滲=G=2.65×108m3代入式(1)得出：

(5)

式(5)表示濕地生態(tài)最佳需水量值。

假如在蒸散發(fā)量不變的情況下，最大和最小生態(tài)需水量如下：

(6)

式(6)表示濕地生態(tài)最大需水量值。

(7)

式(7)結(jié)果表示濕地生態(tài)最小需水量值。

在七星河保護(hù)區(qū)的濕地區(qū)，最佳生態(tài)需水量4.07×108m3。最大生態(tài)需水量4.40×108m3,最小生態(tài)需水量3.51×108m3。

考慮到野生生物棲息地需水量是魚類、鳥類等棲息、繁殖所需水量,七星河濕地多種底棲性珍稀魚類對水深要求一般為2 m, 以此為標(biāo)準(zhǔn)可以計算最大生物棲息地需水量，這里不必贅述。

4 結(jié) 論

七星河國家自然保護(hù)區(qū)是比較完整的生態(tài)系統(tǒng)，是原始、典型、齊全的蘆葦沼澤濕地。由于氣候變化影響，土地利用方式的改變，生態(tài)需水量不同年份也不同。本文基于水量平衡方程出發(fā)，計算了七星河濕地國家自然保護(hù)區(qū)生態(tài)需水量，最佳生態(tài)需水量4.07×108m3。最大生態(tài)需水量4.40×108m3,最小生態(tài)需水量3.51×108m3。

[1]于宏敏，劉赫男，潘華盛.黑龍江七星河濕地銳減原因研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報，2013,23(6)：234-239.

[2]劉昌明,夏 軍,于靜潔.東北地區(qū)有關(guān)水土資源配置、生態(tài)與環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的若干戰(zhàn)略問題研究-生態(tài)與環(huán)境卷[M].北京:科學(xué)出版社,2005:96-118.

[3]章光新，尹雄銳 , 馮夏清. 濕地水文研究的若干熱點(diǎn)問題[J].濕地科學(xué)，2008，6(2)：105-112.

[4]王 芳，高永剛，白明祺.近50年氣候變化對七星河濕地生態(tài)系統(tǒng)自然植被第一性凈生產(chǎn)力的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2011,27(1):257-262.

[5] 楊志鋒, 崔保山, 黃國和. 黃淮海地區(qū)濕地水生態(tài)過程、水環(huán)境效應(yīng)及生態(tài)安全調(diào)控[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2006, 21(11):1 119-1 126.

[6]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，2004，18(6)：163-174.

[7]劉正茂，姜 明，童守正.三環(huán)泡滯洪區(qū)的水文功能研究[J].濕地科學(xué)，2008，6(2)：242-248.

[8]李九一,李麗娟,姜德娟,等. 沼澤濕地生態(tài)儲水量及生態(tài)需水量計算方法探討[J]. 地 理 學(xué) 報,2006,61(3):289-296.

[9]張 杰.中小尺度天氣學(xué)[M].北京：氣象出版社,2006:158-160.

[10]陳剛起, 呂憲國, 楊 青, 等. 三江平原沼澤蒸發(fā)研究[J].地理科學(xué), 1993, 13(3):220-226.

[11]潘華盛，王 勇，鄒 濱，等.黑龍江省2012年后由暖干轉(zhuǎn)暖濕型氣候變化及預(yù)測分析[J].黑龍江大學(xué)工程學(xué)報，2013，4(3)：45-50.

[12]崔保山，楊志峰.濕地學(xué)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2009.

Calculation and analysis of the ecological water demand in Qixinghe national nature reserve

PAN Hua-Sheng1,YAO Jun-Ying2,CUI Shou-Bin3，LI Chong-Tao4,GAO Feng4

(1.Meteorological Center of Heilongjiang Province,Harbin 150030,China;2. Heilongjiang Meteorological Service Center, Harbin 150036, China；3.Heilongjiang Baoqing Qixinghe Nationai Nature Administration,Baoqing 155600, Heilongjiang,China;4.Productivity Promotion Center,Baoqing 155600, Heilongjiang,China)

Based on hydrological,meteorological parameters and wetland ecological environment characteristic value in nature reserve, the water balance equation is used to calculate the area of 2×104hm2wetlands, including reed wetland,freshwater lake, combined total of the grassland and arable land ecological water requirement. The best ecological water demand is 4.07×108m3, the maximum ecological water demand is 4.40×108m3, the minimum ecological water demand is 3.51×108m3. Because of the growth of reserve surrounding rice planting area, the recharge of underground water is increased to 2.65×108m3/a.

ecological water demand; calculation；analysis;underground water

10.13524/j.2095-008x.2015.03.045

2015-02-28;

2015-05-03

黑龍江省科技攻關(guān)項(xiàng)目(GC09C106)

潘華盛(1941-)，男，黑龍江哈爾濱人，研究員，研究方向：天氣氣候，E-mail:panhsqxt@163.com。

X143

A

2095-008X(2015)03-0046-04