七里海濕地水系統(tǒng)保護(hù)策略的探索與構(gòu)想

林建桃, 楊冬冬, 曹　磊

(1. 天津理工大學(xué)藝術(shù)學(xué)院， 天津 300384； 2. 天津大學(xué)建筑學(xué)院， 天津 300072)

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七里海濕地水系統(tǒng)保護(hù)策略的探索與構(gòu)想

林建桃1, 楊冬冬2, 曹磊2

(1. 天津理工大學(xué)藝術(shù)學(xué)院， 天津 300384； 2. 天津大學(xué)建筑學(xué)院， 天津 300072)

七里海濕地是天津市重要的濕地生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行保護(hù)與修復(fù)意義重大。文章依據(jù)歷史文獻(xiàn)資料,對(duì)七里海濕地水系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)狀分析，并根據(jù)水文與地質(zhì)數(shù)據(jù)，采用GIS平臺(tái)和DHI開(kāi)發(fā)的MIKE21軟件，建立七里海濕地水系統(tǒng)格局平面二維模型，進(jìn)行了仿真模擬計(jì)算，探索了一種科學(xué)可行的濕地水系統(tǒng)格局修復(fù)和水系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理模式，為七里海濕地的科學(xué)保護(hù)提供了重要的參考。

七里海濕地; 科學(xué)保護(hù); 仿真模擬; 水系治理

一、 濕地概況

天津七里海濕地位于天津?qū)幒涌h西南部，距離寧河縣城約23 km，形成于7000年前。濕地的中心位置為東經(jīng)117°47′,北緯39°17′。據(jù)分析，七里海濕地最初形成于海洋退化后的洼地，曾經(jīng)是渤海海域的海底。自全新世紀(jì)年以來(lái)，天津所在的渤海區(qū)域不斷受到海退和海浸的自然過(guò)程，使得七里海地區(qū)暴露于地表，形成了獨(dú)具特色的濱海瀉湖自然景觀，特別是牡蠣礁、貝殼堤等地質(zhì)遺跡景觀，世界少有[1-2]。七里海濕地在區(qū)域上包括核心區(qū)、實(shí)驗(yàn)區(qū)和緩沖區(qū)三部分；內(nèi)容上包括地質(zhì)遺跡與濕地生態(tài)系統(tǒng)兩部分[3-4]。七里海濕地精確面積為344.38 km2，其中核心區(qū)面積44.85 km2，緩沖區(qū)面積42.27 km2，實(shí)驗(yàn)區(qū)面積257.02 km2，另加俵口村面積0.24 km2。

二、 濕地水系現(xiàn)狀

七里海濕地的水系是指七里海濕地古瀉湖區(qū)幾經(jīng)變遷形成的湖面以及人工修建的溝渠系統(tǒng)。古瀉湖實(shí)際就是目前七里海濕地的幾大片水域，是由海侵時(shí)海水延伸，海退時(shí)留下的洼地逐漸形成的。

根據(jù)文獻(xiàn)研究，近代100年來(lái)，七里海濕地的水域面積、自然環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)均發(fā)生了較大的變化，主要是由人類活動(dòng)造成的。其發(fā)展經(jīng)歷了自身自然演變、人工改造治理、人工圍墾養(yǎng)殖和人工恢復(fù)治理及旅游開(kāi)發(fā)等階段[5-6]。

20世紀(jì)50年代之前，七里海包含前七里海、后七里海和曲里海。其周圍洼地星羅棋布，水量充足，水質(zhì)良好，保持著原始的濕地景觀，總面積約108 km2(不含曲里海)。20世紀(jì)60年代，由于經(jīng)歷三年自然災(zāi)害，為解決農(nóng)民的溫飽問(wèn)題，當(dāng)?shù)卣畬⒑笃呃锖：颓锖Ｌ钇?，開(kāi)墾為農(nóng)田。由此，后七里海和曲里海消失，僅剩前七里海，其面積由原來(lái)的78 km2減少到了68.5 km2，減少了近10 km2。

20世紀(jì)70年代，由于河道疏通的需要，開(kāi)挖潮白新河，而新規(guī)劃中的潮白新河正好通過(guò)七里海，將原本一體的七里海攔腰截?cái)?，分為東七里海和西七里海，七里海被人為地截為兩段，形成了目前概念意義上的東七里海和西七里海，水域面積減少了約53 km2。

改革開(kāi)放以后，在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)下，七里海地區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)逐漸興起，東、西七里海的大片水域以及濕地周圍的大片農(nóng)田都被改建為養(yǎng)殖池，七里海水域面積進(jìn)一步縮小。七里海濕地核心區(qū)水域現(xiàn)狀如圖1所示。

七里海濕地水域面積的變化有自然原因，也有人為原因，但從近幾十年的發(fā)展情況看，主要是人為因素造成的：1)人為的濕地開(kāi)發(fā)利用造成了自然濕地的萎縮；2)七里海周邊的河流水系治理工程加速了該區(qū)域水域的衰亡；3)人為的污水排放嚴(yán)重地影響了七里海及周邊水域的水體質(zhì)量[7]。

三、 濕地水系治理

為了更好地對(duì)七里海濕地實(shí)施科學(xué)的保護(hù)，本文從水系治理入手，通過(guò)采用GIS平臺(tái)和DHI開(kāi)發(fā)的MIKE21軟件，建立七里海濕地水系統(tǒng)格局平面二維模型，進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，形成一套科學(xué)可行的濕地水系統(tǒng)格局修復(fù)和水系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理模式，從水系治理方面對(duì)七里海濕地提出解決措施。

七里海濕地水系治理由濕地水系統(tǒng)格局修復(fù)和水系統(tǒng)管理運(yùn)營(yíng)兩大部分內(nèi)容組成。水系修復(fù)即指修復(fù)甚至重建濕地內(nèi)能夠起到涵養(yǎng)植被、輸送水源作用的溝渠系統(tǒng)，以及修復(fù)起到蓄滯作用的集中水面或水庫(kù)；水系統(tǒng)管理運(yùn)營(yíng)則主要包含了水源補(bǔ)給量值、分配份額的確定以及水循環(huán)模式的提出。兩者關(guān)系密切，互相影響，相輔相成，彼此匹配，起到高效、合理修復(fù)濕地的作用。

濕地修復(fù)堅(jiān)持“盡量減少人為工程改造，最大化避免外來(lái)干擾”的原則。水系統(tǒng)格局修復(fù)直接受到七里海濕地現(xiàn)狀布局、土壤條件、地形情況的制約，因此，本文采取“以系統(tǒng)修復(fù)構(gòu)建為導(dǎo)向，系統(tǒng)管理運(yùn)營(yíng)加以配合”的水系治理策略。相應(yīng)的工作流程為：先提出水系統(tǒng)格局修復(fù)方案，然后以此為藍(lán)本開(kāi)展水系統(tǒng)管理運(yùn)營(yíng)的相關(guān)內(nèi)容，再對(duì)方案進(jìn)行校核和優(yōu)化，以提出最佳水系治理方案。水系治理方案流程如圖3所示。

(一) 濕地水系統(tǒng)格局修復(fù)

1. 水系統(tǒng)格局設(shè)計(jì)

在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，主要進(jìn)行以下三方面的修復(fù)與調(diào)整。

(1) 擴(kuò)大水面。東海是通過(guò)打通現(xiàn)狀興坨水庫(kù)和俵口水庫(kù)來(lái)擴(kuò)大水面，西海是在現(xiàn)狀低洼處開(kāi)挖新的水面。擴(kuò)大水面可以達(dá)到蓄水的功能。

(2) 疏浚、貫通干渠。干渠位于七里海濕地外圍四周，向中心與輸水支渠、蓄水水面相連，向外與潮白河通過(guò)閘壩相通，其連接與紐帶作用突出，引輸水功效顯著。環(huán)海干渠總長(zhǎng)度33 486 m，其中東海干渠寬100 m，長(zhǎng)11 000 m，設(shè)計(jì)水深2 m；西海(除津塘運(yùn)河水域)干渠長(zhǎng)14 724 m，寬20 m，深2 m。干渠設(shè)計(jì)邊坡均采用非對(duì)稱式設(shè)計(jì)，北側(cè)邊坡采用1∶5，南側(cè)邊坡采用1∶3，設(shè)計(jì)水深2 m。

(3) 挖掘、連通濕地內(nèi)輸水渠。輸水渠是向濕地、葦?shù)刂行妮斔?、涵養(yǎng)蘆葦生長(zhǎng)的重要通道；其總體布局形如魚(yú)骨，目的是保障輸水的均勻性和秩序性。輸水渠有兩種斷面：寬10 m的支渠(包括現(xiàn)狀)總長(zhǎng)約為129 028 m，設(shè)計(jì)水深1.5 m，設(shè)計(jì)邊坡為1∶4；寬5 m的支渠總長(zhǎng)176 976 m，設(shè)計(jì)水深1 m。

2． 水系統(tǒng)斷面設(shè)計(jì)

(1) 輸水渠斷面設(shè)計(jì)。輸水渠設(shè)計(jì)以濕地恢復(fù)、保障涵養(yǎng)水源供給為主要目標(biāo)，并綜合考慮輸水量和檢修行船需求，確定輸水渠斷面。據(jù)相關(guān)地質(zhì)勘探顯示：由于濕地表面2 m以下地層保留有七里海濕地形成過(guò)程中海相沉積物印記，因此輸水渠深度嚴(yán)格控制在1.5 m左右。輸水渠寬度有10 m和5 m兩種，由于濕地內(nèi)輸水渠流速緩慢，因此護(hù)岸采用斜坡式土質(zhì)邊坡。1)河口寬度在10 m的輸水渠，為塑造更多淺灘沼澤，邊坡采用復(fù)式設(shè)計(jì)，即近岸部分坡度舒緩，邊坡為1∶5；近底部分坡度較陡，為1∶3。因坡度均滿足天津地區(qū)土壤抗滑穩(wěn)定條件，故無(wú)護(hù)坡。2)河口寬度在5 m的輸水渠，受寬度限制，不做護(hù)坡。

(2) 干渠斷面設(shè)計(jì)。干渠寬度、深度基本延續(xù)現(xiàn)狀干渠條件，加以清淤疏浚。東海干渠河口寬度100 m；深度2 m。西海干渠河口寬度20 m；深度2 m。設(shè)計(jì)邊坡采用非對(duì)稱式設(shè)計(jì)：北側(cè)邊坡采用1∶5，較大坡度利于淺灘沼澤的形成；南側(cè)邊坡采用1∶3，較小坡度適宜行船，避免擱淺。由于兩側(cè)坡度均滿足土壤抗滑穩(wěn)定條件，故無(wú)需護(hù)坡。

(二) 濕地水系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理

七里海濕地水系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理可分為兩個(gè)主要部分，分別是水文分析和水動(dòng)力模擬分析。水文分析關(guān)注大環(huán)境背景下濕地降雨、滲透、河流補(bǔ)水、蒸發(fā)、植物消耗等水量補(bǔ)損情況，又可稱為水量平衡分析。目的是確定濕地的年補(bǔ)引水量，是一種對(duì)濕地宏觀水文環(huán)境的研究分析。水動(dòng)力模擬分析則聚焦不同氣候條件下場(chǎng)地內(nèi)部的水環(huán)境，涉及水深、水淹沒(méi)等信息，是一種對(duì)濕地動(dòng)態(tài)水文環(huán)境的探究。七里海濕地水系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理的研究?jī)?nèi)容很大程度上決定了濕地水源涵養(yǎng)的合理性、高效性，并對(duì)濕地植被的修復(fù)具有重要影響。需要指出的是，水量平衡和水動(dòng)力模擬兩部分研究?jī)?nèi)容并不是彼此獨(dú)立、相互割裂的，而是有著密切的聯(lián)系。水動(dòng)力模擬的部分輸出數(shù)據(jù)是水量平衡計(jì)算的參數(shù)項(xiàng)之一，而水量平衡中的降雨、蒸發(fā)等是水動(dòng)力模擬的邊界條件。

1． 水量平衡原理

從濕地生態(tài)循環(huán)過(guò)程和模式角度看，以蘆葦為代表的水生植物的生長(zhǎng)情況，決定了濕地對(duì)于上層生物(魚(yú)、鳥(niǎo)禽等)生存的適宜程度和吸引力，是濕地能否健康發(fā)展、生境及物種多樣性能否日漸豐富的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，本研究選取蘆葦為七里海濕地的目標(biāo)植物物種，以適宜蘆葦?shù)人参锷L(zhǎng)的需水量為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行水量平衡分析，從而獲得七里海濕地修復(fù)、植物涵養(yǎng)所需水量。

2． 水量平衡分析

七里海濕地屬于蘆葦沼澤濕地，植物以蘆葦群落為主。但隨著近十年來(lái)七里海濕地水源的大幅減少以及人類活動(dòng)的影響，濕地內(nèi)蘆葦生長(zhǎng)嚴(yán)重退化，由三四十年前畝產(chǎn)1 500斤左右，已減少到目前的畝產(chǎn)500～600斤?？梢?jiàn)，水分涵養(yǎng)對(duì)于七里海濕地蘆葦生長(zhǎng)非常重要。

但在不同的生長(zhǎng)期以蘆葦為代表的水生植物需要水分的量也是不同的，充分了解和掌握蘆葦對(duì)水分需求的生長(zhǎng)習(xí)性，采用科學(xué)合理的補(bǔ)水方式，既可提高蘆葦對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的適宜性，又可有效地利用水資源，降低補(bǔ)引水量，減少濕地保護(hù)管理運(yùn)營(yíng)成本，是濕地水系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理的關(guān)鍵。

參考相關(guān)研究成果，七里海濕地四季補(bǔ)、排水方案如下為宜。

春季：第一次補(bǔ)水在3月初蘆葦發(fā)芽前，此時(shí)是在蘆葦初灌時(shí)期，土壤尚未融凍，灌溉深度為10 cm～15 cm為宜。

第一次排水在4月初，一周內(nèi)全部排完，排水若太晚或不徹底則造成悶芽。

第二次補(bǔ)水在4月中下旬，此時(shí)蘆葦發(fā)芽率不足70%，灌水量以土層濕潤(rùn)為宜，不宜過(guò)深。本次灌水可促進(jìn)蘆葦生長(zhǎng)，控制蘆葦密度。

夏季：5月中旬至7月下旬，這一時(shí)期是蘆葦迅速生長(zhǎng)期，其高度已占全生育期高度70%～80%。采用排灌反復(fù)交替方式，有助于蘆葦?shù)纳L(zhǎng)。 5月份灌20 cm水層自由落干后，曬田后補(bǔ)水(經(jīng)計(jì)算天津地區(qū)夏季落干+曬田需要25天左右，近一個(gè)月時(shí)間)。 6月份灌25 cm～30 cm水層自由落干后，曬田后補(bǔ)水到20 cm。7月中下旬正值雨季，空氣濕度大，葦田不易保持過(guò)深的水層，也要求排水曬田。

秋季：立秋開(kāi)始，蘆葦遇強(qiáng)風(fēng)、降雨易折斷，故這個(gè)季節(jié)以淺水、排水為主。淺水控制在5 cm為宜。秋季后期為了增加莖稈硬度，促進(jìn)越冬芽苗萌發(fā)，灌水基本停止。但水溝內(nèi)保持有水狀態(tài)，采用滲透式補(bǔ)水。

冬季：無(wú)補(bǔ)、排水需要。

3． 水量平衡模擬計(jì)算

以七里海東、西兩海的地理基礎(chǔ)資料為依據(jù)，以七里海的水文資料、氣象資料和濕地蘆葦在不同季節(jié)(不同生長(zhǎng)期)所需水深為邊界條件，利用GIS平臺(tái)和DHI開(kāi)發(fā)的MIKE21軟件，建立七里海濕地水系統(tǒng)格局(環(huán)海干渠、輸水支渠和水庫(kù))平面二維模型，進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，從而獲得不同季節(jié)濕地的補(bǔ)引水量、淹沒(méi)情況。三月初第一次灌水，葦?shù)剡_(dá)10 cm～15 cm水深，葦?shù)刂兴繛? 513 816 m3，淹沒(méi)面積為8.885 km2，如圖4所示；四月自然蒸發(fā)滲透排水，依靠溝渠保持濕地內(nèi)基流，葦?shù)刂兴繛? 424 664 m3，淹沒(méi)面積為5.603 km2，如圖5所示；五月起排灌交替式灌水，灌溉深度20 cm。葦?shù)刂兴繛? 971 549 m3，淹沒(méi)面積為9.243 km2，如圖6所示；六月起隨著蒸發(fā)量的增大，灌溉深度達(dá)25 cm～30 cm，葦?shù)刂兴繛?6 434 114 m3，淹沒(méi)面積為9.260 km2，如圖7所示；秋初灌水保障淺水層5 cm左右厚度，保障蘆葦?shù)纳成L(zhǎng)，葦?shù)刂兴繛? 072 268 m3，淹沒(méi)面積為8.787 km2，如圖8所示；秋后期，主要依靠溝渠入滲補(bǔ)水，如圖9所示。上述各圖中，深色為淹沒(méi)區(qū)域，淺色為非淹沒(méi)區(qū)域。

西海補(bǔ)引水情況：三月，狀態(tài)量為15 907 279 m3，淹沒(méi)面積為19.974 km2，如圖10所示；四月，狀態(tài)量為13 228 171 m3，淹沒(méi)面積為13.727 km2，如圖11所示；五月，狀態(tài)量為19 450 867 m3，淹沒(méi)面積為24.667 km2，如圖12所示；六月，狀態(tài)量：20 685 149 m3，淹沒(méi)面積：25.705 km2，如圖13所示；九月，狀態(tài)量：14 910 920 m3，淹沒(méi)面積：19.891 km2，如圖14所示；十一月，自由落干，如圖15所示。上述各圖中，深色為淹沒(méi)區(qū)域，淺色為非淹沒(méi)區(qū)域。

4． 需水量計(jì)算

基于濕地四季補(bǔ)、排水方案，綜合考慮蒸發(fā)(見(jiàn)表1)、降雨(見(jiàn)表2)、下滲和植物耗水量[8](見(jiàn)表3)，借助Globe Mapper軟件，分別計(jì)算東、西七里海年內(nèi)逐月需水量，如表4、表5所示。經(jīng)計(jì)算，東七里海年均需水量為2 774.17萬(wàn)m3，西七里海年均需水量為 8 175.9萬(wàn)m3。

表1　天津多年平均各月蒸發(fā)量　單位：mm

表2　天津多年平均各月降水量　單位：mm

表3　一株2.0高蘆葦全生育期需水量　單位：m3

表4　七里海東海年內(nèi)逐月需水量　單位：萬(wàn)m3

表5　七里海西海年內(nèi)逐月需水量　單位：萬(wàn)m3

(三) 濕地水系統(tǒng)循環(huán)模式

七里海東海和西海內(nèi)水體系統(tǒng)彼此獨(dú)立運(yùn)行，各自從潮白河引水補(bǔ)充水量。

1. 西海水體循環(huán)模式

利用西海東南角處現(xiàn)狀揚(yáng)水站引潮白河水至環(huán)海溝內(nèi)，環(huán)海溝輸水至西海四周；輸水渠道與環(huán)海溝相連，導(dǎo)水至葦?shù)刂?，涵養(yǎng)葦?shù)兀髦林行陌嫉靥巺R聚，形成大水面。

2. 東海水體循環(huán)模式

利用東海西北角處現(xiàn)狀揚(yáng)水站引潮白河水至水庫(kù)內(nèi)，經(jīng)由水庫(kù)南側(cè)堤壩上水門(mén)引水至葦?shù)刂?目前水庫(kù)的水不能引至葦?shù)刂?，涵養(yǎng)葦?shù)?。葦?shù)刂兴畢R流至西海外圍南側(cè)環(huán)海溝，流入水庫(kù)內(nèi)，形成循環(huán)水流。

四、 結(jié)　語(yǔ)

七里海濕地的保護(hù)與修復(fù)是天津市十二五規(guī)劃的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，在天津市政府人力、物力的大力投入下，目前已經(jīng)取得了一定的成效。本文從實(shí)際工程出發(fā)，依據(jù)詳實(shí)的歷史資料、科學(xué)的地質(zhì)和水文數(shù)據(jù)，對(duì)七里海濕地水系系統(tǒng)提出了現(xiàn)實(shí)可行的治理方案，形成了七里海濕地水系統(tǒng)的循環(huán)模式，為工程項(xiàng)目的快速實(shí)施提供了依據(jù)，為建設(shè)美麗天津、生態(tài)天津做出了重要貢獻(xiàn)。

[1]楊會(huì)利，袁振杰，高偉明．七里海瀉湖濕地演變過(guò)程及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析[J]．濕地科學(xué)，2009，7(2)：118-123．

[2]馮金良．七里海瀉湖的形成與演變[J]．海洋湖沼學(xué)報(bào)，1998(2)：6-11．

[3]紀(jì)大偉，鄧紅，馬志華．天津古海岸與濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)范圍調(diào)整及其必要性研究[J]．濕地科學(xué)與管理，2010，6(1)：30-33．

[4]劉泓，汪蘇燕．自然保護(hù)區(qū)管理模式和機(jī)制初探：天津古海岸與濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理實(shí)踐[J]．海洋開(kāi)發(fā)與管理，2005，22(4)：36-40．

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[7]高曉云，七里海濕地保護(hù)管理對(duì)策研究[J]．天津科技，2004(6)：14-16．

[8]姚慧敏，劉景蘭．七里海濕地水資源現(xiàn)狀及其生態(tài)需水量研究[J]．礦產(chǎn)勘查，2010，1(6)：598-602．

Exploration and Conception of Aqueous System Protection Strategy of Qilihai Wetland

Lin Jiantao1, Yang Dongdong2, Cao Lei2

(1.Art College of Tianjin Technology University, Tianjin 300384, China;2. School of Architecture, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Qilihai wetland is an important wetland ecosystem in Tianjin, so the protection and restoration of the wetland is of vital significance. Based on historical literatures, this paper analyzes the current status of Qilihai wetland’s aqueous system. A two-dimensional model of Qilihai wetland’s aqueous system is built on hydrological and geological data for simulation by exploiting GIS and MIK21 developed by DHI. In this study, one scientific and feasible wetland aqueous system restoration and management model is developed, providing an important reference for scientific protection of Qilihai wetland.

Qilihai wetland; scientific protection; simulation; aqueous system restoration

2016-03-14.

林建桃(1979—)，女，講師。

林建桃，linjiantao@tju.edu.cn.

TU986

A

1008-4339(2016)05-445-06