湖南省資興市城市濕地資源網(wǎng)絡(luò)連通性的生態(tài)水文水質(zhì)效應(yīng)研究

曹宇弛 沈守云 肖 澎 廖秋林

濕地被稱作“地球之腎”，是水陸相互作用形成的獨特生態(tài)系統(tǒng)，在保持生物多樣性和珍稀物種資源、蓄洪防旱、降解污染、調(diào)節(jié)氣候及控制土壤侵蝕等方面具有重要的作用[1-4]。而網(wǎng)絡(luò)連通性指通過構(gòu)建廊道，將破碎的生境斑塊進(jìn)行連接，形成完整的生物棲息地網(wǎng)絡(luò)，起到增加生物物種遷移擴(kuò)散、提高景觀連接度，以及促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)、能量有效流通的作用[5-8]，為解決當(dāng)前快速城鎮(zhèn)化背景下的城市濕地資源保護(hù)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展在空間上的矛盾提供了可能。

中國目前正處于城鎮(zhèn)化高速發(fā)展的階段，城市濕地正面臨著嚴(yán)峻的威脅。第二次全國濕地資源調(diào)查(2009—2013年)結(jié)果顯示，我國濕地面積相比第一次調(diào)查減少了9.33%，遠(yuǎn)低于世界平均水平。而濕地生境破碎化是人類在土地利用過程中造成的主要破壞之一[9]，主要表現(xiàn)為濕地面積的縮小及濕地之間的聯(lián)系減弱，限制了物種擴(kuò)散、遷移，增加了生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性；在現(xiàn)有的城鎮(zhèn)化建設(shè)中，城市建設(shè)面積不斷擴(kuò)張使得城市下墊面改變、不透水面積增加、徑流系數(shù)增大，影響了產(chǎn)流、匯流過程，嚴(yán)重阻斷了濕地的連通性；水資源污染加劇了濕地面積的減少，使?jié)竦厣鷳B(tài)功能下降[10]。

資興城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)濕地資源豐富，但由于城市發(fā)展，整平洼地、填筑溝塘、擠占湖泊等人為破壞現(xiàn)象嚴(yán)重，現(xiàn)有的濕地生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)退化等問題。根據(jù)研究區(qū)域的地理環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件等因素，在現(xiàn)狀濕地格局的基礎(chǔ)上設(shè)定不同的濕地連通方案，生成相應(yīng)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，對所構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)定量計算其產(chǎn)生的生態(tài)水文水質(zhì)效應(yīng)，為資興城市濕地選擇生態(tài)效益最佳的連通性方案，為其濕地資源保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)合理的理論技術(shù)支持。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

湖南省資興市地處東經(jīng)113°08′～113°44′，北緯25°34′～26°18′，地勢東南高、西北低，海拔109～468m，地貌形態(tài)以山地為主，丘陵、崗地、平地交錯。

資興市地處湘江水系之一的耒水上游，地表水系河流密布、溝溪縱橫，呈樹枝狀分布，河道平均坡降為0.77‰，研究區(qū)總面積為11 850.83hm2，城市濕地面積為3 030.41hm2，主要包含東江水系、程江水系和青魯湖等26個水體(圖1)。多年平均徑流深877.9mm。同時，資興市境內(nèi)的東江湖也是湖南省重要的水源地。

1.2 數(shù)據(jù)來源

城市土地利用數(shù)據(jù)來源于Landsat8 OLI影像并結(jié)合資興城市總體規(guī)劃圖紙進(jìn)行調(diào)整，資興城市濕地的位置及大小、給排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)來源于《資興市城市總體規(guī)劃(1999—2020)》(2016年修訂)，其中資興城市濕地位置經(jīng)濕地調(diào)查驗證；氣象數(shù)據(jù)來自于中國氣象臺資興氣象站2011—2016年逐時檢測數(shù)據(jù)，包括降水量、蒸發(fā)量和溫度等數(shù)據(jù)；水文數(shù)據(jù)包括常水位、城鎮(zhèn)防澇水位、2016年流量等水文數(shù)據(jù)及實測部分濕地降水量和徑流量數(shù)據(jù)，與水質(zhì)相關(guān)的來源于資興市水利局和實測研究區(qū)內(nèi)濕地水體中污染物負(fù)荷量數(shù)據(jù)。

1.3 計算平臺

本研究選擇了具有良好靈活性、通用性的SWMM模型，適用于排水系統(tǒng)復(fù)雜的水質(zhì)模擬，對城市化地區(qū)能進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，可模擬不同時間步長任意時刻內(nèi)每個子流域所產(chǎn)生的徑流量的水量水質(zhì)，以及每個河道中水的流量、水深及水質(zhì)等情況，是現(xiàn)階段對于城市地表徑流和污染負(fù)荷研究的最佳模型。許多研究者選用SWMM模型對城市地區(qū)進(jìn)行水文[22]及水質(zhì)[23]模型計算，選擇的控制方程一般為連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程，Horton法、動力波法和污染物計算的指數(shù)沖刷模型能夠準(zhǔn)確模擬研究區(qū)的水文水質(zhì)情況。

根據(jù)鋼材應(yīng)力腐蝕開裂的機(jī)理［1］，可將其分為氫致開裂型（HE）和陽極溶解型（AD）兩大類。如果陽極溶解即鋼材的腐蝕對應(yīng)的陰極反應(yīng)是析氫過程，且釋放出的氫原子分散到鋼材中并對鋼材裂紋的形成與擴(kuò)展起決定作用，這種應(yīng)力腐蝕就稱為氫致開裂型應(yīng)力腐蝕；如果鋼材的腐蝕對應(yīng)的陰極反應(yīng)是析氫過程，但是釋放出的的氫原子太少，不足以引起鋼材的氫致開裂，鋼材裂紋的形成與擴(kuò)展都是由陽極溶解控制的，這種應(yīng)力腐蝕就稱為陽極溶解型應(yīng)力腐蝕。

圖1 資興城市濕地分布圖

圖2 不同連通性方案設(shè)置圖(2-1為T1方案；2-2為T2方案；2-3為T3方案)

1.4 試驗方案設(shè)計

水系連通性的變化關(guān)系到下墊面屬性的改變，結(jié)合考慮研究區(qū)的自然條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點、城市總體規(guī)劃、已有資料情況和模型特點等方面，根據(jù)資興城市濕地資源的現(xiàn)狀條件和濕地資源保護(hù)及恢復(fù)的需求，為獲得科學(xué)的不同濕地連通性對水體水文水質(zhì)的生態(tài)水文效應(yīng)影響，設(shè)置了4組實驗：對比實驗(D1)、城市內(nèi)部水體連通方案(T1)、城市水體整體連通方案(T2)和LID措施方案(T3)。

實驗D1：圖2為資興城市規(guī)劃區(qū)現(xiàn)狀方案，保持現(xiàn)狀的水系連通性格局不變。實驗T1：在資興市內(nèi)，將研究區(qū)內(nèi)大小散落的水體，如水庫、坑塘和湖泊等單獨水體通過溝渠等方式連通，但是不與城市周邊的河流進(jìn)行連接，濕地面積增加26.2hm2，林地面積減少18.4hm2，耕地面積減少7.8hm2。實驗T2：將資興市內(nèi)的水體全部按照子匯水區(qū)進(jìn)行連接，形成網(wǎng)絡(luò)體系。隨降雨產(chǎn)生的徑流根據(jù)地形地貌流入各匯水區(qū)，排入最近的水體，通過溝渠、河道及溪流等濕地的連通，最終排入城市北面的程江和南面的東江，濕地面積增加69.5hm2，林地面積減少36.7hm2，耕地面積減少32.8hm2。實驗T3：在T2的基礎(chǔ)上，在濕地連接處(如溝渠)及原有支流下游處等地方設(shè)置人工濕地，在水庫、湖泊及河道周邊設(shè)置植被緩沖帶，起到對污染物攔截的作用，并可在一定程度上控制徑流和保證景觀效果。應(yīng)用低影響開發(fā)理念，以期將研究區(qū)濕地資源進(jìn)行合理保護(hù)和恢復(fù)，濕地面積增加103.26hm2，林地面積減少58.34hm2，耕地面積減少44.92hm2，不同的連通性方案設(shè)置見表1，方案構(gòu)建見圖2。

圖5 率定降雨及流量過程線(5-1為Y-191節(jié)點；5-2為Y-187節(jié)點)

1.5 試驗方案連通性評價

在設(shè)置的不同連通性方案中，研究區(qū)內(nèi)的河網(wǎng)水系有很明顯的改變，定量地對不同試驗方案的連通性進(jìn)行評價。本研究選取的形態(tài)指標(biāo)為河流長度LR和水面面積A，結(jié)構(gòu)特征為河網(wǎng)密度DR和水面率Wp，作為水系格局特征的評價指標(biāo)。不同試驗方案連通性指標(biāo)見表2。

綜合比較河流長度、水體面積、河網(wǎng)密度及水面率，形態(tài)指標(biāo)從對比實驗D1至T3方案逐漸增加，結(jié)構(gòu)特征河網(wǎng)密度和水面率也是遞增，說明從對比實驗D1至T3方案，其河流干流和支流越多，連通性越強。

1.6 研究區(qū)域

1.6.1 城市管網(wǎng)及河道的概化

研究區(qū)范圍內(nèi)主要有東江和程江河道，東江流域的河道是研究區(qū)的重要防洪排澇通道，排水管網(wǎng)收集的地表匯流基本都排入河道中。因此，本文構(gòu)建的模型也將河道作為排水系統(tǒng)的一部分。河道主要概化為明渠或箱涵(圖3)，根據(jù)斷面變化情況布置河道節(jié)點，而排水管道的出水口也作為河道節(jié)點之一，實現(xiàn)河道與管網(wǎng)系統(tǒng)連接，對導(dǎo)入的管網(wǎng)及河道數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何拓?fù)湫z和邏輯拓?fù)湫z，管渠299條，雨水井節(jié)點296個，排水口11個。

1.6.2 子匯水區(qū)劃分

根據(jù)研究區(qū)的DEM、土地利用分布圖和城市總體規(guī)劃，在ArcGIS中對研究區(qū)進(jìn)行子匯水區(qū)劃分，并為各子匯水區(qū)指定流域出口。由于城市大尺度產(chǎn)匯流過程的復(fù)雜性，為了保證匯水區(qū)劃分的準(zhǔn)確性，結(jié)合各土地利用類型的粗糙系數(shù)和徑流系數(shù)對原始DEM模型進(jìn)行修正。并且研究區(qū)的地勢相對平坦，在子匯水區(qū)劃分過程中根據(jù)概化后的城市雨水管網(wǎng)，按照泰森多邊形法則進(jìn)行近似處理，最終將研究區(qū)劃分為178個子匯水區(qū)(圖4)。

1.7 模型參數(shù)率定及驗證

SWMM模型參數(shù)主要包括下墊面滲透性系數(shù)、曼寧系數(shù)、洼蓄深、最大入滲率、穩(wěn)定入滲率和衰減系數(shù)等，其中滲透性等相關(guān)系數(shù)按照資興市土壤特性，參考相關(guān)地區(qū)文獻(xiàn)研究確定取值，其他一些參數(shù)無法通過實測或計算確定，可通過率定得到。根據(jù)SWMM用戶手冊中各參數(shù)的取值范圍[24]，參考相關(guān)地區(qū)SWMM模型參數(shù)和研究[25-27]，結(jié)合對研究區(qū)現(xiàn)狀基礎(chǔ)建立的D1對照方案模型的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行人工率定。選取2處有詳細(xì)排口實測數(shù)據(jù)的位置進(jìn)行模擬驗證，分別是Y-191節(jié)點2017年2月21日的降雨數(shù)據(jù)和Y-187節(jié)點2017年2月23日的降雨數(shù)據(jù)，以保證模型計算結(jié)果的可靠性。

從圖5可知，最后SWMM模擬的流量和實測的流量曲線形狀契合度較高，并且與降水過程線的形狀也基本切合，對所選取2個節(jié)點模擬計算的總流量和峰值函數(shù)及實測數(shù)據(jù)的相對誤差進(jìn)行比較分析可知，選取的2個降水過程產(chǎn)生的總流量相對誤差為2%～5%，峰值流量的相對誤差為1.3%～8.2%，誤差范圍都處于10%之內(nèi)，可以證明SWMM模擬計算的徑流數(shù)據(jù)和在場地實測的數(shù)據(jù)基本契合(表3)。

表1 不同連通性方案設(shè)置詳情

表2 不同試驗方案連通性指標(biāo)

1.8 降雨強度、時間

根據(jù)研究區(qū)的現(xiàn)狀，資興城市建設(shè)區(qū)的暴雨強度公式如下：

式中，P為設(shè)計降雨重現(xiàn)期；t為降雨歷時(min)。

結(jié)合資興氣象站點檢測數(shù)據(jù)，在2011—2016年，資興歷時120min的降雨場次占總降雨場次的比例最高，得到降雨歷時為2h的設(shè)計降雨。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 連通性變化對生態(tài)水文影響分析

應(yīng)用SWMM模型分別對不同方案進(jìn)行降雨模擬，模擬降雨時間為2h，地表產(chǎn)匯流計算和水動力學(xué)模擬計算時間步長采用10s，模擬結(jié)果報告時間步長為5min，模擬計算出不同連通性方案的徑流量變化情況(圖6)。這4種方案產(chǎn)生的徑流量變化的共同特征是：在降雨初期，徑流量從0開始緩慢增加，并在第120min左右徑流曲線達(dá)到最高值，隨后逐漸下降，待降雨結(jié)束后，徑流曲線緩慢趨近于0。

雖然這4種方案的徑流量變化趨勢是一致的，但變化范圍和徑流峰值有明顯差異，T2的峰值為29.71m3，明顯大于D1的21.34m3和T3的15.61m3，略大于T1的24.95m3。分析其原因，對于模擬改造前的現(xiàn)狀水文狀態(tài)，T1將研究區(qū)內(nèi)的水體全部連通起來，加強了城市的水文調(diào)蓄能力，而T2因為加強了與城市外部水體的連通性，所以其峰值最大；T3作為LID方案在削減徑流量峰值方面有明顯的作用，將徑流的峰值削減為D1方案的73.14%。

從空間分布看(圖7)，其高徑流區(qū)的面積有了明顯下降，與D1方案相比，T2方案中高徑流區(qū)域面積有減少，并且沿著河流出現(xiàn)一條低徑流量通道，T3方案中的高徑流量面積相比現(xiàn)狀方案降低了32.98%，生態(tài)水文效應(yīng)最佳。

圖6 不同連通性方案的徑流量變化

圖7 不同連通性方案的徑流量變化空間分布圖(7-1為實驗D1；7-2為T1方案；7-3為T2方案；7-4為T3方案)

圖8 不同連通性方案的COD變化

2.2 連通性變化對水質(zhì)影響分析

2.2.1 連通變化對化學(xué)需氧量(COD)影響

在4種方案的水體中，COD含量變化范圍和COD含量峰值呈以下規(guī)律：D1明顯大于其他方案，在各連通性方案中，隨著連通性的加強，不同方案中COD含量有了明顯的減少，從D1的333.03mg/L，分別降低為T1的275.28mg/L、T2的245.83mg/L和T3的196.98mg/L。隨著水體流動性增強，更有利于污染物的遷移和擴(kuò)散，對水質(zhì)產(chǎn)生重要影響。T3設(shè)置有LID措施，對于水體的凈化作用最為明顯，對水體中的COD含量削減為原有的59.14%(圖8)。

從空間分布看，不同連通性方案的水體和地面殘余的COD含量不同。按照連通性方案不同，T1相比D1方案，水體中高COD含量區(qū)域減少了4.96%，在T3中設(shè)置有LID措施，高值區(qū)域面積有了明顯的下降，下降了7.26%，特別是節(jié)點中的COD含量有了明顯的降低(圖9)。

表3 SWMM模型水文水力特性的參數(shù)設(shè)置

2.2.2 連通變化對固體懸浮物(SS)影響

在4 種方案的水體中，固體懸浮物SS含量變化范圍和峰值呈以下規(guī)律：D1和T1的曲線差別并不大，D1中的SS含量峰值為278.05mg/L，和T1峰值266.52mg/L差距不明顯，而T2中215.61mg/L效果優(yōu)于T1，并且T3中176.02mg/L效果最佳(圖10)。

2.2.3 連通變化對氮磷污染物(TN、TP)影響

在4種方案的水體中，氮磷污染物含量變化范圍和峰值呈以下規(guī)律：隨著連通性的增強，對于水體中氮磷污染物的負(fù)荷越小，D1中的TN和TP峰值含量為6.08和0.30mg/L，T1中為5.69和0.26mg/L，T2中為5.02和0.25mg/L，T3中的消減作用最佳為4.55和0.21mg/L(圖11)。

2.3 統(tǒng)計檢驗

本研究采用統(tǒng)計學(xué)分析，對各個方案的水文水質(zhì)要素數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(表4)。P值均小于0.05，有統(tǒng)計學(xué)意義，對于各組間使用q檢驗，比較不同組別之間有無顯著性差異。

通過q檢驗驗證組內(nèi)差異性水平，在徑流量這一指標(biāo)上，說明在T3、D1和T2、T1組內(nèi)沒有顯著性差異。對COD、SS和氮磷污染物進(jìn)行同樣的處理，對于SS含量指標(biāo)的方差分析顯著性得出，不同連通性方案對于面源污染指標(biāo)之間有明顯的差異性，說明連通性強度和對面源污染的削減程度有明顯的正相關(guān)，隨著連通性的加強，對于面源污染的削減作用增強，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)可知，T3生態(tài)水文水質(zhì)效益最佳，其次是T2，最差為T1。

3 結(jié)論

1)相同降雨條件下，在研究區(qū)現(xiàn)狀規(guī)劃方案及不同的連通性方案中，產(chǎn)生徑流量及水體中COD、SS等污染物含量隨時間變化的變化趨勢一致。從研究區(qū)整體和各個子匯水面來看，在4個方案中，隨著連通性的加強，水文狀態(tài)有了明顯的變化。T3的生態(tài)水文水質(zhì)效益最好，徑流量降低為原來的73.14%，水體中的各種污染物濃度有了明顯的降低，COD含量降為原來的59.14%，SS含量降為原來的51.80%，氮磷污染物分別降為74.84%和70.00%。

圖9 不同連通性方案的COD變化空間分布圖(9-1為實驗D1；9-2為T1方案；9-3為T2方案；9-4為T3方案)

圖10 不同連通性方案的SS變化

圖11 不同連通性方案的氮磷污染物變化(11-1為TN；11-2為TP)

2)通過統(tǒng)計檢驗可知，研究區(qū)在不同連通性方案及現(xiàn)狀方案之間關(guān)于徑流量、水體中COD、SS和總氮、總磷負(fù)荷量指標(biāo)在不同的連通性方案下顯著性差異明顯。同時通過q檢驗驗證組內(nèi)差異性可知，隨著連通性的加強，對于研究區(qū)面源污染的消減作用增強。

綜上所述，T3方案在生態(tài)水文水質(zhì)效應(yīng)方面都優(yōu)于其他方案，說明加強城市濕地的連通性，打造一個生態(tài)的濕地網(wǎng)絡(luò)，對于城市濕地資源的保護(hù)和恢復(fù)有很好的效果。

表4 顯著性檢驗

注：文中圖片均由作者繪制。