黃河口區(qū)域濕地生態(tài)補水研究

王安東

（山東黃河三角洲國家級自然保護區(qū)管理委員會/東營市黃河口生態(tài)監(jiān)測與修復重點實驗室/東營市黃河口野生鳥類監(jiān)測與保護重點實驗室，山東東營257091）

1 引言

水是生命之源，是地球上一切生物賴以生存的自然資源[1]，同時也是濕地生態(tài)系統(tǒng)形成和發(fā)育的關鍵因子?，F(xiàn)階段，由于經濟社會的不斷發(fā)展，河流湖泊自然條件的變化、人類對濕地的不合理開發(fā)和利用導致了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，如濕地生態(tài)系統(tǒng)退化、生物多樣性降低、水環(huán)境污染等[2]。濕地生態(tài)系統(tǒng)的退化和喪失直接導致了濕地生物多樣性的降低，嚴重影響了濕地生態(tài)系統(tǒng)功能如調節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、蓄洪防旱、維持生物多樣性等的發(fā)揮。據估算，在2000—2015年期間，中國的自然濕地（沼澤）減少了7562 km2，而農業(yè)用地和城鎮(zhèn)用地的擴張分別貢獻了濕地面積減少的47.7%和13.8%。大壩和水庫修建等修復策略部分緩解了濕地的大面積喪失[3]。如何能夠最大限度的保證濕地保有率，維持濕地生態(tài)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮，同時兼顧當地經濟的發(fā)展是當前相關管理部門亟待解決的關鍵問題。而水在濕地生態(tài)系統(tǒng)的維持和功能的發(fā)揮中起著關鍵性的作用[4]。濕地生態(tài)補水的適時提出，為水資源的合理配置以及生態(tài)環(huán)境問題的解決提供了可能[2]。濕地生態(tài)補水是指濕地為維持自身發(fā)展過程和保護生物多樣性所需要的水量,包括濕地植物補水量、濕地土壤補水量、野生生物棲息地補水量[5]。它在維持濕地生態(tài)系統(tǒng)平衡與可持續(xù)性扮演著極其重要的角色。在當前水資源日益緊缺的情況下，如何準確的計算出區(qū)域濕地生態(tài)補水量，是提高區(qū)域水資源利用效率的重要前提[6]。

黃河口區(qū)域是《全國生態(tài)功能區(qū)》的生物多樣性保護生態(tài)功能區(qū)和生物多樣性保護重要區(qū)濕地。近年來，隨著黃河河口來水來沙條件變化和當地社會經濟社會發(fā)展，黃河口區(qū)域的生態(tài)保護也在面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，集中體現(xiàn)為黃河來水來沙減少，生態(tài)用水短缺；海陸與水陸的水文連通受損，生境格局改變。黃河口區(qū)域現(xiàn)狀生態(tài)問題包括以下幾個方面：（1）河-海關系失衡，造成故道入?？谖g退；（2）淡-咸界面失衡，造成故道、灘涂生態(tài)景觀退化；（3）人-地關系失衡，造成典型生態(tài)景觀破壞；（4）生態(tài)景觀“消”“退”，造成生物多樣性降低。以上種種生態(tài)問題使得黃河口區(qū)域濕地質量不斷下降，淡水沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)健康受到嚴重威脅，急需得到保護和修復。在保護和恢復淡水沼澤濕地措施中，水資源的合理分配是關鍵。一些學者已經對黃河口區(qū)域濕地的生態(tài)補水進行了研究。例如鄭凱等[7]的研究表明，不同類型的濕地，其補水量不同，刁口河及淡水濕地補水約0.54 億m3，維持河道不沖不淤的輸沙補水為0.97 億m3。且刁口河及其濕地保護區(qū)的季節(jié)生態(tài)補水量差異較大[6]。卓俊玲等[8]在黃河河口淡水濕地生態(tài)補水的研究中得出，黃河口區(qū)域濕地生態(tài)補水總量約為2.8～4.2 億m3。但基于生態(tài)保護目標的黃河河口濕地生態(tài)補水中，就最小生態(tài)補水量來說,維持生態(tài)水文結構合理規(guī)模所需的生態(tài)補水為35.40 億m3[9]。Cui 等[10]的研究表明，黃河口區(qū)域最小，最優(yōu)及最大的生態(tài)補水分別為942 萬m3，1556 萬m3和2412 萬m3。不同的學者對黃河口區(qū)域濕地生態(tài)補水總量的估算不同。造成這種差異的原因，一方面是因為計算濕地生態(tài)補水所用的方法有所不同，另一方面則為所選的研究區(qū)范圍不同。同時，這些研究并沒有對黃河口區(qū)域濕地生態(tài)補水總量進行細致的分類，因為三角洲不同的水單元，其生態(tài)補水量不同。另外對黃河口區(qū)域未來的生態(tài)補水量也沒有進行相應的估算。對未來黃河口區(qū)域濕地生態(tài)補水的測算是很有必要的，因為黃河口區(qū)域未來的生態(tài)補水量直接受制于當前相關部門的水資源規(guī)劃與調度。

本研究選取黃河口區(qū)域范圍包括現(xiàn)行黃河入?？诓糠趾偷罂诤訚竦夭糠帧Ｓ捎邳S河口區(qū)域濕地的時空差異，我們對三角洲濕地的補水單元進行了細分，并分別計算其生態(tài)補水量。然后對未來三角洲濕地的生態(tài)補水總量進行了生境分析，以期為黃河口區(qū)域濕地的生態(tài)修復和規(guī)劃管理提供基礎數據支持與借鑒。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

黃河口區(qū)域位于渤海灣與萊州灣的灣口，是黃河泥沙淤積、當地降水和徑流以及潮流作用下形成的扇形沖積平原，自然資源豐富。該地區(qū)還具有我國暖溫帶保存最完整、最廣闊、最年輕的濕地生態(tài)系統(tǒng)，是維系河口生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育和演替、構成河口生物多樣性和生態(tài)完整性的重要基礎生態(tài)體系，具有原生性、脆弱性和稀有性等特征[11]。屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明。年平均氣溫12.1℃，無霜期196d，年平均降雨量576.7 mm，年平均蒸發(fā)量1962 mm。夏季降雨量約占全年降雨量的70%。該地區(qū)的植被主要包括蘆葦、鹽地堿蓬、檉柳、荻、穗狀狐尾藻、補血草等。鹽地堿蓬為潮間帶的先鋒物種[12]。黃河口區(qū)域國家自然保護區(qū)于1992年成立，包括北部的刁口河自然保護區(qū)和南部的黃河口自然保護區(qū)，其內濕地面積廣闊，類型多樣，既有天然濕地，淡水沼澤濕地、灘涂濕地、濱海濕地等，也有人工濕地，如水田、水庫、溝渠、鹽沼等。其中淡水沼澤濕地是河口地區(qū)陸域、淡水水域和海洋生態(tài)單元的交互緩沖地區(qū)，與黃河水力聯(lián)系密切，是維持河口系統(tǒng)平衡和生物多樣性保護的生態(tài)關鍵要素，淡水濕地對維持河口地區(qū)水鹽平衡，提供鳥類遷徙、繁殖和棲息生境，維持三角洲生態(tài)發(fā)育平衡等，具有十分重要和不可替代的生態(tài)價值與功能。

綜合考慮水連通過程補排關系、保護區(qū)功能區(qū)劃、景觀格局分布規(guī)律、土地權屬關系、規(guī)劃計算單元面積比例等，黃河口區(qū)域保護區(qū)項目區(qū)總共劃分為21 個水配置單元，進行補水分析。其中黃河口管理站區(qū)域劃分為9 個單元、大汶流管理站區(qū)域劃分為6 個單元、一千二管理站區(qū)域劃分為6 個單元（圖1）?；鶞誓?、近期年、遠期年涉及到的單元情況及分布如表1所示。

表1 水資源配置單元規(guī)劃表Table 1 The planning information of water resource allocation units

圖1 水資源配置單元分布圖Figure 1 The Spatial distribution map of water resource allocation units

2.2 土地利用現(xiàn)狀

根據2018年土地利用遙感數據顯示，黃河口區(qū)域保護區(qū)總面積15.30 萬hm2，其中一千二管理站區(qū)域占地面積4.40 萬hm2，占保護區(qū)總面積的28.76%；黃河口管理站區(qū)域占地面積4.19 萬hm2，占保護區(qū)總面積的27.39%；大汶流管理站區(qū)域占地面積6.71 萬hm2，占保護區(qū)總面積的43.85%。黃河口區(qū)域自然保護區(qū)共包含20 種地類，其中6 m 等深線海域、灘涂濕地、農田居多，比例分別占到28.73%、23.56%、16.76%，如圖2所示。

圖2 黃河三角洲保護區(qū)土地類型圖Figure 2 The land-use of Yellow River Delta Nature Reserve

2.3 研究方法

2.3.1 生態(tài)補水量計算

本研究中考慮生態(tài)補水量為生態(tài)耗水量、生境蓄存水量和鳥類補食區(qū)補水。生態(tài)耗水量分別計算濕地生態(tài)耗水量與林地生態(tài)耗水量。生境蓄存水量采用水量平衡法計算其生態(tài)補水量，一般通過生態(tài)水位法確定其最小和適宜水位，然后采用最小和適宜水深與水面面積的乘積得到維持一定生境的最小生態(tài)補水量。保護區(qū)內農田是鳥類重要的補食區(qū)，因此鳥類補食區(qū)補水量由農田定額補水的方法計算。

生態(tài)補水量：

其中EWr 為生態(tài)補水量，EWc 為生態(tài)耗水量，HSWq 為生境蓄存水量，BFAWr 為鳥類補食區(qū)補水

生態(tài)耗水量：

其中Ww為濕地生態(tài)耗水量，F(xiàn)w為濕地水面面積，F(xiàn)wp為濕地植被面積，PW表示降雨量，Ew水面蒸發(fā)耗水量，Tw植物蒸散發(fā)耗水量，GW土壤下滲耗水量；Wf為林地生態(tài)耗水量，F(xiàn)f為林地空地面積，F(xiàn)fp為林地植被面積。水量輸入包括：Pf表示降雨量。水量輸出包括：Ef土壤蒸發(fā)耗水量，Tf植物蒸散發(fā)耗水量，Gf土壤下滲耗水量。

生境蓄存水量：

式中，HSWq為生境補水量，S0為某一模擬水位對應的水深分布每個斑塊的面積；hi為第i 個斑塊對應的水深；i=1,2,3，……，n；n 為斑塊總數。

鳥類補食區(qū)補水量：

其中，AQWr為農田定額補水，Aa為農田面積，Iq為灌水定額，Ir為灌溉率（0.6）

2.3.2 生境模擬

黃河口區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)包括淡水生態(tài)系統(tǒng)，咸水生態(tài)系統(tǒng)和淡咸水交互系統(tǒng)，其中淡水系統(tǒng)包括河流生態(tài)系統(tǒng)、林地、河漫灘灌草地；咸水生態(tài)系統(tǒng)包括灘涂、鹽沼濕地；淡咸水交互生態(tài)系統(tǒng)包括一些淡咸水交替的沼澤系統(tǒng)。目前黃河口區(qū)域各類生態(tài)系統(tǒng)都存在各自特有的生態(tài)問題，本研究在優(yōu)化水系連通，提升完善黃河口區(qū)域保護區(qū)內取、蓄、輸、灌、排水系統(tǒng)格局上設定生境補水目標為基本目標下的生態(tài)補水生境為：

（1）檉柳林恢復

一千二管理站2018年有檉柳林2036 hm2，2025年規(guī)劃將刁口河故道西側農田恢復為檉柳林，以及一千二片區(qū)東側孤北水庫周邊恢復為蘆葦濕地，恢復后檉柳林達到2366 hm2。至2030年，規(guī)劃將孤北水庫西側確權農田恢復為檉柳林，恢復后檉柳林5290 hm2。

（2）蘆葦濕地、林地恢復

一千二管理站2018年有蘆葦濕地410 hm2，2025年規(guī)劃沿刁口河故道西側新建刺槐林270 hm2。

黃河口管理站2018年具有蘆葦濕地面積4374 hm2、刺槐林3280 hm2。2025年規(guī)劃主要對黃河口管理站區(qū)域的水系進行完善，蘆葦濕地面積5574 hm2，于黃河口管理站北部邊界區(qū)域恢復刺槐林。至2030年，在黃河口區(qū)域保護區(qū)確權范圍內實施退耕還濕，增加蘆葦濕地的面積；2030年恢復后蘆葦濕地面積達到8012 hm2、刺槐林達到6680 hm2、檉柳林達到560 hm2。

大汶流管理站2018年具有蘆葦濕地面積5646 hm2、旱柳林700 hm2、檉柳林747 hm2。2025年近期工程針對黃河故道進行引灌淡水恢復，工程成功后蘆葦濕地面積可以達到8271 hm2。2030年規(guī)劃將大汶流管理站西南邊界處的養(yǎng)殖池恢復為蘆葦濕地，并且在黃河故道東部區(qū)域修建堤壩儲存淡水，工程完成后，蘆葦濕地面積將達到10198 hm2。

各類具體生境見表2。

表2 生態(tài)補水情景下的生境情況Table 2 The habitat condition of three ecological water replenishment scenarios

3 結果與分析

3.1 黃河口區(qū)域生態(tài)耗水時空分析

從逐月的生態(tài)耗水量來看，大汶流的生態(tài)耗水量集中在3—6月、9月和10月。基本生態(tài)目標下2018年黃河口管理站生態(tài)耗水量在正常水平年生境中為3281.4 萬m3；大汶流管理站生態(tài)耗水量在正常水平年生境中為4997.1 萬m3；一千二管理站生態(tài)耗水量在正常水平年生境中為690 萬m3。2025年黃河口管理站生態(tài)耗水量在正常水平年生境中為7839.7 萬m3；大汶流管理站生態(tài)耗水量在正常水平年生境中為9568.1 萬m2；一千二管理站生態(tài)耗水量在正常水平年生境中為3802.8 萬m3。2030年黃河口管理站生態(tài)耗水量在正常水平年生境中為9256.4 萬m3；大汶流管理站生態(tài)耗水量在正常水平年生境中為11785.6 萬m3；一千二管理站生態(tài)耗水量在正常水平年生境中為8413.0 萬m3（圖3）。

圖3 2018、2025 和2030 正常年生態(tài)耗水量時空分析圖Figure 3 Temporal and spatial analysis of ecological water consumption in three normal years

3.2 黃河口區(qū)域生境蓄存水量

從2018年到2025年，再到2030年，黃河口、大汶流以及一千二3 個片區(qū)的總生境蓄存水量分別為0.72 億m3，0.98 億m3，1.26 億m3，總生境蓄存水量不斷增加。其中，大汶流的生境蓄存水量是最高的，其次是黃河口，一千二的生境蓄存水量是最少的。在基本生態(tài)目標生境下，2018年黃河口濕地生境蓄存水量為2174 萬m3，2025年為3203 萬m3，2030 為4890 萬m3。2018年大汶流濕地生境蓄存水量為4738 萬m3，2025年為5367 萬m3，2030 為6326 萬m3。2018年一千二濕地生境蓄存水量為287 萬m3，2025年為1255 萬m3，2030 為1335 萬m3（圖4）。

圖4 基本生態(tài)目標生境下正常年生境中黃河口區(qū)域濕地生境蓄存水量Figure 4 The water storage of Yellow River delta wetlands in basic ecological scenario under normal climate year

3.3 鳥類補食區(qū)補水量

根據《山東省主要農作物灌溉定額（DB37/T 1640-2015）》和黃河口區(qū)域保護區(qū)的種植類型確定黃河口灌溉定額2385 m3/hm2、大汶流灌溉定額2520 m3/hm2、一千二灌溉定額1860 m3/hm2，灌溉利用系數為0.6。鳥類補食區(qū)補水量總額為5659.38 萬m3/年（表3）。

表3 鳥類補食區(qū)補水量Table 3 The supply water amount of bird feeding areas

3.4 生態(tài)補水總量

基本生態(tài)目標下黃河口區(qū)域生態(tài)補水總量在2018、2025、2030 正常生境年中分別為23956.7 萬m3、43187.3萬m3，48006.8 萬m3、54485.7 萬m3。其中，黃河口在2018、2025、2030 正常生境年中生態(tài)補水總量分別為9477.4 萬m3、14578.4 萬m3，22558.1 萬m3。大汶流在2018、2025、2030 正常生境年中生態(tài)補水總量分別為12411.6 萬m3、23550.8 萬m3，24929.7 萬m3。一千二在2018、2025、2030 正常生境年中生態(tài)補水總量分別為2067.7 萬m3、5058.0 萬m3，11085.1 萬m3（圖5）。

圖5 基本生態(tài)目標生境下正常年生境中黃河口區(qū)域濕地生態(tài)補水總量Figure 5 The total supply water amount of Yellow River delta wetlands in basic ecological scenario under normal climate year

4 討論

本研究測算了基本生態(tài)目標下正常水平年生境中黃河口區(qū)域濕地在2018年、2025年和2030年中的生態(tài)耗水量、生態(tài)蓄存水量、鳥類補食區(qū)補水量和生態(tài)補水總量。作為生態(tài)系統(tǒng)初級生產力之一的植被群落的生態(tài)耗水，是整個生態(tài)系統(tǒng)，尤其是生物要素部分生存和發(fā)展的重要基礎，是生態(tài)耗水中的基礎性組分。本研究得出，黃河口區(qū)域的生態(tài)耗水量時空差異明顯。在4—6月期間，大汶流、黃河口和一千二的生態(tài)耗水量明顯增大。這是由于濕地的蒸發(fā)蒸騰耗水所致。雖然4—6月期間，黃河口區(qū)域濕地降雨量呈增加趨勢，但濕地的蒸發(fā)蒸騰耗水量遠大于降雨的補水量[6]。2018—2030年，三角洲濕地的總耗水量呈增加趨勢，這是因為我們的生境模擬中，黃河口區(qū)域蘆葦濕地、林地和檉柳林濕地面積均呈增加的趨勢，其生態(tài)耗水量也必然增加。

生境蓄存水量為維持生態(tài)環(huán)境健康狀態(tài)的補水量。濕地鳥類作為濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一，濕地鳥類的各種行為、種群動態(tài)及群落結構都與生態(tài)環(huán)境健康狀況密切相關。所以基于鳥類棲息地適宜性可以作為濕地生境蓄存水量評估的重要指標之一。本研究基于棲息地適宜性的生境蓄存水量在2018-2030年期間不斷增加，說明維持黃河口區(qū)域生態(tài)環(huán)境健康所補水量不斷增加。這是因為黃河口區(qū)域為東北-澳大利西亞和環(huán)西太平洋鳥類遷徙的“中轉站”，越冬地和繁殖地，承擔著155 種和53 種中日和中澳國際間候鳥遷徙、以及25 種國家一級重點保護鳥類和65 種國家二級重點保護鳥類的保育工作[13]。隨著鳥類的種類和數量的不斷增加，維持三角洲濕地生態(tài)環(huán)境健康狀態(tài)的補水量也在不斷增加。

由于黃河口區(qū)域濕地總生態(tài)耗水量和總生境蓄存水量的增加（鳥類補食區(qū)補水量不變的情況下），必然導致其總生態(tài)補水量的增加。本研究表明，黃河口區(qū)域總生態(tài)補水量呈增加的態(tài)勢，到2030年，其總生態(tài)補水量為2018年的2 倍之多。這說明未來黃河口區(qū)域濕地的水量需求更為旺盛，水資源合理配置更為嚴峻。

5 結論

濕地生態(tài)補水在維持濕地生態(tài)系統(tǒng)平衡和可持續(xù)發(fā)展方面扮演著極其重要的角色，是提高水資源高效利用的重要前提。本文通過模擬黃河口區(qū)域濕地在規(guī)定生境下生態(tài)耗水量、生境蓄存水量、鳥類補食區(qū)補水量以及生態(tài)補水總量，得出黃河口區(qū)域濕地生態(tài)耗水量季節(jié)差異明顯?？偵鷳B(tài)耗水量、生境蓄存水量和生態(tài)補水總量都呈現(xiàn)增加的態(tài)勢。黃河口區(qū)域不同區(qū)域其生態(tài)耗水，生境蓄存水量以及生態(tài)補水總量不同，其中大汶流的生態(tài)耗水量、生境蓄存水量以及生態(tài)補水總量最高，其次是黃河口，一千二的生態(tài)耗水量、生境蓄存水量以及生態(tài)補水總量最少。