腰井子保護(hù)區(qū)生態(tài)需水分析

謝洪偉

(吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130012)

水資源是濕地生態(tài)系統(tǒng)形成和發(fā)育的關(guān)鍵因子。隨著氣候變化和人類活動(dòng)的影響，濕地生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)退化、水資源短缺等問(wèn)題?？茖W(xué)準(zhǔn)確地計(jì)算區(qū)域生態(tài)需水量是保障區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的重要基礎(chǔ)。按照前人的研究，濕地生態(tài)需水量可按研究對(duì)象分類，常見(jiàn)分類方法包括：①湖泊生態(tài)需水量和沼澤生態(tài)需水量[1]；②湖泊洼地需水量、植被需水量、土壤需水量、生物棲息地生態(tài)需水量和滲漏補(bǔ)給地下水等[2-3]。腰井子保護(hù)區(qū)以重要鳥(niǎo)類、蘆葦沼澤生境以及羊草草原保護(hù)等生態(tài)保護(hù)目標(biāo)為主，濕地生態(tài)需水量按照上述分類往往不能保證濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展，故保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算時(shí)考慮湖泊(含河渠、水庫(kù))、沼澤、草地、林地等土地類型[4]。

本研究對(duì)腰井子保護(hù)區(qū)內(nèi)湖泊、沼澤、草地、林地基本生態(tài)環(huán)境需水量的最小值、年內(nèi)不同時(shí)段值和全年值以及湖泊、沼澤目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量的年內(nèi)不同時(shí)段值和全年值分別進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可以為保護(hù)區(qū)內(nèi)生態(tài)修復(fù)和規(guī)劃管理提供數(shù)據(jù)支持與借鑒。

1 研究區(qū)概況

腰井子保護(hù)區(qū)位于我國(guó)吉林省長(zhǎng)嶺縣境內(nèi)。該保護(hù)區(qū)自然條件優(yōu)越，生物多樣性豐富，分布有沙生植物、蘆葦叢、沼澤地和濕生草甸。保護(hù)區(qū)內(nèi)主要以草原面積為主(占47%)，其次為水域(占37%)。保護(hù)區(qū)內(nèi)劃分為核心區(qū)和一般區(qū)，核心區(qū)為600hm2左右，其余為一般區(qū)，并實(shí)行不同的保護(hù)管理措施。

2 研究方法

2.1 湖泊基本生態(tài)需水量

鑒于水位資料條件限制，本研究采用“最枯月平均水面面積法”代替，通過(guò)遙感解譯20世紀(jì)70年代至今，每5年不同期的遙感解譯圖像，獲取當(dāng)年最枯期平均水面面積。并通過(guò)逐日氣象數(shù)據(jù)，估算典型年情景下的需水定額(即需水深度)，二者乘積即為基本生態(tài)需水量最小值。年內(nèi)不同時(shí)段基本生態(tài)需水量，采用“湖泊形態(tài)分析法[5]”“生物空間法[6]”“水域納污能力法[7]”分別計(jì)算維持湖泊形態(tài)功能不喪失的水量、維持生物棲息地功能不喪失的水量和維持自凈功能基本要求的水量。湖泊基本生態(tài)需水量全年值為年內(nèi)不同時(shí)段基本生態(tài)需水量匯總。

2.2 沼澤基本生態(tài)需水量

可用維持自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)范圍內(nèi)水域的一定水面面積或水深所對(duì)應(yīng)的水量作為沼澤基本生態(tài)環(huán)境需水量，分別計(jì)算沼澤基本生態(tài)環(huán)境需水量年內(nèi)不同時(shí)段值和全年值。

2.3 草地/林地基本生態(tài)需水量

用“最枯月平均水面面積法”，通過(guò)遙感解譯20世紀(jì)70年代至今，每5年不同期的遙感解譯圖像，獲取當(dāng)年最枯期平均草地/林地面積。并通過(guò)逐日氣象數(shù)據(jù)，估算典型年情景下的需水定額(即需水深度)，二者乘積即為基本生態(tài)需水量最小值?？捎镁S持自然保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)草地/林地一定面積所對(duì)應(yīng)的水量作為草地/林地基本生態(tài)環(huán)境需水量，分別計(jì)算草地/林地基本生態(tài)環(huán)境需水量年內(nèi)不同時(shí)段值和全年值。

2.4 年內(nèi)不同時(shí)段目標(biāo)生態(tài)需水量

采用“湖泊形態(tài)分析法”“生物空間法”“水域納污能力法”分別計(jì)算維持湖泊形態(tài)功能不喪失的水量、維持生物棲息地功能不喪失的水量和維持自凈功能目標(biāo)要求的水量。目標(biāo)生態(tài)需水量全年值為年內(nèi)不同時(shí)段目標(biāo)生態(tài)需水量匯總。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 需水定額計(jì)算

(1)蘆葦需水定額。蘆葦生長(zhǎng)期為5—10月，生長(zhǎng)期多年平均生態(tài)需水定額為465.0m3/畝。受氣候變化綜合效應(yīng)影響，2000—2009年期間，蘆葦多年生態(tài)需水定額史上最高，2010年以后，需水定額明顯偏低。蘆葦7—8月需水定額最大，為116.3m3/畝。

(2)草地需水定額。草地(含羊草)的生長(zhǎng)期為5—8月，一般草地多年平均生態(tài)需水定額為124.7m3/畝，羊草多年平均需水定額為126.0m3/畝。5月平均需水定額最大，一般草地為62.4m3/畝，羊草為63.0m3/畝。

(3)水域需水定額。水域非冰封期為4—10月，水域需水定額為522.2m3/畝。

月平均需水定額結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 典型土地利用類型生長(zhǎng)期需水定額計(jì)算結(jié)果 單位：m3/畝

3.2 保護(hù)區(qū)面積

自20世紀(jì)70年代至今，每5年選取同年兩期遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，一方面反映人類活動(dòng)影響下土地類型的變化特征，另一方面同年兩期數(shù)據(jù)能夠反映植被生長(zhǎng)前后的特征。本研究選用地理空間數(shù)據(jù)云Landsat遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，考慮到云層對(duì)解譯的干擾，優(yōu)先選取云層較少衛(wèi)星影像，主要獲取1977、1982年空間分辨率為60m的Landsat MSS遙感影像，1987、1991、1996年空間分辨率為30m的landsat4-5 TM數(shù)據(jù)，2000、2005、2010年空間分辨率為30m的Landsat7 ETM數(shù)據(jù)，2015年與2017年空間分辨率為30m的Landsat8 OLI遙感數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)幾何粗校正、輻射定標(biāo)、幾何精校正、大氣校正，去除云(陰影)像元，確保影像不存在幾何或輻射標(biāo)定等方面的錯(cuò)誤，再根據(jù)研究區(qū)范圍進(jìn)行影像波段融合、影像鑲嵌完成拼接，并按照研究區(qū)矢量邊界對(duì)影像進(jìn)行裁剪處理，采用ENVI5.3遙感分類軟件對(duì)生成的遙感影像進(jìn)行地物信息提取，結(jié)合同期的Google Earth高分辨率圖像進(jìn)行目視解譯。

(1)遙感解譯特征值

腰井子保護(hù)區(qū)湖泊、河渠、沼澤地、林地、草地面積平均值分別為484、613、3055、11299hm2，無(wú)水庫(kù)/坑塘和河渠面積。其中腰井子保護(hù)區(qū)有核心草地4450hm2，將作為調(diào)水工程的重點(diǎn)補(bǔ)水對(duì)象。面積解譯的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)特征值見(jiàn)表2。

表2 保護(hù)區(qū)面積解譯數(shù)理統(tǒng)計(jì)表 單位：hm2

(2)保護(hù)區(qū)目標(biāo)面積確定

經(jīng)對(duì)比分析確定，基本生態(tài)需水量對(duì)應(yīng)的保護(hù)目標(biāo)面積見(jiàn)表3。目標(biāo)生態(tài)需水量對(duì)應(yīng)的保護(hù)目標(biāo)面積見(jiàn)表4。

表3 基本生態(tài)需水量對(duì)應(yīng)的保護(hù)目標(biāo)面積 單位：hm2

表4 目標(biāo)生態(tài)需水量對(duì)應(yīng)的保護(hù)目標(biāo)面積 單位：hm2

3.3 生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果

近期受水區(qū)按照基本生態(tài)需水量水平進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，力爭(zhēng)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)到歷史平均水平；遠(yuǎn)期按照目標(biāo)生態(tài)需水量進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，力爭(zhēng)生態(tài)環(huán)境狀況恢復(fù)到20世紀(jì)80年代水平。

腰井子保護(hù)區(qū)基本生態(tài)需水量最小值為1610萬(wàn)m3/a。其中腰井子核心區(qū)基本生態(tài)需水量最小值為378萬(wàn)m3/a。腰井子保護(hù)區(qū)優(yōu)先保護(hù)目標(biāo)為羊草草原，選取草地面積最小值典型年(2015年)計(jì)算其基本生態(tài)需水量為3264萬(wàn)m3/a，其中核心區(qū)基本生態(tài)需水量為840萬(wàn)m3/a。選取草地面積均值典型年(2000年)計(jì)算其目標(biāo)生態(tài)需水量為3972萬(wàn)m3/a，其中核心區(qū)目標(biāo)生態(tài)需水量為924萬(wàn)m3/a，詳見(jiàn)表5—6。

表5 保護(hù)區(qū)基本生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果 單位：萬(wàn)m3/a

表6 保護(hù)區(qū)目標(biāo)生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果 單位：萬(wàn)m3/a

4 合理性分析

4.1 需水計(jì)算結(jié)果合理性分析

(1)蘆葦需水定額合理性分析

蘆葦生長(zhǎng)從4月初開(kāi)始萌芽，蘆葦種群生物量在8月下旬達(dá)到最大值，到9月接近生長(zhǎng)期尾聲。故采用蘆葦生長(zhǎng)期4—9月的蒸發(fā)量用于估算蘆葦?shù)男杷俊?/p>

根據(jù)《吉林西部供水工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，選取吉林西部蘆葦濕地生態(tài)需水定額(按4—9月計(jì))為465m3/畝(折合698mm)，如圖1所示[8]，通榆縣、長(zhǎng)嶺縣與四平站在相近等值線上，故采用四平站計(jì)算的需水定額作為保護(hù)區(qū)的需水定額是合適的。根據(jù)DB 22/T 389—2019《吉林省用水定額》，蘆葦生態(tài)用水定額為468～692mm。本次計(jì)算成果為697.5mm，見(jiàn)表7，與上述成果基本相符。

表7 蘆葦多年平均蒸發(fā)量計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖1 吉林省多年(1951—2015年)平均蒸發(fā)量等值線圖

(2)水域需水定額合理性分析

本次計(jì)算結(jié)果分別與《西部引水工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》《白城市水面蒸發(fā)換算系數(shù)淺析》《四平地區(qū)多年實(shí)測(cè)蒸發(fā)量變化趨勢(shì)研究與評(píng)價(jià)》等多套資料進(jìn)行月平均蒸發(fā)量對(duì)比，見(jiàn)表8?；痉稀都治鞑抗┧こ坛醪皆O(shè)計(jì)報(bào)告》多年平均需水定額850～1150mm，誤差范圍在-5.9%～13.1%之間，本次計(jì)算成果基本合理。

表8 不同資料來(lái)源中的吉林省西部地區(qū)水面平均蒸發(fā)量

4.2 下墊面面積合理性分析

腰井子水域、濕地、林地和草地面積遠(yuǎn)高于三調(diào)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表9。遙感解譯與三調(diào)數(shù)據(jù)成果的偏差，主要源于典型年選取的不一致性。

表9 遙感解譯特征值與三調(diào)數(shù)據(jù)對(duì)比 單位：hm2

5 結(jié)語(yǔ)

本研究以腰井子保護(hù)區(qū)為例，通過(guò)對(duì)比不同年代遙感影像數(shù)據(jù)，分析保護(hù)區(qū)目標(biāo)面積，確定不同目標(biāo)面積對(duì)應(yīng)的生態(tài)需水量。充分考慮保護(hù)區(qū)保護(hù)目標(biāo)為羊草草原，選取草地面積不同的典型年計(jì)算其基本生態(tài)需水量和目標(biāo)生態(tài)需水量。計(jì)算生態(tài)需水量時(shí)考慮了湖泊、沼澤、草地、林地等土地類型，不同土地類型的需水定額分析考慮了降雨、蒸發(fā)、滲漏等因素的影響，同時(shí)，對(duì)需水計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了合理性分析。腰井子保護(hù)區(qū)生態(tài)需水分析成果對(duì)保障保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展具有重要意義，本研究方法可為自然保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)需水分析計(jì)算提供借鑒和參考。