基于3S技術(shù)的遼河河口濕地生態(tài)環(huán)境需水量研究

張琬抒，周林飛，成 遣

(沈陽農(nóng)業(yè)大學水利學院，沈陽 110866)

近年來，工農(nóng)業(yè)以及生活用水的增加，擠占了生態(tài)環(huán)境需水，破壞了各類生態(tài)系統(tǒng)的用水平衡，導致其生態(tài)功能下降。濕地是地球上重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，是人類賴以生存的家園，也是自然界中許多珍惜生物重要的棲息地，而健康的濕地生態(tài)系統(tǒng)又需要適量的水來維持。隨著人們對濕地重要性的不斷認識，許多學者投入更多精力于濕地生態(tài)環(huán)境需水量的計算，由于不同學者對濕地生態(tài)環(huán)境需水量的概念理解有所不同，因此不斷有學者從各自的研究目的及角度出發(fā)，用不同的計算方法對濕地環(huán)境需水量展開了深入研究[1]。本文以遼河河口濕地為研究背景，以3S技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合蘆葦蒸散發(fā)、降雨、蒸發(fā)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對其生態(tài)環(huán)境需水量進行研究，并在此基礎(chǔ)上確定適宜與最小生態(tài)環(huán)境需水量，為濕地的水資源優(yōu)化配置提供依據(jù)。

遼河河口濕地屬于國家級自然保護區(qū)，位于遼河的入?？谔帲姓^(qū)域?qū)儆谶|寧省盤錦市，總面積約1 281.03 km2。坐標為40°45′～41°10′N，121°30′～122°00′E。遼河河口濕地南北長60 km，東西寬35 km，總面積約1281.03 km2。經(jīng)調(diào)查濕地內(nèi)共有物種大概為1 096種，植物種類多樣，還有珍稀的野生動物，經(jīng)統(tǒng)計國家Ⅰ級保護動物5種、國家Ⅱ級保護動物30種。濕地內(nèi)年均蒸發(fā)量為942.1 mm，年均降水量為640.9 mm(主要集中在夏季)，蒸發(fā)是降雨的1.5倍，蒸發(fā)大于降雨是該區(qū)域的顯著的特點[2]。

1 基于3S技術(shù)的濕地覆被信息提取

1.1 計算年份的確定

遼河河口自然保護區(qū)自1985年成立以來，實施了三期工程：一期基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程，1991年開始，1996年全部竣工；二期基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程，2004年初開始，2005年完成；濕地保護建設(shè)工程，2006-2008年?？紤]保護區(qū)的3個建設(shè)時期，生態(tài)環(huán)境需水量的計算時段選擇如下：一期基礎(chǔ)工程結(jié)束后的2000年，二期工程完成的2005年，濕地保護建設(shè)工程后的2014年。因此，利用3S技術(shù)對這3 a的濕地覆被信息進行提取，為生態(tài)環(huán)境需水量的計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 濕地覆被信息提取

利用研究區(qū)2000、2005和2014年Landsat 4-5 TM遙感影像提取濕地覆被信息，影像分辨率為30 m，時間為每年的9月。操作軟件選用Erdas和ArcGis。此外，還要收集研究區(qū)相關(guān)圖件和實際野外定點調(diào)查等。根據(jù)實地調(diào)查將濕地的濕地覆被類型劃分為湖泊、灘涂、蘆葦、河流、水田、旱田和居民地，合計7類。對3 a 7種類型的覆被信息進行提取，并將濕地劃分為核心區(qū)、緩沖區(qū)和過渡區(qū)，將三區(qū)域的邊界矢量化，統(tǒng)一坐標后覆蓋在各年整個濕地覆被信息圖上，分別獲得這三區(qū)域的各年土地利用信息。如表1所示。

表1 遼河河口濕地覆被類型面積變化表 km2

2 計算方法

2.1 計算類型

濕地內(nèi)旱田和居民地的主要分部在過渡區(qū)，屬于人類活動對濕地所造成的破壞，不計入生態(tài)環(huán)境需水量計算。湖泊是濕地內(nèi)的重要生態(tài)系統(tǒng)，該區(qū)降水量小于蒸發(fā)量，為了使地下水位不再變化，必須有一定量的水用于水面蒸發(fā)的消耗，來保證水量平衡，因此，此部分納入計算；濕地植物是維持濕地基本特征的關(guān)鍵，也是重要的濕地生態(tài)系統(tǒng)，其耗水需納入計算，但遼河河口濕地內(nèi)植物種類繁多，需選擇關(guān)鍵植物進行計算；遼河河口濕地內(nèi)有一種特殊類型的濕地水稻田各年平均面積為100.66 km2，占總面積的7.86%，屬于人工濕地，已經(jīng)成為重要的濕地生態(tài)系統(tǒng)組成類型，所以保證水稻田的生態(tài)環(huán)境需水也是遼河河口濕地的生態(tài)環(huán)境保護目標之一；濕地土壤生態(tài)系統(tǒng)對于濕地是至關(guān)重要的，濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康關(guān)鍵在于土壤需維持一定的濕度，因此，需計算土壤需水量。只有滿足了以上的生態(tài)環(huán)境需水量，才能保持濕地的基本特征，為濕地內(nèi)各種生物提供必要的生存空間與環(huán)境，進而達到保護生物多樣性的目的。因此，需對此四部分生態(tài)需水量分別進行計算，再求和即為整個濕地的生態(tài)環(huán)境需水量。

2.2 湖泊水面蒸發(fā)需水量

當湖泊水面蒸發(fā)需水量達到穩(wěn)定的狀態(tài)時，使其湖泊儲水量不發(fā)生變化，從而維持其生態(tài)功能不變，研究區(qū)水面具有蒸發(fā)量大于降雨量的特點，因此，需要對本研究區(qū)湖面蒸散發(fā)量進行補給，才可以維持地下水位的動態(tài)平衡。計算公式如下[3]。

WE=∑A(E-P)×10-3

(1)

式中：WE為湖泊水面蒸發(fā)需水量，m3；A為湖泊的水面面積，m2；E為水面蒸發(fā)量，mm；P為湖泊上的降水量，mm。

2.3 濕地植物蒸散發(fā)需水量

濕地植物需水包括：①植株表面蒸發(fā)耗水；②土壤表面蒸發(fā)所耗水量；③植物體內(nèi)包含的水量；④植株同化過程耗水量。③④僅占植物耗水的1%，可不計算。①②是主要耗水項目，占99%，計算公式如下式[4,5]。

dWp/dt=ETm(t)

(2)

式中：Wp為濕地植物蒸散發(fā)需水量，m3；ETm為蒸散發(fā)量，mm；t為時間，以月為單位。

2.4 濕地土壤需水量

土壤水是維持其自身生態(tài)系統(tǒng)以及其上生態(tài)系統(tǒng)維持健康的保障，所以保持土壤水分在一定的范圍內(nèi)是非常必要的。濕地土壤含水量通常用公式(3)[6]計算。

S=αhA

(3)

式中：S為濕地土壤需水量，m3；α為飽和持水量百分比或田間持水量；h為土層厚度，m；A為濕地土壤面積，m2。

2.5 類型整合

以上三部分需水量中，湖泊水面蒸發(fā)需水量和濕地植物蒸散發(fā)需水量屬于消耗型需水量，濕地土壤需水量屬于非消耗型需水量，三部分生態(tài)環(huán)境需水量之間沒有重復，因此，采用加和的方式進行類型整合。如下式。

Q=WE+ETm+S

(4)

式中：Q為生態(tài)環(huán)境需水總量，m3；ETm為濕地植物蒸散發(fā)需水量，mm。

3 生態(tài)環(huán)境需水量計算結(jié)果

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

遼河河口濕地生態(tài)環(huán)境需水量計算還需要的數(shù)據(jù)包括降雨量、水面蒸發(fā)量、水田蒸發(fā)量和蘆葦沼澤蒸發(fā)量。降雨量數(shù)據(jù)采用六間房水文站和安屯水文站1978-2005年，每年1-12月的觀測數(shù)據(jù)；水面蒸量采用錦州水文站1972-2005年，每年1-12月的觀測資料；根據(jù)觀測資料水田蒸散量4-9月合計為650 mm，各月依次為55.99、86.30、116.43、164.79、141.37、85.12 mm；根據(jù)觀測資料蘆葦蒸散量4-9月合計700 mm，各月依次為60.30、92.94、125.39、177.46、152.24、91.67 mm。

3.2 整個濕地生態(tài)環(huán)境需水量計算

3.2.1 湖泊水面蒸發(fā)需水量

湖泊水面蒸發(fā)需水量按照式(1)進行計算。將2000、2005和2014年的逐月平均降雨量、逐月明水面蒸發(fā)量以及湖泊面積帶入式(1)進行計算，得到湖泊蒸發(fā)需水總量，結(jié)果見表2。

3.2.2 主要植物蒸散發(fā)需水量

濕地內(nèi)植物種類繁多，計算植物蒸散發(fā)需水量時，只能選擇關(guān)鍵植物進行計算。通過遙感技術(shù)和實地調(diào)查，遼河河口濕地的關(guān)鍵植物是蘆葦和水稻，因此，植物的需水量選擇此兩者。將蘆葦4-9月蒸騰量分別代入式(2)進行計算，再將水稻4-9月蒸騰量分別代入式(2)，然后求和，得到主要植物蒸散發(fā)需水量，結(jié)果見表3。

3.2.3 濕地土壤需水量

遼河河口濕地主要土壤類型有兩種：蘆葦下的沼澤土，土體積百分數(shù)為45%～55%，計算時取50%，水稻田中的水稻土，土體積百分比為60%～70%，計算時取65%。植物根系土層厚度計算時取0.8 m。沼澤土和水稻土的面積來自于遙感數(shù)據(jù)。當年11月到第二年3月為封凍期，不計算土壤需水量。利用式(3)進行計算，結(jié)果見表4。

表2 遼河河口濕地湖泊水面蒸發(fā)需水量 萬m3

注：“-”代表降水量大于蒸發(fā)量，不需要補水。

表3 遼河河口濕地蘆葦和水稻蒸散發(fā)需水量 萬m3

表4 遼河河口濕地沼澤土和水稻土需水量 萬m3

3.2.4 類型整合

以上所計算的三部分生態(tài)環(huán)境需水量，之間沒有重合，利用式(4)進行計算，結(jié)果見表5。由表5可知：2000、2005和2014年整個濕地生態(tài)環(huán)境需水量依次為4.95、5.58和5.51 億m3。

3.3 濕地核心區(qū)生態(tài)環(huán)境需水量計算

將濕地覆被信息提取所獲得的核心區(qū)各覆被類型的面積以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，分別代入式(1)～式(3)，計算得到核心區(qū)3 a生態(tài)環(huán)境需水量，然后再按照式(4)進行類型整合，結(jié)果見表5。 由表5可知：2000、2005和2014年核心區(qū)依次為1.51、1.52和1.47 億m3。

4 適宜與最小生態(tài)環(huán)境需水量

4.1 適宜生態(tài)環(huán)境需水量

濕地生態(tài)環(huán)境需水量的不同會引起濕地生態(tài)特征的變化，尤其是濕地邊界的變化。2005年是遼河河口濕地的平水年，據(jù)調(diào)查與分析，這一年濕地內(nèi)水文情勢良好；從濕地覆被類型面積動態(tài)變化分析及景觀破碎化程度分析來看，2005年遼河河口濕地的生態(tài)環(huán)境要好于2000和2014年；而且從計算的結(jié)果來看，3 a生態(tài)環(huán)境需水量相差不大，這樣不會使?jié)竦厣鷳B(tài)環(huán)境需水量的計算結(jié)果過大。綜上所述，選擇2005年作為維持濕地的生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀年，來計算適宜生態(tài)環(huán)境需水量是合理的。

表5 遼河河口濕地生態(tài)環(huán)境需水總量 萬m3

計算生態(tài)環(huán)境需水量時，湖泊水面蒸發(fā)需水量考慮了降雨量并且進行了扣除，而蘆葦沼澤和水稻田需水量計算時，沒有考慮降雨量的問題，這樣會導致計算結(jié)果偏大，應該統(tǒng)一扣除降雨量。經(jīng)計算，研究區(qū)4-9月平均降雨量為571.24 mm，蘆葦沼澤的面積為4.97 萬hm2，計算得到扣除降雨量為2.84 億m3，核心區(qū)的蘆葦沼澤的面積為1 281.03 km2，計算得到扣除降雨量為0.74 億m3。扣除降雨量后整個濕地的適宜生態(tài)環(huán)境需水量為2.74 億m3，核心區(qū)的適宜生態(tài)環(huán)境需水總量為0.78 億m3，見表6。

表6 遼河河口濕地適宜生態(tài)環(huán)境需水量結(jié)果表 萬m3

4.2 最小生態(tài)環(huán)境需水量

核心區(qū)是為保護珍稀及瀕危動植物而劃分出的區(qū)域，其濕地特征最為明顯，一旦遭到破壞，整個濕地就失去了存在價值[7]。核心區(qū)是需要重點保護的區(qū)域，而維持核心區(qū)的生態(tài)特征和功能不發(fā)生改變的前提，就是保障滿足核心區(qū)適宜面積下的生態(tài)環(huán)境需水量，此水量就是遼河河口濕地的最小需水量，即是上文計算得到的核心區(qū)適宜生態(tài)需水量0.78 億m3/a。由于是最小生態(tài)環(huán)境需水量，有些降水量少的年份不能得到滿足，這樣會威脅到濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康，為保障濕地的安全，要考慮到降雨保證率的問題，降水量頻率曲線如圖1所示，這里考慮75%頻率和95%頻率。研究區(qū)多年平均降水量為640.9 mm，對應的最小生態(tài)環(huán)境需水量為0.78 億m3/a。由圖1可知75%頻率對應的降水量為525.57 mm，與平均降水量相比需增加降水量115.37 mm，經(jīng)計算需增加的水量為0.16 億m3/a，對應的最小生態(tài)環(huán)境需水量 0.94 億m3/a。由圖1可知95%頻率對應的降水量為410.20 mm，與年平均降水量相比需增加降水量230.74 mm，需增加水量為0.32 億m3/a，對應的最小生態(tài)環(huán)境需水量為1.10 億m3/a。

圖1 遼河河口濕地平均降雨量頻率曲線計算成果圖Fig.1 The calculation results of frequency curve about average rainfall in Liaohe estuary wetlands

4.3 適宜與最小生態(tài)環(huán)境逐月需水過程

適宜生態(tài)環(huán)境需水、平均降雨下的最小生態(tài)環(huán)境需水和不同頻率下的最小生態(tài)環(huán)境需水的逐月需水過程如表7所示。

表7 遼河河口濕地生態(tài)環(huán)境需水過程 萬m3

5 結(jié) 語

利用所提取的濕地覆被信息數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)計算遼河河口濕地生態(tài)環(huán)境需水量，結(jié)果表明：2000、2005和2014年整個濕地依次為4.95、5.58和5.51 億m3；核心區(qū)依次為1.51、1.52和1.47 億m3；統(tǒng)一扣除降雨后的濕地適宜生態(tài)環(huán)境需水量為2.74 億m3/a；在多年平均降雨下、75%頻率下和95%頻率下對應的最小生態(tài)環(huán)境需水量分別為0.78、0.94和1.10 億m3/a。為有利于水資源的優(yōu)化配置，給出了適宜生態(tài)環(huán)境逐月需水過程，以及不同頻率下最小生態(tài)環(huán)境逐月需水過程。

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