基于生態水位約束的下遼河平原地下水生態需水量估算

孫才志，高 穎，朱正如

(1.遼寧師范大學城市與環境學院，大連116029;2.遼寧省自然地理與空間信息科學重點實驗室，大連116029)

在我國北方干旱與半干旱地區，由于地表水資源相對貧乏，而地下水一般具有水質良好、分布廣泛、水量相對穩定等特點，因此地下水便一直作為工業、農業以及生活用水的主要供水水源。但人們在開發利用地下水資源的過程中，通常只注重地下水的資源功能，而忽略了其生態功能，這給由地下水所維系的生態系統帶來了嚴重威脅，導致了諸如河流斷流、海水入侵、濕地退化等生態環境問題。鑒于我國北方地區地下水系統與生態系統之間存在著密切的依附關系以及環境水文地質問題突出的現實情況，對于該區域地下水生態系統的保護更應受到重視，地下水生態需水的研究也尤為迫切。

當前，國內外對于生態需水的研究大多集中于河流［1-3］、湖泊［4-5］、濕地［6-8］和陸地植被［9-10］等領域，并形成了比較完善的計算方法，而對于地下水生態需水的研究則相對較少。在我國，地下水生態方面的研究主要集中于西北干旱地區，但研究角度多側重于地下水合理水位的確定方面［11-12］。楊志峰等提出了生態環境需水評價中地下水補水量的計算公式［13］，但在整個研究區只給出了一套水文地質參數，忽視了水文地質條件的空間異質性問題，在一定程度上影響了計算精度，該方法主要適用于小空間尺度;孫才志等［14］采用情景分析的方法，在降水入滲與蒸發規律的基礎上，設置了兩種情景下下遼河平原地下水生態水位標準，然后通過對地下水實際埋深與生態水位埋深的比較，計算出滿足地下水生態水位要求的地下水調控量，但僅從水文地質的角度考慮地下水生態需水量，忽略了地表生態系統對于地下水的需求;張建立等采用二維地下水數值估算了白洋淀濕地地下水生態需水量［15］，但只考慮了濕地一種生態系統類型，地下水生態水位標準單一，同樣該方法主要適用于小空間尺度。鑒于此，本文以下遼河平原地下水系統為研究對象，綜合考慮水文地質和生態系統兩方面因素，分別考慮其對于地下水量的需求，進而估算下遼河平原地下水系統生態需水量。研究成果對于豐富生態需水理論具有一定的理論意義。

下遼河平原是東北最缺水的地區之一，該區域供水的65%來源于地下水資源。地下水資源的過度開發利用，產生了一系列生態環境問題，已經影響到了研究區內社會經濟的可持續發展，成為制約東北老工業基地振興的重要瓶頸之一。因此，為更合理的配置和管理地下水資源，下遼河平原地下水系統生態需水的研究變得重要而且迫切。本文通過對下遼河平原地區2009年Landsat ETM的遙感解譯，得到本區域的生態系統類型，在合理確定地下水生態水位的基礎上，結合相應水文地質參數，利用Golden surfer軟件計算出下遼河平原的地下水生態需水量，研究成果對于維護研究區生態系統健康和地下水資源的合理開發利用具有一定的應用價值。

1 研究區概況

下遼河平原是遼寧省最大的平原，呈北東—南西方向寬帶狀斜臥在遼寧省的中部。地理坐標為E121.0877°—123.85582°，N40.6379°—42.2943°，東西寬120—140 km，南北長240 km，面積約2.32萬km2，行政區劃隸屬于遼寧省鐵嶺市、沈陽市、撫順市、遼陽市、鞍山市、營口市、盤錦市、錦州市和阜新市，總跨9市17縣(圖1)。

下遼河平原東、西兩側為山地丘陵，南臨渤海，北為遼北低丘區，形成三面環山、一面臨海的地形特點。平原地勢由北向南逐漸降低，由北部海拔50—250 m逐步降為南部海拔2—10 m。本區屬于溫帶半濕潤半干旱季風氣候區的過渡帶，全年平均氣溫在7—11℃之間，降水量在600—1100 mm左右，具有東南向西北遞減的變化規律。該區有兩個獨立水系，一個為遼河下游經雙臺子河由盤山入海;另一個為渾河、太子河于三岔河匯合后經大遼河由營口入海。自然植被類型具有從溫帶草原向暖溫帶闊葉落葉過渡的特點，其中，東部山地以溫帶針闊葉混交林為代表，南部和西部為暖溫帶落葉闊葉林，北部為溫帶草甸草原。

下遼河平原作為中新生代的沉降盆地，既是區域新生界尤其是第四系的沉降中心，又是區域地表水和地下水的匯集中心。巨厚的第三系河湖相碎屑沉積、第四系沖洪積和沖積層以及巖石中廣泛發育的裂隙都為地下水的賦存、運移提供了廣大的空間，上述地層構成了具有統一補給、徑流、排泄的下遼河平原地下水系統。地下水的補給主要來自大氣降水和地表水入滲，地下水總的徑流方向由山前向中部平原呈放射狀，至中部平原后總的徑流方向是由東北向西南，最后進入遼東灣。

圖1 下遼河平原地理位置圖Fig．1 The geographic location map of the lower Liaohe River plain

2 數據來源及處理平臺

收集了研究區內2009年Landsat ETM遙感影像、遼寧省地質圖、遼寧省第四紀地質圖、遼寧省水文地質圖、下遼河平原地下水資源圖、遼寧省地貌圖、遼寧省土地類型圖、遼寧省植被圖、《遼河流域水文資料》(2004—2008)、遼寧省水文數據(2010年)等基礎數據資料。數據處理平臺包括MapInfo 7.0、ArcView GIS 3.3、Erdas Imagine 9.1、Golden surfer 9.0、Fortran PowerStation 4.0等。

3 下遼河平原地下水生態水位的確定

3.1 地下水生態水位的概念

地下水生態水位是指:能夠充分發揮地下水對生態環境的控制作用，即滿足生態環境要求、不造成生態環境惡化的地下水位。它是由一系列滿足生態環境要求的地下水水位構成，是一個隨時空變化的函數［16］。地下水生態水位主要受含水層巖性、包氣帶特征、地形、地貌和植被條件的影響。

3.2 下遼河平原地下水生態水位確定

3.2.1 從水文地質學的角度確定地下水生態水位

從水文地質學的角度確定地下水生態水位，需要綜合考慮下遼河平原的水鹽運移規律、潛水蒸發等影響因素。在確定生態水位時，使潛水蒸發的強度減至最小，土壤積鹽極其微弱。該區的含水層巖性主要為粘土、黃土狀亞粘土、亞砂土、粉砂土、粉細砂、細砂、中砂及濱海咸水地區的粘土、砂土。根據該區的巖性，利用當地地質部門的野外蒸發實驗結果，把不同含水層巖性下極限蒸發深度作為地下水生態水位埋深［17］，結果見表1。

表1 不同巖性下的地下水生態水位埋深Table 1 The ecological groundwater head burying depth of different lithological character

3.2.2 從生態系統健康的角度確定地下水生態水位

自然界中的生態系統對于地下水的依賴情況是各不相同的，通常根據生態系統對地下水的依賴程度不同，可將生態系統分為:完全依賴型、強烈依賴型、偶爾依賴型和完全不依賴型［18］。對于對地下水依賴程度較低的生態系統，在確定地下水生態水位時，可以只考慮其地質學方面的因素，而對地下水依賴較強的生態系統，應綜合考慮生態系統對于地下水位的要求。

通過對2009年遙感資料進行幾何校正，經檢驗配準誤差控制在0.5個像素元之內，采取最鄰近法進行重采樣。在Erdas Imagine 9.1處理平臺上，確立解譯標志和解譯精度，通過人工交互式對遙感影像進行目視解譯。最后在GIS環境中對解譯結果進行裁剪、合并等修改，得到下遼河平原2009年Landsat ETM的解譯結果(圖2)，由圖2可知，下遼河平原的生態系統類型主要有河流生態系統、天然草地生態系統(面積1365.5 km2)、天然林地生態系統(面積4524.0 km2)、天然濕地生態系統(面積356.3 km2)、耕地生態系統(面積16408.8 km2)以及城鎮生態系統(面積4524.0 km2)。根據研究區內生態系統的實際情況，對地下水依賴程度較高的生態系統有天然草地生態系統、天然河流生態系統和天然濕地生態系統。因此，本文從這3個生態系統健康的角度出發，研究與其相關區域地下水生態水位。

(1)有天然草地覆蓋的區域。

下遼河平原的天然植被類型多樣，但是，由于人類的不斷開墾和人工改造，下遼河平原幾乎已經沒有原始植被。經研究都證實，影響天然植被生長和恢復的土壤水分和鹽分與地下水埋深高低有密切關系［19-21］，在有天然草地覆蓋地區，確定既不使土壤發生強烈鹽漬化和荒漠化，又能使植被健康生長的生態地下水位對研究區的生態環境保育至關重要。

樊自立等［11］將適宜的地下水位埋深定義為2—4 m，因為在此水位埋深下，土壤全剖面含水率為17.0%—22.0%，約為毛管持水量的70%以上，潛水年蒸發量在50—375 mm，潛水主要供給土壤水分被植物吸收利用，無效蒸發耗水很少，能滿足天然植被的生長需水。因此，本文將此埋深定義為有天然草地覆蓋地塊的生態地下水位埋深。根據研究區實際情況，下遼河平原天然草地的生長期為4—10月，而夏季植被蒸騰要高于春、秋季，因此，天然草地夏季需水量較高，故在確定生態水位時，將天然草地的生長期分為6、7、8月和4、5、9、10月兩部分考慮(表2)。

(2)有濕地覆蓋的區域

對于濕地生態系統的保護，應該要求保持濕地水體的規模和質量。因此在考慮濕地覆蓋地塊的地下水生態需水時，應滿足沼澤化地下水位的要求，即地下水埋深應在1 m以內［11］，以保證濕地的覆蓋面積，確保沼澤地塊生物的健康生存和棲息地的穩定發展。

圖2 下遼河平原生態系統類型示意圖Fig．2 The ecosystem types in the lower reach of LiaoRiver plain

表2 下遼河平原不同季節天然草地地下水生態水位埋深Table 2 The ecological groundwater head burying depth of natural grassland in different seasons

下遼河平原天然濕地主要為遼河三角洲的盤錦濕地，該區植被類型多樣，其中雙臺河口濕地不僅生長有大量蘆葦，還為大量鳥類和兩棲類提供了棲息場所。而為保證野生生物棲息地的健康，濕地的水深應在0.3—2.0 m之間［22］。兼顧沼澤化地下水埋深在1 m以內的要求，本文把該區域不同季節地下水埋深設定在0.3—1.0 m。另外，研究區內濕地在不同的氣候條件下對于地下水的需求不同，夏季植被生長茂盛，動物活動也比較活躍，濕地需水量較大;而冬季恰好相反，植物枯萎，不少動物冬眠，鳥類南飛，所以需水量相對較小。因此，本文確定了有天然濕地覆蓋地區不同季節的地下水生態水位埋深，見表3。

而對于濱海低平原南部，由于河道淤淺改道，海水頂托，地勢低洼積水，地下水的水平徑流基本停滯，垂直蒸發十分強烈，土壤大面積形成鹽漬化和沼澤化，屬于濱海濕地。故確定本區域的生態埋深為1 m，即沼澤化水位，此條件下雖然潛水蒸發量大，耗水較多，但對于該區濕地生物多樣性的維護和濕地保護有重要意義。

表3 下遼河平原不同季節天然濕地地下水生態水位埋深Table 3 The ecological groundwater head burying depth of natural wetland in different seasons

(3)有河流流經的區域

研究區內河流的徑流季節變化較大，有春夏兩個汛期，其中春汛期短，一般為2月底到3月初，量小，僅占全年徑流的3%—4%;夏汛一般為6—9月，可占年徑流的70%—82%;枯水期(12月—翌年3月)徑流很少;平水期(4—5月)徑流僅占年徑流的10%。其中，枯水期河流在沒有降水的情況下，出現一個流量低而穩定的最小徑流期，此時河流僅靠地下水補給，如果地下水埋深低于河道，將會出現斷流，因此，枯水期是保持河流自我生存能力至關重要的時期。另外，由于上游開采量加大，減少下泄流量，致使地下水位下降奪取河道徑流，使河道大規模干涸斷流。因此，在確定有河流流經區域的地下水生態需水問題時，應把河流生態流量和地下水位作為統一的整體來考慮?；诖?，本文從以下三個方面定量分析生態地下水位:考慮補排平衡，要求適宜的埋深，水位不能過低;考慮防止鹽堿化，水位不能過高;要維持和支撐河道生態用水，公式如下:

式中，Ge為有河流流經區域河道外生態水位;G1為考慮補排平衡的最低地下水位;G2為考慮防止鹽堿化的最高地下水位;Zr為河底高程。

把下遼河平原按照水文地質單元劃分為西部山前平原區、東部山前平原區、中部平原區和南部濱海平原區(圖3)。其中，位于山前平原區的河道外淺層地下水汛期最佳控制生態水位埋深在5—10 m，汛后埋深控制在3—5 m;位于中部平原區的河道外淺層地下水的汛前最佳控制生態水位埋深在6—11 m，汛后埋深控制在4—6 m［23］。而對于枯水期，則應保證生態水位埋深至少與河道持平，以保證河流的健康維持，但同樣要保證其小于鹽堿化水位埋深1—2 m［11］。

根據《遼河流域水文資料》2004—2008年研究區河流水位、河底高程等數據，得出下遼河平原各水文站測得的各月平均水位，根據上述分析得到有河流流經區域的地下水生態水位埋深(表4)。由于水文站點數目過多，表4僅顯示部分典型站點地下水生態水位埋深數據。

圖3 下遼河平原水文地質單元分區及給水度圖Fig．3 The specific yield in different hydro-geological partition

表4 下遼河平原有河流流經區域地下水生態水位埋深Table 4 The ecological groundwater head burying depth with river flows through

3.2.3 從人類需要的角度綜合調整地下水生態水位

下遼河平原已經在沈陽、鞍山、遼陽等地區形成了永久性地下水降落漏斗及地下水含水層的部分疏干，其中，沈陽市地下水含水層疏干面積已經超過60 km2，地下水位最大降深達30 m，遼陽首山水源地地下水位累計下降近40 m［24］。基于以上實際情況，要在短時間內實現這些地區的生態系統完全健康并不現實，故應調整這些地區的地下水生態水位，以使經濟發展和生態環境問題的逐步改善達到平衡。

根據2008年《遼寧省水資源公報》統計，把超采漏斗區和海水入侵區全部作為地下水超采區界定，下遼河平原的超采區主要有沈陽城區地下水漏斗區(漏斗區面積14.75 km2)、遼陽首山地下水漏斗區(漏斗區面積196.00 km2)和錦州海侵區(171.06 km2)。基于此，本文根據以上區域地下水位埋深的實際情況，對地下水生態水位埋深做了如下調整:沈陽城區7—9 m，遼陽首山6—7 m，錦州海侵區6—8 m。

綜合以上論述，利用MapInfo軟件提取點坐標工具，自動獲取區域經緯度，并輸入不同區域地下水生態水位埋深數據，得到下遼河平原全年各月地下水生態水位埋深數據(表5)。

4 下遼河平原地下水系統生態需水量的估算

本文應用MapInfo軟件對空間數據的分析與查詢功能，配合Golden surfer軟件的體積計算功能計算下遼河平原的地下水生態需水量［25］。首先，將經緯度數據其以文本格式導出，利用Golden surfer軟件將其格網化。同時，給水度值根據下遼河平原水文地質分區，按照同樣方法得到格網數據。然后，應用Golden surfer軟件的體積計算功能，將研究區內地下水實際埋深格網文件(FBHi．grd)與地下水生態水位埋深格網文件(EBHi．grd)進行對比，并乘以給水度格網文件(μ．grd)，得到下遼河平原地下水系統生態需水量值。

4.1 地下水生態需水量的概念界定

雖然目前國內外關于生態需水的概念較多，理解也各不相同，但廣義上講維持全球生物地理過程水分平衡所需要的水都稱生態需水，如水熱平衡、生物平衡、水沙平衡、水鹽平衡等所需的水分［26］;狹義上講生態需水是指為維持生態系統的穩定、保持生態環境質量的最小水資源需求量［27］。而地下水生態需水量則是指為維持地下水生態系統不再惡化并逐漸改善所需要的地下水資源總量，也即保證地下水正常的生態功能正常發揮所需要的地下水資源總量［28］。基于以上定義，本文認為地下水生態需水量的估算問題，主要是找到能夠滿足地下水生態功能的地下水生態水位，進而計算從現有實際地下水位恢復到生態水位所需要的水量，即地下水生態恢復需水量是本文主要研究和關注的。

表5 下遼河平原全年各月地下水生態水位埋深Table 5 The ecological groundwater head burying depth monthly/m

4.2 區域地下水實際埋深分布

根據研究區內地下水長觀孔的分布情況，本文選取了2010年161個點全年12個月份的地下水實際觀測資料，應用Golden surfer軟件得到地下水實際埋深格網文件(FBHi．grd)，并構建了淺層地下水埋深等值線圖(圖4)。根據下遼河平原的水文地質分區，以及對應地貌下的給水度μ值［29］(圖3)，得到研究區給水度格網文件(μ．grd)。在圖3—6中，由于月份數目較多，論文在展示等值線圖時，僅以5月為代表，其中，A代表沈陽市，B代表遼陽市，C代表鞍山市，D代表營口市，E代表盤錦市，F代表錦州市。

4.2.2 區域生態地下水埋深分布

綜合前文分析，根據下遼河平原全年12個月的地下水生態水位埋深數據，利用Golden surfer軟件的制圖功能，得到生態地下水埋深格網文件(EBHi．grd)，并繪出相應的水位埋深等值線圖(圖5)。

圖4 下遼河平原5月地下水實際埋深等值線圖Fig．4 The actual groundwater burying depth contour in May 2010

圖5 下遼河平原5月地下水生態埋深等值線圖Fig．5 The burying depth contour of ecological groundwater table in May 2010

4.3 地下水生態需水量的估算

根據研究區內地下水水位實際埋深與確定出的地下水生態水位，利用Golden surfer軟件的制圖和體積計算功能，計算下遼河平原地下水系統生態需水量。公式為:

根據格網文件DHi．grd，可以繪制出全年各月地下水生態需水量分布等值線圖(圖6)，圖中，等值線正值區為實際地下水量無法滿足生態需水量，即生態系統缺水區，需要進行地下水的保護及補給;負值區為實際地下水量能滿足生態需水量區，即生態系統水量盈余區，可以維持在現有水平。

應用Golden surfer軟件和格網文件DHi．grd，可以獲得全年各月的地下水生態系統缺水區、盈余區面積，以及它們分別對應的缺水量和盈余水量，進而得出地下水系統生態需水量(表6)。

表6中的地下水生態需水量，屬于非消耗型需水，在全年需水量整合時，不能簡單求和計算。因此，本文基于楊志峰等［13］針對河流最大允許廢水排放量提出的月保證率設定法，對求得的各月地下水生態需水量進行需水整合。

圖6 下遼河平原5月地下水生態需水量分布等值圖Fig．6 The groundwater demand contour for ecological restoration in May 2010

表6 下遼河平原各月地下水生態需水量Table 6 The monthly water demand for groundwater ecological restoration

(1)對于估算出的12個月地下水系統生態需水量，求出生態需水量的概率密度曲線，進而得出不同保證率下的地下水系統生態需水量。由于使用傳統的概率分析方法進行計算通常需要30個以上的樣本才能得到令人信服的結果，12個樣本數據顯然遠遠滿足不了要求。當樣本數量不多時，樣本提供給我們認識概率的知識是不完備的，由于不完備信息是一類模糊信息，根據信息擴散原理，一定存在著一個適當的擴散函數，可以將傳統的單值樣本變換為集值樣本，以彌補資料不足的缺陷，提高了結果的可靠性［30］。

因此，基于信息擴散理論，將論域空間確定為U=［35．15，57．33］，對求得的各月地下水生態需水量數據進行處理，具體操作步驟如下:

首先，將求得的12月地下水系統生態需水量作為樣本點，用X表示:

設其論域為:

正態信息擴散函數公式為:

式中，h為擴散系數，它與樣本集合中最大值b、最小值a以及樣本數n有關，具體計算公式見文獻［30］。令

則相應的模糊子集的隸屬度函數為:

此時，稱μxj(ui)為樣本點xj經過歸一化后的信息分布，然后對μxj(ui)進行進一步處理:

令

則

這樣，p(ui)就是樣本點落在ui處的頻率值，最后，可以得到超越ui的概率值，即為保證率值:

(2)分別求得90%，80%，70%，60%，50%保證率下的地下水生態需水量值。

(3)以上述結果為基礎，把不同保證率需水量的100%，80%，60%，40%，20%作為5個推薦恢復等級(極好、非常好、好、中、最小)計算地下水生態需水量值(表7)。

表7 下遼河平原不同保證率、不同恢復等級年地下水生態需水量Table 7 The annual water demand for groundwater ecological restoration at different guarantee rates and different restoration levels/(108m3)

5 結論及對策

下遼河平原是遼寧省工、農業最發達地區，地下水的不合理開發利用，造成了生態環境問題的日益嚴峻，因此本文通過對地下水生態需水量的研究，提出了有利于研究區生態系統維持和地下水資源合理開發利用的水資源配置策略，結論如下:

(1)確立合理的地下水生態水位對于防治下遼河平原的生態環境惡化具有重要作用，其中不同的區域和系統對于地下水位的要求不盡相同，故本文力求尋找一個能盡量滿足各系統要求的生態水位。在確定時，以對地下水敏感的天然生態系統為主，輔以水文地質和人類需要進行綜合調整，最終得到下遼河平原的地下水生態水位埋深。其中，南部沿海為0.3—2 m，東、西部平原為5—9 m，中部平原為3—6 m。

(2)利用Golden surfer軟件，計算現狀地下水位埋深與生態水位埋深差值，得到下遼河平原不同月份的地下水缺水量41.83×108—60.07×108m3、缺水區面積2.05×104—2.34×104km2、盈余水量2.73×108—6.68×108m3、盈余區面積0.30×104—0.59×104km2、地下水生態需水量35.15×108—57.33×108m3。

(3)基于月保證率法，運用信息擴散技術對各月需水量整合后，得到下遼河平原不同保證率、不同恢復等級下地下水生態需水量。結果可見，隨著保證率的降低，地下水生態需水量不斷增加，而需水量等級越高，需水量增加幅度越大。其中，50%保證率、恢復等級為極好的年需水量為42.91×108m3，90%保證率、恢復等級為最小條件下的年需水量僅為7.38×108m3。

地下水生態需水量的研究最終目的是為水資源配置、環境保護提供依據，而從前文下遼河平原的實際情況來看，改善下遼河平原地下水超采嚴重，水資源短缺的對策主要有:1)注重雨洪資源的利用和調配;2)注重濕地保護，減少海水入侵面積;3)利用東水西調工程引入水量，解決研究區內城鄉生活、生產、生態用水問題;4)利用棄水及處理后達到地下水回灌標準的污水對地下水超采區進行人工回灌。

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