基于3S技術的遼河河口濕地生態環境需水量研究

張琬抒，周林飛，成 遣

(沈陽農業大學水利學院，沈陽 110866)

近年來，工農業以及生活用水的增加，擠占了生態環境需水，破壞了各類生態系統的用水平衡，導致其生態功能下降。濕地是地球上重要的生態系統之一，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，而健康的濕地生態系統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環境需水量的計算，由于不同學者對濕地生態環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，用不同的計算方法對濕地環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技術為基礎，結合蘆葦蒸散發、降雨、蒸發等基礎數據，對其生態環境需水量進行研究，并在此基礎上確定適宜與最小生態環境需水量，為濕地的水資源優化配置提供依據。

遼河河口濕地屬于國家級自然保護區，位于遼河的入海口處，行政區域屬于遼寧省盤錦市，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。經調查濕地內共有物種大概為1 096種，植物種類多樣，還有珍稀的野生動物，經統計國家Ⅰ級保護動物5種、國家Ⅱ級保護動物30種。濕地內年均蒸發量為942.1 mm，年均降水量為640.9 mm(主要集中在夏季)，蒸發是降雨的1.5倍，蒸發大于降雨是該區域的顯著的特點[2]。

1 基于3S技術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自1985年成立以來，實施了三期工程：一期基礎設施建設工程，1991年開始，1996年全部竣工；二期基礎設施建設工程，2004年初開始，2005年完成；濕地保護建設工程，2006-2008年。考慮保護區的3個建設時期，生態環境需水量的計算時段選擇如下：一期基礎工程結束后的2000年，二期工程完成的2005年，濕地保護建設工程后的2014年。因此，利用3S技術對這3 a的濕地覆被信息進行提取，為生態環境需水量的計算提供基礎數據。

1.2 濕地覆被信息提取

利用研究區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，還要收集研究區相關圖件和實際野外定點調查等。根據實地調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、緩沖區和過渡區，將三區域的邊界矢量化，統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

濕地內旱田和居民地的主要分部在過渡區，屬于人類活動對濕地所造成的破壞，不計入生態環境需水量計算。湖泊是濕地內的重要生態系統，該區降水量小于蒸發量，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鍵，也是重要的濕地生態系統，其耗水需納入計算，但遼河河口濕地內植物種類繁多，需選擇關鍵植物進行計算；遼河河口濕地內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，已經成為重要的濕地生態系統組成類型，所以保證水稻田的生態環境需水也是遼河河口濕地的生態環境保護目標之一；濕地土壤生態系統對于濕地是至關重要的，濕地生態系統的健康關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環境需水量，才能保持濕地的基本特征，為濕地內各種生物提供必要的生存空間與環境，進而達到保護生物多樣性的目的。因此，需對此四部分生態需水量分別進行計算，再求和即為整個濕地的生態環境需水量。

2.2 湖泊水面蒸發需水量

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

WE=∑A(E-P)×10-3

(1)

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

2.3 濕地植物蒸散發需水量

濕地植物需水包括：①植株表面蒸發耗水；②土壤表面蒸發所耗水量；③植物體內包含的水量；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為濕地植物蒸散發需水量，m3；ETm為蒸散發量，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系統以及其上生態系統維持健康的保障，所以保持土壤水分在一定的范圍內是非常必要的。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，湖泊水面蒸發需水量和濕地植物蒸散發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，三部分生態環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為生態環境需水總量，m3；ETm為濕地植物蒸散發需水量，mm。

3 生態環境需水量計算結果

3.1 基礎數據

遼河河口濕地生態環境需水量計算還需要的數據包括降雨量、水面蒸發量、水田蒸發量和蘆葦沼澤蒸發量。降雨量數據采用六間房水文站和安屯水文站1978-2005年，每年1-12月的觀測數據；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 整個濕地生態環境需水量計算

3.2.1 湖泊水面蒸發需水量

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

3.2.2 主要植物蒸散發需水量

濕地內植物種類繁多，計算植物蒸散發需水量時，只能選擇關鍵植物進行計算。通過遙感技術和實地調查，遼河河口濕地的關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需水量，結果見表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據。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，結果見表4。

表2 遼河河口濕地湖泊水面蒸發需水量 萬m3

注：“-”代表降水量大于蒸發量，不需要補水。

表3 遼河河口濕地蘆葦和水稻蒸散發需水量 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環境需水量，之間沒有重合，利用式(4)進行計算，結果見表5。由表5可知：2000、2005和2014年整個濕地生態環境需水量依次為4.95、5.58和5.51 億m3。

3.3 濕地核心區生態環境需水量計算

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

4 適宜與最小生態環境需水量

4.1 適宜生態環境需水量

濕地生態環境需水量的不同會引起濕地生態特征的變化，尤其是濕地邊界的變化。2005年是遼河河口濕地的平水年，據調查與分析，這一年濕地內水文情勢良好；從濕地覆被類型面積動態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環境要好于2000和2014年；而且從計算的結果來看，3 a生態環境需水量相差不大，這樣不會使濕地生態環境需水量的計算結果過大。綜上所述，選擇2005年作為維持濕地的生態環境的現狀年，來計算適宜生態環境需水量是合理的。

表5 遼河河口濕地生態環境需水總量 萬m3

計算生態環境需水量時，湖泊水面蒸發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，這樣會導致計算結果偏大，應該統一扣除降雨量。經計算，研究區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環境需水量為2.74 億m3，核心區的適宜生態環境需水總量為0.78 億m3，見表6。

表6 遼河河口濕地適宜生態環境需水量結果表 萬m3

4.2 最小生態環境需水量

核心區是為保護珍稀及瀕危動植物而劃分出的區域，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]。核心區是需要重點保護的區域，而維持核心區的生態特征和功能不發生改變的前提，就是保障滿足核心區適宜面積下的生態環境需水量，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適宜生態需水量0.78 億m3/a。由于是最小生態環境需水量，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系統的健康，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。研究區多年平均降水量為640.9 mm，對應的最小生態環境需水量為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，經計算需增加的水量為0.16 億m3/a，對應的最小生態環境需水量 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，對應的最小生態環境需水量為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 適宜與最小生態環境逐月需水過程

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

表7 遼河河口濕地生態環境需水過程 萬m3

5 結 語

利用所提取的濕地覆被信息數據和其他數據計算遼河河口濕地生態環境需水量，結果表明：2000、2005和2014年整個濕地依次為4.95、5.58和5.51 億m3；核心區依次為1.51、1.52和1.47 億m3；統一扣除降雨后的濕地適宜生態環境需水量為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環境需水量分別為0.78、0.94和1.10 億m3/a。為有利于水資源的優化配置，給出了適宜生態環境逐月需水過程，以及不同頻率下最小生態環境逐月需水過程。

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