烏裕爾河1951-2015年徑流量變化對扎龍鹽沼演替的影響

2018-09-11 09:23:28羅金明王永潔劉復剛

水資源與水工程學報 2018年4期

羅金明, 王永潔, 柏林, 劉復剛

(齊齊哈爾大學理學院，黑龍江齊齊哈爾161006)

1 研究背景

濕地系統對于地表的穩定和發展具有十分重要的意義。近年來全球的濕地迅速消失引起人們格外的關注。氣候干旱是導致全球濕地面積持續減少的重要原因[1]，降雨量的減少導致許多半干旱區域的河流沼澤退化成旱地[2],水量平衡的變化對下游區域土壤的鹽沼演替產生顯著影響[3]。20世紀50年代，埃及尼羅河上游修建阿斯旺大壩導致下游大面積沼澤變成次生鹽漬化土壤[4]；20世紀60年代，我國華北地區黃淮海平原次生鹽漬化發生與上游河流的截流密切相關[5]。

東北地區松嫩平原發育了我國大部分的內陸鹽沼濕地[6]。近年來，本地區大面積沼澤濕地退化消失轉變成鹽漬化土壤。統計表明，松嫩平原西部的鹽漬土面積達2.57×106hm2(占整個區域的23%)，并且近年來還在以每年2%的速度增加[7]。以黑龍江省中西部地區為例，20世紀90年代這個地區的鹽漬土面積為2.43×104hm2，到2015年已經增加到2.78×104hm2。本地區土壤鹽漬化發展與氣候的變化以及人類活動密切相關[8]。從氣候條件來看，松嫩平原中西部氣候屬于溫帶半濕潤-半干旱區，年潛在蒸發量是降雨量的2～4倍，這種環境變化導致降雨量的變化直接影響本地區土壤的形成與發展演替方向。另一方面，近年來本地區受人類活動影響日益增強，大量的水利工程，使本地區難以得到流域上游來水的充分補給[9]。20世紀70年代，烏裕爾河流域上游修建水庫導致其每年進入濕地的水流量從20世紀60年代的8×108m3迅速減少至近年來的不足3×108m3。來水量減少導致扎龍濕地130 km2原生蘆葦沼澤濕地退化消失[8]，鹽漬化區域的面積增加至1 420 km2[10]。已有研究對于本地區鹽沼濕地迅速退化演變成鹽漬化土壤的原因進行了分析[7-10]，但是尚缺少從流域尺度探討流域徑流的變化對于流域下游濕地退化的影響。

本研究使用Mann-Kendall檢驗和滑動t檢驗等方法，探討了1951-2015年烏裕爾河流域徑流量的變化特征以及對扎龍濕地演替的影響。研究結果有助于了解本地區濕地的退化機理，可為濕地的保護提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

本研究收集烏裕爾河流域上游(北安站，125°30′E，47°50′N)和烏裕爾河下游(扎龍濕地入口-農安橋站，124°26′E，47°35′N)近65年的徑流量數據，分析流域徑流的變化特征。

2.2 旱澇程度界定

根據文獻[12]的研究結論，扎龍濕地5月份理想蓄水量為5.6×108m3。本文把每年5月濕地的平均蓄水量與理想蓄水量S進行比較來確定旱澇程度：

蓄水量>120%S，大澇；120%S>蓄水量>100%S，偏澇；100%S>蓄水量>75%S，正常；75%S>蓄水量>50%S，偏旱；蓄水量<50%S，大旱。

降雨量數據來自于齊齊哈爾市氣象局統計數據，濕地蓄水量依據農安橋入口以及來自雙陽河流入的徑流量和濱州線出口水量之差得到，數據來自齊齊哈爾市水文監測局。

2.3 M-K突變檢測與滑動t檢驗

本文使用Mann-Kendall(M-K)方法檢驗研究區近65年來降雨量和徑流量是否發生顯著變化。考慮到M-K突變檢測的局限性，本文結合滑動t檢驗是通過考察兩組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗突變。本文選擇步長為5年作為檢驗。使用Matlab計算M-K突變檢測與滑動t檢驗，以<0.05作為環境變量發生顯著性變化的臨界水平，則M-K檢測突變臨界值為±1.96，而滑動t檢驗突變臨界值為±2.46。

2.4 水體富營養化指標

本研究選用冪函數加和模型(EI)進行扎龍濕地水質富營養化特征評價[13]，探討流域徑流量的急劇減少對扎龍濕地水體富營養化的關系。水體富營養化指標包括總氮(TN)、總磷(TP)、CODMn和BOD5，通過層次分析法確定各指標的權重，并得到EI指數。把水體EI分值分為以下5個等級：1級為貧營養化；2級為中營養化；3級為富營養化；4級為重富營養化；5級為極富營養化。

3 結果與討論

3.1 降雨的變化

圖1為1951-2015年扎龍濕地降雨量、M-K檢驗以及5年滑動t檢驗圖。由圖1(a)可以看出，扎龍濕地的降雨量在20世紀50年代初、60年代中期、70年代中期、80中期-90中期、21世紀初以及2010年以后的時間段為降雨量的低谷期，而在20世紀50年代中期、70年代末-80年代中期、1998年前后、2005年前后以及2010年前后的降雨量都在多年平均降雨量(410 mm)以上。通過M-K檢驗表明(圖1(b))，降雨量的整個UB和UF統計變量處于波動變化的特征，并沒有表現出明顯的增加或者減少的趨勢，并且UB和UF統計變量都在0.05顯著性區間內?；瑒觮檢驗結果(圖1(c))沒有發現顯著的突變時間節點。由此可見，近年來研究區的降雨量沒有顯著性的減少。

3.2 徑流量變化

圖2為烏裕爾河上游北安站1951-2015年徑流量變化、M-K檢驗和5年滑動t檢驗圖。從圖2(a)可以看出，烏裕爾河上游北安站的徑流量變化可以分為兩個時段：20世紀50年代-20世紀70年代和20世紀70年代以后。第一個時段的平均徑流量(10.48×108m3)明顯高于第二個時段(6.51×108m3)(F=16.10，t<0.001)。結合M-K檢驗和滑動t檢驗的結果可知，1968-2015年上游地區的徑流量比1951-1967時段顯著減少。這種現象可能與20世紀50-60年代小興安嶺森林砍伐，破壞了流域發源地的產流過程相關。

從圖3可見，烏裕爾河中下游(農安橋)的徑流量整體上表現為震蕩式減少的特征。20世紀50年代的徑流量可以達到8×108m3，到20世紀60-80年代則減少至不足6×108m3，進入90年代后則迅速減少至5×108m3以下，近年來則下降至3×108m3以下。結合M-K檢驗和滑動t檢驗可知，通過農安橋進入扎龍濕地的徑流量自20世紀80年代初顯著減少。

圖1 1951-2015年扎龍濕地降雨量、M-K檢驗和5年滑動t檢驗結果變化圖

圖2 北安站1951-2015年徑流量、M-K檢驗和5年滑動t檢驗結果變化圖

圖3 農安橋站1951-2015年徑流量、M-K檢驗和滑動t檢驗結果變化圖

比較流域上游和下游的徑流量變化特征可知，在20世紀80年代以前，濕地上游的水分能夠較充分的匯入下游，然而自20世紀80年代以后，上游的水分則不能完全流入下游。烏裕爾河流域下游發育大面積蘆葦沼澤濕地，維系其正常生態功能所需的60%以上水分主要靠上游徑流補充[14]。當大部分上游徑流難以順暢的進入下游，必然帶來下游長期缺水干旱狀態，最終導致濕地功能迅速退化。

3.3 流域徑流量變化對濕地蓄水量的影響

圖4為北安站和農安站徑流量與濕地蓄水量間的關系圖。圖4(a)可以看出，流域上游的徑流量在1980年以前與扎龍濕地蓄水量呈現顯著的正相關關系(R2=0.70，P=0.001)；但是20世紀80年代以后上游的徑流量與下游濕地蓄水量幾乎不相關(圖4(b))。作為濕地入水口(農安橋水文站)的徑流量則與濕地蓄水量呈現出顯著的線性相關(R2=0.88，P=0.002)。由此可知，烏裕爾河流域上中游水環境的變化顯著改變了進入下游濕地的水量，導致下游濕地的演替與上游徑流量的關系顯著削弱。

圖5為扎龍濕地1951-2015年蓄水量圖。從圖5可見，20世紀80年代以前，扎龍濕地蓄水量程度幾乎都屬于偏濕澇狀態，在20世紀80年代中后期開始幾乎所有年份里濕地蓄水量都低于其理想蓄水量，自21世紀以來迅速減少至3×108m3以下，即使加上人工生態補水量部分，濕地每年總蓄水量也遠遠低于濕地理想蓄水量5.6×108m3，即濕地都處于干旱缺水狀態。通過對研究區旱澇情況進行統計發現(圖5和表1)，20世紀70年代以前氣候干旱年份占33%(極端干旱事件僅2次，占9.5%)，正常年份占28.57%，濕澇年份占所統計的38%(極端濕澇事件僅2次，占9.52%)。1971-2015期間，濕地大部分年間處于干旱狀態(干旱狀態的年份所占比例高達70%)，濕澇年所占比例不到20%，與1951-1970年期間的旱澇分布存在顯著的差異?？梢?，20世紀70年代以后研究區長期處于干旱缺水狀態(1998例外)。

從圖6可見，濕地水面面積與蓄水量呈顯著正相關的線性關系(R2=0.72，P<0.05)。由于濕地蓄水量持續減少且處于干旱缺水狀態，必然導致濕地發育的沼澤面積迅速減少同時導致濕地水質惡化。研究表明，自21世紀以來扎龍濕地明水面減少46%，湖泊和水庫的面積減少16%[15]，本文的結果也證實了該結論。

圖4 北安站和農安橋站的徑流量與濕地蓄水量的關系

圖5 扎龍濕地1951-2015年的蓄水量變化圖6 濕地蓄水量與明水面面積的關系

表1 研究區近65年不同干旱程度的統計結果

通過M-K檢驗表明UB和UF統計變量呈持續減少的變化特征(圖7(a))，并且在1974和1981出現突變點，說明扎龍濕地自1980年代以后蓄水量出現顯著減少；滑動t檢驗檢測到研究區1964、1974以及2000年左右濕地蓄水量存在突變點(圖7(b))。結合上述二者檢測結果可知，扎龍濕地蓄水面在20世紀80年代發生了顯著性減少。

綜上可見，在人類活動強烈的影響下，烏裕爾河流域(包括扎龍濕地)的生態水文過程發生了顯著的變化，扎龍濕地的來水量大大減少，從而導致濕地缺水越來越來嚴重，缺水年也明顯增多，濕地長期表現出干旱缺水和退化的狀態。學者Qiu[19]在《Nature》刊文預測21世紀接下來的20年里我國東北地區還將有大面積天然鹽沼濕地變成“旱”地。

3.4 干旱對濕地的影響

鹽沼濕地旱化的結果導致本地區發生大面積次生鹽漬化現象[16-17]。圖8為扎龍濕地1979-2017年近40年鹽漬土面積的變化情況。從圖8可知，1979年扎龍濕地鹽漬土面積為170 km2，21世紀以來增加大200 km2以上，到2017鹽漬化面積增加到245 km2，而且相當部分鹽漬化土壤分布在濕地的核心區(圖8(b))。

干旱缺水對濕地另外一個典型影響是導致濕地的水質迅速惡化[18]。表2是研究區水體富營養化指標的變化趨勢。由表2可知，該地區的水體富營養化程度較嚴重，且逐漸趨于惡化的趨勢?？偟?TN)的含量都屬于IV水質標準或者V級標準。TP的含量從1993年的0.10 mg/L增加到2008年的0.34 mg/L(達到V類水質)。BOD5含量也都屬于IV/V類水質。

圖9從空間上揭示了扎龍濕地2011年水體綜合指數特征。可見，濕地水質指數呈現從核心區向外逐漸增加的變化趨勢，而且大部分區域的水質處于富營養化狀態，位于濕地東部的緩沖區地帶已經處于重富營養化狀態。盡管，濕地核心區的水質富營養化程度較輕，但是核心區邊緣地帶的水質則較嚴重，尤其是受人類活動影響較嚴重的緩沖區以及核心區邊緣。