圩區的水文調蓄及營養鹽攔截作用研究

李玲玲 閆人華

摘 要：圩區是南方平原沿江濱湖地帶特有的景觀，且廣泛分布在我國經濟發達、人口稠密的長江中下游地區。本文介紹了圩區的概念及形成原因，分析了圩區的生態系統服務價值，明確了圩區對人民生產生活及生態安全的重要性。圩區河網出流受人工調控，使得圩區內水域的水位波動相對較小，且保持較高水位，保證了圩區較強的水文調蓄和土壤保水保濕作用。而圩區特殊的水文調控特征，導致其營養鹽（如磷）的總輸入量遠遠高于其輸出量，表明其水域有較大的營養鹽攔截滯留功能，成為營養鹽的儲存庫。由于有效的調控機制，在氣候變化背景下，圩區可削減水安全情勢帶來的不利影響。

關鍵詞：圩垸；生態系統服務；徑流；磷

中圖分類號：K903? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1005-5207（2024）07-0003-05

一、圩區是沿江濱湖地區重要的地理集水單元

1.圩區的概念及形成原因

在平原河網或平原湖區的濱水低洼地區，人們用堤壩阻止江水漫流，形成了沿江、濱湖低地四周修筑堤防、內有灌排系統的自然和人工生態系統的復合體，這些圩堤集中分布的區域在長江下游叫“圩”，在中游的江漢平原叫“垸”，所以一般稱為圩區或者圩垸。

我國東部季風氣候顯著，使得江湖具有顯著的洪枯水季。如長江干流及其調蓄湖泊鄱陽湖、洞庭湖等，一年水位的季節差可達10 m以上。因此，為了維持穩定的農業生產，也為了開墾大面積的河湖灘地，圩區的建設成為一種必需，使之成為沿江濱湖地帶特有的景觀。我國圩區廣泛分布于南方沿江濱湖地區的低洼區，如長江中下游的洞庭湖流域、太湖流域、鄱陽湖流域及珠江三角洲地區。據資料統計，我國圩區堤防總長2.7×104 km，控制總面積4.07×105 km2，保護人口4.79億。

圩區內外呈現出景觀的規律性分布，最外部為防洪大堤，海拔可比內部高出十余米；往內部海拔逐漸降低，依次呈現出旱地、水田、魚塘等景觀。為了方便灌溉和排水，還需有多條溝渠與外部的江湖相連，并在大堤修筑水閘以控制水流［1-2］（圖1）。而出于防洪的考慮，居民區通常建在地勢相對較高的地方，甚至緊挨著防洪大堤。

西漢中葉，司馬遷在《史記》中有“江南卑濕，丈夫早夭”的說法，當時長江中下游地區因為洪澇災害、病菌造成的傳染病嚴重，不太適合人類居住。東漢時期，孫權建立吳國，在太湖流域進行屯田，使得環太湖地區的農業得到深入發展。后來的東晉、南朝宋修建了大量的水利設施，主要是開通灌溉水渠并修造堤壩，防止江湖泛濫。到了唐代初年，江南地區在全國經濟上的重要性已經十分顯著。太湖地區在唐朝中葉時已形成了密集的水網，圩田遍布太湖沿岸。除增加糧食生產外，圩區的建設還大大減少了水災的發生，從而出現了“蘇湖熟，天下足”的說法。到明代中后期，又有了“湖廣熟，天下足”的說法，此時以湖南、湖北為中心的長江中游地區因云夢澤解體等原因，為圩垸的開墾提供了廣闊的空間，使之成為新的全國糧食基地。由此可見，圩區的建設是人類改造環境、拓展生存空間的一大創舉，從而造就了江南的富庶和繁華。

2.圩區的生態系統服務價值

太湖流域內圩區面積有10 630.91 km2，占流域總面積的28.81%［3］（圖2）。圩區生態系統提供了形成及維持人類生存與發展的產品供給、調節服務、支持服務和社會文化服務等方面的環境條件與效用，稱為生態系統服務。太湖流域圩區在產品供給方面，圩區的人工林（以馬尾松、杉木為主）、混交林及竹林等提供了直接的林木來源，林木密度平均值為0.58 g/cm3，產值效益6.0 × 108 元/a，而農田占圩區陸地面積的59.1%，在初級產品供給方面的價格可達78.1 × 108 元/a［3］。另外，太湖流域圩區可為居民生產生活供應水量8.61 ×108 m3/a，流域的水體還供應魚類和蝦類等水產品，產量在不同區域中約500～900 t/km2，折算為貨幣，圩區中的水域在水源供給和水產品供應方面的價值分別為4.3×108 元/a和41.1 × 108 元/a［4］。

調節服務中，農田、林地生態系統在植物生長過程中能夠固定CO2、吸收SO2、釋放O2，改善大氣成分、減緩全球變暖進程，并局部調節水分的時空分配格局，減少水土流失。太湖流域圩區陸地生態系統的調節服務價值為140.0 × 108 元/a［3］。同時，水生態系統還提供著水量調節、水源儲存、凈化水質、調蓄洪水、氣溫調節和固碳釋氧等服務。圩區在減少旱澇災害威脅、保證農業生產和居民生活方面發揮著獨特的作用。例如，太湖流域圩區水域的正常水位與允許的最高水位之間的差距為洪水滯留提供了一定空間，其水體調蓄洪水的總量為4.3 ×108 m3，可減少0.17 m3 s-1 km-2的排澇裝機容量［4］。而通過稀釋、吸附、氧化還原等自然凈化過程，圩區內河流和溝渠的平均氮、磷去除率分別可達32.8%和50.1%［5］。而太湖流域陸地和水體中植被的初級生產固碳量分別為151.16 × 108 t/a 和129.08 × 104 t/a。將所有價值折算為貨幣，太湖流域圩區陸地和水體生態系統的調節服務價值為404.5 ×108 元/a［3-4］。由此可見，圩區的間接調節價值遠遠高于其直接價值，表明圩區內植被和水體在生態調節與維持方面的重要性。

支持功能主要是對生物多樣性的維持，其中陸地生態系統主要取決于景觀綜合指數，即人類活動干擾較少，景觀類型分布均勻則景觀維持功能較強，反之景觀破碎化程度高、多樣性較差，則維持功能較弱。圩區的陸地生態系統支持功能與其地形和人口密度等有關，如太湖流域的西部丘陵區景觀綜合指數較大，而東部平原區生境維持功能較弱［3］。水生態系統的支持功能可用水生生物的多樣性指數來評價，太湖流域表現為流域北部、東部沿海經濟發達地區的水位下降嚴重，景觀破碎化程度高，水環境質量惡化，水生生物多樣性減小，造成水生態系統服務價值效益的下降，而流域西部和南部的地勢較高，區域水位高，水質良好，水生物種豐富，是流域水生態服務價值的高值區。

社會文化功能是指生態系統為社會提供的教育、科研、文化等多方面的服務效應。圩區作為一種重要的濕地生態系統，其獨特的水分、營養物質循環與生態結構，使其成為農學、生態學、水文水利學等學科的天然實驗室，具有重要的文化和科研價值。另外，圩區部分區域水域遼闊、景色秀麗，具有旅游的功能。對這方面價值的評估難度較大，參考前人研究得出的中國單位面積濕地的平均文化與科研價值382 元/ hm2和全球濕地生態系統科研與文化價值881 美元/ hm2，取二者平均值計算可得，太湖流域的社會文化功能價值為4.6 ×108 元/a［4，6-7］。

二、平原圩區具有水文調蓄作用

1.平原圩區水文過程特征

由于圩區所處的平原河網密集區地勢平坦，地下水位淺，水網密集且出流受人為調控，進而造成圩區水文過程與自然出流區相比有著鮮明的特點（圖3）。圩區的水文過程主要有以下幾個特點。

（1）空間上的封閉隔離性

圩區是一個由堤壩圍筑的相對封閉的區域，阻隔了圩內外的自然水力聯系，使其只能通過人為控制的涵閘或泵站實現圩內外的水流交換。

（2）地下水與包氣帶的緊密耦合

由于圩區地下水位較淺，土壤包氣帶水分不僅存在重力作用下的下滲，也會明顯地受到與淺層地下水相關的毛細管上升水的影響。

（3）地下水與地表水頻繁交換

圩區低洼的地勢、較淺的地下水位和周圍密集的河網水系，導致圩內河流、溝渠、坑塘等地表水體與農田地下水接觸面廣，聯系更為緊密。圩區通過泵站、涵閘調控坑塘、溝渠等地表水位，可達到優化調控地下水水位的目的。當地下水位高于地表水位時，地下水排泄到地表水體。而地下水位低于地表水位時，地下水發生逆流，形成地表水體對地下水的下滲補給。

（4）圩區降雨產流、匯流與排水過程呈高度時空異步性

圩區的水文過程主要包括圩區降雨產流、匯流和排水三個過程，三者呈高度時空異步性。

圩區降雨產流與下墊面情勢密切相關。圩區地處平原河網湖蕩區，人多地少，土地利用強度高、類型多，且水田、旱地、林地、城鎮村莊、坑塘等交錯分布。不同下墊面有著迥異的產流規律，如水稻田需著重考慮水稻不同生長時期的需水量與水位控制差異，具有獨特的灌溉與排水模式。而旱地的產流明顯與水田不同，基本不會進行人工灌溉。另外圩區產流還需考慮土壤包氣帶與地下水的互饋關系。

圩區匯流主要指地面產流進入田間毛渠后，順次沿農渠、斗渠、支渠、干渠等灌排渠體系逐級向泵站前的蓄滯水體匯集的過程，其速度和持續時間與不同類型圩區面積大小、地形差、水系連通情況等有關。

當圩區降雨產流匯至泵站前的蓄滯水體后，并非直接排到圩外，而是根據當地泵站或涵閘的調度規則適時排到圩外河道［8］（圖4）。汛期一般圩外河道水位高于圩內坑塘、溝渠水位，圩內自排困難，當坑塘積水位高于控制性警戒水位，達到泵站開啟水位時，將開啟排澇泵站把圩內洪水排出，形成人工徑流。旱季圩外河道水位通常低于圩內地表水位，涵洞常保持開啟狀態。當坑塘積水位高于涵洞高程時，涵閘利用水位落差將圩內多余水分自然排出，產生徑流。而當坑塘、溝渠水位未達到涵閘或泵站啟動的水位時，則流量為零。

2.圩區的水文調蓄作用機制

通過對比分析平原圩區與非圩區水文與氮磷輸移過程，發現圩區具有調蓄徑流、保水、保濕功效。受水域的存儲和泵站的控制，圩區閘泵排水過程相比自然出流更易出現徑流“陡峰低谷”的現象［9］（圖5）。這是因為在洪水期，一方面，泵站會以恒定的大功率排水，有較大的流量，且為了給溝渠和坑塘留有足夠的蓄水容量，泵站關閉水位往往低于啟動水位，進而使得更多的水量排出，出現較高的峰值流量；另一方面，由于涵閘和泵站的攔截，圩區水域一般會保持較高的水位，這樣就可調控地下水位，補充土壤包氣帶水分，保證農田土壤具有較高的濕度，使得當發生降雨時，農田可產生更多的地面徑流，從而促使更高徑流峰值的出現。正因為這樣的人工調控，使得圩區內水域的水位波動相對較小，顯示了圩區較強的水文調蓄作用。不僅如此，圩內水體對土壤包氣帶水分的補充，表明了圩區對土壤的保水保濕作用，對農業生產有較好的促進作用。

在洪水退水期或旱季時，當降雨產流較小且水域水位未達到警戒值時，圩區不排水，使得被攔截的水流隨著停留時間的增長，被蒸發和下滲損耗的水量增加，因而總體上圩區的排水量少于自然河流。

三、圩區是水體營養鹽的儲存庫

磷元素作為我國大部分湖泊富營養化的重要限制性因子，也是世界大多數湖泊解決富營養化問題的關鍵要素。一般認為當水體中磷濃度超過0.02 mg/L時，可明顯促進水體的富營養化，因此減磷是水體治理的重要目標之一。水體中磷元素有顆粒態和溶解態兩種形式，顆粒態磷可通過礦化轉化為溶解態磷，只有后者才能被植物所吸收利用。兩種狀態的磷在自然降水、出入流河道、圩內水田旱地和居民區徑流中普遍存在，同時，水下沉積物中的磷與上覆水體還可相互交換，底泥可發生磷的再懸浮和釋放，水體中的顆粒態磷也可發生沉降。

對圩區整體系統來說，主要磷收入項包括大氣降水帶來的磷輸入、用于灌溉的外部江水或湖水的引入、施肥、生活污水與人畜糞便，其中施肥和人類生活的輸入是兩個主要的磷輸入源，占比分別約70%和26%。輸出項主要包括農作物收割、排水以及向圩外河道的下滲，其中農作物收割和排水是圩區磷輸出量中最大的兩項［9］（圖6）。

將圩區各類型磷的輸入量與磷的入河量進行對比后發現，圩區水域全年接受的各種類型磷的輸入量大于其向圩外的輸出量［9-11］。而從圩區整體系統中磷的年收支平衡來看，圩區磷的總輸入量也遠遠高于其輸出量。表明圩區溝渠、坑塘等水域有較大的營養鹽攔截滯留功能，成為營養鹽的儲存庫，這與人們傳統地認為圩區是平原區非點源污染來源的認識不同。之所以如此，是因為圩區有著特殊的水文調控機制和較高的水面率。一方面，圩區水稻生長期間，從圩外河道引入大量的灌溉水，而圩外的河水受上游污染的影響，含磷量高，所以圩區通過灌溉的方式吸收了大量圩外磷元素；另一方面，由于平原圩區地勢平緩，水流緩慢，且由于泵站的攔截效應，當降雨小或者水位較低時，泵站不啟動排水，使得徑流暫時存儲在泵前的坑塘水域，減少了營養元素的排出。而且與有一定坡度的自然流域相比，圩區徑流在溝渠和坑塘等蓄水體中的停留時間較長，促使營養鹽的沉降、大型水生植被和底泥的吸收吸附等去磷過程的反應時間充分，從而有效降低了水體中的營養鹽濃度，增強了對磷的攔截功效。因此，相對于非圩區集水單元，平原圩區有較大的滯留吸附營養元素的作用，對減少周邊河網湖泊的水環境污染負荷具有明顯作用［10-11］。

四、圩區可削減氣候變化對水安全情勢的不利影響

一般而言，氣候變化和人類活動是影響流域水循環的兩大重要驅動力。氣候變化通過氣溫、降水和蒸發等環節的改變來影響流域的水文循環系統，進而促使徑流過程發生時空變化。人類活動主要通過改變土地的性質，使下墊面的產匯流機制發生變化，從而導致流域水循環的改變。開展氣候和土地利用/覆蓋變化對水文的影響研究，探析變化環境下水文情勢變化特點與水文過程的響應原理，對變化環境下的水資源優化配置和區域社會經濟的可持續發展都具有十分重要的科學指導意義。但如何區分氣候變化與人類活動對徑流變化的相對貢獻是該方向研究的關鍵問題。運用水文模擬的情境設定方法，通過一定時段的氣候變化和下墊面狀況數據的輸入，得到不同情境下的模擬徑流值，是解決以上問題的較普遍方式。

以鄱陽湖流域圩區為研究對象，對圩區徑流過程從20世紀90年代以來受到氣候變化的影響進行模擬，并著重對比了1996—2005年和 2006—2014年的徑流情況。季節方面，與自然流域相比，因受到泵站的攔截調蓄，圩區排水量在秋冬過渡季節和夏季末期因降水增多導致的增長比例大幅減小。相反，春季早期和秋季中期受人工灌溉補充水源的作用，使得因降水量減小引起的徑流量減少的比例也低于自然流域。尤其顯著的是，面對極端降水（如1998年），圩區的徑流增加量與自然河流相比也趨于和緩。這表明由于有效的調控機制，圩區可以在一定程度上削減氣候變化對水安全和水生態情勢的不利影響，增強流域抗御洪旱災害風險的能力［12］。

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［12］ 閆人華. 平原圩區水文過程與磷運移模擬［D］.北京： 中國科學院大學， 2016.

通信作者：閆人華