白洋淀湿地生态需水量计算

2011-10-30 06:21董文君曹学章胡丽丽

中国科技信息 2011年11期

关键词：需水蒸发量白洋淀

董文君曹学章胡丽丽

1.南京信息工程大学遥感学院，南京，210044；2.环保部南京环境科学研究所，南京，210042；3.河北省安新县气象局，安新，071000

白洋淀湿地生态需水量计算

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1.南京信息工程大学遥感学院，南京，210044；2.环保部南京环境科学研究所，南京，210042；3.河北省安新县气象局，安新，071000

入淀补给的水量不足，是造成白洋淀湿地生态及其环境恶化、淀泊萎缩的重要原因。通过生态水位法计算不同代表年白洋淀最小、适宜需水量，为湿地补水奠定基础。

白洋淀；湿地；生态需水

白洋淀位于华北平原中部，是大清河中有缓洪、滞沥、蓄水兴利的大型天然平原洼淀。白洋淀流域面积为3.12万km2，在行政区域上包括河北省、山西省、北京市管辖下的多个市县。直接汇入白洋淀湿地的河道有潴龙河、唐河、府河、漕河、瀑河、孝义河、南拒马河及白沟引河。

近年来，随着社会经济的发展及人口的增长、水资源的过度开发和气候的干旱，白洋淀湿地干淀频繁出现，生态环境恶化、淀泊萎缩、湿地面积减少，生物多样性和湿地生态功能遭到破坏。只有明确了湿地不同代表年不同等级生态需水量，才能对其生态补水进行合理配置。

1.湿地生态需水研究进展

湿地对生态环境的重要性逐步被人们认识，近年来学者们对湿地研究越来越重视。生态需水量的定义主要适用于陆地、河流系统，具有普遍的意义，湿地生态需水量有其自身的特点。不同学者从各自的研究目的和角度出发，给出了不同的概念：崔保山、杨志峰[1-2]对其内涵分别进行了阐述：广义的湿地生态需水量就是指湿地为维持自身发展过程和保护生物多样性所需要的水量；狭义的湿地生态需水量是指湿地每年用于生态消耗而需要补充的水量，主要是补充湿地生态系统蒸发需要的水量；广义的湿地环境需水量是指湿地支持和保护自然生态系统与生态过程、支持和保护人类活动与生命财产以及改善环境而需要的水量；狭义的湿地环境需水量是指湿地每年由于环境消耗而需补充的水量，即补充湿地每年渗漏、防止盐水入侵及补给地下水漏斗、防止岸线侵蚀及河口生态环境需要的水量。郭跃东等[3]认为湿地生态环境需水是指维持湿地生态系统生态平衡和正常发展、保障湿地系统水文功能及相关环境功能正常发挥所需的水量。李九一等[4]则认为，湿地生态需水量应指湿地每年因消耗而需要补充的水量，湿地内合理的蓄存水量不应该列入湿地生态需水量之中，应将其称为湿地生态储水量。周林飞等[5]认为，湿地生态环境需水量包括存量和通量两个组成部分，存量是指为维持湿地自身发展及湿地各种功能正常发挥的地表蓄水量（或地下水位），通量是指维持湿地各项功能需消耗掉的水量，包括水面蒸发、渗漏和植物蒸散发量等。

湿地生态环境需水计算目前还没有系统的方法。崔保山等[1-2]根据湿地生态环境需水量的基本特征和表现，对湿地生态需水量进行了分类，并根据各类型的特定功能和价值对各自的生态用水量计算进行了探讨，但其计算方法需要大量的基础数据，在应用中有相当难度。崔丽娟等[6]认为湿地水量平衡的研究是湿地生态环境需水计算过程中最基础的研究内容，也是研究和解决一系列实际问题的手段和方法。此外，魏彦昌、苗鸿等[7]还认为对于天然湿地生态环境需水量的确定可以依据湿地各种生态功能确定最低生态水位，如双台子河口湿地，可提供种植芦苇、养殖、旅游和保护盘锦及周边地区生态环境和物种多样性等功能，可按照每种生态功能分别确定相应的生态水位，综合考虑得到维护生态功能的最低水位，根据最低生态水位确定相应的水面和水深，通过考虑蒸发或渗漏来计算生态需水量。在计算过程中，不同学者从各自的研究目的和角度出发，根据对湿地生态需水概念理解的不同，湿地生态环境需水量的计算口径多种多样，如李九一等[4]、周林飞等[5]计算湿地所需的蓄水量；崔丽娟等[6]计算湿地每年所需的耗水量时不扣除湿地范围内的降水量；李九一等[4]、戴向前等[8]、唐蕴等[9]、杨柳等[10]计算湿地每年的耗水中扣除湿地范围内降水补给外还需由径流补充的水量。另外郭跃东等[3]、李兴春等[11]、王建群等[12]、刘加海等[13]、刘春丽等[14]、唐占辉等[15]、孙晓梅等[16]、赵东升等[17]、孙静霞等[18]等将湿地生态环境需水量分成不同部分，有的计算储水量、有的计算耗水量、有的计算需由径流补充的水量、还有的部分计算湿地从目前蓄水状况提高到某一目标所需的水量。

根据现有相关研究，湿地生态需水可分为生态储水需水量和生态耗水需水量，后者又有两种计算口径，一种包括湿地范围内降水在内，另一种只计算除降水外需由径流补充的水量。本文计算的白洋淀生态需水量是每年的白洋淀耗水中扣除淀区降水外还需由径流补充的水量。

2.白洋淀湿地需水计算

白洋淀的耗水主要是蒸散和渗漏消耗，这两项消耗减去水面降水即净耗水需水量，就是白洋淀湿地需要由径流补充的水量。本文在前人研究的基础上采用水量损失法原理计算白洋淀湿地生态需水量。由于白洋淀湿地各月水面面积不同、降雨量分布不同、蒸发能力不同，因此湿地水面净耗水量需分月计算。其中湿地蒸散量和水面降水量均以月为时段分别计算后汇总得到，年渗漏量利用刘建芝等[19]的河北省水科所1979年侧渗模拟实验成果内插得到。计算公式为：

式中：Ai为i月生态水面面积；Ei和Pi分别为i月蒸发量和降水量；L为年渗漏量。

2.1 白洋淀生态水位、水面面积

由于白洋淀湿地各月水位、水面面积不同，因此要确定白洋淀各月的最小、适宜生态水位，然后根据水位－水面面积关系查出逐月最小、适宜生态水面面积。根据衷平等[20]提出的生态水位法，将最小、适宜年生态水位分别除以白洋淀多年平均水位，得到最小、适宜生态水位系数，如公式（2）和（3）。将生态水位系数乘以各月水位多年平均值，得到逐月的最小、适宜生态水位，如公式（4）和（5）。

式中：

近年来许多学者对白洋淀的生态水位进行了研究，如王俊德[21]根据白洋淀防洪、灌溉与工业用水、渔业、植苇、水生植物生长和旅游功能对水位的要求，提出白洋淀所需的最低水位为7.3m。衷平等[20]首次用生态水位法对白洋淀处于高频率水位范围内的年份和该年份的生态环境状况进行分析后认为7.32 m和8.56 m可分别作为计算白洋淀最小和理想生态环境需水量的水位。赵翔等[22]在分析白洋淀生态系统功能的基础上，利用水量面积法、最低年平均水位法、年保证率设定法和功能法等4种方法对其最低生态水位进行分析和计算，综合4种方法的计算结果认为以7.30m（大沽高程）作为白洋淀最低生态水位是合理的。阎新兴等[23]通过分析白洋淀汛期和非汛期的水位经验频率，得出汛期和非汛期的高频水位，结合芦苇生产、莲藕种植和渔业对水位的要求，确定白洋淀汛期和非汛期生态适宜水位7.9 m。刘越等[24]采用白洋淀湿地1956年～2000年的逐月实测水位数据，采用类似方法，确定白洋淀的生态适宜水位范围为7.9m～8.7 m，如果不能维持此水位，则应维持在7.1m～7.9 m的范围。

综合上述研究成果，可将7.30 m和7.90 m（大沽高程）分别作为白洋淀最小年生态水位（L最小年生态）和适宜年生态水位（L适宜年生态）。白洋淀多年平均水位（L多年平均）为7.80 m。依据式（2）和式（3），最小生态水位系数δ最小＝7.30m/7.80m＝0.94，适宜生态水位系数δ适宜＝7.90m/7.80m＝1.01。根据式（4）和式（5），计算出逐月最小、适宜生态水位（表1）。根据白洋淀水位－水面面积关系（图1），查找对应的生态水面面积，结果见表1。

2.2 白洋淀湿地不同代表年蒸发量计算

参考水利电力部水文局[26]将安新县的蒸发量实测值（利用20cm口径蒸发皿观测）折算系数取0.6作为自然水面的蒸发值。1980年～2009年安新县蒸发量、降雨量数据的关系如图2、3所示。从图2中多年月平均蒸发量、月平均降雨量对比可知，只有汛期的7、8月降雨量大于蒸发量，其他月份降雨量均小于蒸发量。根据图3可知，近30年来除了1968年外，白洋淀的年蒸发量远远大于年降雨量。由此可见，白洋淀水面蒸发量比较大，自身水位维持需要上游水源的补给。

根据1980～2009年安新县年蒸发量、年降雨量关系，用SPSS软件进行检验，有显著负相关性。参考李辉等[27]提及对蒸发量计算方法，因此对蒸发量序列进行升序排频，选择典型年计算出各保证率下的设计值如表2。

2.3 白洋淀湿地不同代表年降雨量计算

白洋淀主要位于保定市安新县内，根据河北省安新县气象局1980年～2009年降雨量数据，利用适线法原理，绘制年降雨量频率曲线（皮尔逊Ⅲ型分布曲线）如图4。

根据典型年选择原则，从实测数据中选择典型代表年，并以年降水量来计算缩放系数如表3。用各缩放系数乘以相应的代表年各月降雨量，即得平水年（P=50%）、一般枯水年（P=75%）、特枯水年（P=95%）的设计降雨量年内分配(见表4)。

2.4 白洋淀湿地渗漏量计算

根据表5可知，水位7.30 m时的每年渗漏量为2368万m3；水位7.90 m时的每年渗漏量利用表5的成果内插得到为3218万m3。计算白洋淀生态需水量。

3 结论与分析

根据公式（1）以及上述研究结果，计算得到白洋淀湿地不同代表年的需水量（见表6）。白洋淀湿地在平水年最小需水量为6620万m3，适宜需水量为10108万m3；在一般枯水年最小需水量为8452万m3，适宜需水量为12578万m3，枯水年最小需水量为9687万m3，适宜需水量为14058万m3。由此可见：在平水年，白洋淀湿地汛期降雨量一般都能满足白洋淀自身蒸发量，非汛期需水量大，需从上游水库来补给；在一般枯水年、特枯水年，白洋淀湿地降雨量偏少、净蒸散量大，不能够维持自身生态功能的消耗，需从上游水库得到补给。