模拟湿地恢复的水文效果研究

[比利时]J.斯塔伊斯 M.H.鲁巴伦兹亚 P.梅尔 P.威廉姆斯

1 研究概况

湿地在水文循环中担当着重要的角色,但是也受水文本身变化的影响。那种认为湿地在规整水文循环中起着重要作用的观点被普遍接受,但是,不同流域湿地的具体影响是不同的。由于具体地点位置不同、气候和流域的地形各异,概括地讲湿地功能似乎没有多大意义。传统的湿地分类方法已不再适用,因为湿地的特征是由植被、水文、下垫面条件和地形地貌共同决定的。本研究的重点在于流域中湿地的作用和水文类型,湿地恢复类型特征可概括为:

(1)渗透恢复。一种通过恢复渗透区域来恢复湿地的方式。流域中不透水面积的比例对降雨径流和基流的影响强烈,有研究表明,城市化25%的流域,其地下水交换就要损失20%。通常近似地认为,地下水交换损失的比例与城市化的比例一致。

(2)上游水头湿地恢复。通常是位于冲积地区或者平坦地区,主要是受雨水补给。有机物质能够很容易地在酸性、有毒环境下累积。很长时间,累积的泥炭层像海绵一样吸蓄着水源,这些湿地大多数在数世纪以前就开挖了引水沟渠网络,使上游的水头下降。

(3)下游谷底湿地恢复。这些湿地起着削减洪峰和调节洪水的作用。洪水被暂时地蓄存在这里,泥沙和营养物质在这里沉积。这些湿地肥沃,产出率高,同时也是水消耗大户,在干旱期间会大大减少河流的基流。

(4)上游谷底湿地恢复。这些湿地实际上是起着缓冲区的作用,延缓着上游径流对洪峰的增加作用。通过滞蓄壤中水流,增加了基流的稳定性,也提高了地下水水位,增加了地下水交换,这些区域的水位呈季节性地波动,容易矿化并形成富有生机的生态系统。

2 研究区域和研究方法

2.1 研究区域

西欧佛兰德斯(Flanders)地区北部的大内特河流域是一个中等规模的流域。该流域遍布着沙壤土,平坦的地形从西边海拔约有12m到东边约有69m,地下水较浅,流域面积为 385km2。水文模拟采用的模型是 MIKESHE。MIKESHE是一个分布式模型,同步统合了所有水文过程,包括下渗、虹吸上升、蒸散发、漫滩溢流、井水抽取和地下水径流等。MIKESHE为流域提供水平衡信息,并能分析流域河流交换的主导来源。模型由 3～5a的数据率定,并经过5～7a分段时间验证。

2.2 建立湿地恢复方案

有关模型对用地方式输入的敏感在以前也进行过研究,被认为是模型的不确定因素。决定模型的用地类型和分类有3个来源,即陆地卫星影像图、地面覆盖标图和用于制定流域管理规划的地图。湿地恢复是否合适,主要取决于地形地貌分析(一种高效的数字地图高程数据存储格式(DEM)),同时也要结合考虑土壤参数和上下游的比降。

2.3 湿地植被

湿地按植被的不同可以分为草地、森林和其他用地类型(例如蓑衣草地和红杨树地等)。对于西欧的大内特河流域来说,从流域管理的用地类型图来看,大约只有0.11%的面积属于湿地,但是从陆地卫星影像和地面覆盖图标来看,分别有2.94%和0.57%的面积属于湿地。湿地植被的标注源于“生态价值图谱”(BVM),是用于西欧佛兰德斯地区和比利时首都布鲁塞尔地区生态环境评估的标准。生态价值图谱也是生态分类图,被频繁地用于用地类型图。植被状况是确定湿地退化的有效方法。根据“生态价值图谱”,研究流域大约有6.5%的面积有明显的湿地特征,大约有12%的流域面积显示出退化前的湿地特征,5.2%的流域面积是开放的水域。

2.4 基于 DEM的湿地分析

地形指数也被用于标识地下水的特征,这是基于地形指数决定地表径流的假设,可以用来预测透水性沙壤土中水的状况。该假设经过了土壤地图数据检测,且已证明具有相当的精度(r2=0.77)。该方法适宜用来鉴别依赖于湿地的壤中流。

2.5 基于 DEM的河水位影响

地表径流湿地(SFW)或者湿地的地下水水位强烈地受河水水位的影响,可以认为是河流系统的水消费者。河流和河谷的高度差是地表水影响湿地的一个表征。另外,这些湿地一定是因河流冲积下沉或者是最近发生过的洪水造就的结果。

3 讨 论

3.1 实际蒸散发和植物根区水份

在研究区域的23个试验点,绘制了实际蒸散发量(AET)和植物根区(RZ)含水过程水文图。研究人员将累积的蒸散发量和植物根区含水量与预案得出的蒸散发量及植物根区含水量进行了对比,结果见图1。

图1 累积的蒸散发量和植物根区含水量与预案得出的蒸散发量及植物根区含水量的对比

图2 植物根区含水量(左)和渗透恢复部分

对于上游水头湿地、上游谷底湿地和下游谷底湿地的模拟表明,植物根区含水量累积曲线有明显的减少。植物根区含水量的变化可以从图2中看出。

站点1和站点2的植物根区含水量没有站点 3的多。站点2的平均植物根区含水量呈下降趋势,站点 3却上升了。这表明,植物根区含水量在湿地某些地方上升,势必会在另外一些地方下降。站点选择的目标是要确定流域对于某种预案的反应能力。例如,本例中 3个站点的选择是为了评估湿地渗透能力的恢复。3个站点的具体情况详见表1。

表1 分析站点的位置和特征

站点1、2和 3的不同源于它们的位置和监测点的不同。站点2和站点 3位于较大河流的河谷,而站点1则位于河流的上游,周围为覆盖型地表环绕。所以站点2和站点 3能够从一个大的渗透区收集到地下水的横向径流。

对于渗透恢复,所做的流量曲线分析不能证明会使水文事件减少(见图2)。可能的合理解释是增加流域沙壤士的下渗会导致地下水水位的上升,相应地也就会增加向河流的入流,尤其是那些河谷中的饱和土壤,这一点可以从图2看出。图中覆盖地表的土壤入流减少了,饱和土壤的入流增大了,但是总体上,总的径流量并没有发生大的变化。

第2个解释就是离河流较近的城市化增加了洪水径流及其峰值,而这些洪水径流又由于湿地有较高的湿度,因而不能被存储。上游城市地区的径流虽然能得到储存,但由于远离河流,所以对径流洪峰的增加影响不大。同样,谷底湿地的恢复将会增大曼宁(Manning)系数。植被的发展和生长,以及宽浅的河床,都会影响周边的地下水水位,增加土壤饱和区的水力水头。

最后,观测发现,有些分析站点没有明显的反应,尤其是累积蒸散发量,但是渗透恢复和下游河谷湿地恢复方面并非如此。上游水头和上游河谷的33%和 40%的选择分析站点都存在着这种情况(没有明显反应)。湿地可以记录的反应取决于很多因素,例如地下水水位的位置和相对运动等。在所有情况中,平均地下水水位会在一个长时间段保持为一个常数。但潜在蒸散发能力和累积蒸散发量并不一致。如果潜在蒸散发能力持续着,多余的水也不可能增加累积蒸散发量。

3.2 影响湿地的特征要素

湿地是一个复杂的系统,有着很多物质和能量的转化,我们还不能理解所有的相关过程。不确定性还将继续存在,因为模型还不可能包括影响湿地行为特征的要素。这些要素包括以下几个方面:

(1)湿地在能量分配、蒸散发和凝结中的作用。蒸散发是所有水文过程中最显著的要素,然而,不同水文条件下的实际蒸散发情况人们却知之甚少。对湿地蒸散发量的评估依然是不够的,主要是由于湿地复杂的地表特征和湿地类型的多样性所决定的。由于湿地的多变性和复杂性,还没有一个简单的方法来最佳评估一个湿地的蒸散发能力,也没有简单独立的测量办法可以得到一个湿地的蒸散发能力。很显然,除了含水量以外,空气和气孔对水汽的阻力会限制湿地的蒸散发速率。另外,湿地周边的环境和湿地的大小也是影响湿地蒸散发量的重要因素。

(2)通过裁弯取直和适应性地形的改变也可进行湿地地表径流的恢复,可能还会重新建立典型低洼的滩区湿地类型。河流中大型植被的生长能显著地阻拦水流和增加相应的滞水量。在低流量河流条件下,河中大型植被的生长会导致泥沙的动态受阻,并形成宽浅的河床,甚至在河槽中形成泥沙淤积。

(3)合并不同的湿地植被及其参数。为精确研究湿地的水文过程,需要考虑物种不同的特殊性。与湿地相关的植被群落的范围很广,但是对于它们的一些特殊行为,人们还知之甚少。这些物种最大的不同是对于气压差变化的反应方面,也即气孔湿度。在所研究的区域,有红杨沼泽林、杨木林、开放水域、灌木丛、篱笆和含水草地,所有这些物种在过水期都会受到影响。对于以篱笆为主的湿地植被,大型乔木的蒸散发能达到总蒸散发量的25%,主要取决于不同的篱笆类型,植被本身的根系也会改变土壤的传导度。红杨沼泽林在较潮湿的环境中有相对较低的传导度和蒸散发速率。杨木林有较强的吸水力,它在所研究区域占2.8%～3.2%的流域面积。

(4)变化的水文条件下,泥沙的变化也是一个未知要素。变化的水文条件对土壤中的生物化学和植被发展有影响。这种变化可能发生于从一个营养贫乏的系统变化到高营养的系统过程中。总之,湿地泥沙由于大面积纵向和横向水利传导度的不同而为模型模拟造成一定的难度。可以通过建立传导度矩阵来解决,但是解决的过程相当复杂。

4 结 论

本研究的重点在于湿地在流域和水文地形中的地位。使用分布式水文模型的结果作为输入项,以确定河谷湿地恢复的流域反应。这些包括渗透恢复、下游谷底湿地恢复、上游谷底湿地的恢复和上游水头湿地的恢复。

河谷湿地恢复的结果表明,湿地恢复减少了地面覆盖,增加了土壤的饱和区,促进了地下水的交换,但是它对洪峰径流并没有产生明显的增加作用。流域的实际蒸散发速率和植物根区含水量在所分析的站点各有变化,并受诸多因素的影响。这说明概括湿地的功能毫无意义,因为湿地在流域中所处的位置、气候条件和地形都不相同。研究最后指出,针对湿地及其水文表现还有很多问题有待进一步研究。湿地高的蒸散发速率对流域水平衡影响较大,通常,湿地修建的沟渠不多时,可以作为下雨时的滞水缓冲区。湿地不确定性因素的存在是因为在模型中不能够包括一些影响湿地行为的要素。不同的湿地类型要求有具体的水生态,以保护湿地或者允许湿地提供某种期望的生态功能。