七星河国家自然保护区生态需水量计算分析

潘华盛,姚俊英,崔守斌,李崇涛,高 峰

(1.黑龙江省气象台，哈尔滨 150030；2.黑龙江省气象服务中心，哈尔滨 150030； 3.七星河国家自然保护区管理局， 黑龙江 宝清 155600；4.宝清县生产力促进中心，黑龙江 宝清 155600)

七星河国家自然保护区生态需水量计算分析

潘华盛1,姚俊英2,崔守斌3,李崇涛4,高 峰4

(1.黑龙江省气象台，哈尔滨 150030；2.黑龙江省气象服务中心，哈尔滨 150030； 3.七星河国家自然保护区管理局， 黑龙江 宝清 155600；4.宝清县生产力促进中心，黑龙江 宝清 155600)

基于自然保护区水文、气象参数及湿地生态环境特征值，采用水量平衡方程，计算了区内约2×104hm2湿地(包括芦苇湿地、淡水湖面、草地和耕地)的生态需水量。结果表明，最佳生态需水量4.07×108m3，最大生态需水量4.40×108m3,最小生态需水量3.51×108m3。由于保护区周边水稻种植面积增长，保护区增加补给地下水量2.65×108m3/a。

生态需水量；计算；分析；地下水

0 引 言

七星河国家自然保护区位于黑龙江省三江平原腹地，宝清县北部40 km处。地理坐标为132°5′E～132°26′E，46°40′N～46°52′N。东西长30 km，南北宽10 km，总面积约2×104hm2。其中核心区7 960 hm2，缓冲区面积3 600 hm2，实验区面积8 440 hm2。属于内陆湿地和水域生态系统类型自然保护区。保护区距七星河与挠力河汇合处仅25 km，地势低洼，排水不畅，河流坡降比1/4 500,为典型的低平原河谷漫滩地貌景观。湿地保护区的地貌特征可概括为“两草一水七分苇”，是三江平原唯一的大面积芦苇沼泽，具有高度的代表性和典型性，同时该湿地是三江平原比较完整的生态系统原始、典型、齐全的湿地，是典型的内陆低温高寒湿地生态系统[1]。

近年来对湿地水文，湿地生态保护与恢复重建、水资源配置已成为湿地水文专家关注的焦点[2-5]。生态需水研究是生态水文学的重要研究内容之一,对生态恢复与环境保护和水资源合理配置提供科学依据[6-8]。湿地生态需水量计算是为湿地配水服务的, 需要有一定的地表水量, 以满足芦苇等水生植物的生长和水禽的栖息、繁殖等需要。

1 方法与资料

七星河国家自然保护区降水资料，采用Barnes网格距离权重插值方法[9],用湿地保护区周围有气象观测资料的五九七农场、宝清、富锦、双鸭山、佳木斯、集贤等台站降水，形成了七星河湿地保护区1961～2008年年降水资料。湿地蒸散发量是湿地水量平衡中的一个重要分量，湿地植被种类对湿地蒸散发量有很大影响,采用陈刚起等研究芦苇沼泽比开阔水面有更大的蒸散发量结果[10];因植被的蒸散力除了受太阳辐射、风、温度外还受到物种、叶面指数、密度、盖度等影响，增大了蒸发面积。而水面蒸发仅受单一气象因素影响，水面蒸发量是要比植物蒸散量小。根据七星河国家自然保护区，地貌特征概括为“两草一水七分苇”和参考2009年全国湿地资源调查结果，将保护区划分以下几个组成部分，见表1。

表1 保护区地貌特征面积

2 七星河湿地保护区年降水(1967-2008年)年际变化

保护区近42 a年降水变化见图1。由图1可见，多年平均年降水为518.0 mm。总的划分3个时段为宜，1967～1980年年降水稍少时段，均值为500 mm，1970年出现了年降水极小值为353 mm。1981～1997年年降水偏多时段，均值为560 mm较常年多42 mm，1981年出现了年降水极大值为801 mm。1998～2008年为降水偏少时段，均值497 mm较常年少21 mm。基本与黑龙江省气候变化一致[11]。

图1 保护区1967～2008年年降水变化Fig.1 Annual precipitation change in reserve in 1967～2008

3 湿地生态需水量计算与分析

湿地生态需水量就是指湿地为维持其生命活动和自身发展过程所需要的水量。包括湿地植物需水量(湿地植物的蒸腾耗水、棵间水面或土壤的蒸发耗水)；湿地土壤需水量(土壤持水量)；湿地动物需水量(动物生态习性、生理活动需水量)。它区别生态环境需水，生态环境需水指为基本遏制生态环境恶化趋势，并逐步改善生态环境质量所需要的水量[12]。

沼泽湿地蒸散发耗水量以及地下水出流量之和再去掉降水量即为湿地生态需水量，即水量平衡方程[8]为：

(1)

式中Ws为常年生态需水量，m3；E为常年蒸发量，m3，其中包括芦苇蒸散发量，湿地纯湖面蒸发量和陆地蒸发量(草地+耕地)3项之和；G为常年地下水流出量，m3；P为常年降水量，m3。

由于湿地保护区没有芦苇蒸散发量的监测资料，芦苇的蒸散发量，因其生长情况不同而有很大变化, 且不同地区的芦苇蒸散发量也会有很大不同, 目前相关的研究尚不多见。实际计算中,可取相近地区的测量值。本文取文献[6]芦苇湿地蒸散发量按芦苇等级中等盖度( 60%～80% ) ，芦苇级别Ⅱ，蒸散量1 400 mm。因这两个保护区基本处在同一纬度上，湿地类型相似。其它取本保护区湿地资料，水面蒸发量为857.7 mm，陆地蒸发量630.5 mm。多年平均降水量518.0 mm。代入式(1)中E-P项：

(2)

同样可求出

(2a)

(2b)

水分通过渗漏的途径实现地下水交换，如湿地周边丰水, 而沼泽湿地储水量较少，水位较低时,周边补给沼泽湿地,反之则沼泽湿地补给周边。由于水稻种植面积的迅速发展，加大了对七星河地下水的开采强度。1992～2001年七星河下游平原地区地下水位呈下降趋势，其中潜水位下降速率在11～32 cm/a。地下水位的降低加大了湿地水对地下含水层的补给速率，导致湿地水量减少，加快湿地萎缩与退化的进程，使地下水文系统处在负均衡系统。位于七星河南侧保护区及周边地区的地下水位同样总体呈下降趋势。同时对地下水开采量明显增加，使得地下水位呈明显下降趋势。如五九七农场四分场24队长期观测井自1997年5月至2005年6月20日5日地下水变化显示水稻田的发展对地下水位的下降有明显贡献。由于每年5至8月，地下水位下降2～3 m，这将加速保护区地表水对周边地区补充地下水的水量和速度。这可能是保护区近10 a地下水位呈下降趋势的一个较为重要原因之一。

据统计五九七农场湿地水稻耕地面积由1984年的13 hm2到1985年增至130 hm2,到2009年增至16 000 hm2是1985年的123倍。友谊农场水稻种植面积自1984年377 hm2,增至到2007年的21 347 hm2增加了55.6倍；地下水位的埋深和地下水位的降低是保护区周边水稻面积的大幅增加的一个主要原因。

为定量分析七星河保护区周边对保护区地下水的补充量，可导出因积水深增加而增加补给地下水量(△Q入渗)的计算公式[7-8]，当沼泽湿地水位增加时，将增加对地下水的补充量。

(3)

式中△Q入渗为周边湿地积水入渗补充地下水量，m3;K为湿地土壤饱和导水率，m/d,取0.068 m/d；△H为湿地积水深增加值，取0.5 m，春汛增加水深25 cm, 夏秋汛增加水深30 cm；Zr为潜水位埋深，保护区5 m；F为具有明显积水湿地面积，保护区17 333 hm2；T为计算时段，d春汛取30 d，夏秋汛取60 d。以上特征值代人式(3)

(4)

七星河湿地自然保护区增加补给地下水量2.65×108m3。如按给水度0.30计，从静态角度分析保护区可实际需得到补给地下水量0.8×108m3。使湿地区域地下水位回升0.4 m。可见保护区具有较强的地下水补给功能。

将△Q入渗=G=2.65×108m3代入式(1)得出：

(5)

式(5)表示湿地生态最佳需水量值。

假如在蒸散发量不变的情况下，最大和最小生态需水量如下：

(6)

式(6)表示湿地生态最大需水量值。

(7)

式(7)结果表示湿地生态最小需水量值。

在七星河保护区的湿地区，最佳生态需水量4.07×108m3。最大生态需水量4.40×108m3,最小生态需水量3.51×108m3。

考虑到野生生物栖息地需水量是鱼类、鸟类等栖息、繁殖所需水量,七星河湿地多种底栖性珍稀鱼类对水深要求一般为2 m, 以此为标准可以计算最大生物栖息地需水量，这里不必赘述。

4 结 论

七星河国家自然保护区是比较完整的生态系统，是原始、典型、齐全的芦苇沼泽湿地。由于气候变化影响，土地利用方式的改变，生态需水量不同年份也不同。本文基于水量平衡方程出发，计算了七星河湿地国家自然保护区生态需水量，最佳生态需水量4.07×108m3。最大生态需水量4.40×108m3,最小生态需水量3.51×108m3。

[1]于宏敏，刘赫男，潘华盛.黑龙江七星河湿地锐减原因研究[J].自然灾害学报，2013,23(6)：234-239.

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[3]章光新，尹雄锐 , 冯夏清. 湿地水文研究的若干热点问题[J].湿地科学，2008，6(2)：105-112.

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[5] 杨志锋, 崔保山, 黄国和. 黄淮海地区湿地水生态过程、水环境效应及生态安全调控[J]. 地球科学进展, 2006, 21(11):1 119-1 126.

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[12]崔保山，杨志峰.湿地学[M].北京：北京师范大学出版社，2009.

Calculation and analysis of the ecological water demand in Qixinghe national nature reserve

PAN Hua-Sheng1,YAO Jun-Ying2,CUI Shou-Bin3，LI Chong-Tao4,GAO Feng4

(1.Meteorological Center of Heilongjiang Province,Harbin 150030,China;2. Heilongjiang Meteorological Service Center, Harbin 150036, China；3.Heilongjiang Baoqing Qixinghe Nationai Nature Administration,Baoqing 155600, Heilongjiang,China;4.Productivity Promotion Center,Baoqing 155600, Heilongjiang,China)

Based on hydrological,meteorological parameters and wetland ecological environment characteristic value in nature reserve, the water balance equation is used to calculate the area of 2×104hm2wetlands, including reed wetland,freshwater lake, combined total of the grassland and arable land ecological water requirement. The best ecological water demand is 4.07×108m3, the maximum ecological water demand is 4.40×108m3, the minimum ecological water demand is 3.51×108m3. Because of the growth of reserve surrounding rice planting area, the recharge of underground water is increased to 2.65×108m3/a.

ecological water demand; calculation；analysis;underground water

10.13524/j.2095-008x.2015.03.045

2015-02-28;

2015-05-03

黑龙江省科技攻关项目(GC09C106)

潘华盛(1941-)，男，黑龙江哈尔滨人，研究员，研究方向：天气气候，E-mail:panhsqxt@163.com。

X143

A

2095-008X(2015)03-0046-04