基于3S技术的辽河河口湿地生态环境需水量研究

张琬抒，周林飞，成 遣

(沈阳农业大学水利学院，沈阳 110866)

近年来，工农业以及生活用水的增加，挤占了生态环境需水，破坏了各类生态系统的用水平衡，导致其生态功能下降。湿地是地球上重要的生态系统之一，是人类赖以生存的家园，也是自然界中许多珍惜生物重要的栖息地，而健康的湿地生态系统又需要适量的水来维持。随着人们对湿地重要性的不断认识，许多学者投入更多精力于湿地生态环境需水量的计算，由于不同学者对湿地生态环境需水量的概念理解有所不同，因此不断有学者从各自的研究目的及角度出发，用不同的计算方法对湿地环境需水量展开了深入研究[1]。本文以辽河河口湿地为研究背景，以3S技术为基础，结合芦苇蒸散发、降雨、蒸发等基础数据，对其生态环境需水量进行研究，并在此基础上确定适宜与最小生态环境需水量，为湿地的水资源优化配置提供依据。

辽河河口湿地属于国家级自然保护区，位于辽河的入海口处，行政区域属于辽宁省盘锦市，总面积约1 281.03 km2。坐标为40°45′～41°10′N，121°30′～122°00′E。辽河河口湿地南北长60 km，东西宽35 km，总面积约1281.03 km2。经调查湿地内共有物种大概为1 096种，植物种类多样，还有珍稀的野生动物，经统计国家Ⅰ级保护动物5种、国家Ⅱ级保护动物30种。湿地内年均蒸发量为942.1 mm，年均降水量为640.9 mm(主要集中在夏季)，蒸发是降雨的1.5倍，蒸发大于降雨是该区域的显著的特点[2]。

1 基于3S技术的湿地覆被信息提取

1.1 计算年份的确定

辽河河口自然保护区自1985年成立以来，实施了三期工程：一期基础设施建设工程，1991年开始，1996年全部竣工；二期基础设施建设工程，2004年初开始，2005年完成；湿地保护建设工程，2006-2008年。考虑保护区的3个建设时期，生态环境需水量的计算时段选择如下：一期基础工程结束后的2000年，二期工程完成的2005年，湿地保护建设工程后的2014年。因此，利用3S技术对这3 a的湿地覆被信息进行提取，为生态环境需水量的计算提供基础数据。

1.2 湿地覆被信息提取

利用研究区2000、2005和2014年Landsat 4-5 TM遥感影像提取湿地覆被信息，影像分辨率为30 m，时间为每年的9月。操作软件选用Erdas和ArcGis。此外，还要收集研究区相关图件和实际野外定点调查等。根据实地调查将湿地的湿地覆被类型划分为湖泊、滩涂、芦苇、河流、水田、旱田和居民地，合计7类。对3 a 7种类型的覆被信息进行提取，并将湿地划分为核心区、缓冲区和过渡区，将三区域的边界矢量化，统一坐标后覆盖在各年整个湿地覆被信息图上，分别获得这三区域的各年土地利用信息。如表1所示。

表1 辽河河口湿地覆被类型面积变化表 km2

2 计算方法

2.1 计算类型

湿地内旱田和居民地的主要分部在过渡区，属于人类活动对湿地所造成的破坏，不计入生态环境需水量计算。湖泊是湿地内的重要生态系统，该区降水量小于蒸发量，为了使地下水位不再变化，必须有一定量的水用于水面蒸发的消耗，来保证水量平衡，因此，此部分纳入计算；湿地植物是维持湿地基本特征的关键，也是重要的湿地生态系统，其耗水需纳入计算，但辽河河口湿地内植物种类繁多，需选择关键植物进行计算；辽河河口湿地内有一种特殊类型的湿地水稻田各年平均面积为100.66 km2，占总面积的7.86%，属于人工湿地，已经成为重要的湿地生态系统组成类型，所以保证水稻田的生态环境需水也是辽河河口湿地的生态环境保护目标之一；湿地土壤生态系统对于湿地是至关重要的，湿地生态系统的健康关键在于土壤需维持一定的湿度，因此，需计算土壤需水量。只有满足了以上的生态环境需水量，才能保持湿地的基本特征，为湿地内各种生物提供必要的生存空间与环境，进而达到保护生物多样性的目的。因此，需对此四部分生态需水量分别进行计算，再求和即为整个湿地的生态环境需水量。

2.2 湖泊水面蒸发需水量

当湖泊水面蒸发需水量达到稳定的状态时，使其湖泊储水量不发生变化，从而维持其生态功能不变，研究区水面具有蒸发量大于降雨量的特点，因此，需要对本研究区湖面蒸散发量进行补给，才可以维持地下水位的动态平衡。计算公式如下[3]。

WE=∑A(E-P)×10-3

(1)

式中：WE为湖泊水面蒸发需水量，m3；A为湖泊的水面面积，m2；E为水面蒸发量，mm；P为湖泊上的降水量，mm。

2.3 湿地植物蒸散发需水量

湿地植物需水包括：①植株表面蒸发耗水；②土壤表面蒸发所耗水量；③植物体内包含的水量；④植株同化过程耗水量。③④仅占植物耗水的1%，可不计算。①②是主要耗水项目，占99%，计算公式如下式[4,5]。

dWp/dt=ETm(t)

(2)

式中：Wp为湿地植物蒸散发需水量，m3；ETm为蒸散发量，mm；t为时间，以月为单位。

2.4 湿地土壤需水量

土壤水是维持其自身生态系统以及其上生态系统维持健康的保障，所以保持土壤水分在一定的范围内是非常必要的。湿地土壤含水量通常用公式(3)[6]计算。

S=αhA

(3)

式中：S为湿地土壤需水量，m3；α为饱和持水量百分比或田间持水量；h为土层厚度，m；A为湿地土壤面积，m2。

2.5 类型整合

以上三部分需水量中，湖泊水面蒸发需水量和湿地植物蒸散发需水量属于消耗型需水量，湿地土壤需水量属于非消耗型需水量，三部分生态环境需水量之间没有重复，因此，采用加和的方式进行类型整合。如下式。

Q=WE+ETm+S

(4)

式中：Q为生态环境需水总量，m3；ETm为湿地植物蒸散发需水量，mm。

3 生态环境需水量计算结果

3.1 基础数据

辽河河口湿地生态环境需水量计算还需要的数据包括降雨量、水面蒸发量、水田蒸发量和芦苇沼泽蒸发量。降雨量数据采用六间房水文站和安屯水文站1978-2005年，每年1-12月的观测数据；水面蒸量采用锦州水文站1972-2005年，每年1-12月的观测资料；根据观测资料水田蒸散量4-9月合计为650 mm，各月依次为55.99、86.30、116.43、164.79、141.37、85.12 mm；根据观测资料芦苇蒸散量4-9月合计700 mm，各月依次为60.30、92.94、125.39、177.46、152.24、91.67 mm。

3.2 整个湿地生态环境需水量计算

3.2.1 湖泊水面蒸发需水量

湖泊水面蒸发需水量按照式(1)进行计算。将2000、2005和2014年的逐月平均降雨量、逐月明水面蒸发量以及湖泊面积带入式(1)进行计算，得到湖泊蒸发需水总量，结果见表2。

3.2.2 主要植物蒸散发需水量

湿地内植物种类繁多，计算植物蒸散发需水量时，只能选择关键植物进行计算。通过遥感技术和实地调查，辽河河口湿地的关键植物是芦苇和水稻，因此，植物的需水量选择此两者。将芦苇4-9月蒸腾量分别代入式(2)进行计算，再将水稻4-9月蒸腾量分别代入式(2)，然后求和，得到主要植物蒸散发需水量，结果见表3。

3.2.3 湿地土壤需水量

辽河河口湿地主要土壤类型有两种：芦苇下的沼泽土，土体积百分数为45%～55%，计算时取50%，水稻田中的水稻土，土体积百分比为60%～70%，计算时取65%。植物根系土层厚度计算时取0.8 m。沼泽土和水稻土的面积来自于遥感数据。当年11月到第二年3月为封冻期，不计算土壤需水量。利用式(3)进行计算，结果见表4。

表2 辽河河口湿地湖泊水面蒸发需水量 万m3

注：“-”代表降水量大于蒸发量，不需要补水。

表3 辽河河口湿地芦苇和水稻蒸散发需水量 万m3

表4 辽河河口湿地沼泽土和水稻土需水量 万m3

3.2.4 类型整合

以上所计算的三部分生态环境需水量，之间没有重合，利用式(4)进行计算，结果见表5。由表5可知：2000、2005和2014年整个湿地生态环境需水量依次为4.95、5.58和5.51 亿m3。

3.3 湿地核心区生态环境需水量计算

将湿地覆被信息提取所获得的核心区各覆被类型的面积以及其他相关数据，分别代入式(1)～式(3)，计算得到核心区3 a生态环境需水量，然后再按照式(4)进行类型整合，结果见表5。 由表5可知：2000、2005和2014年核心区依次为1.51、1.52和1.47 亿m3。

4 适宜与最小生态环境需水量

4.1 适宜生态环境需水量

湿地生态环境需水量的不同会引起湿地生态特征的变化，尤其是湿地边界的变化。2005年是辽河河口湿地的平水年，据调查与分析，这一年湿地内水文情势良好；从湿地覆被类型面积动态变化分析及景观破碎化程度分析来看，2005年辽河河口湿地的生态环境要好于2000和2014年；而且从计算的结果来看，3 a生态环境需水量相差不大，这样不会使湿地生态环境需水量的计算结果过大。综上所述，选择2005年作为维持湿地的生态环境的现状年，来计算适宜生态环境需水量是合理的。

表5 辽河河口湿地生态环境需水总量 万m3

计算生态环境需水量时，湖泊水面蒸发需水量考虑了降雨量并且进行了扣除，而芦苇沼泽和水稻田需水量计算时，没有考虑降雨量的问题，这样会导致计算结果偏大，应该统一扣除降雨量。经计算，研究区4-9月平均降雨量为571.24 mm，芦苇沼泽的面积为4.97 万hm2，计算得到扣除降雨量为2.84 亿m3，核心区的芦苇沼泽的面积为1 281.03 km2，计算得到扣除降雨量为0.74 亿m3。扣除降雨量后整个湿地的适宜生态环境需水量为2.74 亿m3，核心区的适宜生态环境需水总量为0.78 亿m3，见表6。

表6 辽河河口湿地适宜生态环境需水量结果表 万m3

4.2 最小生态环境需水量

核心区是为保护珍稀及濒危动植物而划分出的区域，其湿地特征最为明显，一旦遭到破坏，整个湿地就失去了存在价值[7]。核心区是需要重点保护的区域，而维持核心区的生态特征和功能不发生改变的前提，就是保障满足核心区适宜面积下的生态环境需水量，此水量就是辽河河口湿地的最小需水量，即是上文计算得到的核心区适宜生态需水量0.78 亿m3/a。由于是最小生态环境需水量，有些降水量少的年份不能得到满足，这样会威胁到湿地生态系统的健康，为保障湿地的安全，要考虑到降雨保证率的问题，降水量频率曲线如图1所示，这里考虑75%频率和95%频率。研究区多年平均降水量为640.9 mm，对应的最小生态环境需水量为0.78 亿m3/a。由图1可知75%频率对应的降水量为525.57 mm，与平均降水量相比需增加降水量115.37 mm，经计算需增加的水量为0.16 亿m3/a，对应的最小生态环境需水量 0.94 亿m3/a。由图1可知95%频率对应的降水量为410.20 mm，与年平均降水量相比需增加降水量230.74 mm，需增加水量为0.32 亿m3/a，对应的最小生态环境需水量为1.10 亿m3/a。

图1 辽河河口湿地平均降雨量频率曲线计算成果图Fig.1 The calculation results of frequency curve about average rainfall in Liaohe estuary wetlands

4.3 适宜与最小生态环境逐月需水过程

适宜生态环境需水、平均降雨下的最小生态环境需水和不同频率下的最小生态环境需水的逐月需水过程如表7所示。

表7 辽河河口湿地生态环境需水过程 万m3

5 结 语

利用所提取的湿地覆被信息数据和其他数据计算辽河河口湿地生态环境需水量，结果表明：2000、2005和2014年整个湿地依次为4.95、5.58和5.51 亿m3；核心区依次为1.51、1.52和1.47 亿m3；统一扣除降雨后的湿地适宜生态环境需水量为2.74 亿m3/a；在多年平均降雨下、75%频率下和95%频率下对应的最小生态环境需水量分别为0.78、0.94和1.10 亿m3/a。为有利于水资源的优化配置，给出了适宜生态环境逐月需水过程，以及不同频率下最小生态环境逐月需水过程。

[1] 董文君,曹学章,胡丽丽.白洋淀湿地生态需水量计算[J].中国科技信息,2011,(11):23-25.

[2] 张 欣,周林林,李 萌,等.辽宁盘锦双台子河口湿地生态环境需水量研究[J].水资源保护,2010,(4):8-12.

[3] 王建群,韩 丽,马轶民.扎龙湿地生态系统需水量[J].湖泊科学,2006,(2):114-119.

[4] 崔保山,杨志峰.湿地生态环境需水量研究[J].环境科学学报,2002,22(2):213-217.

[5] Hughes R M,Whittier T R,Thiele J E,et al.Lake and stream indica- tors for the United States environmental protection agency's environmental monitoring and assessment program[C]∥ Daninel H,Mckenzie D,Hyatt E,et al.Ecological indicators. Barking:Elsevier Science Publishers Ltd,1992:305-335.

[6] 宋兰兰,陆桂华.生态环境需水研究综述[J].水利水电科技进展,2004,(6):57-61.

[7] 沈惠安,胥铭兴,王凤翥.莫莫格自然保护区湿地生态需水量计算[J].东北水利水电,2009,(6):44-47.