辽河口湿地生态环境综合需水量计算与应用研究

刘 丹

( 辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110003)

辽河口湿地是世界最大的芦苇沼泽湿地，被列入国际湿地保护名录[1]。其生态环境保护一直是国内外关注的热点。河口湿地的生态环境比较复杂，其生态系统由很多部分组成，因此在计算河口湿地生态环境需水量时应考虑到湿地中包括的各类生态环境需水量[2]。首先，维持湿地植被的正常发育及湿地的土壤环境是主要的需水功能，因此必须首先考虑湿地植被需水量和湿地土壤需水量[3]。另外，河口湿地作为许多珍稀动物迁徙、繁殖的基地，生物栖息地需水的计算也非常重要，同时，河口湿地生态环境需水量还应考虑补给地下水需水量及水体净化污染物所需的水量[4]。如果在河口湿地中存在水库、水塘、养殖塘等人工建造的水域，则其包含在生态需水计算范围内[5]。因此，湿地植被、土壤、生物栖息地、补给地下、污染物净化、水库、水塘、养殖塘所需水量都应包括在湿地生态需水计算范围内[6]。而在计算过程中应去除各类生态环境需水量计算的重复部分，污染物净化和生物栖息生态效果具有重合性，因此污染物净化所需水量不在列入计算[6]。各类湿地生态环境需水量的分级按照总生态环境需水量的分级特征，也相应地分为最小、最适和最大需水量[7]。近些年来，流域生态需水的研究取得不少成果[8- 15]，但是对于各类生态环境需水量计算综合确定流域需水的研究还较少。辽河是辽宁省第一大河，其河流生态恢复一直是社会关注热点，为此本文分别计算辽河口湿地植被、土壤、生物栖息地、地下水补给量及水库、水塘、养殖塘的需水量，最终对辽河口湿地生态需水量进行综合确定，研究成果对于辽河口湿地生态环境修复和保护规划具有重要的参考价值。

1 生态环境综合需水计算方法

湿地植被、土壤、生物栖息地、地下水补给以及水域生态需水量是湿地生态需水量的各组成部分。湿地生态环境需水总量是各类需水量的相加总和。其计算方法如下。

1.1 湿地植被生态需水量

湿地植被需水量是指满足植被同化、蒸腾耗水、叶面蒸散、土壤蒸发所消耗的水量，其中99%的植被需水主要消耗于土壤蒸发以及叶面蒸散，因此湿地植被需水主要为其两者之和：

WP=APETm

(1)

式中，WP—需水量计算值，m3；AP—植被覆盖面积；ETm—土壤蒸发量，mm。

1.2 湿地土壤生态需水量

湿地土壤生态需水量和土壤含水量并不等同，其和植物生长需水相关，湿地土壤类型和其含水量及持水量有所差异，其计算方程为：

Wt=aHtAt

(2)

式中，Wt—土壤需水量，m3；a—不同土壤类型饱和含水量的比例，%；Ht—土层深度，m；At—湿地土壤所占的面积，m2。

1.3 生物栖息地需水量

鱼类、鸟类繁殖以及栖息所需要的水量是生物栖息地生态需水量。依据水深和过水面积比可以对生物栖息地水量进行简要计算：

Wq=ABHw

(3)

式中，Wq—鱼类、鸟类栖息所需要的水量，m3；A—湿地面积，m2；B—水面占比，%；Hw—水深，m。

1.4 补给地下水需水量

地下水通过自然渗漏补给的水量为地下水补给量，辽河湿地主要的用地类型为芦苇、水稻、水域均补给地下水需水量，其中地下水补给来自于苇田的水量计算方程为：

Wb=KIAsT

(4)

式中，Wb—补水量，m3；K—渗透系数，m/d；I—水力坡度；As—渗流剖面存在面积，m2；T—计算时长，d。由于辽河口湿地中有大面积的水田，因此，水稻生长期的降水入渗和灌溉入渗也应计算在内，计算水田补给地下水量的公式为：

Wr=ΦTrF

(5)

式中，Wr—水田补给地下水量，m3；Φ—水田稳渗率，黏土Φ=1mm/d；Tr—水稻生长期，单季稻为120d；F—水田面积，m2。

1.5 水库、水塘、养殖塘生态环境需水量

水塘、养殖水库的基本生态功能维持所需要的的水量则为水域生态需水量，其计算方程为：

Wt=At(E-P)

(6)

式中，Wt—水库、水塘、养殖塘生态环境需水量，m3；At—水库、水塘、养殖塘的水面面积，m2；E—相应的水面蒸发量，mm；P—水库、水塘、养殖塘上的降水量，mm。

2 辽河口湿地生态环境综合需水应用

2.1 湿地植被生态需水量计算

草甸群落、盐地碱蓬群落、芦苇群落、香蒲群落和种植群落是辽河口湿地主要植被类型，由于湿地植被类型较多，对其植被生态需水量计算时主要以水稻作为关键物种进行计算，芦苇作为野生植被进行计算，以芦苇和水稻作为湿地植被需水计算的两种主要类型植被。植物生长级别以植被覆盖度作为两种植物的基本特征进行分级指标的划分。

辽河口湿度水面蒸发年平均值按照历年水文资料分析为900～950mm，植被非生长期和生长期蒸发分别是水面蒸发的1.1倍和2倍之多。按照公式(1)对湿地植被需水进行计算，计算结果见表1。

表1 湿地植被需水量

2.2 湿地土壤生态需水量计算

潮滩盐土、滨海盐土、草甸盐土、沼泽盐土和水稻土是辽河湿地5种主要的土壤类型。芦苇生长的土壤主要为盐土和沼泽土，盐土是湿地分布较为广泛的滩涂主要类型土壤，水田生长土壤主要分布在水稻土上，盐土、沼泽土和水稻土是湿地土壤需水计算时按照土壤水特征所划分的主要类型土壤。湿地土壤水计算结果见表2。

表2 湿地土壤需水量

2.3 生物栖息地需水量计算

辽河口湿地内50%以上的种群水量为珍惜鸟类黑嘴鸥。芦苇沼泽湿地是黑嘴鸥栖息的主要区域，湿地总面积的40%分布有芦苇沼泽。水禽栖息的最佳场所由沼泽植被和水面共同组成。湿地物种丰富性由两种用地类型的面积相对比例所决定。10%～75%水面比分布有辽河口湿地的芦苇沼泽，黑嘴鸥生长繁殖需要的水深为芦苇生长所需水深，考虑黑嘴鸥捕猎鱼类作为食物的需要，水深上限设置为2m。生物的栖息所需水量计算结果见表3。

表3 湿地生物栖息地需水量

2.4 补给地下水需水量计算

假定地下水补给主要来自于苇田水面部分，自身需求主要来自于无水面区域。因此按照水量划分等级对其水面比例进行划定。黏质土是湿地的均属土壤，该类型土壤渗透系数一般为0.006md-1，补给时间受冻融以及来水季节变化综合影响按照145d进行设置，地下水补给计算结果见表4。

表4 苇田补给地下水需水量

2015年和2020年地下水补给由水田补给的水量按照前述水田地下水补给量计算方法分别为0.131×108m3和0.129×108m3。2015年和2020年水库、水塘、养殖塘和河流河渠按照其相应的面积以及渗漏率的水量计算分别为0.759×108m3和0.760×108m3。

2.5 水库、水塘、养殖塘生态环境需水量

辽河口湿地水面蒸发和降水量多年均值分别为945、626.5mm。最小、最适、最大的水塘、养殖塘以及水库需水系数分别为0.96、1.05、1.17进行设置，其需水量计算结果见表5。

表5 水库、水塘、养殖塘生态环境需水量

2.6 辽河口湿地生态环境需水总量

湿地生态环境需水总量为各类生态需水量相加之和，其计算结果见表6。

表6 辽河口湿地生态环境需水量 单位：108m3

从计算结果可看出，2020年辽河口湿地各类生态需水量均要高于2015年各类生态需水量，这主要是因为各类型面积都较2015年有所增加，使得其生态需水量有所增加，但由于面积增比不高，使得辽河口各类型湿地的生态需水增幅不大。从湿地补给地下水需水量变化可看出，辽河口湿地苇田的面积要高于水田的面积，其植被覆盖度也明显要高于水田，使得苇田补给地下水的需水量要高于水田。在各类型生态环境需水中，植被和土壤需水量最大，植被及土壤、地下水补给占生态环境需水总量的比例分别在70%和15%以上，生物栖息地及及水库、水塘、养殖塘的需水量占比分别在4%和3%左右。

3 主要结论

(1)湿地植被在辽河湿地生态需水量占比最大，而作为世界最大的芦苇湿地，重点应调控芦苇植被的需水量，建议对芦苇湿地供水水系清淤，增加湿地自身蓄水量，实现湿地生态增扩蓄水。

(2)建议根据湿地水量供给平衡，明确缺水量，构建拦河闸坝增加湿地蓄水量，基于现有补水水系进行优化，调控海水优化湿地植被生长条件，并合理制定补水方案和水系布局，提高湿地蓄水量和供水量。

(3)各类型生态需水计算理论方法中未能对其重复计算项进行扣除，研究所得生态需水量由于未能考虑生物多样性，计算值相对较为保守，在后续研究中还应重点加强对湿地生物多样性需水计算的理论研究，从而提高其生态需水计算的精准性。