黄河故道湿地自然保护区需水量研究

孙孝波,孙 珂, 穆玉珠,张家武,张彦波

（1.河南省新乡水文水资源勘测局，河南 新乡453002；2.河南省安阳水文水资源勘测局，河南 安阳 455000)

0 引言

湿地有着“地球之肺”的美称，起着清洁空气、调节局部小气候的作用。 豫北黄河故道湿地鸟类国家级自然保护区位于河南省新乡市东部，由卫辉市和延津县接壤的黄河故道以及封丘县境内的黄河滩涂和背河洼地组成。 前者为古黄河改道后遗留下来的一段槽型凹地，地理位置为东经114°07′、北纬34°54′，长约30 km，宽约3.5 km，面积10500 ha；后者地理坐标为东经114°29′，北纬35°24′，长约50 km，宽度3 km，面积14 280 ha。保护区总面积24 780 ha。前者为主要研究区域。 豫北黄河故道湿地鸟类国家级自然保护区是河南省的第一个湿地鸟类生态自然保护区，也是我国黄河以北暖湿带内陆平原人口稠密区罕有的水禽栖息越冬区域。 区内水域、滩涂广阔，野生动植物资源丰富、鸟类众多，是黄河中下游平原人口稠密区交通发达地带遗存下来的较大的一块湿地，动植物的北方物种、南方物种和广布种十分丰富， 是冬候鸟的越冬北界， 共有鸟类130余种，其中有国家一级、二级保护鸟类34 种。 该区域具有重要的生物多样性保护意义和潜在的科研开发及生态旅游价值，对保护中原地区的生物多样性具有重要意义。

1 湿地需水量

根据保护区生态修复规划要求，湿地面积按最小、较小、中等3 个级别研究，面积分别按2400 ha、3000 ha、3550 ha 研究相应的需水量[1-2]。 湿地需水量的研究应从湿地植物需水量、土壤需水量、生物栖息需水量、补给地下水需水量、休闲及旅游需水量等五个方面进行研究[2-3]。

1.1 植物需水量

植物需水量包括四部分：植物同化过程耗水和植物体内包含的水分、蒸腾耗水、湿地植株表面蒸发耗水及土壤蒸发耗水。 植物同化过程耗水和植物体内包含的水分是植物生长过程需要，称为生理需水。 蒸腾耗水、湿地植株表面蒸发耗水及土壤蒸发耗水是植物生活环境条件中所必需的，称为生态需水。 其中蒸腾耗水和土壤蒸发耗水是最主要耗水项目，占植物需水量的99%，其他仅占1%。 因而，人们把植物需水量近似理解为植物叶面蒸腾和棵间土壤蒸发的水量之和，称为蒸发量。 表达式为：

式中：Wp为植物需水量，m3；ETM为蒸发量，m3；t 为时间，d。

湿地是植物种类极其丰富的地区，实际计算植物需水量时是根据植物特征来划分需水量级别、进行计算的，如表1 所示。 根据黄淮海地区湿地植被的基本特征， 即沼泽类型以草丛沼泽和盐沼为主，而草丛沼泽中以芦苇群落为主，还分布有小面积苔草群落、香蒲群落、菖蒲群落等。 所以，以芦苇的基本特征划分需水量级别是合理的。

根据植蒸发耗水占植物需水量的99%的比例，计算结果如表2 所示。

表1 植物蒸发需水量级别划分Table 1 Plant evaporation water requirement classification

1.2 湿地土壤需水量

湿地土壤需水量与植物生长及其需水量密切相关。 植被密集的沼泽、草甸湿地和植被稀疏或滩涂湿地计算土壤需水量的方法有差异。 土壤储水量是计算土壤需水量的基础和依据。 在实际计算中，通常用土壤的持水量类型如调萎湿度、 田间持水量、毛管持水量、饱和持水量等来划定需水量等级，并进行计算。

表2 湿地植物需水量表Table 2 Wetland plant water requirement

表3 湿地土壤需水量等级划分Table 3 Wetland soil water requirement classification

湿地土壤需水量计算见表4。

表4 湿地土壤需水量表Table 4 Wetland soil water requirement

1.3 生物栖息地需水量

野生生物栖息地需水量是鱼类、 鸟类等栖息、繁殖需要的基本水量。 以湿地的不同类型为基础，找出关键保护物种，如鱼类或鸟类，根据正常年份鱼类或鸟类在该区栖息、繁殖的范围，计算其正常需水量，以避免与湿地土壤需水量的重复。 这里只计算地表以上低洼地的蓄水量 （满足野生动物栖息、繁殖的水量）。

根据理想需水量和最小需水量概念，其野生生物栖息地需水量可表示为：

式中： Ab为湿地区正常年面积，m2；At为洪水期湿地面积，m2；Am为枯水期湿地面积，m2；T12为洪水期水平面高度，m；T2为枯水期水平面高度，m；B为正常年份水平面高度，m；δ1为为洪水期水平面高度订正系数；δ2为枯水期水平面高度订正系数。

湿地是多种珍稀物种的繁殖地和迁徙驿站和许多水徙禽及鱼类的优越栖息地。 环境的多样性一般会引起物种多样性。 据此分析，由水面和沼泽植被共同组成的湿地系统可以为水禽提供最佳的栖息场所，水面和沼泽植被的面积相对比率，是决定物种丰富性的重要因素。 因此，在实际计算中，通过水面面积百分比和水深要素划定需水量级别，如表5 所示。

表5 生物栖息地需水量级别划分Table 5 Creature habitat water requirement classification

生物栖息地需水量计算见表6。

表6 生物栖息地需水量表Table 6 Creature habitat water requirement

1.4 湿地补水需水量

补水需水量包括补给地下水或向其他湿地补水。 补给地下水主要通过下渗来进行计算。 下渗的计算方法可用达西公式计算；向其他湿地补水的计算，主要是通过被研究湿地来水量的类型，用水量平衡方程进行计算[4]。

式中：W 为补水量, m3；k 为渗透系数,m/d；I 为水力坡度,渗透路径中单位长度上的水头损失,无单位；A 为渗流剖面面积,m2；T 为计算时段长度,d。

湿地具有补给地下水的功能，这一功能是通过渗漏途径来实现的。 根据湿地不同的水面面积百分比，划分需水量等级，如表7 所示，在此假定了补给地下水的湿地是有水面的部分湿地。 无水面的沼泽地只具有维持自身状况的需水功能。

表7 湿地补给地下水等级划分Table 7 Wetland supplying underground water requirement classification

湿地地下水补水量计算结果如表8 所示。

表8 地下水补水量Table 8 Underground water supplying water requirement

1.5 休闲旅游需水量

休闲、旅游和娱乐是湿地重要的环境功能，划船及水上项目、垂钓、游泳等是重要的表现形式，同时要求适宜的水量和水深。 根据这一特点，以水深作为主要依据，划分需水量级别，如表9 所示。 在一般情况下，将该水量和生物栖息地需水量一起考虑。

表9 休闲、旅游需水量级别划分Table 9 Entertainment and tourism water requirement classification

休闲、旅游需水量计算如表10 所示。

表10 湿地休闲、旅游需水量Table 10 Wetland entertainment and tourism water requirement

根据前述的湿地生态环境需水量等级划分及其相应的计算，考虑到生物栖息地需水量与旅游休闲需水量的兼容性，取其一代入最小需水量，相加求和，得出豫北黄河故道湿地鸟类国家级自然保护区湿地需水量（如表11 所示）。

表11 各类湿地生态环境型需水量 单位:104m3Table 11 Each water requirement of wetland entironment (Unit:104m3)

2 结论

由于近年来地下水过量开采，水位下降等原因，豫北黄河故道鸟类国家级自然保护区湿地水面严重萎缩，通过对该湿地需水量的研究可知，恢复和保持湿地为中等级别（3 550×104m2）时需水量为10 070×104m3；保持湿地为较小级别（3 000×104m2）时需水量为6 359×104m3； 保持湿地为最小级别 （2 400×104m2）时需水量为4 386×104m3。 这为解决该湿地的生态修复工程提供了科学依据，在补充湿地水分时，可根据年降水量的不同，动态控制湿地的面积。 在降水量较大的丰水年份，将湿地面积恢复和保持在中等级别；在降水量一般的平水年份，可将湿地面积保持在中等级别；在降水量较小的枯水年份，可将湿地面积保持在最小级别。 这可以在一定程度上通过较稳定的补水量达到动态保持湿地面积的效果，从而使湿地的生态环境得到恢复和保护。

[1] 崔保山,杨志峰. 湿地生态需水量等级划分与实例分析[J].资源科学, 2003,25(1):21-28.

[2] 姜德娟,王会肖,李丽娟. 生态环境需水量分类及计算方法综述[J]. 地理科学进展,2003,22(4):369-378.

[3] 崔保山,杨志峰. 湿地生态环境需水量[J]. 环境科学学报,2002,22(2):219-224.

[4] 刘正峰. 水文地质手册[M]. 北京:中国知识出版社,2010:491-495.