黄河河口生态系统需水量分析

李国英，盛连喜

（1.东北师范大学城市与环境科学学院，吉林 长春 130024；

2.黄河水利委员会，河南 郑州 450004）

黄河河口生态系统需水量分析

李国英1，2，盛连喜1

（1.东北师范大学城市与环境科学学院，吉林 长春 130024；

2.黄河水利委员会，河南 郑州 450004）

根据黄河河口生态系统的特征，基于鸟类栖息地和生物多样性保护、环境净化、地下水补充、盐水入侵防制以及蓄洪等因素，对其生态需水量进行了研究，并对防止海水入侵的淡水补给量、维持生物生长环境的淡水补给量、保持河口湿地合理水面面积及水深的淡水补给量、水循环消耗需水量和补给地下水需水量进行了分析计算.通过对上述5个方面需水量及其需水过程的耦合，得到黄河河口生态系统年平均需水量为78.21亿m3，最小月平均需水流量210m3／s（12月），最大月平均需水流量329m3／s（6月）.

黄河河口；生态需水量；生物多样性；栖息地

迄今为止，国内外对河口生态需水量尚未形成公认的、统一的概念与定义.美国得克萨斯州的水法中将河口生态需水量定义为：“在一个河口所接收的水量要能保证足够的盐度、营养物质以及沉积物，从而使河口系统保持其重要的生产能力，并且满足在生态和经济上都具有重要意义的鱼类、甲壳类动物以及它们所依赖的鱼类的生存需要”.

国内学者对于生态需水量的定义从不同角度形成了不同的理解.杨志峰、刘静玲等认为：河口生态需水量首先包括水循环及生物循环消耗的水量，同时在满足河口湿地水深及水面面积的基础上，为保持河口淡水、盐水混合的基本特点，还需保持一定水量的径流淡水输入，以实现河口生态系统盐度平衡［1］.王西琴认为：广义的河口生态需水量指维持河口生态系统平衡所需要的水量，即河口生态系统储水、植物自身需水、蒸散发所需补水等；狭义的河口生态需水量是指为保持河口一定的生态目标所需的淡水输入量［2］.郝伏勤、黄锦辉等认为：河口生态需水量主要包括三角洲湿地生态环境需水量、河口近海生物需水量、河流海洋洄游性鱼类最小需水量、河口景观环境需水量等部分［3］.王新功、王瑞玲等认为：河口生态需水量是指维持河口湿地生态系统平衡和正常发展，保障河口湿地生态系统的基本生态功能正常发挥所需的水量［4］.

我们认为，河口生态需水量是在特定时间和空间为满足特定服务目标的变量，是河口生态系统中客观存在的水量，它随着河口生态系统的发展而呈动态性变化.换言之，河口生态需水量是指维持河口生态系统的生态功能正常发挥的淡水补给量.

1 研究区概况

研究区位于黄河三角洲国家级自然保护区，地理位置为 E118°10′～E119°15′，N37°15′～N38°10′（见图1）.黄河三角洲涉及山东省东营市大部分地区和滨州市少部分地区.在黄河独特水沙条件和渤海弱潮动力环境的共同作用下，黄河三角洲形成了我国暖温带最广阔、最完整的原生湿地生态系统，湿地面积广阔，湿地类型多样.本区多年平均气温12.3℃，年平均降水量561.6mm，年内降雨多集中在6—9月，多年平均水面蒸发量为1 167.2mm.

2 黄河河口生态需水量的识别

根据河口生态系统特征、功能及生态需水量要求对象的不同，认为黄河河口生态需水应满足以下几个方面的需求：防止海水入侵的淡水补给量、维持生物生长环境的淡水补给量、保持河口湿地合理水面面积及水深的淡水补给量、水循环消耗需水量、补给地下水需水量.

2.1 防止海水入侵的淡水补给量

在入海口河水与海水交汇时，由于海水密度较大，海水便以盐水楔方式上溯前进.密度大的海水从底部向上游潜入，盐水楔的推进距离随河流径流量、水深和盐淡水密度差而变化.径流量减小、水深增大以及盐淡水密度差增加，均可使入侵距离增大.当密度较小的河水在海水上层下泄时，由于盐淡水之间的交界面的摩擦作用，使盐水楔靠近交界面的部分盐分被挟带下泄.为了维持水体的连续性，需要不断地给下层补偿海水，因此出现近底层为上溯流，其上为下泄流，中间流速为零的界面，从而产生密度环流（见图2）.

图1 黄河三角洲位置图

图2 河口盐水楔示意图

盐水密度环流加大了底部涨潮流速，减小了落潮底部流速，从而阻止河流底部泥沙向外海排泄，加强了河口外泥沙向内转移，使河口地区产生淤积.通常认为盐水楔是形成河口拦门沙的主要原因之一［5］.从防止海水上溯入侵和有利于扼制在河道内形成拦门沙的角度分析，河口应保持一定的淡水入海水量.

2.2 维持生物生长环境的淡水补给量

河口的盐度环境或结构直接影响根生和无根生有机体的分布，同样也影响移动有机体的分布.维持河口水域合理盐度是河口生物栖息地对淡水补给的基本需求.许多河口有机体在其不同的生活生长阶段都有特殊的盐度需求.河口近岸海域的低盐度区域是幼鱼和无脊椎动物的育苗场，还是洄游鱼类重要的产卵场，盐度升高，会破坏它们的栖息地和产卵环境.

黄河口及其附近海域的鱼类约有80余种，全年以暖温性种群居多，其生物学特点主要取决于种群的适应性和环境的变化，其数量分布与海水的温度、盐度关系密切.不同的物种对最适宜生活的海水温度有不同的需求.此外，盐度和其他的动力学特性也决定一个河口地区栖息地的适宜性，研究表明，4—6月份是鱼虾产卵、孵化的高峰季节，此间的盐度要求对其产卵、孵化具有重要意义，海水的适宜盐度应为2.3%～2.7%［6］.

2.3 保持河口湿地合理水面面积及水深的淡水补给量

黄河河口湿地是形成较晚的新生湿地生态系统，其主要生态功能是作为珍稀鸟类的栖息地、繁殖地和迁徙地；净化环境，提高环境质量；补充地下水等，因此，其生态需水量应包括湿地植被生长需水、湿地土壤需水、野生生物栖息地需水、补给地下水需水这几个方面.而上述诸方面的需水量则要求河口湿地须维持合理的水面面积及水深.

黄河河口湿地的优势植被群落为翅碱蓬（Suaedasalasa）、柽柳（Tamarixramosissima）、杞柳（Salixintegra）、白茅（Imperatacylindrical）、芦苇（Phragmitesaustralis）等，植物种类多样，其中有个别物种是占绝对优势和对环境扰动比较敏感的生物物种，该生物物种可反映湿地生态系统的类型及其生物地球化学循环规律，如果湿地中该物种遭到扰动和破坏，那么预示该湿地生态系统将发生退化.根据野外采样调查和遥感监测，在黄河河口湿地中，芦苇是河口湿地的绝对优势植物群落，是湿地初级生产力的主要生产者，在维系河口生态系统发育和演替、构成河口生物多样性和生态完整性方面具有不可替代的作用［6］.同时，芦苇沼泽在净化水质、降解河流污染物方面的功能也最强.在黄河河口湿地动物中，特别是黄河三角洲自然保护区内的国家一级保护鸟类中，丹顶鹤（Grusjaponensis）对栖息地巢穴选址、领地范围都有非常挑剔的选择，因此，丹顶鹤为黄河河口湿地中的关键保护物种.丹顶鹤营巢多选择人烟稀少、周围无较大障碍物的芦苇沼泽，巢筑于地势较高处（巢底到水面一般为10.4cm），使水不易浸入巢中，周围有深水，可使鱼、虾等安全过冬，从而为幼鹤提供丰富的食物.选择芦苇沼泽，一方面便于掩护，另一方面枯芦苇又是很好的筑巢材料［6］.因此，河口湿地植被生长需水和野生生物栖息地需水选择芦苇和丹顶鹤为重点考虑对象.

2.4 水循环消耗需水量

为了使河口湿地的生态功能得以有效发挥，或使河口湿地的生态系统得以健康运行，必须使河口湿地保持一定的水面面积和水深，而要在湿地中保持一定的水面面积和水深，就不可避免地要考虑在湿地范围内发生的水面蒸发、植物蒸腾、蒸发和地下水的入渗.

湿地景观与大气界面是由湿地水体表面和植被植株表面构成的异质性界面，界面上有效的气热循环是保障湿地植被正常生长的基础.一般湿地植物需水量包括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、土壤蒸发耗水.前两部分是植物生理过程所必需的，称为生理需水；后两部分是植物生活环境条件形成中所必需的，称为生态需水.其中蒸腾耗水和土壤蒸发是主要的耗水项目，占植物耗水量的99%［7］.

2.5 补给地下水需水量

湿地对地下水的补充功能是通过地下水入渗的途径完成的，当水从湿地入渗到地下蓄水系统时，蓄水层的水就得到了补充，因此湿地成为补充地下水蓄水层的水源.湿地水源对地下水的入渗补充量取决于水位差、渗透距离、土壤层孔隙度及断面大小［6］.

3 黄河河口生态需水量计算

3.1 防止海水入侵的淡水补给量

由于黄河水量年际、年内分配不均，洪枯流量变幅较大，亦即径流强弱差别很大，因而盐水楔上溯入侵河口的范围差别较大.盐度的平面分布，可以反映出黄河径流对海区的影响.枯水季节，渤海大部分海区的盐度在3.0%以上，极大值可达3.2%.2.9%等盐度线在黄河口附近，表征了黄海高盐水大量进入渤海的特征；而在黄河洪水季节，大量淡水入海时，2.9%等盐度线往往位于冲淡水舌的最外圈，随着海区淡水堆积量的增加，2.9%等盐度线不断向外扩张，朝海峡方向移动，呈现出黄河冲淡水影响范围向外扩展的特征［8］（见图3）.

图3 黄河口附近海域2.9%等盐度线的月变化

从图3可以看出，每年3—4月，黄河口附近海域2.9%等盐度线距黄河口最近，一般可移动至黄河三角洲岸边20～30km处.因此，防止海水入侵的淡水补给量确定应主要考虑3－4月的需要.据实测资料，当3—4月黄河入海流量为100m3／s时，高潮时的盐水楔进入口门内河道6km；而当入海流量为120m3／s时，高潮时的盐水楔进入口门内河道不超过5km，此范围内是黄河口咸淡水混合区，河口湿地生物生长环境要求海水入侵不得越过5km范围线，因此，防止海水入侵的淡水补给量以控制3—4月入海流量不低于120m3／s为准，折合年径流量为37.84亿m3.

3.2 维持生物生长环境的淡水补给量

生物生长，特别是河口地区洄游性鱼类对栖息地的要求，主要体现在温度、盐度及营养物分布等指标上，其中，保持河口盐度平衡需水是保持河口地区合理的盐度梯度、为洄游性鱼类提供理想栖息地的首要条件.

河口盐度平衡，决定于河口淡水径流的输入.杨志峰、刘静玲等采用简化的箱式模型建立了河道流量与河口盐度的关系［1］，即

式中：S为瞬时盐度（kg／L）；ΔQ为计算期内河道淡水输水量（m3／s）；S0为河道径流盐度（kg／L）；Se为前时间步河口水体盐度（kg／L）；Ss为河口外海洋水体盐度（kg／L）；V1为河口体积（m3）；Vk1为海洋流向河口的水体体积（m3）；V1k为河口流向海洋的水体体积（m3）；ΔVk1为计算时段内从海洋流向河口的水量（m3）；ΔV1k为计算时段内从河口流向海洋的水量（m3）.

式中：A0为从河流进口段至口外海滨段的咸淡水交界的水域面积；He为河口外边界处平均水深.

黄河口自低潮水边线以下至水深12m左右为三角洲前缘及前三角洲，浅海面积为313km2，根据黄河口目标盐度、外海盐度，由式（4）计算得到黄河口年需水量为23.66亿m3，其中春季5.63亿m3，夏季7.14亿m3，秋季5.63亿m3，冬季5.26亿m3（见表1）.将其转换为流量，结果见表2.

表1 黄河口盐度平衡需水计算

表2 黄河口盐度平衡月平均流量m3／s

3.3 保持河口湿地合理水面面积及水深的淡水补给量

现状情况下，黄河口湿地总面积为15.51万hm2，所考虑的重点优势物种芦苇的需水量计算采用如下公式：

式中：dwp为芦苇需水量；A（t）为湿地植被面积；Em为蒸散发量；t为时间.

蒸散发量以蒸腾耗水和土壤蒸发水量的总和来代替，我们采用邵景力、崔亚莉等利用包气带水分运移数值模型计算出来的黄河口湿地芦苇的蒸腾耗水和土壤蒸发量数值（1 800mm）［9］.据式（5）计算得出黄河口湿地芦苇生长期需水量约为9.83亿m3（见表3）.

表3 芦苇生长年需水量

芦苇生长时间为3—10月，将其需水量9.83亿m3折合至月平均流量，则3—10月每月平均流量约为46m3／s.

而丹顶鹤栖息地需水量可采用式（6）计算.

式中：Wq为栖息地需水量；At为湿地面积；Bt为水面面积百分比；Ht为水深.

根据式（6）计算得出丹顶鹤栖息地需水量为5.12亿m3（见表4）.

表4 丹顶鹤栖息地需水量

据调查，每年经过河口湿地的丹顶鹤数量在800只左右，其中约有200只左右在该地区过冬，若不考虑其他方面的需水，仅就丹顶鹤栖息地而言，将其需水量5.12亿m3折合为冬季4个月（11月、12月、1月、2月）的月平均流量，则为49m3／s.

3.4 水循环消耗需水量

河口湿地水循环消耗需水主要表现为蒸发消耗需水，可采用式（7）计算.

式中：Wp为蒸发消耗需水（m3）；Ep为植被蒸散量（mm）；P为降雨量（mm）；AT为区域面积（m2）.

在河口湿地15.51万hm2面积中，水域面积有11.06万hm2，植被面积有6.53万hm2，年均降水量550mm，年均蒸发量1 962mm，其年内分配见图4.

图4 黄河河口地区各月平均降水量和蒸发量

利用式（7）计算得出黄河河口湿地蒸发消耗需水总量为23.35亿m3（见表5）.

表5 黄河河口湿地水循环消耗需水

将表5中23.35亿m3的蒸发消耗需水总量按月进行分配，得出每月的流量值（见表6）.

表5 河口湿地蒸发消耗需水量（流量）月分配

3.5 补给地下水需水量

湿地补给地下水量可采用式（8）计算.假定补给地下水的湿地是有水面的部分湿地，无水面的湿地只有维持自身需水功能.

式中：Q为河道及水库渗漏量，即当河道及水库水位高出两岸地下水位时，河水及水库蓄水渗漏补给地下水；K为断面位置的渗透系数；I为垂直于断面的水力坡度；A为断面面积；t为河段补给时间.

据式（8）计算出河口湿地补给地下水量为7.19亿m3，折合平均流量为23m3／s.

综合考虑以上河口防止海水入侵的淡水补给量、维持生物生长环境的淡水补给量、保持河口湿地合理水面面积及水深的淡水补给量、水循环消耗需水量、补给地下水需水量等，得到黄河河口生态系统需水量为78.21亿m3，不同月份的分配量见表7.

表7 黄河河口生态系统需水量 m3／s

4 结论与讨论

本研究根据黄河河口生态系统的组成，综合考虑黄河河口地区生态现状及黄河水资源支撑能力等因素，重点识别了黄河河口生态需水的5大方面并对各个方面需水量进行了计算，最后综合得出黄河河口生态需水量及最小月和最大月需保证的水流量.

结果表明：为防止海水入侵，淡水补给量折合年径流量需达到37.84亿m3，主要控制3—4月入海流量不低于120m3／s.为维持生物生长，黄河口年需水量为23.66亿m3（其中春季5.63亿m3，夏季7.14亿m3，秋季5.63亿m3，冬季5.26亿m3）.为保持黄河河口湿地合理的水面积和水深，考虑了2个因素，一个为芦苇，第二个为丹顶鹤.芦苇生长时间为3—10月，计算出其年需水量为9.83亿m3，折合至月平均流量为46m3／s；就丹顶鹤栖息地而言，其需水量计算结果为5.12亿m3，折合为冬季4个月（11月、12月、1月、2月）的月平均流量为49m3／s.黄河河口湿地水循环消耗水量主要为蒸发消耗，其年平均蒸发消耗需水总量为23.35亿m3.河口湿地补给地下水量折合平均流量为23m3／s，总需水量为7.19亿m3.综合考虑以上河口防止海水入侵的淡水补给量、维持生物生长环境的淡水补给量、保持河口湿地合理水面面积及水深的淡水补给量、水循环消耗需水量、补给地下水需水量等，得出黄河河口生态系统需水量为78.21亿 m3，最小月平均需水流量210m3／s（12月），最大月平均需水流量329m3／s（6月）.

河口生态需水是一个动态的过程，随着生态系统保护目标、规模（如湿地保护规模）及人们对其生态功能要求的不同而发生变化，因此其不可能是一个较为固定的数值，而应该是具有一定的范围［4］.本文的研究结果为黄河河口生态用水提供了明确的可操作的水资源生态配置目标，为黄河水量生态调度与进一步优化水资源配置提供了一定的参考标准.但在实际水量调度中，需要考虑黄河进入河口地区水资源的实际情况和枯水年份（季节）的黄河水资源量.本研究主要考虑了5个方面的保护目标，实际上为了保证黄河河口湿地功能的正常发挥，其他一些方面必须加以考虑，比如还应该对为满足水质功能要求的需水量进行分析计算、需要根据水功能区划来确定需水量等.除此之外，由于目前关于河口生态系统结构与功能及其需水机理与规律的研究尚少，我们对其他一些需水量没有考虑到，因此仍有很多问题如关键物种需水特性、生态水量配置所带来的生境适宜性变化等等，还有待于今后的进一步研究.

［1］ 杨志峰，刘静玲.流域生态需水规律［M］.北京：科学出版社，2006.

［2］ 王西琴.河流生态需水理论、方法与应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2007.

［3］ 郝伏勤，黄锦辉，李群.黄河干流生态环境需水研究［M］.郑州：黄河水利出版社，2005.

［4］ 王新功，魏学平，韩艳丽，等.黄河河口生态保护目标及其生态需水研究［J］.水利科技与经济，2009，15（9）：792-797.

［5］ 左东启.中国水利百科全书·水力学、河流及海岸动力学分册［M］.北京：中国水利出版社，2004.

［6］ 王新功，徐志伟，黄锦辉，等.黄河河口淡水湿地生态需水研究［J］.人民黄河，2007（7）：33-35.

［7］ 杨志峰，崔保山，刘静玲，等.生态环境需水量理论、方法与实践［M］.北京：科学出版社，2003.

［8］ 李泽刚.黄河近代河口演变基本规律与稳定入海流路治理［M］.郑州：黄河水利出版社，2006.

［9］ 邵景力，崔亚莉，张德强.基于包气带水分运移数值模型的黄河三角洲蒸发量研究［J］.地学前缘，2005，12（4）：95-100.

The study of ecological water requirements of Yellow River estuary

LI Guo-ying1，2，SHENG Lian-xi1
（1.College of Urban and Environmental Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；
2.Yellow River Conservancy Commission，Zhengzhou 450004，China）

Based on the analysis of structure and function of Yellow River estuary，and its present ecological situation and water resources of Yellow River，the ecological protection objectives of Yellow River estuary were recognized as follows：providing the habitats for birds，biodiversity protection，improve the quality of the environment，underground water complementarity，preventing the seawater inbreak and storing up floodwater.Then according to the main ecological units of Yellow River estuary and their function requirements，the ecological water requirement are calculate with different methods the results show the ecological water requirement is 78.21×108m3with minimum flow 210m3／s（December）and maximum flow 329m3／s（June）.

Yellow River estuary；ecological water requirements；biodiversity；habitat

P 343.5

170·5545

A

1000-1832（2011）03-0138-07

2010-12-22

国家水体污染控制与治理科技重大项目（2008ZX07207-009）.

李国英（1962—），男，博士研究生，教授级高级工程师，主要从事流域生态学研究；通讯作者：盛连喜（1952—），男，博士，教授，博士研究生导师，主要从事恢复生态学研究.

方 林）