基于生态水位约束的下辽河平原地下水生态需水量估算

2013-09-15孙才志朱正如

生态学报 2013年5期

孙才志，高颖，朱正如

(1.辽宁师范大学城市与环境学院，大连116029;2.辽宁省自然地理与空间信息科学重点实验室，大连116029)

在我国北方干旱与半干旱地区，由于地表水资源相对贫乏，而地下水一般具有水质良好、分布广泛、水量相对稳定等特点，因此地下水便一直作为工业、农业以及生活用水的主要供水水源。但人们在开发利用地下水资源的过程中，通常只注重地下水的资源功能，而忽略了其生态功能，这给由地下水所维系的生态系统带来了严重威胁，导致了诸如河流断流、海水入侵、湿地退化等生态环境问题。鉴于我国北方地区地下水系统与生态系统之间存在着密切的依附关系以及环境水文地质问题突出的现实情况，对于该区域地下水生态系统的保护更应受到重视，地下水生态需水的研究也尤为迫切。

当前，国内外对于生态需水的研究大多集中于河流［1-3］、湖泊［4-5］、湿地［6-8］和陆地植被［9-10］等领域，并形成了比较完善的计算方法，而对于地下水生态需水的研究则相对较少。在我国，地下水生态方面的研究主要集中于西北干旱地区，但研究角度多侧重于地下水合理水位的确定方面［11-12］。杨志峰等提出了生态环境需水评价中地下水补水量的计算公式［13］，但在整个研究区只给出了一套水文地质参数，忽视了水文地质条件的空间异质性问题，在一定程度上影响了计算精度，该方法主要适用于小空间尺度;孙才志等［14］采用情景分析的方法，在降水入渗与蒸发规律的基础上，设置了两种情景下下辽河平原地下水生态水位标准，然后通过对地下水实际埋深与生态水位埋深的比较，计算出满足地下水生态水位要求的地下水调控量，但仅从水文地质的角度考虑地下水生态需水量，忽略了地表生态系统对于地下水的需求;张建立等采用二维地下水数值估算了白洋淀湿地地下水生态需水量［15］，但只考虑了湿地一种生态系统类型，地下水生态水位标准单一，同样该方法主要适用于小空间尺度。鉴于此，本文以下辽河平原地下水系统为研究对象，综合考虑水文地质和生态系统两方面因素，分别考虑其对于地下水量的需求，进而估算下辽河平原地下水系统生态需水量。研究成果对于丰富生态需水理论具有一定的理论意义。

下辽河平原是东北最缺水的地区之一，该区域供水的65%来源于地下水资源。地下水资源的过度开发利用，产生了一系列生态环境问题，已经影响到了研究区内社会经济的可持续发展，成为制约东北老工业基地振兴的重要瓶颈之一。因此，为更合理的配置和管理地下水资源，下辽河平原地下水系统生态需水的研究变得重要而且迫切。本文通过对下辽河平原地区2009年Landsat ETM的遥感解译，得到本区域的生态系统类型，在合理确定地下水生态水位的基础上，结合相应水文地质参数，利用Golden surfer软件计算出下辽河平原的地下水生态需水量，研究成果对于维护研究区生态系统健康和地下水资源的合理开发利用具有一定的应用价值。

1 研究区概况

下辽河平原是辽宁省最大的平原，呈北东—南西方向宽带状斜卧在辽宁省的中部。地理坐标为E121.0877°—123.85582°，N40.6379°—42.2943°，东西宽120—140 km，南北长240 km，面积约2.32万km2，行政区划隶属于辽宁省铁岭市、沈阳市、抚顺市、辽阳市、鞍山市、营口市、盘锦市、锦州市和阜新市，总跨9市17县(图1)。

下辽河平原东、西两侧为山地丘陵，南临渤海，北为辽北低丘区，形成三面环山、一面临海的地形特点。平原地势由北向南逐渐降低，由北部海拔50—250 m逐步降为南部海拔2—10 m。本区属于温带半湿润半干旱季风气候区的过渡带，全年平均气温在7—11℃之间，降水量在600—1100 mm左右，具有东南向西北递减的变化规律。该区有两个独立水系，一个为辽河下游经双台子河由盘山入海;另一个为浑河、太子河于三岔河汇合后经大辽河由营口入海。自然植被类型具有从温带草原向暖温带阔叶落叶过渡的特点，其中，东部山地以温带针阔叶混交林为代表，南部和西部为暖温带落叶阔叶林，北部为温带草甸草原。

下辽河平原作为中新生代的沉降盆地，既是区域新生界尤其是第四系的沉降中心，又是区域地表水和地下水的汇集中心。巨厚的第三系河湖相碎屑沉积、第四系冲洪积和冲积层以及岩石中广泛发育的裂隙都为地下水的赋存、运移提供了广大的空间，上述地层构成了具有统一补给、径流、排泄的下辽河平原地下水系统。地下水的补给主要来自大气降水和地表水入渗，地下水总的径流方向由山前向中部平原呈放射状，至中部平原后总的径流方向是由东北向西南，最后进入辽东湾。

图1 下辽河平原地理位置图Fig．1 The geographic location map of the lower Liaohe River plain

2 数据来源及处理平台

收集了研究区内2009年Landsat ETM遥感影像、辽宁省地质图、辽宁省第四纪地质图、辽宁省水文地质图、下辽河平原地下水资源图、辽宁省地貌图、辽宁省土地类型图、辽宁省植被图、《辽河流域水文资料》(2004—2008)、辽宁省水文数据(2010年)等基础数据资料。数据处理平台包括MapInfo 7.0、ArcView GIS 3.3、Erdas Imagine 9.1、Golden surfer 9.0、Fortran PowerStation 4.0等。

3 下辽河平原地下水生态水位的确定

3.1 地下水生态水位的概念

地下水生态水位是指:能够充分发挥地下水对生态环境的控制作用，即满足生态环境要求、不造成生态环境恶化的地下水位。它是由一系列满足生态环境要求的地下水水位构成，是一个随时空变化的函数［16］。地下水生态水位主要受含水层岩性、包气带特征、地形、地貌和植被条件的影响。

3.2 下辽河平原地下水生态水位确定

3.2.1 从水文地质学的角度确定地下水生态水位

从水文地质学的角度确定地下水生态水位，需要综合考虑下辽河平原的水盐运移规律、潜水蒸发等影响因素。在确定生态水位时，使潜水蒸发的强度减至最小，土壤积盐极其微弱。该区的含水层岩性主要为粘土、黄土状亚粘土、亚砂土、粉砂土、粉细砂、细砂、中砂及滨海咸水地区的粘土、砂土。根据该区的岩性，利用当地地质部门的野外蒸发实验结果，把不同含水层岩性下极限蒸发深度作为地下水生态水位埋深［17］，结果见表1。

表1 不同岩性下的地下水生态水位埋深Table 1 The ecological groundwater head burying depth of different lithological character

3.2.2 从生态系统健康的角度确定地下水生态水位

自然界中的生态系统对于地下水的依赖情况是各不相同的，通常根据生态系统对地下水的依赖程度不同，可将生态系统分为:完全依赖型、强烈依赖型、偶尔依赖型和完全不依赖型［18］。对于对地下水依赖程度较低的生态系统，在确定地下水生态水位时，可以只考虑其地质学方面的因素，而对地下水依赖较强的生态系统，应综合考虑生态系统对于地下水位的要求。

通过对2009年遥感资料进行几何校正，经检验配准误差控制在0.5个像素元之内，采取最邻近法进行重采样。在Erdas Imagine 9.1处理平台上，确立解译标志和解译精度，通过人工交互式对遥感影像进行目视解译。最后在GIS环境中对解译结果进行裁剪、合并等修改，得到下辽河平原2009年Landsat ETM的解译结果(图2)，由图2可知，下辽河平原的生态系统类型主要有河流生态系统、天然草地生态系统(面积1365.5 km2)、天然林地生态系统(面积4524.0 km2)、天然湿地生态系统(面积356.3 km2)、耕地生态系统(面积16408.8 km2)以及城镇生态系统(面积4524.0 km2)。根据研究区内生态系统的实际情况，对地下水依赖程度较高的生态系统有天然草地生态系统、天然河流生态系统和天然湿地生态系统。因此，本文从这3个生态系统健康的角度出发，研究与其相关区域地下水生态水位。

(1)有天然草地覆盖的区域。

下辽河平原的天然植被类型多样，但是，由于人类的不断开垦和人工改造，下辽河平原几乎已经没有原始植被。经研究都证实，影响天然植被生长和恢复的土壤水分和盐分与地下水埋深高低有密切关系［19-21］，在有天然草地覆盖地区，确定既不使土壤发生强烈盐渍化和荒漠化，又能使植被健康生长的生态地下水位对研究区的生态环境保育至关重要。

樊自立等［11］将适宜的地下水位埋深定义为2—4 m，因为在此水位埋深下，土壤全剖面含水率为17.0%—22.0%，约为毛管持水量的70%以上，潜水年蒸发量在50—375 mm，潜水主要供给土壤水分被植物吸收利用，无效蒸发耗水很少，能满足天然植被的生长需水。因此，本文将此埋深定义为有天然草地覆盖地块的生态地下水位埋深。根据研究区实际情况，下辽河平原天然草地的生长期为4—10月，而夏季植被蒸腾要高于春、秋季，因此，天然草地夏季需水量较高，故在确定生态水位时，将天然草地的生长期分为6、7、8月和4、5、9、10月两部分考虑(表2)。

(2)有湿地覆盖的区域

对于湿地生态系统的保护，应该要求保持湿地水体的规模和质量。因此在考虑湿地覆盖地块的地下水生态需水时，应满足沼泽化地下水位的要求，即地下水埋深应在1 m以内［11］，以保证湿地的覆盖面积，确保沼泽地块生物的健康生存和栖息地的稳定发展。

图2 下辽河平原生态系统类型示意图Fig．2 The ecosystem types in the lower reach of LiaoRiver plain

表2 下辽河平原不同季节天然草地地下水生态水位埋深Table 2 The ecological groundwater head burying depth of natural grassland in different seasons

下辽河平原天然湿地主要为辽河三角洲的盘锦湿地，该区植被类型多样，其中双台河口湿地不仅生长有大量芦苇，还为大量鸟类和两栖类提供了栖息场所。而为保证野生生物栖息地的健康，湿地的水深应在0.3—2.0 m之间［22］。兼顾沼泽化地下水埋深在1 m以内的要求，本文把该区域不同季节地下水埋深设定在0.3—1.0 m。另外，研究区内湿地在不同的气候条件下对于地下水的需求不同，夏季植被生长茂盛，动物活动也比较活跃，湿地需水量较大;而冬季恰好相反，植物枯萎，不少动物冬眠，鸟类南飞，所以需水量相对较小。因此，本文确定了有天然湿地覆盖地区不同季节的地下水生态水位埋深，见表3。

而对于滨海低平原南部，由于河道淤浅改道，海水顶托，地势低洼积水，地下水的水平径流基本停滞，垂直蒸发十分强烈，土壤大面积形成盐渍化和沼泽化，属于滨海湿地。故确定本区域的生态埋深为1 m，即沼泽化水位，此条件下虽然潜水蒸发量大，耗水较多，但对于该区湿地生物多样性的维护和湿地保护有重要意义。

表3 下辽河平原不同季节天然湿地地下水生态水位埋深Table 3 The ecological groundwater head burying depth of natural wetland in different seasons

(3)有河流流经的区域

研究区内河流的径流季节变化较大，有春夏两个汛期，其中春汛期短，一般为2月底到3月初，量小，仅占全年径流的3%—4%;夏汛一般为6—9月，可占年径流的70%—82%;枯水期(12月—翌年3月)径流很少;平水期(4—5月)径流仅占年径流的10%。其中，枯水期河流在没有降水的情况下，出现一个流量低而稳定的最小径流期，此时河流仅靠地下水补给，如果地下水埋深低于河道，将会出现断流，因此，枯水期是保持河流自我生存能力至关重要的时期。另外，由于上游开采量加大，减少下泄流量，致使地下水位下降夺取河道径流，使河道大规模干涸断流。因此，在确定有河流流经区域的地下水生态需水问题时，应把河流生态流量和地下水位作为统一的整体来考虑。基于此，本文从以下三个方面定量分析生态地下水位:考虑补排平衡，要求适宜的埋深，水位不能过低;考虑防止盐碱化，水位不能过高;要维持和支撑河道生态用水，公式如下:

式中，Ge为有河流流经区域河道外生态水位;G1为考虑补排平衡的最低地下水位;G2为考虑防止盐碱化的最高地下水位;Zr为河底高程。

把下辽河平原按照水文地质单元划分为西部山前平原区、东部山前平原区、中部平原区和南部滨海平原区(图3)。其中，位于山前平原区的河道外浅层地下水汛期最佳控制生态水位埋深在5—10 m，汛后埋深控制在3—5 m;位于中部平原区的河道外浅层地下水的汛前最佳控制生态水位埋深在6—11 m，汛后埋深控制在4—6 m［23］。而对于枯水期，则应保证生态水位埋深至少与河道持平，以保证河流的健康维持，但同样要保证其小于盐碱化水位埋深1—2 m［11］。

根据《辽河流域水文资料》2004—2008年研究区河流水位、河底高程等数据，得出下辽河平原各水文站测得的各月平均水位，根据上述分析得到有河流流经区域的地下水生态水位埋深(表4)。由于水文站点数目过多，表4仅显示部分典型站点地下水生态水位埋深数据。

图3 下辽河平原水文地质单元分区及给水度图Fig．3 The specific yield in different hydro-geological partition

表4 下辽河平原有河流流经区域地下水生态水位埋深Table 4 The ecological groundwater head burying depth with river flows through

3.2.3 从人类需要的角度综合调整地下水生态水位

下辽河平原已经在沈阳、鞍山、辽阳等地区形成了永久性地下水降落漏斗及地下水含水层的部分疏干，其中，沈阳市地下水含水层疏干面积已经超过60 km2，地下水位最大降深达30 m，辽阳首山水源地地下水位累计下降近40 m［24］。基于以上实际情况，要在短时间内实现这些地区的生态系统完全健康并不现实，故应调整这些地区的地下水生态水位，以使经济发展和生态环境问题的逐步改善达到平衡。

根据2008年《辽宁省水资源公报》统计，把超采漏斗区和海水入侵区全部作为地下水超采区界定，下辽河平原的超采区主要有沈阳城区地下水漏斗区(漏斗区面积14.75 km2)、辽阳首山地下水漏斗区(漏斗区面积196.00 km2)和锦州海侵区(171.06 km2)。基于此，本文根据以上区域地下水位埋深的实际情况，对地下水生态水位埋深做了如下调整:沈阳城区7—9 m，辽阳首山6—7 m，锦州海侵区6—8 m。

综合以上论述，利用MapInfo软件提取点坐标工具，自动获取区域经纬度，并输入不同区域地下水生态水位埋深数据，得到下辽河平原全年各月地下水生态水位埋深数据(表5)。

4 下辽河平原地下水系统生态需水量的估算

本文应用MapInfo软件对空间数据的分析与查询功能，配合Golden surfer软件的体积计算功能计算下辽河平原的地下水生态需水量［25］。首先，将经纬度数据其以文本格式导出，利用Golden surfer软件将其格网化。同时，给水度值根据下辽河平原水文地质分区，按照同样方法得到格网数据。然后，应用Golden surfer软件的体积计算功能，将研究区内地下水实际埋深格网文件(FBHi．grd)与地下水生态水位埋深格网文件(EBHi．grd)进行对比，并乘以给水度格网文件(μ．grd)，得到下辽河平原地下水系统生态需水量值。

4.1 地下水生态需水量的概念界定

虽然目前国内外关于生态需水的概念较多，理解也各不相同，但广义上讲维持全球生物地理过程水分平衡所需要的水都称生态需水，如水热平衡、生物平衡、水沙平衡、水盐平衡等所需的水分［26］;狭义上讲生态需水是指为维持生态系统的稳定、保持生态环境质量的最小水资源需求量［27］。而地下水生态需水量则是指为维持地下水生态系统不再恶化并逐渐改善所需要的地下水资源总量，也即保证地下水正常的生态功能正常发挥所需要的地下水资源总量［28］。基于以上定义，本文认为地下水生态需水量的估算问题，主要是找到能够满足地下水生态功能的地下水生态水位，进而计算从现有实际地下水位恢复到生态水位所需要的水量，即地下水生态恢复需水量是本文主要研究和关注的。

表5 下辽河平原全年各月地下水生态水位埋深Table 5 The ecological groundwater head burying depth monthly/m

4.2 区域地下水实际埋深分布

根据研究区内地下水长观孔的分布情况，本文选取了2010年161个点全年12个月份的地下水实际观测资料，应用Golden surfer软件得到地下水实际埋深格网文件(FBHi．grd)，并构建了浅层地下水埋深等值线图(图4)。根据下辽河平原的水文地质分区，以及对应地貌下的给水度μ值［29］(图3)，得到研究区给水度格网文件(μ．grd)。在图3—6中，由于月份数目较多，论文在展示等值线图时，仅以5月为代表，其中，A代表沈阳市，B代表辽阳市，C代表鞍山市，D代表营口市，E代表盘锦市，F代表锦州市。

4.2.2 区域生态地下水埋深分布

综合前文分析，根据下辽河平原全年12个月的地下水生态水位埋深数据，利用Golden surfer软件的制图功能，得到生态地下水埋深格网文件(EBHi．grd)，并绘出相应的水位埋深等值线图(图5)。

图4 下辽河平原5月地下水实际埋深等值线图Fig．4 The actual groundwater burying depth contour in May 2010

图5 下辽河平原5月地下水生态埋深等值线图Fig．5 The burying depth contour of ecological groundwater table in May 2010

4.3 地下水生态需水量的估算

根据研究区内地下水水位实际埋深与确定出的地下水生态水位，利用Golden surfer软件的制图和体积计算功能，计算下辽河平原地下水系统生态需水量。公式为:

根据格网文件DHi．grd，可以绘制出全年各月地下水生态需水量分布等值线图(图6)，图中，等值线正值区为实际地下水量无法满足生态需水量，即生态系统缺水区，需要进行地下水的保护及补给;负值区为实际地下水量能满足生态需水量区，即生态系统水量盈余区，可以维持在现有水平。

应用Golden surfer软件和格网文件DHi．grd，可以获得全年各月的地下水生态系统缺水区、盈余区面积，以及它们分别对应的缺水量和盈余水量，进而得出地下水系统生态需水量(表6)。

表6中的地下水生态需水量，属于非消耗型需水，在全年需水量整合时，不能简单求和计算。因此，本文基于杨志峰等［13］针对河流最大允许废水排放量提出的月保证率设定法，对求得的各月地下水生态需水量进行需水整合。

图6 下辽河平原5月地下水生态需水量分布等值图Fig．6 The groundwater demand contour for ecological restoration in May 2010

表6 下辽河平原各月地下水生态需水量Table 6 The monthly water demand for groundwater ecological restoration

(1)对于估算出的12个月地下水系统生态需水量，求出生态需水量的概率密度曲线，进而得出不同保证率下的地下水系统生态需水量。由于使用传统的概率分析方法进行计算通常需要30个以上的样本才能得到令人信服的结果，12个样本数据显然远远满足不了要求。当样本数量不多时，样本提供给我们认识概率的知识是不完备的，由于不完备信息是一类模糊信息，根据信息扩散原理，一定存在着一个适当的扩散函数，可以将传统的单值样本变换为集值样本，以弥补资料不足的缺陷，提高了结果的可靠性［30］。

因此，基于信息扩散理论，将论域空间确定为U=［35．15，57．33］，对求得的各月地下水生态需水量数据进行处理，具体操作步骤如下:

首先，将求得的12月地下水系统生态需水量作为样本点，用X表示:

设其论域为:

正态信息扩散函数公式为:

式中，h为扩散系数，它与样本集合中最大值b、最小值a以及样本数n有关，具体计算公式见文献［30］。令

则相应的模糊子集的隶属度函数为:

此时，称μxj(ui)为样本点xj经过归一化后的信息分布，然后对μxj(ui)进行进一步处理:

令

则

这样，p(ui)就是样本点落在ui处的频率值，最后，可以得到超越ui的概率值，即为保证率值:

(2)分别求得90%，80%，70%，60%，50%保证率下的地下水生态需水量值。

(3)以上述结果为基础，把不同保证率需水量的100%，80%，60%，40%，20%作为5个推荐恢复等级(极好、非常好、好、中、最小)计算地下水生态需水量值(表7)。

表7 下辽河平原不同保证率、不同恢复等级年地下水生态需水量Table 7 The annual water demand for groundwater ecological restoration at different guarantee rates and different restoration levels/(108m3)

5 结论及对策

下辽河平原是辽宁省工、农业最发达地区，地下水的不合理开发利用，造成了生态环境问题的日益严峻，因此本文通过对地下水生态需水量的研究，提出了有利于研究区生态系统维持和地下水资源合理开发利用的水资源配置策略，结论如下:

(1)确立合理的地下水生态水位对于防治下辽河平原的生态环境恶化具有重要作用，其中不同的区域和系统对于地下水位的要求不尽相同，故本文力求寻找一个能尽量满足各系统要求的生态水位。在确定时，以对地下水敏感的天然生态系统为主，辅以水文地质和人类需要进行综合调整，最终得到下辽河平原的地下水生态水位埋深。其中，南部沿海为0.3—2 m，东、西部平原为5—9 m，中部平原为3—6 m。

(2)利用Golden surfer软件，计算现状地下水位埋深与生态水位埋深差值，得到下辽河平原不同月份的地下水缺水量41.83×108—60.07×108m3、缺水区面积2.05×104—2.34×104km2、盈余水量2.73×108—6.68×108m3、盈余区面积0.30×104—0.59×104km2、地下水生态需水量35.15×108—57.33×108m3。

(3)基于月保证率法，运用信息扩散技术对各月需水量整合后，得到下辽河平原不同保证率、不同恢复等级下地下水生态需水量。结果可见，随着保证率的降低，地下水生态需水量不断增加，而需水量等级越高，需水量增加幅度越大。其中，50%保证率、恢复等级为极好的年需水量为42.91×108m3，90%保证率、恢复等级为最小条件下的年需水量仅为7.38×108m3。

地下水生态需水量的研究最终目的是为水资源配置、环境保护提供依据，而从前文下辽河平原的实际情况来看，改善下辽河平原地下水超采严重，水资源短缺的对策主要有:1)注重雨洪资源的利用和调配;2)注重湿地保护，减少海水入侵面积;3)利用东水西调工程引入水量，解决研究区内城乡生活、生产、生态用水问题;4)利用弃水及处理后达到地下水回灌标准的污水对地下水超采区进行人工回灌。

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