腰井子保护区生态需水分析

谢洪伟

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130012)

水资源是湿地生态系统形成和发育的关键因子。随着气候变化和人类活动的影响，湿地生态系统出现生态系统退化、水资源短缺等问题。科学准确地计算区域生态需水量是保障区域生态系统健康发展的重要基础。按照前人的研究，湿地生态需水量可按研究对象分类，常见分类方法包括：①湖泊生态需水量和沼泽生态需水量[1]；②湖泊洼地需水量、植被需水量、土壤需水量、生物栖息地生态需水量和渗漏补给地下水等[2-3]。腰井子保护区以重要鸟类、芦苇沼泽生境以及羊草草原保护等生态保护目标为主，湿地生态需水量按照上述分类往往不能保证湿地生态系统的健康发展，故保护区的生态环境需水量计算时考虑湖泊(含河渠、水库)、沼泽、草地、林地等土地类型[4]。

本研究对腰井子保护区内湖泊、沼泽、草地、林地基本生态环境需水量的最小值、年内不同时段值和全年值以及湖泊、沼泽目标生态环境需水量的年内不同时段值和全年值分别进行了计算，计算结果可以为保护区内生态修复和规划管理提供数据支持与借鉴。

1 研究区概况

腰井子保护区位于我国吉林省长岭县境内。该保护区自然条件优越，生物多样性丰富，分布有沙生植物、芦苇丛、沼泽地和湿生草甸。保护区内主要以草原面积为主(占47%)，其次为水域(占37%)。保护区内划分为核心区和一般区，核心区为600hm2左右，其余为一般区，并实行不同的保护管理措施。

2 研究方法

2.1 湖泊基本生态需水量

鉴于水位资料条件限制，本研究采用“最枯月平均水面面积法”代替，通过遥感解译20世纪70年代至今，每5年不同期的遥感解译图像，获取当年最枯期平均水面面积。并通过逐日气象数据，估算典型年情景下的需水定额(即需水深度)，二者乘积即为基本生态需水量最小值。年内不同时段基本生态需水量，采用“湖泊形态分析法[5]”“生物空间法[6]”“水域纳污能力法[7]”分别计算维持湖泊形态功能不丧失的水量、维持生物栖息地功能不丧失的水量和维持自净功能基本要求的水量。湖泊基本生态需水量全年值为年内不同时段基本生态需水量汇总。

2.2 沼泽基本生态需水量

可用维持自然保护区核心区范围内水域的一定水面面积或水深所对应的水量作为沼泽基本生态环境需水量，分别计算沼泽基本生态环境需水量年内不同时段值和全年值。

2.3 草地/林地基本生态需水量

用“最枯月平均水面面积法”，通过遥感解译20世纪70年代至今，每5年不同期的遥感解译图像，获取当年最枯期平均草地/林地面积。并通过逐日气象数据，估算典型年情景下的需水定额(即需水深度)，二者乘积即为基本生态需水量最小值。可用维持自然保护区范围内草地/林地一定面积所对应的水量作为草地/林地基本生态环境需水量，分别计算草地/林地基本生态环境需水量年内不同时段值和全年值。

2.4 年内不同时段目标生态需水量

采用“湖泊形态分析法”“生物空间法”“水域纳污能力法”分别计算维持湖泊形态功能不丧失的水量、维持生物栖息地功能不丧失的水量和维持自净功能目标要求的水量。目标生态需水量全年值为年内不同时段目标生态需水量汇总。

3 计算结果

3.1 需水定额计算

(1)芦苇需水定额。芦苇生长期为5—10月，生长期多年平均生态需水定额为465.0m3/亩。受气候变化综合效应影响，2000—2009年期间，芦苇多年生态需水定额史上最高，2010年以后，需水定额明显偏低。芦苇7—8月需水定额最大，为116.3m3/亩。

(2)草地需水定额。草地(含羊草)的生长期为5—8月，一般草地多年平均生态需水定额为124.7m3/亩，羊草多年平均需水定额为126.0m3/亩。5月平均需水定额最大，一般草地为62.4m3/亩，羊草为63.0m3/亩。

(3)水域需水定额。水域非冰封期为4—10月，水域需水定额为522.2m3/亩。

月平均需水定额结果见表1。

表1 典型土地利用类型生长期需水定额计算结果 单位：m3/亩

3.2 保护区面积

自20世纪70年代至今，每5年选取同年两期遥感卫星数据，一方面反映人类活动影响下土地类型的变化特征，另一方面同年两期数据能够反映植被生长前后的特征。本研究选用地理空间数据云Landsat遥感卫星数据，考虑到云层对解译的干扰，优先选取云层较少卫星影像，主要获取1977、1982年空间分辨率为60m的Landsat MSS遥感影像，1987、1991、1996年空间分辨率为30m的landsat4-5 TM数据，2000、2005、2010年空间分辨率为30m的Landsat7 ETM数据，2015年与2017年空间分辨率为30m的Landsat8 OLI遥感数据。经过几何粗校正、辐射定标、几何精校正、大气校正，去除云(阴影)像元，确保影像不存在几何或辐射标定等方面的错误，再根据研究区范围进行影像波段融合、影像镶嵌完成拼接，并按照研究区矢量边界对影像进行裁剪处理，采用ENVI5.3遥感分类软件对生成的遥感影像进行地物信息提取，结合同期的Google Earth高分辨率图像进行目视解译。

(1)遥感解译特征值

腰井子保护区湖泊、河渠、沼泽地、林地、草地面积平均值分别为484、613、3055、11299hm2，无水库/坑塘和河渠面积。其中腰井子保护区有核心草地4450hm2，将作为调水工程的重点补水对象。面积解译的统计数据特征值见表2。

表2 保护区面积解译数理统计表 单位：hm2

(2)保护区目标面积确定

经对比分析确定，基本生态需水量对应的保护目标面积见表3。目标生态需水量对应的保护目标面积见表4。

表3 基本生态需水量对应的保护目标面积 单位：hm2

表4 目标生态需水量对应的保护目标面积 单位：hm2

3.3 生态需水量计算结果

近期受水区按照基本生态需水量水平进行生态补水，力争生态环境恢复到历史平均水平；远期按照目标生态需水量进行生态补水，力争生态环境状况恢复到20世纪80年代水平。

腰井子保护区基本生态需水量最小值为1610万m3/a。其中腰井子核心区基本生态需水量最小值为378万m3/a。腰井子保护区优先保护目标为羊草草原，选取草地面积最小值典型年(2015年)计算其基本生态需水量为3264万m3/a，其中核心区基本生态需水量为840万m3/a。选取草地面积均值典型年(2000年)计算其目标生态需水量为3972万m3/a，其中核心区目标生态需水量为924万m3/a，详见表5—6。

表5 保护区基本生态需水量计算结果 单位：万m3/a

表6 保护区目标生态需水量计算结果 单位：万m3/a

4 合理性分析

4.1 需水计算结果合理性分析

(1)芦苇需水定额合理性分析

芦苇生长从4月初开始萌芽，芦苇种群生物量在8月下旬达到最大值，到9月接近生长期尾声。故采用芦苇生长期4—9月的蒸发量用于估算芦苇的需水量。

根据《吉林西部供水工程初步设计报告》，选取吉林西部芦苇湿地生态需水定额(按4—9月计)为465m3/亩(折合698mm)，如图1所示[8]，通榆县、长岭县与四平站在相近等值线上，故采用四平站计算的需水定额作为保护区的需水定额是合适的。根据DB 22/T 389—2019《吉林省用水定额》，芦苇生态用水定额为468～692mm。本次计算成果为697.5mm，见表7，与上述成果基本相符。

表7 芦苇多年平均蒸发量计算结果对比

图1 吉林省多年(1951—2015年)平均蒸发量等值线图

(2)水域需水定额合理性分析

本次计算结果分别与《西部引水工程初步设计报告》《白城市水面蒸发换算系数浅析》《四平地区多年实测蒸发量变化趋势研究与评价》等多套资料进行月平均蒸发量对比，见表8。基本符合《吉林西部供水工程初步设计报告》多年平均需水定额850～1150mm，误差范围在-5.9%～13.1%之间，本次计算成果基本合理。

表8 不同资料来源中的吉林省西部地区水面平均蒸发量

4.2 下垫面面积合理性分析

腰井子水域、湿地、林地和草地面积远高于三调数据，见表9。遥感解译与三调数据成果的偏差，主要源于典型年选取的不一致性。

表9 遥感解译特征值与三调数据对比 单位：hm2

5 结语

本研究以腰井子保护区为例，通过对比不同年代遥感影像数据，分析保护区目标面积，确定不同目标面积对应的生态需水量。充分考虑保护区保护目标为羊草草原，选取草地面积不同的典型年计算其基本生态需水量和目标生态需水量。计算生态需水量时考虑了湖泊、沼泽、草地、林地等土地类型，不同土地类型的需水定额分析考虑了降雨、蒸发、渗漏等因素的影响，同时，对需水计算结果进行了合理性分析。腰井子保护区生态需水分析成果对保障保护区生态系统健康发展具有重要意义，本研究方法可为自然保护区湿地生态需水分析计算提供借鉴和参考。