扎龙湿地生态环境需水量安全阈值的研究

所处频率 高频率区 生态系统处于最健康 年份的水面面积 高频率区 生态系统健康状况处 在转折期年份的水面面积 处在低水面低频率区 生态系统 健康最差年份的水面面积
预警指示 绿色安全 黄色预警 红色预警
确定理想 适宜和最小生态水面系数 参照衷平等 确定生态水位系数的方法来确定理想 中 等和最小生态水面系数 即用理想 中等 最小生态水面面积除以多年平均水面面积得到对应的生态水 面系数 不同的生态水面系数实质上就是不同的生态环境需水量的量化标准 见下式
?
?
式中 为多年平均水面面积 为统计年
为第 年各月平均水面面积 为第 类
生态水面面积 的含义分别为理想 中等 最小生态水面面积 为生态水面系数
不同的生态水面系数代表了不同生态环境标准对水面的要求 将各月水面面积多年平均值乘以生
态水面系数 就可以得出各月的生态水面面积
湿地生态环境需水量的计算方法
湿地蓄水量 由于湿地的水面面积和水量两者之间有一定的对应关系 由湿地的形状和结构等
表面蒸发耗水以及土壤蒸发耗水 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最主要耗水项目 占植物需
水量的
其他两项仅占
因而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 称为蒸散发量 从理论上可表达为
?
式中 为植物需水量 为蒸散发量 时间
内的频率近似等于其概率 即
所以直方图大致地描述了总体 的概率分布
为了方便起见 把各区间值
及所对应的频率和频数列
于表中 即建立频率表 这样便于观察
水面面积与生态系统健康关系分析 生态环境需水量至少能够保证系统基本功能运转所需的
物能平衡关系 这就意味着对应于任一功能的需水量都存在一个阈值 一旦某阈值被超越 系统的某些
物质平衡关系就会遭到破坏 系统的某些基本功能就会明显减弱 系统的健康就会受到损害并趋于恶化
甚至衰亡 在扎龙支撑湿地生态系统的关键是具有一定的地表水量 湿地水面面积与生态系统健
康关系见表 表 中的生态水面面积的含义是指生态系统不同健康状况所对应的水面面积 需要指
出的是 水是生态系统健康状况的主导因素 但并不是全部因素 影响湿地生态系统健康的因素还有来
因素决定 可以通过水面面积库容曲线求得对应水面下的湿地蓄水量 存量
水面耗水量 维持湿地一定水面面积所要消耗的水量等于湿地水面积蒸发量减去降水量 再加
上湿地通过渗漏途径补给地下水的量 其数学表达式如下
式中
水面耗水量
为湿地水面面积
为水面蒸发量
为湿地水面降水量
渗透系数 无量纲
为渗流坡度 无量纲
为渗漏面积 为时间
为沼泽湿地植被面积
为降雨量
扎龙湿地生态环境需水安全阈值的确定
扎龙自然保护区地处松嫩洪泛平原 位于黑龙江省齐齐哈尔市东南 地理坐标
是嫩江支流乌裕尔河 双阳河流至下游 失去明显河道 河水漫溢形成的大面积永久
性和季节性淡水沼泽地 以无数小型浅水湖泊 广阔的芦苇沼泽和草甸为主要特征 北高南低 中间低
洼 东西地势高 整个湿地自北向南呈三角形 本区属寒温带大陆性季风气候 总面积
年月 文章编号
水利学报
第 卷第期
扎龙湿地生态环境需水量安全阈值的研究
周林飞 许士国 李青山 刘大庆
大连理工大学 土木水利学院 辽宁 大连
水利部松辽水利委员会 吉林 长春
摘要 在湿地生态环境需水量概念内涵剖析的基础上 将生态环境需水量分为存量 蓄水量 与通量 耗水量 两个
部分 提出了基于生态水面法的湿地生态环境需水量计算模型 应用该方法对扎龙湿地长序列水面面积数据进
是我
国最大的以鹤类等大型水禽为主体的珍惜鸟类和湿地生态类型的国家级自然保护区
年被列入国
际重要湿地名录
水面面积的频率分析 本文采用扎龙湿地 年
年 年的逐月水面面积数据 扎龙湿
地的汛期和生长季节是同步的 湿地生态状况不但受到当年水分状况的影响 还要受到前一年水分状况
的影响 同时根据研究区的生长季节主要在 月 月 所以年划分为前一年的 月到当年的 月 取
的是确定相应的生态水面面积 所以选择评价指标的原则一是与水量相关性大 二是能够真实地反映生
态系统的健康程度且ห้องสมุดไป่ตู้代表性
扎龙湿地作为东北亚重要的珍稀鸟类迁徙 繁殖基地 生物保育需水特别重要 根据国外生物多
样性研究 由水面和沼泽植被共同组成的湿地系统可为水禽提供最佳的栖息场所 水面和沼泽植被面积
的相对比率 是决定物种丰富性的重要因素 保护鹤类等珍稀水禽的关键是保护好鹤类等濒危鸟类赖
湿地生态环境需水量安全阈值计算模型
水文参数的选择及模型的基本思想
水文参数的选择 在应用生态水文法时 涉及到水文参数的选择 衷平等 提出生态水位法
并将其应用于白洋淀湿地生态环境需水量的计算上 白洋淀为湖泊型湿地 选择水位比较合适 但对 于象扎龙这样的湿地 地表水位各年间变化幅度小不宜控制分析 而且地势平缓 面积大 湖泡分散 用 平均水位不具代表性 不适合用水位这一参数
在扎龙 湿地生态系统依赖于地表水体 并随着地表水体的变化而变化 地表水量减少 水面面积
萎缩 将导致水生生物的生境受到限制和压缩 湿地生态功能和效益受损 而且湿地中水分运动与补给 和生物多样性关系密切 水循环在湿地内部形成一个独特的径流场 并且以水源为中心 形成了一个与 径流场相对应的 生物多样性场 各种生物都在一个相对固定的范围内生存繁衍 水分波动将引起湿 地内部生物多样性场的变化 具体表现是湿生生境和旱生生境的相互演替 水量充沛时 会出现生境湿
这段时间内的平均值进行分析 这样划分的意义在于 前一年的 月汛期结束 湿地植被基本停止生
长 月份开始以后的水文状况 将影响到下一年的湿地生态环境状况 扎龙湿地水面面积的频数 频
率分布见表
表 扎龙湿地水面面积的频数 频率分布
水面面积区间?
频数
频率
水面面积区间?
频数
频率
扎龙湿地生态系统健康分析
指标的选取 目前对湿地生态系统健康评价的研究还比较少 本文对生态系统健康评价的目
多取一位小数
把所有样本观测值逐个分到各子区间内 并计算样本观测值落在各子区间内的频数 及频率
?
在横轴上截取各子区间 并以各子区间为底 以 ?
为高作小矩形 各个小矩形的面积
就等于样本观测值落在该子区间内的频率 即
所有小矩形的面积之和等于
这样做出的所有小矩形就构成了直方图
当样本容量 充分大时 随机变量 落在各个子区间
生化现象 干旱缺水时 将发生旱生化现象
在扎龙 水面面积更能综合地反映整个湿地的水文状
况 且与湿地生态系统的健康程度息息相关 因此 选择水面面积作为水文参数 模型的基本思想 利用数理统计中的频率直方图或频率表 分析湿地长序列的水面面积数据
寻求湿地的理想 中等 最小生态水面面积 对于高频率出现的水面面积 是湿地在长期过程中已经适 应了的 可近似认为是生态系统较能接受的水量 在高频数据中 进行生态系统健康状况的对比分析 把生态系统健康状况最好的年份定为理想生态环境需水量的标准 生态系统健康状况较差处于生物完
行了频率分析 再与湿地生态系统健康状况对照分析 确定生态水面系数 得出湿地生态环境需水量安全阈值 安
全阈值分为 最小 中等 理想三个级别 分别计算全年月均最小存量 中等存量和理想存量 全年最小通量 中等通
量和理想通量 并分别给出了逐月需水过程 分析计算结果表明 扎龙湿地生态环境需水量变化过程符合当地的
的频率 步骤如下
找出样本观测值
中的最小值与最大值 分别记作 与
适当选取略小于 的数 与略大于 的数 并用分点
把区间
分为 个子区间
各子区间的长度可以相等 也可以不等 子区间的个数 一般取 至 个 太多则由于频率的随
机摆动而使分布显得杂乱 太少则难于显示分布的特征 此外 为了方便起见 分点 应比样本观测值
以生存的湿地环境 广阔的湿地为鱼类提供了生境多样性 鱼类不但具有经济价值 更重要的它是鹤
类等珍稀水禽的食物来源 是食物链中的一个环节 另外 扎龙湿地是在风成沙地上形成的沼泽地 是
整个嫩江流域生态环境最脆弱的一个关键区 湿地一旦消失 将导致这个地区的盐碱化和沙漠化 对齐
整性遭受破坏的临界点的年份定为中等生态环境需水的标准 湿地最小生态水面面积 是维持湿地自 身存在的水面积 因此湿地最小生态水面面积必然包含在低频率的年份中 分析低频率中各年的生态状 况 进而确定最小生态环境需水标准 笔者把这种方法称为生态水面法 生态水面法是对水文和生态资
料进行定性和定量分析 进而确定湿地生态环境需水量的方法 确定理想 中等和最小生态水面面积 频率直方图或频率表的做法 运用数理统计中的频率直方图或频率表来确定各水面面积出现
降雨和水面蒸发均以月为时段 对应的面积也以月为时段 采用正常年法 从 月至 月
龙湿地面积比较大 土壤渗透系数和渗流坡度较难获得 通过查找相关资料渗漏损失取
面积按照各月对应的水面面积 由此 式 可以简化为
为土壤
由于扎 渗漏
植物需水 湿地植物生态需水包括 部分 植物同化过程耗水 植物体内包含的水分 湿地植株
收稿日期
基金项目 国家自然科学基金重点资助项目
作者简介 周林飞
女 吉林长春人 副教授 博士生 主要从事湿地及水资源方面的研究
系统每年消耗的水量 这些概念中都包含了湿地的水文功能 生态功能和环境功能 因此本文的生态 环境需水量是指维持湿地不同管理目标下的水文功能 生态功能和环境功能的地表水量 或地下水位 以及维持相应功能所消耗的水量 据此笔者把生态环境需水量分为两个组成部分 存量与通量 存量 是指为维持湿地自身发展及湿地各种功能正常发挥的地表蓄水量 或地下水位 随着湿地的水文周期 在季节 年际之间发生着变化 通量是指湿地消耗掉的水量 包括水面蒸发 渗漏和植物蒸散发量等 将湿地生态环境需水量分为两部分进行计算 有利于把湿地作为一个整体进行水资源配置 便于操作