黄河三角洲保护区近远期生态需水量计算与预测.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023收稿日期：2022-12-28作者简介：刘军元（1965），男，山东东营人，高级工程师，从事水利规划及水资源、水环境研究工作E-mail：黄河三角洲保护区近远期生态需水量计算与预测刘军元，盖海英，常兵兵（山东新汇建设集团有限公司，山东 东营 257000）摘要：黄河三角洲自然保护区生态需水包括保护水生生物栖息地、维持水体自净能力、水面蒸发、维持水沙平衡、维持水盐平衡的生态需水量。计算黄河三角洲自然保护区的生态耗水量及生境需水量得到该区域的生态需水量。综合芦苇和鸟类对生境的适宜性需求，确定不同的芦苇适应水深分为基本生态目标、中级生态目标及高级生态目标。采用水量平衡法计算2022年黄河三角洲自然保护区3个片区的在不同生态目标下生态耗水量及生境需水量，并对2030年远期规划年进行预测。关键词：黄河三角洲自然保护区；湿地；生态耗水；生境蓄水；生态需水中图分类号：TV213.4；X143文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.024水资源是社会发展的基础，是人类赖以生存的重要资源。黄河三角洲地区水资源供需矛盾日益加剧，对水资源的合理开发利用十分重要。而生态用水方面常常被忽视，加剧了生态环境的破坏问题，水资源危机更加严重。对生态需水量进行研究可以协调经济社会发展与生态环境之间的关系，维护生态平衡，实现水资源的合理配置与可持续利用。卞戈亚等1评价了国内外关于植被、河流、景观等生态需水量的计算方法的优缺点和适用性。指出了很多计算方法无法应用于实际的问题。本文以生物多样性保护恢复、珍稀鸟类生境需求为目标，基于水循环单元和现状年土地利用格局，从基本、中级及高级3种生态目标角度分析和预测黄河三角洲自然保护区丰、平、枯降雨条件下的生态需水量。1研究区概况黄河三角洲自然保护区位于山东省东营市东北部的黄河入海口，地势东北低、西南高。保护区内的土壤类型以滨海潮滩盐土、滨海盐土、冲积土及潮土4种类型为主。区域内骨干河道30条，黄河为主要过境河流，受海水入侵及填海造陆影响，区内咸水分布广泛。黄河三角洲为暖温带落叶阔叶林区，受地下水位高、土壤含盐量高及人类活动的影响，植物的生长受到抑制。区内以菊科草本植物、禾本科为主，植物有685种。以滨海盐生植物为主，占天然植被的1/2以上，灌木柽柳占天然植被的1/52。区内野生动物包含陆生动物和海洋动物类群。有大量国家重点保护动物生存，其中海洋兽类有江豚、小须鲸、斑海豹、宽喙海豚、伪虎鲸5种；淡水鱼类中有白鲟、达氏鲟、松江鲈3种3。在鸟类中属国家一级保护的有丹顶鹤、白头鹤、白鹤、大鸨等12种，属国家二级保护的有灰鹤、大天鹅、鸳鸯等51种。黄河三角洲保护区下辖3个管理站，分别为大汶流管理站、黄河口管理站和一千二管理站。该自然保护区的建立在保护黄河湿地生态系统和珍稀濒危鸟类中发挥了巨大作用4。2数据来源本文数据来源于黄河利津水文站、黄河三角洲保护区雨量站的实测数据，及 山东省水文图集 中数据。其中：黄河年平均径流量、汛期流量、输沙量及含沙量来源于利津水文站19512016年实测资料；黄河三角洲保护区降水数据采用刁口站、垦利站和友林站3个气象站点的实测数据5。3研究方法3.1国内外生态需水量研究进展国内外河道内生态需水的计算方法主要有水文学法、水力学法、生物栖息地模拟法、整体法等6。湖泊生态需水量的计算方法有水量平衡法、环境稀释水量法及最小水位法7。卞戈亚等1综述了植被、河流及景观娱乐生态需水量的计算方法。常用计算方法有面积定额法、间接计算法，基于遥感和GIS技术研究方法。但计算方法仅搭建理论框架、实际实施困难及缺少大量实验数据的问题、为后续的研究工作提出建议：针对不同区域考虑生态需水研究的侧重点，大量开展试验研究工作2。3.2研究区生态需水量计算方法对于本研究区生态需水量的计算，把握的核心为分析该地区湿地生态系统的主要结构，应当明确对于当地生态起关键作用的指示性生物物种，要确定湿地指示性植物关键区域，通过地理信息系统技术对湿地植物的生境适宜性进行分析。并且明确指示性湿地植物存在的临界地表和地下水位8。根据文献 5 结合黄河三角洲主要植被的需水规律及黄河三角洲指示鸟类东方白鹳需水规律考虑芦苇的适宜水深，将0.1 m作为芦苇湿地生境需水的基本目标、0.3 m作为芦苇湿地生境需水的中级目标、0.5 m作为芦苇湿地生境需水的高级目标。以3种不同的生态目标分别计算与预测2022年、2030年保护区在湿润、正常、干旱年的生态需水量。生态需水量=生态耗水量+生境蓄存水量（1）根据研究区典型年的逐月降雨量及蒸发量月特征，结合每月作物生育期需水要求，测算2022年保护区在湿润、正常、干旱水年的生态耗水月过程；然后在现状年基础上预测远期2030年的生态耗水规模。采用水量平衡方法计算湿地及林地的生态耗水量：Ww=Fw（Ew-PW）+Fwp（Tw-PW）+GW（Fw+Fwp）（2）Wf=Ff（Ef-Pf）+Ffp（Tf-Pf）+Gf（Ff+Ffp）（3）式中：Ww为湿地生态耗水量；Fw为湿地水面面积；Fwp为湿地植被面积；Pw为湿地降雨量；Ew为湿地水面蒸发耗水量；Tw为湿地植物蒸散发耗水量；Gw为湿地土壤渗漏耗水量；Wf为林地生态耗水量；Ff为林地空地面积；Ffp为林地植被面积；Pf为林地降雨量；Ef为林地土壤蒸发耗水量；Tf为林地植物蒸散发耗水量；Gf为林地土壤渗漏耗水量。生境需水量（EWRs）为维持生态环境健康状态需水量，采用水量平衡法计算其生态需水量，一般通过生态水位法确定其最小和适宜水位，然后采用最小和适宜水深与水面面积的乘积得到维持一定生境的最小和适宜生态需水量。其计算公式为EWRs=i=1nS0hi（4）式中：S0为某一模拟水位对应的水深分布每个斑块的面积；hi为第i个斑块对应的水深，i=1，2，n；n为斑块总数。4结果分析4.1生态耗水量计算结果不同生态目标下，2022年各月黄河三角洲自然保护区生态耗水量如图1所示。黄河三角洲湿地的水分补给方式主要为降水补给，且春季时降雨量较小，蒸散量大于降雨量，且此阶段植物生长需水量大9。春季时各个配置单元的生态耗水量大。从3个片区逐月的生态耗水情况来看，不论是丰水年、平水年还是枯水年，生态耗水量主要集中在46月。其基本生态目标下 2022 年黄河口管理站生态耗水量在湿润、正常、干旱水平年情景和中分别为6 458.4万、7 839.7万、46人 民 黄 河2023年S1（下转第119页）9 487.3万m3；大汶流管理站生态耗水量在湿润、正常、干旱水平年情景和中分别为8 362.4万、9 543.1万、11 630.6万m3；一2 0001 5001 0005000-500一月二月三月 四月 五月 六月七月八月九月十月十 一 月十 二 月时间黄河口大汶流一千二生态耗水量/万m3（a）基本生态目标典型湿润年2 0001 5001 0005000-500一月二月三月 四月 五月 六月七月八月九月十月十 一 月十 二 月时间黄河口大汶流一千二生态耗水量/万m3（b）基本生态目标典型正常年2 5002 0001 5001 0005000一月二月三月 四月 五月 六月七月八月九月十月十 一 月十 二 月时间黄河口大汶流一千二生态耗水量/万m3（c）基本生态目标典型干旱年2 0001 5001 0005000-500一月二月三月 四月 五月 六月七月八月九月十月十 一 月十 二 月时间黄河口大汶流一千二生态耗水量/万m3（d）中级生态目标典型湿润年（e）中级生态目标典型正常年（f）中级生态目标典型干旱年2 5002 0001 5001 0005 000-500一月二月三月 四月 五月 六月七月八月九月十月十 一 月十 二 月时间黄河口大汶流一千二生态耗水量/万m32 5002 0001 5001 0005000一月二月三月 四月 五月 六月七月八月九月十月十 一 月十 二 月时间黄河口大汶流一千二生态耗水量/万m32 5002 0001 5001 0005000-500一月二月三月 四月 五月 六月七月八月九月十月十 一 月十 二 月时间黄河口大汶流一千二生态耗水量/万m3（g）高级生态目标典型湿润年2 5002 0001 5001 0005000-500一月二月三月 四月 五月 六月七月八月九月十月十 一 月十 二 月时间黄河口大汶流一千二生态耗水量/万m3（h）高级生态目标典型正常年2 5002 0001 5001 0005000一月二月三月 四月 五月 六月七月八月九月十月十 一 月十 二 月时间黄河口大汶流一千二生态耗水量/万m3（i）高级生态目标典型干旱年图12022年各生态目标下年生态耗水量时空过程2 5002 0001 5001 0005000-500一月二月三月 四月 五月 六月七月八月九月十月十 一 月十 二 月时间黄河口大汶流一千二生态耗水量/万m3（a）基本生态目标典型湿润年4 0003 0002 0001 0000-1 000一月二月三月 四月 五月 六月七月八月九月十月十 一 月十 二 月时间黄河口大汶流一千二生态耗水量/万m3（b）基本生态目标典型正常年3 5003 0002 5002 0001 5001 0005000一月二月三月 四月 五月 六月七月八月九月十月十 一 月十 二 月时间黄河口大汶流一千二生态耗水量/万m3（c）基本生态目标典型干旱年3 0002 5002 0001 5001 0005000-500一月二月三月 四月 五月 六月七月八月九月十月十 一 月十 二 月时间黄河口大汶流一千二生态耗水量/万m3（d）中级生态目标典型湿润年一月二月三月 四月 五月 六月七月八月九月十月十 一 月十 二 月时间黄河口大汶流一千二生态耗水量/万m3（e）中级生态目标典型正常年4 0003 0002 0001 0000-1 000一月二月三月 四月 五月 六月七月八月九月十月十 一 月十 二 月时间黄河口大汶流一千二生态耗水量/万m3（f）中级生态目标典型干旱年3 5003 0002 5002 0001 5001 00050003 0002 5002 0001 5001 0005000-500一月二月三月 四月 五月 六月七月八月九月十月十 一 月十 二 月时间（g）高级生态目标典型湿润年一月二月三月 四月 五月 六月七月八月九月十月十 一 月十 二 月时间（i）高级生态目标典型干旱年黄河口大汶流一千二生态耗水量/万m3一月二月三月 四月 五月 六月七月八月九月十月十 一 月十 二 月时间黄河口大汶流一千二生态耗水量/万m3（h）高级生态目标典型正常年4 0003 0002 0001 0000-1 000黄河口大汶流一千二生态耗水量/万m34 0003 5003 0002 5002 0001 5001 0005000图22030年各生态目标下年生态耗水量时空过程 47人 民 黄 河2023年S1（上接第47页）千二管理站生态耗水量在湿润、正常、干旱水平年情景和中分别为3 063.8万、3 802.8万、4 886.3万m3。经过全面系统的恢复后，主要生态系统的面积进一步扩大，以保障三角洲保护区生物多样性为目标，规划并预测远期生态需水量。根据规划结果得到2030年各月黄河三角洲自然保护区生态耗水量时空过程见图2。经过预测得到，基本生态目标下2030年黄河三角洲各主要生态系统在湿润、正常、干旱水平年生态耗水总量分别为2.534亿、2.943亿、3.598亿m3。中级生态目标下，2030年黄河三角洲生态系统在湿润、正常、干旱水平年生态耗水总量分别为2.730亿、3.155亿、3.821亿m3。高级生态目标下，在湿润、正常、干旱水平年生态耗水总量分别为2.925亿、3.367亿、4.045亿m3。4.2生境蓄存水量计算结果通过计算可知，2030年黄河三角洲自然保护区的3个片区的生境蓄存水量相较于2022年有所增加。大汶流的生境蓄水量最高，一千二的生境蓄水量最少。在基本生态目标下，2022年自然保护区生境蓄存水量为9 826.30万m3，2030年规划年生境蓄存水量为12 552.10万m3；中级生态目标下，2022 年自然保护区生境蓄存水量为14 739.45万m3，2030年规划年生境蓄存水量为18 828.70万m3；高级生态目标下，2022年自然保护区生境蓄存水量为19 652.58万m3，2030年规划年生境蓄存水量为25 104.94万m3。4.3生态需水量计算结果2022年基本生态目标下，黄河三角洲年湿润、正常与干旱情景年生态需水总量27 578.3万、30 879.4万、35 698.0万m3；中级生态目标下黄河三角洲年湿润、正常与干旱情景年生态需水总量33 965.7万、37 397.8万、42 308.4万m3；高级生态目标下黄河三角洲2022规划年湿润、正常与干旱情景年生态需水总量39 328.8万、42 793.5万、47 747.6万m3。基本生态目标下，2030规划年湿润、正常与干旱情景生态需水总量37 650.2万、41 736.0万、48 284.1万m3；中级生态目标下黄河三角洲2030规划年湿润、正常与干旱情景生态需水总量45 755.3万、50 010.9万、56 671.4万m3；高级生态目标下黄河三角洲2030规划年湿润、正常与干旱情景生态需水总量53 860.5万、58 285.8万、65 058.7万m3。4.4结果分析结合生态耗水量及生境需水量计算结果，研究区内6月份生态需水总量最大。非汛期时各月份生态环境需水量变化不大，主要用于补充蒸发耗水。枯水年的生态需水量各月均高于平水年和丰水年，丰水年最低。研究区的3个片区中，大汶流片区的生态耗水量和生境蓄存水量最大，一千二片区生态耗水量和生境蓄存水量相对最小。2030规划年湿地面积在恢复和保护下继续扩大，鸟类栖息地适宜性指数增加，生境蓄存水量相应增加。在各个生态目标下，黄河三角洲自然保护区生态需水总量远大于2022现状年，这要求我们既要保护重要湿地，又要照顾到生态平衡，使有限的黄河水资源得到高效利用、区域生态保护与经济发展达到双赢，保护好各类型湿地的生态系统健康。5结语黄河三角洲自然保护区的生态需水用于该区域的生态服务功能，如供给功能、调节功能、支持功能及文化功能。植物蒸散需水量用以生物资源供给、大气调节及气候调节功能。水面蒸发水量、渗漏水量在维持湿地生态系统正常运行方面具有重要作用，是维持湿地生态系统完整性所必须补充的水量，能够起到调节气候的目的，因此对维持生态系统完整性功能及气候调节有支持作用。对生态需水量进行研究有利于改善黄河三角洲自然保护区的生态环境，保护生态系统的稳定性，同时能够促进黄河供水平衡的研究，为黄河沿岸水资源规划与配置奠定基础。参考文献：1 卞戈亚，周明耀，朱春龙.生态需水量计算方法研究现状及展望J.水资源保护，2003（6）：46-49.2 岳修鹏.黄河三角洲自然保护区柽柳林生物生态特征分析 J.现代园艺，2012（15）：6-7.3 李政海，王海梅，刘书润，等.黄河三角洲生物多样性分析 J.生态环境，2006，15（3）：577-582.4HE W J，CUI B S，HUA Y Y，et al.Assessment of ManagementEffectiveness for the National Nature Reserve in the Yellow RiverDelta J.Procedia Environmental Sciences，2012，13：2362-2373.5 中国水利水电科学研究院.山东黄河三角洲国家级自然保护区水资源配置与水系连通规划（20182030）R 济南：山东黄河三角洲国家级自然保护区管理局，2019：82-87,110-115.6 侯婷娟，高耶.资水河道内生态需水量研究 J.水文，2019，39（5）：40-44，60.7 马东方.三门峡库区湿地生态环境需水量估算及水资源利用效用评价 D.郑州：华北水利水电大学，2020：53-56.8 张祥伟.湿地生态需水量计算 J.水利规划与设计，2005（2）：13-19.9 奚歌，刘绍民，贾立.黄河三角洲湿地蒸散量与典型植被的生态需水量 J.生态学报，2008（11）：5356-5369.【责任编辑简群】4效益分析4.1经济效益对其在菏泽黄河堤坡草皮修剪作业进行统计分析，HJ3型悬挂式堤坡剪草机每台时可修剪草皮0.35 hm2，每台时消耗人工1工时、柴油6 L，设备维修保养费12.5元/台时。按人工费18元/工时、柴油单价6元/L，每台时需耗费资金66.5元，折合0.015元/m2，目前人工打草价格为0.07元/m2，机械作业与人工打草相比每平方米可节约资金0.055元。黄河菏泽段堤坡草皮面积895.47 hm2，每年修剪2次，机械作业比人工打草每年可节约资金98.50万元。4.2社会效益该项目主要是针对黄河下游堤坡草皮修剪研制的，研究课题符合黄河实际情况，该机作业效率高，实用性强，能够减小劳动强度和保证作业人员的人身安全，同时可以节约资金，研究成果也可在黄河中游和其他堤防等工程中直接应用，具有广泛的推广应用价值。5结语HJ3型悬挂式堤坡剪草机结构简单、操作机动灵活、堤坡作业适应性好、工作效率高、性能安全可靠，该机具有多种型号，能较好地满足不同场所工作要求，可广泛应用于防洪工程堤坝及其附属工程大型草皮的修剪，推广应用前景广阔。参考文献：1 傅美贞.牧草收割机械的现状和发展趋势 J.农机化研究，2009（6）：237-239.2 马晓春，于建国.我国牧草收割机的发展趋势 J.林业机械与木工设备，2005,33（6）：11-12.【责任编辑张华岩】119