張 蕊 ，嚴(yán)登華 ，羅先香 ，楊建強(qiáng) ，張 誠

（1.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，266100，青島；2.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心，266033，青島；3.中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，100038，北京）

一、河口濕地生態(tài)需水研究的基本框架

河口濕地生態(tài)需水為在特定的生態(tài)保護(hù)目標(biāo)下，維持河口濕地生態(tài)水文相互作用關(guān)系的淡水補(bǔ)給量。

基于這一概念，構(gòu)建了河口濕地生態(tài)需水研究的框架體系 （圖1），該框架主要包括三個方面的研究：一是生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的確定，確定生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)是進(jìn)行河口濕地生態(tài)需水量研究的基礎(chǔ)；二是水文與生態(tài)相互作用關(guān)系的研究，內(nèi)容包括濕地生態(tài)水文演變規(guī)律、濕地生態(tài)水文格局及濕地生態(tài)水文相互響應(yīng)，探討濕地水文與生態(tài)相互作用關(guān)系是進(jìn)行河口濕地生態(tài)需水量研究的核心；三是水資源配置方案的優(yōu)選，是在滿足變化環(huán)境下的河口濕地生態(tài)需水要求的基礎(chǔ)上選取最優(yōu)水資源配置方案，是濕地生態(tài)需水研究的目的。

1.研究基礎(chǔ)——合理的生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)

河口濕地生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)是河口濕地生態(tài)需水研究的基礎(chǔ)，需要確定合理的河口濕地生態(tài)用地和生態(tài)用水閾值范圍。生態(tài)用地范圍的確定需結(jié)合河口濕地現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果、歷史區(qū)域范圍資料以及未來期望范圍進(jìn)行綜合分析，生態(tài)用地范圍過小，不利于濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)，過大則影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此，要對現(xiàn)狀與歷史、自然與社會、生態(tài)與經(jīng)濟(jì)、理論與現(xiàn)實(shí)等多方矛盾進(jìn)行協(xié)調(diào)處理，力求使生態(tài)服務(wù)發(fā)揮最大價(jià)值。不同的生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)對應(yīng)的生態(tài)需水量不同，因?yàn)樯鷳B(tài)需水的年際變化、年內(nèi)變化以及不同生態(tài)目標(biāo)所對應(yīng)的生態(tài)需水量是不同的。生態(tài)需水的年際變化與徑流量有關(guān)，豐水年的生態(tài)需水量應(yīng)參考理想生態(tài)需水量，而枯水年的生態(tài)需水應(yīng)參考最小需水量。生態(tài)需水的年內(nèi)變化是對于汛期而言的，不同生態(tài)目標(biāo)是對于生態(tài)環(huán)境管理目標(biāo)而言，即多年平均年徑流量。因此，確定生態(tài)需水的生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)要針對特定生態(tài)目標(biāo)、特定水平年以及特定年內(nèi)季節(jié)進(jìn)行綜合考慮。

圖1 河口濕地生態(tài)需水研究基礎(chǔ)框架

2.研究核心——河口濕地水與生態(tài)相互作用關(guān)系

水分作為濕地生態(tài)系統(tǒng)最敏感的因子，其動態(tài)平衡使?jié)竦匦纬闪擞袆e于陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)的水文特征。濕地水文過程（降水、蒸發(fā)、滲漏、地下水補(bǔ)給、入流和出流）通過濕地水文要素，包括水位、淹水周期和淹水頻率來調(diào)節(jié)濕地植被、營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)出而影響著濕地微地貌的發(fā)育和演化，改變并決定了濕地下墊面性質(zhì)和特定的生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)。同時(shí)，濕地的植被群落特征、下墊面性質(zhì)和微地貌形態(tài)也影響著濕地的水文過程。濕地植被通過冠層截留、植被蒸騰蒸散等作用影響著濕地的水文過程要素，特別是降水的再分配過程，進(jìn)而影響濕地功能。濕地生態(tài)需水的研究正是基于水分與生態(tài)相互作用關(guān)系，分析維持生態(tài)系統(tǒng)的正常水文情勢所需要的水量。水分與生態(tài)相互作用的研究主要可以分為定性研究和定量研究，前者是對濕地生態(tài)需水機(jī)理層次的把握，后者則是濕地生態(tài)需水量計(jì)算的依據(jù)。

3.研究目的——河口濕地生態(tài)需水配置與調(diào)度

濕地生態(tài)需水研究的目的是確定合理的生態(tài)需水閾值，從而為流域水資源配置、保障濕地生態(tài)安全和補(bǔ)水方案確定服務(wù)，因此，濕地生態(tài)需水理論體系的根本目標(biāo)就是確立合理的補(bǔ)水方案。河口濕地生態(tài)需水補(bǔ)水方案需要在統(tǒng)籌水資源條件、水資源配置工程設(shè)施以及濕地生態(tài)保護(hù)需求的基礎(chǔ)上，建立河口濕地水資源反饋機(jī)制，對多種補(bǔ)水方案的可行性進(jìn)行分析、比較，從而篩選出最佳的補(bǔ)水量和補(bǔ)水途徑。

二、河口濕地生態(tài)需水研究的關(guān)鍵問題

濕地生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性增加了濕地生態(tài)需水量計(jì)算的難度，目前尚缺乏河口濕地生態(tài)需水量計(jì)算的專門研究，大多數(shù)學(xué)者是根據(jù)不同河口濕地具體情況運(yùn)用一般濕地生態(tài)需水常規(guī)方法（表1）計(jì)算濕地生態(tài)需水量。

對河口濕地而言，目前多采用生態(tài)功能法或是模型模擬法進(jìn)行生態(tài)需水量的研究。采用生態(tài)功能法計(jì)算河口濕地生態(tài)需水量時(shí)，增加了河口濕地防止岸線侵蝕及河口生態(tài)環(huán)境需水。張長春等結(jié)合遙感技術(shù)采用生態(tài)功能法對黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行了計(jì)算。趙欣勝等運(yùn)用科克蘭 (Cocnran)Q檢驗(yàn)法，將黃河流域濕地分為河道型、河濱型、河口型三類，利用生態(tài)功能法對河口型濕地（黃河三角洲濕地）的生態(tài)需水進(jìn)行了計(jì)算，提出了“濕地生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算時(shí)應(yīng)主要關(guān)注濕地消耗水量”的觀點(diǎn)。劉蕾在對東北地區(qū)典型濕地生態(tài)需水研究中提出了基于水循環(huán)的濕地生態(tài)需水研究方法，利用所構(gòu)建的水文模型對流域水循環(huán)過程進(jìn)行模擬，計(jì)算研究區(qū)生態(tài)需水量。無論采用功能法還是模擬法，都缺少濕地生態(tài)水文相互作用機(jī)理方面的研究，難以為不同補(bǔ)水措施方案的優(yōu)選提供理論依據(jù)。河口濕地生態(tài)水文法是基于水循環(huán)原理，探討生態(tài)水文相互作用關(guān)系，通過構(gòu)建生態(tài)水文模型，經(jīng)過模擬得到生態(tài)水文格局和演變規(guī)律的一種動態(tài)演繹方法，該方法不僅能再現(xiàn)歷史生態(tài)水文演變過程，同時(shí)還可以進(jìn)行不同情景條件下的生態(tài)水文響應(yīng)預(yù)測，可以為變化環(huán)境下河口濕地生態(tài)補(bǔ)水措施的優(yōu)選提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。該方法的關(guān)鍵問題主要涉及河口濕地生態(tài)需水量的整合計(jì)算，河口濕地生態(tài)水文模型的構(gòu)建，變化環(huán)境下河口濕地生態(tài)水文響應(yīng)，以及河口濕地生態(tài)水文指標(biāo)的選取等四個方面。的同時(shí)彌補(bǔ)不足，對于生態(tài)需水配置與調(diào)度方案的驗(yàn)證以及多種情景條件的分析都很有幫助。

表1 濕地生態(tài)需水常規(guī)計(jì)算方法

圖2 河口濕地生態(tài)需水量整合計(jì)算步驟

1.河口濕地生態(tài)需水整合計(jì)算

河口濕地生態(tài)需水計(jì)算具體步驟見圖2，首先基于生態(tài)法和水文法對河口濕地生態(tài)水文狀況進(jìn)行調(diào)查，收集相關(guān)資料，包括水文資料（降水、蒸發(fā)、徑流等）和生態(tài)資料（優(yōu)勢物種、生物量等），并結(jié)合現(xiàn)場觀測來確定河口濕地生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)，采用生態(tài)水文法定性分析河口濕地生態(tài)水文相互作用關(guān)系，為進(jìn)一步模型構(gòu)建提供依據(jù)。然后，通過生態(tài)水文模型模擬，定量研究河口濕地生態(tài)水文相互作用關(guān)系，確定河口濕地生態(tài)水文格局及其演變規(guī)律，并根據(jù)生態(tài)功能法進(jìn)行河口濕地生態(tài)需水量的計(jì)算。最后，依據(jù)變化環(huán)境下的河口水資源條件和水資源配置工程措施狀況，提出多種補(bǔ)水措施方案，利用模型進(jìn)行不同的情景模擬，以生態(tài)服務(wù)功能為指標(biāo)，評價(jià)不同補(bǔ)水方案下的生態(tài)效應(yīng)，篩選出最佳補(bǔ)水方案，完成生態(tài)需水的計(jì)算，進(jìn)入水資源配置階段。該方法涉及水文法、生態(tài)功能法、水量平衡法以及模擬法等多種方法，是普通濕地生態(tài)需水計(jì)算方法的集成，發(fā)揮各方法優(yōu)點(diǎn)

2.構(gòu)建河口濕地生態(tài)水文模型

目前，用于河口生態(tài)水文研究的模型有很多，比如用于分析河口水動力變化對生物影響的珊瑚礁模型，分析河口動植物間捕食關(guān)系的食物網(wǎng)模型，以及河口富營養(yǎng)化過程中溶解氧消耗的工程模型和潮汐模型等，大多基于海洋水動力和生物間相互作用關(guān)系而建立，側(cè)重于海洋動力方面，并不適用于研究水分與植被相互作用關(guān)系，故不能用于河口濕地生態(tài)需水的研究，因此必須建立針對河口濕地生態(tài)需水研究的生態(tài)水文模型。然而，構(gòu)建河口濕地生態(tài)水文模型存在諸多難點(diǎn)：首先是濕地范圍的確定問題，由于濕地并不像流域是一相對獨(dú)立的封閉系統(tǒng)，因此無法去監(jiān)測濕地內(nèi)部的降水徑流形成量，如何確定合適的濕地邊界是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)問題；其次是生態(tài)水文耦合模型構(gòu)建問題，當(dāng)前濕地生態(tài)水文模擬研究尚處于初級階段，一方面對于濕地生態(tài)水文過程的相互作用深層次的機(jī)理把握不足，另一方面濕地生態(tài)水文耦合模型的建模多處于分離模擬、松散耦合階段，而要針對更加復(fù)雜的河口濕地系統(tǒng)來建立這樣的模型，難度更大；再者是模型數(shù)據(jù)不足問題，模型輸入數(shù)據(jù)不但需要長序列的水文歷史資料，還需要大范圍高精度的土地利用、植被覆蓋、人口、工業(yè)和其他社會發(fā)展信息，高精度數(shù)據(jù)庫的建立對于模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度至關(guān)重要。

（1）流域尺度下的河口濕地生態(tài)需水研究

河口濕地同時(shí)受陸域河流和海洋潮汐雙重作用影響，流域范圍的人類生產(chǎn)生活用水?dāng)D占生態(tài)用水，直接導(dǎo)致河流徑流量降低，當(dāng)海洋咸潮上涌時(shí)，感潮河段延長，加重濕地土壤鹽漬化。流域范圍的人類活動是造成河口濕地生態(tài)用水不足、濕地土壤鹽漬化的直接原因，海洋潮汐作用間接加重了這種影響的程度，因此從問題導(dǎo)向的角度出發(fā)，優(yōu)先考慮陸域水資源變化對河口濕地生態(tài)需水的影響，重點(diǎn)研究流域水資源優(yōu)化配置方案，是保障河口濕地生態(tài)需水、維持濕地生態(tài)環(huán)境安全的關(guān)鍵。針對流域水資源問題，考慮將河口濕地納入整個流域范圍加以研究，一方面有助于合理確定河口濕地的生態(tài)用地范圍，解決濕地邊界不易劃分的問題；另一方面有助于流域水資源配置管理方案的設(shè)定，通過運(yùn)用當(dāng)前發(fā)展相對成熟的流域生態(tài)水文的相關(guān)研究成果，分析河口濕地生態(tài)水文問題，為探究河口濕地生態(tài)水文演變過程和規(guī)律，確定合理生態(tài)需水量閾值提供新途徑。

（2）河口濕地生態(tài)水文耦合模型的構(gòu)建

目前濕地生態(tài)水文模型構(gòu)建尚處于初級階段，耦合模型多屬單項(xiàng)傳遞，松散耦合，對于生態(tài)水文機(jī)理研究明顯不足，難以滿足研究需求。

要建立具有統(tǒng)一物理機(jī)制的河口濕地生態(tài)水文耦合模擬模型，一方面需要將濕地納入流域尺度的研究范圍，充分發(fā)揮流域分布式水文模型對于水文過程的物理性研究優(yōu)勢；另一方面基于各生態(tài)、水文模型多采用模塊化處理方法，可以從濕地生態(tài)水文學(xué)的角度出發(fā)，依據(jù)濕地生態(tài)水文相互作用關(guān)系，選取不同生態(tài)、水文模塊，進(jìn)行合理的時(shí)空尺度嵌套，輸入?yún)?shù)和模擬過程要素的雙統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)濕地生態(tài)水文基于過程機(jī)理性描述的雙向緊密式耦合模擬平臺的建立，如圖3所示。

圖3 生態(tài)水文耦合模型

（3）基于3S的模型輸入數(shù)據(jù)庫的建立

濕地研究工作的關(guān)鍵在于定量化獲取和分析濕地時(shí)空信息，以3S技術(shù)為代表的現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展，為濕地生態(tài)需水研究提供了新的方法和手段。利用3S技術(shù)進(jìn)行濕地資源調(diào)查可以克服傳統(tǒng)的野外采樣覆蓋范圍小、耗時(shí)長、對濕地有破壞性等特點(diǎn)，因此在區(qū)域資源環(huán)境研究方面具有巨大潛力。張長春等為了得到三角洲保護(hù)區(qū)內(nèi)植被不再惡化的最小需水量，利用遙感技術(shù)重點(diǎn)對黃河三角洲1990—1997年區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)需水量中的蒸散量進(jìn)行了計(jì)算。河口濕地研究數(shù)據(jù)具有多測點(diǎn)、多時(shí)相和動態(tài)變化的特點(diǎn)，因此，要針對其特點(diǎn)，充分利用3S技術(shù)，建立濱海濕地信息系統(tǒng)，將GIS數(shù)據(jù)庫中的信息用于濕地生態(tài)水文模擬平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，能夠更好地為探索河口濕地生態(tài)水文格局、研究生態(tài)需水量服務(wù)。

3.變化環(huán)境下的河口濕地生態(tài)需水響應(yīng)

在自然和人為因素影響下，河口濕地生態(tài)需水也隨之發(fā)生變化，考慮變化環(huán)境下（包括全球氣候變化和人類活動影響）河口濕地生態(tài)需水變化，可以為河口地區(qū)水資源合理配置提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)，這一命題也將成為河口濕地生態(tài)需水研究前沿問題。

（1）全球氣候變化下的河口濕地生態(tài)水文響應(yīng)

全球氣候變化下，海平面上升、降水量發(fā)生改變，影響河口濕地生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)過程，水鹽平衡被打破，造成濕地水量供需不平衡，濕地生物物種演替，濕地面積萎縮；氣候變暖通過減少水供應(yīng)和增加水需求改變水分的收支平衡；降水是維持水量補(bǔ)給和水位環(huán)境的關(guān)鍵因素，降水量增加或減少都會影響濕地生態(tài)系統(tǒng)水量平衡過程，改變濕地水文周期。根據(jù)不同氣候要素改變值，利用模型進(jìn)行不同情景模擬，可以充分展示全球氣候變化下濕地生態(tài)水文的動態(tài)演變規(guī)律，預(yù)測未來氣候變化對河口濕地生態(tài)需水的影響，確定濕地在氣候變化下的生態(tài)需水閾值，為河口濕地水資源配置提供理論依據(jù)。

（2）人類活動影響下的河口濕地生態(tài)水文響應(yīng)

人類活動對濕地生態(tài)水文的影響主要表現(xiàn)在水利工程（水庫、堤壩、排水渠）修建、濕地圍墾、城市化進(jìn)程以及水資源開發(fā)利用等。水利工程的修建會隔斷濕地與周圍環(huán)境之間的水力聯(lián)系，影響濕地水文格局，減少濕地入流量，降低濕地水位，延長濕地淹水周期；濕地圍墾侵占大片濕地，造成濕地面積萎縮，影響河口濕地水質(zhì)，引起近海水域的富營養(yǎng)化；城市化進(jìn)程改變徑流、水文周期和水質(zhì)等要素，從而影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。美國科羅拉多河上修建的大型水庫群，使入海徑流減少90%，造成沼澤地干枯、水質(zhì)惡化、珍稀海洋物種瀕臨死亡。水資源開發(fā)利用一方面減少了濕地補(bǔ)水源，另一方面降低了地下水水位，易形成地下水漏斗，影響地下水對濕地的補(bǔ)給，從而影響濕地水文過程，造成濕地退化。

對變化環(huán)境下的河口濕地生態(tài)需水響應(yīng)的研究，需要從兩者相互作用關(guān)系的機(jī)理出發(fā)，通過不同情景模擬，進(jìn)行定量的預(yù)測和分析，以檢驗(yàn)不同補(bǔ)水措施下的生態(tài)水文演變趨勢和格局變化情況，從而為河口濕地生態(tài)需水量計(jì)算提供理論基礎(chǔ)。

三、結(jié) 語

在全球氣候變化和人類活動影響下，河口濕地生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)淡水資源不足，導(dǎo)致河口濕地結(jié)構(gòu)功能發(fā)生改變，濕地退化，嚴(yán)重制約河口地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。針對河口濕地生態(tài)需水研究現(xiàn)狀，需要構(gòu)建河口濕地生態(tài)需水研究理論框架，就必須制定合理的生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)，明晰河口濕地生態(tài)水文相互關(guān)系以及水資源配置的問題。常規(guī)濕地生態(tài)需水計(jì)算方法已遠(yuǎn)不能滿足河口濕地生態(tài)需水計(jì)算的需要，應(yīng)考慮一種基于河口濕地生態(tài)水文模擬的河口濕地生態(tài)需水計(jì)算新方法，將河口濕地納入流域尺度范圍加以考慮，通過構(gòu)建統(tǒng)一于物理機(jī)理下生態(tài)水文耦合模型，基于3S的模型輸入文件數(shù)據(jù)庫整備，研究變化環(huán)境下河口濕地生態(tài)需水響應(yīng)，為河口濕地生態(tài)系統(tǒng)水資源配置提供依據(jù)，從而保障河口生態(tài)系統(tǒng)健康、穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。

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