黃河河口生態(tài)系統(tǒng)需水量分析

李國英，盛連喜

（1.東北師范大學城市與環(huán)境科學學院，吉林 長春 130024；

2.黃河水利委員會，河南 鄭州 450004）

黃河河口生態(tài)系統(tǒng)需水量分析

李國英1，2，盛連喜1

（1.東北師范大學城市與環(huán)境科學學院，吉林 長春 130024；

2.黃河水利委員會，河南 鄭州 450004）

根據(jù)黃河河口生態(tài)系統(tǒng)的特征，基于鳥類棲息地和生物多樣性保護、環(huán)境凈化、地下水補充、鹽水入侵防制以及蓄洪等因素，對其生態(tài)需水量進行了研究，并對防止海水入侵的淡水補給量、維持生物生長環(huán)境的淡水補給量、保持河口濕地合理水面面積及水深的淡水補給量、水循環(huán)消耗需水量和補給地下水需水量進行了分析計算.通過對上述5個方面需水量及其需水過程的耦合，得到黃河河口生態(tài)系統(tǒng)年平均需水量為78.21億m3，最小月平均需水流量210m3／s（12月），最大月平均需水流量329m3／s（6月）.

黃河河口；生態(tài)需水量；生物多樣性；棲息地

迄今為止，國內外對河口生態(tài)需水量尚未形成公認的、統(tǒng)一的概念與定義.美國得克薩斯州的水法中將河口生態(tài)需水量定義為：“在一個河口所接收的水量要能保證足夠的鹽度、營養(yǎng)物質以及沉積物，從而使河口系統(tǒng)保持其重要的生產能力，并且滿足在生態(tài)和經濟上都具有重要意義的魚類、甲殼類動物以及它們所依賴的魚類的生存需要”.

國內學者對于生態(tài)需水量的定義從不同角度形成了不同的理解.楊志峰、劉靜玲等認為：河口生態(tài)需水量首先包括水循環(huán)及生物循環(huán)消耗的水量，同時在滿足河口濕地水深及水面面積的基礎上，為保持河口淡水、鹽水混合的基本特點，還需保持一定水量的徑流淡水輸入，以實現(xiàn)河口生態(tài)系統(tǒng)鹽度平衡［1］.王西琴認為：廣義的河口生態(tài)需水量指維持河口生態(tài)系統(tǒng)平衡所需要的水量，即河口生態(tài)系統(tǒng)儲水、植物自身需水、蒸散發(fā)所需補水等；狹義的河口生態(tài)需水量是指為保持河口一定的生態(tài)目標所需的淡水輸入量［2］.郝伏勤、黃錦輝等認為：河口生態(tài)需水量主要包括三角洲濕地生態(tài)環(huán)境需水量、河口近海生物需水量、河流海洋洄游性魚類最小需水量、河口景觀環(huán)境需水量等部分［3］.王新功、王瑞玲等認為：河口生態(tài)需水量是指維持河口濕地生態(tài)系統(tǒng)平衡和正常發(fā)展，保障河口濕地生態(tài)系統(tǒng)的基本生態(tài)功能正常發(fā)揮所需的水量［4］.

我們認為，河口生態(tài)需水量是在特定時間和空間為滿足特定服務目標的變量，是河口生態(tài)系統(tǒng)中客觀存在的水量，它隨著河口生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展而呈動態(tài)性變化.換言之，河口生態(tài)需水量是指維持河口生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能正常發(fā)揮的淡水補給量.

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河三角洲國家級自然保護區(qū)，地理位置為 E118°10′～E119°15′，N37°15′～N38°10′（見圖1）.黃河三角洲涉及山東省東營市大部分地區(qū)和濱州市少部分地區(qū).在黃河獨特水沙條件和渤海弱潮動力環(huán)境的共同作用下，黃河三角洲形成了我國暖溫帶最廣闊、最完整的原生濕地生態(tài)系統(tǒng)，濕地面積廣闊，濕地類型多樣.本區(qū)多年平均氣溫12.3℃，年平均降水量561.6mm，年內降雨多集中在6—9月，多年平均水面蒸發(fā)量為1 167.2mm.

2 黃河河口生態(tài)需水量的識別

根據(jù)河口生態(tài)系統(tǒng)特征、功能及生態(tài)需水量要求對象的不同，認為黃河河口生態(tài)需水應滿足以下幾個方面的需求：防止海水入侵的淡水補給量、維持生物生長環(huán)境的淡水補給量、保持河口濕地合理水面面積及水深的淡水補給量、水循環(huán)消耗需水量、補給地下水需水量.

2.1 防止海水入侵的淡水補給量

在入?？诤铀c海水交匯時，由于海水密度較大，海水便以鹽水楔方式上溯前進.密度大的海水從底部向上游潛入，鹽水楔的推進距離隨河流徑流量、水深和鹽淡水密度差而變化.徑流量減小、水深增大以及鹽淡水密度差增加，均可使入侵距離增大.當密度較小的河水在海水上層下泄時，由于鹽淡水之間的交界面的摩擦作用，使鹽水楔靠近交界面的部分鹽分被挾帶下泄.為了維持水體的連續(xù)性，需要不斷地給下層補償海水，因此出現(xiàn)近底層為上溯流，其上為下泄流，中間流速為零的界面，從而產生密度環(huán)流（見圖2）.

圖1 黃河三角洲位置圖

圖2 河口鹽水楔示意圖

鹽水密度環(huán)流加大了底部漲潮流速，減小了落潮底部流速，從而阻止河流底部泥沙向外海排泄，加強了河口外泥沙向內轉移，使河口地區(qū)產生淤積.通常認為鹽水楔是形成河口攔門沙的主要原因之一［5］.從防止海水上溯入侵和有利于扼制在河道內形成攔門沙的角度分析，河口應保持一定的淡水入海水量.

2.2 維持生物生長環(huán)境的淡水補給量

河口的鹽度環(huán)境或結構直接影響根生和無根生有機體的分布，同樣也影響移動有機體的分布.維持河口水域合理鹽度是河口生物棲息地對淡水補給的基本需求.許多河口有機體在其不同的生活生長階段都有特殊的鹽度需求.河口近岸海域的低鹽度區(qū)域是幼魚和無脊椎動物的育苗場，還是洄游魚類重要的產卵場，鹽度升高，會破壞它們的棲息地和產卵環(huán)境.

黃河口及其附近海域的魚類約有80余種，全年以暖溫性種群居多，其生物學特點主要取決于種群的適應性和環(huán)境的變化，其數(shù)量分布與海水的溫度、鹽度關系密切.不同的物種對最適宜生活的海水溫度有不同的需求.此外，鹽度和其他的動力學特性也決定一個河口地區(qū)棲息地的適宜性，研究表明，4—6月份是魚蝦產卵、孵化的高峰季節(jié)，此間的鹽度要求對其產卵、孵化具有重要意義，海水的適宜鹽度應為2.3%～2.7%［6］.

2.3 保持河口濕地合理水面面積及水深的淡水補給量

黃河河口濕地是形成較晚的新生濕地生態(tài)系統(tǒng)，其主要生態(tài)功能是作為珍稀鳥類的棲息地、繁殖地和遷徙地；凈化環(huán)境，提高環(huán)境質量；補充地下水等，因此，其生態(tài)需水量應包括濕地植被生長需水、濕地土壤需水、野生生物棲息地需水、補給地下水需水這幾個方面.而上述諸方面的需水量則要求河口濕地須維持合理的水面面積及水深.

黃河河口濕地的優(yōu)勢植被群落為翅堿蓬（Suaedasalasa）、檉柳（Tamarixramosissima）、杞柳（Salixintegra）、白茅（Imperatacylindrical）、蘆葦（Phragmitesaustralis）等，植物種類多樣，其中有個別物種是占絕對優(yōu)勢和對環(huán)境擾動比較敏感的生物物種，該生物物種可反映濕地生態(tài)系統(tǒng)的類型及其生物地球化學循環(huán)規(guī)律，如果濕地中該物種遭到擾動和破壞，那么預示該濕地生態(tài)系統(tǒng)將發(fā)生退化.根據(jù)野外采樣調查和遙感監(jiān)測，在黃河河口濕地中，蘆葦是河口濕地的絕對優(yōu)勢植物群落，是濕地初級生產力的主要生產者，在維系河口生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育和演替、構成河口生物多樣性和生態(tài)完整性方面具有不可替代的作用［6］.同時，蘆葦沼澤在凈化水質、降解河流污染物方面的功能也最強.在黃河河口濕地動物中，特別是黃河三角洲自然保護區(qū)內的國家一級保護鳥類中，丹頂鶴（Grusjaponensis）對棲息地巢穴選址、領地范圍都有非常挑剔的選擇，因此，丹頂鶴為黃河河口濕地中的關鍵保護物種.丹頂鶴營巢多選擇人煙稀少、周圍無較大障礙物的蘆葦沼澤，巢筑于地勢較高處（巢底到水面一般為10.4cm），使水不易浸入巢中，周圍有深水，可使魚、蝦等安全過冬，從而為幼鶴提供豐富的食物.選擇蘆葦沼澤，一方面便于掩護，另一方面枯蘆葦又是很好的筑巢材料［6］.因此，河口濕地植被生長需水和野生生物棲息地需水選擇蘆葦和丹頂鶴為重點考慮對象.

2.4 水循環(huán)消耗需水量

為了使河口濕地的生態(tài)功能得以有效發(fā)揮，或使河口濕地的生態(tài)系統(tǒng)得以健康運行，必須使河口濕地保持一定的水面面積和水深，而要在濕地中保持一定的水面面積和水深，就不可避免地要考慮在濕地范圍內發(fā)生的水面蒸發(fā)、植物蒸騰、蒸發(fā)和地下水的入滲.

濕地景觀與大氣界面是由濕地水體表面和植被植株表面構成的異質性界面，界面上有效的氣熱循環(huán)是保障濕地植被正常生長的基礎.一般濕地植物需水量包括植物同化過程耗水和植物體內包含的水分、蒸騰耗水、濕地植株表面蒸發(fā)耗水、土壤蒸發(fā)耗水.前兩部分是植物生理過程所必需的，稱為生理需水；后兩部分是植物生活環(huán)境條件形成中所必需的，稱為生態(tài)需水.其中蒸騰耗水和土壤蒸發(fā)是主要的耗水項目，占植物耗水量的99%［7］.

2.5 補給地下水需水量

濕地對地下水的補充功能是通過地下水入滲的途徑完成的，當水從濕地入滲到地下蓄水系統(tǒng)時，蓄水層的水就得到了補充，因此濕地成為補充地下水蓄水層的水源.濕地水源對地下水的入滲補充量取決于水位差、滲透距離、土壤層孔隙度及斷面大小［6］.

3 黃河河口生態(tài)需水量計算

3.1 防止海水入侵的淡水補給量

由于黃河水量年際、年內分配不均，洪枯流量變幅較大，亦即徑流強弱差別很大，因而鹽水楔上溯入侵河口的范圍差別較大.鹽度的平面分布，可以反映出黃河徑流對海區(qū)的影響.枯水季節(jié)，渤海大部分海區(qū)的鹽度在3.0%以上，極大值可達3.2%.2.9%等鹽度線在黃河口附近，表征了黃海高鹽水大量進入渤海的特征；而在黃河洪水季節(jié)，大量淡水入海時，2.9%等鹽度線往往位于沖淡水舌的最外圈，隨著海區(qū)淡水堆積量的增加，2.9%等鹽度線不斷向外擴張，朝海峽方向移動，呈現(xiàn)出黃河沖淡水影響范圍向外擴展的特征［8］（見圖3）.

圖3 黃河口附近海域2.9%等鹽度線的月變化

從圖3可以看出，每年3—4月，黃河口附近海域2.9%等鹽度線距黃河口最近，一般可移動至黃河三角洲岸邊20～30km處.因此，防止海水入侵的淡水補給量確定應主要考慮3－4月的需要.據(jù)實測資料，當3—4月黃河入海流量為100m3／s時，高潮時的鹽水楔進入口門內河道6km；而當入海流量為120m3／s時，高潮時的鹽水楔進入口門內河道不超過5km，此范圍內是黃河口咸淡水混合區(qū)，河口濕地生物生長環(huán)境要求海水入侵不得越過5km范圍線，因此，防止海水入侵的淡水補給量以控制3—4月入海流量不低于120m3／s為準，折合年徑流量為37.84億m3.

3.2 維持生物生長環(huán)境的淡水補給量

生物生長，特別是河口地區(qū)洄游性魚類對棲息地的要求，主要體現(xiàn)在溫度、鹽度及營養(yǎng)物分布等指標上，其中，保持河口鹽度平衡需水是保持河口地區(qū)合理的鹽度梯度、為洄游性魚類提供理想棲息地的首要條件.

河口鹽度平衡，決定于河口淡水徑流的輸入.楊志峰、劉靜玲等采用簡化的箱式模型建立了河道流量與河口鹽度的關系［1］，即

式中：S為瞬時鹽度（kg／L）；ΔQ為計算期內河道淡水輸水量（m3／s）；S0為河道徑流鹽度（kg／L）；Se為前時間步河口水體鹽度（kg／L）；Ss為河口外海洋水體鹽度（kg／L）；V1為河口體積（m3）；Vk1為海洋流向河口的水體體積（m3）；V1k為河口流向海洋的水體體積（m3）；ΔVk1為計算時段內從海洋流向河口的水量（m3）；ΔV1k為計算時段內從河口流向海洋的水量（m3）.

式中：A0為從河流進口段至口外海濱段的咸淡水交界的水域面積；He為河口外邊界處平均水深.

黃河口自低潮水邊線以下至水深12m左右為三角洲前緣及前三角洲，淺海面積為313km2，根據(jù)黃河口目標鹽度、外海鹽度，由式（4）計算得到黃河口年需水量為23.66億m3，其中春季5.63億m3，夏季7.14億m3，秋季5.63億m3，冬季5.26億m3（見表1）.將其轉換為流量，結果見表2.

表1 黃河口鹽度平衡需水計算

表2 黃河口鹽度平衡月平均流量m3／s

3.3 保持河口濕地合理水面面積及水深的淡水補給量

現(xiàn)狀情況下，黃河口濕地總面積為15.51萬hm2，所考慮的重點優(yōu)勢物種蘆葦?shù)男杷坑嬎悴捎萌缦鹿剑?/p>

式中：dwp為蘆葦需水量；A（t）為濕地植被面積；Em為蒸散發(fā)量；t為時間.

蒸散發(fā)量以蒸騰耗水和土壤蒸發(fā)水量的總和來代替，我們采用邵景力、崔亞莉等利用包氣帶水分運移數(shù)值模型計算出來的黃河口濕地蘆葦?shù)恼趄v耗水和土壤蒸發(fā)量數(shù)值（1 800mm）［9］.據(jù)式（5）計算得出黃河口濕地蘆葦生長期需水量約為9.83億m3（見表3）.

表3 蘆葦生長年需水量

蘆葦生長時間為3—10月，將其需水量9.83億m3折合至月平均流量，則3—10月每月平均流量約為46m3／s.

而丹頂鶴棲息地需水量可采用式（6）計算.

式中：Wq為棲息地需水量；At為濕地面積；Bt為水面面積百分比；Ht為水深.

根據(jù)式（6）計算得出丹頂鶴棲息地需水量為5.12億m3（見表4）.

表4 丹頂鶴棲息地需水量

據(jù)調查，每年經過河口濕地的丹頂鶴數(shù)量在800只左右，其中約有200只左右在該地區(qū)過冬，若不考慮其他方面的需水，僅就丹頂鶴棲息地而言，將其需水量5.12億m3折合為冬季4個月（11月、12月、1月、2月）的月平均流量，則為49m3／s.

3.4 水循環(huán)消耗需水量

河口濕地水循環(huán)消耗需水主要表現(xiàn)為蒸發(fā)消耗需水，可采用式（7）計算.

式中：Wp為蒸發(fā)消耗需水（m3）；Ep為植被蒸散量（mm）；P為降雨量（mm）；AT為區(qū)域面積（m2）.

在河口濕地15.51萬hm2面積中，水域面積有11.06萬hm2，植被面積有6.53萬hm2，年均降水量550mm，年均蒸發(fā)量1 962mm，其年內分配見圖4.

圖4 黃河河口地區(qū)各月平均降水量和蒸發(fā)量

利用式（7）計算得出黃河河口濕地蒸發(fā)消耗需水總量為23.35億m3（見表5）.

表5 黃河河口濕地水循環(huán)消耗需水

將表5中23.35億m3的蒸發(fā)消耗需水總量按月進行分配，得出每月的流量值（見表6）.

表5 河口濕地蒸發(fā)消耗需水量（流量）月分配

3.5 補給地下水需水量

濕地補給地下水量可采用式（8）計算.假定補給地下水的濕地是有水面的部分濕地，無水面的濕地只有維持自身需水功能.

式中：Q為河道及水庫滲漏量，即當河道及水庫水位高出兩岸地下水位時，河水及水庫蓄水滲漏補給地下水；K為斷面位置的滲透系數(shù)；I為垂直于斷面的水力坡度；A為斷面面積；t為河段補給時間.

據(jù)式（8）計算出河口濕地補給地下水量為7.19億m3，折合平均流量為23m3／s.

綜合考慮以上河口防止海水入侵的淡水補給量、維持生物生長環(huán)境的淡水補給量、保持河口濕地合理水面面積及水深的淡水補給量、水循環(huán)消耗需水量、補給地下水需水量等，得到黃河河口生態(tài)系統(tǒng)需水量為78.21億m3，不同月份的分配量見表7.

表7 黃河河口生態(tài)系統(tǒng)需水量 m3／s

4 結論與討論

本研究根據(jù)黃河河口生態(tài)系統(tǒng)的組成，綜合考慮黃河河口地區(qū)生態(tài)現(xiàn)狀及黃河水資源支撐能力等因素，重點識別了黃河河口生態(tài)需水的5大方面并對各個方面需水量進行了計算，最后綜合得出黃河河口生態(tài)需水量及最小月和最大月需保證的水流量.

結果表明：為防止海水入侵，淡水補給量折合年徑流量需達到37.84億m3，主要控制3—4月入海流量不低于120m3／s.為維持生物生長，黃河口年需水量為23.66億m3（其中春季5.63億m3，夏季7.14億m3，秋季5.63億m3，冬季5.26億m3）.為保持黃河河口濕地合理的水面積和水深，考慮了2個因素，一個為蘆葦，第二個為丹頂鶴.蘆葦生長時間為3—10月，計算出其年需水量為9.83億m3，折合至月平均流量為46m3／s；就丹頂鶴棲息地而言，其需水量計算結果為5.12億m3，折合為冬季4個月（11月、12月、1月、2月）的月平均流量為49m3／s.黃河河口濕地水循環(huán)消耗水量主要為蒸發(fā)消耗，其年平均蒸發(fā)消耗需水總量為23.35億m3.河口濕地補給地下水量折合平均流量為23m3／s，總需水量為7.19億m3.綜合考慮以上河口防止海水入侵的淡水補給量、維持生物生長環(huán)境的淡水補給量、保持河口濕地合理水面面積及水深的淡水補給量、水循環(huán)消耗需水量、補給地下水需水量等，得出黃河河口生態(tài)系統(tǒng)需水量為78.21億 m3，最小月平均需水流量210m3／s（12月），最大月平均需水流量329m3／s（6月）.

河口生態(tài)需水是一個動態(tài)的過程，隨著生態(tài)系統(tǒng)保護目標、規(guī)模（如濕地保護規(guī)模）及人們對其生態(tài)功能要求的不同而發(fā)生變化，因此其不可能是一個較為固定的數(shù)值，而應該是具有一定的范圍［4］.本文的研究結果為黃河河口生態(tài)用水提供了明確的可操作的水資源生態(tài)配置目標，為黃河水量生態(tài)調度與進一步優(yōu)化水資源配置提供了一定的參考標準.但在實際水量調度中，需要考慮黃河進入河口地區(qū)水資源的實際情況和枯水年份（季節(jié)）的黃河水資源量.本研究主要考慮了5個方面的保護目標，實際上為了保證黃河河口濕地功能的正常發(fā)揮，其他一些方面必須加以考慮，比如還應該對為滿足水質功能要求的需水量進行分析計算、需要根據(jù)水功能區(qū)劃來確定需水量等.除此之外，由于目前關于河口生態(tài)系統(tǒng)結構與功能及其需水機理與規(guī)律的研究尚少，我們對其他一些需水量沒有考慮到，因此仍有很多問題如關鍵物種需水特性、生態(tài)水量配置所帶來的生境適宜性變化等等，還有待于今后的進一步研究.

［1］ 楊志峰，劉靜玲.流域生態(tài)需水規(guī)律［M］.北京：科學出版社，2006.

［2］ 王西琴.河流生態(tài)需水理論、方法與應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.

［3］ 郝伏勤，黃錦輝，李群.黃河干流生態(tài)環(huán)境需水研究［M］.鄭州：黃河水利出版社，2005.

［4］ 王新功，魏學平，韓艷麗，等.黃河河口生態(tài)保護目標及其生態(tài)需水研究［J］.水利科技與經濟，2009，15（9）：792-797.

［5］ 左東啟.中國水利百科全書·水力學、河流及海岸動力學分冊［M］.北京：中國水利出版社，2004.

［6］ 王新功，徐志偉，黃錦輝，等.黃河河口淡水濕地生態(tài)需水研究［J］.人民黃河，2007（7）：33-35.

［7］ 楊志峰，崔保山，劉靜玲，等.生態(tài)環(huán)境需水量理論、方法與實踐［M］.北京：科學出版社，2003.

［8］ 李澤剛.黃河近代河口演變基本規(guī)律與穩(wěn)定入海流路治理［M］.鄭州：黃河水利出版社，2006.

［9］ 邵景力，崔亞莉，張德強.基于包氣帶水分運移數(shù)值模型的黃河三角洲蒸發(fā)量研究［J］.地學前緣，2005，12（4）：95-100.

The study of ecological water requirements of Yellow River estuary

LI Guo-ying1，2，SHENG Lian-xi1
（1.College of Urban and Environmental Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；
2.Yellow River Conservancy Commission，Zhengzhou 450004，China）

Based on the analysis of structure and function of Yellow River estuary，and its present ecological situation and water resources of Yellow River，the ecological protection objectives of Yellow River estuary were recognized as follows：providing the habitats for birds，biodiversity protection，improve the quality of the environment，underground water complementarity，preventing the seawater inbreak and storing up floodwater.Then according to the main ecological units of Yellow River estuary and their function requirements，the ecological water requirement are calculate with different methods the results show the ecological water requirement is 78.21×108m3with minimum flow 210m3／s（December）and maximum flow 329m3／s（June）.

Yellow River estuary；ecological water requirements；biodiversity；habitat

P 343.5

170·5545

A

1000-1832（2011）03-0138-07

2010-12-22

國家水體污染控制與治理科技重大項目（2008ZX07207-009）.

李國英（1962—），男，博士研究生，教授級高級工程師，主要從事流域生態(tài)學研究；通訊作者：盛連喜（1952—），男，博士，教授，博士研究生導師，主要從事恢復生態(tài)學研究.

方 林）