蒯 洋，鄒 海，陳永春，安士凱，鄭劉根*

(1.安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

在資源枯竭礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)過程中，鑒于生態(tài)修復(fù)目標(biāo)的不同，提出人工濕地、地質(zhì)公園等修復(fù)方案[1-2]。其中采用人工濕地控制沉陷水域水質(zhì)具有低成本、高生態(tài)環(huán)境效益、易操作等特點(diǎn)[3-4]，建立濕地修復(fù)是通過對(duì)采礦沉陷區(qū)及礦坑積水區(qū)的綜合整治，營(yíng)造濕地的自然生態(tài)系統(tǒng)，具有消減污染、調(diào)節(jié)氣候、美化環(huán)境、維護(hù)生物多樣性保護(hù)且具有潛在的城市服務(wù)功能[5-6]。為維護(hù)大通濕地系統(tǒng)的穩(wěn)定需對(duì)濕地的水文過程展開進(jìn)一步研究，本文根據(jù)大通濕地的水文氣象特征，建立濕地水循環(huán)模型，分析濕地水文狀態(tài)指標(biāo)對(duì)地表徑流來水量變化的響應(yīng)，從而為濕地水資源綜合管理提供了支持。

1 研究區(qū)概況

大通濕地是在原大通煤礦開采地下煤炭資源而造成的地表沉陷坑基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展和演變而來的封閉型水域，促使陸生生態(tài)系統(tǒng)向水生生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，滿足濕地的水、土和植物特征，屬于濕地的范疇[7]。所在地位于淮河中游南岸，地形南高北低，高程30～200m，屬淮河沖積平原與江淮丘陵交接地帶，區(qū)域上地貌類型多樣，有丘陵、山前斜地、階地、崗地、漫灘等，本區(qū)處于亞熱帶與暖溫帶的過渡地帶，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。氣候溫和，日照充足，雨量適中，四季分明[8]。研究區(qū)地理位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

2 大通濕地水循環(huán)

2.1 濕地自然水循環(huán)要素特性分析

為了建立合理的大通濕地水循環(huán)模型，通過對(duì)濕地主要的自然水循環(huán)要素特性進(jìn)行分析與研究，由于大通濕地屬于封閉型濕地，因此水循環(huán)要素主要包括地表徑流來水量、地表徑流出水量、降雨量、蒸散發(fā)量、地表水補(bǔ)給地下水量、人工取水量。

由于濕地上游沒有水源的直接補(bǔ)給，所以濕地的來水量主要取決于大氣降水及來自于南邊舜耕山北坡、西部斜坡以及北側(cè)非采煤沉區(qū)坡地上降雨產(chǎn)生的匯水，并以地表徑流方式匯入濕地，濕地的來水量明顯表現(xiàn)出季節(jié)性特點(diǎn)，每年的6～8月份徑流量較大，12月至次年的2月份徑流量較小。由于大通煤礦屬傾斜或急傾斜煤層開采，濕地區(qū)域?yàn)橐徊粚?duì)稱漏斗狀，且濕地四周發(fā)育有厚度15～25m的微-極微透水性粘土層，形成一相對(duì)獨(dú)立的封閉區(qū)域，因此濕地基本沒有地表水補(bǔ)給地下水的現(xiàn)象，其地表徑流出水量取決于濕地內(nèi)水面面積或水面高程。通過對(duì)淮南地區(qū)多年年蒸散發(fā)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)年蒸散發(fā)量為1 603mm，且年內(nèi)變化較大，主要集中在5～9月份，由于氣溫較高且植被處于生長(zhǎng)旺盛階段，約占全年蒸散量的60%，每年的12月和1月是全年蒸散量的最低時(shí)期。濕地周邊分布著少量的居民區(qū)，但濕地內(nèi)的水質(zhì)較差，導(dǎo)致人工取水量較少，可以不計(jì)入濕地的水循環(huán)過程。

2.2 人類活動(dòng)對(duì)濕地的影響

在濕地的東南側(cè)，有一家尚在生產(chǎn)開采的小煤井，小煤井的長(zhǎng)期開采并抽排地下水，使得該區(qū)域的地下水水位大幅度下降，且礦井水的排放給該地區(qū)地表水造成了相當(dāng)程度的污染，使得地表水水質(zhì)惡化。

研究區(qū)內(nèi)的部分區(qū)域由于人工溝渠或道路的隔斷使雨水及地表徑流流出，而不進(jìn)入濕地內(nèi)。此外有一人工取土坑，地勢(shì)較低，匯集了東北方向一片區(qū)域的雨水及地表徑流，且長(zhǎng)青煤井抽排地下水匯入其中，造成水面抬升，于是水流上溯，沿北部的人工水溝倒流進(jìn)入洞山公路旁的城市雨水收集管網(wǎng)。

由于化工廠產(chǎn)生的化工垃圾及居民區(qū)產(chǎn)生的生活垃圾，給濕地內(nèi)的地表水體造成了相當(dāng)程度的污染，使得濕地內(nèi)的水體水質(zhì)變差，生態(tài)環(huán)境惡化。

3 大通濕地水循環(huán)模型

3.1 水文狀態(tài)指標(biāo)的選取

濕地水文狀態(tài)是濕地各水文特征在某一時(shí)期的表征，狀態(tài)指標(biāo)主要包括濕地水深、水面面積、蓄水量、地下水位等。這里以濕地水面面積和蓄水量作為大通濕地的水文狀態(tài)指標(biāo)。濕地內(nèi)植被以蘆葦為主，蘆葦?shù)纳L(zhǎng)環(huán)境需要適當(dāng)?shù)乃婷娣e和水深。因此，選取濕地水面面積和蓄水量為本濕地典型的水文狀態(tài)指標(biāo)，研究濕地水文狀態(tài)指標(biāo)對(duì)濕地地表徑流入水量變化的響應(yīng)關(guān)系。

3.2 濕地水循環(huán)模型構(gòu)建

本文研究的一個(gè)重要目標(biāo)是濕地水面面積、蓄水量與濕地入流量之間的響應(yīng)關(guān)系。以大通采煤沉陷區(qū)封閉型濕地獨(dú)有的水量平衡方程為基礎(chǔ)，探討濕地水面面積和濕地入流量之間的關(guān)系式。

(1)水量平衡方程的建立?；谏鲜鰸竦氐乃h(huán)過程分析和所選取的濕地水文狀態(tài)指標(biāo)，得到如下的大通采煤沉陷區(qū)濕地的水量平衡方程

ΔV/Δt=Q+AP-AE-q

(1)

式中：ΔV/Δt為Δt時(shí)間內(nèi)濕地的蓄水量變化量為ΔV；Q為入流量(包括大氣降水，地表徑流)；A為濕地水面面積；P為降雨量；q為出流量；E為蒸散發(fā)量。

(2)水循環(huán)模型構(gòu)建及各參數(shù)分析。由上述公式可以得出濕地水面面積與濕地入流量關(guān)系方程，從而建立濕地水循環(huán)模型：

A=f(Q)=(ΔV-Q+q)/(P-E)

(2)

1) 地表徑流入流量?；茨洗笸竦亓饔蚍秶^小，且降雨與徑流關(guān)系密切，所降雨資料較全。雨水徑流量的計(jì)算在此采用徑流系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下

Q=C×P×F

(3)

式中：Q為徑流量，m3；C為年徑流系數(shù)；P為降雨量，mm；F為集水面積，m2。

2) 降雨量。降雨量數(shù)據(jù)采用2003～2012年共計(jì)10年的統(tǒng)計(jì)值，并用曲線擬合方法獲得降雨量P與時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系。

3 )蒸散發(fā)量。本文的蒸散發(fā)量數(shù)據(jù)采用多年的平均值1 603mm。

4) 蓄水量年際變化量。蓄水量年際變化量取2011～2013年的年際變化量的平均值，采用這三年的濕地水面面積、DEM高程，利用ArcGIS的3D分析工具進(jìn)行計(jì)算求出。

5) 出水量。出水量主要包括人工取水量和流入道取土坑的水量。由于這部分?jǐn)?shù)據(jù)難以準(zhǔn)確獲取，主要采用經(jīng)驗(yàn)估算值。

(3)模型參數(shù)標(biāo)定與檢驗(yàn)

1)地表徑流集水量參數(shù)標(biāo)定。利用徑流系數(shù)法，計(jì)算出2003～2012年間年地表徑流集水量，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 2003～2012年間年地表徑流集水量

由于2003年大通遭遇洪澇，而洪澇后的次年又遇大旱。這里以2003～2005年地表徑流量進(jìn)行二次曲線擬合，2006～2012年再進(jìn)行二次曲線擬合，擬合結(jié)果如圖2所示。

圖2 2003～2005年和2006～2012年地表徑流匯水量

2003～2005年地表徑流匯水量曲線的擬合方程為

y=2.94×104x2-1.0×108x+1.0×1011，

R2=1

(4)

2006～2012年地表徑流匯水量曲線的擬合方程為

y=-112.7x2+4.48×104x-4.0×108，

R2=0.889

(5)

式中：x(x=2006，2007，…，2012)，y為年徑流量。

擬合的Nash系數(shù)R2可達(dá)到要求，擬合效果較好。

2)降雨量參數(shù)標(biāo)定。以2003～2012年間年降雨量進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，2003～2012年間年降雨量數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 2003～2012年間年降雨量

這里采用分段擬合，對(duì)2003～2005年降雨量采用二次擬合，再對(duì)2005～2012年降雨量采用二次擬合。得到的擬合曲線如圖3所示。

圖3 2003～2005年和2005～2012年降雨量擬合曲線

2003～2005年和2005～2012年降雨量擬合的曲線方程分別為

y=369.15x2-1.0×106x+1.0×109

(6)

y=-4.46x2+1.79×104x-2.0×107

(7)

式中：x(x=2006，2007，…，2012)，y為年降雨量。

分段擬合的結(jié)果可以看出，Nash系數(shù)R2可達(dá)到要求，擬合效果較好。

考慮到淮南地區(qū)年內(nèi)各月降雨量分布極不均勻，明有明顯的波峰，7月份降雨量最多，12月份降雨量最少。以1～7月份進(jìn)行二次曲線擬合，7～12月份再進(jìn)行二次曲線擬合，擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 淮南地區(qū)多年1～7月和7～12平均降雨量擬合曲線

得到的1～7月和7～12月平均降雨量擬合方程分別為

y=6.631x2-26.36x+53.42，R2=0.936

(8)

y=7.589x2-173.4x+1.03×103，

R2=0.965

(9)

式中：x(x1，x2，…，x12)為月份，y為月平均降雨量。

從上面的擬合結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，擬合的Nash系數(shù)R2可達(dá)到要求，相關(guān)性好，擬合效果較好。

3)濕地蓄水量年際變化參數(shù)標(biāo)定。利用2010～2012年間濕地水面面積和DEM數(shù)據(jù)，利用GIS的3D分析工具，可以求出這3年內(nèi)濕地的蓄水量年際變化量ΔV，結(jié)果如表3所示。

表3 大通采煤沉陷區(qū)濕地2010～2012年蓄水量年際變化

(4)水面面積與蓄水量的檢驗(yàn)。濕地水面面積是水循環(huán)模型中一個(gè)重要的水循環(huán)要素，因此對(duì)濕地水面面積進(jìn)行檢驗(yàn)，以驗(yàn)證水循環(huán)模型的合理性。將各參數(shù)代入式(2)，計(jì)算出2013年濕地水面面積A=17 467m2，通過實(shí)地觀測(cè)得到相對(duì)的濕地水面面積A0=17 154m2。從模擬與觀測(cè)結(jié)果來看，濕地水面面積計(jì)算值與觀測(cè)值吻合較好。

(5)蓄水量對(duì)降雨及地表徑流量變化的響應(yīng)關(guān)系。大通采煤沉陷區(qū)濕地的主要特征是地表長(zhǎng)期或周期性的有水存在，濕地地表水特性(如水深、水面面積)是支撐濕地生態(tài)系統(tǒng)及其功能效益正常發(fā)揮的關(guān)鍵，濕地的生態(tài)系統(tǒng)隨著地表水的豐枯變化而發(fā)生波動(dòng)甚至演替。地表水的豐枯變化規(guī)律很大程度上取決于其水源的穩(wěn)定性。水源主要包括大氣降水和地表徑流。由于人類活動(dòng)和濕地周邊上資源的開發(fā)，濕地的自然豐枯規(guī)律可能產(chǎn)生變化，導(dǎo)致濕地的入流量減少，地下水水位下降，在濕地水量不斷減少的過程中，生物生境逐漸惡化，生態(tài)系統(tǒng)的生物完整性遭到破壞。

1)來水頻率的選取。濕地生態(tài)系統(tǒng)較適應(yīng)于高頻率的洪水，而特大洪水或特大干旱對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)來說往往意味著破壞，因此，最佳的濕地水文狀態(tài)是去除特大洪水年和特大干旱年之后的近自然狀態(tài)。這里考慮25%、50%、75%自然來水頻率下的上游來水徑流量。由于大通采煤沉陷區(qū)濕地的地表徑流量取決于降雨量，所以在此采用降雨量替代，然后通過徑流系數(shù)法將降雨量轉(zhuǎn)換徑流量。考慮到濕地往往具有多年調(diào)節(jié)特性，因此在選取各頻率典型年時(shí)盡量選取連續(xù)的系列。

據(jù)國(guó)內(nèi)研究成果，由于P-III型分布適應(yīng)性較強(qiáng)，認(rèn)為就我國(guó)情況而言，可以用P-III分布配合各種水文變量[9]。假定總體服從P-III型分布，經(jīng)過適線得到降水頻率分布曲線圖。適線選用的統(tǒng)計(jì)參數(shù)E(x)=919.36、Cv=0.25、Cs=0.67。從適線圖可確定豐水年、平水年和枯水年，相應(yīng)于概率P1=25%、P2=50%、P3=75%水平年的年降水量分別為1 057.35mm、893.87mm、753.66mm。

頻率25，50，75Hz時(shí)，徑流量分別為5.17×104m3,4.37×104m3,3.69×104m3。

2)濕地水面面積對(duì)徑流量變化的響應(yīng)關(guān)系。由水循環(huán)模型計(jì)算不同來水頻率下的水面面積。

頻率為25，50，75Hz時(shí)，水面面積分別為2.28×104m3，2.07×104m3,1.89×104m3。

4 結(jié)論

4.1 濕地蓄水量少的原因分析

1)濕地的來水量主要來源于南部和西部由大氣降水所形成的地表徑流量。來水頻率P=20%，年降雨量在1 050mm，濕地內(nèi)的水量近似處于平衡狀態(tài)。

2)研究區(qū)整體地形處于舜耕山的半包圍之中，地勢(shì)南高北低，西高東低，因此造成舜耕山北坡甚至是部分山脊線上的降雨產(chǎn)生的匯水，基本都以徑流的方式流入濕地內(nèi)。但是存在部分區(qū)域由于人工溝渠或道路的隔斷而使雨水及地表徑流修復(fù)區(qū)外流，未進(jìn)入濕地內(nèi)。

3)由于研究區(qū)地勢(shì)西南高，東北低，在濕地的東北部存在一個(gè)范圍較大的取土坑，與濕地形成了一個(gè)落差較大的階地，由于人為原因，在濕地的東北角形成了一個(gè)從濕地流向取土坑的明渠，使得濕地內(nèi)的水體流出到取土坑中。

4.2 水系修復(fù)對(duì)策與措施

1)由于濕地的來水量主要來源于舜耕山北坡甚至部分山脊線上的降雨產(chǎn)生的徑流集水量和西部坡地降雨產(chǎn)生的徑流集水量，在匯流面積難以增加的情況下，應(yīng)盡可能的改善徑流條件，使得由于降雨產(chǎn)生的地表徑流量能夠全部匯集到濕地內(nèi)。

2)大通濕地的降雨分布具有明顯的季節(jié)性特征，主要集中在6～8月份，約占全年降雨量的50%或以上。近幾年由于降雨量偏小，濕地的水面面積有逐年減少的趨勢(shì)，濕地內(nèi)的生物生境逐漸惡化，因此，為維護(hù)濕地生態(tài)系統(tǒng)及其功能效益得到發(fā)揮，最為有效的辦法是采用人工補(bǔ)水，具體補(bǔ)水量的大小建議以濕地水面面積不低于20 747m3為標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)水時(shí)機(jī)建議選擇在枯水季節(jié)，每年的9～10月份。

3)舜耕山北坡由于人工采石工業(yè)帶來的負(fù)面響應(yīng)，自然植被受到破壞，大量的基巖裸露，嚴(yán)重破壞了自然徑流狀態(tài)，使得有相當(dāng)?shù)慕邓驏|北方向徑流出濕地，最終進(jìn)入城市雨水收集管網(wǎng)，建議沿舜耕山北坡的公路下方修建引水溝，將雨水引入到濕地內(nèi)。

4)濕地的東北部一個(gè)范圍較大的取土坑，且與濕地形成了一個(gè)落差較大的階地，使得濕地內(nèi)的水體流出到取土坑中。為此，需要加固和加高堤壩，建議堤壩材料采用滲透性極低的粘性土質(zhì)，加固高度在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加0.5～0.8m為宜。

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