三门峡库区湿地生态需水量估算南水北调与水利科技.PDF

1、第13卷总第8（）期南水北调与水利科技 2015年1（）月第13卷第5期2015年10月南水北调与水利科技Soulhl疗 North Water Tmnsfers and Waler Science & TechnologyDOI: 10.13476/ki.nsbcfcik 2015.05.013 # 生态与环境三门峡库区湿地生态需水量估周维博二李跃鹏f王世岩1杨恒23（1.长安大学环境科学与工程学院西安710054:2.中国水利水电科学研究院水环境研究所.北京10007 & 3.华北水利水电大学资源与环境学院，郑州450045）摘要：基于2005年的水文和气線数摭及2005年2月、6

2、月、8月、11月四个不同时期的遥感影像解译数据。在三门 峡库区湿地分类的基础上,估算了 2005年年内湿地生态需水址变化悄况，并分析了不同类型湿地的生态需水量年 内变化规律，结果表明.2005年三门峡库区湿地辰小生态需水量约为83 M亿适宜生态需水虽约为144 07亿 m3理想生态需水量约为304 50亿I汩。其中多泥沙河流库区湿地生态需水垠重要的是输沙需水量,输沙需水址主 要集中在汛期的6月-10月，8月输沙需水报多，约为2& 27亿通过计算湿地生态需水址能为库区湿地生态 配水及湿地生态恢复提供基础数据。关键词:三门峡库区;湿地:生态需水虽：遥感中图分类号：P426文献标志码:A文章编号：1

3、672- 1683（2015）05 0877 06Estimation of ecological water demand in Sanmenxia reservoir wetlandZHOU WeTboLI Yue peng1 WANG Shtyan2, YANG Heng-3(1. School of Environment Science and Engineering, Cluing an University. Xi(ui 7 10054, China: 2 (Jiina Department ofWater Environment, lnstitiiic of Waler Rcs

4、ources and Hydropower Research Beijing 10007& China:3. North China University of Water Resource and Electric Power Zlicngz hou 450045.China)Abstract: Based on the hydrological and metewo logical data in 2005 and remote sensing image interpretation of four t ime periods (February, June, August, and N

5、ovember) in 2005 in Sanmenxia reservoir, variation of ecological water demand in the wetlantl in 2005 was esl imated according to the class if i rat ion of wetlands, aiul variation laws of ecological waler demand in different types of w rt lands were analyzed .The results showed that the minimum eco

6、logical water demand is 8 364 billion m? lhe suitable ear logical water demaiMl is 14 407 billion in3, and the ideal ecological w at er clem and is 30 45 billion W at er demand for sediment transport is the most important one of ecological water demand, and water demand for sediment transport was co

7、ncentrated in lhe fkxxl season from June to October w ith the max im uni in August of 2 527 billion n/. Calculation of ecological water demand in lhe wetland can provide lasic latase f()r erological water allocation and ecological restoration in Sanmenxia restrvoir wetland.Key words:Samnenxia reseno

8、ir; w H lanct emlogical wat er demand; remote sensing收稿日期：201牛02 08修回日期：20G0&09网络岀版时间:2015 09 24网络岀版地址：htlp:/www -nki. nrt/kems/detail/ 13. 1334. TV. 20150924. 21O&O33. html 基金项目：国家口然科学基金项目（51179207： 51209231）作者简介：周维博（195fr）.男.陕西乾县人教授博士生导师从爭水资源与水环境及节水潘溉方面的教学与研究工作。Emd: zu bz）z823 163. com通信作者：李跃鹏（198

9、卜），男.内蒙古通辽人讲师惮士研究生，主要水文水资源方面的研究工作 Email: liyuepmgncwu. lu. on湿地是介于水陆过渡带的独特生态系统，其在调蓄洪 水.涵养水源及美化环境等方面发挥着垂要的作用。水、土 壤和生物是湿地生态系统的三大要素其中水要素是建立和 维持湿地及其演变过程最重要的决定因子。近些年.由于人 类活动的干扰湿地遭到了不同程度破坏湿地生态系统健 康不容乐观。威胁湿地生态系统健康的主要因素有：水文情 势改变.水质恶化.对生物资源的掠夺性开发以及对土地利 用或土地覆盖的改变。人类活动对原有水文情势的改变，表现为水量的急剧减少以及流虽或水位年内显著的变化。湿 地生物群

10、落通常来不及适应短期内水文情势的急剧改变必 然造成湿地生态系统的退化。因此就需要在开发利用水资 源的同时,必须维持一定的生态需水过程以保障湿地生态系 统健康。生态需水研究始于20世纪40年代，兴起于70 年大坝建设商峰期（WCD. 2000）。国外Spoor等利用总 超过数法计算了草原湿地需水址。KeldyP,在湿地恢复中考 虑了植物和动物需水的问题。M ayer等研究了克拉马斯 低地国家野生动物保护区内季节性湿地的秋季生态需水址 的计算方法和模拟估算值。Eamus等分析了植被和土壤 需水址的具体计算方法。湿地植物需水址在总需水址中占 有较大比重，对于湿地植物需水址的研究也在不断的深入。 Ro

11、berts等I “详细论述并估算了植物需水址。总体来说国 外湿地生态需水的研究比较系统全而，详细论述了各类型湿 地生态需水虽的计算方法，强调水资源的垂要性并注重生 态与水关系的综合研究,待别是生物多样性的研究。而国内 的起步较晚,袒保山等首先提出了湿地分级的概念，将湿 地生态需水星分为垠小.中等、优、兹优和最大生态需水疑。 之后一些学者又提出根据湿地不同功能划分湿地生态襦水 类型的概念柏。赵东升等I回利用此法将洪河国家级自然 保护区湿地生态需水量分为4种类型（植物.土壤.生物柄息 地和补给地下水需水址），并通过划分的3种级别（报小、最 适.最大）计算了保护区湿地生态需水量。同样，郭跃东U将 扎

12、龙湿地生态需水分为4种类型（植物、土壤.生物栖息地和 净化污染物需水址）和5个级别，估算了扎龙湿地生态环境需 水址。总体来说，国内是以分级分类型为基础运用经典公式 计算湿地生态需水星。但由于各类型需水星存在重复计算的 缺陷，重复星的不确定性降低了此方法的计算粘度。目前,关于湿地生态需水研究的成果主要集中在河流生 态需水上其中关于河流生态需水评估方法占有较大的比 垂:研究内容主要集中在湿地生态离水机理、模型及配置上。 然而针对多泥沙河流库区湿地生态需水量的研究还相对较 少。因此木文基于RS技术、湿地生态需水址的概念及多泥 沙河流库区湿地的特点计算三门峡库区湿地生态需水址. 旨在为三门峡库区乃至黄

13、河流域的可持续发展及社会、经 济、生态需水配置提供科学依据。1研究区概况1960年9月，黄河上第一座综合性水利枢纽一三门峡水 库建成三门峡库区位于黄河中游.黄河中游是指从山西省 和陕西省交界的禹门口到河南省的桃花峪这段呈“1?形河道 及其沿河滩涂湿地黄河中游以其河床宽.而积大.河道游荡 不定.湿地类型多样.生物参样性丰富最具特色，成为湿地鸟 类垂要的觅食和栖息地。区域湿地位于我国候鸟迁徙三大 通道中线的中心位宜是候鸟的重要停歇地、觅食地和越冬 地，对于维持河流生态健康具有垂要作用。黄河中游湿地具 有河流湿地的特征还具有库塘湿地和沼泽湿地的特征包 括河道水域生态系统、河滩生态系统.沼泽生态系统.

14、林地生 态系统.农田生态系统等，处于平原向山地丘陵的过渡地带. 湿地中既有峡谷地貌，也有宽阔的滩涂,地理位置十分垂要. 是我国20（M年启动的全国湿地保护工程规划中划定的重点 区域之一。三门峡库区湿地与三门峡水库工程修建关系密 切湿地形成主要依赖于水库运用。周边属干早丘陵区库 区湿地主要包括河流湿地.滩地.水塘.湖泊湿地等。三门峡 库区湿地植被类型较多是一个完整的湿地植被生态系统. 其主要物种为芦苇.香蒲.莎草.节节草等11种类型区内鸟 类资源十分丰富.已知175种鸟类中其中天鹅是保护区的 主要保护物种之一因此木文选择三门峡库区湿地为研究对線，针对多泥沙 河流.基于河流基木环境功能、生物生存环

15、境.生态恢复等需 求根据湿地生态需水址的定义，在湿地分类的基础上，通过 对三门峡库区湿地的遥感解if.分析三门峡库区湿地面积年 内变化规律并综合运用T ennant法及关键物种水力学等方 法计算三门峡库区植被生态需水.土壤生态需水.栖息地生 态需水、输沙生态需水.生态基流.降水址及蒸发址的年内变 化规律，并探讨影响库区生态需水年内变化的主要因素。2研究方法2.1 三门峡湿地类型及数据处理湿地分类一直以来是湿地科学研究的前沿问题较为准 确全面的湿地分类，能为湿地其他理论研究奠定基础。目 前国际上较为重要的有欧洲分类系统.美国分类系统及湿 地公约分类系统等。国内，在全国湿地资源调查中主要采用 全国

16、湿地资源调査与监测技术规程（GB/T 24708- 2009）中 的湿地分类标准。木文根据研究区域的特点，主要结合湿 地公约.全国湿地资源调直与监测技术规程中的湿地分 类,将研究区域分为水体（包拆河流和湖泊的水体八滩涂湿 地以及沼泽湿地其中水体集合了区域河流湿地湖泊湿地 以及库塘湿地等包含较大水面面枳区域。根据2005年1月四个不同时期的TM卫星影 像解译结果利用Areg is 10.1统计了 2005年四个时期不同 类型湿地的面积（表I）。由于每个季节面积波动不大则采 用2.6.&11月的数据分别代表I月-3月.4月-6月.7月- 9月.10月-11月库区湿地而积。表12005

17、年三门峡库区湿地面积Tab. 1 Area of Sanmenxia reservoir wetlai)(1 in 2005km2月份河涼湖泊滩地沼泽人工湿地总面枳2月108. 102.9170. 705.2710.96197.946月92. 543. 4980. 345.3810.97192. 728月55. 271.28112.014.6510. 62183. 8211月87. 202.608& 395.2210. 80194.21从2005年湿地总体面积年内变化来看，库区湿地总而 积年内变化不大,但是年内水体面积与滩地间存在明显转变 特征其中水体而积锻大月份出现在2月份，与期间水库蓄 水

18、形成较大水面有关水域面积年内由大到小依次出现在6 月份及11月份最小为8月份,均与水库年内不同运行方式 有关；与此相反滩涂面积最大出现在8月份，其次为6月份 及11月份垠小为2月份；相较水体而积最大的2月份,8月 份水体面积诚少约48 18 kn）仅占2005年水体最大面积 55 57%,而年内湿地总体面积变化不大。2.2各类型生态需水量的估算2. 2.1植被需水量三门峡库区湿地植被类型较多是一个完整的湿地植彼 生态系统。主要有灌丛沼泽、草丛沼泽、浅水湿地植物群落 以及盐沼等。在各类湿地中芦苇是占绝对优势和对环境扰 动比较敏感的生物物种，在维系湿地生态系统发育.演替以 及生态完整性方面具有重要

19、作用。因此，木文选择芦苇作为 库区关键物种进行湿地植被需水量计算。周维博等三门峡库区湿地生态寄水量估算(I)计算方法。植被需水堀利用公式(1)计算2】二儿 ETC()式中：陷为植被需水S(n?);4,为植被面积(n?)；E7；为 蒸散发(m)a湿地芦苇蒸散ETC的计算采用传统的参考作物蒸散 量一氓作物系数法进行计算即Tr= KETq(2)式中几为实际蒸散(mni/d); ETq为参考作物蒸散量 (mm/d),心为作物系数。E几反映了气線条件对作物需水 址的影响心则反映了不同作物的差别岬。由于无实测资 料,湿地芦苇作物系数心采用FA056的推荐值并经调整 得出。本文采用FA0 Penman M

20、onteilh公式计算库区湿地蒸 散址.该公式较全面的考虑了影响蒸散发的各种因素，并在 气候条件差异较大的不同地区的应用中都取得了较好的结果具有较禹的斯度和良好的可比性I 5 ,公式形式为:E20. 408(C) + Y 卩+ ?73血(色一 J)A+ Y( 1+ 0. 34“2丿式中几为作物表层净辐射址(MJ/(m2- d);C为土壤热通 (MJ/(m2- !);系数A是饱和水汽压对温度的曲线斜率 (kPa/ X2)9是温度的函数:Y是干湿球常数(kPa/ C),是气压的函数;T为平均气温(Q;农为2m商处的风速(m/s);“ 为实际水汽压(kPa);e.为饱和水汽压(好怙)。式中各参数的

21、确定可以参考文献16。(2)计算结果。根据上述计算方法，计算出芦苇蒸散址EJ结果见表2。芦苇主要生长在沼泽湿地和滩地中.设定沼泽面积和滩地而积之和为植被面积。至于需水量级别根据植被生长状 况划分，分别按照蒸散发绘的0. 6.0,8.0.9比例进行计算。 植被需水址计算结果见表8。生态与环境 881 表2三门峽库区芦苇蒸散星Tab. 2 Reed evqiotranspiration in Saiunenxia reservoirmm月份123456789K)II12月均E几11.9816. 1951.09131.51161.5190. 17164. 14159.0665.2647. 9816.

22、6112. 222.2.2 土壤需水量湿地土壤需水星是湿地生态系统水资源储址。草甸土. 沼泽土和盐土是典型湿地土壤类型。三门峡库区属沼泽土 类型.由于湿地土壤的特殊性，在计算中，涉及两个水分常 数:一是田间持水蚤(抬在地下水水位比较深时土层能保持 的报大含水址)；二是饱和持水量(描土壤孔隙能容纳的最大 水塑)；计算土壤需水址采用公式(E(5) olF.ml=a4,/,(5)式中W J为湿地土壤需水虽(nP): a为田间持水量或饱和 持水量百分比根据研究的土壤类型而定;九为湿地土壤面 积(胪)；乩为土壌厚度(m)。选取田间持水星和饱和持水址划分生态需水量级别.指 标及结果见表8。2. 2.3栖息

23、地需水量三门峡库区湿地主要保护目标是迁徙性珍稀鸟类，迁徙 鸟类栖息环境应作为主要生态研究对線。区内鸟类资源十 分丰富根据鸟类保护级别充分考虑物种代表性，选择大天 鹅等作为指示物种。大天鹅是国家二级保护鸟类，为库区垂要越冬鸟类之 -O每年11月中旬至4月中旬在库区居留达5个月之久。 主要栖息于黄河滩地及水域等地。(1) 计算方法叫.!=(6丿式中 Wi为栖息地需水S(n?);P为水而面积百分比;旳为 湿地面积(m2);A/为平均水深(m)。(2) 计算结果。根据描示鸟类生境类型及水分条件要求参考相关研究 成果明确库区湿地指示鸟类需水规律.见表3。水面而积和水深决定了天鹅的栖息地环境，以上述两种要

24、素根据上表划定需水毘级别，计算结果见表7。表3黄河湿地指示鸟类需水规律Tab. 3 Laws rf bird watr demand in the Yellow Kiver wetland需水时段平均需水zKiX/m需水水深范帼/rn需水原因4月6月0. 10. 1 0.5繁殖7月10月0.50. 2 0. 8鸟类生长.繁殖11月次年3月0.20. 1 1鸟类越冬2. 2.4输沙需水量河道输沙需水量是从中国河流特殊的生态系统考虑而 提出的概念。以往对输沙需水量的研究中，特定输沙情况下 的净水址(径流星除去泥沙体积所剩的净水体积)往往被称 为输沙需水址但是实际情况下，净水址并不总是全部用來 输沙

25、的，只有在平衡状态或淤积情况下净水量才全部用于 输沙。因此可将输沙需水蚤定义为：在一定水沙条件和河 床边界条件下，将一定塑泥沙输移至下一河段所需要的水 它特指净水虽中用于泥沙输移的水量，视水沙条件和输 沙效率的不同，输沙需水屋是净水量的部分或全部I厲O计算输沙需水塑的方法归纳起来有含沙址法、输沙总 水址法以及资料分析法但它们计算的实际是m位净水址. 根据以上输沙甜水虽的定义，输沙需水量可以由下式计 算叫z =吓 Ml(1)W- r/Y(8)式中贰为输沙水(m3);叭为净水ft(m3)；r为径流虽 (m3);为输沙址(亿i); H为输沙效率;a为描数：Y,为泥沙 容觀通常取2 65 t/ nP)

26、o本文选取表征三门峡库区进出库的潼关站和三门峡站的径流和输沙率资料。采用上述计算方法，计算出了 2005年各月的输沙需水虽(见表4)。亿m表4 2005年各月输沙需水量Tab.4 M onthly water demand for seciiment trans pvt in 2005月份12345678910II12全年需水啟 0000012.4412.9125.2712.0613.320076.0022. 2.5生态基流生态基流是维持河流生态系统基木流量是保证全河段 具有连续径流的条件。木文运用Tennant法对库区生态基 流蜃进行估算.Tennant法也叫Montana.目前在国内外应用

27、 较为广泛,TennaU法将年平均流量的百分比作为基流量，具 有宏观定性扌H导意义.Tennam通过分析美国11条河流的断 面数据建立了水生生物、河流杲观.娱乐和河流流蜃之间的 关系(表5)。研究表明：多年平均径流址的10%是保持河流 生态系统健康的最小流罐多年平均径流址的30%能为大多 数水生生物提供较好的栖息条件以三门峡站多年平均 径流址为基础生态基流计算结果见表8o表5 Tennant法推荐流量标准Tab. 5 Recommend flow standard based on T ranant met hod流般及相应栖息- 地的定性描述推荐基流流超：(平均涼就百分数)般用水期 (10月

28、-3月)鱼类产卵仔幼期(4月9月)晟大200200最佳范閑60 10060 100极好4060非常好3050好2040中1030差或蚩小1010严重退化 10 102.3降水量和蒸发量2.3.1降水量根据1957年-2003年潼关.三门峡站的降水址资料，计 算库区多年平均降水址见表6o2.3.2蒸发量根据1957年- 2001年三门峡站的蒸发量资料，计算库 区多年平均蒸发址见表7。2.4生态需水总量以上各项生态需水址存在交叉重复，简取的相加并不能 解决这个问题。因此木文采取如下减少重复计算的耦合方 法:将生态需水量划分为消耗性生态需水和非消耗性生态需 水,那么生态需水总址就等于消耗性生态需水的

29、和加上非消 耗生态需水的嵌大值针对三门峡库区湿地生态需水最为 库区生态需水总址二栖息地需水址，生态基流输沙需水量+植被需水址十土壌需水星+水而蒸发堆降水量因此,三门峡库区湿地生态需水总址见表8。3结论与分析(1) 通过计算2005年年内锻适宜生态需水虽变化范围 为83 &1- 304 50亿亦，其中垠大值出现在8月份为43 58 亿n己其最大为输沙需水量25 27亿川，其次为生态基流 20 78亿川；最小值出现在1月份为12 66亿in；,其中所占 比例垠大为生态基流址：最大值是最小值的4倍，其中造成 差异的主要因子为降雨罐及径流的时空变化,这说明对三门 峡库区湿地影响最大的因素为输沙需水虽及

30、生态基流。造 成这一现象出现的原因是水库不同的运行方式和小浪底水 库建成后调水调沙的结果。(2) 从图1和表8可以知道2005年湿地适宜生态需水虽 的年内变化，其中1月- 5月，11月- 12月需水虽较少主要 需水蚤类型为生态基流和土壤生态需水址汛期增加的主要 是输沙需水虽。从逐月生态需水址的最小值JS宜值及理想 值的变化规律看，变化垠大的指标为栖息地需水址及生态基 渝最大值与最小值的平均倍数为10倍，且栖息地需水址及 生态基流是彩响非汛期生态需水塑的主要因素，因此影响栖 息地需水址及生态基流是造成生物参样性减少的主要因素。图12005年各月适宜生态需水曼Fig. I Monthly suit

31、able eco!ogi*al water cienianl in 2005(3)以上采用经典的公式计算各类型湿地生态需水星,这种方法容易且适用范围较广,为湿地生态配水及湿地的保 护提供了较为有用的参考价值但实际上湿地的水资源是整 个湿地生态系统共用的用于哪种类型的需水却没有严格的 界限所以难免会垂复计算河。同时针对多泥沙河流库区湿 地而言，输沙需水虽是确保湿地演替的重要因素，它与气候 变化及人类活动密切相关，因此，输沙需水量的计算稱度将 是多泥沙河流湿地生态需水址的重要基础。表6三门峡库区多年平均降水量Tab. 6 Average annual precipitation in Sanmen

32、xia reservoir mm月份123456789101112年均月均降水戲 42.058.461.0117.090.390.355.823.24.8576.4表7三门峽库区多年平均蒸发莖Tab. 7 Averse annud evapotranspiratimi in Sanmenxia reservoirmni月份123456789101112年均月均蒸发就65.9291. 18160.64216.08266.00311.83263.00243.27165.34130.0585. 8563. 382062.54表8三门峡库区湿地生态需水总曼Tab. 8 Total

33、ernlopcal water(k*mand in Sanmenxia reservoir wetland亿月份级别植被需水址/亿m土壤需水腿 /亿柄息地需水敞/亿nP生态基涼 /亿m水面蒸发虽降水最 /nP生态需水总械/亿最小0.005 50. 280. 111. 150. 130 50. 009 71.561适宜0. 007 30. 630. 564.600. 130 50. 009 75. 35理想0. 008 21.031. 1111.510. 130 50. 009 712.66最小0. 007 40. 280. 111.380. 180 50.014 31.842适宜0.009 8

34、0. 630. 565.510. 180 50.014 36.31理想0.011 11.031. 1113. 770. 180 50.014 314.97最小0. 023 30. 280. 112.410.318 00. 042 62.993适宜0. 031 10. 630. 569. 620.318 00. 042 610. 55理想0. 034 9L031. 1124. 060.318 00. 042 625.40最小0. 067 60. 320. 106. 460.416 40. 080 97. 184适宜0.090 20.710. 2910. 770.416 40. ()80 911.

35、90理想0. 101 51. 160.4821.540.416 40. ()80 923. 13最小0. 083 10. 320. 105.200.512 60. 112 56.005适宜0. 110 80.710. 29& 670.512 60. 112 59. 89理想0. 124 61. 160.4817. 340.512 60. 112 519.02堆小0. 097 80. 320. 105.030.601 00. 117 613.356适宜0. 130 40.710. 298.380.601 00. 117 613.77理想0. 146 71. 160.4816. 760.601 0

36、0. 117 618.55堆小0. 114 90. 440. 118. 630.483 40.215 113.737适宜0. 153 20. 960.3414. 380. 483 40.215 115.76理想0. 172 31.570.452& 750.483 40.215 130. 77最小0. 111 30.440. 1112.470. 447 20. 166 026. 108适宜0. 148 40. 960.3420. 780. 447 20. 166 026. 66理想0. 167 01.570.4541.560.447 20. 166 043.58最小0. (M5 70.440.

37、1113.040. 303 90. 166 013.669适宜0.060 90. 960. 3421.730. 303 90. 166 022. 89理想0. 068 51.570.4543.460. 303 90. 166 045.24最小0. 026 90. 350. 183. 280. 252 60. 108 413. 8410适宜0. 035 90. 770. 5413. 120. 252 60. 108 414.27理想0.040 41.260. 7232. 800. 252 60. 108 434. 25最小0.009 30. 350.091.860. 166 70. 045 12

38、. 34li适宜0.012 40. 770.457. 460. 166 70. 045 1& 37理想0. 014 01.260. 90650. 166 70. 045 120.05最小0.006 90. 350.091.550. 123 10. 009 32.0212适宜0.009 20. 770.456. 200. 123 10.009 37. 10理想0.010 31.260.9015.500. 123 10. 009 316. 89最小0. 599 74. 181.32062.463. 935 9L087 483.64全年适宜0. 799 69.214. 984131.223. 935

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