黄河口区域湿地生态补水研究

王安东

（山东黄河三角洲国家级自然保护区管理委员会/东营市黄河口生态监测与修复重点实验室/东营市黄河口野生鸟类监测与保护重点实验室，山东东营257091）

1 引言

水是生命之源，是地球上一切生物赖以生存的自然资源[1]，同时也是湿地生态系统形成和发育的关键因子。现阶段，由于经济社会的不断发展，河流湖泊自然条件的变化、人类对湿地的不合理开发和利用导致了一系列的生态环境问题，如湿地生态系统退化、生物多样性降低、水环境污染等[2]。湿地生态系统的退化和丧失直接导致了湿地生物多样性的降低，严重影响了湿地生态系统功能如调节气候、涵养水源、蓄洪防旱、维持生物多样性等的发挥。据估算，在2000—2015年期间，中国的自然湿地（沼泽）减少了7562 km2，而农业用地和城镇用地的扩张分别贡献了湿地面积减少的47.7%和13.8%。大坝和水库修建等修复策略部分缓解了湿地的大面积丧失[3]。如何能够最大限度的保证湿地保有率，维持湿地生态系统功能的正常发挥，同时兼顾当地经济的发展是当前相关管理部门亟待解决的关键问题。而水在湿地生态系统的维持和功能的发挥中起着关键性的作用[4]。湿地生态补水的适时提出，为水资源的合理配置以及生态环境问题的解决提供了可能[2]。湿地生态补水是指湿地为维持自身发展过程和保护生物多样性所需要的水量,包括湿地植物补水量、湿地土壤补水量、野生生物栖息地补水量[5]。它在维持湿地生态系统平衡与可持续性扮演着极其重要的角色。在当前水资源日益紧缺的情况下，如何准确的计算出区域湿地生态补水量，是提高区域水资源利用效率的重要前提[6]。

黄河口区域是《全国生态功能区》的生物多样性保护生态功能区和生物多样性保护重要区湿地。近年来，随着黄河河口来水来沙条件变化和当地社会经济社会发展，黄河口区域的生态保护也在面临着严峻的挑战，集中体现为黄河来水来沙减少，生态用水短缺；海陆与水陆的水文连通受损，生境格局改变。黄河口区域现状生态问题包括以下几个方面：（1）河-海关系失衡，造成故道入海口蚀退；（2）淡-咸界面失衡，造成故道、滩涂生态景观退化；（3）人-地关系失衡，造成典型生态景观破坏；（4）生态景观“消”“退”，造成生物多样性降低。以上种种生态问题使得黄河口区域湿地质量不断下降，淡水沼泽湿地生态系统健康受到严重威胁，急需得到保护和修复。在保护和恢复淡水沼泽湿地措施中，水资源的合理分配是关键。一些学者已经对黄河口区域湿地的生态补水进行了研究。例如郑凯等[7]的研究表明，不同类型的湿地，其补水量不同，刁口河及淡水湿地补水约0.54 亿m3，维持河道不冲不淤的输沙补水为0.97 亿m3。且刁口河及其湿地保护区的季节生态补水量差异较大[6]。卓俊玲等[8]在黄河河口淡水湿地生态补水的研究中得出，黄河口区域湿地生态补水总量约为2.8～4.2 亿m3。但基于生态保护目标的黄河河口湿地生态补水中，就最小生态补水量来说,维持生态水文结构合理规模所需的生态补水为35.40 亿m3[9]。Cui 等[10]的研究表明，黄河口区域最小，最优及最大的生态补水分别为942 万m3，1556 万m3和2412 万m3。不同的学者对黄河口区域湿地生态补水总量的估算不同。造成这种差异的原因，一方面是因为计算湿地生态补水所用的方法有所不同，另一方面则为所选的研究区范围不同。同时，这些研究并没有对黄河口区域湿地生态补水总量进行细致的分类，因为三角洲不同的水单元，其生态补水量不同。另外对黄河口区域未来的生态补水量也没有进行相应的估算。对未来黄河口区域湿地生态补水的测算是很有必要的，因为黄河口区域未来的生态补水量直接受制于当前相关部门的水资源规划与调度。

本研究选取黄河口区域范围包括现行黄河入海口部分和刁口河湿地部分。由于黄河口区域湿地的时空差异，我们对三角洲湿地的补水单元进行了细分，并分别计算其生态补水量。然后对未来三角洲湿地的生态补水总量进行了生境分析，以期为黄河口区域湿地的生态修复和规划管理提供基础数据支持与借鉴。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

黄河口区域位于渤海湾与莱州湾的湾口，是黄河泥沙淤积、当地降水和径流以及潮流作用下形成的扇形冲积平原，自然资源丰富。该地区还具有我国暖温带保存最完整、最广阔、最年轻的湿地生态系统，是维系河口生态系统发育和演替、构成河口生物多样性和生态完整性的重要基础生态体系，具有原生性、脆弱性和稀有性等特征[11]。属暖温带大陆性季风气候，四季分明。年平均气温12.1℃，无霜期196d，年平均降雨量576.7 mm，年平均蒸发量1962 mm。夏季降雨量约占全年降雨量的70%。该地区的植被主要包括芦苇、盐地碱蓬、柽柳、荻、穗状狐尾藻、补血草等。盐地碱蓬为潮间带的先锋物种[12]。黄河口区域国家自然保护区于1992年成立，包括北部的刁口河自然保护区和南部的黄河口自然保护区，其内湿地面积广阔，类型多样，既有天然湿地，淡水沼泽湿地、滩涂湿地、滨海湿地等，也有人工湿地，如水田、水库、沟渠、盐沼等。其中淡水沼泽湿地是河口地区陆域、淡水水域和海洋生态单元的交互缓冲地区，与黄河水力联系密切，是维持河口系统平衡和生物多样性保护的生态关键要素，淡水湿地对维持河口地区水盐平衡，提供鸟类迁徙、繁殖和栖息生境，维持三角洲生态发育平衡等，具有十分重要和不可替代的生态价值与功能。

综合考虑水连通过程补排关系、保护区功能区划、景观格局分布规律、土地权属关系、规划计算单元面积比例等，黄河口区域保护区项目区总共划分为21 个水配置单元，进行补水分析。其中黄河口管理站区域划分为9 个单元、大汶流管理站区域划分为6 个单元、一千二管理站区域划分为6 个单元（图1）。基准年、近期年、远期年涉及到的单元情况及分布如表1所示。

表1 水资源配置单元规划表Table 1 The planning information of water resource allocation units

图1 水资源配置单元分布图Figure 1 The Spatial distribution map of water resource allocation units

2.2 土地利用现状

根据2018年土地利用遥感数据显示，黄河口区域保护区总面积15.30 万hm2，其中一千二管理站区域占地面积4.40 万hm2，占保护区总面积的28.76%；黄河口管理站区域占地面积4.19 万hm2，占保护区总面积的27.39%；大汶流管理站区域占地面积6.71 万hm2，占保护区总面积的43.85%。黄河口区域自然保护区共包含20 种地类，其中6 m 等深线海域、滩涂湿地、农田居多，比例分别占到28.73%、23.56%、16.76%，如图2所示。

图2 黄河三角洲保护区土地类型图Figure 2 The land-use of Yellow River Delta Nature Reserve

2.3 研究方法

2.3.1 生态补水量计算

本研究中考虑生态补水量为生态耗水量、生境蓄存水量和鸟类补食区补水。生态耗水量分别计算湿地生态耗水量与林地生态耗水量。生境蓄存水量采用水量平衡法计算其生态补水量，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生态补水量。保护区内农田是鸟类重要的补食区，因此鸟类补食区补水量由农田定额补水的方法计算。

生态补水量：

其中EWr 为生态补水量，EWc 为生态耗水量，HSWq 为生境蓄存水量，BFAWr 为鸟类补食区补水

生态耗水量：

其中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表示降雨量，Ew水面蒸发耗水量，Tw植物蒸散发耗水量，GW土壤下渗耗水量；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。水量输入包括：Pf表示降雨量。水量输出包括：Ef土壤蒸发耗水量，Tf植物蒸散发耗水量，Gf土壤下渗耗水量。

生境蓄存水量：

式中，HSWq为生境补水量，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=1,2,3，……，n；n 为斑块总数。

鸟类补食区补水量：

其中，AQWr为农田定额补水，Aa为农田面积，Iq为灌水定额，Ir为灌溉率（0.6）

2.3.2 生境模拟

黄河口区域生态系统包括淡水生态系统，咸水生态系统和淡咸水交互系统，其中淡水系统包括河流生态系统、林地、河漫滩灌草地；咸水生态系统包括滩涂、盐沼湿地；淡咸水交互生态系统包括一些淡咸水交替的沼泽系统。目前黄河口区域各类生态系统都存在各自特有的生态问题，本研究在优化水系连通，提升完善黄河口区域保护区内取、蓄、输、灌、排水系统格局上设定生境补水目标为基本目标下的生态补水生境为：

（1）柽柳林恢复

一千二管理站2018年有柽柳林2036 hm2，2025年规划将刁口河故道西侧农田恢复为柽柳林，以及一千二片区东侧孤北水库周边恢复为芦苇湿地，恢复后柽柳林达到2366 hm2。至2030年，规划将孤北水库西侧确权农田恢复为柽柳林，恢复后柽柳林5290 hm2。

（2）芦苇湿地、林地恢复

一千二管理站2018年有芦苇湿地410 hm2，2025年规划沿刁口河故道西侧新建刺槐林270 hm2。

黄河口管理站2018年具有芦苇湿地面积4374 hm2、刺槐林3280 hm2。2025年规划主要对黄河口管理站区域的水系进行完善，芦苇湿地面积5574 hm2，于黄河口管理站北部边界区域恢复刺槐林。至2030年，在黄河口区域保护区确权范围内实施退耕还湿，增加芦苇湿地的面积；2030年恢复后芦苇湿地面积达到8012 hm2、刺槐林达到6680 hm2、柽柳林达到560 hm2。

大汶流管理站2018年具有芦苇湿地面积5646 hm2、旱柳林700 hm2、柽柳林747 hm2。2025年近期工程针对黄河故道进行引灌淡水恢复，工程成功后芦苇湿地面积可以达到8271 hm2。2030年规划将大汶流管理站西南边界处的养殖池恢复为芦苇湿地，并且在黄河故道东部区域修建堤坝储存淡水，工程完成后，芦苇湿地面积将达到10198 hm2。

各类具体生境见表2。

表2 生态补水情景下的生境情况Table 2 The habitat condition of three ecological water replenishment scenarios

3 结果与分析

3.1 黄河口区域生态耗水时空分析

从逐月的生态耗水量来看，大汶流的生态耗水量集中在3—6月、9月和10月。基本生态目标下2018年黄河口管理站生态耗水量在正常水平年生境中为3281.4 万m3；大汶流管理站生态耗水量在正常水平年生境中为4997.1 万m3；一千二管理站生态耗水量在正常水平年生境中为690 万m3。2025年黄河口管理站生态耗水量在正常水平年生境中为7839.7 万m3；大汶流管理站生态耗水量在正常水平年生境中为9568.1 万m2；一千二管理站生态耗水量在正常水平年生境中为3802.8 万m3。2030年黄河口管理站生态耗水量在正常水平年生境中为9256.4 万m3；大汶流管理站生态耗水量在正常水平年生境中为11785.6 万m3；一千二管理站生态耗水量在正常水平年生境中为8413.0 万m3（图3）。

图3 2018、2025 和2030 正常年生态耗水量时空分析图Figure 3 Temporal and spatial analysis of ecological water consumption in three normal years

3.2 黄河口区域生境蓄存水量

从2018年到2025年，再到2030年，黄河口、大汶流以及一千二3 个片区的总生境蓄存水量分别为0.72 亿m3，0.98 亿m3，1.26 亿m3，总生境蓄存水量不断增加。其中，大汶流的生境蓄存水量是最高的，其次是黄河口，一千二的生境蓄存水量是最少的。在基本生态目标生境下，2018年黄河口湿地生境蓄存水量为2174 万m3，2025年为3203 万m3，2030 为4890 万m3。2018年大汶流湿地生境蓄存水量为4738 万m3，2025年为5367 万m3，2030 为6326 万m3。2018年一千二湿地生境蓄存水量为287 万m3，2025年为1255 万m3，2030 为1335 万m3（图4）。

图4 基本生态目标生境下正常年生境中黄河口区域湿地生境蓄存水量Figure 4 The water storage of Yellow River delta wetlands in basic ecological scenario under normal climate year

3.3 鸟类补食区补水量

根据《山东省主要农作物灌溉定额（DB37/T 1640-2015）》和黄河口区域保护区的种植类型确定黄河口灌溉定额2385 m3/hm2、大汶流灌溉定额2520 m3/hm2、一千二灌溉定额1860 m3/hm2，灌溉利用系数为0.6。鸟类补食区补水量总额为5659.38 万m3/年（表3）。

表3 鸟类补食区补水量Table 3 The supply water amount of bird feeding areas

3.4 生态补水总量

基本生态目标下黄河口区域生态补水总量在2018、2025、2030 正常生境年中分别为23956.7 万m3、43187.3万m3，48006.8 万m3、54485.7 万m3。其中，黄河口在2018、2025、2030 正常生境年中生态补水总量分别为9477.4 万m3、14578.4 万m3，22558.1 万m3。大汶流在2018、2025、2030 正常生境年中生态补水总量分别为12411.6 万m3、23550.8 万m3，24929.7 万m3。一千二在2018、2025、2030 正常生境年中生态补水总量分别为2067.7 万m3、5058.0 万m3，11085.1 万m3（图5）。

图5 基本生态目标生境下正常年生境中黄河口区域湿地生态补水总量Figure 5 The total supply water amount of Yellow River delta wetlands in basic ecological scenario under normal climate year

4 讨论

本研究测算了基本生态目标下正常水平年生境中黄河口区域湿地在2018年、2025年和2030年中的生态耗水量、生态蓄存水量、鸟类补食区补水量和生态补水总量。作为生态系统初级生产力之一的植被群落的生态耗水，是整个生态系统，尤其是生物要素部分生存和发展的重要基础，是生态耗水中的基础性组分。本研究得出，黄河口区域的生态耗水量时空差异明显。在4—6月期间，大汶流、黄河口和一千二的生态耗水量明显增大。这是由于湿地的蒸发蒸腾耗水所致。虽然4—6月期间，黄河口区域湿地降雨量呈增加趋势，但湿地的蒸发蒸腾耗水量远大于降雨的补水量[6]。2018—2030年，三角洲湿地的总耗水量呈增加趋势，这是因为我们的生境模拟中，黄河口区域芦苇湿地、林地和柽柳林湿地面积均呈增加的趋势，其生态耗水量也必然增加。

生境蓄存水量为维持生态环境健康状态的补水量。湿地鸟类作为湿地生态系统的重要组成部分之一，湿地鸟类的各种行为、种群动态及群落结构都与生态环境健康状况密切相关。所以基于鸟类栖息地适宜性可以作为湿地生境蓄存水量评估的重要指标之一。本研究基于栖息地适宜性的生境蓄存水量在2018-2030年期间不断增加，说明维持黄河口区域生态环境健康所补水量不断增加。这是因为黄河口区域为东北-澳大利西亚和环西太平洋鸟类迁徙的“中转站”，越冬地和繁殖地，承担着155 种和53 种中日和中澳国际间候鸟迁徙、以及25 种国家一级重点保护鸟类和65 种国家二级重点保护鸟类的保育工作[13]。随着鸟类的种类和数量的不断增加，维持三角洲湿地生态环境健康状态的补水量也在不断增加。

由于黄河口区域湿地总生态耗水量和总生境蓄存水量的增加（鸟类补食区补水量不变的情况下），必然导致其总生态补水量的增加。本研究表明，黄河口区域总生态补水量呈增加的态势，到2030年，其总生态补水量为2018年的2 倍之多。这说明未来黄河口区域湿地的水量需求更为旺盛，水资源合理配置更为严峻。

5 结论

湿地生态补水在维持湿地生态系统平衡和可持续发展方面扮演着极其重要的角色，是提高水资源高效利用的重要前提。本文通过模拟黄河口区域湿地在规定生境下生态耗水量、生境蓄存水量、鸟类补食区补水量以及生态补水总量，得出黄河口区域湿地生态耗水量季节差异明显。总生态耗水量、生境蓄存水量和生态补水总量都呈现增加的态势。黄河口区域不同区域其生态耗水，生境蓄存水量以及生态补水总量不同，其中大汶流的生态耗水量、生境蓄存水量以及生态补水总量最高，其次是黄河口，一千二的生态耗水量、生境蓄存水量以及生态补水总量最少。