湖南省資興市城市濕地資源網絡連通性的生態水文水質效應研究

曹宇弛 沈守云 肖 澎 廖秋林

濕地被稱作“地球之腎”，是水陸相互作用形成的獨特生態系統，在保持生物多樣性和珍稀物種資源、蓄洪防旱、降解污染、調節氣候及控制土壤侵蝕等方面具有重要的作用[1-4]。而網絡連通性指通過構建廊道，將破碎的生境斑塊進行連接，形成完整的生物棲息地網絡，起到增加生物物種遷移擴散、提高景觀連接度，以及促進生態系統中物質、能量有效流通的作用[5-8]，為解決當前快速城鎮化背景下的城市濕地資源保護和社會經濟發展在空間上的矛盾提供了可能。

中國目前正處于城鎮化高速發展的階段，城市濕地正面臨著嚴峻的威脅。第二次全國濕地資源調查(2009—2013年)結果顯示，我國濕地面積相比第一次調查減少了9.33%，遠低于世界平均水平。而濕地生境破碎化是人類在土地利用過程中造成的主要破壞之一[9]，主要表現為濕地面積的縮小及濕地之間的聯系減弱，限制了物種擴散、遷移，增加了生態系統的脆弱性；在現有的城鎮化建設中，城市建設面積不斷擴張使得城市下墊面改變、不透水面積增加、徑流系數增大，影響了產流、匯流過程，嚴重阻斷了濕地的連通性；水資源污染加劇了濕地面積的減少，使濕地生態功能下降[10]。

資興城市規劃區內濕地資源豐富，但由于城市發展，整平洼地、填筑溝塘、擠占湖泊等人為破壞現象嚴重，現有的濕地生態系統出現退化等問題。根據研究區域的地理環境和經濟條件等因素，在現狀濕地格局的基礎上設定不同的濕地連通方案，生成相應的生態網絡，對所構建的生態網絡定量計算其產生的生態水文水質效應，為資興城市濕地選擇生態效益最佳的連通性方案，為其濕地資源保護和生態恢復提供科學合理的理論技術支持。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

湖南省資興市地處東經113°08′～113°44′，北緯25°34′～26°18′，地勢東南高、西北低，海拔109～468m，地貌形態以山地為主，丘陵、崗地、平地交錯。

資興市地處湘江水系之一的耒水上游，地表水系河流密布、溝溪縱橫，呈樹枝狀分布，河道平均坡降為0.77‰，研究區總面積為11 850.83hm2，城市濕地面積為3 030.41hm2，主要包含東江水系、程江水系和青魯湖等26個水體(圖1)。多年平均徑流深877.9mm。同時，資興市境內的東江湖也是湖南省重要的水源地。

1.2 數據來源

城市土地利用數據來源于Landsat8 OLI影像并結合資興城市總體規劃圖紙進行調整，資興城市濕地的位置及大小、給排水管網數據來源于《資興市城市總體規劃(1999—2020)》(2016年修訂)，其中資興城市濕地位置經濕地調查驗證；氣象數據來自于中國氣象臺資興氣象站2011—2016年逐時檢測數據，包括降水量、蒸發量和溫度等數據；水文數據包括常水位、城鎮防澇水位、2016年流量等水文數據及實測部分濕地降水量和徑流量數據，與水質相關的來源于資興市水利局和實測研究區內濕地水體中污染物負荷量數據。

1.3 計算平臺

本研究選擇了具有良好靈活性、通用性的SWMM模型，適用于排水系統復雜的水質模擬，對城市化地區能進行準確模擬，可模擬不同時間步長任意時刻內每個子流域所產生的徑流量的水量水質，以及每個河道中水的流量、水深及水質等情況，是現階段對于城市地表徑流和污染負荷研究的最佳模型。許多研究者選用SWMM模型對城市地區進行水文[22]及水質[23]模型計算，選擇的控制方程一般為連續性方程、動量守恒方程和能量守恒方程，Horton法、動力波法和污染物計算的指數沖刷模型能夠準確模擬研究區的水文水質情況。

根據鋼材應力腐蝕開裂的機理［1］，可將其分為氫致開裂型（HE）和陽極溶解型（AD）兩大類。如果陽極溶解即鋼材的腐蝕對應的陰極反應是析氫過程，且釋放出的氫原子分散到鋼材中并對鋼材裂紋的形成與擴展起決定作用，這種應力腐蝕就稱為氫致開裂型應力腐蝕；如果鋼材的腐蝕對應的陰極反應是析氫過程，但是釋放出的的氫原子太少，不足以引起鋼材的氫致開裂，鋼材裂紋的形成與擴展都是由陽極溶解控制的，這種應力腐蝕就稱為陽極溶解型應力腐蝕。

圖1 資興城市濕地分布圖

圖2 不同連通性方案設置圖(2-1為T1方案；2-2為T2方案；2-3為T3方案)

1.4 試驗方案設計

水系連通性的變化關系到下墊面屬性的改變，結合考慮研究區的自然條件、經濟發展特點、城市總體規劃、已有資料情況和模型特點等方面，根據資興城市濕地資源的現狀條件和濕地資源保護及恢復的需求，為獲得科學的不同濕地連通性對水體水文水質的生態水文效應影響，設置了4組實驗：對比實驗(D1)、城市內部水體連通方案(T1)、城市水體整體連通方案(T2)和LID措施方案(T3)。

實驗D1：圖2為資興城市規劃區現狀方案，保持現狀的水系連通性格局不變。實驗T1：在資興市內，將研究區內大小散落的水體，如水庫、坑塘和湖泊等單獨水體通過溝渠等方式連通，但是不與城市周邊的河流進行連接，濕地面積增加26.2hm2，林地面積減少18.4hm2，耕地面積減少7.8hm2。實驗T2：將資興市內的水體全部按照子匯水區進行連接，形成網絡體系。隨降雨產生的徑流根據地形地貌流入各匯水區，排入最近的水體，通過溝渠、河道及溪流等濕地的連通，最終排入城市北面的程江和南面的東江，濕地面積增加69.5hm2，林地面積減少36.7hm2，耕地面積減少32.8hm2。實驗T3：在T2的基礎上，在濕地連接處(如溝渠)及原有支流下游處等地方設置人工濕地，在水庫、湖泊及河道周邊設置植被緩沖帶，起到對污染物攔截的作用，并可在一定程度上控制徑流和保證景觀效果。應用低影響開發理念，以期將研究區濕地資源進行合理保護和恢復，濕地面積增加103.26hm2，林地面積減少58.34hm2，耕地面積減少44.92hm2，不同的連通性方案設置見表1，方案構建見圖2。

圖5 率定降雨及流量過程線(5-1為Y-191節點；5-2為Y-187節點)

1.5 試驗方案連通性評價

在設置的不同連通性方案中，研究區內的河網水系有很明顯的改變，定量地對不同試驗方案的連通性進行評價。本研究選取的形態指標為河流長度LR和水面面積A，結構特征為河網密度DR和水面率Wp，作為水系格局特征的評價指標。不同試驗方案連通性指標見表2。

綜合比較河流長度、水體面積、河網密度及水面率，形態指標從對比實驗D1至T3方案逐漸增加，結構特征河網密度和水面率也是遞增，說明從對比實驗D1至T3方案，其河流干流和支流越多，連通性越強。

1.6 研究區域

1.6.1 城市管網及河道的概化

研究區范圍內主要有東江和程江河道，東江流域的河道是研究區的重要防洪排澇通道，排水管網收集的地表匯流基本都排入河道中。因此，本文構建的模型也將河道作為排水系統的一部分。河道主要概化為明渠或箱涵(圖3)，根據斷面變化情況布置河道節點，而排水管道的出水口也作為河道節點之一，實現河道與管網系統連接，對導入的管網及河道數據進行幾何拓撲校檢和邏輯拓撲校檢，管渠299條，雨水井節點296個，排水口11個。

1.6.2 子匯水區劃分

根據研究區的DEM、土地利用分布圖和城市總體規劃，在ArcGIS中對研究區進行子匯水區劃分，并為各子匯水區指定流域出口。由于城市大尺度產匯流過程的復雜性，為了保證匯水區劃分的準確性，結合各土地利用類型的粗糙系數和徑流系數對原始DEM模型進行修正。并且研究區的地勢相對平坦，在子匯水區劃分過程中根據概化后的城市雨水管網，按照泰森多邊形法則進行近似處理，最終將研究區劃分為178個子匯水區(圖4)。

1.7 模型參數率定及驗證

SWMM模型參數主要包括下墊面滲透性系數、曼寧系數、洼蓄深、最大入滲率、穩定入滲率和衰減系數等，其中滲透性等相關系數按照資興市土壤特性，參考相關地區文獻研究確定取值，其他一些參數無法通過實測或計算確定，可通過率定得到。根據SWMM用戶手冊中各參數的取值范圍[24]，參考相關地區SWMM模型參數和研究[25-27]，結合對研究區現狀基礎建立的D1對照方案模型的實測數據進行人工率定。選取2處有詳細排口實測數據的位置進行模擬驗證，分別是Y-191節點2017年2月21日的降雨數據和Y-187節點2017年2月23日的降雨數據，以保證模型計算結果的可靠性。

從圖5可知，最后SWMM模擬的流量和實測的流量曲線形狀契合度較高，并且與降水過程線的形狀也基本切合，對所選取2個節點模擬計算的總流量和峰值函數及實測數據的相對誤差進行比較分析可知，選取的2個降水過程產生的總流量相對誤差為2%～5%，峰值流量的相對誤差為1.3%～8.2%，誤差范圍都處于10%之內，可以證明SWMM模擬計算的徑流數據和在場地實測的數據基本契合(表3)。

表1 不同連通性方案設置詳情

表2 不同試驗方案連通性指標

1.8 降雨強度、時間

根據研究區的現狀，資興城市建設區的暴雨強度公式如下：

式中，P為設計降雨重現期；t為降雨歷時(min)。

結合資興氣象站點檢測數據，在2011—2016年，資興歷時120min的降雨場次占總降雨場次的比例最高，得到降雨歷時為2h的設計降雨。

2 模擬結果與分析

2.1 連通性變化對生態水文影響分析

應用SWMM模型分別對不同方案進行降雨模擬，模擬降雨時間為2h，地表產匯流計算和水動力學模擬計算時間步長采用10s，模擬結果報告時間步長為5min，模擬計算出不同連通性方案的徑流量變化情況(圖6)。這4種方案產生的徑流量變化的共同特征是：在降雨初期，徑流量從0開始緩慢增加，并在第120min左右徑流曲線達到最高值，隨后逐漸下降，待降雨結束后，徑流曲線緩慢趨近于0。

雖然這4種方案的徑流量變化趨勢是一致的，但變化范圍和徑流峰值有明顯差異，T2的峰值為29.71m3，明顯大于D1的21.34m3和T3的15.61m3，略大于T1的24.95m3。分析其原因，對于模擬改造前的現狀水文狀態，T1將研究區內的水體全部連通起來，加強了城市的水文調蓄能力，而T2因為加強了與城市外部水體的連通性，所以其峰值最大；T3作為LID方案在削減徑流量峰值方面有明顯的作用，將徑流的峰值削減為D1方案的73.14%。

從空間分布看(圖7)，其高徑流區的面積有了明顯下降，與D1方案相比，T2方案中高徑流區域面積有減少，并且沿著河流出現一條低徑流量通道，T3方案中的高徑流量面積相比現狀方案降低了32.98%，生態水文效應最佳。

圖6 不同連通性方案的徑流量變化

圖7 不同連通性方案的徑流量變化空間分布圖(7-1為實驗D1；7-2為T1方案；7-3為T2方案；7-4為T3方案)

圖8 不同連通性方案的COD變化

2.2 連通性變化對水質影響分析

2.2.1 連通變化對化學需氧量(COD)影響

在4種方案的水體中，COD含量變化范圍和COD含量峰值呈以下規律：D1明顯大于其他方案，在各連通性方案中，隨著連通性的加強，不同方案中COD含量有了明顯的減少，從D1的333.03mg/L，分別降低為T1的275.28mg/L、T2的245.83mg/L和T3的196.98mg/L。隨著水體流動性增強，更有利于污染物的遷移和擴散，對水質產生重要影響。T3設置有LID措施，對于水體的凈化作用最為明顯，對水體中的COD含量削減為原有的59.14%(圖8)。

從空間分布看，不同連通性方案的水體和地面殘余的COD含量不同。按照連通性方案不同，T1相比D1方案，水體中高COD含量區域減少了4.96%，在T3中設置有LID措施，高值區域面積有了明顯的下降，下降了7.26%，特別是節點中的COD含量有了明顯的降低(圖9)。

表3 SWMM模型水文水力特性的參數設置

2.2.2 連通變化對固體懸浮物(SS)影響

在4 種方案的水體中，固體懸浮物SS含量變化范圍和峰值呈以下規律：D1和T1的曲線差別并不大，D1中的SS含量峰值為278.05mg/L，和T1峰值266.52mg/L差距不明顯，而T2中215.61mg/L效果優于T1，并且T3中176.02mg/L效果最佳(圖10)。

2.2.3 連通變化對氮磷污染物(TN、TP)影響

在4種方案的水體中，氮磷污染物含量變化范圍和峰值呈以下規律：隨著連通性的增強，對于水體中氮磷污染物的負荷越小，D1中的TN和TP峰值含量為6.08和0.30mg/L，T1中為5.69和0.26mg/L，T2中為5.02和0.25mg/L，T3中的消減作用最佳為4.55和0.21mg/L(圖11)。

2.3 統計檢驗

本研究采用統計學分析，對各個方案的水文水質要素數據進行差異顯著性檢驗(表4)。P值均小于0.05，有統計學意義，對于各組間使用q檢驗，比較不同組別之間有無顯著性差異。

通過q檢驗驗證組內差異性水平，在徑流量這一指標上，說明在T3、D1和T2、T1組內沒有顯著性差異。對COD、SS和氮磷污染物進行同樣的處理，對于SS含量指標的方差分析顯著性得出，不同連通性方案對于面源污染指標之間有明顯的差異性，說明連通性強度和對面源污染的削減程度有明顯的正相關，隨著連通性的加強，對于面源污染的削減作用增強，結合標準差數據可知，T3生態水文水質效益最佳，其次是T2，最差為T1。

3 結論

1)相同降雨條件下，在研究區現狀規劃方案及不同的連通性方案中，產生徑流量及水體中COD、SS等污染物含量隨時間變化的變化趨勢一致。從研究區整體和各個子匯水面來看，在4個方案中，隨著連通性的加強，水文狀態有了明顯的變化。T3的生態水文水質效益最好，徑流量降低為原來的73.14%，水體中的各種污染物濃度有了明顯的降低，COD含量降為原來的59.14%，SS含量降為原來的51.80%，氮磷污染物分別降為74.84%和70.00%。

圖9 不同連通性方案的COD變化空間分布圖(9-1為實驗D1；9-2為T1方案；9-3為T2方案；9-4為T3方案)

圖10 不同連通性方案的SS變化

圖11 不同連通性方案的氮磷污染物變化(11-1為TN；11-2為TP)

2)通過統計檢驗可知，研究區在不同連通性方案及現狀方案之間關于徑流量、水體中COD、SS和總氮、總磷負荷量指標在不同的連通性方案下顯著性差異明顯。同時通過q檢驗驗證組內差異性可知，隨著連通性的加強，對于研究區面源污染的消減作用增強。

綜上所述，T3方案在生態水文水質效應方面都優于其他方案，說明加強城市濕地的連通性，打造一個生態的濕地網絡，對于城市濕地資源的保護和恢復有很好的效果。

表4 顯著性檢驗

注：文中圖片均由作者繪制。