黃河口區域濕地生態補水研究

王安東

（山東黃河三角洲國家級自然保護區管理委員會/東營市黃河口生態監測與修復重點實驗室/東營市黃河口野生鳥類監測與保護重點實驗室，山東東營257091）

1 引言

水是生命之源，是地球上一切生物賴以生存的自然資源[1]，同時也是濕地生態系統形成和發育的關鍵因子?，F階段，由于經濟社會的不斷發展，河流湖泊自然條件的變化、人類對濕地的不合理開發和利用導致了一系列的生態環境問題，如濕地生態系統退化、生物多樣性降低、水環境污染等[2]。濕地生態系統的退化和喪失直接導致了濕地生物多樣性的降低，嚴重影響了濕地生態系統功能如調節氣候、涵養水源、蓄洪防旱、維持生物多樣性等的發揮。據估算，在2000—2015年期間，中國的自然濕地（沼澤）減少了7562 km2，而農業用地和城鎮用地的擴張分別貢獻了濕地面積減少的47.7%和13.8%。大壩和水庫修建等修復策略部分緩解了濕地的大面積喪失[3]。如何能夠最大限度的保證濕地保有率，維持濕地生態系統功能的正常發揮，同時兼顧當地經濟的發展是當前相關管理部門亟待解決的關鍵問題。而水在濕地生態系統的維持和功能的發揮中起著關鍵性的作用[4]。濕地生態補水的適時提出，為水資源的合理配置以及生態環境問題的解決提供了可能[2]。濕地生態補水是指濕地為維持自身發展過程和保護生物多樣性所需要的水量,包括濕地植物補水量、濕地土壤補水量、野生生物棲息地補水量[5]。它在維持濕地生態系統平衡與可持續性扮演著極其重要的角色。在當前水資源日益緊缺的情況下，如何準確的計算出區域濕地生態補水量，是提高區域水資源利用效率的重要前提[6]。

黃河口區域是《全國生態功能區》的生物多樣性保護生態功能區和生物多樣性保護重要區濕地。近年來，隨著黃河河口來水來沙條件變化和當地社會經濟社會發展，黃河口區域的生態保護也在面臨著嚴峻的挑戰，集中體現為黃河來水來沙減少，生態用水短缺；海陸與水陸的水文連通受損，生境格局改變。黃河口區域現狀生態問題包括以下幾個方面：（1）河-海關系失衡，造成故道入?？谖g退；（2）淡-咸界面失衡，造成故道、灘涂生態景觀退化；（3）人-地關系失衡，造成典型生態景觀破壞；（4）生態景觀“消”“退”，造成生物多樣性降低。以上種種生態問題使得黃河口區域濕地質量不斷下降，淡水沼澤濕地生態系統健康受到嚴重威脅，急需得到保護和修復。在保護和恢復淡水沼澤濕地措施中，水資源的合理分配是關鍵。一些學者已經對黃河口區域濕地的生態補水進行了研究。例如鄭凱等[7]的研究表明，不同類型的濕地，其補水量不同，刁口河及淡水濕地補水約0.54 億m3，維持河道不沖不淤的輸沙補水為0.97 億m3。且刁口河及其濕地保護區的季節生態補水量差異較大[6]。卓俊玲等[8]在黃河河口淡水濕地生態補水的研究中得出，黃河口區域濕地生態補水總量約為2.8～4.2 億m3。但基于生態保護目標的黃河河口濕地生態補水中，就最小生態補水量來說,維持生態水文結構合理規模所需的生態補水為35.40 億m3[9]。Cui 等[10]的研究表明，黃河口區域最小，最優及最大的生態補水分別為942 萬m3，1556 萬m3和2412 萬m3。不同的學者對黃河口區域濕地生態補水總量的估算不同。造成這種差異的原因，一方面是因為計算濕地生態補水所用的方法有所不同，另一方面則為所選的研究區范圍不同。同時，這些研究并沒有對黃河口區域濕地生態補水總量進行細致的分類，因為三角洲不同的水單元，其生態補水量不同。另外對黃河口區域未來的生態補水量也沒有進行相應的估算。對未來黃河口區域濕地生態補水的測算是很有必要的，因為黃河口區域未來的生態補水量直接受制于當前相關部門的水資源規劃與調度。

本研究選取黃河口區域范圍包括現行黃河入海口部分和刁口河濕地部分。由于黃河口區域濕地的時空差異，我們對三角洲濕地的補水單元進行了細分，并分別計算其生態補水量。然后對未來三角洲濕地的生態補水總量進行了生境分析，以期為黃河口區域濕地的生態修復和規劃管理提供基礎數據支持與借鑒。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

黃河口區域位于渤海灣與萊州灣的灣口，是黃河泥沙淤積、當地降水和徑流以及潮流作用下形成的扇形沖積平原，自然資源豐富。該地區還具有我國暖溫帶保存最完整、最廣闊、最年輕的濕地生態系統，是維系河口生態系統發育和演替、構成河口生物多樣性和生態完整性的重要基礎生態體系，具有原生性、脆弱性和稀有性等特征[11]。屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明。年平均氣溫12.1℃，無霜期196d，年平均降雨量576.7 mm，年平均蒸發量1962 mm。夏季降雨量約占全年降雨量的70%。該地區的植被主要包括蘆葦、鹽地堿蓬、檉柳、荻、穗狀狐尾藻、補血草等。鹽地堿蓬為潮間帶的先鋒物種[12]。黃河口區域國家自然保護區于1992年成立，包括北部的刁口河自然保護區和南部的黃河口自然保護區，其內濕地面積廣闊，類型多樣，既有天然濕地，淡水沼澤濕地、灘涂濕地、濱海濕地等，也有人工濕地，如水田、水庫、溝渠、鹽沼等。其中淡水沼澤濕地是河口地區陸域、淡水水域和海洋生態單元的交互緩沖地區，與黃河水力聯系密切，是維持河口系統平衡和生物多樣性保護的生態關鍵要素，淡水濕地對維持河口地區水鹽平衡，提供鳥類遷徙、繁殖和棲息生境，維持三角洲生態發育平衡等，具有十分重要和不可替代的生態價值與功能。

綜合考慮水連通過程補排關系、保護區功能區劃、景觀格局分布規律、土地權屬關系、規劃計算單元面積比例等，黃河口區域保護區項目區總共劃分為21 個水配置單元，進行補水分析。其中黃河口管理站區域劃分為9 個單元、大汶流管理站區域劃分為6 個單元、一千二管理站區域劃分為6 個單元（圖1）?；鶞誓?、近期年、遠期年涉及到的單元情況及分布如表1所示。

表1 水資源配置單元規劃表Table 1 The planning information of water resource allocation units

圖1 水資源配置單元分布圖Figure 1 The Spatial distribution map of water resource allocation units

2.2 土地利用現狀

根據2018年土地利用遙感數據顯示，黃河口區域保護區總面積15.30 萬hm2，其中一千二管理站區域占地面積4.40 萬hm2，占保護區總面積的28.76%；黃河口管理站區域占地面積4.19 萬hm2，占保護區總面積的27.39%；大汶流管理站區域占地面積6.71 萬hm2，占保護區總面積的43.85%。黃河口區域自然保護區共包含20 種地類，其中6 m 等深線海域、灘涂濕地、農田居多，比例分別占到28.73%、23.56%、16.76%，如圖2所示。

圖2 黃河三角洲保護區土地類型圖Figure 2 The land-use of Yellow River Delta Nature Reserve

2.3 研究方法

2.3.1 生態補水量計算

本研究中考慮生態補水量為生態耗水量、生境蓄存水量和鳥類補食區補水。生態耗水量分別計算濕地生態耗水量與林地生態耗水量。生境蓄存水量采用水量平衡法計算其生態補水量，一般通過生態水位法確定其最小和適宜水位，然后采用最小和適宜水深與水面面積的乘積得到維持一定生境的最小生態補水量。保護區內農田是鳥類重要的補食區，因此鳥類補食區補水量由農田定額補水的方法計算。

生態補水量：

其中EWr 為生態補水量，EWc 為生態耗水量，HSWq 為生境蓄存水量，BFAWr 為鳥類補食區補水

生態耗水量：

其中Ww為濕地生態耗水量，Fw為濕地水面面積，Fwp為濕地植被面積，PW表示降雨量，Ew水面蒸發耗水量，Tw植物蒸散發耗水量，GW土壤下滲耗水量；Wf為林地生態耗水量，Ff為林地空地面積，Ffp為林地植被面積。水量輸入包括：Pf表示降雨量。水量輸出包括：Ef土壤蒸發耗水量，Tf植物蒸散發耗水量，Gf土壤下滲耗水量。

生境蓄存水量：

式中，HSWq為生境補水量，S0為某一模擬水位對應的水深分布每個斑塊的面積；hi為第i 個斑塊對應的水深；i=1,2,3，……，n；n 為斑塊總數。

鳥類補食區補水量：

其中，AQWr為農田定額補水，Aa為農田面積，Iq為灌水定額，Ir為灌溉率（0.6）

2.3.2 生境模擬

黃河口區域生態系統包括淡水生態系統，咸水生態系統和淡咸水交互系統，其中淡水系統包括河流生態系統、林地、河漫灘灌草地；咸水生態系統包括灘涂、鹽沼濕地；淡咸水交互生態系統包括一些淡咸水交替的沼澤系統。目前黃河口區域各類生態系統都存在各自特有的生態問題，本研究在優化水系連通，提升完善黃河口區域保護區內取、蓄、輸、灌、排水系統格局上設定生境補水目標為基本目標下的生態補水生境為：

（1）檉柳林恢復

一千二管理站2018年有檉柳林2036 hm2，2025年規劃將刁口河故道西側農田恢復為檉柳林，以及一千二片區東側孤北水庫周邊恢復為蘆葦濕地，恢復后檉柳林達到2366 hm2。至2030年，規劃將孤北水庫西側確權農田恢復為檉柳林，恢復后檉柳林5290 hm2。

（2）蘆葦濕地、林地恢復

一千二管理站2018年有蘆葦濕地410 hm2，2025年規劃沿刁口河故道西側新建刺槐林270 hm2。

黃河口管理站2018年具有蘆葦濕地面積4374 hm2、刺槐林3280 hm2。2025年規劃主要對黃河口管理站區域的水系進行完善，蘆葦濕地面積5574 hm2，于黃河口管理站北部邊界區域恢復刺槐林。至2030年，在黃河口區域保護區確權范圍內實施退耕還濕，增加蘆葦濕地的面積；2030年恢復后蘆葦濕地面積達到8012 hm2、刺槐林達到6680 hm2、檉柳林達到560 hm2。

大汶流管理站2018年具有蘆葦濕地面積5646 hm2、旱柳林700 hm2、檉柳林747 hm2。2025年近期工程針對黃河故道進行引灌淡水恢復，工程成功后蘆葦濕地面積可以達到8271 hm2。2030年規劃將大汶流管理站西南邊界處的養殖池恢復為蘆葦濕地，并且在黃河故道東部區域修建堤壩儲存淡水，工程完成后，蘆葦濕地面積將達到10198 hm2。

各類具體生境見表2。

表2 生態補水情景下的生境情況Table 2 The habitat condition of three ecological water replenishment scenarios

3 結果與分析

3.1 黃河口區域生態耗水時空分析

從逐月的生態耗水量來看，大汶流的生態耗水量集中在3—6月、9月和10月?；旧鷳B目標下2018年黃河口管理站生態耗水量在正常水平年生境中為3281.4 萬m3；大汶流管理站生態耗水量在正常水平年生境中為4997.1 萬m3；一千二管理站生態耗水量在正常水平年生境中為690 萬m3。2025年黃河口管理站生態耗水量在正常水平年生境中為7839.7 萬m3；大汶流管理站生態耗水量在正常水平年生境中為9568.1 萬m2；一千二管理站生態耗水量在正常水平年生境中為3802.8 萬m3。2030年黃河口管理站生態耗水量在正常水平年生境中為9256.4 萬m3；大汶流管理站生態耗水量在正常水平年生境中為11785.6 萬m3；一千二管理站生態耗水量在正常水平年生境中為8413.0 萬m3（圖3）。

圖3 2018、2025 和2030 正常年生態耗水量時空分析圖Figure 3 Temporal and spatial analysis of ecological water consumption in three normal years

3.2 黃河口區域生境蓄存水量

從2018年到2025年，再到2030年，黃河口、大汶流以及一千二3 個片區的總生境蓄存水量分別為0.72 億m3，0.98 億m3，1.26 億m3，總生境蓄存水量不斷增加。其中，大汶流的生境蓄存水量是最高的，其次是黃河口，一千二的生境蓄存水量是最少的。在基本生態目標生境下，2018年黃河口濕地生境蓄存水量為2174 萬m3，2025年為3203 萬m3，2030 為4890 萬m3。2018年大汶流濕地生境蓄存水量為4738 萬m3，2025年為5367 萬m3，2030 為6326 萬m3。2018年一千二濕地生境蓄存水量為287 萬m3，2025年為1255 萬m3，2030 為1335 萬m3（圖4）。

圖4 基本生態目標生境下正常年生境中黃河口區域濕地生境蓄存水量Figure 4 The water storage of Yellow River delta wetlands in basic ecological scenario under normal climate year

3.3 鳥類補食區補水量

根據《山東省主要農作物灌溉定額（DB37/T 1640-2015）》和黃河口區域保護區的種植類型確定黃河口灌溉定額2385 m3/hm2、大汶流灌溉定額2520 m3/hm2、一千二灌溉定額1860 m3/hm2，灌溉利用系數為0.6。鳥類補食區補水量總額為5659.38 萬m3/年（表3）。

表3 鳥類補食區補水量Table 3 The supply water amount of bird feeding areas

3.4 生態補水總量

基本生態目標下黃河口區域生態補水總量在2018、2025、2030 正常生境年中分別為23956.7 萬m3、43187.3萬m3，48006.8 萬m3、54485.7 萬m3。其中，黃河口在2018、2025、2030 正常生境年中生態補水總量分別為9477.4 萬m3、14578.4 萬m3，22558.1 萬m3。大汶流在2018、2025、2030 正常生境年中生態補水總量分別為12411.6 萬m3、23550.8 萬m3，24929.7 萬m3。一千二在2018、2025、2030 正常生境年中生態補水總量分別為2067.7 萬m3、5058.0 萬m3，11085.1 萬m3（圖5）。

圖5 基本生態目標生境下正常年生境中黃河口區域濕地生態補水總量Figure 5 The total supply water amount of Yellow River delta wetlands in basic ecological scenario under normal climate year

4 討論

本研究測算了基本生態目標下正常水平年生境中黃河口區域濕地在2018年、2025年和2030年中的生態耗水量、生態蓄存水量、鳥類補食區補水量和生態補水總量。作為生態系統初級生產力之一的植被群落的生態耗水，是整個生態系統，尤其是生物要素部分生存和發展的重要基礎，是生態耗水中的基礎性組分。本研究得出，黃河口區域的生態耗水量時空差異明顯。在4—6月期間，大汶流、黃河口和一千二的生態耗水量明顯增大。這是由于濕地的蒸發蒸騰耗水所致。雖然4—6月期間，黃河口區域濕地降雨量呈增加趨勢，但濕地的蒸發蒸騰耗水量遠大于降雨的補水量[6]。2018—2030年，三角洲濕地的總耗水量呈增加趨勢，這是因為我們的生境模擬中，黃河口區域蘆葦濕地、林地和檉柳林濕地面積均呈增加的趨勢，其生態耗水量也必然增加。

生境蓄存水量為維持生態環境健康狀態的補水量。濕地鳥類作為濕地生態系統的重要組成部分之一，濕地鳥類的各種行為、種群動態及群落結構都與生態環境健康狀況密切相關。所以基于鳥類棲息地適宜性可以作為濕地生境蓄存水量評估的重要指標之一。本研究基于棲息地適宜性的生境蓄存水量在2018-2030年期間不斷增加，說明維持黃河口區域生態環境健康所補水量不斷增加。這是因為黃河口區域為東北-澳大利西亞和環西太平洋鳥類遷徙的“中轉站”，越冬地和繁殖地，承擔著155 種和53 種中日和中澳國際間候鳥遷徙、以及25 種國家一級重點保護鳥類和65 種國家二級重點保護鳥類的保育工作[13]。隨著鳥類的種類和數量的不斷增加，維持三角洲濕地生態環境健康狀態的補水量也在不斷增加。

由于黃河口區域濕地總生態耗水量和總生境蓄存水量的增加（鳥類補食區補水量不變的情況下），必然導致其總生態補水量的增加。本研究表明，黃河口區域總生態補水量呈增加的態勢，到2030年，其總生態補水量為2018年的2 倍之多。這說明未來黃河口區域濕地的水量需求更為旺盛，水資源合理配置更為嚴峻。

5 結論

濕地生態補水在維持濕地生態系統平衡和可持續發展方面扮演著極其重要的角色，是提高水資源高效利用的重要前提。本文通過模擬黃河口區域濕地在規定生境下生態耗水量、生境蓄存水量、鳥類補食區補水量以及生態補水總量，得出黃河口區域濕地生態耗水量季節差異明顯?？偵鷳B耗水量、生境蓄存水量和生態補水總量都呈現增加的態勢。黃河口區域不同區域其生態耗水，生境蓄存水量以及生態補水總量不同，其中大汶流的生態耗水量、生境蓄存水量以及生態補水總量最高，其次是黃河口，一千二的生態耗水量、生境蓄存水量以及生態補水總量最少。