腰井子保護區生態需水分析

謝洪偉

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130012)

水資源是濕地生態系統形成和發育的關鍵因子。隨著氣候變化和人類活動的影響，濕地生態系統出現生態系統退化、水資源短缺等問題。科學準確地計算區域生態需水量是保障區域生態系統健康發展的重要基礎。按照前人的研究，濕地生態需水量可按研究對象分類，常見分類方法包括：①湖泊生態需水量和沼澤生態需水量[1]；②湖泊洼地需水量、植被需水量、土壤需水量、生物棲息地生態需水量和滲漏補給地下水等[2-3]。腰井子保護區以重要鳥類、蘆葦沼澤生境以及羊草草原保護等生態保護目標為主，濕地生態需水量按照上述分類往往不能保證濕地生態系統的健康發展，故保護區的生態環境需水量計算時考慮湖泊(含河渠、水庫)、沼澤、草地、林地等土地類型[4]。

本研究對腰井子保護區內湖泊、沼澤、草地、林地基本生態環境需水量的最小值、年內不同時段值和全年值以及湖泊、沼澤目標生態環境需水量的年內不同時段值和全年值分別進行了計算，計算結果可以為保護區內生態修復和規劃管理提供數據支持與借鑒。

1 研究區概況

腰井子保護區位于我國吉林省長嶺縣境內。該保護區自然條件優越，生物多樣性豐富，分布有沙生植物、蘆葦叢、沼澤地和濕生草甸。保護區內主要以草原面積為主(占47%)，其次為水域(占37%)。保護區內劃分為核心區和一般區，核心區為600hm2左右，其余為一般區，并實行不同的保護管理措施。

2 研究方法

2.1 湖泊基本生態需水量

鑒于水位資料條件限制，本研究采用“最枯月平均水面面積法”代替，通過遙感解譯20世紀70年代至今，每5年不同期的遙感解譯圖像，獲取當年最枯期平均水面面積。并通過逐日氣象數據，估算典型年情景下的需水定額(即需水深度)，二者乘積即為基本生態需水量最小值。年內不同時段基本生態需水量，采用“湖泊形態分析法[5]”“生物空間法[6]”“水域納污能力法[7]”分別計算維持湖泊形態功能不喪失的水量、維持生物棲息地功能不喪失的水量和維持自凈功能基本要求的水量。湖泊基本生態需水量全年值為年內不同時段基本生態需水量匯總。

2.2 沼澤基本生態需水量

可用維持自然保護區核心區范圍內水域的一定水面面積或水深所對應的水量作為沼澤基本生態環境需水量，分別計算沼澤基本生態環境需水量年內不同時段值和全年值。

2.3 草地/林地基本生態需水量

用“最枯月平均水面面積法”，通過遙感解譯20世紀70年代至今，每5年不同期的遙感解譯圖像，獲取當年最枯期平均草地/林地面積。并通過逐日氣象數據，估算典型年情景下的需水定額(即需水深度)，二者乘積即為基本生態需水量最小值。可用維持自然保護區范圍內草地/林地一定面積所對應的水量作為草地/林地基本生態環境需水量，分別計算草地/林地基本生態環境需水量年內不同時段值和全年值。

2.4 年內不同時段目標生態需水量

采用“湖泊形態分析法”“生物空間法”“水域納污能力法”分別計算維持湖泊形態功能不喪失的水量、維持生物棲息地功能不喪失的水量和維持自凈功能目標要求的水量。目標生態需水量全年值為年內不同時段目標生態需水量匯總。

3 計算結果

3.1 需水定額計算

(1)蘆葦需水定額。蘆葦生長期為5—10月，生長期多年平均生態需水定額為465.0m3/畝。受氣候變化綜合效應影響，2000—2009年期間，蘆葦多年生態需水定額史上最高，2010年以后，需水定額明顯偏低。蘆葦7—8月需水定額最大，為116.3m3/畝。

(2)草地需水定額。草地(含羊草)的生長期為5—8月，一般草地多年平均生態需水定額為124.7m3/畝，羊草多年平均需水定額為126.0m3/畝。5月平均需水定額最大，一般草地為62.4m3/畝，羊草為63.0m3/畝。

(3)水域需水定額。水域非冰封期為4—10月，水域需水定額為522.2m3/畝。

月平均需水定額結果見表1。

表1 典型土地利用類型生長期需水定額計算結果 單位：m3/畝

3.2 保護區面積

自20世紀70年代至今，每5年選取同年兩期遙感衛星數據，一方面反映人類活動影響下土地類型的變化特征，另一方面同年兩期數據能夠反映植被生長前后的特征。本研究選用地理空間數據云Landsat遙感衛星數據，考慮到云層對解譯的干擾，優先選取云層較少衛星影像，主要獲取1977、1982年空間分辨率為60m的Landsat MSS遙感影像，1987、1991、1996年空間分辨率為30m的landsat4-5 TM數據，2000、2005、2010年空間分辨率為30m的Landsat7 ETM數據，2015年與2017年空間分辨率為30m的Landsat8 OLI遙感數據。經過幾何粗校正、輻射定標、幾何精校正、大氣校正，去除云(陰影)像元，確保影像不存在幾何或輻射標定等方面的錯誤，再根據研究區范圍進行影像波段融合、影像鑲嵌完成拼接，并按照研究區矢量邊界對影像進行裁剪處理，采用ENVI5.3遙感分類軟件對生成的遙感影像進行地物信息提取，結合同期的Google Earth高分辨率圖像進行目視解譯。

(1)遙感解譯特征值

腰井子保護區湖泊、河渠、沼澤地、林地、草地面積平均值分別為484、613、3055、11299hm2，無水庫/坑塘和河渠面積。其中腰井子保護區有核心草地4450hm2，將作為調水工程的重點補水對象。面積解譯的統計數據特征值見表2。

表2 保護區面積解譯數理統計表 單位：hm2

(2)保護區目標面積確定

經對比分析確定，基本生態需水量對應的保護目標面積見表3。目標生態需水量對應的保護目標面積見表4。

表3 基本生態需水量對應的保護目標面積 單位：hm2

表4 目標生態需水量對應的保護目標面積 單位：hm2

3.3 生態需水量計算結果

近期受水區按照基本生態需水量水平進行生態補水，力爭生態環境恢復到歷史平均水平；遠期按照目標生態需水量進行生態補水，力爭生態環境狀況恢復到20世紀80年代水平。

腰井子保護區基本生態需水量最小值為1610萬m3/a。其中腰井子核心區基本生態需水量最小值為378萬m3/a。腰井子保護區優先保護目標為羊草草原，選取草地面積最小值典型年(2015年)計算其基本生態需水量為3264萬m3/a，其中核心區基本生態需水量為840萬m3/a。選取草地面積均值典型年(2000年)計算其目標生態需水量為3972萬m3/a，其中核心區目標生態需水量為924萬m3/a，詳見表5—6。

表5 保護區基本生態需水量計算結果 單位：萬m3/a

表6 保護區目標生態需水量計算結果 單位：萬m3/a

4 合理性分析

4.1 需水計算結果合理性分析

(1)蘆葦需水定額合理性分析

蘆葦生長從4月初開始萌芽，蘆葦種群生物量在8月下旬達到最大值，到9月接近生長期尾聲。故采用蘆葦生長期4—9月的蒸發量用于估算蘆葦的需水量。

根據《吉林西部供水工程初步設計報告》，選取吉林西部蘆葦濕地生態需水定額(按4—9月計)為465m3/畝(折合698mm)，如圖1所示[8]，通榆縣、長嶺縣與四平站在相近等值線上，故采用四平站計算的需水定額作為保護區的需水定額是合適的。根據DB 22/T 389—2019《吉林省用水定額》，蘆葦生態用水定額為468～692mm。本次計算成果為697.5mm，見表7，與上述成果基本相符。

表7 蘆葦多年平均蒸發量計算結果對比

圖1 吉林省多年(1951—2015年)平均蒸發量等值線圖

(2)水域需水定額合理性分析

本次計算結果分別與《西部引水工程初步設計報告》《白城市水面蒸發換算系數淺析》《四平地區多年實測蒸發量變化趨勢研究與評價》等多套資料進行月平均蒸發量對比，見表8。基本符合《吉林西部供水工程初步設計報告》多年平均需水定額850～1150mm，誤差范圍在-5.9%～13.1%之間，本次計算成果基本合理。

表8 不同資料來源中的吉林省西部地區水面平均蒸發量

4.2 下墊面面積合理性分析

腰井子水域、濕地、林地和草地面積遠高于三調數據，見表9。遙感解譯與三調數據成果的偏差，主要源于典型年選取的不一致性。

表9 遙感解譯特征值與三調數據對比 單位：hm2

5 結語

本研究以腰井子保護區為例，通過對比不同年代遙感影像數據，分析保護區目標面積，確定不同目標面積對應的生態需水量。充分考慮保護區保護目標為羊草草原，選取草地面積不同的典型年計算其基本生態需水量和目標生態需水量。計算生態需水量時考慮了湖泊、沼澤、草地、林地等土地類型，不同土地類型的需水定額分析考慮了降雨、蒸發、滲漏等因素的影響，同時，對需水計算結果進行了合理性分析。腰井子保護區生態需水分析成果對保障保護區生態系統健康發展具有重要意義，本研究方法可為自然保護區濕地生態需水分析計算提供借鑒和參考。