模擬濕地恢復(fù)的水文效果研究

[比利時(shí)]J.斯塔伊斯 M.H.魯巴倫茲亞 P.梅爾 P.威廉姆斯

1 研究概況

濕地在水文循環(huán)中擔(dān)當(dāng)著重要的角色,但是也受水文本身變化的影響。那種認(rèn)為濕地在規(guī)整水文循環(huán)中起著重要作用的觀點(diǎn)被普遍接受,但是,不同流域濕地的具體影響是不同的。由于具體地點(diǎn)位置不同、氣候和流域的地形各異,概括地講濕地功能似乎沒(méi)有多大意義。傳統(tǒng)的濕地分類(lèi)方法已不再適用,因?yàn)闈竦氐奶卣魇怯芍脖弧⑺?、下墊面條件和地形地貌共同決定的。本研究的重點(diǎn)在于流域中濕地的作用和水文類(lèi)型,濕地恢復(fù)類(lèi)型特征可概括為:

(1)滲透恢復(fù)。一種通過(guò)恢復(fù)滲透區(qū)域來(lái)恢復(fù)濕地的方式。流域中不透水面積的比例對(duì)降雨徑流和基流的影響強(qiáng)烈,有研究表明,城市化25%的流域,其地下水交換就要損失20%。通常近似地認(rèn)為,地下水交換損失的比例與城市化的比例一致。

(2)上游水頭濕地恢復(fù)。通常是位于沖積地區(qū)或者平坦地區(qū),主要是受雨水補(bǔ)給。有機(jī)物質(zhì)能夠很容易地在酸性、有毒環(huán)境下累積。很長(zhǎng)時(shí)間,累積的泥炭層像海綿一樣吸蓄著水源,這些濕地大多數(shù)在數(shù)世紀(jì)以前就開(kāi)挖了引水溝渠網(wǎng)絡(luò),使上游的水頭下降。

(3)下游谷底濕地恢復(fù)。這些濕地起著削減洪峰和調(diào)節(jié)洪水的作用。洪水被暫時(shí)地蓄存在這里,泥沙和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在這里沉積。這些濕地肥沃,產(chǎn)出率高,同時(shí)也是水消耗大戶(hù),在干旱期間會(huì)大大減少河流的基流。

(4)上游谷底濕地恢復(fù)。這些濕地實(shí)際上是起著緩沖區(qū)的作用,延緩著上游徑流對(duì)洪峰的增加作用。通過(guò)滯蓄壤中水流,增加了基流的穩(wěn)定性,也提高了地下水水位,增加了地下水交換,這些區(qū)域的水位呈季節(jié)性地波動(dòng),容易礦化并形成富有生機(jī)的生態(tài)系統(tǒng)。

2 研究區(qū)域和研究方法

2.1 研究區(qū)域

西歐佛蘭德斯(Flanders)地區(qū)北部的大內(nèi)特河流域是一個(gè)中等規(guī)模的流域。該流域遍布著沙壤土,平坦的地形從西邊海拔約有12m到東邊約有69m,地下水較淺,流域面積為 385km2。水文模擬采用的模型是 MIKESHE。MIKESHE是一個(gè)分布式模型,同步統(tǒng)合了所有水文過(guò)程,包括下滲、虹吸上升、蒸散發(fā)、漫灘溢流、井水抽取和地下水徑流等。MIKESHE為流域提供水平衡信息,并能分析流域河流交換的主導(dǎo)來(lái)源。模型由 3～5a的數(shù)據(jù)率定,并經(jīng)過(guò)5～7a分段時(shí)間驗(yàn)證。

2.2 建立濕地恢復(fù)方案

有關(guān)模型對(duì)用地方式輸入的敏感在以前也進(jìn)行過(guò)研究,被認(rèn)為是模型的不確定因素。決定模型的用地類(lèi)型和分類(lèi)有3個(gè)來(lái)源,即陸地衛(wèi)星影像圖、地面覆蓋標(biāo)圖和用于制定流域管理規(guī)劃的地圖。濕地恢復(fù)是否合適,主要取決于地形地貌分析(一種高效的數(shù)字地圖高程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式(DEM)),同時(shí)也要結(jié)合考慮土壤參數(shù)和上下游的比降。

2.3 濕地植被

濕地按植被的不同可以分為草地、森林和其他用地類(lèi)型(例如蓑衣草地和紅楊樹(shù)地等)。對(duì)于西歐的大內(nèi)特河流域來(lái)說(shuō),從流域管理的用地類(lèi)型圖來(lái)看,大約只有0.11%的面積屬于濕地,但是從陸地衛(wèi)星影像和地面覆蓋圖標(biāo)來(lái)看,分別有2.94%和0.57%的面積屬于濕地。濕地植被的標(biāo)注源于“生態(tài)價(jià)值圖譜”(BVM),是用于西歐佛蘭德斯地區(qū)和比利時(shí)首都布魯塞爾地區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)。生態(tài)價(jià)值圖譜也是生態(tài)分類(lèi)圖,被頻繁地用于用地類(lèi)型圖。植被狀況是確定濕地退化的有效方法。根據(jù)“生態(tài)價(jià)值圖譜”,研究流域大約有6.5%的面積有明顯的濕地特征,大約有12%的流域面積顯示出退化前的濕地特征,5.2%的流域面積是開(kāi)放的水域。

2.4 基于 DEM的濕地分析

地形指數(shù)也被用于標(biāo)識(shí)地下水的特征,這是基于地形指數(shù)決定地表徑流的假設(shè),可以用來(lái)預(yù)測(cè)透水性沙壤土中水的狀況。該假設(shè)經(jīng)過(guò)了土壤地圖數(shù)據(jù)檢測(cè),且已證明具有相當(dāng)?shù)木?r2=0.77)。該方法適宜用來(lái)鑒別依賴(lài)于濕地的壤中流。

2.5 基于 DEM的河水位影響

地表徑流濕地(SFW)或者濕地的地下水水位強(qiáng)烈地受河水水位的影響,可以認(rèn)為是河流系統(tǒng)的水消費(fèi)者。河流和河谷的高度差是地表水影響濕地的一個(gè)表征。另外,這些濕地一定是因河流沖積下沉或者是最近發(fā)生過(guò)的洪水造就的結(jié)果。

3 討 論

3.1 實(shí)際蒸散發(fā)和植物根區(qū)水份

在研究區(qū)域的23個(gè)試驗(yàn)點(diǎn),繪制了實(shí)際蒸散發(fā)量(AET)和植物根區(qū)(RZ)含水過(guò)程水文圖。研究人員將累積的蒸散發(fā)量和植物根區(qū)含水量與預(yù)案得出的蒸散發(fā)量及植物根區(qū)含水量進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 累積的蒸散發(fā)量和植物根區(qū)含水量與預(yù)案得出的蒸散發(fā)量及植物根區(qū)含水量的對(duì)比

圖2 植物根區(qū)含水量(左)和滲透恢復(fù)部分

對(duì)于上游水頭濕地、上游谷底濕地和下游谷底濕地的模擬表明,植物根區(qū)含水量累積曲線有明顯的減少。植物根區(qū)含水量的變化可以從圖2中看出。

站點(diǎn)1和站點(diǎn)2的植物根區(qū)含水量沒(méi)有站點(diǎn) 3的多。站點(diǎn)2的平均植物根區(qū)含水量呈下降趨勢(shì),站點(diǎn) 3卻上升了。這表明,植物根區(qū)含水量在濕地某些地方上升,勢(shì)必會(huì)在另外一些地方下降。站點(diǎn)選擇的目標(biāo)是要確定流域?qū)τ谀撤N預(yù)案的反應(yīng)能力。例如,本例中 3個(gè)站點(diǎn)的選擇是為了評(píng)估濕地滲透能力的恢復(fù)。3個(gè)站點(diǎn)的具體情況詳見(jiàn)表1。

表1 分析站點(diǎn)的位置和特征

站點(diǎn)1、2和 3的不同源于它們的位置和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的不同。站點(diǎn)2和站點(diǎn) 3位于較大河流的河谷,而站點(diǎn)1則位于河流的上游,周?chē)鸀楦采w型地表環(huán)繞。所以站點(diǎn)2和站點(diǎn) 3能夠從一個(gè)大的滲透區(qū)收集到地下水的橫向徑流。

對(duì)于滲透恢復(fù),所做的流量曲線分析不能證明會(huì)使水文事件減少(見(jiàn)圖2)?？赡艿暮侠斫忉屖窃黾恿饔蛏橙朗康南聺B會(huì)導(dǎo)致地下水水位的上升,相應(yīng)地也就會(huì)增加向河流的入流,尤其是那些河谷中的飽和土壤,這一點(diǎn)可以從圖2看出。圖中覆蓋地表的土壤入流減少了,飽和土壤的入流增大了,但是總體上,總的徑流量并沒(méi)有發(fā)生大的變化。

第2個(gè)解釋就是離河流較近的城市化增加了洪水徑流及其峰值,而這些洪水徑流又由于濕地有較高的濕度,因而不能被存儲(chǔ)。上游城市地區(qū)的徑流雖然能得到儲(chǔ)存,但由于遠(yuǎn)離河流,所以對(duì)徑流洪峰的增加影響不大。同樣,谷底濕地的恢復(fù)將會(huì)增大曼寧(Manning)系數(shù)。植被的發(fā)展和生長(zhǎng),以及寬淺的河床,都會(huì)影響周邊的地下水水位,增加土壤飽和區(qū)的水力水頭。

最后,觀測(cè)發(fā)現(xiàn),有些分析站點(diǎn)沒(méi)有明顯的反應(yīng),尤其是累積蒸散發(fā)量,但是滲透恢復(fù)和下游河谷濕地恢復(fù)方面并非如此。上游水頭和上游河谷的33%和 40%的選擇分析站點(diǎn)都存在著這種情況(沒(méi)有明顯反應(yīng))。濕地可以記錄的反應(yīng)取決于很多因素,例如地下水水位的位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)等。在所有情況中,平均地下水水位會(huì)在一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間段保持為一個(gè)常數(shù)。但潛在蒸散發(fā)能力和累積蒸散發(fā)量并不一致。如果潛在蒸散發(fā)能力持續(xù)著,多余的水也不可能增加累積蒸散發(fā)量。

3.2 影響濕地的特征要素

濕地是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),有著很多物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化,我們還不能理解所有的相關(guān)過(guò)程。不確定性還將繼續(xù)存在,因?yàn)槟Ｐ瓦€不可能包括影響濕地行為特征的要素。這些要素包括以下幾個(gè)方面:

(1)濕地在能量分配、蒸散發(fā)和凝結(jié)中的作用。蒸散發(fā)是所有水文過(guò)程中最顯著的要素,然而,不同水文條件下的實(shí)際蒸散發(fā)情況人們卻知之甚少。對(duì)濕地蒸散發(fā)量的評(píng)估依然是不夠的,主要是由于濕地復(fù)雜的地表特征和濕地類(lèi)型的多樣性所決定的。由于濕地的多變性和復(fù)雜性,還沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單的方法來(lái)最佳評(píng)估一個(gè)濕地的蒸散發(fā)能力,也沒(méi)有簡(jiǎn)單獨(dú)立的測(cè)量辦法可以得到一個(gè)濕地的蒸散發(fā)能力。很顯然,除了含水量以外,空氣和氣孔對(duì)水汽的阻力會(huì)限制濕地的蒸散發(fā)速率。另外,濕地周邊的環(huán)境和濕地的大小也是影響濕地蒸散發(fā)量的重要因素。

(2)通過(guò)裁彎取直和適應(yīng)性地形的改變也可進(jìn)行濕地地表徑流的恢復(fù),可能還會(huì)重新建立典型低洼的灘區(qū)濕地類(lèi)型。河流中大型植被的生長(zhǎng)能顯著地阻攔水流和增加相應(yīng)的滯水量。在低流量河流條件下,河中大型植被的生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致泥沙的動(dòng)態(tài)受阻,并形成寬淺的河床,甚至在河槽中形成泥沙淤積。

(3)合并不同的濕地植被及其參數(shù)。為精確研究濕地的水文過(guò)程,需要考慮物種不同的特殊性。與濕地相關(guān)的植被群落的范圍很廣,但是對(duì)于它們的一些特殊行為,人們還知之甚少。這些物種最大的不同是對(duì)于氣壓差變化的反應(yīng)方面,也即氣孔濕度。在所研究的區(qū)域,有紅楊沼澤林、楊木林、開(kāi)放水域、灌木叢、籬笆和含水草地,所有這些物種在過(guò)水期都會(huì)受到影響。對(duì)于以籬笆為主的濕地植被,大型喬木的蒸散發(fā)能達(dá)到總蒸散發(fā)量的25%,主要取決于不同的籬笆類(lèi)型,植被本身的根系也會(huì)改變土壤的傳導(dǎo)度。紅楊沼澤林在較潮濕的環(huán)境中有相對(duì)較低的傳導(dǎo)度和蒸散發(fā)速率。楊木林有較強(qiáng)的吸水力,它在所研究區(qū)域占2.8%～3.2%的流域面積。

(4)變化的水文條件下,泥沙的變化也是一個(gè)未知要素。變化的水文條件對(duì)土壤中的生物化學(xué)和植被發(fā)展有影響。這種變化可能發(fā)生于從一個(gè)營(yíng)養(yǎng)貧乏的系統(tǒng)變化到高營(yíng)養(yǎng)的系統(tǒng)過(guò)程中?？傊?濕地泥沙由于大面積縱向和橫向水利傳導(dǎo)度的不同而為模型模擬造成一定的難度?？梢酝ㄟ^(guò)建立傳導(dǎo)度矩陣來(lái)解決,但是解決的過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜。

4 結(jié) 論

本研究的重點(diǎn)在于濕地在流域和水文地形中的地位。使用分布式水文模型的結(jié)果作為輸入項(xiàng),以確定河谷濕地恢復(fù)的流域反應(yīng)。這些包括滲透恢復(fù)、下游谷底濕地恢復(fù)、上游谷底濕地的恢復(fù)和上游水頭濕地的恢復(fù)。

河谷濕地恢復(fù)的結(jié)果表明,濕地恢復(fù)減少了地面覆蓋,增加了土壤的飽和區(qū),促進(jìn)了地下水的交換,但是它對(duì)洪峰徑流并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的增加作用。流域的實(shí)際蒸散發(fā)速率和植物根區(qū)含水量在所分析的站點(diǎn)各有變化,并受諸多因素的影響。這說(shuō)明概括濕地的功能毫無(wú)意義,因?yàn)闈竦卦诹饔蛑兴幍奈恢?、氣候條件和地形都不相同。研究最后指出,針對(duì)濕地及其水文表現(xiàn)還有很多問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。濕地高的蒸散發(fā)速率對(duì)流域水平衡影響較大,通常,濕地修建的溝渠不多時(shí),可以作為下雨時(shí)的滯水緩沖區(qū)。濕地不確定性因素的存在是因?yàn)樵谀Ｐ椭胁荒軌虬ㄒ恍┯绊憹竦匦袨榈囊亍２煌臐竦仡?lèi)型要求有具體的水生態(tài),以保護(hù)濕地或者允許濕地提供某種期望的生態(tài)功能。