[比利時]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)中擔當著重要的角色,但是也受水文本身變化的影響。那種認為濕地在規(guī)整水文循環(huán)中起著重要作用的觀點被普遍接受,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有多大意義。傳統(tǒng)的濕地分類方法已不再適用,因為濕地的特征是由植被、水文、下墊面條件和地形地貌共同決定的。本研究的重點在于流域中濕地的作用和水文類型,濕地恢復類型特征可概括為:

(1)滲透恢復。一種通過恢復滲透區(qū)域來恢復濕地的方式。流域中不透水面積的比例對降雨徑流和基流的影響強烈,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。通常是位于沖積地區(qū)或者平坦地區(qū),主要是受雨水補給。有機物質(zhì)能夠很容易地在酸性、有毒環(huán)境下累積。很長時間,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)世紀以前就開挖了引水溝渠網(wǎng)絡,使上游的水頭下降。

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

(4)上游谷底濕地恢復。這些濕地實際上是起著緩沖區(qū)的作用,延緩著上游徑流對洪峰的增加作用。通過滯蓄壤中水流,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,容易礦化并形成富有生機的生態(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是一個分布式模型,同步統(tǒng)合了所有水文過程,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來源。模型由 3～5a的數(shù)據(jù)率定,并經(jīng)過5～7a分段時間驗證。

2.2 建立濕地恢復方案

有關模型對用地方式輸入的敏感在以前也進行過研究,被認為是模型的不確定因素。決定模型的用地類型和分類有3個來源,即陸地衛(wèi)星影像圖、地面覆蓋標圖和用于制定流域管理規(guī)劃的地圖。濕地恢復是否合適,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)存儲格式(DEM)),同時也要結合考慮土壤參數(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、森林和其他用地類型(例如蓑衣草地和紅楊樹地等)。對于西歐的大內(nèi)特河流域來說,從流域管理的用地類型圖來看,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來看,分別有2.94%和0.57%的面積屬于濕地。濕地植被的標注源于“生態(tài)價值圖譜”(BVM),是用于西歐佛蘭德斯地區(qū)和比利時首都布魯塞爾地區(qū)生態(tài)環(huán)境評估的標準。生態(tài)價值圖譜也是生態(tài)分類圖,被頻繁地用于用地類型圖。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%的流域面積是開放的水域。

2.4 基于 DEM的濕地分析

地形指數(shù)也被用于標識地下水的特征,這是基于地形指數(shù)決定地表徑流的假設,可以用來預測透水性沙壤土中水的狀況。該假設經(jīng)過了土壤地圖數(shù)據(jù)檢測,且已證明具有相當?shù)木?r2=0.77)。該方法適宜用來鑒別依賴于濕地的壤中流。

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烈地受河水水位的影響,可以認為是河流系統(tǒng)的水消費者。河流和河谷的高度差是地表水影響濕地的一個表征。另外,這些濕地一定是因河流沖積下沉或者是最近發(fā)生過的洪水造就的結果。

3 討 論

3.1 實際蒸散發(fā)和植物根區(qū)水份

在研究區(qū)域的23個試驗點,繪制了實際蒸散發(fā)量(AET)和植物根區(qū)(RZ)含水過程水文圖。研究人員將累積的蒸散發(fā)量和植物根區(qū)含水量與預案得出的蒸散發(fā)量及植物根區(qū)含水量進行了對比,結果見圖1。

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

圖2 植物根區(qū)含水量(左)和滲透恢復部分

對于上游水頭濕地、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1和站點2的植物根區(qū)含水量沒有站點 3的多。站點2的平均植物根區(qū)含水量呈下降趨勢,站點 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,勢必會在另外一些地方下降。站點選擇的目標是要確定流域?qū)τ谀撤N預案的反應能力。例如,本例中 3個站點的選擇是為了評估濕地滲透能力的恢復。3個站點的具體情況詳見表1。

表1 分析站點的位置和特征

站點1、2和 3的不同源于它們的位置和監(jiān)測點的不同。站點2和站點 3位于較大河流的河谷,而站點1則位于河流的上游,周圍為覆蓋型地表環(huán)繞。所以站點2和站點 3能夠從一個大的滲透區(qū)收集到地下水的橫向徑流。

對于滲透恢復,所做的流量曲線分析不能證明會使水文事件減少(見圖2)?？赡艿暮侠斫忉屖窃黾恿饔蛏橙朗康南聺B會導致地下水水位的上升,相應地也就會增加向河流的入流,尤其是那些河谷中的飽和土壤,這一點可以從圖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,總的徑流量并沒有發(fā)生大的變化。

第2個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。上游城市地區(qū)的徑流雖然能得到儲存,但由于遠離河流,所以對徑流洪峰的增加影響不大。同樣,谷底濕地的恢復將會增大曼寧(Manning)系數(shù)。植被的發(fā)展和生長,以及寬淺的河床,都會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,觀測發(fā)現(xiàn),有些分析站點沒有明顯的反應,尤其是累積蒸散發(fā)量,但是滲透恢復和下游河谷濕地恢復方面并非如此。上游水頭和上游河谷的33%和 40%的選擇分析站點都存在著這種情況(沒有明顯反應)。濕地可以記錄的反應取決于很多因素,例如地下水水位的位置和相對運動等。在所有情況中,平均地下水水位會在一個長時間段保持為一個常數(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

濕地是一個復雜的系統(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過程。不確定性還將繼續(xù)存在,因為模型還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方面:

(1)濕地在能量分配、蒸散發(fā)和凝結中的作用。蒸散發(fā)是所有水文過程中最顯著的要素,然而,不同水文條件下的實際蒸散發(fā)情況人們卻知之甚少。對濕地蒸散發(fā)量的評估依然是不夠的,主要是由于濕地復雜的地表特征和濕地類型的多樣性所決定的。由于濕地的多變性和復雜性,還沒有一個簡單的方法來最佳評估一個濕地的蒸散發(fā)能力,也沒有簡單獨立的測量辦法可以得到一個濕地的蒸散發(fā)能力。很顯然,除了含水量以外,空氣和氣孔對水汽的阻力會限制濕地的蒸散發(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)通過裁彎取直和適應性地形的改變也可進行濕地地表徑流的恢復,可能還會重新建立典型低洼的灘區(qū)濕地類型。河流中大型植被的生長能顯著地阻攔水流和增加相應的滯水量。在低流量河流條件下,河中大型植被的生長會導致泥沙的動態(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程,需要考慮物種不同的特殊性。與濕地相關的植被群落的范圍很廣,但是對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于氣壓差變化的反應方面,也即氣孔濕度。在所研究的區(qū)域,有紅楊沼澤林、楊木林、開放水域、灌木叢、籬笆和含水草地,所有這些物種在過水期都會受到影響。對于以籬笆為主的濕地植被,大型喬木的蒸散發(fā)能達到總蒸散發(fā)量的25%,主要取決于不同的籬笆類型,植被本身的根系也會改變土壤的傳導度。紅楊沼澤林在較潮濕的環(huán)境中有相對較低的傳導度和蒸散發(fā)速率。楊木林有較強的吸水力,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未知要素。變化的水文條件對土壤中的生物化學和植被發(fā)展有影響。這種變化可能發(fā)生于從一個營養(yǎng)貧乏的系統(tǒng)變化到高營養(yǎng)的系統(tǒng)過程中?？傊?濕地泥沙由于大面積縱向和橫向水利傳導度的不同而為模型模擬造成一定的難度。可以通過建立傳導度矩陣來解決,但是解決的過程相當復雜。

4 結 論

本研究的重點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果作為輸入項,以確定河谷濕地恢復的流域反應。這些包括滲透恢復、下游谷底濕地恢復、上游谷底濕地的恢復和上游水頭濕地的恢復。

河谷濕地恢復的結果表明,濕地恢復減少了地面覆蓋,增加了土壤的飽和區(qū),促進了地下水的交換,但是它對洪峰徑流并沒有產(chǎn)生明顯的增加作用。流域的實際蒸散發(fā)速率和植物根區(qū)含水量在所分析的站點各有變化,并受諸多因素的影響。這說明概括濕地的功能毫無意義,因為濕地在流域中所處的位置、氣候條件和地形都不相同。研究最后指出,針對濕地及其水文表現(xiàn)還有很多問題有待進一步研究。濕地高的蒸散發(fā)速率對流域水平衡影響較大,通常,濕地修建的溝渠不多時,可以作為下雨時的滯水緩沖區(qū)。濕地不確定性因素的存在是因為在模型中不能夠包括一些影響濕地行為的要素。不同的濕地類型要求有具體的水生態(tài),以保護濕地或者允許濕地提供某種期望的生態(tài)功能。