湿地生态环境的水需求量优化

湿地是缓冲陆地和水生系统交互作用的群落交错区，改变湿地水文条件将会在很大程度上影响湿地生物多样性，并导致湿地生态系统的改变。

广义的湿地生态需水量就是指湿地为维持自身发展过程和保护生物多样性所需要的水量。狭义而言，湿地生态需水量是指湿地每年用于生态消耗而需要补充的水量，主要是补充湿地生态系统蒸散需要的水量。广义的湿地环境需水量是指湿地支持和保护自然生态系统与生态过程、支持和保护人类活动与生命财产以及改善环境而需要的水量。狭义而言，湿地环境需水量是指湿地每年用于环境消耗而需要补充的水量，即补充湿地每年渗漏、防止盐水入侵及补给地下水漏斗、防止岸线侵蚀及河口生态环境需要的水量[28]。

1.湿地生态需水量

（1）湿地植物需水量Wp。湿地植物的正常生长所需要的水分就是植物需水量，植物需水量包括植物含水量、蒸腾量、植株表面蒸发以及棵间蒸发等几部分。其中，蒸腾量和棵间蒸发量是主要的耗水项目，占整个植物需水量的99%左右，因此把湿地植物需水量近似理解为植物叶面蒸腾和棵间土壤蒸发的水量之和，即蒸散发量[36]。在正常生育状况下（水分充分满足），常采用彭曼公式计算植物实际蒸散发量。在估算大区域或流域湿地植物需水量中，常常采用湿地植被面积和蒸散发量的乘积进行植物需水量的计算。从理论上可表达为

式中：A（t）为湿地植被面积；ETm为蒸散发量；t为时间。

（2）湿地土壤需水量Qt。湿地土壤需水量与植物生长及其需水量密切相关。在一定的时空尺度内，土壤中具有一定的含水量，但土壤中的含水量并不能代表土壤的需水量，因此，土壤含水量不是解决土壤需水量的办法，但却是一个参照。不同的湿地土壤，持水量、含水量和水特性不同，需水量就会有差异，通常根据研究的需要，按照前述湿地生态环境需水量阈值特征，用田间持水量或用饱和持水量参数进行计算[28]，公式为

式中：α为田间持水量或饱和持水量百分比，根据研究的土壤类型而定；γ为土壤容重；H为土壤厚度；At为湿地土壤面积。

（3）野生生物栖息地需水量Qi（i＝1，2）。野生生物栖息地需水量是鱼类、鸟类等栖息、繁殖需要的基本水量。以湿地的不同类型为基础，找出关键保护物种，如鱼类或鸟类，根据正常年份鸟类或鱼类在该区栖息、繁殖的范围内计算其正常水量，为避免与湿地土壤需水量的重复，这里只计算地表以上低洼地的蓄水量（满足野生动物栖息、繁殖的水量）。

计算野生生物栖息地的理想需水量和最小需水量的公式如下[2]

式中：Q1为理想需水量；Q2为最小需水量；Ab为湿地区正常年面积；At为洪水期湿地面积；Am为枯水期湿地面积；T1、T2分别为洪水期、枯水期水平面高度；B为正常年水平面高度；δ1、δ2分别为水平面高度订正系数。

2.湿地环境需水量

（1）补水需水量W。湿地具有补给地下水的功能，实现这一功能是通过渗漏途径完成的。根据达西定律其计算公式为

式中：k为渗透系数；I为水力坡度；A为渗流剖面面积；L为计算区域长度。

对于有大面积水稻田（人工湿地）的平原区，水稻生长期的降水入渗和灌溉入渗应一并考虑（可按水稻生长期有效降水量与同期灌溉水量间的比例关系，分别确定两者的数量），其入渗补给量的计算公式为

式中：Φ为水稻田稳渗率，即降水或灌溉水每天平均对地下水的补给量，实验数据表明：黏土Φ＝1mm/d，亚黏土Φ＝1.7mm/d，亚砂土Φ＝2.5mm/d，粉细砂Φ＝3mm/d；T为水稻生长期（包括泡田期），单季稻为120d，双季稻为180d；F为水稻田计算面积。(www.xing528.com)

另外，若存在向其他湿地补水，则通过研究被研究湿地来水量的类型，用水量平衡的方法进行计算。

（2）防止盐水入侵需水量Qw。控制地表盐化、避免海水从地下侵入，主要计算溶盐、洗盐和滨海湿地防止盐水入侵需要的水量。

防止盐水入侵需水量主要计算补给地下水漏斗水量Qw，其公式为

式中：α为给水度；A（t）为地下漏斗面积；h（t）为漏斗取水面净上升高度。

对于溶盐、洗盐而言，根据盐土分布特征、盐土类别以及含盐量等特点，以达标含盐量（即通过溶盐、洗盐后希望达到的含盐量）为根据，计算溶盐、洗盐需水量。公式为[28]

式中：Wy为溶盐、洗盐需水量；R0为达标含盐量，%；R为需要洗盐的盐土表层含盐量，%；A为土壤面积；ρ为土壤密度；H为土壤层厚度；β为溶解度。

（3）防止岸线侵蚀需水量W。防止河岸、湖岸和海岸侵蚀，河岸、湖岸的湿地植被是防止岸线侵蚀的屏障，其需水量可依据植被和土壤类型计算，如对于红树林湿地就可通过计算红树林植被及其土壤需水量等来确定防止岸线侵蚀需水量。这里主要计算河口生态环境需水量，计算公式为[37]

式中：S为多年平均输沙量；Cmax为多年最大月平均含沙量的平均值；Cij为第i年j（j＝1，…，12）月的平均含沙量；N为统计年数。

（4）净化污染物需水量Wj。从理论上来讲，净化污染物需水量模型可表示为

式中：t为时间；Qd为点源污水排放量进入湿地量；Qm为非点源污水进入湿地总量；α、β分别为点源污水和非点源污水的稀释倍数，稀释倍数的计算根据达标排放浓度与地表水国家标准比值而定。

然而，由于湿地面积的限制以及排污量较大，上述公式计算的结果将会很大，需要如此大的水量来对污染物进行稀释是不现实的。另一方面，按陈宜瑜[37]的研究成果，湿地对污染物COD的净化效果是0.2t/hm2，根据这一结果，以黄淮海地区典型沼泽湿地总面积为74万hm2为例，能够净化污水仅仅为0.015亿m3，即使将其他类型的湿地一并考虑在内，进入湿地的污水远远高于其净化能力，因此，唯一的途径是大量的污染物在排放前必须得到有效处理。这样，上述理论公式中的Qd（t）应改为Qr（t），即湿地可容纳、可承载点源污水排放量[28]，这样更符合生产实际。

（5）景观需水量QT。休闲娱乐、旅游摄影等需水量，重点计算特殊湿地区用于该项的需水量。其模型可表示为

式中：QT为娱乐休闲需水量；Q（t）为时间t生物栖息地需水量，常计算湿地水体水量，与野生生物栖息地需水量相一致。