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张珮纶，王 浩，雷晓辉，王 旭 （中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038） 摘 要：随着对湿地生境保护的日益重视，生态补水成为国内外诸多湿地为防止生态退化而采用的生态恢复方法，其旨在补给湿地生态系统的水资源短缺量，维护湿地系统生境的动态平衡。基于对湿地生态需水量研究方法的总结，阐述了湿地生态需补水量的确定方法，并在此基础上根据国内湿地与补给水源之间的位置及供需关系，系统归纳了与补给水源不同位置关系的各类型湿地的适宜生态补水方法。总结了国内湿地生态补水保障机制，指出现有湿地生态补水在应用和研究层面存在的问题，提出湿地生态需补水量、湿地生态补水的完整方法体系和模式、湿地生态补水的不确定性分析和多目标决策是今后的研究重点。 关键词：湿地；生态需水；生态补水；生态补偿 湿地是水文状况的调节者，是某种独特植物区系和动物区系赖以存活的生境，具有重大经济价值、文化价值和科学价值，一旦完全丧失将不可逆。受城市化进程、气候变化等因素影响，湿地退化成为全球性现象，其退化特征体现在湿地水文、土壤、植物、动物和环境功能等方面［1－4］。其中水文条件是湿地退化的特征因子，同时是湿地生物、土壤等其他特征因子的驱动要素，因此在湿地保护和生态功能恢复过程中，改善和恢复其水文条件至关重要。 生态补水在国内最初的实践为2001年启动的从嫩江向扎龙湿地应急生态补水和次年启动的从长江向南四湖应急生态补水，此后全国各地多处湿地将生态补水作为湿地环境恢复的措施，补水对象多为因自然环境变化和人类活动造成缺水而导致生态退化的洪泛沼泽湿地、河口湿地和湖泊型湿地等。本文基于对湿地生态需水量研究的综述，依据湿地与补给水源的位置关系和水情联系，系统总结了湿地生态补水策略和保障机制，提出湿地生态补水研究中需要关注的问题，以期为湿地生态修复提供参考。 1 湿地生态需水过程湿地生态补水量的确定在实施湿地生态补水措施中起先导性作用，合理的生态补水量需通过生态需水量来确定。生态需水量是指将生态系统结构和功能维持在一定水平所需的水量，湿地生态需水量要根据生态保护目标来确定［5］。广义的湿地生态需水量表征湿地生态系统在特定时空尺度下维持生物群落和栖息环境动态平衡所需要的总水量，而面向湿地水生态保护目标的狭义湿地生态需水量，则是指湿地因生态消耗而需要补充的水量［6］。 1.1 湿地生态需水特征 湿地生态需水量存在阈值性［7］，对于某一湿地生态系统，其生态需水量存在阈值范围，若湿地的可利用水量不在该阈值内，则湿地生物群落的自然演替将受到干扰，影响整个湿地生态系统的平衡。同时，湿地生态需水量具有时空变异性［8］，各类型湿地具备其特有的生态目标，为了维系不同生态功能、保护不同物种，各湿地生态系统所需的水量亦不相同。 1.2 湿地生态需水量研究方法 湿地生态需水量研究是涉及水文学、湿地科学、环境科学等复合学科的研究，目前的研究方法大多以水量平衡为指导，主要有生态学方法［9］、生态水文分析法［10］和基于遥感的模拟分析法［11］等。 1.2.1 生态学方法 根据湿地生态组成和功能，明确湿地的指标性需水要素，将各要素的需水量通过统计学方法整合，得到生态环境需水总量。一般包括植物需水量、生物栖息需水量、湿地土壤需水量、防止盐水入侵需水量、防止海岸线侵蚀需水量及河口生态环境需水量等［7，12－13］。这种以生态学为基础的计算方法从微观角度分别对单个要素进行研究，各要素的计算精度较高但相对独立。由于湿地中各生命表现形态之间通过水循环联系，因此需水总量的整合计算易出现重复，导致计算精度降低。 1.2.2 生态水文分析法 生态水文分析法是从水文与生态的内在联系出发，通过水文监测数据和生态系统的响应，利用统计分析、水文模型模拟、生物响应模拟等研究方法来确定各生态状况下对应的生态需水量，多用于生物栖息的观测资料精度较低的情况。 （1）统计分析法。基于大尺度的时空监测数据明确湿地生态系统与水文要素的内在联系，利用选定的水文参数计算湿地的生态需水量［14］。根据不同的保护目标及湿地指示物种的栖息要求，选择不同的水文参数，通常为水位、水面等。因此统计分析法一般为生态水位法［15］和生态水面法［16］：生态水位法适用于地表水水位年际变化幅度易于掌握的湿地，多为湖泊型湿地［17］；生态水面法多用于地势平缓、面积大、湖泡分散、地表水水位年际变化幅度小、年均水位不具代表性的沼泽湿地。 （2）水文模型法。以湿地保护目标为边界约束，面向研究区建立以水量平衡方法为指导的水文模型，利用模型解析湿地水位、流速、洪水时长和洪水频次等水文条件与湿地生态群落演替的联系，从而得到适宜生态条件下湿地对水文条件及水文过程的要求［10］。 （3）生物响应模拟方法。利用生物对水文过程的敏感性以及对水量需求的阈值性，计算湿地生态环境需水量。如利用典型鱼类生活史和淡水输入量与渔业生产的相关关系［18］、牡蛎产量与淡水输入过程的响应关系［19］、沉水植物对盐度的敏感度［20］等确定适宜的生态流量。该方法适用于河口型湿地，是以生物对流量变化的响应为基础的模型模拟方法。 1.2.3 基于遥感的模拟分析法 基于遥感的模拟分析法以湿地水资源总量平衡为指导，应用遥感数据获取并解析湿地的空间数据，如植被群落、湖泡或沼泽的分布及演替规律等，结合生态水文学的相关要素，模拟建立湿地景观动态分布与生态需水量之间的联系，确定湿地适宜景观分布下维持生态系统稳定的生态水量阈值［10］。 由于各种方法计算得到的生态需水量可能存在较大偏差，因此应对生态需水量计算结果进行合理性分析，并综合确定最终结果。 2 湿地生态补水策略实现湿地生态补水需要协调区域内水资源时空分布。根据湿地补水时段，结合湿地与天然补给水源及区域外水资源的位置关系和水情联系选定湿地生态补水策略。 2.1 湿地生态需补水量研究方法 湿地生态需补水量的确定是湿地生态补水策略研究的基础，目前国内有关湿地生态需补水量的定义尚不明确，从实践中可总结为在特定补水目标下湿地所需的生态水补给量。因此需首先明确补水目标，如维系湿地生态环境现状、恢复历史适宜参考时期的湿地生态景观、保障湿地基本形态或某些具体的指示性目标、保护湿地生物多样性等［21］。目前国内湿地生态需补水量的研究多基于生态需水等级划分法［7］开展，跟据上述补水目标将湿地生态需水划分等级［22］作为生态需补水量计算的边界条件，并利用补水参照指标，即湿地内表征补水目标的水文或生态指标，如目标水量、目标水位、目标水面、目标生物栖息数量和密度等来量化补水目标，并确定生态需补水量。 2.2 补水时段 根据湿地天然补给水源的主汛期、湿地区划范围内降水最大月份、湿地生态需水过程中需水量最大时段确定湿地年内缺水时段，将此作为湿地补水起止时间的参考要素。补水时段的确定［23］主要包括干旱识别、补水起止时间的确定和年内补水频次的确定。各个湿地的补给水源、补给方式和来水条件多样，区域下垫面条件及气候条件各不相同，各湿地的缺水成因较复杂，且具有独特性，因此各湿地干旱的判定依据存在差别。例如，位于黑龙江省齐齐哈尔的扎龙湿地，年内蒸发量集中在5—6月，而区域降水量集中在7—8月，由此导致春季缺水［24］，为满足扎龙湿地的水量需求，最适宜补水时段应为5—6月。在确定补水时段时还需结合补给水源的区域用水结构来判断是缺水时段补水还是错峰补水。我国北方最大的淡水湿地白洋淀由潴泷河、唐河、府河、漕河、瀑河、萍河、孝义河及北支白沟引河直接入淀［25］，湿地来水条件主要受各河流主汛期调控。根据多年水位实测资料，年最低水位一般出现在6—7月，年最高水位出现在8月到9月上旬，10月到次年6月水位呈降低趋势，因而有学者将10月1日作为白洋淀的干旱识别时间，结合10月1日水位和上游用水结构确定补水起止时间和补水频次［18］。 2.3 补水策略 补水策略是涉及补水水源、补水线路、补水水量等要素的多目标决策方案。基于湿地与可利用补水水源的位置关系、区域水资源供需矛盾、补水线路的补水能力和资源消耗等条件，考虑上下游关系综合确定补水策略。 2.3.1 洪水资源化利用 洪水资源化利用主要用于典型的洪泛湿地和平原河流泛滥而衍生的尾闾湿地。洪泛湿地作为水陆相互作用的交错地带，对河流与陆地之间的水文联系、水力联系和生态联系起着过渡和纽带作用［26］，其生态完整性依赖于流域内洪水和干旱发生的交替周期［10］。地表水资源的天然来源主要依靠区域降水量和河流的洪泛水量。我国松嫩平原沼泽湿地多为平原河流洪水泛滥衍生而来，向海湿地的补给水源为霍林河来水、额木特河的南股洪水和洮儿河龙华吐分洪的洪水，受强烈蒸发作用影响，区域内无明显河床，雨季河水漫流于沙丘之间，形成洪泛沼泽湿地［27］。这种主要依赖降水和洪水补给的湿地，其生态多样性、土壤发育、景观演替等与区域内天然降水和洪水节律有着紧密的响应关系，此类湿地的适宜补水方式是还原其洪泛效果。这样，一方面可有效利用洪水资源来恢复湿地生态环境，另一方面可利用湿地的径流调蓄功能，实现洪水资源化管理与防洪风险控制。由于部分洪泛湿地与可利用补给水源之间不具备永久连通性，因此需借助渠系、河闸等工程予以实现。 2.3.2 源头流域水资源优化配置及调度 相较于洪泛湿地，河口湿地、河流尾闾湿地和吞吐型湖泊湿地与补给水源连通性较好，适宜采用考虑湿地生态需求的全流域水资源优化配置方法，并采用区域水资源统一调度、应急生态调度等手段，实现湿地生态补水与生产、生活用水的统筹兼顾。黑河在我国流域生态水量调度方面首开先河，多次实行“全线闭口，集中下泄”，以保证东居延海的生态水面不萎缩［28］；黄河干流利用“调水调沙”对下游三角洲实施生态补水、补充地下水减缓河口三角洲退化进程［29］；塔里木河先后10次向下游进行生态应急输水，以防止大西海子水库以下绿色走廊和湖泊湿地沙漠化［30－31］。源头流域水资源优化配置及全流域统一调度是对下游湿地生态保护的一种重要手段，且可以避免人工渠道对自然生境造成的破碎化影响。但有时人类活动影响所造成的不可逆的生境演替会改变湿地与补给水源的时空关系和水情联系。例如，历史上扎龙湿地的成因和补给方式皆为嫩江中下游洪水泛滥［32］，由于嫩江下游防洪堤的修建阻断了嫩江洪水与扎龙湿地的补给关系［33］，因此扎龙湿地成为水量较少的乌裕尔河、双阳河的尾闾湿地。仅依靠源头流域水资源优化配置将不能满足湿地生态恢复的需求。 2.3.3 区域外生态调水 上述两种补水策略对湿地源头来水在一定时空范围内的可利用水资源量有较大需求，并且对河床坡降、下垫面条件，以及沿程的气候条件等水文水力边界条件有严格要求。对于补给水源为水资源可利用量不足、弃水较小的河流，下游河床淤积严重、流速较小、演进时间过长的河流，以及沿程渗漏、蒸发耗水量较大的河流，上述两种方法存在局限性，需要借助渠系工程来实现高效输水和跨区域生态调水，这种补水策略应对紧急的湿地干旱有较突出的效果。向海湿地曾因严重干旱而导致其面积急剧缩小，生态系统遭到严重破坏，通过利用已有水利工程从洮儿河流域的察尔森水库调水，对向海湿地实施了应急补水［34］，有效缓解了干旱气候条件下湿地面临的生态退化危机；扎龙湿地天然水源可利用水资源量不足，仅依靠区域内水资源优化配置不能满足生态保护目标的用水需求，2001年首次采取中部引嫩工程向扎龙湿地应急补水［35］，生境恢复效果显著。 湿地生态结构复杂、成因多样化，特别是洪泛形成的湿地大多为多水源补给类型，适用的生态补水方法多样，并不应局限于单一方法，而应采用多种补水策略相结合的方式，在满足其生态要求的同时协调区域内各项用水需求。 3 湿地补水效果评价为进一步论证补水策略的合理性并及时进行修正，避免水资源浪费和经济损失，国内学者对采取的湿地生态补水措施进行了生态补水效益预测分析和生态补水后效分析。 3.1 生态补水效益预测分析 生态补水效益预测分析就是利用预测模型，在各个补水预案下，对比分析湿地生态系统的动态变化。如利用景观模型研究湿地景观动态变化、地表高程、下沉率［36］，利用地表水－地下水模拟模型研究湿地地下水水位变化、植被类型演替、指示性鸟类数量变化等［37］，预测分析可为湿地生态补水方案的制定提供指导。 3.2 湿地生态补水后效分析 补水后效分析方法主要有两种，一种是基于时空监测数据进行的对比分析方法，另一种是建立指标体系并归一化定量描述的指标体系定量法。对比分析法基于大尺度的卫星遥感数据和地面监测数据，根据湿地边界、河道迁移、湿地景观的变化，以及湿地群落分布的演替和土壤有机质的积累等［38－39］，分析补水后湿地区域的生态效益。这种方法采用定性与定量相结合的对比分析方式［40］，通过湿地补水后各个保护目标的动态变化来描述湿地补水的效果，为湿地补水方案的修正提供依据。指标体系定量法依据湿地补水的保护目标建立湿地补水后效评价指标体系［41－43］，通过层次分析、模糊分析、熵值法等统计学方法结合湿地生态补水目标在评价期内的监测数据，定量分析湿地补水的后效性，为湿地补水方案的修正提供参考。 4 湿地生态补水保障机制4.1 湿地生态用水保障制度 （1）湿地生态用水立法。我国水资源保护立法主要通过规范水资源开发利用、保持水土、水污染防治等方式保障生态用水。《中华人民共和国水法》规范了江河、湖泊等水域水资源的开发利用，保障了生态用水［44］，《中华人民共和国环境保护法》《中华人民共和国水土保持法》《中华人民共和国水污染防治法》等综合性或专门性基本法，从不同角度为湿地生态用水提供法律保障。现行的环境资源保护行政法规，如《取水许可和水资源费征收管理条例》，明确提出了“生态环境用水”的概念，赋予湿地生态用水法律地位。 （2）湿地生态用水的政策规定。2016年国务院办公厅印发的《湿地保护修复制度方案》，提出了湿地保护修复保障机制，并明确了拟建立完善的湿地保护修复制度。国家林业局会同相关部门编制了《全国湿地保护“十三五”实施规划》，提出积极开展退化湿地的恢复和修复，重点加强水资源调配与管理，合理确定生活、生产和生态用水，确保湿地生态用水需求。 4.2 湿地生态补偿机制 湿地生态补水实践中涉及保护者与受益者主体划分、利益协调等问题时存在矛盾，为解决这一矛盾，在实施湿地生态补水措施的同时，需建立完备的湿地补水生态补偿机制，以保障生态补水长效运行。 （1）湿地生态水权。湿地生态水权是分配给湿地生态系统使用水资源的权利，明确湿地生态水权对于湿地生态补偿机制具有重要意义［45］。有学者认为生态水权具体表现为维持生态与环境功能所需的水资源量，即生态需水量［46］。结合湿地生态水权与湿地生态需水的联系，选取适宜的水权计算方法，对区域水权进行合理分配。水权分配方法主要有层次分析法、多目标优化法、模糊评价法、比例分配法等，其中层次分析法较成熟且应用广泛。干旱内陆河与湿地的水权分配可采用多目标分配方法［47］、模糊多目标优化分配方法［48］，湿润区河流与湿地的水权分配可采用动态优化方法［49］。 （2）湿地补水的影响对象。我国水资源时空分布不均，部分地区水资源短缺，实施湿地补水策略将对相应区域内的水资源进行重分配，涉及的对象主要有：补给主体，即补给水源流域内因可供分配水资源量减小而使效益损失的区域；受益主体，包括因水源补给而获得生态效益和间接经济效益的湿地内部和周边地区，以及补水线路经由区域，具体的受益主体根据补水方法、补水线路和沿程取水规则判定。 （3）补偿主体和方式的确定。补偿主体主要有：社会补偿主体，即“谁破坏，谁补偿”，利用湿地资源获得收益或因经济生产等对湿地造成破坏的主体提供补偿；自我补偿主体，即“谁受益，谁补偿”，湿地受到补给后产生相应生态效益及经济效益的受益主体提供补偿；公共补偿主体，湿地保护的生态效益有很强的外部性及公益性，对于全国或某一公共区域具有全局性意义，应根据公共资源的受益范围确定提供补偿的公共主体［50］。补偿方式一般为财政政策补偿、生态征税补偿、市场经济交易模式［51］。 5 结 语综合国内实践和研究，已有诸多利用生态补水实施湿地恢复的项目，但在研究层面上，目前湿地补水还未形成完整的方法体系，与之相关的生态需水、生态调度、水资源优化配置、生态评价和生态补偿等方面的科研工作涉及领域较多、独立性较强，各项研究成果在湿地生态补水的研究中未能起到相互支撑作用，降低了科研工作的实际意义。根据国内的研究现状，笔者从湿地生态补水的理论研究和实践方面提出以下建议。 （1）提升湿地生态需补水量的理论指导性。基于湿地生态保护的生态需补水量与生态需水量存在本质区别，现阶段的需补水量大多是依据湿地生态需水量结合保护目标由决策者或专家利用模糊估计的方法得到的，应当明确基于生态保护目标的湿地生态需补水量的定义和计算方法，为湿地生态补水策略的选定提供理论指导。 （2）完善地面监测系统，加强补水效果的定量研究。现阶段湿地生态补水效果的研究方法还不完善，主要受限于地面监测数据的获取。鉴于湿地是一个复合的、具备较高生境多样性的复杂生态系统，其生态评价和补水效果评价需要多元的、详细的监测数据作为支撑，建议针对补水后的湿地建设生态监测站，在定量分析生态补水效果的基础上及时调整生态补水策略。 （3）建立制定生态补水方案的方法体系。湿地生态补水涉及流域水资源配置、水资源调度、跨流域调水等，现阶段的实践中，采用的湿地补水策略呈现单一化特征，主要原因为制定生态补水方案的方法、流程不完善，缺乏完整的方法体系作为指导。应完善方法体系并将水资源优化配置、水资源调度等模型方法与湿地生态补水相结合，建立考虑湿地生态补水过程的区域水资源管理模型。在此模型方法的基础上，进一步考虑生态和水文的不确定性，研究湿地生态补水效益和补水量短缺风险，并在上述研究内容的基础上建立多目标优化补水方法。 参考文献： ［1］ KLIMKOWSKA A，BEKKER RM，DIGGELEN R V，etal.Species Trait Shifts in Vegetation and Soil Seed Bank During Fen Degradation［J］.Plant Ecology，2010，206（1）：59－82. ［2］ SCHIPPER A M，WIJNHOVEN S，LEUVEN R SEW，et al.Spatial Distribution and InternalMetal Concentrations of Terres⁃trial Arthropods in a Moderately Contaminated Lowland Flood⁃plain Along the Rhine River［J］.Environmental Pollution，2008，151（1）：17－26. ［3］ BROOKSR T.Potential Impacts of Global 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Peilun，WANG Hao，LEIXiaohui，WANG Xu Abstract：With the ecological conservation towetlands increasingly active，ecologicalwater replenishment is an ecological restorationmethod which is widely adopted to prevent ecological degradation of domestic and overseaswetlands，aiming at supplying water resources shortage of the wetlands ecosystem and maintaining their dynamic equilibrium.This thesis expounded the determinationmethod of replenishingwater de⁃mand on account of the summary of researchmethod in ecologicalwater demand ofwetlands.On this basis，it concluded ecologicalwater re⁃plenishmentmethod to different types ofwetlands comprehensively bymeans of research in the positional relation and supply⁃demand relation between wetlands and naturalwater sources.Furthermore，it summarized the existing studies and researches ofmechanism towetland ecologi⁃calwater replenishment and analyzed existing problems ofwetland ecological water replenishment in the research and the application fields.Moreover，it indicated that the computingmethod of replenished water demand，the complete system and mode of ecologicalwater replenish⁃ment，and uncertainly analysis of ecologicalwater replenishment and multiple⁃objective decision were deemed to key points in the future re⁃searches. Key words：wetlands；eco⁃water demands；eco⁃water replenishment；eco⁃compensation 中图分类号：TV213.4；X171.4 文献标志码：A doi：10.3969／j.issn.1000－1379.2017.09.014 收稿日期：2017－04－07 基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFC0402204）。 作者简介：张珮纶（1992—），女，河南郑州人，硕士研究生，研究方向为水资源调度技术及水资源管理。 通信作者：雷晓辉（1974—），男，陕西澄城人，高级工程师（教授级），主要从事水文水资源方面的研究工作。 E⁃mail：catherine1220han＠163.com |
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