流域干旱对水利工程的作用范文

作者：王青严登华翁白莎袁勇杨志勇单位：东华大学环境学院上海流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京中国水利水电科学研究院水资源研究所北京天津大学建筑工程学院北京林业大学水土保持学院

随着全球气候变化，湿地生态系统遭受干旱的频率在增加。湿地是显著受水分驱动的生态系统，干旱对其的影响尤为严重。干旱作为极端气象水文事件，在自然营力驱动下，有其固有的重现期，并成为湿地生态演变的关键驱动因子。然而，在气候变化、人为下垫面条件变化和水资源开发等综合影响下，干旱发生的频度、范围和强度也发生了显著变化，改变了湿地的水文生态特征，并危及到湿地生态系统的健康，导致湿地退化更为严重。

湿地干旱是气候变化响应和湿地保护与修复研究领域发展到新阶段上所出现的新问题，国内外尚未有针对湿地干旱的系统研究；相关研究主要集中在湿地水文特性、湿地生态需水、极端水文事件对湿地的生态影响、湿地应急补水等方面。

对湿地干旱的研究，多从湿地植物、水生动物和微生物方面展开，揭示干旱对湿地的影响，研究方法多以实验、遥感和野外监测、调查为主，如罗文泊等和JohnMM等研究了干旱对湿地关键植物种的影响，MatthewsWilliamI和Marsh-Mat-thewsE研究了干旱对湿地鱼类的影响；或是针对干旱背景下湿地水质、元素行为等开展研究，如AherneJ等研究了干旱期间湿地硫元素的氧化还原反应，导致湿地表层水体酸化，Seon-YoungKim等研究了不同湿地类型的微生物群落在干旱处理条件下的耐受状况。这些研究都以干旱为背景条件，其研究重点偏微观，多以干旱对几种湿地植物、湿地微生物群落和湿地中元素的变化为研究对象，或是比较不同类型湿地植物被对干旱的耐受程度，很少有研究从系统角度出发，研究干旱对湿地生态系统的影响机制。本研究以干旱背景下淡水湖泊湿地生态系统为主要对象，以水这一核心要素为关键，剖析流域干旱对湿地水文特征的影响，进而阐释其对湿地生态系统的影响；另一方面，湿地生态系统具有自我恢复能力，能够对一定的干扰进行自我修复。由于湿地种类多样，不同类型湿地生态水文条件差别极大，本文主要讨论永久性淡水湖泊湿地。

1基于水平衡的湿地干旱内涵

1.1淡水湖泊湿地水平衡特征

淡水湖泊湿地(以下简称湿地)的水源可分为以下几类：降水补给、径流补给、地下水补给和调水补给等。水分支出主要有水面蒸发、植物蒸腾、补给地下水、地表出流和人工直接取用水(图1)，即公式(1)中，WS表示湿地水量；WI表示入流量(径流补给、地下水补给或调水补给)；P表示降水量；EW表示水面蒸发量；ET表示植物蒸腾量；F表示入渗量(补给地下水量)；WO表示出流量；U表示人工取用水量和回归水量。根据湿地水量平衡原理，淡水湖泊湿地的水量由于入流量和出流量的差异而会发生变化，若无其他情况干扰，一般处于动态平衡中。

1.2湿地干旱的内涵

干旱是一种缺水现象。流域干旱作用于湿地，造成其生境缺水。从湿地水平衡的角度来说，干旱的发生是由于湿地水分支出大于收入，使得湿地水量减少，超出了其正常变化范围，对湿地生态系统造成了影响。湿地干旱的作用对象是湿地生态系统；作用机制是由于水分支出大于收入，导致湿地水量持续低于正常水量的波动范围，造成湿地水量短缺；作用后果是导致湿地生态系统发生变化，主要表现为：水位下降、水面积减少、生物量减少、生物多样性降低和湿地萎缩等。因此，湿地干旱是一种生境用水短缺现象，最先表现在通量水上，通量水的入不敷出造成了存量水的持续减少。本文认为湿地干旱是湿地水量长时间低于其正常波动范围，造成湿地生境用水短缺的一种现象，表现在水位下降、水面积减少和生物量减少等方面。

2流域干旱对湿地生态系统的整体影响机制

水是湿地生态系统维系和演替的决定因子之一。干旱改变了流域水循环，导致湿地来水发生变化，减少了湿地的水分收入；其次，来水的减少必然造成湿地存量水的减少，因而其水动力学特征和水文周期也会受到影响；最后，水是湿地生态系统中最重要的非生物因子之一，水分条件的改变会严重影响湿地生物，综合表现在湿地生态系统结构、功能和布局的改变上。另一方面，湿地生态系统对干旱又具有一定的适应性，即在其耐受限度范围内，其受到的损伤是可恢复的。

3流域干旱对湿地水文的影响

3.1对湿地来水特性的影响

按不同水源类型，湿地可分为降水补给型湿地、径流补给型湿地、地下水补给型湿地和综合补给型湿地等，反应了湿地的主要来水类型。干旱导致流域降水量、径流量和地下水量减少，改变了流域水循环，湿地作为流域中的一个单元，其来水受到很大影响。对于上述4种类型湿地，干旱对其主要来水的影响表现为：湿地区的降水量减少(降水补给型湿地)，上游径流减少引起入流径流量的减少(径流补给型湿地)，地下水位下降(地下水补给型湿地)，湿地区降水量减少、入流径流量减少和地下水位下降(综合补给型湿地)。由于地表水与地下水交换复杂，且地下水对地表水变化的响应表现出一定滞后性，所以由地下水补给的湿地，对干旱的反应表现出一定的耐受性和滞后性，而由降水和径流补给的湿地对干旱反应较灵敏且强烈；综合补给的湿地由于其来水的多样化，其对干旱的反应介于地下水补给的与降水和径流补给的湿地之间。此外，在干旱背景下，人类活动将深刻影响湿地水循环，土地利用方式的改变深刻影响了地表径流和地下水的动力学特征。干旱使得整个区域水资源量减少，降低了区域的可供水量。在区域水资源配置的引导下，为优先满足生产、生活用水，人为地进行上游水库蓄水、减少下泄流量，湿地生态用水在水资源本来就不足的前提下，被进一步挤占，甚至作为应急水源过度开发。例如，近年来由于气候变化和人类活动干扰，黑龙江洪河部级自然保护区区域降水量和径流量减少，周边地区农业开发进一步挤占湿地保护区的生态用水，加速了该保护区内水位下降，沼泽和水域面积萎缩，动植物栖息地功能严重丧失。

3.2对湿地水量的影响

湿地水量可分为存量水和通量水，干旱对湿地水量的影响首先表现在通量水上，如径流量的减小；随着干旱持续时间的延长，存量水的变化开始显现出来，体现在淡水湖泊湿地的水位(降低)和水面积(减少)上。随着水位的下降，水面从岸边向湖中心减退；另一方面，湿地地下水位和水量也会随着干旱的持续降低和减少。这一部分水量的减少，导致湿地可用水量的减少，体现在不能满足所有动植物的生存上，土壤水分含量也随之减少。

3.3对湿地水动力学特征的影响

湿地水域区生长着的水生植物会对水流流速产生一定阻碍作用，动植物的残体也会在一定程度上对水流流速产生阻碍作用。由于湿地水量的减少会造成一部分动植物死亡，故其对水流流速的影响存在不确定性，可能引起湿地水流流速增加或减小。干旱往往伴随着高温，水温的升高导致水体成层现象出现和导电性增强、溶解氧含量降低，引起鱼类等水生动物的死亡。另一方面，蓄水量的减少降低了湿地的自净能力。这些都会导致湿地水质变差，水的粘滞性增加，水流流速减缓。因此，在短期内，干旱可能引起湿地水体流速降低。

3.4对湿地水文周期的影响

湿地水位具有季节性模式变化，表现为湿地表层和亚表层水位的升降。大部分湿地的水位不是恒定的而是波动性变化的，即表现为丰、平和枯水期，主要是由于湿地补给水源具有一定波动性造成的。但在正常年份，湿地水位波动幅度一般不会太大，保持在一个范围内，呈现出周期性。干旱则会破坏这一周期性。短期干旱对湿地的干扰历时较短，使得湿地地表水水位波动幅度短期超过正常水平；持续干旱使湿地出现长期水分短缺状况，湿地地表水水位不断下降，直至地表水消失。例如，20世纪80年代，白洋淀曾连续干淀，其中，1984～1987年连续干淀4年，地表水消失，水文周期受到严重干扰。

4流域干旱对湿地生态系统的影响

4.1对湿地规模的影响

相对小幅度的降水量减少和蒸发量或蒸腾量变化，只要改变地表水或地下水水位几厘米就足以让湿地萎缩或扩张，或者湿地转变为旱地，或从一种湿地类型转变为另一种湿地类型。湿地水域面积和水位随着干旱持续时间而变化，最终反映到湿地规模上。湿地规模即如图3所示的适宜湿地分布面积线以内的范围。在湿地分布面积线内，由外及内分别是淹没线以外湿地、淹没线、淹没线以内湿地和明水面水域。因此，淹没线的范围直接影响湿地适宜分布面积线的范围，决定了湿地规模的大小。水位下降和水域面积减少都会使淹没线退缩，湿地规模缩小。

4.2对湿地结构的影响

湿地植物为湿地动物提供了重要的栖息场所，同时也影响着湿地生态系统结构。对于植物来说，当环境干旱缺水时，气孔关闭，蒸腾作用减弱，并抑制光合作用的进行和蛋白质等有机物质的合成，影响植物的数量和质量；随着干旱的持续，植物过分失水出现萎蔫现象，甚至引起死亡。在这一过程中，一些植物失去适宜生态位，耐旱性较差的物种最早被淘汰，耐旱性较好的植物适应干旱的能力得到增强。因此，植物种密度、生物量和生长状况发生改变，表现为植物群落构成的变化。同时，极端低水位条件超过了水位波动的正常范围，对鱼类、两栖类等水生动物的生存、繁衍造成了影响。大量的两栖动物对多种水文特征具有敏感性。RichterKO和AzousAL的调查显示，湿地平均水位的波动影响了两栖动物的丰富度。另一方面，在干旱期间，湿地水质变差，易发水华，对鱼类等水生动物本地物种的生存造成了极大威胁。干旱，尤其是持续干旱，使无脊椎动物和鱼类的种群数量大量减少，并充分改变了生物群的聚集结构。此外，植物群落结构的改变又会引发动物种群的变化。由于某些植物的死亡和群落特征改变，以某种植物为取食对象的动物就会受到影响，最终湿地生态系统食物链和食物网都将受到影响。由于湿地动物栖息地空间和资源的减少，其竞争关系可能会有所增强。持续干旱使湿地的群落结构、营养结构遭到破坏。

4.3对湿地景观格局的影响

景观格局是湿地植物、地形、地貌和水文等因素的宏观体现。湿地在流域中具有特殊的空间结构特征，并沿着一定的地形梯度和水文梯度表现出特殊的纵向结构、横向结构和景观内部结构特征。水流在景观中连接各斑块，在某些时候作为巨大的自然干扰力量出现，对景观变化最具影响力。干旱期间，水分的不连续性阻碍了湿地斑块间的物质循环、能量流动和信息交换；在干旱的持续影响下，湿地景观类型依据水文梯度发生变化。根据中度干扰假说，偶遇干旱可能会增加其异质性；若遭遇严重的持续干旱，一开始可能异质性增加，斑块数量增多，形成景观破碎化；随着干旱持续时间的延长，最终景观异质性降低，向着均质化的方向发展，原有湿地景观萎缩，直至湿地景观消失。

4.4对湿地功能的影响

水文条件深刻影响着湿地初级生产力生产、有机质分解和营养物质迁移转化等过程，从而控制湿地有机物的积累，对养分循环和养分有效性具有显著影响。作为湿地生态系统的生产者，植物受干旱的影响最大，直接导致湿地初级生产力下降。由于微生物对水分和温度的变化很敏感，干旱条件对湿地微生物的生存造成了极大威胁，导致其活性下降，严重影响其分解能力。湿地生态系统内部的营养物质循环与初级生产和分解过程紧密相连，从而影响其内部营养物质循环。外部的营养物质流常与水文过程相伴，因此湿地营养物质的输出主要受水流输出的控制。干旱期内，湿地水流流量减小，流速变缓，水质变差，甚至断流，严重阻碍了湿地与外界的营养物质交换。通常水文隔绝的湿地有较少有机质输出。在浅水域，例如浅滩和鱼类的洄游区，低流速水流或断流，会中断纵向养料输送，水塘中的细泥沙、有机物质的养分和溶解有机物水平可能会降低。因此，干旱降低了湿地的物质生产和物质循环功能，致使湿地的水文调节、物质截留、污染自净及对区域气候的调节作用等功能下降。

5湿地生态系统对流域干旱的适应性和自我恢复能力

抵抗力稳定性和恢复力稳定性是生态系统在应对干扰时具有的两种能力，体现了其适应性和恢复性。湿地作为兼具水、陆生态位的生态系统和天然水资源库，本身具有良好的适应和恢复能力。但是在人类活动的影响下，湿地的适应和恢复能力有所减弱，降低了其应对干旱的能力。

不同程度的干旱对湿地生态系统造成的扰动不同，偶遇和持续干旱的早期影响有些相似，但是持续干旱的影响更为严重，后果更难预测。由于滞后效应，持续干旱对湿地的影响也更为持久。理论上，湿地生物对偶遇干旱的抵抗力和恢复力都相应较高；对于持续干旱，植物的抗逆性可能会随时间推移而下降，恢复力则有很大不确定性。

通过剧烈减少物种丰富度以及创造新的栖息地，干旱可能创造出有利于新的或者不常见物种的生存环境。但是，由于对湿地干旱恢复过程缺少长期研究，上述观点尚未得到很好体现。偶遇干旱过后，随着湿地物种、种群的再混合，鱼类的恢复相对较快。对于遭受持续干旱的湿地，其恢复能力存在差异：某些情况下，湿地只需要几个月的恢复期；其他情况下，湿地的恢复过程却非常漫长，且先前干旱长时间的滞后效应导致其恢复不彻底。因此，对于未超出湿地耐受限度的干旱(大多数情况下是偶遇干旱)，湿地以生态系统的部分受损换取其建群种和优势种的保存，依靠自身恢复力使湿地景观得以重现，同时湿地物种和生态系统的耐旱能力增强。对于持续干旱作用的湿地，长期的水分不足和无持续水源供给会对湿地生态系统产生无法挽回的影响：湿地抗逆性持续下降，恢复力逐渐丧失；水生植物群落逐渐向陆生方向演替，并最终向荒漠化方向发展。在当前的干旱情景下，因人工取用水进一步挤占湿地生态用水，导致同等干旱情景下，湿地受损程度远大于自然背景干旱下的受损程度，这种叠加影响有时候会超过湿地的自我修复能力，甚至导致其消失，从而加速了湿地退化，直至消失。

6结论

流域干旱是对湿地生态系统产生重大影响的水文事件之一。干旱作为驱动力，造成水量亏缺和水分条件的改变，进而对湿地生态系统产生压迫。对于淡水湖泊湿地来说，这种变化主要表现为湿地水位下降、明水面水域面积减少、生物量减少和物种多样性降低等方面。从外部因素来说，湿地生态系统对流域干旱的适应能力主要取决于干旱的发生的程度、持续时间和频率；从内部因素来说，湿地中的动植物及微生物会对干旱产生形态、生理和行为适应，这种适应从个体到群落，再到整个生态系统，都有所体现；最终干旱对湿地的影响体现在其规模、结构、景观格局和功能的变化上。干旱作为一种扰动，对提高湿地生态系统的耐旱性有一定积极影响，适度的干旱会增加湿地植物的抗旱性，提高物种多样性，这是干旱对湿地生态系统积极影响的一面；另一方面，长时间的严重干旱，会对湿地生态系统产生不可逆转的影响，造成湿地植物无法适应，建群种、优势种消失，植物群落结构、生境条件改变，无法维持湿地原有的景观面貌，致使湿地景观退化、消失。而当前自然干旱背景和人类活动的叠加影响，导致湿地受损程度更甚，进一步降低了湿地生态系统的适应和恢复能力。应对干旱，关键是保证湿地生态用水量。因此，依据不同干旱情景下湿地的自我恢复能力进行补水，维持湿地的正常生态水文过程，做好湿地的应急供水和保障水源工作是当前应对湿地干旱的重要举措。