圩區(qū)的水文調(diào)蓄及營養(yǎng)鹽攔截作用研究

摘要：圩區(qū)是南方平原沿江濱湖地帶特有的景觀，且廣泛分布在我國經(jīng)濟發(fā)達(dá)、人口稠密的長江中下游地區(qū)。本文介紹了圩區(qū)的概念及形成原因，分析了圩區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，明確了圩區(qū)對人民生產(chǎn)生活及生態(tài)安全的重要性。圩區(qū)河網(wǎng)出流受人工調(diào)控，使得圩區(qū)內(nèi)水域的水位波動相對較小，且保持較高水位，保證了圩區(qū)較強的水文調(diào)蓄和土壤保水保濕作用。而圩區(qū)特殊的水文調(diào)控特征，導(dǎo)致其營養(yǎng)鹽（如磷）的總輸入量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其輸出量，表明其水域有較大的營養(yǎng)鹽攔截滯留功能，成為營養(yǎng)鹽的儲存庫。由于有效的調(diào)控機制，在氣候變化背景下，圩區(qū)可削減水安全情勢帶來的不利影響。關(guān)鍵詞：圩垸；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；徑流；磷一、圩區(qū)是沿江濱湖地區(qū)重要的地理集水單元1.圩區(qū)的概念及形成原因在平原河網(wǎng)或平原湖區(qū)的濱水低洼地區(qū)，人們用堤壩阻止江水漫流，形成了沿江、濱湖低地四周修筑堤防、內(nèi)有灌排系統(tǒng)的自然和人工生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)合體，這些圩堤集中分布的區(qū)域在長江下游叫“圩”，在中游的江漢平原叫“垸”，所以一般稱為圩區(qū)或者圩垸。我國東部季風(fēng)氣候顯著，使得江湖具有顯著的洪枯水季。如長江干流及其調(diào)蓄湖泊鄱陽湖、洞庭湖等，一年水位的季節(jié)差可達(dá)10m以上。因此，為了維持穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，也為了開墾大面積的河湖灘地，圩區(qū)的建設(shè)成為一種必需，使之成為沿江濱湖地帶特有的景觀。我國圩區(qū)廣泛分布于南方沿江濱湖地區(qū)的低洼區(qū)，如長江中下游的洞庭湖流域、太湖流域、鄱陽湖流域及珠江三角洲地區(qū)。據(jù)資料統(tǒng)計，我國圩區(qū)堤防總長2.7×104km，控制總面積4.07×105km2，保護人口4.79億。圩區(qū)內(nèi)外呈現(xiàn)出景觀的規(guī)律性分布，最外部為防洪大堤，海拔可比內(nèi)部高出十余米；往內(nèi)部海拔逐漸降低，依次呈現(xiàn)出旱地、水田、魚塘等景觀。為了方便灌溉和排水，還需有多條溝渠與外部的江湖相連，并在大堤修筑水閘以控制水流［1-2］（圖1）。而出于防洪的考慮，居民區(qū)通常建在地勢相對較高的地方，甚至緊挨著防洪大堤。西漢中葉，司馬遷在《史記》中有“江南卑濕，丈夫早夭”的說法，當(dāng)時長江中下游地區(qū)因為洪澇災(zāi)害、病菌造成的傳染病嚴(yán)重，不太適合人類居住。東漢時期，孫權(quán)建立吳國，在太湖流域進行屯田，使得環(huán)太湖地區(qū)的農(nóng)業(yè)得到深入發(fā)展。后來的東晉、南朝宋修建了大量的水利設(shè)施，主要是開通灌溉水渠并修造堤壩，防止江湖泛濫。到了唐代初年，江南地區(qū)在全國經(jīng)濟上的重要性已經(jīng)十分顯著。太湖地區(qū)在唐朝中葉時已形成了密集的水網(wǎng)，圩田遍布太湖沿岸。除增加糧食生產(chǎn)外，圩區(qū)的建設(shè)還大大減少了水災(zāi)的發(fā)生，從而出現(xiàn)了“蘇湖熟，天下足”的說法。到明代中后期，又有了“湖廣熟，天下足”的說法，此時以湖南、湖北為中心的長江中游地區(qū)因云夢澤解體等原因，為圩垸的開墾提供了廣闊的空間，使之成為新的全國糧食基地。由此可見，圩區(qū)的建設(shè)是人類改造環(huán)境、拓展生存空間的一大創(chuàng)舉，從而造就了江南的富庶和繁華。2.圩區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值太湖流域內(nèi)圩區(qū)面積有10630.91km2，占流域總面積的28.81%［3］（圖2）。圩區(qū)生態(tài)系統(tǒng)提供了形成及維持人類生存與發(fā)展的產(chǎn)品供給、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和社會文化服務(wù)等方面的環(huán)境條件與效用，稱為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。太湖流域圩區(qū)在產(chǎn)品供給方面，圩區(qū)的人工林（以馬尾松、杉木為主）、混交林及竹林等提供了直接的林木來源，林木密度平均值為0.58g/cm3，產(chǎn)值效益6.0×108元/a，而農(nóng)田占圩區(qū)陸地面積的59.1%，在初級產(chǎn)品供給方面的價格可達(dá)78.1×108元/a［3］。另外，太湖流域圩區(qū)可為居民生產(chǎn)生活供應(yīng)水量8.61×108m3/a，流域的水體還供應(yīng)魚類和蝦類等水產(chǎn)品，產(chǎn)量在不同區(qū)域中約500～900t/km2，折算為貨幣，圩區(qū)中的水域在水源供給和水產(chǎn)品供應(yīng)方面的價值分別為4.3×108元/a和41.1×108元/a［4］。調(diào)節(jié)服務(wù)中，農(nóng)田、林地生態(tài)系統(tǒng)在植物生長過程中能夠固定CO2、吸收SO2、釋放O2，改善大氣成分、減緩全球變暖進程，并局部調(diào)節(jié)水分的時空分配格局，減少水土流失。太湖流域圩區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)服務(wù)價值為140.0×108元/a［3］。同時，水生態(tài)系統(tǒng)還提供著水量調(diào)節(jié)、水源儲存、凈化水質(zhì)、調(diào)蓄洪水、氣溫調(diào)節(jié)和固碳釋氧等服務(wù)。圩區(qū)在減少旱澇災(zāi)害威脅、保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活方面發(fā)揮著獨特的作用。例如，太湖流域圩區(qū)水域的正常水位與允許的最高水位之間的差距為洪水滯留提供了一定空間，其水體調(diào)蓄洪水的總量為4.3×108m3，可減少0.17m3s-1km-2的排澇裝機容量［4］。而通過稀釋、吸附、氧化還原等自然凈化過程，圩區(qū)內(nèi)河流和溝渠的平均氮、磷去除率分別可達(dá)32.8%和50.1%［5］。而太湖流域陸地和水體中植被的初級生產(chǎn)固碳量分別為151.16×108t/a和129.08×104t/a。將所有價值折算為貨幣，太湖流域圩區(qū)陸地和水體生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)服務(wù)價值為404.5×108元/a［3-4］。由此可見，圩區(qū)的間接調(diào)節(jié)價值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其直接價值，表明圩區(qū)內(nèi)植被和水體在生態(tài)調(diào)節(jié)與維持方面的重要性。支持功能主要是對生物多樣性的維持，其中陸地生態(tài)系統(tǒng)主要取決于景觀綜合指數(shù)，即人類活動干擾較少，景觀類型分布均勻則景觀維持功能較強，反之景觀破碎化程度高、多樣性較差，則維持功能較弱。圩區(qū)的陸地生態(tài)系統(tǒng)支持功能與其地形和人口密度等有關(guān)，如太湖流域的西部丘陵區(qū)景觀綜合指數(shù)較大，而東部平原區(qū)生境維持功能較弱［3］。水生態(tài)系統(tǒng)的支持功能可用水生生物的多樣性指數(shù)來評價，太湖流域表現(xiàn)為流域北部、東部沿海經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)的水位下降嚴(yán)重，景觀破碎化程度高，水環(huán)境質(zhì)量惡化，水生生物多樣性減小，造成水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值效益的下降，而流域西部和南部的地勢較高，區(qū)域水位高，水質(zhì)良好，水生物種豐富，是流域水生態(tài)服務(wù)價值的高值區(qū)。社會文化功能是指生態(tài)系統(tǒng)為社會提供的教育、科研、文化等多方面的服務(wù)效應(yīng)。圩區(qū)作為一種重要的濕地生態(tài)系統(tǒng)，其獨特的水分、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)與生態(tài)結(jié)構(gòu)，使其成為農(nóng)學(xué)、生態(tài)學(xué)、水文水利學(xué)等學(xué)科的天然實驗室，具有重要的文化和科研價值。另外，圩區(qū)部分區(qū)域水域遼闊、景色秀麗，具有旅游的功能。對這方面價值的評估難度較大，參考前人研究得出的中國單位面積濕地的平均文化與科研價值382元/hm2和全球濕地生態(tài)系統(tǒng)科研與文化價值881美元/hm2，取二者平均值計算可得，太湖流域的社會文化功能價值為4.6×108元/a［4，6-7］。二、平原圩區(qū)具有水文調(diào)蓄作用1.平原圩區(qū)水文過程特征由于圩區(qū)所處的平原河網(wǎng)密集區(qū)地勢平坦，地下水位淺，水網(wǎng)密集且出流受人為調(diào)控，進而造成圩區(qū)水文過程與自然出流區(qū)相比有著鮮明的特點（圖3）。圩區(qū)的水文過程主要有以下幾個特點。（1）空間上的封閉隔離性圩區(qū)是一個由堤壩圍筑的相對封閉的區(qū)域，阻隔了圩內(nèi)外的自然水力聯(lián)系，使其只能通過人為控制的涵閘或泵站實現(xiàn)圩內(nèi)外的水流交換。（2）地下水與包氣帶的緊密耦合由于圩區(qū)地下水位較淺，土壤包氣帶水分不僅存在重力作用下的下滲，也會明顯地受到與淺層地下水相關(guān)的毛細(xì)管上升水的影響。（3）地下水與地表水頻繁交換圩區(qū)低洼的地勢、較淺的地下水位和周圍密集的河網(wǎng)水系，導(dǎo)致圩內(nèi)河流、溝渠、坑塘等地表水體與農(nóng)田地下水接觸面廣，聯(lián)系更為緊密。圩區(qū)通過泵站、涵閘調(diào)控坑塘、溝渠等地表水位，可達(dá)到優(yōu)化調(diào)控地下水水位的目的。當(dāng)?shù)叵滤桓哂诘乇硭粫r，地下水排泄到地表水體。而地下水位低于地表水位時，地下水發(fā)生逆流，形成地表水體對地下水的下滲補給。（4）圩區(qū)降雨產(chǎn)流、匯流與排水過程呈高度時空異步性圩區(qū)的水文過程主要包括圩區(qū)降雨產(chǎn)流、匯流和排水三個過程，三者呈高度時空異步性。圩區(qū)降雨產(chǎn)流與下墊面情勢密切相關(guān)。圩區(qū)地處平原河網(wǎng)湖蕩區(qū)，人多地少，土地利用強度高、類型多，且水田、旱地、林地、城鎮(zhèn)村莊、坑塘等交錯分布。不同下墊面有著迥異的產(chǎn)流規(guī)律，如水稻田需著重考慮水稻不同生長時期的需水量與水位控制差異，具有獨特的灌溉與排水模式。而旱地的產(chǎn)流明顯與水田不同，基本不會進行人工灌溉。另外圩區(qū)產(chǎn)流還需考慮土壤包氣帶與地下水的互饋關(guān)系。圩區(qū)匯流主要指地面產(chǎn)流進入田間毛渠后，順次沿農(nóng)渠、斗渠、支渠、干渠等灌排渠體系逐級向泵站前的蓄滯水體匯集的過程，其速度和持續(xù)時間與不同類型圩區(qū)面積大小、地形差、水系連通情況等有關(guān)。當(dāng)圩區(qū)降雨產(chǎn)流匯至泵站前的蓄滯水體后，并非直接排到圩外，而是根據(jù)當(dāng)?shù)乇谜净蚝l的調(diào)度規(guī)則適時排到圩外河道［8］（圖4）。汛期一般圩外河道水位高于圩內(nèi)坑塘、溝渠水位，圩內(nèi)自排困難，當(dāng)坑塘積水位高于控制性警戒水位，達(dá)到泵站開啟水位時，將開啟排澇泵站把圩內(nèi)洪水排出，形成人工徑流。旱季圩外河道水位通常低于圩內(nèi)地表水位，涵洞常保持開啟狀態(tài)。當(dāng)坑塘積水位高于涵洞高程時，涵閘利用水位落差將圩內(nèi)多余水分自然排出，產(chǎn)生徑流。而當(dāng)坑塘、溝渠水位未達(dá)到涵閘或泵站啟動的水位時，則流量為零。2.圩區(qū)的水文調(diào)蓄作用機制通過對比分析平原圩區(qū)與非圩區(qū)水文與氮磷輸移過程，發(fā)現(xiàn)圩區(qū)具有調(diào)蓄徑流、保水、保濕功效。受水域的存儲和泵站的控制，圩區(qū)閘泵排水過程相比自然出流更易出現(xiàn)徑流“陡峰低谷”的現(xiàn)象［9］（圖5）。這是因為在洪水期，一方面，泵站會以恒定的大功率排水，有較大的流量，且為了給溝渠和坑塘留有足夠的蓄水容量，泵站關(guān)閉水位往往低于啟動水位，進而使得更多的水量排出，出現(xiàn)較高的峰值流量；另一方面，由于涵閘和泵站的攔截，圩區(qū)水域一般會保持較高的水位，這樣就可調(diào)控地下水位，補充土壤包氣帶水分，保證農(nóng)田土壤具有較高的濕度，使得當(dāng)發(fā)生降雨時，農(nóng)田可產(chǎn)生更多的地面徑流，從而促使更高徑流峰值的出現(xiàn)。正因為這樣的人工調(diào)控，使得圩區(qū)內(nèi)水域的水位波動相對較小，顯示了圩區(qū)較強的水文調(diào)蓄作用。不僅如此，圩內(nèi)水體對土壤包氣帶水分的補充，表明了圩區(qū)對土壤的保水保濕作用，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有較好的促進作用。在洪水退水期或旱季時，當(dāng)降雨產(chǎn)流較小且水域水位未達(dá)到警戒值時，圩區(qū)不排水，使得被攔截的水流隨著停留時間的增長，被蒸發(fā)和下滲損耗的水量增加，因而總體上圩區(qū)的排水量少于自然河流。三、圩區(qū)是水體營養(yǎng)鹽的儲存庫磷元素作為我國大部分湖泊富營養(yǎng)化的重要限制性因子，也是世界大多數(shù)湖泊解決富營養(yǎng)化問題的關(guān)鍵要素。一般認(rèn)為當(dāng)水體中磷濃度超過0.02mg/L時，可明顯促進水體的富營養(yǎng)化，因此減磷是水體治理的重要目標(biāo)之一。水體中磷元素有顆粒態(tài)和溶解態(tài)兩種形式，顆粒態(tài)磷可通過礦化轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)磷，只有后者才能被植物所吸收利用。兩種狀態(tài)的磷在自然降水、出入流河道、圩內(nèi)水田旱地和居民區(qū)徑流中普遍存在，同時，水下沉積物中的磷與上覆水體還可相互交換，底泥可發(fā)生磷的再懸浮和釋放，水體中的顆粒態(tài)磷也可發(fā)生沉降。對圩區(qū)整體系統(tǒng)來說，主要磷收入項包括大氣降水帶來的磷輸入、用于灌溉的外部江水或湖水的引入、施肥、生活污水與人畜糞便，其中施肥和人類生活的輸入是兩個主要的磷輸入源，占比分別約70%和26%。輸出項主要包括農(nóng)作物收割、排水以及向圩外河道的下滲，其中農(nóng)作物收割和排水是圩區(qū)磷輸出量中最大的兩項［9］（圖6）。將圩區(qū)各類型磷的輸入量與磷的入河量進行對比后發(fā)現(xiàn)，圩區(qū)水域全年接受的各種類型磷的輸入量大于其向圩外的輸出量［9-11］。而從圩區(qū)整體系統(tǒng)中磷的年收支平衡來看，圩區(qū)磷的總輸入量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其輸出量。表明圩區(qū)溝渠、坑塘等水域有較大的營養(yǎng)鹽攔截滯留功能，成為營養(yǎng)鹽的儲存庫，這與人們傳統(tǒng)地認(rèn)為圩區(qū)是平原區(qū)非點源污染來源的認(rèn)識不同。之所以如此，是因為圩區(qū)有著特殊的水文調(diào)控機制和較高的水面率。一方面，圩區(qū)水稻生長期間，從圩外河道引入大量的灌溉水，而圩外的河水受上游污染的影響，含磷量高，所以圩區(qū)通過灌溉的方式吸收了大量圩外磷元素；另一方面，由于平原圩區(qū)地勢平緩，水流緩慢，且由于泵站的攔截效應(yīng)，當(dāng)降雨小或者水位較低時，泵站不啟動排水，使得徑流暫時存儲在泵前的坑塘水域，減少了營養(yǎng)元素的排出。而且與有一定坡度的自然流域相比，圩區(qū)徑流在溝渠和坑塘等蓄水體中的停留時間較長，促使?fàn)I養(yǎng)鹽的沉降、大型水生植被和底泥的吸收吸附等去磷過程的反應(yīng)時間充分，從而有效降低了水體中的營養(yǎng)鹽濃度，增強了對磷的攔截功效。因此，相對于非圩區(qū)集水單元，平原圩區(qū)有較大的滯留吸附營養(yǎng)元素的作用，對減少周邊河網(wǎng)湖泊的水環(huán)境污染負(fù)荷具有明顯作用［10-11］。四、圩區(qū)可削減氣候變化對水安全情勢的不利影響一般而言，氣候變化和人類活動是影響流域水循環(huán)的兩大重要驅(qū)動力。氣候變化通過氣溫、降水和蒸發(fā)等環(huán)節(jié)的改變來影響流域的水文循環(huán)系統(tǒng)，進而促使徑流過程發(fā)生時空變化。人類活動主要通過改變土地的性質(zhì)，使下墊面的產(chǎn)匯流機制發(fā)生變化，從而導(dǎo)致流域水循環(huán)的改變。開展氣候和土地利用/覆蓋變化對水文的影響研究，探析變化環(huán)境下水文情勢變化特點與水文過程的響應(yīng)原理，對變化環(huán)境下的水資源優(yōu)化配置和區(qū)域社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展都具有十分重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。但如何區(qū)分氣候變化與人類活動對徑流變化的相對貢獻(xiàn)是該方向研究的關(guān)鍵問題。運用水文模擬的情境設(shè)定方法，通過一定時段的氣候變化和下墊面狀況數(shù)據(jù)的輸入，得到不同情境下的模擬徑流值，是解決以上問題的較普遍方式。以鄱陽湖流域圩區(qū)為研究對象，對