本发明具体涉及一种滞洪区的水文研究方法。
背景技术
滞洪区是防洪体系的一个重要组成部分，因其功能主要体现在经济社会方面，所以对滞洪区的关注多基于防洪效益的角度，而对其生态水文功能没有给予足够的重视。当前有关滞洪区生态水文功能方面的研究还很少见报到导。滞洪区有些可能是农业耕地集中区和小城镇分布区，所以关注农业生产、农业经济、以及人民生命财产安全理应成为滞洪区启用前应当充分论证的内容。然而，有些滞洪区天然状况下就是一个流域的洪水调蓄区，由于其具有独特的地形地貌、水文过程、土壤环境和野生生物分布，往往这类滞洪区在流域或区域内的功能不只是起洪水的调蓄作用，更具有支持重要生物多样性、改善生态水文过程、调节区域小气候和净化流域水质等重大生态环境功能。因此急需一种滞洪区的水文研究方法对滞洪区的水文进行系统研究。
技术实现要素：
针对上述背景技术的问题，本发明旨在提供一种滞洪区的水文研究方法。
为此，本发明采用以下技术方案：一种滞洪区的水文研究方法，其特征是包括以下步骤：
步骤一，通过现场踏查，收集近几十年以来相关水文、气象、农业生产、土地利用、水利工程、地下水位变化方面的数据，结合流域相关工程设计和研究文献资料，并利用遥感影相数据、早期各类地形图以及农业、水利工程规划和设计图件，获取流域下垫面及水文变化过程信息和数据；
步骤二，通过分析和计算滞洪区对地表径流的调节能力，以及对地下水的补充能力来分析其在流域的水循环调节功能；
步骤三，根据水文站数据分析水文年平均径流量过程的变化是否上升或下降，分析在集水区域内是否存在土地利用方式的转变以及地下水位的变化对湿地植被组成结构的变化的影响；
步骤四，洪水调蓄功能的分析与计算：
利用公式d＝(s-c)·f·h·ρ------(1)
式中：d----土壤滞洪量；
s----指湿地土壤0-30cm土层范围内平均饱和持水量；
c----退化湿地土壤田间持水量；
ρ----湿地土壤容重；
f----退化湿地得到水资源充分补充的面积；
h----蓄积洪水的湿地土壤计算厚度；
步骤五，对地下水的补充量的分析与计算：
利用以下公式
q入渗＝k(1+h/zγ)×f×t-----------(2)
式中：q入渗--湿地积水入渗补充地下水量，万m3；
k--湿地土壤饱和导水率，m/d；
zγ--潜水位埋深，m；
h--湿地平均积水深，m；
f--具有明显积水湿地的分布面积，km2；
t--计算时段，d.
δq入渗＝k(δh/zγ)×f×t-----------(3)
式中：δq入渗--湿地积水入渗补充地下水量，万m3；
k--湿地土壤饱和导水率，m/d；
zγ--潜水位埋深，m，
δh--湿地积水深增加值，m；
f--具有明显积水湿地的分布面积，km2；
t--计算时段，d.
本发明可以达到以下有益效果：通过本发明有利于揭示沼泽湿地滞洪区的生态水文过程与机理；同时对滞洪区湿地水资源恢复与管理方案的开发也有很大借鉴意义。通过对洪水调蓄功能以及地下水的补充量的分析与计算，可分析对湿地植被及湿地土壤和湿地水域生态系统产生的影响以及对滞洪区的地下水补充功能，从而在流域地表径流和地下水径流的调节均发挥着重要的功能。
具体实施方式
下面通过本发明的方法对三江平原三环滞洪区作为研究对象，对其开展水文功能的研究。
通过现场踏查，收集近50-60年以来相关水文、气象、农业生产、土地利用、水利工程、地下水位变化等方面的数据，结合流域相关工程设计和研究文献资料，并利用遥感影相数据、早期各类地形图以及农业、水利工程规划和设计图件等，获取了流域下垫面及水文变化过程信息和数据。通过分析和计算三环泡滞洪区对地表径流的调节能力，以及对地下水的补充能力来分析其在流域的水循环调节功能。
根据本发明的步骤三，三环泡滞洪区地表水位现正呈下降趋势。据保安水文站数据显示当前流经该站的年平均径流量也在呈下降趋势，这也表征了进入三环泡的地表年径流量呈下降趋势。近10年来，该保护区地表水位约以5cm/a的速度在下降，其实这反应了三环泡水位也在以同样的速度在下降。但据星河镇雨量站(离三环泡滞洪区约8km，在其集水区内)历年统计的年降雨量数据显示：三环泡滞洪区及所在区域的降雨量并没有递减，相反还略有递增的趋势。所以，三环泡滞洪区接受集水区域内的所产生的地表径流量在减少。
三环泡滞洪区及周边地区地下水位呈下降趋势。如三环泡滞洪区附近的水稻田的发展对地下水位下降的有明显的贡献。由于自每年5月至8月底期间，地下水位下降2-3m，这将增大三环泡滞洪区地表水补充地下水的量和速度，这可能是当前三环泡滞洪区内的七星河国家级自然保护区近10年来地下水位呈下降趋势的一个较为重要的原因之一。这也充分表征出三环泡滞洪区对地下水的补充功能，是洪水资源化利用的一种重要方式。
三环泡集水区域内土地利用方式的转变，主要体现在旱地转变成水田，导致对地表径流量的明显减少，同时由于对地下水的开采量也在明显增加，使得地下水位呈明显下降的趋势。据统计，三环泡滞洪区周边农场的水田面积已由1989年的2万hm2亩猛增到8万hm2，灌溉水源基本为地下水，由此，本流域地下水埋深也随着流域水田面积的增加而降低。据部分农场的地下水长井观测资料可见，本流域地下水位平均降低2.5m。如友谊和五九七农场邻近三环泡滞洪区并处于其集水区内，但这两个农场的水稻种植面积在近20年来增加迅速，如友谊农场水稻种植面积在1984年为377hm2而2006年则增加到了21347hm2，净增加了55.6倍；五九七农场则由1984年的13hm2增加到了2006年的13347hm2，净增加了1925.7倍。
三江平原浅层地下水和弱承压水参与沼泽湿地生态演潜过程，所以地下水位的下降，必然影响湿地植被组成结构的变化，同时相应改变湿地下垫面环境。而湿地的生态水文过程最主要反映在湿地植被及湿地土壤结构对水文过程的调节上。所以三环泡滞洪区地表水位与地下水位的下降已明显表明其生态水文调节功能正在发生改变。如地表水位的下降，一方面将导致湿地植被向旱化演替，另外，部分湿地土壤可能会处于长期脱水状态，有机质将分解，土壤物理结构发生改变，如容重增大和孔隙度减少，持水能力下降，所以在再次洪水淹没时可能会出现湿地土壤蓄水功能下降，如单位时间内的蓄水量减少，相应减少其整体的滞洪能力。
三环泡滞洪区由于湿地土壤孔隙蓄水和防洪库容蓄水的共同作用，使得其具有明显的调蓄洪水的作用。为了方便分析与计算，在此引入显性水生态空间和隐性水生态空间概念。显性水生态空间是指通过肉眼就能直接观察到的水生态空间,如河流、湖库、坑塘等等。隐性水生态空间是指人类无法通过肉眼观测,但可通过仪器测量或模拟而了解到的水生态空间,如土壤、森林、含水层；显性水生态空间易于遭到人类活动的直接干扰,其易损性要大于隐性水生态空间。三环泡滞洪区湿地土壤孔隙可被视为蓄洪的水生态隐性空间，而周边围堤形成的防洪库容即水生态显性空间。如果仅考虑三环泡显性空间的调蓄，不考虑滞洪区的湿地土壤的调蓄，经计算十年一遇滞洪区库容2.43亿m3，入库流量520m3/s，而泄量154m3/s,经调蓄减少366m3/s，对降低下游河道水位减少堤防工程量起到了显著作用。如果同时考虑三环泡滞洪区湿地土壤层对洪水的蓄积作用，则实际出库流量会减少。
湿地土壤饱和持水量与上层积水水深以及土壤中湿地植物根系的累积含量的有关，三江平原湿地土壤饱和持水量一般可达400％左右，如果是草炭层含水量可达500％-600％甚至800％-900％。通过类比洪河保护区退化湿地土壤的田间含水量测试数据[6]，如视当前三环泡退化湿地土壤(0-30cm)范围内田间持水量平均值为80％左右；如果视三环泡积水区域湿地土壤持水量处于饱和持水量，则可以用用公式(1)算出三环泡湿地土壤的总滞洪量(d)。
d＝(s-c)·f·h·ρ
可以计算得出三环泡湿地土壤的蓄洪量则可以达到11544万m3。如果出现长期脱水，则湿地可能在一次性洪水过程中蓄洪量减少。如果平均降为200％，则洪水的蓄洪量只有3996万m3。这可能会对湿地植被及湿地土壤和湿地水域生态系统产生明显的影响。据调查和计算，当前至少应当保持5000hm2的水面，并且维持2000hm2部分水域深度达1.5m以上。
对地下水的补充量的分析与计算
三环泡周边地下水位季节性变幅相当明显，虽然地下水总体上还是呈下降的趋势，但从五日过地下水位过程线也反映地下水还是能在7-10月进行明显回升，这与三环泡滞洪区湿地对地下水的补充有一定的联系。因三江平原地下水参与湿地的生态过程，为了较为定量地分析滞洪区对地下水的补充量，可以运用公式(2)进行计算；由(2)可以推出因积水深增加而增加补给地下水量(δq入渗)的计算公式(3)，所以，当沼泽湿地水位增大时，将增加对地下水的补充量。
q入渗＝k(1+h/zγ)×f×t-----------(2)
式中：q入渗--湿地积水入渗补充地下水量，万m3；
k--湿地土壤饱和导水率，m/d；
zγ--潜水位埋深，m；
h--湿地平均积水深，m；
f--具有明显积水湿地的分布面积，km2；
t--计算时段，d
δq入渗＝k(δh/zγ)×f×t-----------(3)
式中：δq入渗--湿地积水入渗补充地下水量，万m3；
k--湿地土壤饱和导水率，m/d；
zγ--潜水位埋深，m；
δh--湿地积水深增加值，m；
f--具有明显积水湿地的分布面积，km2；
t--计算时段，d.
在此取三环泡滞洪区长期积水区域的面积为300km2；湿地土壤饱和导水率(k)近似取0.051-0.086m/d；湿地水域平均积水深为0.5m；地下水位埋深取5m；计算时间取7-10月共123天进行计算，则代入(2)可以得出水量补充量为2070～3495万m3。如果在春汛和夏汛期间，滞洪区水位及水面面积均会增大，这将明显增大对地下水量的补充量。假设一年中对两次行洪过程的计算时间分别取30天(春汛)和60天(夏秋汛)；湿地增加积水深，在春汛期间增加水深取25cm，在夏秋汛期间取30cm；将以上计算参数输入公式(3)可知，滞洪区湿地增加补给地下水量将达69-100万m3。如果按该区域地下的给水度0.08计，从静态角度来分析，则可以使周边258～349km2区域的地下水位回升1.0m。可见三环泡滞洪区具有较强的地下水补充功能。在流域地表径流和地下水径流的调节均发挥着重要的功能。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。