吳燕鋒, 章光新

1 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,長春 130102 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

濕地是地球上重要的天然蓄水庫和物種基因庫,具有涵養(yǎng)水源、調(diào)蓄洪水、補充地下水、調(diào)節(jié)小氣候和凈化水質(zhì)等水文功能,在維系流域或區(qū)域水量平衡、蓄洪防旱、改善水質(zhì)和維護生物多樣性等方面發(fā)揮著不可替代的作用,支撐人類的經(jīng)濟社會和生存環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[1- 2]。水文過程是濕地形成、發(fā)育、演替直至消亡的最重要的驅(qū)動機制,水文情勢與生物多樣性構(gòu)成濕地獨特的生態(tài)水文特征,濕地生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展、演替以及穩(wěn)定與濕地水文情勢和生物多樣性的長期相互作用直接相關(guān)[3- 4]。在氣候變化和人類活動的雙重影響下,全球與流域尺度上水循環(huán)和水資源量時空分布發(fā)生了深刻變化,導(dǎo)致濕地面積大幅度萎縮、功能嚴(yán)重退化乃至喪失,影響并改變了流域水文過程及水量平衡,增加洪水和干旱頻次和強度的風(fēng)險,已引起國際社會和專家學(xué)者的普遍關(guān)注和高度重視。

濕地生態(tài)水文學(xué)是以濕地生態(tài)系統(tǒng)為研究對象,揭示不同時空尺度濕地生態(tài)格局和生態(tài)過程的水文學(xué)機制的一門科學(xué),是研究濕地水文過程如何影響植物分布和生長及濕地植物如何影響水文過程的生態(tài)學(xué)和水文學(xué)之間的交叉學(xué)科[1]。由于缺少對濕地水文和濕地生物過程及其相互之間關(guān)系的理解,尤其是對恢復(fù)濕地未來演變動態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)測,往往會導(dǎo)致濕地生態(tài)保護與恢復(fù)重建成效甚微甚至以失敗告終[5]。濕地生態(tài)水文模型是濕地生態(tài)水文學(xué)研究的核心內(nèi)容之一,在理解和揭示濕地生態(tài)水文過程、機理與效應(yīng)的基礎(chǔ)上,采用數(shù)學(xué)方法和邏輯表達式,描述和模擬濕地生態(tài)水文過程及演變規(guī)律,是揭示濕地生態(tài)-水文過程相互作用關(guān)系及互饋機制、濕地生態(tài)需水量精細(xì)計算、濕地生態(tài)補水與水資源管理、變化環(huán)境下濕地生態(tài)水文響應(yīng)預(yù)測以及濕地演變過程及趨勢評價等研究不可或缺的有效工具。因此,濕地生態(tài)水文模型的研發(fā)及應(yīng)用,可為濕地生態(tài)水文調(diào)控和水資源管理提供理論依據(jù)和技術(shù)支持,進而為濕地生態(tài)保護與恢復(fù)重建提供水文學(xué)依據(jù),促進濕地生態(tài)水文學(xué)學(xué)科快速、健康發(fā)展。

20世紀(jì)70年代以來,國內(nèi)外專家開展了大量的有關(guān)濕地生態(tài)水文模型研究工作,取得了豐碩的成果。伴隨著水文模型和生態(tài)模型等的發(fā)展以及計算機技術(shù)的不斷提高,濕地生態(tài)水文模型已由經(jīng)驗性模型、機理模型、集總式模型向具有統(tǒng)一物理機制的分布式生態(tài)水文模型方向發(fā)展,由單過程模擬向多過程耦合模擬研究發(fā)展,更加注重水文學(xué)、生態(tài)學(xué)、濕地學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)等多學(xué)科融合和多種技術(shù)聯(lián)合運用,更好地解決變化環(huán)境下濕地生態(tài)系統(tǒng)面臨的水量和水質(zhì)問題,為濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康和可持續(xù)性提供水安全保障。本文首先介紹了濕地生態(tài)水文模型的概念、內(nèi)涵及構(gòu)建方法,然后從發(fā)展歷程、研究應(yīng)用的重點領(lǐng)域等方面綜合評述濕地生態(tài)水文模型研究進展,同時指出當(dāng)前存在的問題與亟需加強研究的重點方向。

1 濕地生態(tài)水文模型概述

1.1 概念及內(nèi)涵

廣義地講,濕地生態(tài)水文模型就是任何可以用于描述和模擬濕地生態(tài)-水文相互作用關(guān)系、過程機理及互饋機制的數(shù)學(xué)模型。具體而言,濕地生態(tài)水文模型是在認(rèn)識和揭示變化環(huán)境下濕地生態(tài)水文相互作用關(guān)系、過程機理與互饋機制的基礎(chǔ)上(圖1),運用計算機技術(shù),建立的模擬和預(yù)測濕地水文、土壤、植被等系統(tǒng)的主要構(gòu)成要素之間相互作用機制及變化狀況的模型,是變化環(huán)境下濕地生態(tài)系統(tǒng)水文影響及其響應(yīng)研究的重要途徑和手段。往往借助于流域水文模型、水動力模型和生態(tài)模型,針對水文與生態(tài)相互作用機理與過程開展定量模擬研究,是目前濕地生態(tài)水文模型的主要研究內(nèi)容。

圖1 變化環(huán)境下濕地生態(tài)水文相互作用及影響反饋概念圖[6]Fig.1 System diagram of watershed wetlands eco-hydrology interaction within the context of global[6]

1.2 模型構(gòu)建理論方法及分類

目前,濕地生態(tài)水文模型的構(gòu)建主要包括三種方法：一是傳統(tǒng)的數(shù)理統(tǒng)計法[6-7],基于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)建立生態(tài)-水文過程之間的相互關(guān)系,但這種方法對數(shù)據(jù)要求較大,同時缺乏對濕地生態(tài)-水文過程相關(guān)機理的考慮。二是遙感方法,應(yīng)用GIS和遙感方法提取濕地生態(tài)與水文參數(shù),結(jié)合統(tǒng)計分析方法、數(shù)學(xué)模型等構(gòu)建生態(tài)水文模型[8]。三是數(shù)值模擬方法,目前主要包括兩種方法：分別建立濕地水文模型和生態(tài)模型,并交互進行松散耦合;借助于水文、水動力或水質(zhì)模型,在耦合濕地模塊的基礎(chǔ)上,完成對濕地生態(tài)水文模型的構(gòu)建。但是,大多數(shù)模型的構(gòu)建仍處在對生態(tài)學(xué)模型和水文學(xué)模型借鑒和綜合的基礎(chǔ)上,尚未實現(xiàn)濕地生態(tài)-水文過程物理機制上的緊密耦合,限制了模型的模擬精度和適用性,濕地生態(tài)水文模型的構(gòu)建有待進一步發(fā)展和完善。

水文模型是濕地生態(tài)-水文相互作用關(guān)系研究和濕地生態(tài)水文模型構(gòu)建的基礎(chǔ)和前提,常常利用水文模型模擬濕地水文情勢變化狀況及趨勢,在此基礎(chǔ)上明晰濕地生態(tài)水文指標(biāo)與生態(tài)指標(biāo)定量關(guān)系,闡釋濕地生態(tài)響應(yīng)的水文學(xué)機制,也可模擬不同情景下流域濕地變化的水文效應(yīng),定量評估濕地水文功能。參考水文模型分類方法[9],本文將可用于濕地水文模擬研究的水文模型歸納為3種類型(表1)。

表1 用于濕地水文模擬研究的水文模型

2 濕地生態(tài)水文模型的研究歷程

2.1 推動濕地生態(tài)水文模型發(fā)展的重要國際會議和主要議題

隨著濕地生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的獲取逐漸豐富以及計算機技術(shù)的發(fā)展,國際上于20世紀(jì)70年代中期開始了淡水濕地和河口濕地浮游動物、植物與水體營養(yǎng)關(guān)系的模擬研究[10]。20世紀(jì)80年代初期,兩次以淡水濕地和淺水水體生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)為主題的國際會議以及第二屆世界濕地大會的召開,濕地生態(tài)水文模型研究才逐漸被高度重視,學(xué)者們逐漸意識到建立濕地生態(tài)水文模型是濕地生態(tài)水文研究和管理的重要組成部分[11- 12]。隨著20世紀(jì)90年代生態(tài)水文學(xué)的興起,召開了諸多涉及濕地生態(tài)水文模型的國際會議,并開展了一系列重要議題(表2),極大促進了濕地生態(tài)水文模型的發(fā)展[13- 15]。

表2 關(guān)于濕地生態(tài)水文模型的重要國際會議和主要議題

SCOPE，國際科學(xué)聯(lián)合會環(huán)境問題科學(xué)委員會，Scientific Committee on Problems of the Environment；UNEP，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署，The United Nations Environment Program；UNESCO/IHP，聯(lián)合國教科文組織國際水文計劃，United Nations Educational Scientific and Cultural Organization

2.2 國內(nèi)研究發(fā)展歷程

中國濕地研究起步于20世紀(jì)50年代,至20世紀(jì)80年代開始了濕地生態(tài)水文模擬研究[16]。中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所從20世紀(jì)80年代末開始在三江平原開展沼澤濕地蒸發(fā)以及沼澤濕地對河川徑流影響研究[17- 18],隨后探究了松嫩流域沼澤濕地與洪水過程的關(guān)系[19],但主要基于數(shù)理統(tǒng)計法量化生態(tài)-水文過程的關(guān)系研究。隨著生態(tài)學(xué)、水文學(xué)等學(xué)科理論和方法體系的發(fā)展以及濕地生態(tài)水文研究的展開,提升了我國濕地生態(tài)水文研究水平,并逐漸與國際濕地研究接軌[16]。近20年來,以濕地保護與恢復(fù)對水文水資源需求為驅(qū)動,我國學(xué)者在濕地水文過程模擬及其生態(tài)效應(yīng)、生態(tài)需水機理及其計算理論和方法、生態(tài)補水與水資源管理等領(lǐng)域開展了大量研究工作,在濕地生態(tài)水文研究理論方法、濕地水文恢復(fù)和水資源管理實踐等方面取得了豐碩的成果[1]。其中,生態(tài)格局、生態(tài)過程與水文過程相互作用機制模擬研究越來越引起我國學(xué)者的關(guān)注,主要是基于生態(tài)水文模型模擬、分析和預(yù)測濕地生態(tài)-水文要素變化規(guī)律及趨勢,揭示濕地系統(tǒng)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和外在環(huán)境的動態(tài)變化的關(guān)系,定量評價濕地開發(fā)活動帶來的生態(tài)環(huán)境影響[3- 4],并提出面向濕地恢復(fù)和保護的流域水資源優(yōu)化配置和綜合管控技術(shù)。具體而言,學(xué)者們主要圍繞濕地水文與水動力[20- 22]、濕地水文與生態(tài)演變[23]、濕地生態(tài)需水[24]、濕地水文功能[25- 27]、氣候變化對濕地的影響[28]以及濕地恢復(fù)重建與水文調(diào)控[29- 30]等主題開展相關(guān)研究工作(表3),對我國濕地生態(tài)水文學(xué)的發(fā)展、濕地生態(tài)保護與恢復(fù)重建等方面具有重要意義。

表3 近年來我國濕地生態(tài)水文模擬研究

2.3 向基于機理機制的“多要素、多尺度、多過程”綜合模型發(fā)展

由于尚未建立具有普遍適用性的濕地生態(tài)水文模型,學(xué)者們主要基于現(xiàn)有的水文模型或生態(tài)模型,修改或增加相應(yīng)的濕地模塊,并應(yīng)用于濕地生態(tài)水文過程模擬和分析研究。其中,主流的耦合濕地模塊的流域水文模型及其主要應(yīng)用見表4[21,26-28,31- 41]。隨著濕地模塊的不斷開發(fā)和改進以及水循環(huán)模擬技術(shù)和生態(tài)模擬技

表4 耦合濕地模塊的流域水文模型

術(shù)的進一步耦合,濕地生態(tài)水文模型已從描述單一過程關(guān)系經(jīng)驗?zāi)Ｐ桶l(fā)展到精細(xì)刻畫物理過程的分布式水文-水動力-水質(zhì)-生態(tài)耦合響應(yīng)的綜合模型。研究歷程上,濕地生態(tài)水文模型經(jīng)歷了水文與動物、植被和生境等響應(yīng)關(guān)系研究、水文-生態(tài)過程模擬研究發(fā)展為水動力-水質(zhì)-生態(tài)過程綜合研究;由水文情勢指標(biāo)與生態(tài)指標(biāo)之間關(guān)系的定性或定量研究逐漸發(fā)展為基于生態(tài)過程和水文過程的定量研究;由單一過程的影響和響應(yīng)關(guān)系研究逐漸發(fā)展為多過程、多時空尺度及耦合機制研究;由注重濕地生態(tài)效應(yīng)和生態(tài)功能的評價和預(yù)測研究發(fā)展到更加關(guān)注濕地水系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)與社會經(jīng)濟系統(tǒng)之間的相互作用機制,從“人-水-濕地”和諧論和生態(tài)經(jīng)濟角度考慮濕地生態(tài)水文功能恢復(fù)和保護以及水資源綜合管控,將極大提高濕地生態(tài)有效修復(fù)和保護。

3 濕地生態(tài)水文模型研究應(yīng)用的重點領(lǐng)域及案例

3.1 濕地生態(tài)水文調(diào)控與生態(tài)補水

在利用濕地生態(tài)水文模型理解和揭示濕地水文過程變化的生態(tài)響應(yīng)機制的基礎(chǔ)上,確定維持濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的合理的水文情勢(生態(tài)水位、生態(tài)流量、水面面積和水文周期等),精細(xì)計算濕地生態(tài)需水量,為濕地生態(tài)水文調(diào)控與生態(tài)補水提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持,從而有助于流域尺度上科學(xué)地進行生態(tài)配水和水資源管控[42]。首先基于水文循環(huán)與水量平衡原理、生態(tài)系統(tǒng)完整性以及水文過程的生態(tài)效應(yīng)等生態(tài)水文理論基礎(chǔ),在明晰生態(tài)水文耦合作用機制的基礎(chǔ)上,構(gòu)建濕地生態(tài)-水文定量模擬模型,通過人為設(shè)定濕地生態(tài)水文目標(biāo)和多個環(huán)境變化情景,利用模型對多情景下濕地生態(tài)環(huán)境效益進行評價,最終確定維持濕地生態(tài)功能的生態(tài)需水量,并將濕地生態(tài)需水評估結(jié)果落實到生態(tài)補水實踐中。崔麗娟等[43]在定量揭示扎龍濕地逐年平均適宜生態(tài)需水量的基礎(chǔ)上,提出了洪水資源人工補水和加強水源的優(yōu)化配置等濕地補水措施。孫爽等[44]在綜合分析查干湖濕地最高水位、最大蓄水量、水面面積和湖面蒸散量等水文要素的基礎(chǔ)上,以滿足魚類繁殖的最低要求、保障濕地內(nèi)適宜的蘆葦面積以及群落結(jié)構(gòu)完整性作為生態(tài)保護目標(biāo),計算了查干湖濕地適宜生態(tài)水位和生態(tài)需水量,并提出了不同情景查干湖生態(tài)水量調(diào)控方案和不同農(nóng)田退水量情景生態(tài)需水量調(diào)控方案。但是,濕地生態(tài)水文調(diào)控不僅要解決“水少”的問題(如何補水),還要解決“水多”的問題(如何排水),這就需要在確定和量化水文、水質(zhì)和生態(tài)保護目標(biāo)的基礎(chǔ)上,開展多情景下面向濕地保護目標(biāo)的生態(tài)水文調(diào)控技術(shù)與應(yīng)用研究。如何基于濕地水資源需求與生態(tài)水文調(diào)控,從根本上解決濕地生態(tài)安全問題,實現(xiàn)水資源在社會經(jīng)濟系統(tǒng)和濕地生態(tài)系統(tǒng)之間的優(yōu)化配置,是目前亟需解決的問題。

隨著濕地修復(fù)工作的深入開展,面向濕地生態(tài)的水資源合理配置已逐步得到重視,并為解決濕地缺水問題提供了很好的思路[1,45]。然而,目前學(xué)者們主要集中在濕地生態(tài)需水量的估算以及生態(tài)補水方面[46-48],如何與濕地生態(tài)補水相結(jié)合,切實考慮濕地生態(tài)水文特征,充分利用非常規(guī)水資源(洪水資源和農(nóng)田退水等),以最大限度發(fā)揮濕地水文調(diào)蓄和水質(zhì)凈化等功能的濕地水資源調(diào)控技術(shù)是當(dāng)前關(guān)注的焦點和研究的難點之一,也可為濕地修復(fù)重建提供理論和技術(shù)支撐。

3.2 流域濕地生態(tài)恢復(fù)重建與水資源綜合管控

流域濕地生態(tài)水文過程模擬是基于水量平衡原理,依據(jù)濕地內(nèi)部地形、土壤和生境等的差異,建立模擬濕地內(nèi)部水循環(huán)過程的濕地模塊并耦合到流域水文模型中,形成綜合的流域濕地水文模型,并用于流域濕地生態(tài)過程和生態(tài)格局與水文過程的相互作用機制和反饋的研究。流域濕地生態(tài)水文過程模擬不僅可以精確地模擬濕地水循環(huán)過程,同時把濕地水循環(huán)過程納入流域單元內(nèi),考慮濕地與周圍環(huán)境密切的水文關(guān)系,并能揭示氣候變化和人類活動影響下的濕地水文響應(yīng)機理,模擬和預(yù)測流域濕地水文情勢,為流域濕地水文管理和水資源合理配置提供科學(xué)依據(jù)[1]。

3.2.1 濕地生態(tài)恢復(fù)重建的水文效應(yīng)模擬研究

濕地具有強大的水循環(huán)調(diào)節(jié)功能,濕地變化會引起其水文服務(wù)和水文功能的變化。學(xué)者們主要從濕地生態(tài)格局變化、濕地生態(tài)退化和恢復(fù)重建等角度開展?jié)竦刈兓乃男?yīng)模擬研究?；跐竦囟鄷r空變化情景模擬研究表明,濕地季節(jié)性變化[40- 41]、濕地恢復(fù)和重建程度[34]和農(nóng)業(yè)開墾[49]以及氣候變化[50]等會引起其生態(tài)格局改變,進而引起其水文調(diào)蓄能力、水質(zhì)凈化能力等的變化。如19802008年Cole Greek流域60%的濕地消失導(dǎo)致流域2年、5年和10年一遇的洪水發(fā)生概率增加了15%[51]。Yang等[52]將河濱濕地模塊耦合SWAT模型構(gòu)建了流域濕地水文模型,探討了加拿大黑河流域河濱濕地?fù)p失和重建對水質(zhì)(總氮、總磷、沉積物)的影響,結(jié)果表明：與現(xiàn)有濕地狀況比較,河濱濕地完全喪失會引起水質(zhì)嚴(yán)重惡化,而河濱濕地完全恢復(fù)會引起水質(zhì)明顯改善。

面對濕地恢復(fù)和保護的現(xiàn)實需求,尤其是有限的水資源和土地資源等現(xiàn)實問題,如何以最優(yōu)的濕地空間布局達到最大的濕地水文功能的發(fā)揮,是濕地恢復(fù)和重建亟待解決的一個學(xué)科前沿問題。學(xué)者們主要通過以下兩方面開展研究：(1)基于歷史濕地情景(恢復(fù)至歷史某一時期)的水文模擬,對比分析目前濕地情景和歷史某時段情境下濕地水文功能的差異性;(2)基于現(xiàn)有濕地分布和重建選址分析,運用優(yōu)化算法(如遺傳算法)和目標(biāo)函數(shù)(如最大洪峰削減、最低投入和維護成本、最大景觀尺度水文連通性等),模擬多個濕地保護和重建情景下濕地水文情勢和流域水文過程,確定濕地位置和面積大小等最優(yōu)生態(tài)格局。但是,由于重建觀念和技術(shù)方法存在分歧,尤其是濕地重建及其評價標(biāo)準(zhǔn)存在的分歧,濕地恢復(fù)和重建的水文模擬研究仍存在亟待解決的問題,如基于最優(yōu)濕地生態(tài)格局的綜合模擬研究如何驗證,以及如何將氣候變化耦合濕地恢復(fù)和保護目標(biāo),從提高濕地恢復(fù)和保護方案的可行性。

3.2.2 濕地水文功能模擬與水資源管控研究

流域尺度上,濕地通過地表徑流、近地表徑流、地下徑流等方式與河川徑流、湖泊以及其他水域等地表水系統(tǒng)連通,發(fā)揮其水文調(diào)節(jié)和凈化水質(zhì)等功能,一方面影響濕地生物多樣性和分布以及濕地生態(tài)格局[53],另一方面以水為媒介影響流域下游的水文過程和生態(tài)過程[54-55](圖2)。Evenson等[49]基于SWAT模型定量評價了Nahunta河流域孤立濕地對下游水文的累積影響效應(yīng),認(rèn)為孤立濕地可以調(diào)節(jié)洪峰流量和基流量,且孤立濕地的景觀狀況影響流域水量平衡。Golden等[53]基于空間徑流網(wǎng)絡(luò)模型和SWAT模型在美國北卡羅來納州的Neuse河579個子流域開展徑流模擬研究表明,孤立濕地以及流域整體的濕地景觀生態(tài)格局共同影響徑流的季節(jié)性變化。在研究思路上,分別評價流域有/無濕地情景、不同濕地類型情景下流域水文過程的變化,如從水量平衡要素(徑流量、基流量、潛在蒸散發(fā)、地面徑流和地下水補給量等)[49]、洪水強度、頻率、重現(xiàn)期變化和下游水動力參數(shù)(河道徑流、水位和流速等)[56]、泥沙沉積[34]和水質(zhì)指標(biāo)[57]等角度探討濕地變化的水文效應(yīng),定量評估濕地在流域尺度上的水文功能(圖3)。

圖2 流域水文連通性概念模型Fig.2 Conceptual model of hydrological connectivity in a watersheda. 流域不同濕地類型水文連通性概念圖；b. 孤立濕地與河濱濕地水文連通剖面圖[40]; SF：地表徑流，Surface flow；LF：側(cè)向流，Lateral flow；GF：地下徑流，Groundwater flow；Vev：蒸散發(fā)，Evapotranspiration；Vpcp：降雨量，Precipitation；Vseep：滲漏量，Seepage；Vflout：孤立濕地出流量，Isolated water surface outflow；Vex(rwse)：河濱濕地地表水交換量，Riparian water surface exchange；Vex(rwle)：河濱濕地側(cè)向水體交換量，Riparian water lateral exchange

圖3 濕地水文功能定量評估研究思路 Fig.3 Research methodology of quantitative assessment of wetlands hydrological functions

但是,由于濕地的類型和位置[39- 40]、所處流域的水系級別[41]、植被覆蓋類型和空間格局[58]以及生態(tài)系統(tǒng)[59]的不同,其調(diào)蓄水量尤其是調(diào)蓄洪水的能力以及凈化水質(zhì)能力也有所不同。孤立濕地和河濱濕地作為流域濕地重要組成部分,兩者共同發(fā)揮水文功能,影響并改變著流域水文過程,已成為近年來學(xué)者們關(guān)注的焦點之一。孤立濕地是指具有或少有永久性水面,與河流無地表連通性或連通性較差的濕地,其水文狀況受地下水位影響很大,且蒸散發(fā)、降水量和濕地自身特性影響地下水位變化[60];河濱濕地是指臨近河流遭受洪水周期性淹沒的濕地,其水文狀況主要取決于河流的影響程度和地下水狀況(圖2)[38]。Fossey等[41]基于耦合孤立濕地和河濱濕地模塊的分布式水文模型HYDROTEL,運用濕地位置-類型指數(shù)探究了 Becancour河流域孤立濕地和濱河濕地對徑流的影響和作用,認(rèn)為上游、中游和下游的孤立濕地和河濱濕地對年和季節(jié)洪峰流量和平均流量的影響差異顯著,且濕地所處的流域水系級別不同,其調(diào)蓄洪峰流量的能力也有所不同。Acreman和Holdeh[31]認(rèn)為流域上游高地雨養(yǎng)型濕地往往是洪水的發(fā)源地,而下游洪泛濕地具有調(diào)蓄洪水的能力。其次,氣候變化和水資源調(diào)控會改變徑流機制,進而改變濕地水源和濕地水文情勢,影響濕地水文效應(yīng)及水文功能的發(fā)揮[38- 39,57]。因此,鑒于濕地生態(tài)過程和水文過程的復(fù)雜性以及氣候變化和人類活動的共同影響,增加了濕地水文功能模擬的復(fù)雜性,需要結(jié)合多學(xué)科、多技術(shù)手段,從而提高模型的模擬精度,在揭示流域濕地水文功能的基礎(chǔ)上,提出切實可行的濕地生態(tài)恢復(fù)重建與水資源綜合管控方案。

3.3 氣候變化下濕地生態(tài)水文變化評估與應(yīng)對策略

氣候變化通過改變?nèi)蛩难h(huán)的現(xiàn)狀而引起水熱資源在時空上的重新分布以及極端水文事件發(fā)生頻發(fā)和強度增大,影響濕地水文水資源和關(guān)鍵水文過程以及濕地水文與生態(tài)的相互作用過程,對濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生深遠的影響[47,61- 64]?；跉夂蝌?qū)動的過程模型[65- 68]或大尺度流域水文模型[69- 70],學(xué)者們研究表明,濕地對氣候變化極為敏感,氣候變化引起的濕地關(guān)鍵水文要素的變化(如積雪和徑流減少,蒸散發(fā)增加等)將會導(dǎo)致濕地水位下降、水文周期縮短、干旱化增強,最終引起濕地面積的萎縮提前和加劇以及水禽棲息地的減少。如Werner等[68]認(rèn)為20世紀(jì)氣候變化引起北美大草原濕地景觀演變,表現(xiàn)為濕地水文周期縮短和植被循環(huán)周期延長,最終引起了數(shù)百個依賴濕地生存的物種的生產(chǎn)力減少。Johnson等[66]基于氣候驅(qū)動的WETLANDSCAPE模型和19個氣象站數(shù)據(jù)的模擬研究表明氣溫增加1.52.0℃會導(dǎo)致北美大草原濕地功能的消失。Leel等[69]基于濕地實測水位數(shù)據(jù)和VIC模型模擬的土壤含水量數(shù)據(jù),建立了土壤含水量與濕地水位的回歸模型,模擬美國西北部種山地濕地(間歇性、季節(jié)性、多年存在的和永久性濕地)的水文特征并預(yù)測了未來氣候變化變化對濕地水文特征的影響,認(rèn)為未來氣候變化引起的濕地干旱化會導(dǎo)致不同類型的濕地面積增減、轉(zhuǎn)化甚至消失殆盡。

研究方法上,學(xué)者們主要基于氣候數(shù)據(jù)和氣候驅(qū)動生態(tài)水文模型開展氣候變化對濕地水文和植被覆蓋等影響的模擬研究,而基于長期野外實測地表水和地下水等數(shù)據(jù)并結(jié)合氣候數(shù)據(jù)開展?jié)竦啬M的研究較少。研究思路上,通過設(shè)定不同的氣溫和降水組合情景或基于未來氣候情景模式數(shù)據(jù)或不同研究時段,模擬不同干濕情境下或不同時段濕地水文情勢和面積、植被覆蓋的響應(yīng)程度和棲息地的變化等,揭示氣候變化驅(qū)動下的濕地演變特征,并提出應(yīng)對策略和方案[1]。

縱觀國內(nèi)外有關(guān)氣候變化情境下濕地生態(tài)水文變化評估與應(yīng)對策略的研究,學(xué)者們主要圍繞氣候因子變化與濕地生態(tài)水文要素之間的相互作用過程和機理開展相關(guān)研究,基于氣候變量-水文過程-濕地生態(tài)響應(yīng)耦合模型,揭示不同氣候情境下的水文情勢變化以及生態(tài)過程和生態(tài)格局演變趨勢,并提出應(yīng)對氣候變化的水資源調(diào)控和濕地恢復(fù)和保護的管理方案。但是,濕地的退化往往離不開人類活動的強烈干擾,尤其是具有較強農(nóng)業(yè)活動的地區(qū);其次,大尺度濕地氣候、水文等要素有明顯空間差異性,這就會引起濕地對氣候變化的響應(yīng)在空間上有所不同。如Fay等[71]基于63個氣溫和降水組合情境模擬研究表明,氣候變化對濕地的影響不可一概而論,對濕地的保護需要考慮氣候變化引起的不同地區(qū)干旱程度的差異性。Johnson等[67]研究表明北美大草原濕地對氣候變化的響應(yīng)也有空間差異性,即氣溫不同的地區(qū),濕地的植被狀況對同等增溫情景的響應(yīng)差異明顯。因此,開展氣候變化對濕地生態(tài)水文的影響及其應(yīng)對策略研究,需要綜合考慮環(huán)境變化和人為干擾對濕地生態(tài)水文的影響,并基于氣候模式和水文模型開展相關(guān)模擬和預(yù)測研究,從而更好的服務(wù)于區(qū)域或流域濕地生態(tài)安全和農(nóng)業(yè)安全。

4 結(jié)論與展望

綜合分析國內(nèi)外濕地生態(tài)水文模型研究現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢,濕地生態(tài)水文模型取得了豐碩的成果,并向“多要素、多尺度、多過程”的復(fù)雜模型發(fā)展,在濕地生態(tài)水文調(diào)控與生態(tài)補水、流域濕地生態(tài)恢復(fù)重建與水資源綜合管控和氣候變化下濕地生態(tài)水文變化評估與應(yīng)對策略等領(lǐng)域應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。但是,目前仍缺乏普遍適用性的濕地生態(tài)水文模型,且基于水文模型和生態(tài)模型或模塊的耦合而建立濕地生態(tài)水文模型存在不足,如分離模擬和松散耦合的方式導(dǎo)致模型間的數(shù)據(jù)無法進行實時傳遞,尚未實現(xiàn)濕地生態(tài)-水文過程物理機制上的緊密耦合,影響模擬的精度和研究的適用性;其次,在模型應(yīng)用研究中,多集中于單向作用的研究,例如水文過程對濕地演變的影響、濕地變化對水文過程的影響,有關(guān)流域濕地生態(tài)格局和生態(tài)過程與水文過程雙向交互作用和耦合機制的研究較少,更缺乏綜合考慮氣候變化、人類活動及濕地特性等多要素的綜合模擬和預(yù)測研究。為進一步推進濕地生態(tài)水文模型開展深入、全面、系統(tǒng)的研究,綜合已有研究,針對目前研究中存在的一些問題,提出以下幾方面建議與展望：

(1)機理研究：加強變化環(huán)境下流域水循環(huán)及其伴生過程對濕地生態(tài)的影響及其反饋機制研究。從濕地生態(tài)系統(tǒng)尺度研究水量、水質(zhì)變化及其交互作用對生態(tài)系統(tǒng)的影響機理,從流域尺度開展水文過程與濕地水文響應(yīng)耦合關(guān)系研究,精細(xì)化計算濕地生態(tài)需水量和生態(tài)補水量,為流域濕地水文調(diào)控與水資源管理提供支撐。

(2)模型研發(fā)：加強濕地模塊研發(fā)及其與流域水文模型的耦合研究。在全面、深入理解和刻畫濕地水文特性及其與周圍環(huán)境的水文聯(lián)系的基礎(chǔ)上,研發(fā)不同類型濕地模塊,并將濕地模塊嵌入到流域水文模型中,構(gòu)建流域濕地生態(tài)水文模型,提高水文模擬精度,并為流域濕地恢復(fù)保護與重建和濕地景觀格局優(yōu)化提供依據(jù)和決策支持。

(3)模型應(yīng)用： 加強濕地生態(tài)水文模型與生態(tài)經(jīng)濟模型耦合和應(yīng)用研究。從生態(tài)水文學(xué)和生態(tài)經(jīng)濟學(xué)研究的理論入手,拓展?jié)竦厮Y源綜合管理的理念和方法,構(gòu)建濕地“水-生態(tài)-經(jīng)濟”協(xié)調(diào)發(fā)展耦合模型,指導(dǎo)濕地水資源管理與生態(tài)恢復(fù)保護,更好的服務(wù)于生態(tài)文明建設(shè)。

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