流域濕地水文調(diào)蓄功能研究綜述

吳燕鋒,章光新

(中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,吉林 長(zhǎng)春 130102)

濕地與森林、海洋并稱為全球三大生態(tài)系統(tǒng),是自然生態(tài)空間的重要組成部分,在維護(hù)流域水量平衡、減輕洪旱災(zāi)害和應(yīng)對(duì)氣候變化等方面發(fā)揮極其重要的作用,支撐人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生存環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[1- 2]。然而,近幾十年來(lái),在全球氣候變化與高強(qiáng)度人類活動(dòng)的雙重影響下,全球尺度濕地面積大幅度萎縮和功能急劇下降,已對(duì)流域生態(tài)安全和水安全構(gòu)成了威脅[3- 5]?！?018年世界水資源發(fā)展報(bào)告》[6]中強(qiáng)調(diào)基于自然的水資源解決方案(Nature- based solutions for water)的理念是通過(guò)利用自然生態(tài)系統(tǒng)的“蓄- 滯- 滲- 凈- 排”的特點(diǎn)和功能來(lái)管理水的可獲得性、水質(zhì)和涉水風(fēng)險(xiǎn)與災(zāi)害,增加可利用水量、改善水質(zhì)和降低水旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),從而強(qiáng)化整體水安全。濕地水文調(diào)蓄功能是濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要組成部分,開(kāi)展定量評(píng)估對(duì)濕地生態(tài)功能評(píng)價(jià)和濕地生態(tài)系統(tǒng)管理具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。作為濕地水文功能核心構(gòu)成部分的濕地水文調(diào)蓄功能是指在流域尺度上濕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水循環(huán)過(guò)程及水量平衡發(fā)揮的調(diào)節(jié)作用和功效,可作為基于自然的水資源與氣候變化解決方案中的重要載體,以應(yīng)對(duì)干旱洪水等極端水文事件帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)[7- 8],從而服務(wù)于生態(tài)海綿智慧流域建設(shè)[9- 10]。

20世紀(jì)80年代起,出于濕地生態(tài)系統(tǒng)管理的需要,濕地生態(tài)服務(wù)功能的評(píng)估逐步得到重視,國(guó)內(nèi)外專家也對(duì)濕地水文功能評(píng)估開(kāi)展了大量研究工作,取得了豐碩的成果[11- 12],主要集中在單塊濕地水文功能的研究,對(duì)單塊濕地水文功能的大小及其影響因素認(rèn)識(shí)較為全面。但是,目前流域尺度濕地水文調(diào)蓄功能定量評(píng)估方興未艾,國(guó)內(nèi)外研究存在分歧[13- 16],深度挖掘再認(rèn)識(shí)比較缺乏,對(duì)流域濕地水文調(diào)蓄功能的概念、內(nèi)涵及其特征和影響因素等的系統(tǒng)性研究有待加強(qiáng),尤其缺乏有關(guān)流域濕地水文調(diào)蓄功能定量評(píng)估方法和模型的最新研究成果的歸納和總結(jié),難以滿足學(xué)科發(fā)展和實(shí)踐應(yīng)用的需求。

本文力求深入闡述流域濕地水文調(diào)蓄功能的概念、內(nèi)涵及其特征和影響因素,探討流域濕地水文調(diào)蓄功能定量評(píng)估方法,介紹流域濕地水文調(diào)蓄功能定量評(píng)估模型與應(yīng)用情況,指出該領(lǐng)域未來(lái)亟需加強(qiáng)研究的重點(diǎn)方向,以期更好地為流域濕地恢復(fù)保護(hù)與水資源綜合管控提供科學(xué)支撐。

1 流域濕地水文調(diào)蓄功能概念、內(nèi)涵與特征

1.1 流域濕地水文調(diào)蓄功能概念與內(nèi)涵

20世紀(jì)80年代,國(guó)際上出現(xiàn)了濕地水文功能的概念,認(rèn)為濕地水文功能是濕地水文過(guò)程所表現(xiàn)出來(lái)的所有功能,是濕地生態(tài)系統(tǒng)與水文過(guò)程相互作用的產(chǎn)物,主要包括洪水削減、水沙攔蓄、水質(zhì)凈化和補(bǔ)給地下水等功能[6- 7]。其中,濕地水文調(diào)蓄功能是濕地水文功能的核心內(nèi)容,也是近年來(lái)學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)之一[16]。縱觀國(guó)內(nèi)外有關(guān)濕地水文功能的概念,目前尚缺乏流域濕地水文調(diào)蓄功能公認(rèn)的定義。筆者認(rèn)為,流域濕地水文調(diào)蓄功能是指流域濕地對(duì)水文過(guò)程的累計(jì)影響效應(yīng),即在流域尺度上濕地生態(tài)系統(tǒng)借助其特殊的水文物理特性,以水循環(huán)為紐帶,通過(guò)影響流域蒸散發(fā)、入滲、地表徑流、地下徑流和河道徑流等方式而改變流域水文過(guò)程的能力(圖1),主要體現(xiàn)在調(diào)節(jié)徑流、削減洪峰、維持基流和補(bǔ)給地下水等4個(gè)方面,具有時(shí)空變異性、閾值性和多維性等特征(圖2),在維持流域健康水循環(huán)和水安全中發(fā)揮重要作用。

圖1 以水循環(huán)為紐帶的流域濕地對(duì)水文過(guò)程調(diào)蓄作用概念[14]Fig.1 Conceptual representation of hydrological regulation functions of wetlands in a watershed via the processes of water cycle [14]

濕地水文調(diào)蓄功能的大小主要由其特殊的水文物理性質(zhì)決定,即濕地往往具有較高的土壤孔隙度和較強(qiáng)的土壤飽和持水量等特征,汛期通過(guò)吸收和儲(chǔ)存來(lái)水發(fā)揮削減地表徑流、降低流速和削弱洪峰等作用；非汛期以緩慢釋水和下滲側(cè)滲的方式發(fā)揮水源供給、維持基流和補(bǔ)給地下水等作用[17- 19](圖2(c))。流域濕地以水文連通為媒介,即通過(guò)地表徑流、地下徑流、蓄滿產(chǎn)流和潛流等方式與其他濕地和地表水系統(tǒng)連通,影響流域水文過(guò)程,發(fā)揮其水文調(diào)蓄功能[20- 22](圖2(b))。流域濕地的類型、面積和位置等因素影響其水文調(diào)蓄功能的大小(強(qiáng)或弱)及效應(yīng)(增加或減小徑流)[13,23- 24]。

圖2 流域濕地水文調(diào)蓄功能示意Fig.2 Illustration of hydrological regulation functions of wetlands in a watershed

1.2 流域濕地水文調(diào)蓄功能特征

1.2.1 時(shí)空變異性

流域水文過(guò)程和濕地水文物理特性具有顯著的多時(shí)間尺度(年際、季節(jié)性和逐日時(shí)變特征)和空間尺度變化特征,流域濕地水文調(diào)蓄功能的大小和效應(yīng)也呈現(xiàn)明顯的時(shí)空變異性。同時(shí),流域氣候變化[25]、地形地貌特征[18,26]、濕地特性[13,27- 30]和人類活動(dòng)[12,31- 32]等在不同的時(shí)空尺度上影響濕地之間及濕地與其他地表水系統(tǒng)水文連通程度,引起濕地特定的水文調(diào)蓄功能的大小和效應(yīng)呈現(xiàn)時(shí)空變異性；其次,在氣候變化和人類活動(dòng)的影響下,濕地水文調(diào)蓄作用的幾個(gè)方面可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)化,從而呈現(xiàn)時(shí)間尺度上的差異性。流域雨養(yǎng)濕地(如孤立濕地)在降雨期間主要發(fā)揮削減和延緩地表徑流的作用[13,15],而在非降雨期間主要發(fā)揮補(bǔ)給地下水而增強(qiáng)基流的作用[33]。另外,不同空間位置的濕地具有特定的水文情勢(shì),其與地表徑流和地下徑流的連通性不同,在流域尺度發(fā)揮水文功能的效應(yīng)有顯著差異性[22]。如流域上游孤立濕地在一定程度上發(fā)揮增強(qiáng)下游洪水的作用,下游河濱濕地主要發(fā)揮調(diào)節(jié)徑流和削減洪水的作用[15,34]。

1.2.2 閾值性

濕地基于“蓄- 滯- 滲- 排”過(guò)程發(fā)揮水文調(diào)蓄功能?；凇敖涤? 徑流”過(guò)程中濕地水文調(diào)蓄作用的強(qiáng)度和效應(yīng)的變化,將其劃分為3個(gè)階段:持續(xù)蓄水期、間歇性蓄滿產(chǎn)流期和持續(xù)蓄滿產(chǎn)流期。在降雨之初,若濕地土壤具有較低的土壤含水量,濕地可以全部?jī)?chǔ)蓄其匯水區(qū)內(nèi)的降雨量而發(fā)揮削減徑流的作用[35- 37]。隨著降雨的增加,濕地儲(chǔ)蓄水量和削減徑流量逐漸增加；當(dāng)濕地的土壤接近飽和,濕地本身及其匯水區(qū)所在的負(fù)地貌蓄水接近最大值(濕地地下水位逐漸接近于地表),濕地就會(huì)發(fā)生間歇性的蓄滿產(chǎn)流[18]；隨著累計(jì)降雨量的進(jìn)一步增大,濕地地下水位等于地表時(shí),濕地就會(huì)持續(xù)產(chǎn)流,從而增加地表徑流和河道徑流[25,37]。上述可見(jiàn),在一定的條件下,流域尺度濕地水文調(diào)蓄功能存在閾值性,當(dāng)?shù)陀谠撻撝禃r(shí),濕地主要發(fā)揮儲(chǔ)蓄水量和削減徑流的作用；當(dāng)超過(guò)該閾值時(shí),濕地水文調(diào)蓄功能會(huì)發(fā)生本質(zhì)性改變,主要發(fā)揮產(chǎn)流輸送和增加徑流的功能(圖3)。

圖3 濕地水文調(diào)蓄功能的閾值效應(yīng)Fig.3 Threshold effects for hydrological regulation functions of wetlands

1.2.3 多維性

流域濕地以水文連通為媒介發(fā)揮其水文調(diào)蓄功能,濕地水文連通的多維度動(dòng)態(tài)特性[20- 22]決定了流域濕地水文調(diào)蓄功能的多維性,即縱向、橫向和垂向3個(gè)空間維度以及 1個(gè)時(shí)間維度(圖2)。流域濕地縱向調(diào)蓄作用即上游濕地對(duì)下游水文過(guò)程的調(diào)蓄作用[33,35],主要體現(xiàn)在濕地對(duì)下游河道徑流的調(diào)節(jié)作用。如孤立濕地通過(guò)儲(chǔ)蓄暴雨徑流并緩慢釋水的方式影響地表徑流過(guò)程,進(jìn)而影響河道徑流過(guò)程(圖2(b))。橫向調(diào)蓄作用是指洪泛區(qū)濕地- 河流橫向水文連通發(fā)揮徑流調(diào)節(jié)、洪水削減和基流維持等作用[15,18]；垂向調(diào)蓄作用是指通過(guò)濕地地表水- 地下水以及濕地- 大氣界面之間的水量(分)垂向交換(蒸散發(fā))影響區(qū)域地下水均衡及流域水量平衡[38]。從時(shí)間維度來(lái)看,流域濕地水文調(diào)蓄功能會(huì)隨其水文連通和水文過(guò)程的變化而變化。如Lee等[33]發(fā)現(xiàn)Tuckahoe Creek流域濕地通過(guò)影響地表徑流和地下徑流等發(fā)揮調(diào)蓄下游河道徑流的作用,但其調(diào)蓄作用的強(qiáng)度有明顯的年內(nèi)差異性;Wu等[34]發(fā)現(xiàn),嫩江流域上游濕地對(duì)下游洪水的洪量、持續(xù)時(shí)間和洪峰流量等有明顯的調(diào)蓄作用,但其調(diào)蓄作用的強(qiáng)度和效應(yīng)在漲水期和退水期差異明顯;吳燕鋒等[39]發(fā)現(xiàn)多布庫(kù)爾河流域濕地對(duì)總徑流、暴雨徑流和基流的影響效應(yīng)(削弱或增強(qiáng))和強(qiáng)度有明顯的月、季節(jié)和年尺度變化特征。

2 流域濕地水文調(diào)蓄功能的影響因素

流域濕地水文調(diào)蓄功能的影響因素可分為內(nèi)在因素和外在因素,內(nèi)在因素主要有濕地土壤特性、植被特征和初始水文條件等；外在因素主要有流域特征、降雨特征與氣候變化及人類活動(dòng)等[3,23,39- 40]。其中,內(nèi)在因素決定了濕地水文調(diào)蓄功能的潛在能力,外在因素直接或間接影響濕地水文調(diào)蓄作用的大小及效應(yīng)。

2.1 流域濕地水文調(diào)蓄功能的內(nèi)在影響因素

2.1.1 土壤特性

濕地土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和孔隙度在很大程度上決定了濕地的蓄水量、滲漏量和潛流量,進(jìn)而影響濕地水文調(diào)蓄功能。黏粒和孔隙度的大小決定了濕地土壤的透水性、持水性和排水能力,影響濕地的蓄水和補(bǔ)給地下水功能的大小[28,36]。如三江平原沼澤土壤草根層與泥炭層的容重為 0.10～0.28 kg/m3,總孔隙度大于70%,飽和持水量可達(dá)4 000～9 700 g/kg,全區(qū)沼澤土壤的蓄水總量可達(dá)46.97億m3[19]。土壤厚度影響濕地的垂向調(diào)蓄作用,濕地下滲和側(cè)滲能力往往隨著土壤厚度的增加而減少[41]。伴隨著濕地的形成和演化以及人類活動(dòng)的干擾,濕地土壤水文物理性質(zhì)的變化越發(fā)復(fù)雜[42- 43],濕地水文調(diào)蓄功能的強(qiáng)度和效應(yīng)也會(huì)發(fā)生改變。土壤中動(dòng)物形成的孔洞和植物殘?bào)w會(huì)增加濕地的孔隙度。一方面提供了儲(chǔ)水空間,增強(qiáng)了濕地對(duì)地表徑流的削減作用[43- 44]；另一方面引起泥炭底層和土壤母質(zhì)層交互的界面水力傳導(dǎo)度增加,從而增加潛流和側(cè)滲量,增強(qiáng)濕地補(bǔ)給地下水功能。

2.1.2 植被特征

濕地植物種類豐富且類型多樣,植被的類型、蓋度和格局及其季相變化直接影響其冠層、枯落物層和土壤層對(duì)大氣降水的再分配過(guò)程,進(jìn)而影響濕地對(duì)地表徑流和河道徑流的調(diào)蓄作用。植被通過(guò)降雨截留、透流作用和干流作用的方式影響降雨- 徑流過(guò)程,發(fā)揮削減地表徑流的作用[1,17]；河濱濕地植被因其具有較高的地表粗糙度發(fā)揮延遲下游洪峰形成的作用[14,18]。然而,植被類型、蓋度和格局不同,其粗糙度和枯枝落葉層厚度不同,對(duì)地表徑流的削減作用和對(duì)河道徑流調(diào)蓄作用有明顯差異[23,45]。另外,植被的季相變化會(huì)引起濕地調(diào)蓄功能大小的改變[28,37]。蒸騰是濕地水量支出的主要方式之一,可以為汛期濕地蓄洪削峰提供儲(chǔ)水空間[46- 47]；春季植被蒸騰較弱,對(duì)濕地水文調(diào)蓄的貢獻(xiàn)較低；夏季植被強(qiáng)烈的蒸散作用(超過(guò)降雨量)可引起濕地保持較低水位狀態(tài),濕地持續(xù)發(fā)揮較強(qiáng)的徑流削減作用[1,29]。

2.1.3 初始水文條件

濕地的初始水文狀況直接影響其蓄水和下滲能力,進(jìn)而影響濕地水文調(diào)蓄功能。當(dāng)濕地處于低水位且土壤含水量相對(duì)較低時(shí),濕地具有較大的儲(chǔ)水空間,可以儲(chǔ)蓄大量的來(lái)水從而發(fā)揮削減地表徑流和河道徑流的作用[26,28]；而當(dāng)濕地前期土壤含水量較高或水位較高時(shí),濕地直接發(fā)揮水量傳輸?shù)墓δ躘27]。如Bay[29]發(fā)現(xiàn)美國(guó)Minnesota濕地處于最低水位時(shí),其對(duì)洪峰流量的調(diào)蓄能力可為正常水位條件下調(diào)蓄能力的3倍。

2.2 流域濕地水文調(diào)蓄功能的外在影響因素

2.2.1 流域特征

流域地形地貌、土地利用類型、河網(wǎng)水系等在很大程度上決定了濕地景觀單元及其匯水區(qū)的大小和形狀以及濕地的土壤類型、植被特征和坡度等[25,45- 46],影響濕地水文調(diào)蓄功能。流域的河網(wǎng)水系密度、河道寬度、深度、長(zhǎng)度和糙率系數(shù)等對(duì)濕地水文連通性有重要的影響,影響流域濕地水文調(diào)蓄功能的強(qiáng)度和效應(yīng)[20- 22,36]。土地利用類型影響濕地內(nèi)部及其匯水區(qū)的地表截留與入滲、積雪融雪[48]和蒸發(fā)蒸騰[47]等水文過(guò)程,進(jìn)而影響濕地的水量收支平衡過(guò)程[49],影響濕地景觀與下游景觀類型之間的水量傳輸過(guò)程。

2.2.2 降雨特征

降雨可以直接補(bǔ)給濕地或通過(guò)形成地表徑流和潛流匯入濕地[18,49]。降雨總量、強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和集中度通過(guò)影響濕地及其匯水區(qū)的植被截留、填洼、下滲和產(chǎn)流等過(guò)程,從而影響濕地在降雨期間及后續(xù)流域產(chǎn)匯流過(guò)程中的水文調(diào)蓄作用[29,45,50]。如McCauley等[31]發(fā)現(xiàn)同等雨量的降雨事件中,若雨強(qiáng)較弱且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),濕地可以完全儲(chǔ)蓄降雨量；若雨強(qiáng)較大且過(guò)于集中時(shí),即使?jié)竦爻跏纪寥篮枯^低,濕地也會(huì)直接以蓄滿產(chǎn)流的方式發(fā)揮水量傳輸功能。

2.2.3 氣候變化

以全球變暖為主要特征的氣候變化加劇全球水文循環(huán)過(guò)程,驅(qū)動(dòng)降水量、蒸發(fā)量、徑流量等水文要素的變化,增強(qiáng)洪水、干旱等水文極值事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度,深刻改變濕地- 流域水文過(guò)程與水量平衡[1,3,50],進(jìn)而影響流域濕地水文調(diào)蓄功能。如李志威等[51]發(fā)現(xiàn)氣候變化下若爾蓋高原濕地地下水位的季節(jié)性波動(dòng)影響其蓄水能力的大小。

2.2.4 人類活動(dòng)

流域內(nèi)大規(guī)模墾殖、城市化進(jìn)程、河道取用水和水庫(kù)防洪堤壩的修建等人類活動(dòng)通過(guò)改變流域下墊面狀況、濕地面積和河道徑流機(jī)制等,進(jìn)而影響濕地水文情勢(shì)、景觀格局及其水文連通,改變流域濕地水文調(diào)蓄功能的強(qiáng)度和效應(yīng)[32,52- 53]。大規(guī)模的濕地排水和農(nóng)田化直接引起濕地水位下降、面積萎縮和破碎化；水庫(kù)和防洪堤壩的修建削弱濕地之間及濕地- 河道之間的水文連通性,引起流域濕地蓄水削洪能力減弱(圖4),加重洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)[54- 55]。如Rebelo等[55]基于不同歷史濕地分布模擬研究表明,南非弗洛勒爾角河谷濕地農(nóng)田化引起濕地對(duì)暴雨的儲(chǔ)蓄能力減弱,加劇流域洪澇災(zāi)害;Voldseth等[56]發(fā)現(xiàn)北美大沼澤濕地匯水區(qū)農(nóng)田化改變了濕地原有的水量平衡,尤其是在枯水期加劇了濕地的干旱強(qiáng)度,致使?jié)竦鼐S持基流的功能幾乎完全喪失;范少英等[57]發(fā)現(xiàn)三峽水庫(kù)通過(guò)影響鄱陽(yáng)湖與長(zhǎng)江之間的水量交換而改變了鄱陽(yáng)湖的水文調(diào)蓄能力。

圖4 水庫(kù)和防洪堤壩對(duì)河濱濕地洪水調(diào)蓄作用影響示意Fig.4 Scheme illustrating the effects of dam and levees on hydrological regulation functions of wetlands

3 流域濕地水文調(diào)蓄功能定量評(píng)估

3.1 流域濕地水文調(diào)蓄功能定量評(píng)估方法

3.1.1 流域濕地不變情景

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從流域內(nèi)有/無(wú)濕地情景或濕地排水與否、2個(gè)(有/無(wú)濕地的流域)或多個(gè)子流域(濕地率不同)、濕地出入流量以及濕地生態(tài)水文要素變化等角度評(píng)價(jià)流域濕地水文調(diào)蓄功能(表1)。研究者主要從濕地的徑流調(diào)節(jié)、洪水調(diào)蓄、基流維持和地下水補(bǔ)給4個(gè)方面開(kāi)展流域濕地水文調(diào)蓄功能量化評(píng)估研究。在研究中,主要采用地表徑流、河道日流量與總徑流量及其變異性等指標(biāo)定量評(píng)估流域濕地徑流調(diào)節(jié)功能[33,35,58]；采用洪水頻率、洪量、洪峰流量、年最大洪峰流量、洪水持續(xù)時(shí)間(漲水歷時(shí)和落水歷時(shí))、洪峰流量出現(xiàn)的時(shí)間及洪水風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等指標(biāo)定量評(píng)估流域濕地洪水調(diào)蓄功能；采用基流量、低流量、不同流量歷時(shí)曲線閾值流量等指標(biāo)定量評(píng)估流域濕地基流維持功能[34- 35,39]；主要采用下滲量和潛流量等指標(biāo)定量評(píng)估流域濕地補(bǔ)充地下水功能[33,38,60]。

表1 流域濕地水文調(diào)蓄功能評(píng)估方法

3.1.2 流域濕地變化情景

流域濕地面積和格局的變化會(huì)引起水文調(diào)蓄功能的改變。近年來(lái),流域濕地變化情景下水文調(diào)蓄功能定量評(píng)估引起研究者的關(guān)注和興趣。在研究思路上,研究者主要基于流域內(nèi)不同濕地分布情景開(kāi)展模擬研究,例如設(shè)置流域濕地的類型(如孤立濕地和河濱濕地、雨養(yǎng)濕地和洪泛濕地)[13]、面積大小[14]、不同位置(如上游和下游濕地、子流域/干流河濱濕地)和蓄水量大小等級(jí)[13,33- 34],或不同濕地恢復(fù)保護(hù)情景下水文連通性變化等情景[58,61],模擬分析流域水文過(guò)程變化特征,揭示濕地變化的水文效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)流域濕地季節(jié)性變化[13,62]、濕地的退化[38]、濕地恢復(fù)與重建程度[58]和農(nóng)業(yè)開(kāi)墾[14]等會(huì)引起濕地生態(tài)水文過(guò)程的改變,進(jìn)而引起其水文調(diào)蓄功能的變化。如Duncan[63]發(fā)現(xiàn)1980—2008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)生概率均增加了15%;Lee等[33]在Tuckahoe Creek流域基于歷史濕地面積退化特征,在設(shè)定的5種濕地退化情景開(kāi)展了流域水文過(guò)程模擬研究,發(fā)現(xiàn)隨著面積的減少,濕地對(duì)流域地表徑流的削減作用和地下水補(bǔ)給量逐漸減弱。

3.2 流域濕地水文調(diào)蓄功能定量評(píng)估模型與應(yīng)用

濕地水文模型是開(kāi)展流域濕地水文調(diào)蓄功能評(píng)估研究不可或缺的有效工具[1]。筆者之前已系統(tǒng)介紹了濕地生態(tài)水文模型的概念、內(nèi)涵、構(gòu)建方法及分類,回顧了濕地生態(tài)水文模型的國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程,并論述了目前濕地生態(tài)水文模型研究應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域[12],這里重點(diǎn)介紹流域濕地水文調(diào)蓄功能定量評(píng)估模型與應(yīng)用。

在流域濕地水文調(diào)蓄功能定量評(píng)估研究中,研究者首先采用HEC- 1模型、PRMS(Precipitation Runoff Modeling System)和SWAT模型等傳統(tǒng)的流域水文模型或水動(dòng)力學(xué)模型,主要圍繞濕地洪水調(diào)蓄功能定量評(píng)估開(kāi)展相關(guān)研究[64- 66]。近年來(lái),研究者主要基于現(xiàn)有的流域水文模型或水動(dòng)力學(xué)模型,修改或增加相應(yīng)的濕地模塊,并應(yīng)用于流域濕地水文調(diào)蓄功能定量評(píng)估研究。目前主流的耦合濕地模塊的流域水文模型主要有MIKE(SHE、FLOOD和11 /NAM)[67]、改進(jìn)的SWAT模型[14,22,33,58]和PHTSITEL/HYDROTEL水文模擬平臺(tái)[13,34,40,56,68]。基于耦合濕地模塊的流域水文模型,研究者主要開(kāi)展有/無(wú)濕地分布情景下流域水文過(guò)程的模擬,對(duì)比分析水文要素的演變特征,量化濕地水文調(diào)蓄功能。其中,無(wú)濕地分布情景下的模擬中,研究者假設(shè)濕地土壤已達(dá)到飽和狀態(tài),即濕地土壤無(wú)法再發(fā)揮儲(chǔ)蓄水量而削減徑流的作用。該假設(shè)目前已得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的認(rèn)可,且已在SWAT[14,33],MIKE 11和HYDROTEL等水文模型中得到廣泛應(yīng)用[67],并用于流域濕地水文調(diào)蓄功能定量評(píng)估的研究中。如Wu等[34]基于耦合濕地模塊的PHYSITEL/HYDROTEL模型平臺(tái)開(kāi)展了不同空間位置濕地分布情景下的嫩江流域水文過(guò)程模擬,采用有/無(wú)濕地情景下的模擬結(jié)果量化了濕地的洪水調(diào)蓄功能及其強(qiáng)度和效應(yīng)的時(shí)空差異性。

基于耦合濕地模塊的流域水文模型,在量化流域濕地水文調(diào)蓄功能的基礎(chǔ)上,圍繞流域濕地水文功能模擬與水資源管控、濕地生態(tài)恢復(fù)重建的水文效應(yīng)等方面開(kāi)展探索研究。主要通過(guò)以下兩方面開(kāi)展研究:①基于歷史濕地情景(恢復(fù)至歷史某一時(shí)期)的水文模擬,對(duì)比分析目前濕地情景和歷史某時(shí)段情景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(yùn)用優(yōu)化算法和目標(biāo)函數(shù)(如最大洪峰削減、最低投入和維護(hù)成本、最大景觀尺度水文連通性等),模擬多個(gè)濕地保護(hù)和重建情景下濕地水文情勢(shì)和流域水文過(guò)程,確定濕地位置和面積大小等最優(yōu)生態(tài)格局。研究發(fā)現(xiàn)流域濕地面積的喪失會(huì)引起其水文調(diào)蓄功能的減弱甚至喪失[14,33,38,63],而科學(xué)合理的濕地的恢復(fù)重建會(huì)明顯提升其水文調(diào)蓄功能[58- 59,61,69]。

4 結(jié)論與展望

綜合分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,流域濕地水文調(diào)蓄功能評(píng)估方法和模型研究取得了長(zhǎng)足發(fā)展,但仍缺乏流域濕地水文過(guò)程與流域水文過(guò)程耦合機(jī)制的研究,難以支撐流域濕地恢復(fù)保護(hù)與水治理的實(shí)踐需求；其次,目前仍缺乏普遍適用性的耦合濕地模塊的流域水文模型,尚未實(shí)現(xiàn)濕地水文過(guò)程物理機(jī)制上的緊密耦合,影響模擬的精度和研究的適用性；另外,如何從發(fā)揮濕地水文服務(wù)功能的視角進(jìn)行流域水資源綜合管理,踐行基于自然的水資源解決方案,也是流域水資源綜合管理亟須解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。為進(jìn)一步推進(jìn)流域濕地水文調(diào)蓄功能定量評(píng)估深入、系統(tǒng)的研究,基于目前已有成果和存在的問(wèn)題,提出以下幾方面建議與展望。

(1) 加強(qiáng)濕地水文過(guò)程與流域水文過(guò)程耦合機(jī)理研究。把濕地的水循環(huán)過(guò)程納入到流域單元內(nèi),從蒸散發(fā)過(guò)程、產(chǎn)流過(guò)程以及濕地與周圍環(huán)境水文交互過(guò)程等方面深入認(rèn)識(shí)和理解不同類型濕地水文過(guò)程與流域水文過(guò)程相互作用關(guān)系、尺度轉(zhuǎn)換及耦合機(jī)制,實(shí)現(xiàn)濕地水文過(guò)程與流域水文過(guò)程緊密耦合。

(2) 加快耦合濕地模塊的流域水文模型的研發(fā)。耦合濕地模塊的流域水文模型是定量評(píng)估流域濕地水文調(diào)蓄功能不可或缺的工具,現(xiàn)有流域水文模型中的濕地模塊對(duì)不同類型濕地(如木本沼澤、草本沼澤和泥炭沼澤等)的水文特性尤其是濕地地下水模塊的刻畫(huà)過(guò)于簡(jiǎn)化,濕地水文模塊的開(kāi)發(fā)和和完善仍是未來(lái)濕地生態(tài)水文學(xué)的重要研究領(lǐng)域。

(3) 強(qiáng)化基于濕地水文調(diào)蓄功能的流域水資源綜合管控。系統(tǒng)評(píng)估流域濕地調(diào)蓄洪水、維持基流和補(bǔ)給地下水等水文調(diào)蓄功能的大小及其時(shí)空差異性,基于自然的水資源與氣候變化解決方案的理念,將濕地水文調(diào)蓄功能作為重要綠色調(diào)控措施納入到流域水資源綜合管控中,并與傳統(tǒng)水利工程措施和管理措施有機(jī)結(jié)合和統(tǒng)籌協(xié)調(diào),以應(yīng)對(duì)未來(lái)氣候變化帶來(lái)的水旱災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn),保障流域水安全。