湿地生态水文过程与模型概述

    廖翔+包文君+范杰

    摘要：水文情势的改变使得湿地的退化已经到了相当严重的地步，湿地生态水文过程以及模型构建方法对遏制湿地的退化具有非常重要的意义。综合国内外对湿地生态水文过程及模型的研究，综述了湿地生态水文过程的内容；详细的论述了湿地生态水文过程模型的构建方法，并指出各个模型的优缺点以及目前的应用现状；最后指出模型未来的发展趋势，为控制水文情势改变、湿地退化等问题提供科学的决策依据和技术支持。

    关键词：水文情势；湿地生态水文过程；模型构建

    湿地被誉为“地球之肾”，是三大生态系统的重要组成部分，具有重要的资源和生态功能，在维持区域水量平衡、减轻洪涝灾害、改善水质等方面具有重要作用[1]。这一切，都依赖于湿地的水文过程。因此，湿地的水文过程在其形成、发育、演化直至消亡的整个过程中起着主导作用，并且通过水文情势的改变进一步来控制植被的生长结构、空间分布格局及生态过程，水文情势的不良改变成为湿地退化的重要原因。

    1 湿地生态水文过程

    湿地生态水文过程是湿地生态水文学研究的核心内容，其阐述了生物与水分之间的关系，目标是揭示湿地水文格局时空演变与湿地生物过程之间的相互作用和反馈机制，并为湿地科学保护和恢复提供理论依据[2]。

    从水分的角度出发，湿地生态水文过程可以分为三个部分，包括生态水文物理过程，生态水文化学过程和水文过程的生态效应[3]。其中，水文过程的生态效应是生态水文物理过程和化学过程的体现。湿地生态水文物理过程主要指湿地植被对湿地水文的影响，在植被条件改变之后，水文要素如降水、蒸散发、径流和地下水等会如何变化；湿地生态水文化学过程主要指水文行为的化学方面，即水質性研究；水文过程的生态效应主要表现为植被的生长和分布随水文要素的变化[4]。

    1.1生态水文物理过程。湿地生态水文物理过程受众多因素的综合影响，包括当地的气候条件、土壤基质、消落带的水位变化以及植被类型。其中气候条件影响降水量的强度和大小、日照强度以及风力大小，从而影响湿地的径流和蒸散发过程；不同的土壤基质具有的不同的渗透系数，从而影响地下水的渗流过程；湿地消落带水位的变化引起土壤理化参数的改变，土壤含水量、pH值、有机质等的变化引起湿地植被类型的改变；而湿地植被类型及覆盖率对降水截流、蒸散发、径流和地下水等都有较为显著的影响，是决定湿地生态水文物理过程的重要因素之一，很大程度上它们直接参与水文过程的进行，或者本身就是水文过程进行的基本载体。

    1.2生态水文化学过程。不同于生态过程中的物理变化，生态水文化学过程主要是指水文行为的化学方面。淡水生态系统周围的湿地、洪泛平原可以通过改变地表径流和水文格局来影响地下水的补给、径流和排泄，在控制和降低营养物的沉积、运移、营养负荷以及净化水质等方面起着重要的作用[5]。从生态学的角度看，研究生态水文化学过程是研究生态水文的一个重要分支，有助于揭示湿地生态系统水文化学特征及其变化规律，为湿地保护和生态建设、水资源保护利用和管理提供科学的依据。

    1.3水文过程的生态效应。水文过程的生态效应主要是指在水文过程对湿地植被的生长发育和空间分布上的影响。一方面，水文过程的化学变化会引起水中物质浓度的改变，污染物的过渡增加会导致水质污染，造成植物的大量死亡；另一方面，水的物理性质和空间分布格局也影响着植物的生长和空间分布，比如洪水规模，季节性洪水发生时间以及年平均水位等都对对生物的多样性具有重要的影响。

    2.湿地生态水文模型

    湿地生态水文模型是运用计算机模拟技术的方式揭示水文过程的模型。从模型发展看，其构建方法主要有三种，包括统计方法，遥感方法和数值模拟方法。从模型的具体构建方法可以分为：基于“3S”技术的湿地生态水文模型、基于生态水文过程的湿地生态水文模型以及基于生态-水文模型耦合的湿地生态水文模型[4]。由于水文过程具有复杂性，水文要素具有时空分布不均匀性，且多地区缺乏长期的实测数据，因此建模计算就十分困难。近年来，“3S”技术的发展解决了数据测量的问题，在实用中得到了普遍的应用。其中：RS技术可以同步获取大面积的地物信息；GPS具有高度的定位能力，能为RS提供准确的定位数据；GIS具有强大的管理和分析能力[1]。因此结合“3S”技术构建生态水文模型是目前国际研究生态水文学的一个重要方向。周德明等以内陆平原淡水湿地为例，构建以生境特征为核心的湿地生态水文概念模型，同时设计了一个在集水区尺度上基于RS和GIS方法的湿地生态水文模型范式。生态-水文模型耦合的湿地生态水文模型是建立在现有成熟的湿地水文模型之上的一种模型，它对现有的水文模型进行改进，考虑生态效应对水文变化的影响来建立生态水文模型，或者将湿地的水文模型和生态模型进行耦合来建立湿地生态水文模型。

    3.湿地生态水文模型的展望

    由于人对湿地水文过程运行机理的认识存在不足，因此对湿地水文过程的模拟也存在很大的缺陷。目前国际上虽然应用GIS技术、遥感技术等进行湿地生态水文模型，得到了一些重要的成果，但是尚未建立能够得到普遍运用的生态水文模型。过去部分研究者建立了SWAT、MILESHE、ModFlow、SWIM等模型，但是这些模型开发时间过早，对湿地运行机制的认识不完善，因此在对生态水文过程的分析中不能简单的套用这些模型。由此可见，目前国内外对湿地生态水文模型的建立还存在起步于探索阶段，还没有建立起成熟完善的模型，因此需要更多的研究者投入模型的探索中，为模型的建立付出更多的努力。

    参考文献

    [1]张光新，张蕾，冯夏清，等.2014.湿地生态水文与水资源管理.北京：科学出版社.

    [2]严登华，何岩，王浩，等.2005.生态水文过程对水环境影响评述.水科学进展，16（5）：747-752.

    [3]黄奕龙，傅伯杰，陈利顶.2003.生态水文过程研究进展.生态学报，23（3）：580-587.

    [4]于文颖，周广胜，迟道才，等.2007.湿地生态水文过程研究进展.节水灌溉，（1）；19-23.

    [5 ]章光新.2006.关于流域生态水文学研究的思考.科技导报，24：42-44