论文湿地水文连通研究综述

陈月庆 1, 2, 武黎黎1, 章光新2, 吴燕锋2, 严登华3

（1.   信阳师范学院 地理科学学院,河南 信阳 464000；2.中国科学院 东北地理与农业生态研究所, 长春 130102； 3.中国水利水电科学研究院, 北京 100038）

陈月庆, 武黎黎, 章光新, 吴燕锋, 严登华. 湿地水文连通研究综述[J] . 南水北调与水利科技, 2019, 17(1) : 26-38.

国家重点研发计划资助项目（2017YFC0406003）；国家自然科学基金项目（41701395；41877160）；中国科学院学部学科发展战略研究项目“中国生态水文学学科发展战略”资助项目（2017DXA）；信阳师范学院“南湖学者奖励计划”青年项目

自1988年Amoros和Roux[7]提出“河流连通性”概念以来，国外学者分别从景观生态学[8]、水文学[9]、水生生态学[10]和流域生态学[11]等不同学科角度对水文连通性的内涵进行了多种界定，而国内水利部门[12]和部分学者[13]则主要对河湖系统的水系连通性的概念进行了不同阐述[14]。纵观所有水文连通性概念，目前尚缺乏湿地水文连通性的定义。结合前人研究，我们认为，湿地水文连通性是指天然或人工形成的河流、湖泊、沼泽、水库和灌区等不同类型湿地之间或同一湿地内部在空间结构上的水文连续性和以水为媒介进行物质输运、能量传递、生物迁移的能力。湿地水文连通性包括结构（或静态）连通性和功能（或动态）连通性，涉及流域、局部、景观和微地貌等多个尺度，并具有季节性连通、纵向连通、横向连通和垂向连通四维时空动态特征。目前国内外湿地水文连通性的研究范畴主要为：河流上游-下游的纵向水文连通性[15]、河流-河滨湿地/洪泛区湿地的横向水文连通性[16]、孤立湿地/非洪泛区湿地-下游水域的水文连通性[2, 17]，以及灌区湿地（通过农田退水）对湖泊/沼泽湿地的应急生态补水/常态化生态水文调控等（图1）。

国外有关湿地水文连通的研究最早可追溯到1980年Vannote等[19]提出“河流连续体”概念，至今已有38年的历史。国内有关湿地水文连通的研究则起步较晚，在2009年以前相关研究报道较少；自2009年水利部高度重视河湖连通问题后，国内相关研究报道逐渐增多。以国内外湿地水文连通理论、方法和应用等方面取得突破性进展的时间节点为主要判据，结合国内外关于湿地水文连通的重要国际会议、报告和研究计划[18, 20-22]的主题和时间节点（表1），将38年来国内外湿地水文连通的研究历程划分为两个发展阶段：1980-2009年的萌芽起步阶段和2010年至今的研究探索阶段。

萌芽起步阶段（1980－2009年）

该阶段，美国学者在《清洁水法（Clean Water Act）》关于“恢复和维持国家水域化学、物理和生物完整性”目标的激励下，初步开展了间歇性河流（Intermittent streams）/短暂性河流（Ephemeral streams）-下游水域水文连通性的定量评估[23]、孤立湿地/非洪泛区湿地-下游水域水文连通性的定量评估[24]以及河流-河滨湿地/洪泛区湿地水文连通性的定量评估[25]研究。在此基础上，Leibowitz等[26]于2008年提出源（Source）、汇（Sink）和避难（Refuge）三种湿地水文连通功能。欧洲国家普遍存在的问题是土地利用变化和河流改造等人为因素导致河流-河滨湿地/洪泛区湿地水文连通性严重下降，进而影响河流系统生态功能（如沉积物再分配、栖息地特征补给）[27]。在此背景下，欧洲学者初步开展了河流-河滨湿地/洪泛区湿地水文连通性的定量评估研究[28]。21世纪初，中国部分学者基于城市化等人为因素导致河网水系结构受破坏进而功能下降问题，初步开展了河网水系连通规划与修复研究[29-30]。该阶段，国内外学者提出了多种水文连通性定义[14]，并主要利用其它研究领域的传统方法[29, 31-35]和指标[36-37]对湿地水文连通性进行定量评估，同时针对湿地水文连通性专门开发了一些新的定量评估方法与指标[35]。

该阶段，在各国政府部门研究计划和欧盟水框架指令（The EU Water Framework Directive）、洪水指令（The EU Floods Directive）等的推动下，美国、加拿大、荷兰和瑞典等国实施了大量的湿地水文连通修复工程，采取的修复措施包括重建湿地水文连通[38]、筑坝围水[39]、拆除堤坝[40]、抬高水位和降低湖底[41]等。此外，美国加利福尼亚州Yolo Bypass被设计为萨克拉门托河的洪泛区湿地[42]。1985年起，中国开始利用“引松工程”调度松花江水和农田退水对查干湖湿地实施常态化生态补水；21世纪以来，中国开始利用“引嫩入白”和“引岳济淀”等工程调度常规水资源和农田退水对莫莫格、向海、扎龙和白洋淀等湿地实施应急生态补水。

研究探索阶段（2010年至今）

2010年，为界定“美国水域”范围从而修订《清洁水法》，美国环保局组织了17位专家历时5年回顾了1200多篇有关湿地水文连通的已发表文献，并于2015年发布了重要报告《溪流和湿地与下游水域的连通性：科学证据的综述和综合》[18]，报告提出滞后（Lag）和转化（Transformation）两种湿地水文连通功能，从而将湿地水文连通功能扩充到五种。美国学者认识到水文阻隔也可对下游水域的状况和功能产生重要的良性影响[18]，从而开始关注湿地完全连通-阻隔的梯度，间歇性河流/短暂性河流-下游水域水文连通性的定量评估、孤立湿地/非洪泛区湿地-下游水域水文连通性的定量评估成为新兴研究焦点[2, 17, 18, 20, 43]。与此同时，河流-河滨湿地/洪泛区湿地水文连通性的定量评估也成为欧美学者研究的热点。2010年以来，中国学者基于新时期湿地保护修复和河湖水系连通等国家重大需求，开展了大量有关河湖水系连通的理论探讨和基础研究[13, 41, 44-51]。在水文连通性概念方面，国内外学者将其进一步细分为结构连通性和功能连通性[52]，并提出一些新的水文连通性定义[13-14]。该阶段出现了多方法综合和多技术耦合的湿地水文连通性定量评估方法[49]，并有学者基于已有指标建立了河流水系连通性的综合评估指标体系[53-54]。此外，更多新的湿地水文连通性定量评估指标相继涌现[15, 55]。

该阶段，英国、法国、荷兰等欧洲国家继续执行水框架指令和洪水指令，旨在改善栖息地生境、维护生物多样性、实现河流-洪泛区系统的可持续管理。中国新建了“引察济向”等应急湿地生态补水工程，启动建设了中国最大的面向湿地保护修复的生态水利工程—吉林省西部河湖连通工程。此外，2018年，乌梁素海湿地已由往年的应急生态补水转变为常态化生态水文调控。

湿地水文连通性的定量评估方法

无论是评估单个湿地的水文连通功能，或是确定多个湿地保护修复的优先次序，都建立在对湿地水文连通性进行定量评估的基础上。湿地水文连通性定量评估方法主要包括原位监测法（Field-based method）[31]、同位素示踪法[32]、累积法（Cummlative method）[33]、瓶颈法（Bottleneck method）[56]、图论法（Graph theory method）[29]、遥感法（Remote sensing method）[34]、连通性指数法[35]和水文模型法[57]等。湿地水文连通性定量评估指标主要包括通过率（Passage efficiency）[56]、频率（Frequency）、历时（Duration）、强度（Magnitude）、时机（Timing）和变化率（Rate of Change）等[36]传统指标，以及树状连通性指数（Dendritic Connectivity Index）[35]、方向连通性指数（Directional Connectivity Index）[55]、纵向功能连通性指数（Longitudinal Functional Connectivity Index）[15]和空间范围（Spatial extent）[20]等新兴指标（表2）。湿地水文连通性定量评估方法和指标的选择取决于评估对象、评估目的、时空尺度、连通性类型以及可供利用的数据[58, 59]，亦可综合运用多种指标和方法进行湿地水文连通性定量评估。近年来，随着网络和信息技术的发展，出现了“多尺度、多要素、多功能”复合的湿地水文连通性定量评估方法[49]。

湿地水文连通功能

流域内河流、湖泊、沼泽、水库和灌区等湿地构成多尺度和多维度的动态水文连通系统，并以水文连通为媒介，相互之间发生物理、化学和生物连通。其中，物理和化学连通是由水、沉积物、营养物和污染物等非生命物质的传输和转化实现的[1, 60]；生物连通是由水生或两栖动物及其繁殖体的主被动迁移或传播产生的[61]。输出和输入湿地的物质、能量和生物及其繁殖体在数量、形式和时间等方面的净差值（异）可使用源、汇、滞后、转化和避难五种湿地水文连通功能来描述（表3），每种功能都具有特定的驱动机制[20]。

除水文源和化学源以外，湿地还发挥沉积物源和水温源功能。地表水的纵向和横向运输是将湿地的有机物、营养物、污染物、沉积物和热能转移到下游水域的关键水文学机制[60]。湿地提供的源功能随时间和空间而变化，通常与汇、滞后和转化等其它湿地水文连通功能交替作用，抵消它们作为下游水域物质和能量来源的作用[60]。

转化功能与汇功能的驱动机制相似。例如，反硝化作用、微生物同化作用、螯合和土壤生物地球化学反应等[20, 79]。区别在于汇功能使得物质和能量汇集或消散于湿地，不能到达下游水域；而转化功能使得物质和能量被湿地转化后仍向下游水域运输。几乎所有输出到下游水域的有机物都已在上游支流和湿地发生了物理和化学转化[60]。

河流和湿地可为受到诸如被捕食或极端温度等威胁的迁徙生物提供避难所，从而降低迁徙生物尤其是鱼类的死亡率；河流和湿地还可通过向下游提供冷水或热水等方式在其它水域形成避难所[26]。

在理解湿地水文连通功能时，需注意[18]：（1）上述五种功能并非互斥关系。例如，同一湿地既是有机物的源，又是氮的汇；又如，氮随洪水输入湿地，在“蓄积”期间，湿地同时发挥氮汇、氮滞后和氮转化功能；（2）水文连通功能是动态的，其存在或缺失取决于流域中的水文、环境条件和生物区系。例如，湿地在汛期发挥削减洪峰功能，在旱期发挥维持基流功能；（3）某些功能在时间和空间上具有累积效应。例如，湿地水文滞后功能；（4）应区分潜在功能和实际功能。潜在功能表示湿地在适当条件下执行该功能的能力。例如，在无氮输入的情况下，湿地具有潜在氮汇功能；当氮输入湿地后，湿地发挥实际氮汇功能；（5）湿地的面积和位置决定其主要功能。例如，美国佛罗里达北部流域大型洪泛区湿地主要功能为水文滞后、中等湿地主要功能为磷汇、河源湿地主要功能为沉积物汇[80]。

湿地水文连通在湿地保护修复中的应用

自1971年拉姆萨尔国际湿地公约签署后，世界各国开始重视湿地保护修复。20世纪90年代以来，欧美国家掀起了湿地生态保护修复研究的热潮，在政府部门和欧盟的推动下，实施了大量湿地生态修复项目[27]。许多修复项目在短期内被认为是成功的，但在数年后表现为部分或完全失败（通常是生态系统迅速退化到修复前的状态）[81]，失败的主要原因在于缺乏积极的水文管理[82]，导致湿地生态系统的稳定性不能自我维持。近年来，随着湿地水文连通理论的发展，人们逐渐认识到水文连通对湿地生态系统完整性和稳定性具有重要影响。

湿地水文连通在流域水管理中的应用

《联合国2018 年世界水资源开发报告：基于自然的水资源解决方案》[86]指出，湿地可代替水库和堤坝等传统灰色基础设施，用于流域水管理。湿地发挥的五种水文连通功能充分印证了上述观点。具体而言，湿地通过源、汇和滞后等水文连通功能调节流域水量，通过汇和转化等水文连通功能改善流域水质，通过汇、滞后和避难等水文连通功能降低流域水旱灾害风险。湿地水文连通是应对气候变化引起的降水不均、水旱灾害以及净化城市和农业污水的有效手段。与传统灰色基础设施相比，湿地水文连通是一种成本更低、效益更高、可持续性更好的基于自然的水资源解决方案。

降水时空分布不均、湿地缺水退化和全球需水量增加是当前流域水管理面临的三大挑战。IPBES第六届峰会报告指出，过去300年来全球丧失了87%的湿地，自1900年以来全球丧失了54%的湿地[87]。据报道，全球需水量以每年约1%的速度增长，且这一速度在未来20年还将显著加快[86]。湿地既是用水户，又是供水户[88]，湿地水文连通可协调丰枯年、上下游和左右岸的用水秩序，增加水资源可利用量，是缓解上述三大问题的有效方案。具体而言，湿地通过引入可利用的常规水资源、洪水资源和农田退水来解决自身缺水退化问题，并通过蓄滞上述水资源（减少入海量）和维持基流来缓解农田退水出路及流域供水问题。国内利用常规水资源、洪水资源和农田退水进行湿地生态补水已有多年的历史，取得了丰富的经验。例如，由于霍林河断流，查干湖湿地曾一度濒临干涸（1972年水面面积缩减为50 km2），1985年当地开始持续利用“引松工程”调度松花江水和农田退水补给查干湖，此后查干湖湿地水面面积扩大并维持在281 km2至400 km2[89]，鱼类养殖的水环境条件得到满足。20世纪90年代起，在入湖水量不断减少和污染源逐年增加的双重作用下，乌梁素海湿地严重富营养化，导致其生态功能严重退化；自2003年以来，当地每年利用黄河凌汛水、灌溉间隙水对乌梁素海湿地进行生态补水，累计补水超过10亿 m3，水量得到置换，水质有所改善；2018年，乌梁素海湿地生态补水已步入常态化，不分阶段和季节，而是根据乌梁素海湿地水质随时调控。然而，由于对湿地生态补水的水量、水深和水质阈值以及湿地生态系统的演变规律缺乏科学认识，湿地生态补水也有不少失败的教训。为此，学者们加强了湿地生态补水阈值研究。例如，张洋[90]研究得出，75%降水保证率年份，向海湿地5月－9月份共需引水2.01亿 m3；其中，从洮儿河引水共1.27亿 m3；当洮儿河水量不足时，从洮儿河灌区引水共0.74亿 m3。据报道，到2030年，吉林省西部河湖连通工程将实现年均引水量8.15亿 m3，其中常规水资源量 2.06亿 m3、引洪量 3.39亿 m3、农田退水量1.61亿 m3、当地径流量0.89亿 m3、城市排水量0.2亿 m3，为吉林省西部203个重要湿地补水，预计恢复湿地面积1.06×103 km2，使湿地总面积达到4.74×103 km2，相当于20世纪50年代湿地面积的74%[50]。

当上游水域通过径流与湿地连通时，湿地发挥汇和转化水文连通功能，将径流中的沉积物、有机物、营养物和污染物截留、吸收或降解，减少其向下游水域运输，从而改善流域水质。汇和转化水文连通功能机制主要包括[91]：（1）湿地土壤和底泥对物质的吸附、吸收、离子交换、氧化还原作用；（2）湿地储水对物质的稀释、沉淀、置换作用；（3）湿地植被对物质的吸附、吸收、富集作用；（4）湿地微生物对物质的分解、同化作用等。汇和转化水文连通功能受湿地类型、面积、形状、位置、水文条件以及输入湿地的径流流量、物质负荷等因素的影响。Tournebize等[92]分析了法国不同面积（46 hm2、355 hm2、4000 hm2）人工湿地对以地下排水为主的农田退水中的污染物的去除效果，结果显示农药和硝酸盐的平均去除率分别为20％~90％和40％~90％；其中，水力停留时间是影响农药和硝酸盐去除率的关键因素，建议人工湿地设计面积为上游排水面积的1%，最大水深为0.8 m。Sun等[93]利用SWAT模型评估了法国加龙河近岸区宽为4 km的洪泛区湿地反硝化过程，结果表明该湿地脱氮率为130 kg hm2·a，约占硝酸盐输入量的40%。Zhang等[94]利用REMM-SWAT耦合模型评估了加拿大Black Brook河岸缓冲区对子流域尺度河流中沉积物和营养物负荷的影响，结果表明在8个面积为166 hm2的子流域中，河岸缓冲区对沉积物的截留率为29.4％~74.07％，对氮的削减率为9.61％~57.85％，对磷的削减率为18.61％~68.12％。

长期以来，人类将河流与洪泛区湿地隔离，转而利用大量灰色防洪建筑抵御洪水，这种防洪方法虽然取得了很大成效，但也存在不少弊端。据《Nature》报道[95]，过去500年来，密西西比河下游百年一遇的洪水次数增加了20%，其中约75%的增加归因于防洪堤坝建设和人工截弯取直等河流改造工程。事实上，洪泛区湿地具有强大的水文汇和水文滞后等水文连通功能。因此，可将河流与洪泛区湿地重新连通以蓄滞洪水和维持基流，应对气候变化引起的洪涝和干旱灾害。近年来，欧美一些国家发展了上述基于自然的生态防洪方法，将湿地纳入流域防洪管理体系，留出可供调洪、滞洪的湿地和河岸带缓冲区，提供河道自然摆动和洪水自然宣泄的空间，仅在重要地点（如化学工业区）设置人工防洪屏障，从而最大限度地减轻洪涝灾害程度。其中，洪泛区湿地的蓄洪阈值和河岸带缓冲区的宽度是基于自然的防洪方法的两个重要变量，洪水安全格局的关键在于建立两者动态消涨和相互补充的关系。将河流与其洪泛区重新连通是当前国外防洪和湿地保护修复研究的热点。例如，美国加利福尼亚州面积为2.4万hm2的Yolo Bypass已被设计为萨克拉门托河的洪泛区湿地，该洪泛区湿地能在高水位事件中传输萨克拉门托河流域80％的流量[42]。Remo等[96]和Dierauer等[97]的研究表明，将密西西比河与其洪泛区重新连通是降低该河洪水水位和洪水风险的最具成本效益的长期解决方案。