湿地水文连通机理与模式分析

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对湿地生态系统而言,水文连通性及水体的流动是湿地地表水体间能量、物质、信息传递的重要纽带,水文连通性是维持湿地生态系统健康的关键因子。已有研究大多从单一过程或单一尺度出发,侧重研究湿地水文结构连通和连通强度对生境变化的影响,而有关湿地水文连通特征、机理及气候多变和人类活动加剧对其影响的研究鲜见报道。为此,系统研究湿地水文连通特征机理以及其在自然和人为作用驱动下的变化,对修复湿地水文连通性和生态功能恢复具有重要的理论和实际意义。本文以莫莫格国家级自然地保护区为研究对象,以系统理论为指导,结合自然地理学、水文学、水文地质学、计算机等多学科的理论和方法,通过大数据遥感云计算、野外调查监测、数值模拟等手段,从水位、水量、水质、同位素、生态响应等方面研究了湿地水文连通的特征、机理,构建湿地水文连通模式和综合评价体系,取得以下主要成果:(1)湿地景观格局和水文连通性分布及时空变化基于谷歌搜索引擎平台内部API编程解译计算,目前莫莫格保护区湿地面积占保护区总面积的35.4%,主要分布于东部嫩江沿岸,其水文结构连通性优于中西部。19842018年区内耕地面积增加了2.4倍,而湿地面积则减少22.84%,其景观格局破碎化程度整体加重,由集中连片分布转变为零星散布。区内季节性地表水占地表水总量的41.6%;湿地水文结构连接度指数从5.6减小到3.8,上述特征揭示了水文连通性正在向恶化发展,湿地呈退化趋势的变化。(2)湿地的水动力交互作用机制基于水资源量均衡计算,结果表明在丰水期研究区水资源处于正均衡,均衡差为2764142 m3/d,水资源的增量主要来自于嫩江洪水对洪泛区的淹没,导致洪泛区湿地地表水水位显著上升;而在平水期和枯水期,研究区水资源处于负均衡,水资源的减少主要是由于强烈的水面蒸发,湿地地表水和地下水位显著低于丰水期。对水文情势的分析表明湿地水位上升过程中,湿地地表水通过填满溢流、填满合并以及洪泛连通三种方式形成地表连通,导致湿地水文连通结构发生一定变化,进而影响湿地生态环境。受地形的控制,湿地地表水在侧向或垂向上与浅层地下水发生着一定程度的交互作用,不同洼地湿地之间通过地下水的径流形成地下水力连通。(3)水化学和同位素连通特征研究区处于半干旱的气候环境,蒸发作用极其强烈,湿地地表水、地下水及嫩江水之间存在季节性的水力联系。浅层地下水对湿地地表水存在持续的侧向补给,地下水和湿地地表水水化学类型均以HCO3-Na型和HCO3-Ca·Mg型为主。强烈的蒸发作用导致湿地地表水的矿化度最高可达2000mg/L,显著高于地下水。位于嫩江中下游的江水则为低矿化度(<100mg/L)的HCO3-Ca·Mg型水。不同季节水质特征表明,丰水期湿地地表水的主要补给来源为嫩江江水,而在平枯水期,湿地地表水的主要补给来源为浅层地下水。基于同位素质量守恒对地下水补给湿地地表水的比例进行计算,表明白鹤湖水量主要来源于农田退水,地下水对其补给比例一般小于5%;嫩江江水主要受大气降水补给,地下水对其补给比例同样小于5%;西部湖泡在丰水期以地表连通为主,受地下水补给量较小,占10%以下。(4)生物对水文连通的生态响应生态系统的生境格局随着水文连通的变化而改变,进而影响物种的多样性、分布格局及营养结构,植物群落分布特征和动物动态特征可以表征水文连通情况。以指示物种的活动区域为控制条件,确定白鹤近几年多分布于保护区西部和偏北部水泡分布密集的区域,其中,水深和植物群落类型是影响白鹤生境分布的最主要环境因子;对植物群落相似性的计算结果表明二龙涛河湿地和哈尔淖湿地生物相似性指数为1,进一步说明该区域功能连通效应明显,地表水暂时性连通和地下水永久性连通使其水文条件和化学物质有较高相似性。(5)水文连通分析模式基于湿地水文连通机理,以相似理论为导向结合湿地景观格局分布现状划分湿地水文三种连通模式,即洪泛区湿地的水文连通模式、灌区湿地的水文连通模式和孤立湿地的水文连通模式;基于驱动-状态-响应(DSR)理论框架,建立了一套跨时空尺度的综合水文连通定量指标体系,经过对2019年全区水文连通结构-功能程度的定量估算,东部洪泛湿地和西部孤立湿地连通模式的水文连通性相对较好,中部的灌溉模式连通性较差。研究成果为湿地的健康发展和管理提供科学依据。
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