吴燕锋,章光新

(中国科学院东北地理与农业生态研究所,吉林 长春 130102)

湿地与森林、海洋并称为全球三大生态系统,是自然生态空间的重要组成部分,在维护流域水量平衡、减轻洪旱灾害和应对气候变化等方面发挥极其重要的作用,支撑人类经济社会和生存环境的可持续发展[1- 2]。然而,近几十年来,在全球气候变化与高强度人类活动的双重影响下,全球尺度湿地面积大幅度萎缩和功能急剧下降,已对流域生态安全和水安全构成了威胁[3- 5]。《2018年世界水资源发展报告》[6]中强调基于自然的水资源解决方案(Nature- based solutions for water)的理念是通过利用自然生态系统的“蓄- 滞- 渗- 净- 排”的特点和功能来管理水的可获得性、水质和涉水风险与灾害,增加可利用水量、改善水质和降低水旱灾害风险,从而强化整体水安全。湿地水文调蓄功能是湿地生态系统服务功能的重要组成部分,开展定量评估对湿地生态功能评价和湿地生态系统管理具有重要的理论意义和应用价值。作为湿地水文功能核心构成部分的湿地水文调蓄功能是指在流域尺度上湿地生态系统对水循环过程及水量平衡发挥的调节作用和功效,可作为基于自然的水资源与气候变化解决方案中的重要载体,以应对干旱洪水等极端水文事件带来的风险[7- 8],从而服务于生态海绵智慧流域建设[9- 10]。

20世纪80年代起,出于湿地生态系统管理的需要,湿地生态服务功能的评估逐步得到重视,国内外专家也对湿地水文功能评估开展了大量研究工作,取得了丰硕的成果[11- 12],主要集中在单块湿地水文功能的研究,对单块湿地水文功能的大小及其影响因素认识较为全面。但是,目前流域尺度湿地水文调蓄功能定量评估方兴未艾,国内外研究存在分歧[13- 16],深度挖掘再认识比较缺乏,对流域湿地水文调蓄功能的概念、内涵及其特征和影响因素等的系统性研究有待加强,尤其缺乏有关流域湿地水文调蓄功能定量评估方法和模型的最新研究成果的归纳和总结,难以满足学科发展和实践应用的需求。

本文力求深入阐述流域湿地水文调蓄功能的概念、内涵及其特征和影响因素,探讨流域湿地水文调蓄功能定量评估方法,介绍流域湿地水文调蓄功能定量评估模型与应用情况,指出该领域未来亟需加强研究的重点方向,以期更好地为流域湿地恢复保护与水资源综合管控提供科学支撑。

1 流域湿地水文调蓄功能概念、内涵与特征

1.1 流域湿地水文调蓄功能概念与内涵

20世纪80年代,国际上出现了湿地水文功能的概念,认为湿地水文功能是湿地水文过程所表现出来的所有功能,是湿地生态系统与水文过程相互作用的产物,主要包括洪水削减、水沙拦蓄、水质净化和补给地下水等功能[6- 7]。其中,湿地水文调蓄功能是湿地水文功能的核心内容,也是近年来学者们关注的焦点之一[16]。纵观国内外有关湿地水文功能的概念,目前尚缺乏流域湿地水文调蓄功能公认的定义。笔者认为,流域湿地水文调蓄功能是指流域湿地对水文过程的累计影响效应,即在流域尺度上湿地生态系统借助其特殊的水文物理特性,以水循环为纽带,通过影响流域蒸散发、入渗、地表径流、地下径流和河道径流等方式而改变流域水文过程的能力(图1),主要体现在调节径流、削减洪峰、维持基流和补给地下水等4个方面,具有时空变异性、阈值性和多维性等特征(图2),在维持流域健康水循环和水安全中发挥重要作用。

图1 以水循环为纽带的流域湿地对水文过程调蓄作用概念[14]Fig.1 Conceptual representation of hydrological regulation functions of wetlands in a watershed via the processes of water cycle [14]

湿地水文调蓄功能的大小主要由其特殊的水文物理性质决定,即湿地往往具有较高的土壤孔隙度和较强的土壤饱和持水量等特征,汛期通过吸收和储存来水发挥削减地表径流、降低流速和削弱洪峰等作用；非汛期以缓慢释水和下渗侧渗的方式发挥水源供给、维持基流和补给地下水等作用[17- 19](图2(c))。流域湿地以水文连通为媒介,即通过地表径流、地下径流、蓄满产流和潜流等方式与其他湿地和地表水系统连通,影响流域水文过程,发挥其水文调蓄功能[20- 22](图2(b))。流域湿地的类型、面积和位置等因素影响其水文调蓄功能的大小(强或弱)及效应(增加或减小径流)[13,23- 24]。

图2 流域湿地水文调蓄功能示意Fig.2 Illustration of hydrological regulation functions of wetlands in a watershed

1.2 流域湿地水文调蓄功能特征

1.2.1 时空变异性

流域水文过程和湿地水文物理特性具有显著的多时间尺度(年际、季节性和逐日时变特征)和空间尺度变化特征,流域湿地水文调蓄功能的大小和效应也呈现明显的时空变异性。同时,流域气候变化[25]、地形地貌特征[18,26]、湿地特性[13,27- 30]和人类活动[12,31- 32]等在不同的时空尺度上影响湿地之间及湿地与其他地表水系统水文连通程度,引起湿地特定的水文调蓄功能的大小和效应呈现时空变异性；其次,在气候变化和人类活动的影响下,湿地水文调蓄作用的几个方面可以发生相互转化,从而呈现时间尺度上的差异性。流域雨养湿地(如孤立湿地)在降雨期间主要发挥削减和延缓地表径流的作用[13,15],而在非降雨期间主要发挥补给地下水而增强基流的作用[33]。另外,不同空间位置的湿地具有特定的水文情势,其与地表径流和地下径流的连通性不同,在流域尺度发挥水文功能的效应有显著差异性[22]。如流域上游孤立湿地在一定程度上发挥增强下游洪水的作用,下游河滨湿地主要发挥调节径流和削减洪水的作用[15,34]。

1.2.2 阈值性

湿地基于“蓄- 滞- 渗- 排”过程发挥水文调蓄功能。基于“降雨- 径流”过程中湿地水文调蓄作用的强度和效应的变化,将其划分为3个阶段:持续蓄水期、间歇性蓄满产流期和持续蓄满产流期。在降雨之初,若湿地土壤具有较低的土壤含水量,湿地可以全部储蓄其汇水区内的降雨量而发挥削减径流的作用[35- 37]。随着降雨的增加,湿地储蓄水量和削减径流量逐渐增加；当湿地的土壤接近饱和,湿地本身及其汇水区所在的负地貌蓄水接近最大值(湿地地下水位逐渐接近于地表),湿地就会发生间歇性的蓄满产流[18]；随着累计降雨量的进一步增大,湿地地下水位等于地表时,湿地就会持续产流,从而增加地表径流和河道径流[25,37]。上述可见,在一定的条件下,流域尺度湿地水文调蓄功能存在阈值性,当低于该阈值时,湿地主要发挥储蓄水量和削减径流的作用；当超过该阈值时,湿地水文调蓄功能会发生本质性改变,主要发挥产流输送和增加径流的功能(图3)。

图3 湿地水文调蓄功能的阈值效应Fig.3 Threshold effects for hydrological regulation functions of wetlands

1.2.3 多维性

流域湿地以水文连通为媒介发挥其水文调蓄功能,湿地水文连通的多维度动态特性[20- 22]决定了流域湿地水文调蓄功能的多维性,即纵向、横向和垂向3个空间维度以及 1个时间维度(图2)。流域湿地纵向调蓄作用即上游湿地对下游水文过程的调蓄作用[33,35],主要体现在湿地对下游河道径流的调节作用。如孤立湿地通过储蓄暴雨径流并缓慢释水的方式影响地表径流过程,进而影响河道径流过程(图2(b))。横向调蓄作用是指洪泛区湿地- 河流横向水文连通发挥径流调节、洪水削减和基流维持等作用[15,18]；垂向调蓄作用是指通过湿地地表水- 地下水以及湿地- 大气界面之间的水量(分)垂向交换(蒸散发)影响区域地下水均衡及流域水量平衡[38]。从时间维度来看,流域湿地水文调蓄功能会随其水文连通和水文过程的变化而变化。如Lee等[33]发现Tuckahoe Creek流域湿地通过影响地表径流和地下径流等发挥调蓄下游河道径流的作用,但其调蓄作用的强度有明显的年内差异性;Wu等[34]发现,嫩江流域上游湿地对下游洪水的洪量、持续时间和洪峰流量等有明显的调蓄作用,但其调蓄作用的强度和效应在涨水期和退水期差异明显;吴燕锋等[39]发现多布库尔河流域湿地对总径流、暴雨径流和基流的影响效应(削弱或增强)和强度有明显的月、季节和年尺度变化特征。

2 流域湿地水文调蓄功能的影响因素

流域湿地水文调蓄功能的影响因素可分为内在因素和外在因素,内在因素主要有湿地土壤特性、植被特征和初始水文条件等；外在因素主要有流域特征、降雨特征与气候变化及人类活动等[3,23,39- 40]。其中,内在因素决定了湿地水文调蓄功能的潜在能力,外在因素直接或间接影响湿地水文调蓄作用的大小及效应。

2.1 流域湿地水文调蓄功能的内在影响因素

2.1.1 土壤特性

湿地土壤的质地、结构和孔隙度在很大程度上决定了湿地的蓄水量、渗漏量和潜流量,进而影响湿地水文调蓄功能。黏粒和孔隙度的大小决定了湿地土壤的透水性、持水性和排水能力,影响湿地的蓄水和补给地下水功能的大小[28,36]。如三江平原沼泽土壤草根层与泥炭层的容重为 0.10～0.28 kg/m3,总孔隙度大于70%,饱和持水量可达4 000～9 700 g/kg,全区沼泽土壤的蓄水总量可达46.97亿m3[19]。土壤厚度影响湿地的垂向调蓄作用,湿地下渗和侧渗能力往往随着土壤厚度的增加而减少[41]。伴随着湿地的形成和演化以及人类活动的干扰,湿地土壤水文物理性质的变化越发复杂[42- 43],湿地水文调蓄功能的强度和效应也会发生改变。土壤中动物形成的孔洞和植物残体会增加湿地的孔隙度。一方面提供了储水空间,增强了湿地对地表径流的削减作用[43- 44]；另一方面引起泥炭底层和土壤母质层交互的界面水力传导度增加,从而增加潜流和侧渗量,增强湿地补给地下水功能。

2.1.2 植被特征

湿地植物种类丰富且类型多样,植被的类型、盖度和格局及其季相变化直接影响其冠层、枯落物层和土壤层对大气降水的再分配过程,进而影响湿地对地表径流和河道径流的调蓄作用。植被通过降雨截留、透流作用和干流作用的方式影响降雨- 径流过程,发挥削减地表径流的作用[1,17]；河滨湿地植被因其具有较高的地表粗糙度发挥延迟下游洪峰形成的作用[14,18]。然而,植被类型、盖度和格局不同,其粗糙度和枯枝落叶层厚度不同,对地表径流的削减作用和对河道径流调蓄作用有明显差异[23,45]。另外,植被的季相变化会引起湿地调蓄功能大小的改变[28,37]。蒸腾是湿地水量支出的主要方式之一,可以为汛期湿地蓄洪削峰提供储水空间[46- 47]；春季植被蒸腾较弱,对湿地水文调蓄的贡献较低；夏季植被强烈的蒸散作用(超过降雨量)可引起湿地保持较低水位状态,湿地持续发挥较强的径流削减作用[1,29]。

2.1.3 初始水文条件

湿地的初始水文状况直接影响其蓄水和下渗能力,进而影响湿地水文调蓄功能。当湿地处于低水位且土壤含水量相对较低时,湿地具有较大的储水空间,可以储蓄大量的来水从而发挥削减地表径流和河道径流的作用[26,28]；而当湿地前期土壤含水量较高或水位较高时,湿地直接发挥水量传输的功能[27]。如Bay[29]发现美国Minnesota湿地处于最低水位时,其对洪峰流量的调蓄能力可为正常水位条件下调蓄能力的3倍。

2.2 流域湿地水文调蓄功能的外在影响因素

2.2.1 流域特征

流域地形地貌、土地利用类型、河网水系等在很大程度上决定了湿地景观单元及其汇水区的大小和形状以及湿地的土壤类型、植被特征和坡度等[25,45- 46],影响湿地水文调蓄功能。流域的河网水系密度、河道宽度、深度、长度和糙率系数等对湿地水文连通性有重要的影响,影响流域湿地水文调蓄功能的强度和效应[20- 22,36]。土地利用类型影响湿地内部及其汇水区的地表截留与入渗、积雪融雪[48]和蒸发蒸腾[47]等水文过程,进而影响湿地的水量收支平衡过程[49],影响湿地景观与下游景观类型之间的水量传输过程。

2.2.2 降雨特征

降雨可以直接补给湿地或通过形成地表径流和潜流汇入湿地[18,49]。降雨总量、强度、持续时间和集中度通过影响湿地及其汇水区的植被截留、填洼、下渗和产流等过程,从而影响湿地在降雨期间及后续流域产汇流过程中的水文调蓄作用[29,45,50]。如McCauley等[31]发现同等雨量的降雨事件中,若雨强较弱且持续时间较长,湿地可以完全储蓄降雨量；若雨强较大且过于集中时,即使湿地初始土壤含水量较低,湿地也会直接以蓄满产流的方式发挥水量传输功能。

2.2.3 气候变化

以全球变暖为主要特征的气候变化加剧全球水文循环过程,驱动降水量、蒸发量、径流量等水文要素的变化,增强洪水、干旱等水文极值事件发生的频率和强度,深刻改变湿地- 流域水文过程与水量平衡[1,3,50],进而影响流域湿地水文调蓄功能。如李志威等[51]发现气候变化下若尔盖高原湿地地下水位的季节性波动影响其蓄水能力的大小。

2.2.4 人类活动

流域内大规模垦殖、城市化进程、河道取用水和水库防洪堤坝的修建等人类活动通过改变流域下垫面状况、湿地面积和河道径流机制等,进而影响湿地水文情势、景观格局及其水文连通,改变流域湿地水文调蓄功能的强度和效应[32,52- 53]。大规模的湿地排水和农田化直接引起湿地水位下降、面积萎缩和破碎化；水库和防洪堤坝的修建削弱湿地之间及湿地- 河道之间的水文连通性,引起流域湿地蓄水削洪能力减弱(图4),加重洪涝灾害风险[54- 55]。如Rebelo等[55]基于不同历史湿地分布模拟研究表明,南非弗洛勒尔角河谷湿地农田化引起湿地对暴雨的储蓄能力减弱,加剧流域洪涝灾害;Voldseth等[56]发现北美大沼泽湿地汇水区农田化改变了湿地原有的水量平衡,尤其是在枯水期加剧了湿地的干旱强度,致使湿地维持基流的功能几乎完全丧失;范少英等[57]发现三峡水库通过影响鄱阳湖与长江之间的水量交换而改变了鄱阳湖的水文调蓄能力。

图4 水库和防洪堤坝对河滨湿地洪水调蓄作用影响示意Fig.4 Scheme illustrating the effects of dam and levees on hydrological regulation functions of wetlands

3 流域湿地水文调蓄功能定量评估

3.1 流域湿地水文调蓄功能定量评估方法

3.1.1 流域湿地不变情景

目前,国内外学者主要从流域内有/无湿地情景或湿地排水与否、2个(有/无湿地的流域)或多个子流域(湿地率不同)、湿地出入流量以及湿地生态水文要素变化等角度评价流域湿地水文调蓄功能(表1)。研究者主要从湿地的径流调节、洪水调蓄、基流维持和地下水补给4个方面开展流域湿地水文调蓄功能量化评估研究。在研究中,主要采用地表径流、河道日流量与总径流量及其变异性等指标定量评估流域湿地径流调节功能[33,35,58]；采用洪水频率、洪量、洪峰流量、年最大洪峰流量、洪水持续时间(涨水历时和落水历时)、洪峰流量出现的时间及洪水风险指数等指标定量评估流域湿地洪水调蓄功能；采用基流量、低流量、不同流量历时曲线阈值流量等指标定量评估流域湿地基流维持功能[34- 35,39]；主要采用下渗量和潜流量等指标定量评估流域湿地补充地下水功能[33,38,60]。

表1 流域湿地水文调蓄功能评估方法

3.1.2 流域湿地变化情景

流域湿地面积和格局的变化会引起水文调蓄功能的改变。近年来,流域湿地变化情景下水文调蓄功能定量评估引起研究者的关注和兴趣。在研究思路上,研究者主要基于流域内不同湿地分布情景开展模拟研究,例如设置流域湿地的类型(如孤立湿地和河滨湿地、雨养湿地和洪泛湿地)[13]、面积大小[14]、不同位置(如上游和下游湿地、子流域/干流河滨湿地)和蓄水量大小等级[13,33- 34],或不同湿地恢复保护情景下水文连通性变化等情景[58,61],模拟分析流域水文过程变化特征,揭示湿地变化的水文效应。研究发现流域湿地季节性变化[13,62]、湿地的退化[38]、湿地恢复与重建程度[58]和农业开垦[14]等会引起湿地生态水文过程的改变,进而引起其水文调蓄功能的变化。如Duncan[63]发现1980—2008年Cole Greek流域60%的湿地消失导致流域2年、5年和10年一遇的洪水发生概率均增加了15%;Lee等[33]在Tuckahoe Creek流域基于历史湿地面积退化特征,在设定的5种湿地退化情景开展了流域水文过程模拟研究,发现随着面积的减少,湿地对流域地表径流的削减作用和地下水补给量逐渐减弱。

3.2 流域湿地水文调蓄功能定量评估模型与应用

湿地水文模型是开展流域湿地水文调蓄功能评估研究不可或缺的有效工具[1]。笔者之前已系统介绍了湿地生态水文模型的概念、内涵、构建方法及分类,回顾了湿地生态水文模型的国内外发展历程,并论述了目前湿地生态水文模型研究应用的重点领域[12],这里重点介绍流域湿地水文调蓄功能定量评估模型与应用。

在流域湿地水文调蓄功能定量评估研究中,研究者首先采用HEC- 1模型、PRMS(Precipitation Runoff Modeling System)和SWAT模型等传统的流域水文模型或水动力学模型,主要围绕湿地洪水调蓄功能定量评估开展相关研究[64- 66]。近年来,研究者主要基于现有的流域水文模型或水动力学模型,修改或增加相应的湿地模块,并应用于流域湿地水文调蓄功能定量评估研究。目前主流的耦合湿地模块的流域水文模型主要有MIKE(SHE、FLOOD和11 /NAM)[67]、改进的SWAT模型[14,22,33,58]和PHTSITEL/HYDROTEL水文模拟平台[13,34,40,56,68]。基于耦合湿地模块的流域水文模型,研究者主要开展有/无湿地分布情景下流域水文过程的模拟,对比分析水文要素的演变特征,量化湿地水文调蓄功能。其中,无湿地分布情景下的模拟中,研究者假设湿地土壤已达到饱和状态,即湿地土壤无法再发挥储蓄水量而削减径流的作用。该假设目前已得到国内外学者的认可,且已在SWAT[14,33],MIKE 11和HYDROTEL等水文模型中得到广泛应用[67],并用于流域湿地水文调蓄功能定量评估的研究中。如Wu等[34]基于耦合湿地模块的PHYSITEL/HYDROTEL模型平台开展了不同空间位置湿地分布情景下的嫩江流域水文过程模拟,采用有/无湿地情景下的模拟结果量化了湿地的洪水调蓄功能及其强度和效应的时空差异性。

基于耦合湿地模块的流域水文模型,在量化流域湿地水文调蓄功能的基础上,围绕流域湿地水文功能模拟与水资源管控、湿地生态恢复重建的水文效应等方面开展探索研究。主要通过以下两方面开展研究:①基于历史湿地情景(恢复至历史某一时期)的水文模拟,对比分析目前湿地情景和历史某时段情景下湿地水文功能的差异性；②基于现有湿地分布和重建选址分析,运用优化算法和目标函数(如最大洪峰削减、最低投入和维护成本、最大景观尺度水文连通性等),模拟多个湿地保护和重建情景下湿地水文情势和流域水文过程,确定湿地位置和面积大小等最优生态格局。研究发现流域湿地面积的丧失会引起其水文调蓄功能的减弱甚至丧失[14,33,38,63],而科学合理的湿地的恢复重建会明显提升其水文调蓄功能[58- 59,61,69]。

4 结论与展望

综合分析国内外研究现状,流域湿地水文调蓄功能评估方法和模型研究取得了长足发展,但仍缺乏流域湿地水文过程与流域水文过程耦合机制的研究,难以支撑流域湿地恢复保护与水治理的实践需求；其次,目前仍缺乏普遍适用性的耦合湿地模块的流域水文模型,尚未实现湿地水文过程物理机制上的紧密耦合,影响模拟的精度和研究的适用性；另外,如何从发挥湿地水文服务功能的视角进行流域水资源综合管理,践行基于自然的水资源解决方案,也是流域水资源综合管理亟须解决的关键科学问题。为进一步推进流域湿地水文调蓄功能定量评估深入、系统的研究,基于目前已有成果和存在的问题,提出以下几方面建议与展望。

(1) 加强湿地水文过程与流域水文过程耦合机理研究。把湿地的水循环过程纳入到流域单元内,从蒸散发过程、产流过程以及湿地与周围环境水文交互过程等方面深入认识和理解不同类型湿地水文过程与流域水文过程相互作用关系、尺度转换及耦合机制,实现湿地水文过程与流域水文过程紧密耦合。

(2) 加快耦合湿地模块的流域水文模型的研发。耦合湿地模块的流域水文模型是定量评估流域湿地水文调蓄功能不可或缺的工具,现有流域水文模型中的湿地模块对不同类型湿地(如木本沼泽、草本沼泽和泥炭沼泽等)的水文特性尤其是湿地地下水模块的刻画过于简化,湿地水文模块的开发和和完善仍是未来湿地生态水文学的重要研究领域。

(3) 强化基于湿地水文调蓄功能的流域水资源综合管控。系统评估流域湿地调蓄洪水、维持基流和补给地下水等水文调蓄功能的大小及其时空差异性,基于自然的水资源与气候变化解决方案的理念,将湿地水文调蓄功能作为重要绿色调控措施纳入到流域水资源综合管控中,并与传统水利工程措施和管理措施有机结合和统筹协调,以应对未来气候变化带来的水旱灾害的风险,保障流域水安全。