湿地水环境演变机理及生态效应研究进展初探

湿地水环境演变机理及生态效应研究进展初探

摘要：湿地的水环境效应、演变机理及生态效应研究是湿地保护与管理的理论基础和科学命题，对湿地保护具有重要的前瞻性和实用意义。本文针对变化环境下湿地所面临的水质恶化及生态失衡等问题，在充分分析国内外研究的现状后，提出将流域坡地、湿地、河网相关模型综合集成，构建变动环境湿地流体动力学模型思路；对湿地水文、水质情势进行即时模拟，进而给出研究变化环境下湿地的水文水环境效应的新方法。

关键词：湿地水环境；演变机理；生态效应；新思路;研究

引言

湿地是地球上具有多种独特功能的生态系统，在为人类提供食物、原料和水资源、稳定环境、维持生态平衡、保持生物多样性等方面均起到重要作用,是人类赖以生存和持续发展的重要基础,享有“地球之肾”的美誉[1]。近一个世纪以来，由于受盲目围垦、过度开发和水质污染等人类活动及气候变化、天然水循环变化的影响，使得湿地水环境和生态空间格局发生变化，进而造成湿地的功能下降、生物多样性丧失、甚至湿地的消亡[2，3]。

我国自1992年加入《湿地公约》后，对保护湿地开展了一系列富有成效的工作，但湿地保护形势依然严峻，由于对湿地形成演变机理、水环境效应及生态系统结构方面缺乏全面而深刻的了解，往往给保护区的工作造成一定困难，湿地保护研究相对滞后[4]。开展变化环境下湿地水环境演变机理及生态效应研究，对更好的利用和保护湿地有重要意义。

1国内外研究现状及分析

1.1研究方法

湿地的定量模拟研究是当前生态学、水文学和湿地科学的一个热点研究领域[5]。湿地建模、情势重建是理解湿地形成演变机理、水环境效应、生态系统结构的重要途径。目前，国内外对湿地的模型与研究方法已经取得了较大的进展，现综述如下：

（1）图表分析法与经验统计法：传统湿地生态水文学采用图表分析法与经验统计法研究湿地生态水文问题。从研究手段上看，在水文水质调查、湿地生物调查的基础上，引入遥测信息。方法原理是通过宏观尺度上湿地水文、生态调查，从植被生态的水文适应性角度，根据收集的信息，通过统计分析或采用制图方式

进行湿地水文景观分类、生物结构、生物量和生物多样性分析；在此基础上，根据经验方法估算生态环境需水总量[6]。由于这类方法未能充分表达湿地生态演替的阶段性、湿地的基本特征、形成机理和动态过程，缺乏深入的物理机制剖析，研究水平较低，研究的角度相对狭窄。

（2）湿地水文模型：水文过程是湿地中最重要的过程,是决定产生和维持湿地典型类型和湿地过程的重要因素，是湿地研究的核心内容，在湿地形成、发育、演替直至消亡全过程中起重要作用。湿地水文模型可用以定量地评价湿地开发活动及保护管理活动带来的环境影响和生态效应；可用作预测湿地水文及其它“动力”特征的变化规律；可用作检验湿地的概念、理论和湿地研究基本实测数据；也可用作辅助设计工具,在湿地的重新自然化和人工湿地的建造工程中用于辅助设计工程设施的结构、形式和参数等[7]。

近年来，湿地水文模拟技术得到了快速发展，特别是在水库或洪泛湿地方面，如加拿大Waterloo大学提出一个蓄水～出流函数模型用于模拟湿地径流响应[8]；英国Birmingham大学改进MODFLOW模型，在British 洪泛平原湿地成功地模拟了以年或季为水文周期的湿地水位变化[9]。国际上已成功开发了适合湿地的分布水文模型, Zacharias等认为湿地是一个水文、水环境系统，强调要加强湿地水资源综合管理，结合GIS和RS发展了一个有物理基础的水文模型来管理湖泊湿地水资源[10]；Da Paz等认为水循环对湿地生态系统起着重要作用，采用了二维平面水动力模型在Mangueira湖泊和Taim湿地中的应用[11]。我国湿地模拟研究起步不久，但模型研究仍然以概念性水文模型、地下水模型为主，湿地分布水文模型缺乏，有待加强。

（3）湿地监测和高新技术应用：美国从二十世纪70年代初就开始关注湿地监测和高新技术应用。Grapes, TR监测了chalk流域湿地的洪水和地下水，分析了湿地地下水流与河渠水位关系，以及壤中流和垂直水分通量变化规律[12]。国内王茜等人利用3S技术对洪湖湿地的结构类型进行监测，在分析研究洪湖湿地现状(水文、土壤、植被、地形地貌、土壤、经济发展、开发等内容)的基础上,根据国际湿地分类的原则和实际情况,考虑遥感上的可操作性,设计出研究区域的湿地遥感分类系统[13]。

（4）湿地水环境流体模型研究：国内外有关科学工作者从70 年代后期开始从环境科学的角度对湿地进行研究, 取得了大量研究成果,为湿地保护和合理开发提供了重要的科学依据。如国外60年代开始研究河流水量水质、水量泥沙耦合模型。70～80 年代,国内外研究者较多地研究应用了一维、二维水量水质模型(如Baca and Arnett，1977)，90 年代国外三维水量水质模型研究比较成熟(如Simons, et al，1977)。例如美国国家环境保护局提出的多参数综合水质模型(WASP，1996)和环境流体动力学模型（EFDC，2001），丹麦水力学研究所Mike 水质模型等。国外环境流体动力学模型在我国应用研究也取得了很大进展，目前已广泛应用在河流、水库、湖泊、河口、港湾以及湿地等水环境生态系统中[14]。我国的湖泊工作者和环境工作者从70 年代后期开始, 进行了大量湖泊环境保护方面的研究工作, 在湖泊、水库水质预测、污染物迁移转化规律、总量控制等方面取得了一批重要成果[15]。

（5）湿地生态环境需水研究：90年代后环境需水量和生态需水量开始成为人们关注的焦点[16]。到目前为止，国外有关生态环境需水量研究内容主要有：河道流量与鱼类生息环境关系研究[17]；河流流量、水生生物与溶解氧三者关系研究[18～20]；水生生物指示物与流量之间的关系研究；湿地调度考虑生态需水量的优化配置研究；环境用水与经济用水关系研究等[21，22]。研究方法有：流量增量法、蒙大拿法、7Q10法、流量历时曲线分析法、湿周法、栖息地排水法、BBM法、水利额定法等。对水库、湖泊、湿地的生态环境需水还没有成熟的理论、指标体系和计算方法[23]。从国内外对生态环境用水的研究来看，定性描述的多，理论推求的少，河流描述多，湿地研究少。总量估算多，过程计算少。另外，在确定生态环境需水时，时问尺度和空间尺度不明确，水量和水质耦合研究缺乏，各生态需水量重复计算，可操作性差，研究结果与实际应用还存在相当差距。所以，湿地生态环境需水估算仍然研究不足。

湿地水文生态模型与新兴交叉学科和地学信息技术耦合是未来发展的必然趋势。但至今我国湿地模型的研究才刚刚起步，研究进展缓慢原因是：有物理基础的分布水文模型建模因涉及多学科有较高的难度，另外我国湿地监测与实验资料缺乏，在今后的研究中，还有待进一步加强和完善。

我国目前湿地保护才刚刚起步，很多问题有待深入研究，如湿地的水文水环境效应研究不深入，有物理基础的湿地模型缺乏；湿地健康评价指标体系和生态需水过程估算方法还不完善；湿地生态环境流体动力学研究不足；湿地建设与湿地管理缺乏系统成熟的技术方案等。

1.2评价方法

国内外已经发展了较成熟的湿地评价方法。在众多湿地分类方法中有代表性的方法包括Cow ardin 等于1979 年提出的分类体系[24]和Brinson 于1993 年提出的水文地貌学分类方法[25]。美国农业部湿地研究所推荐一套湿地评价水文模型DRAINMOD和湿地水文识别准则[26]。国外Sutula, MA等应用一种湿地快速评估方法(RAMs)评价湿地系统，介绍了RAMs方法的发展[27]。国内贾忠华等人采用美国农业部推荐的湿地评价水文模型DRAINMOD,探讨西安干旱与半干旱地区不同来水量对湿地地下水位变化的影响，分析了该区形成临界湿地水文条件所需的临界水量[28]。袁军等运用多级模糊模式评价模型对黑龙江洪河国家级保护区不同年份的湿地水文功能进行评价[29]。

诊断湿地生态系统健康是水聚湿地保护的重要手段之一。开展湿地生态系统健康评价方法可分为：物种指示法和结构功能指标法[30，31]。Costanza等1997提出了基于系统层次的生态健康指数(Health Index，HI)[32]。此外，也有学者提出了基于河流水文学、物理构造特征、河岸区状况、水质及水生生物等5方面共计22项指标体系计分基础上的溪流状况指数(Index of Stream Condition，ISC) 。随着对湖泊生态系统研究的深入，最近几年物理指标、压力指标等也被考虑在内，使健康诊断指标不断完善。