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| 內容簡介： |
《湿地生态水文与水资源管理》从湿地生态水文与水资源管理研究过程中关注的理论方法和实践
需求出发,以湿地水循环为基础,贯穿湿地的水文过程→生态水文过程→
生态需水量→水资源管理整个研究思路,系统阐述了湿地生态水文学研究
的关键问题与理论方法,创建了基于水循环模拟的流域湿地水资源合理配
置研究理论框架与方法体系,提出了气候变化对湿地生态水文的影响及水
资源适应性管理策略研究框架,并成功应用到典型流域湿地水资源可持续
利用与管理实践工作中,取得了良好效果.
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| 目錄：
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《水科学前沿丛书》出版说明
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 湿地与水文 1
1.1.1 水文在湿地中的重要性 1
1.1.2 湿地与水文循环 4
1.2 湿地与水安全 4
1.2.1 保障水源安全 ,优化水资源配置 5
1.2.2 提供储水空间 ,调蓄洪水 5
1.2.3 降解污染 ,净化水质 6
1.3 湿地退化的水问题 7
1.3.1 湿地水资源短缺 ,水文情势改变 8
1.3.2 湿地水环境污染 ,水质恶化 10
1.4 研究的意义及热点 12
1.4.1 湿地生态保护与恢复重建的前提和基础 12
1.4.2 流域 区域 水资源综合管理的需求 13
1.4.3 应对气候变化的战略需求 14
1.4.4 研究热点及科学前沿 15
参考文献 17
第2章 湿地水循环与水文过程模拟 22
2.1 湿地水循环 22
2.1.1 湿地水循环概述 22
2.1.2 湿地水循环要素 24
2.1.3 湿地水循环模式 31
2.2 湿地水文情势 34
2.2.1 研究内涵及表征指标 34
2.2.2 湿地水文周期 35
2.3 湿地水文过程模拟 37
2.3.1 湿地水量平衡 37
2.3.2 湿地水文过程模拟研究进展 42
2.3.3 湿地水文过程模拟研究实例 46
参考文献 49
第3章 湿地地表水地下水交互作用 56
3.1 湿地SWGGW的相互影响及意义 56
3.2 湿地SWGGW交互作用的内涵 57
3.2.1 SWGGW交互作用尺度 57
3.2.2 湿地SWGGW交互作用基本模式 58
3.2.3 湿地SWGGW交互作用的水动力学机制 59
3.3 湿地SWGGW交互作用的影响因素 60
3.3.1 地形地貌 60
3.3.2 水文地质条件 61
3.3.3 气候变化 61
3.3.4 人类活动 63
3.4 湿地地下水交互带及其界面效应 63
3.4.1 湿地地下水交互带提出的背景 63
3.4.2 湿地地下水交互带的定义 65
3.4.3 湿地地下水交互系统的水力分带 65
3.4.4 湿地SWGGW交互带的环境界面效应 77
3.5 湿地SWGGW交互作用的研究方法 82
3.6 湿地SWGGW交互作用模型 84
3.6.1 湿地SWGGW交互作用分布式模型 84
3.6.2 基于湿地水文特性的模型思考 87
3.7 查干湖湿地SWGGW交互作用 88
3.7.1 查干湖历史沿革及现状问题 88
3.7.2 查干湖地表水及地下水水文情势 90
3.7.3 查干湖SWGGW交互作用 93
参考文献 106
第4章 湿地生态水文过程与模型 114
4.1 湿地生态水文过程 114
4.1.1 生态水文物理过程 115
4.1.2 生态水文化学过程 117
4.1.3 水文过程的生态效应 118
4.2 湿地植被对水文水质条件变化的响应 119
4.2.1 水文情势与水质变化对湿地植被影响的研究动态 119
4.2.2 莫莫格湿地植被对水文水质条件变化的响应 121
4.3 湿地生态水文模型构建方法 127
4.3.1 湿地生态水文模型概述 127
4.3.2 湿地生态水文模型的构建方法 128
4.4 湿地生态水文模型的应用案例 135
4.4.1 GIS?RS技术支持下的湿地生态水文模型 135
4.4.2 湿地水动力水质耦合模型 136
4.4.3 湿地水文水动力生态综合模型 142
4.4.4 依赖地下水的湿地生态水文模型 145
参考文献 148
第5章 湿地生态需水理论方法与应用 153
5.1 湿地生态需水量的概念及特征 153
5.1.1 湿地生态需水量的概念 153
5.1.2 湿地生态需水量的特征 154
5.2 湿地生态需水量计算理论与方法 156
5.2.1 湿地生态需水的相关理论 156
5.2.2 湿地生态需水量计算方法 158
5.3 湿地生态需水研究进展 163
5.3.1 国外湿地生态需水研究进展 163
5.3.2 国内湿地生态需水研究进展 164
5.3.3 湿地生态需水研究展望 168
5.4 查干湖湿地生态需水与调控 169
5.4.1 查干湖湿地水文要素分析 169
5.4.2 查干湖湿地生态保护目标 176
5.4.3 查干湖湿地生态水位计算 177
5.4.4 查干湖湿地生态需水量计算 179
5.4.5 不同情景下查干湖湿地生态需水调控方案 180
参考文献 186
第6章 基于水循环模拟的流域湿地水资源合理配置 189
6.1 流域湿地水资源合理配置的理论基础与技术方法 189
6.1.1 概念与内涵 190
6.1.2 基础理论与技术方法 191
6.1.3 研究框架与主要内容 196
6.2 流域湿地水资源合理配置研究案例概述 198
6.2.1 研究背景 198
6.2.2 研究区概况 199
6.3 流域湿地水循环模拟 200
6.3.1 流域水文特征及径流模拟 200
6.3.2 湿地水文情势分析 211
6.3.3 湿地水文模块构建 219
6.3.4 湿地水文过程模拟 227
6.4 基于水循环模拟的湿地生态需水量计算 231
6.4.1 湿地生态保护目标的确定 231
6.4.2 湿地适宜生态水深的确定 234
6.4.3 湿地生态需水量计算 240
6.5 流域湿地水资源合理配置 244
6.5.1 流域水资源及其开发利用 244
6.5.2 流域水资源供需分析 248
6.5.3 流域湿地水资源合理配置 251
参考文献 255
第7章 气候变化对湿地生态水文的影响及水资源适应性管理 259
7.1 气候变化对湿地生态水文的影响研究理论与方法 259
7.1.1 气候变化对湿地生态水文过程的影响研究 260
7.1.2 气候变化背景下湿地生态水文模型 261
7.1.3 气候变化对湿地生态需水量的影响预测 262
7.1.4 气候变化对湿地生态水文的影响研究框架 264
7.2 气候变化对流域湿地水文水资源的影响及适应对策研究案例概述 264
7.2.1 研究背景及目的意义 264
7.2.2 研究区概况 266
7.3 气候变化对流域水文过程的影响及定量评估 267
7.3.1 气候变化特征分析 267
7.3.2 气候变化对水文特征的影响 274
7.3.3 气候变化对径流变化的贡献率分析 281
7.4 流域湿地景观演变及水文驱动机制分析 286
7.4.1 湿地景观演变特征 286
7.4.2 湿地景观演变的水文驱动机制分析 292
7.5 气候变化对流域湿地生态需水量的影响预测 297
7.5.1 生态水文数据准备 297
7.5.2 不同排放情景下气候变化趋势 297
7.5.3 不同排放情景下湿地生态需水量预测 300
7.6 流域湿地水资源适应性管理策略 302
7.6.1 流域水资源及其开发利用 302
7.6.2 流域水资源供需分析 304
7.6.3 流域湿地水资源适应性管理策略 308
参考文献 311
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| 內容試閱：
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第1章 绪 论
湿地生态水文研究是水资源可持续利用与管理的前提与基础 ,为湿地生态保护和恢复重建提供水文学依据 ,对流域 区域 水资源管理?生态平衡维护以及应对全球气候变化等具有极其重要的意义 ,是目前国际科学计划湿地领域积极鼓励研究的重要课题 .在全球气候变化与人类活动的双重影响下 ,湿地流域水文过程发生了深刻的变化 ,湿地水文情势改变?水资源短缺和水质恶化 ,导致湿地面积萎缩?功能退化乃至丧失等诸多问题已引起国际社会与专家学者的普遍关注和高度重视 ,如何维持湿地合理的水文情势?调配湿地生态用水 ,为应对气候变化?保护与恢复湿地提供水资源安全保障已成为湿地水文水资源研究领域的焦点 .
本章在介绍水文在湿地科学研究中的重要性以及湿地在维护流域 区域 水安全所发挥重要作用的基础上 ,阐述了典型湿地退化的主要水问题 ,指出了加强湿地生态水文调控和水资源管理是湿地保护与恢复的前提基础?水资源可持续利用的重要保障和应对气候变化的战略需求等议题 ,最后归纳和凝炼了湿地生态水文与水资源管理研究的热点及科学前沿问题 .
1.1 湿地与水文
1.1.1 水文在湿地中的重要性
湿地发育于水?陆环境过渡地带 ,具有独特的水文过程 ,创造了不同于陆地和水生生态系统的环境条件 ,进而影响湿地生态系统的结构与功能 .对于湿地而言 ,没有水 ,就没有湿地 ,水是湿地的 “血液 ”.良好的湿地生态系统是依赖供给水的数量和质量来维持的 ,湿地水文循环在湿地形成?发育?演替直至消亡的全过程中起着决定性的作用 章光新等 ,2001 .周期性水文过程?湿生植被与水成土壤构成了湿地的三大要素 ,湿地植被类型?格局及演替是其与气候?水文以及地貌?土壤等环境要素相互作用的结果 FanandGonzalo,2011 ;Toddetal.,2010 ;陈宜瑜和吕宪国 ,2003 .在湿地的三大特征中 ,湿地水文是决定性因素 ,对土壤环境?物种分布及植被组成具有先决作用 宪国和刘晓辉 ,2008 .湿地水文?植被和土壤是定义和识别湿地的3项指标 ,其中湿吕地水文是控制湿地发生?类型分异和维持湿地存在的最基本因子 ,促成其他2个湿地特征的形成 贾忠华等 ,2001 .因此 ,水文是湿地定义和湿地分类最基本也是最重要的因子 邓伟和胡金明 ,2003 .
湿地系统的特性决定了其是一个非常敏感的水文系统 ,湿地水文过程被认为是决定各种湿地类型形成与维持的唯一最重要的因素 .湿地水文过程可直接?显著改变湿地诸如营养物质和氧的可获取性?土壤盐渍度?pH和沉积物特性等物理化学环境 ,影响物种的组成和丰富度?初级生产力?有机物质的积累?生物分解和营养循环及使用,进而影响湿地的类型?结构与功能,控制着湿地生态系统的形成和演化.反过来,湿地生物组成通过多种机制对湿地水文及理化环境进行反馈作用,从而影响控制湿地水文过程,见图1.1 MitschandGos elink,2007.此外,湿地水文过程还直接制约着湿地的径流调蓄?地下水补给?调节小气候等水文功能,通常湿地水文功能利用水文情势 如水深均值?方差和变化率?地下水交换量和蒸散发 ET等来评估 Mclaughlinand Cohen,2013.大量研究表明,湿地水文研究是湿地研究领域重要的议题,不论是恢复还是保护湿地,恢复和维持湿地自然?合理的水文情势是前提条件.气候变化与人类活动引起的湿地水文情势改变是导致湿地生态系统退化的关键因素,主要表现在湿地水文情势变化对景观格局?植被分布与群落组成?水禽生境等方面产生了深刻的影响.近年来,国内外学者就水文情势变化如何影响湿地植物生理生态?物种丰富度?群落结构与演替和植被动态等方面开展了大量研究工作 章光新,2012b;张丽丽等,2012; Milzowetal.,2010;Toddetal.,2010;Baret etal.,2010;王丽等,2009;崔保山等,2006;刘永等,2006;Hudonetal.,2006;Mage andKentula,2005;吴春笃等,2005,并针对湿地水文情势变化对水鸟觅食?筑巢和繁殖等不同行为的影响也开展了一系列研究,认为湿地水深是影响水鸟栖息地选择的首要考虑因素 Wangetal., 2009;Jeanetal.,2006;Thomasetal.,2002,上述研究成果可为湿地水文情势恢复和水资源管理提供科学依据与决策支持,进而保证湿地生态系统的稳定健康和良性循环,具有重要的现实意义.
图1.1 水文对湿地功能的影响以及生物对湿地水文影响反馈的概念图
气候?地形地貌和地质条件是决定自然湿地水文的主要控制因素.Fan和 Gonzalo . 2011 提出了水文控制湿地的一个简单的概念模型 图1.2 ,用来说明不同气候排水状况组合下水文对湿地的控制 .从左到右 ,气候条件由冷湿的高原气候变为暖干的沿海气候 ;地势条件由陡峭的高坡变为平缓的洼地 ;土壤由浅层基岩变为厚厚的砂质海岸平原沉积物 .气候?地形和地质条件的过渡转变导致水文条件的过渡改变 ,由左侧的局部径流到右侧的区域地表?地下汇集 .反过来 ,水文条件的过渡变化导致了湿地形成机制的不同 .
图1.2 沿气候和排水梯度水文控制湿地示意图
湿地GA :依靠降水和局部地表径流补给 ;湿地GD :依靠地表汇聚但由潜水位支持 ;
湿地GE :依靠地下水补给 ,位于区域地下水汇聚区 ;
湿地GB和湿地GC :介于端元之间的连续体
湿地水文景观由地下水?地表水?大气降水及其相互间的水力联系特征综合界定 ,取决于其所在的地理位置和气候条件 .Winter 1988 首次提出水文景观的概念以来 ,水文景观思想先后被应用于非潮汐湿地的累积影响和湿地水文研究 . Winter 2000 ,2001 将水文景观划分为山地?高原?河流?丘状冰川?内陆水系开阔盆地和平坦海岸六大类景观 ,并指出所有的湿地对气候变化的脆弱性都处于两个极端之间 :水源以大气降水为主的湿地对气候变化高度脆弱 ;而受区域地下水补给的湿地对气候变化的脆弱性最低 .气候变化通过改变湿地水文特征来影响湿地整个生态系统 ,湿地对气候变化的脆弱性取决于湿地在水文景观中所处的位置 .潘响亮等 2003 从水文景观视角对东北地区的典型湿地进行了分类 ,依据水文景观特征将东北地区的湿地所发育的景观分为冰蚀地貌?山地沟谷?河口三角洲?滨海低洼地?河漫滩?阶地洼地和古河道洼地?山前洼地?湖泊及其湖泊边缘洼地和半干旱?半湿润平原低湿洼地等类型,并将发育于各类景观中的湿地对气候变化的脆弱性划分出低度脆弱性?低中度脆弱性?中高度脆弱性?高度脆弱性和极度脆弱性.从湿地发育的水文景观角度评价湿地生态系统对气候变化的脆弱性,有助于制订应对气候变化的湿地水文调控与水资源管理策略,修复和保护湿地生态系统.
上述可见,水文控制着湿地的形成和演化,湿地水文研究是认识湿地生态系统的结构?过程与功能,进行湿地生态保护和恢复重建以及水资源科学管理的前提与基础.
1.1.2 湿地与水文循环
湿地是自然界最富生物多样性的生态景观和人类最重要的生存环境之一,全球湿地面积约为570万 km2,约占地球陆地面积的6%,它与森林?海洋并称为全球三大生态系统,在维护全球水安全与生态安全中发挥着不可替代的作用,受到了全世界的广泛关注和重视.湿地在水文循环中起着重要的作用已得到广泛共识,包括影响地下水补给?基流?蒸发和洪水等 AcremanandHolden,2013.湿地水文循环是水文循环系统的有机组成部分,全球的水文循环影响控制着湿地水文格局?水量?水质和水的保证率,同时湿地对流域 区域乃至全球水文循环具有重要的调节功能.在许多湿地流域,满足公共供水?农业或工业的水资源开发利用或洪水防控措施都将显著改变水文循环,进而影响水资源可利用量 可获取性.由此可见,湿地在流域 区域乃至全球水文循环中发挥着重要作用,已成为国家?区域乃至国家间水管理政策制订中需要考虑的重要对象 BulockandAcreman,2003.
水文循环是自然界物质运动?能量转化和物质循环的重要方式之一.流域水循环及其伴生过程是维持湿地生态系统功能的基本要素,它对湿地生态系统的形成和演化起着关键性作用.随着全球人口剧增?经济社会快速发展和城镇化进程,水资源的高强度?无序开发利用,深刻改变了流域区域自然的水文循环过程,直接影响到湿地水文格局?水文周期?营养物质的循环及其物理化学环境,进而显著改变湿地生态过程,影响到湿地生态系统的可持续.气候是影响湿地分布?组成及内部相互作用的主要影响因素 Walter,2003.全球气候变化通过影响降水?蒸散发过程改变全球水文循环现状,导致大气降水的形式和量级发生变化,洪水?干旱等极端水文事件发生频率和强度的增加,以及洪水?干旱周期的扰动,进而对湿地生态系统的水文过程和生物地球化学过程产生重要影响,显著改变湿地生态过程与功能.可见,在全球气候变化与人类活动的共同作用下,水文循环的改变将会干扰湿地自然的水文情势?重塑湿地水文景观格局,严重地威胁湿地生态系统的稳定和健康,已成为湿地生态水文学领域关注的焦点.
1.2 湿地与水安全
湿地是地球上重要的天然蓄水库和物种基因库,具有涵养水源?调蓄洪水?净化水质等重要水文功能,在维系流域 区域水量平衡?减轻洪涝灾害?改善水质和维护生
物多样性等方面发挥着不可替代的作用 ,支撑着人类的经济社会和生存环境的可持续发展.近几十年来 ,随着全球气候变化和人类活动干扰加剧 ,不仅湿地数量?面积?形态和分布发生了巨大变化 ,而且湿地水量?水质和水生态退化显著 .由此可见 ,湿地退化 丧失?涵养水源和调蓄洪水能力降低以及水体富营养化为主要特征的水质恶化等成为中国湿地生态安全和水安全面临的重大问题 ,严重破坏了 “人水湿地 ”和谐环境 ,影响并制约着我国经济社会的可持续发展 ,是当前水生态文明建设亟须解决的重要课题 .
1.2.1 保障水源安全 ,优化水资源配置
湿地生态系统最直接?最基本的产出是水 ,工业用水?农业用水和城市生活用水主要来源于湿地 .我国的淡水资源主要分布在河流湿地?湖泊湿地?沼泽湿地和库塘湿地之中 ,湿地维持着约2.7万亿 t淡水 ,保存了全国96%的可利用淡水资源 ,湿地是淡水资源安全的生态保障 .2003年世界湿地日的主题是 “没有湿地就没有水 ”.可见 ,湿地是陆地淡水资源的主要自然供水水源地 ,在全球淡水循环中发挥着重大作用 .2013年第17个世界湿地日 ,主题为 “湿地和水资源管理 ”,宣传口号为 “湿地守护水资源 ”,旨在提高人们对湿地和水资源之间相互关系重要性的认识 .一定数量与质量的水资源是维持湿地生态系统健康的物质基础 .同时 ,湿地是重要的淡水资源库 ,具有涵养水源?调节径流和补充地下水等水文功能 .因此 ,湿地保护能给水资源的天然优化配置?空间均衡?合理利用以及综合管理提供保障并能带来巨大的生态效益?经济效益和社会效益 王蓉 ,2003 ,是切实提高水资源安全保障能力的重要途径 .
1.2.2 提供储水空间 ,调蓄洪水
湿地是重要的天然储水空间与区域水量平衡的调节器 ,也被喻为天然 “海绵 ”,丰水期储存水 ,干旱期释放水 ,在时空上可调节降水的不均 ,通过湿地的吞吐调节 ,避免水旱灾害 ,对维护区域水安全具有重要意义 .我国湖泊湿地众多 ,且与江河联系紧密 ,对河川径流具有天然的调节能力 .通过模型计算得出 ,我国湖泊可调蓄水量为0.01×108~112.10 ×108m3,总量为1475.47×108m3,对湖区水系洪水灾害的削减作用十分明显 饶恩明等 ,2014 .1998年松嫩流域?长江流域特大洪灾的发生与湿地破坏和功能退化有着密切关系 .湿地大面积丧失致使洪水失去了调蓄空间 ,干旱期又无法从湿地得到水源补给 ,加剧了水旱灾害的强度 ,对人类的生存与发展构成了现实的威胁 杨志峰等 ,2012 .
湿地土壤具有特殊
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