第1章绪论
　　湿地生态系统是流域重要的自然生态空间与水量平衡调节器。在全球气候变化与人类活动的共同作用下，流域水循环及其湿地生态水文过程发生了深刻变化，导致湿地水资源短缺、水质恶化及其水文功能退化，进而威胁流域水安全和生态安全。如何从湿地生态系统和流域尺度上进行水文调控与水资源综合管理，恢复湿地合理的水文情势和保障湿地生态用水量，维护流域湿地生态系统稳定健康和水资源可持续利用，是当前流域生态水文学研究领域的前沿热点。
　　本章*先介绍了流域湿地水文调蓄功能及其影响因素，阐述了流域湿地生态水文过程及其模型的构建思路和方法，指出生态水文调控是进行流域湿地恢复和保护的重要途径和举措，提出了基于湿地生态需水与水文服务的流域水资源综合管理研究新思路，有助于流域湿地生态水量精准调配和水资源综合管控。昀后，以东北嫩江流域为研究区，阐述开展流域湿地生态水文过程与调控研究的背景及意义。
　　1.1 流域湿地水文调蓄功能与水安全
　　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，具有涵养水源、调节径流、净化水质和补充地下水等重要水文功能，在维护流域水量平衡、减轻洪旱灾害、改善水质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。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，流域湿地生态水文格局与过程发生了深刻变化，导致湿地面积大幅度萎缩和水文功能急剧下降，极大影响和改变了流域水文过程及水量平衡，增加了水旱灾害的强度和风险，严重威胁到流域生态安全和水安全。《2018年世界水资源发展报告》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( UN World Water Assessment Programme， 2018)。
　　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(周德民和宫辉力 ， 2007；McDonoug et al.， 2015; 崔保山等 ， 2016；Brooks et al.， 2018；Elisa et al.， 2021)。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，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，在维持流域健康水循环和水安全中发挥重要作用(图 1.1)。三江平原沼泽湿地系统的总储水量可达 64.12亿 m3，洪泛平原湿地蓄水可以降低下游洪水风险，以挠力河流域为例，通过湿地格局变化与水文过程线分析，发现占流域面积 10%～15%的湿地对洪峰流量的削减率达到 50%～ 60%(刘红玉和李兆富 ， 2005; 刘兴土， 2007)。流域上游孤立湿地越多，蓄水能力和回补地下水能力越强，减缓流速和维持基流量越明显，河道内河滨湿地越多，影响作用也越大(Evenson et al.，2015；Fossey and Rousseau， 2016a)。美国得克萨斯州和佛罗里达州湿地面积的减少引起洪峰流量的明显增加( Brody et al.， 2007; Highfield， 2012)；威斯康星河流域的湿地面积仅占流域面积的 15.，但湿地对流域洪峰流量的削减效应可达 60.～ 65.(Archer， 1989)。在加拿大的 Black Creek流域，虽然流域湿地率仅为 15%，但流域湿地对地表径流的削减作用可达 21%，对基流和地下水的维持作用均达到了 15%(Ahmed， 2016)。综上可见，湿地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，支撑生态流域建设，进而保障流域水安全。
　　图 1.1 流域湿地水文调蓄功能示意
　　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。由于受到流域多种因素的制约，流域湿地水文调蓄功能具有时空变异性、阈值性和多维性等特征(吴燕锋和章光新， 2018)。
　　由于流域湿地以水文连通为媒介发挥其水文功能，流域水文情势与湿地面积和格局的变化会引起湿地之间、湿地和其他水系之间连通性的改变，进而引起水文调蓄功能大小和效应的变化。近年来，流域湿地变化情景下水文调蓄功能定量评估引起学者的关注和兴趣。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)( Fossey et al.， 2015)、面积大小( Evenson et al.， 2018)、不同地理位置(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( Lee et al.， 2018; Wu et al.， 2020a; Blanchette et al.， 2022)，或不同湿地水文连通性变化等情景( Martinez-Martinez， et al.， 2014，2015)，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( Evenson et al.， 2018)、湿地的退化( Ameli and Creed， 2019)、湿地恢复与重建程度( Martinez-Martinez， et al.， 2014)和农业开垦(Evenson et al.， 2018)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。例如，Duncan(2011)发现 1980～2008 年美国得克萨斯州 Cole Greek流域 60%的湿地丧失导致流域 2a、5a和 10a一遇的洪水发生概率均增加了 15%； Lee等(2018)基于美国切萨皮克湾的 Tuckahoe Creek流域历史湿地面积退化特征，开展了不同湿地退化情景下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。
　　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。学者们主要通过以下两方面开展研究：①基于历史湿地分布情景(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(如遗传算法)和目标函数(如昀大洪峰削减、昀低投入和维护成本、昀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流域湿地水文过程，确定湿地位置和面积大小等昀优生态格局。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( Evenson et al.， 2018; Lee et al.， 2018; Ameli et al.， 2019)，而科学合理的湿地恢复重建会明显提升其水文调蓄功能 (Martinez-Martinez et al.， 2014， 2015; Javaheri et al.， 2014; Kumar et al.， 2021)。但是，国内外学者多从湿地单个要素视角开展恢复与重建的水文效应研究，如仅仅基于湿地的面积、地理位置或类型等确定昀优恢复与保护格局，忽视了流域湿地系统的整体性和系统性。此外，学者们多侧重于理论研究，缺乏将确定的昀优恢复与保护格局应用于实践。因此，如何从流域尺度系统评估湿地水文调蓄功能，并提出基于水文调蓄功能昀大限度发挥的流域湿地优化格局，以验证湿地恢复和保护格局的有效性，从而提高湿地恢复和保护方案的可行性和科学性，昀大程度地提升流域应对极端水文事件的弹性，是亟待解决的前沿科学问题。
　　1.2 流域湿地生态水文过程与模型
　　流域湿地生态水文过程是指在流域范围内的湿地生态过程、水文过程及两者耦合机理和互馈机制，具体而言就是研究流域水文过程如何影响湿地生态水文过程及其功能，以及湿地生态格局、过程与功能如何影响流域水文过程。由于缺少对流域湿地水文和生态过程及其相互之间关系的理解，尤其是对恢复湿地未来演变动态的准确预测，往往会导致流域湿地生态保护修复成效甚微甚至以失败告终( Richardson et al.， 2005)。湿地生态水文模型是湿地生态水文学研究的核心内容之一，在理解和揭示湿地生态水文过程、机理与效应的基础上，采用数学方法和逻辑表达式，定量描述和模拟预测湿地生态水文过程及演变趋势，是揭示湿地生态-水文过程相互作用关系及互馈机制、湿地生态需水量精细化核算、湿地生态补水与水资源管理、变化环境下湿地生态水文响应趋势预测等领域研究不可或缺的有效工具(吴燕锋和章光新， 2018)。因此，开展流域湿地生态水文过程研究，研发流域湿地生态水文模型，可为湿地生态保护修复的水文调控和流域水资源综合管理提供理论依据和技术支持。
　　20世纪 70年代以来，国内外学者开展了大量有关湿地生态水文模型研究工作，取得了丰硕的成果(王育礼等， 2008；Liu et al.， 2008；Foessy et al.， 2015；Evenson et al.， 2015； Lee et al.， 2018)。由于尚未建立具有普适性的湿地生态水文模型，学者们主要基于现有的水文模型或生态模型，修改或增加相应的湿地模块，并应用于湿地生态水文过程模拟和分析研究(Ahmed， 2017；Evenson et al.， 2018；吴燕锋和章光新， 2018；Golden et al.， 2021；Zeng and Chu， 2021)。国内外学者主要基于水量平衡原理，依据湿地内部地形地貌、水文、植被和土壤等差异，建立可以模拟湿地水循环过程及其与流域其他环境水文过程交互的湿地模块并耦合到流域水文模型中，形成流域湿地生态水文模型，并用于流域湿地生态水文过程模拟及其互作机理揭示。流域湿地生态水文模型不仅可以精确地模拟湿地水循环过程，同时把湿地水循环过程纳入流域单元内，考虑湿地与周围环境密切的水文关系，并能用于流域湿地水文服务功能定量评估，揭示气候变化和人类活动影响下的湿地生态水文响应机理，模拟和预测流域湿地水文情势演变，为流域湿地水文调控和水资源综合管理提供科学依据。国际上耦合湿地模块的流域水文模型及其主要应用如表 1.1所示。
　　随着湿地模块的不断开发和改进以及水循环模拟技术和生态模拟技术的进一步耦合，湿地生态水文模型已从描述单一过程关系经验模型发展到精细刻画物理过程的分布式水文-水动力-水质-生态耦合响应的综合模型。研究历程上，湿地生态水文模型经历了水文与动物、植被和生境等响应关系研究、水文-生态过程模拟研究发展为水动力-水质-生态过程综合研究；由水文情势指标与生态指标之间关系的定性或定量研究逐渐发展为基于生态过程和水文过程的定量研究；由单一过程的影响和响应关系研究逐渐发展为多过程、多时空尺度及耦合机制研究；由注重湿地生态效应和生态功能的评价和预测研究发展到更加关注湿地水系统、生态环境系统与社会经济系统之间的相互作用机制，从“人-水-湿地”和谐论和生态经济角度考虑湿地生态水文功能恢复和保护以及水资源综合管控，将极大提高湿地生态有效修复和保护。