第1章绪论
1.1研究背景与意义
沼泽湿地是介于陆地生态系统和水生态系统之间的过渡形态，具有气候调节、水源涵养、水体净化及生物栖息等多重生态功能。根据第二次全国湿地资源调查结果，我国沼泽湿地总面积约21万km2，占我国湿地总面积的40.5%，主要分布在东北的三江平原、大小兴安岭及青藏高原等重要生态屏障区。因其*特的自然地理条件，沼泽湿地在环境功能和生物多样性维持等方面具有不可替代的作用。然而，20世纪80年代以来，随着大规模农垦开发，我国东北地区沼泽湿地面积急剧萎缩，从4.67万km2减小到3.46万km2，面积减小了25.93%，且破碎化严重。与此同时，社会经济用水量急剧上涨，伴随而来的各种点、面源污染也对沼泽湿地生态系统造成重要影响。而长期的农垦开发和水资源侵占，破坏了沼泽生物的生境条件，尤其对珍稀候鸟的栖息和迁徙造成了强烈干扰。沼泽湿地生态功能的持续退化，已经严重影响了区域生态安全。
河流、沼泽之间具有不同时空尺度的耦合和互动关系，沼泽湿地及与其连通的河流共同形成河沼生态系统。河流和沼泽间的水文连通性是河沼系统物质和能量交换的基础，但高强度人类活动造成了河沼系统割裂，进而引发了系列生态环境问题，保障生态需水是修复这种割裂的关键。现有研究大多将河流和沼泽作为单*个体，强调满足其各生态要素的需（耗）水量，而忽略了河流对沼泽生态需水的内在影响，这在一定程度上削弱了生态需水的调控和保障效果。为了更准确反映河沼系统的生态需水要求，生态需水核算和保障既应考虑河流、沼泽个体，更应考虑整体的连通关系。因此，以河沼连通性为关键切入点，结合重点保护目标不同时期的生态需求，在系统尺度上研究河沼生态需水问题具有重要意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1河沼系统生态需水基本内涵
早期河沼系统生态需水研究多聚焦于单一生态要素的*小水量（流量）需求，如维持河道基流或沼泽需水量阈值，但随着生态水文学与系统科学的发展，学界逐渐认识到河沼系统作为“河流-沼泽”连续体的特殊属性（章光新等，2018）。河沼系统生态需水的核心在于维持“河流-沼泽”连续体的生态水文耦合关系，其特殊性体现在河流对沼泽湿地的动态补给与物质传输。研究表明，河流通过侧向渗流和洪水脉冲向沼泽输送水源，保障河道基本生态流量可维持枯水期河流系统与沼泽系统地下水位衔接，而汛期脉冲式洪水过程可驱动营养物质在河流-沼泽界面交换(董哲仁和张晶，2009)。例如，松花江支流在丰水期向三江平原沼泽区补给水量达年径流量的30%，不仅保障了湿地植被的水分需求，还维持了地表水-地下水的交互通道。但近年来，农垦区地下水位下降，导致河沼界面水力梯度减少，迫使生态需水量增加15%～20%以抵消人类活动干扰（孟博，2022）。
河流与沼泽的相互补给作用直接塑造河沼系统生态需水的时空特征，表现为动态水量补给与周期性脉冲响应的耦合机制（杨泽凡，2019）。在雨季，河流通过洪水脉冲向沼泽输送过量径流，而在旱季，当河流水位低于沼泽时，储存于泥炭层的水体通过侧向渗流反补给河道，维系枯水期基流需求，这种双向调节使河沼系统形成*特的水量平衡节律。同时，河沼系统生态需水研究更强调对水文连通性、生态过程完整性及人水协同关系的系统整合。在扎龙湿地，乌裕尔河每年有3～5次漫滩流量过程，能将河道悬浮物中的氮磷输送到沼泽核心区，使芦苇生产力提升40%以上，这揭示生态需水需包含水质驱动型补水阈值。此外，黄河河口湿地的相关研究表明，河沼系统生态需水内涵需纳入流域尺度水沙平衡，维持年输沙量才能保障三角洲湿地造陆速率与生境更新需求（易雨君等，2022）。这些研究表明，河沼系统生态需水已从单一水量保障，发展为涵盖水文连通度维持、物质传输效能优化、人类干扰补偿机制的复合体系。
1.2.2寒区河沼系统生态需水核算方法
寒区河沼系统生态需水核算的重点在于维持生态系统功能稳定所需的*小水量、维持生物栖息繁殖所需的敏感期生态需水，其研究早期多沿用传统方法，如Tennant法、水文学方法和水力学方法等（谭志强等，2022）。其中，Tennant法通过设定不同流量等级（如10%或20%多年平均径流量）作为生态需水阈值，被广泛应用于我国各区域河流生态流量核算。然而，寒区河流冰封期（12月至翌年3月）常出现“连底冻”或断流现象，导致径流季节性差异远超其他地区，传统方法难以准确反映季节性径流与生态需求的匹配关系。例如，Tennant法未区分冰冻期与非冰冻期的径流特征，可能高估或低估实际需水量，加剧寒区水资源开发与生态保护的矛盾（刘欢等，2022）。针对寒区水文特殊性，近年来学者提出改进的年内展布法，通过分阶段划分水文周期（如冰冻期、非冰冻期、汛期与非汛期）并引入多指标约束，显著提升了核算精度（田肖冉等，2022）。以呼玛河流域为例，将全年划分为汛期、非汛期和冰冻期，采用95%保证率的月平均径流量和多年平均月径流量作为关键指标，分别设定不同生态需水比例（周翠宁和孙颖娜，2023）。改进方法通过分时段差异化阈值设定，能更精准地反映河流在冰冻期的生态基流需求与非冰冻期的功能恢复需求，符合寒区河流天然径流的季节性波动规律。
在沼泽湿地生态需水研究方面，当前研究趋势强调多学科方法融合，将水文学模型与生态学指标（如栖息地适宜性、植被需水）结合。针对湿地生态需水的空间异质性，引入水文-生态耦合模型，模拟冰冻期水热交换过程，通过调整系数量化冻结/解冻效应对湿地水量的影响，结合不同来水频率下的水文指标关系*线，确定多等级生态需水目标，实现了生态需水核算从静态阈值向动态响应的转变（Martinez et al.，2014;吴燕锋和章光新，2015）。部分学者尝试引入遥感技术监测寒区沼泽湿地面积变化，耦合水文模型反推生态需水阈值。在扎龙湿地研究中，通过遥感反演水面面积变化，结合水量平衡法量化不同水平年的生态需水阈值，同时提取土地利用类型参数，支撑分区需水量计算（Haghighi and Klve，2017）。对于冰冻期光学遥感数据缺失问题，合成孔径雷达（SAR）技术可穿透冰层监测冰盖厚度与融化速率，为寒区湿地水面面积动态修正提供数据基础(胡胜杰等，2015)。尽管此类模型在寒区应用仍面临数据获取困难，但其整合物理过程与生态响应的思路为未来研究提供了方向。
在需水过程精细化层面，当前研究逐渐从年/季节尺度向事件尺度延伸。传统方法以年均径流量或季节性水量分配为基础，虽能反映宏观供需关系，却难以捕捉短时极端水文事件（如融雪洪峰、洪水脉冲）对湿地生态系统的影响。在此背景下，研究开始聚焦单次水文事件对生态过程的驱动机制：一方面，借鉴佛罗里达湿地经验（肖协文等，2012），分析洪水脉冲对鸟类栖息地和湿地植被的影响，通过高分辨率遥感监测与分布式水文模型耦合，量化单次洪泛过程淹没范围、持续时间与湿地生物群落响应，提出高流量脉冲目标，以修复因枯水期缺水退化的沼泽生境。另一方面，融合机器学习算法与实时监测数据，构建事件驱动的动态需水阈值调整模型，例如基于融雪速率预测优化春汛期生态补水量，或依据冰盖消融进程动态调整冬季基流保障方案（Liu et al.，2020）。在呼玛河流域，通过分析融雪洪峰与沼泽湿地补水需求的时空匹配关系，提出了分阶段的脉冲补水策略，确保洪泛事件的水量分配既能维持河道基流稳定，又可高效补给退化沼泽。事件尺度的精细化研究不仅提升了寒区生态需水核算的时空精度，也为应对气候变化下的水文极端化趋势提供了关键技术支持。
然而，现阶段寒区河沼系统生态需水核算仍面临以下挑战：一是缺乏长期高分辨率水文与生态监测数据，尤其是冰冻期河道地下水-地表水交换过程的定量数据不足；二是现有模型多针对单一河流设计，对沼泽湿地等复杂河沼系统的水文连通性刻画不足；三是全球变暖背景下，寒区冻融周期改变对生态需水的动态影响尚未充分纳入核算框架。
1.2.3寒区河沼系统生态需水调控保障技术
近年来，寒区河沼系统生态需水调控呈现出从理论探索向管理实践深度耦合的转变阶段，其核心在于通过精细化水量分配、动态化监测反馈和适应性工程干预，实现冰冻-融雪交替环境下生态需水时空匹配的精准化。现阶段，生态补水和水库生态调度在寒区河沼系统的退化遏制与功能恢复中发挥了关键作用。例如，在向海湿地，通过构建多水源联合调度模型，将生态补水量纳入水库调度目标函数，通过建立补水目标与起调水位的动态响应机制，实现湿地需水保障与水资源高效利用的平衡(公雪婷等，2020)。生态补水技术的难点在于补水量时空分配和补水路径设计两个方面，目前在研究层面基本形成了以生态需水为核心、多水源动态调度为支撑的决策框架，通过耦合湿地生态水文特征与区域水资源条件，建立“基准需水-实际调度”的双层计算模型。例如，在盘锦湿地，利用水资源供需平衡模型，综合考量水利工程调控能力与生态水位阈值，提出包含补水量分级调节、多时段分步实施及地表-地下水联合调度的立体化补水方案（齐云飞，2015）。此外，依托MIKE 21、EFDC等水动力模型(Yin et al.，2022)，耦合关键物种生境需求，通过多情景对比揭示了补水过程与生态响应间的非线性关系，*终筛选出兼顾生态效益与成本控制的*优补水方案（Wang et al.，2022），为湿地生态服务功能精准调控提供技术支撑。
在实践层面，三江平原通过退耕还湿与生态补水结合，东方白鹳等珍稀物种栖息范围显著扩展，泥炭层有机碳储量提升，证实了补水对湿地基底稳定性的提升作用。扎龙湿地的生态补水主要通过跨流域调水与长效补水机制实现(Hu et al.，2021)，至2022年，引嫩工程累计补水达30亿m3，使核心区水面从300km2恢复至700km2，芦苇沼泽覆盖面积恢复至600km2。在查干湖湿地，通过水文-水动力-水质-生态响应综合模拟，提出整合洪水、农田退水的多水源补水方案，年补水规模达1.2亿m3，使核心区芦苇沼泽面积恢复至20世纪80年代水平(刘雪梅，2021)。此外，在荷兰莱茵河三角洲开展了动态盐度调控补水研究，针对海平面上升导致的盐水入侵，管理部门构建了智能水网系统，通过实时监测咸淡水界面位置，动态调节补水方向与流量，使濒危水生植物狸藻的分布面积显著恢复。然而，传统补水工程多依赖固定流量输水，难以适应寒区季节性水文突变特征。未来需将物联网监测与水力模型预测相结合，构建了“感知-决策-调控”闭环系统，开展分区补水和动态补水，进一步提升补水效率（张弛等，2021）。
现有成果多聚焦于干旱情景下的生态需水核算与补水技术，而对高水位胁迫下河沼系统的响应机制及调控策略尚处于探索阶段。目前关于湿地水位过高的生态影响研究，主要通过指示性物种（如涉禽、鱼类）的需水机理反推适宜水位阈值，但针对高水位主动调控的技术体系构建仍显薄弱。相关研究在莫莫格湿地提出了基于白鹤生境保护的全周期水位调控方案构建了“汛前预泄-栖息期稳控-丰水期分流”三级水位管理模式，在丰水期将白鹤湖洪水风险转移至周边卫星泡沼组成的缓冲蓄水系统，使核心区高水位持续时间缩短。该实践创新性地将水文连通性与洪水风险空间转移结合，为寒区湿地水位动态调控提供了可借鉴路径。
1.3主要研究内容
本书系统开展我国寒区河沼系统演变规律及演变归因分析，以东北地区扎龙湿地、三江平原等典型河沼系统为研究区，针对当前大规模水利工程建设和农垦开发背景下，河沼系统时间尺度上洪泛过程减弱、空间尺度上景观格局变化等问题，揭示水利工程调控对河沼系统洪泛过程的影响机制，建立用于河沼系统洪泛过程及生态效应模拟的生态水文模型，分析农垦开发导致河沼系统景观空间格局变化的规律和机理，建立面向寒区河沼系统时空格局修复的生态需水核算方法，支撑我国寒区河沼系统生态修复。主要研究内容分为以下五个方面。
（1）寒区河沼系统演变规律及演变成因分析
基于1980～2015年的遥感影像资料解译，分析我国寒区河沼系统的分布特征，按照水分补给排泄关
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