鄱阳湖洪泛系统地表-地下水文水动力过程与模拟

第1章绪论 1.1河湖洪泛区及背景 1.1.1洪泛区背景与定义 洪泛区不像一般湿地那样被大多数人认为是重要的野生动物栖息地和生态系统服务提供者，人们经常忽视洪泛区，只有在面临洪水等灾害的时候才会体会到洪泛区的存在价值。洪泛区连接了土地与水，有着丰富的生物多样性，在保护水质、维持栖息地、固碳以及提供户外娱乐等多个方面都发挥着重要的作用，同时还有着格外肥沃的土壤(FEMA，2005）。全球的洪泛区，地形基本以平原为主，便于农业生产和各种建设。科学家通过对全球169个国家发生的913次洪水灾害进行比较研究，并将其与全球人口分布数据对比发现，从2000年至2015年，世界各地的洪泛区上，人口数量显著增加。世界大江大河的中下游一般都分布着洪泛区。中国、日本洪泛区面积约占全国土地面积的10%;匈牙利洪泛区占国土面积的25%，有80%的村镇、城市，50%的铁路、公路都在洪泛区内；美国洪泛区面积约占全国面积的7%;荷兰全国地势低平，约有25%的洪泛区低于海平面，经常遭受潮水、暴雨、洪水和渍涝的严重威胁。在20世纪，全球自然系统已经开始被另一种普遍的、不断增强的全球影响所改变，即人类发展，其对地球上河流的需求和操纵能力呈现不断增加趋势。如图1-1所示，洪泛区右岸遭到人类活动影响后，明显加大左岸的洪灾隐患与风险。洪泛区长期以来一直是人口的重要生产区域，而且它们目前容纳了数亿人，这意味着在水文气候、流域变化、洪水灾害面前，深入了解和预测洪泛区的变化非常重要（FEMA，2005）。 实际上，洪泛区的划分要因地制宜，目前还没有统一的划分标准，一般根据地形、洪水频率、淹没水深、流速以及可能造成的危害程度进行划分。洪泛区划分与管理要统筹安排，使每个区域限于一定用途，一般将低洼易涝的地方划为行洪、蓄洪、滞洪区；把地势较高，一般不易受洪水淹没或修筑有较高标准堤防保护的地方划为允许开发区(韩洪斌和徐龙军，2011）。1958年，有学者提出把洪泛区划分为行洪区和行洪边缘区，前者一般指天然河道及其两侧的部分地区；后者一般用来表示设计洪水时，行洪区以外受洪水淹没的地区。在河流等地表水体的水气条件影响下，洪泛区在大多数年份里被洪水所淹没。并非所有大江、大河、大湖均会产生洪泛区，即使在发生洪水的地方，如果河谷太窄或太陡，缺乏足够的泥沙来源，很难形成洪泛漫滩。 本书所指的洪泛区与上文的行洪区定义较为类似。洪泛区，又称洪泛平原，是由河流或者湖泊等地表水体在洪水周期性影响作用下而形成的与之毗邻的地带，这些地带同时也是生物多样性相对丰富的地域空间，往往成为重要的湿地系统（图1-2）。进一步来说，这里所指的洪泛区主要为河湖水情变化下形成的周边自然滩地或湿地（floodplam wetland），通常可称之为河流洪泛区（river-floodplain）或湖泊洪泛区（lake-floodplain）等，通常位于江河湖流域的中下游地区。在全球，洪泛区约占全球湿地面积的15%(翟金良等，2003），是水陆自然景观重要组成部分和水陆相互作用交错带，对河湖与陆地之间水文水力和生态联系起着过渡和纽带作用（Bayley，1995;Burt et al.，1999）。洪泛区在丰水期除直接拦蓄降水外，还可承纳滞留溢出河道或者湖泊的洪水，而在洪峰过后的枯水期则补给河湖的生态用水，缩短河湖干枯时间，实现对河湖径流量的调节（Junketal.，1989）。因此，洪泛区作为一种因洪水干扰而动态变化的特殊下垫面，是大气降水、地表水和地下水之间转化的重要界面系统，也是地下水与地表水之间典型的水文过渡带(Brunner et al.，2009;Wilcox et al.，2011）。 1.1.2洪泛区全球分布与特征 大型洪泛区的形成需要水和泥沙的大量输入和供应，需要流域提供的大量物质输入并为沉积物储存提供必要的容纳空间。再则，大量泥沙的积累和储存变化的时间也是洪泛区形成的重要因素。然而，这些控制条件取决于全球构造以及全球气候系统的属性及功能作用，后者影响河流的水文和沉积物供应等诸多方面（Dunne，2022）。如图1-3所示，在洪泛区内部，经常会存在一些堤顼建设、河道漫溢以及水流减缓等现象，通常伴随着明显的沉积状况发生。这些洪泛区因水情动态影响，加上通常分布范围较广，自然景观和生态环境意义极为突出（U et al.，2020a）。不同于一些小河或者溪流所形成的河岸带(湖岸带），大型河湖洪泛区的规模和复杂性通常主要来源于水文气象条件和构造环境。洪泛区地貌是河道-洪泛区侵蚀和沉积之间强烈相互作用的结果。在局部尺度上，河谷坡度，沉积物供应、质地和流态，植被，对洪泛区的稳定起了很大作用（Dunne，2022）。此外，有些洪泛区处于入海口附近，河流水情的变化除了受降雨等气象条件作用外，通常也会受潮汐影响，进而在洪泛区内形成了大量的洪泛型湖泊（floodplam lake），例如加拿大Athabasca河流洪泛区、墨西哥Usumacinta河流洪泛区和欧洲Bug河流洪泛区内部分布着多达几十至上百个洪泛型湖泊（Castillo，2020;Ferenczetal.，2020;Klemtetal.，2020）。 通过大量文献调研总结发现，在全球范围内，河流与湖泊季节性洪水脉冲影响下的洪泛区面积约占80～220万km2(Entwistleetal.，2019）。洪泛区的规模可以达到长度约为4000km和宽度为10～100km，比如世界著名的尼罗河和亚马孙河洪泛区。基于WebofScience文献检索，使用“floodplain”关键词进行搜索，对几百条重要文献记录进行整理，可知全球典型的洪泛区主要分布在中国、美国、巴西、澳大利亚等国以及东南亚和欧洲一些国家（图1-4），且洪泛区的研究工作和文献也大多集中在这些国家（图1-5）。从洪泛区面积和水文情势变化的角度上来说，亚马孙河（受潮汐影响）、湄公河的水位变幅可达10m以上，其洪泛区面积相应能够达到几万平方千米。我国的鄱阳湖和洞庭湖洪泛区，也是长江中下游重要的湖泊湿地，在高变幅水位波动影响下，洪泛区面积达到几千平方千米。欧洲多瑙河和莱茵河等洪泛区，受河流水位季节性变化作用（水位变幅高达5m多），洪泛区面积约为几百平方千米。而其他的一些典型洪泛区，因河湖水位波动幅度约为几米或河道流量整体变化不是非常显著，其形成的洪泛区面积约为几十平方千米。在欧洲一些国家和地区，因一些工程措施的实施，比如河流裁弯取直、植物的清除等，已经破坏了很多天然的洪泛区（王浩等，2009）。 1.1.3水文水资源与生态环境意义 洪水脉冲理论阐明了周期性洪水是洪泛湿地系统进程*主要的驱动力（Junk et al.，1989;Junk，1997），同时强调了河湖等地表水体与其洪泛湿地地下水之间水力联系的重要性。洪泛湿地具有结构整体性、时空异质性、系统开放性、作用复杂性和生态脆弱性等多重特点（翟金良等，2006），使得诸多水文和生态动力学过程涉及影响因素众多，问题复杂多变。在河湖季节性水文情势或洪水过程影响下，水文过程的相互转化对洪泛区界面水分传输起着关键调节或改变作用，且直接参与了洪泛区或湿地的一系列物理、化学和生物过程（Wood et al.，2008），由此造就了洪泛区土壤干湿交替的生境状况，很大程度上促进了洪泛区新陈代谢及生物地球化学循环进程，也影响了动植物的群落组成和结构特征，对维系洪泛区系统的物质流、能量流起决定作用（Lallias-Tacon et al.，2017）。因此，水文水资源变化带动了洪泛区环境系统之间物质、能量和信息的传递与交换，在洪水作用下驱动了洪泛过程演变、物质元素循环和生物生长等生态功能的实现。 洪泛区不同于其他一些下垫面类型，其通常受到外部环境的频繁干扰，洪泛区内部的生态环境要素除了需要长期面临这种自然干扰外，同时也可能依靠干扰来完成自身的生命循环（van der Most and Hudson，2018）。例如，在季节性河湖水情干扰下，洪泛区的水文水动力过程相比于陆地系统而言，会具有更加快速或更为敏感的响应变化，整个洪泛区系统的水循环组分均会存在高度的动态变化。洪水既是水资源的一种形式，也是水资源的一种运动方式。对人类社会来说洪水不受欢迎，但是对生态系统来说，洪水又是不可缺少的过程。可以说，洪水是维持生态系统，特别是水生态系统的重要动力过程。洪泛过程使得多余洪水被洪泛区储存和利用，且转化为湿地水资源以充分保障湿地健康，而在枯水时期则补给周边河湖水体，使水资源在时空上的分配得到了显著优化。同时，洪泛过程通常带来富含营养物质的泥沙，定期泛滥覆盖在洪泛区下垫面上，补充土壤养分，并通过食物链参与物质和能量流动，充分保证了洪泛区生态环境系统的补给和能量输入（图1-6）。近些年，全球对河湖湿地生态系统愈发重视，重点开展了恢复和保持河流以及洪泛区生态功能的一系列工作（王浩等，2009）。 1.1.4热点问题与研究主题 无论是河流还是湖泊水情变化所形成的洪泛区，因水位变化导致的洪泛区生消过程，无疑将会促进水文与水质、水生态、生境状况之间的联动和耦联关系。河湖及其洪泛区系统，往往具有相对完整的景观系统和生态系统，几乎涵盖了水文学、生态学和环境学等诸多学科领域的热点问题，在不同生态系统中彰显特色。本节利用Web of Science的核心合集，以“river floodplain”或“lakefloodplain”或“floodplain wetland”构建检索式，共检索到17567条记录。对检索结果进行相关性排序，并以前3000条记录作为数据源，选取频次大于等于15的主题词，通过聚类可视化分析获取目前针对洪泛区的主要研究方向和内容（图1-7）由图1-7可以看出，国内外针对河湖等洪泛区己经开展了大量的研究工作，且主要集中于浮游动物和植物物种及其多样性（丰富度）河湖生态环境保护与修复，沉积物与碳、氮循环以及水文循环与模拟等几方面。具体来说，洪泛区热点研究包括水文过程、水质变化、湿地植被演替、群落结构、生物多样性、候鸟栖息地以及碳氮元素分析等。因洪泛区生态环境要素自身的复杂性以及对外部的敏感响应，物种及其多样性通常也会面临多重干扰和威胁，开展洪泛区及其湿地的生态修复与保护是目前研究的一个重点方向。水文水动力过程是洪泛区生态变化和生物地球化学研究的基础与核心，但因洪泛区通常难以到达目标区域、原位观测难度大以及河湖水系连接复杂等现状，深入揭示河湖洪泛区水文水动力过程及其响应仍是洪泛区的研究重点，也是洪泛区跨学科研究的重要纽带。