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太湖流域水文连通性: 现状、研究进展与未来挑战

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湖泊科学 2022年第4期34卷 1055-1074页

作者：杨素万荣荣李冰中国科学院南京地理与湖泊研究所中国科学院流域地理重点实验室南京210008 中国科学院大学资源与环境学院北京100049 中国科学院大学南京学院南京211135

水文连通性作为连接河湖水体间物质、能量及信息传递与交换的关键纽带,对水环境、水生态和生境状况具有联动与触发反馈作用,已成为水文学、水利学和生态学等诸多领域的研究热点.太湖流域作为全国典型的流域性密集平原河网区,在快速城镇... 详细信息

水文连通性作为连接河湖水体间物质、能量及信息传递与交换的关键纽带,对水环境、水生态和生境状况具有联动与触发反馈作用,已成为水文学、水利学和生态学等诸多领域的研究热点.太湖流域作为全国典型的流域性密集平原河网区,在快速城镇化背景下,河湖水文连通关系变化剧烈并引起了一系列生态环境效应.本文以水文连通性概念与内涵为背景,对太湖流域水文连通性研究进行了综述.太湖流域水文连通性评价方法以图论法、景观格局指数及水文连通性函数等方法联合使用为主,且聚焦于区域尺度研究;演变过程按人类活动影响强度大致划分为自然水系形成阶段、古代人类活动影响阶段和现代人类活动影响阶段;气候变化和人类活动共同影响着太湖流域水文连通性变化,近百年来水利工程建设和城市化进程等人类活动的影响尤为剧烈;良好的水文连通性有利于汛期减轻流域洪涝灾害及非汛期保障水资源供给,但水文连通性的提高对水环境和水生态的效应由于涉及因素众多尚存在争议.针对当前研究现状和存在问题,提出(1)平原河网区水文连通性的定量表征与评估是水文连通性研究的前提;(2)定量解析流域水文连通性的驱动机制是水文连通性研究的重点;(3)深入跟踪大型引水调水工程对流域水文连通影响及其效应是一项长期任务;(4)兼顾环境生态效应的水利工程生态化改造研究,开展工程控制背景下的流域水文连通多目标优化调控,是实现太湖流域洪水调蓄、水资源供给、水环境净化、生物多样性维持等生态系统服务协同提升的重要途径.

关键词：水文连通性河湖水系太湖流域演变过程驱动因素生态环境效应

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水文连通性对湖泊生态环境影响的研究进展

长江流域资源与环境 2019年第7期28卷 1702-1715页

作者：刘丹王烜李春晖蔡宴朋刘强北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室北京100875 北京师范大学环境学院水沙科学教育部重点实验室北京100875 北京市流域环境生态修复与综合调控工程技术研究中心北京100875

水文连通性对湖泊水资源调节、水质净化和生态安全等具有重要作用,但同时也可能带来潜在风险。因而厘清水文连通性对其生态环境的影响规律,对于开展水文连通性修复工作具有重要指导意义。基于广泛的文献调研,介绍了水文连通性的定义与内... 详细信息

水文连通性对湖泊水资源调节、水质净化和生态安全等具有重要作用,但同时也可能带来潜在风险。因而厘清水文连通性对其生态环境的影响规律,对于开展水文连通性修复工作具有重要指导意义。基于广泛的文献调研,介绍了水文连通性的定义与内涵,分别综述了水文连通性对湖泊水文水动力、水质、水生态系统影响的研究进展。在此基础上,总结归纳了水文连通性通过改变水文水动力过程影响生态系统的路径:一是直接改变生境面积、植被格局和生物迁移繁殖特征,二是通过改变水质和沉积物特征而作用于生物的生长发育及其体内污染物累积转化过程。最后,对水文连通性变化的生态环境效应研究进行了展望:(1)加强对垂向连通性的研究以及拓展不同维度连通性耦合转化研究;(2)借助水动力-水质-水生态耦合模型研究水文连通性变化下的生态环境效应;(3)开展水文连通性的生态环境风险研究,并基于生态环境效益和社会经济效益权衡确定适宜的水文连通性。

关键词：湖泊水文连通性水文水动力水质水生态系统

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滦河流域水文连通性

北京林业大学学报 2023年第11期45卷 119-127页

作者：王阳阳张杰铭余新晓贾国栋丁兵兵李泽东北京林业大学水土保持国家林业和草原局重点实验室北京100083 北京林业大学水土保持学院首都圈森林生态系统教育部野外科学观测研究站北京100083 南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室江苏南京210029

【目的】量化我国海河山区水沙连通的可能性大小,从景观格局角度反映海河主要产水区径流和泥沙输移的状态和空间分布,为海河流域水沙再分配提供依据。【方法】利用通用土壤流失方程的植被因子、归一化植被指数两种方式得到权重因子计算... 详细信息

【目的】量化我国海河山区水沙连通的可能性大小,从景观格局角度反映海河主要产水区径流和泥沙输移的状态和空间分布,为海河流域水沙再分配提供依据。【方法】利用通用土壤流失方程的植被因子、归一化植被指数两种方式得到权重因子计算连通性指数(分别记为IC_(1)、IC_(2)),进一步得到海河山区滦河流域的水文连通性,探讨流域土地利用等因子对水文连通性的影响,及其空间尺度效应。【结果】(1)2019年滦县水文站控制流域IC_(1)和IC_(2)的平均值分别为-1.38和-2.28,水文连通性指数都与流域的年输沙模数和径流深度有良好的正相关关系;(2)不同的土地利用类型水文连通性具有差异,各土地利用类型水文连通性大小顺序依次为水体水文连通性具有显著的尺度效应。流域IC_(1)平均值及其中位数、IC_(2)平均值及其中位数均与流域面积呈对数函数关系。【结论】连通性指数对滦河流域内输沙产流能力表征良好。流域上游整体水文连通性最低,中部连通性高于上游,下游连通性最高。流域内部连通性表现出沟谷大,坡面小,靠近河道大,远离河道小的情况。湿地、灌木林地、草地这3种植被覆盖下的区域超过80%的水文连通性值小于0,具有良好的拦截水沙、保持水土的能力。随着流域面积的增加,流域水文连通性先快速降低,后逐渐趋于平缓,在流域面积超过10000 km2后,连通性趋于一定值。

关键词：水文连通性滦河土地利用尺度效应 IC指数

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鄱阳湖流域水文连通性的影响因素和环境效应

长江流域资源与环境 2022年第12期31卷 2718-2728页

作者：曾冰茹李云良谭志强中国科学院南京地理与湖泊研究所江苏南京210008 中国科学院大学北京100049

在气候变化和人类活动的双重影响下,流域下垫面情况发生了显著变化,这些变化很大程度上改变了流域的水文连通性,进而导致一些生态环境问题的发生。以鄱阳湖流域为研究区,采用自动地球科学分析系统(SAGA),引入考虑景观单元地形和土地覆... 详细信息

在气候变化和人类活动的双重影响下,流域下垫面情况发生了显著变化,这些变化很大程度上改变了流域的水文连通性,进而导致一些生态环境问题的发生。以鄱阳湖流域为研究区,采用自动地球科学分析系统(SAGA),引入考虑景观单元地形和土地覆盖等多因素的地形湿度指数和网络指数方法,分析了鄱阳湖流域水文连通性的空间格局,揭示了坡度变化、土地利用方式和土壤类型等对水文连通性的影响与贡献,并以此探讨水文连通与水土流失、洪涝等方面的关联性。研究发现,鄱阳湖流域的水文连通性呈北高南低的分布特征。总体上,鄱阳湖流域可分为近湖区的强水文连通区、河流水系周边的中等水文连通区和上游山区的弱水文连通区。进一步空间分析得出,坡度低缓的低洼区通常NI值较高,而起伏变化大的地区NI值较低,表明了地形因子对水文连通性具有重要影响。就鄱阳湖流域不同土地利用方式和土壤类型而言,灌木林和森林的水文连通性最弱,湿地、水体和耕地的较好,黄壤和黄棕壤的水文连通性最差,冲积土、水域和水稻土的较好。这是因为在地形的主导作用下,流域下垫面的土壤入渗能力、蓄水和产流特点等共同影响了水文连通性的空间差异性。研究虽然侧重于从宏观角度上识别鄱阳湖流域的水文连通及其影响因素,但最终可为流域土壤保护、土地利用规划和自然灾害应对等方面提供决策依据。

关键词：水文连通性湿度指数网络指数土地利用土壤类型鄱阳湖流域

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极端气候事件对洞庭湖水文连通性变化的影响

南水北调与水利科技（中英文） 2024年第1期22卷 67-79页

作者：郑芳李芳然甘义群邵东岳张茵曹美晨段天宇河北省水利科学研究院石家庄050057 河北水科工程技术服务有限公司石家庄050057 中国地质大学(武汉)环境学院武汉430078 河北省水利规划设计研究院有限公司石家庄050051

为揭示洞庭湖近十几年水文连通性的变化特征并对其未来变化进行预测,研究极端气候事件在洞庭湖水文连通性变化中作出的贡献,使用水文连通性指数法、ETCCDI极端气候指数、Hurst指数以及数理统计分析方法进行研究。研究结果表明:洞庭湖水... 详细信息

为揭示洞庭湖近十几年水文连通性的变化特征并对其未来变化进行预测,研究极端气候事件在洞庭湖水文连通性变化中作出的贡献,使用水文连通性指数法、ETCCDI极端气候指数、Hurst指数以及数理统计分析方法进行研究。研究结果表明:洞庭湖水文连通性整体呈现夏季>秋季>春季>冬季的特征,夏季、秋季、春季和冬季的整体连通性指数均值分别为0.95、0.88、0.81和0.63,且洞庭湖的水文连通性在近30年比较稳定;经持续性预测发现洞庭湖水文连通性Hurst指数均大于0.5,表示其在没有人类活动干扰的情况下会在未来呈延续下降的趋势;洞庭湖水文连通性指数随着水位增加逐渐增加且增速逐渐放缓,水位增加对其具有正向影响的边际递减效应;极端降水事件对洞庭湖水文连通性具有较为明显的正向影响,而极端气温事件对洞庭湖水文连通性影响作用较小。研究结果有助于充分认识洞庭湖水资源演变规律,对保障洞庭湖流域水资源安全具有重要的理论和现实意义。

关键词：洞庭湖水文连通性极端气候事件持续性预估

干旱区灌丛形态对水文连通性的响应及生态效应

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山地学报 2023年第3期41卷 375-385页

作者：苏常红刘宇宋子豪寻雅雯天津师范大学地理与环境科学学院中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室

干旱区生态系统的水文连通性影响植被斑块形态的空间分异。植被形态对水文连通性的适应是一个复杂且长期的过程。研究植被与水文连通性，过去多基于群落以上尺度，不涉及微观尺度。从植株个体角度探讨植被斑块形态与水文连通性关系，有... 详细信息

干旱区生态系统的水文连通性影响植被斑块形态的空间分异。植被形态对水文连通性的适应是一个复杂且长期的过程。研究植被与水文连通性，过去多基于群落以上尺度，不涉及微观尺度。从植株个体角度探讨植被斑块形态与水文连通性关系，有助于挖掘微观尺度上景观格局对生态过程的驱动机制。本研究以黄土高原丘陵沟壑区多年生灌丛作为研究对象，以高分辨率无人机航拍照片解译和野外定点观测为研究手段，量化植被斑块形态与水文连通性之间定量关系，分析二者对泥沙截留与土壤固碳等关键生态过程的影响。结果表明：(1)坡面灌丛斑块总体呈现横向生长趋势，灌丛斑块纵横比小于1;灌丛斑块纵横比从坡顶到坡底逐渐增大，分别为0.64、0.70、0.79、0.83;(2)灌丛方向与水流方向夹角从坡顶到坡底先减小再增大；坡面中部的坡度最大，灌丛方向最接近与水流垂直的方向；(3)灌丛的汇流累积量从坡顶到坡底逐渐增大，表明其水文连通度逐渐增大；水文连通度与灌丛斑块纵横比呈正相关关系；当水文连通度足够大时，灌丛在横纵方向上的生长没有倾向，形状近似为圆形；(4)泥沙拦截量和固碳效率随坡位下降而下降，二次曲线拟合表明泥沙拦截量和固碳效率随水文连通度增加呈增加态势，表明水文连通度有促使植株自主优化株型、提升泥沙截留和固碳效率的功效。本研究有助于为黄土高原干旱区植被结构优化及生态建设提供案例分析与借鉴。

关键词：水文连通性灌丛泥沙截留土壤固碳黄土高原

基于水体盐度和水文结构的滨海湿地海陆水文连通性

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应用生态学报 2021年第5期32卷 1643-1652页

作者：徐嘉仪李玉凤邱春琦刘红玉周奕宋庆男吴涵南京师范大学地理科学学院虚拟地理环境教育部重点实验室南京210023 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心南京210023 江苏省地理环境演化国家重点实验室培育建设点南京210023 南京师范大学海洋科学与工程学院南京210023

以水体盐度作为核心指标,综合水文结构连通指标(沟渠水面率、进出水渠密度、海陆距离以及沟塘距离)构建海陆水文连通性指数。在多尺度空间分析的基础上,选择150 m×150 m网格作为评价单元,对研究区内海陆水文连通性进行空间定量分析和... 详细信息

以水体盐度作为核心指标,综合水文结构连通指标(沟渠水面率、进出水渠密度、海陆距离以及沟塘距离)构建海陆水文连通性指数。在多尺度空间分析的基础上,选择150 m×150 m网格作为评价单元,对研究区内海陆水文连通性进行空间定量分析和等级划分。结果表明:研究区海陆水文连通性由海向陆逐渐递减,但递减速率存在差异,这是由于研究区内水体盐度空间分异明显,对水文连通性变化速率造成一定影响。将海陆水文连通性划分为优、良、中、差4个等级,优与良所在区域主要分布在近海地区,土地利用类型以咸水养殖塘和农田为主;中与差所在区域主要分布在内陆地区,土地利用类型以淡水养殖塘和农田为主。滨海湿地的水文过程十分复杂,定量化滨海湿地海陆水文连通性能够为滨海湿地现状评估以及湿地修复提供参考资料。

关键词：水体盐度遥感反演水文连通性沟渠滨海湿地

水文连通性对西洞庭湖大型底栖动物群落的影响

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水文连通性对西洞庭湖大型底栖动物群落的影响

作者：董芮北京林业大学

学位级别：硕士

水文过程是湿地生态系统的关键驱动因素之一,洪泛平原湿地水生生物群落时空格局对水文连通性及其季节性变化具有敏感的响应,而水利工程与人为干扰对洪泛平原湿地生物多样性具有重要影响并威胁湿地生态系统的健康。三峡大坝运行以来,江... 详细信息

水文过程是湿地生态系统的关键驱动因素之一,洪泛平原湿地水生生物群落时空格局对水文连通性及其季节性变化具有敏感的响应,而水利工程与人为干扰对洪泛平原湿地生物多样性具有重要影响并威胁湿地生态系统的健康。三峡大坝运行以来,江湖关系改变,长江中下游水文情势发生了变化,通江湖泊淹水节律发生变化,洲滩出露天数增加,湿地生境间水文连通性降低,大型底栖动物对环境变化具有敏感的指示作用。因此,在三峡大坝运行、江湖关系改变背景下,水文连通性如何影响大型底栖动物时空格局,是长江中游湿地生物多样保护亟待解决的关键科学问题。本研究选取西洞庭为研究区域,依据水文连通性与人为干扰梯度设置了沅水河道、澧水河道、高连通性湖泊、中连通性湖泊、低连通性洲滩共5种生境,在涨水期(4月)、洪水期(7月)、退水期(10月)进行底栖动物采样与环境因子调查,分析水文连通性对大型底栖动物群落时空格局变化的影响。研究结果表明:1)河道生境的物种丰富度与多度在退水期最高,湖泊的物种丰富度与多度在涨水期与洪水期最高,低连通性洲滩物种丰富度与多度一直最低。高连通性湖泊的物种丰富度随着时间梯度下降。中连通性湖泊始终支持最高的物种多度。半翅目、蜉蝣目、蜻蜓目分别主要出现在涨水期的低连通洲滩,洪水期的高连通性湖泊与退水期的低连通性洲滩。2)河道、中连通性湖泊与洲滩的Shannon-wiener指数、Simpson指数与Margalef指数均在涨水期较高,洪水期最低,退水期最高。而高连通性湖泊的Shannon-wiener指数、Simpson指数与Margalef指数均在涨水期较高,在洪水期与退水期较低。低连通洲滩的α多样性在三个时期均最低。3)各生境的空间β多样性均在涨水期较低,洪水期最高,退水期较高。在涨水期,洲滩的β多样性均最低,且β多样性50%为嵌套组分,其他生境β多样性均较高,嵌套组分仅为3%左右,NMDS显示期群落与其他生境不相似。在洪水期各生境β多样性基本无差别,90%由周转组分组成,NMDS显示洲滩群落与其他生境均有相似处。退水期高连通性湖泊与洲滩的β多样性最低,22%左右为嵌套组分,其他生境β多样性均较高,嵌套组分仅为3%左右,NMDS显示洲滩与高连通性湖泊群落相似。从涨水期-洪水期-退水期,洲滩的时间β多样性最高,沅水河道次之,中连通性湖泊最低。研究表明,极端流量(洪水)增强了大型底栖动物物种扩散的潜力,降低各样点的物种丰富度与多度。洪水期(高水位)水面面积增大,空间变异性越高,β多样性越大,物种转换所占的比例越高,但高流速抑制河道的物种丰富度、多度与α多样性。洲滩的低水文连通度限制了物种的进入和水体补给。高连通湖泊退水期易干旱环境下,耐受性差的物种不易生存,物种丰富度与α多样性降低,嵌套组分增加。反映了在不利的环境中,由于生态位分化而导致物种消失的非随机过程。中连通性湖泊始终维持一定的水面积,能维持底栖动物完整生活史,支持最高的物种多度。本研究发现中度连通生境对于维持长江中游湿地底栖动物群落多样性最有利,但受限于一年期的野外调查,未能探讨不同水文连通性年际变化对该区域大型底栖动物群落的影响。

关键词：西洞庭湖水文连通性大型底栖动物 α多样性 β多样性

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甘蔗种植模式对流域水文连通性的影响

水土保持通报 2022年第6期42卷 106-113页

作者：明雪康振威黄智刚邓羽松广西大学农学院/广西农业环境与农产品安全重点实验室广西南宁530004 广西大学林学院广西南宁530004

[目的]研究甘蔗种植模式(新植、宿根)与植被覆盖度的空间分布对流域水文连通性的影响,为流域水文连通性研究及水土流失治理提供科学参考。[方法]以IC指数(index of connectivity)为水文连通性指标,基于ArcGIS以及无人机高分辨率影像数据... 详细信息

[目的]研究甘蔗种植模式(新植、宿根)与植被覆盖度的空间分布对流域水文连通性的影响,为流域水文连通性研究及水土流失治理提供科学参考。[方法]以IC指数(index of connectivity)为水文连通性指标,基于ArcGIS以及无人机高分辨率影像数据,分析那辣小流域水文连通性随甘蔗生长期变化的特征,并利用主成分分析法探究水文连通性的关键影响因素。[结果]①那辣小流域IC均值随甘蔗生长期变化在-2.07~-2.87,苗期IC均值显著大于(p水文连通性影响因素主要为种植模式、植被覆盖度和坡度,且新植面积所占比例对水文连通性影响大于宿根面积所占比例。④新植甘蔗面积比例在苗期、分蘖期和成熟期显著影响了植被覆盖度,且随着生长期推移,其影响逐渐降低。甘蔗种植模式会通过影响植被覆盖度进而影响水文连通性。[结论]那辣小流域水文连通性随甘蔗生长期有显著变化,且受到种植模式和植被覆盖度的显著影响,其中种植模式可以通过影响植被覆盖度进而影响水文连通性。

关键词：水文连通性种植模式植被覆盖度主成分分析