基于系统平衡保障的河口生态需水过程模型研究

Quantitative assessment of the environmental flows in the aim of balancing the whole ecosystem has become the challenge of coordinating the conflicts of multi-structural indicators for environmental flow assessments in estuaries. The project takes the Yellow River Estuary as the typical study area, and regards ecological response of ecosystem balance to hydrological alterations as the critical issues to be addressed in the project. Considering the advantages of indicating the status of ecosystem balance, and characteristics of sensitive response to variations of hydrological and environmental factors, temporal and spatial variations of the net ecosystem production (NEP) is invested by field experiments and monitoring analysis. The Bayesian hierarchical model is built to analyze the spatial and temporal variability of the responses of NEP on the key hydrological factors in the estuary. After discovering the mechanisms of environmental flow assessments under system balancing objectives, simulation model of the environmental flows will be proposed for sustaining the ecosystem balance in the estuarine ecosystem. The model combines the response model of NEP on the critical hydrological indicators variations with a convection-diffusion model under the action of river flows. At last, seasonal and hierarchical variability of the environmental flows can be defined in the Yellow River Estuary, which can provide direct support of scientific theory and techniques for the further development of ecological water supply mode and project scheduling techniques under anthropogenic influences.

如何从保障系统整体平衡的角度定量分析生态需水过程，进而有效缓解以多样化生态系统结构性指标为保护目标的生态需水冲突和协调难题，已成为目前河口生态需水研究取得突破的关键。本项目以黄河口为典型研究区，围绕河口生态系统平衡对径流变化响应关系这一关键科学问题，针对生态系统净生产力对表征系统平衡状态的优势及其对水文和环境要素变化响应敏感的特性，通过野外实验监测分析和贝叶斯层级模型模拟相结合，探讨水位、盐度及浊度等关键水文要素变化对河口净生产力空间和时间差异性的影响，揭示系统平衡目标下的生态需水机理。构建净生产力对关键水文参数变化的响应关系模型，进而通过与河口径流变化影响下水文要素时空分布模拟模型的耦合，提出基于系统平衡保障的河口生态需水过程模型。最终通过定量分析黄河口生态需水过程的季节差异和等级特性，为进一步发展高强度人类活动影响下的生态需水保障模式和工程调度技术提供直接科学理论和技术支持。

本项目针对河口生态需水定量分析及配置研究中面临的多要素、多尺度生态系统保护生态需水间的冲突和协调难题，强调从维持系统整体平衡的角度定量分析生态需水过程。研究工作围绕河口生态系统平衡对径流变化扰动响应关系这一关键科学问题，以黄河口为典型研究区，分别从河口水体新陈代谢过程对短时间尺度高强度水文脉冲的响应机制，以及长时间尺度上河口生态系统对径流过程变异的缓冲适应机制两方面，开展了系统平衡目标下的生态需水机理阐释和模型构建工作。探讨了河口生态系统新陈代谢过程对短时高强度水文及环境要素变化的响应关系，明确了短时水文脉冲影响下的河口生态系统新陈代谢时空分布特征及其驱动机制，阐释了短时间高强度水文脉冲对河口生态系统新陈代谢过程变化及其弹性恢复的影响机理，构建了水体新陈代谢对水文脉冲的响应模型，研究结果发现，黄河河口生态系统新陈代谢过程对水文脉冲响应敏感，水文脉冲影响下的水体浊度与温度协同效应影响着水体新陈代谢的变化及其弹性恢复力，黄河河口水体高浊度的特点，使得夏季高强度水文脉冲影响下河口净生产力可更快恢复到较高的水平，黄河河口三角洲湿地生态补水水位速率低于20 cm/d更有利于湿地生态系统平衡状态的恢复。阐释了径流过程变化影响下的河口典型生物适宜生境格局调整及其生物个体迁移适应机制，耦合陆海交互作用下河口水文要素时空分布模拟模型，构建了基于系统平衡保障的多目标整合河口生态需水过程模型，其中，提出了河口生境格局适宜度指数，量化了水文脉冲影响下的河口潜在适宜生境格局变化规律，构建了适宜生境格局变化下的生物个体迁移模型，明确了考虑河口生物对适宜生境格局调整适应性的河口生态需水关键控制期、关键控制流量及其变化率。项目研究成果为科学认识河口生态系统对水文过程变化的多时空尺度响应和适应性机制奠定了重要理论支撑，为保障系统整体平衡目标下的河口生态需水过程提供了新的定量分析方法，研究成果具有重要的理论和实践意义。