太湖地区湖库水源地流域湿地景观格局多样性的水环境过程与功能响应机制

The safety of drinking water and the protection of water source areas are essential for the people's livelihood. Study on the coupling pattern and process is the common focus of integrated physical geography and landscape ecology. The project was designed not only to comprehend the effect mechanism of wetland landscape pattern on water environmental processes in watershed scale, but also to meet current needs for protection of drinking water source areas by wetlands allocation. Located in the Taihu Lake area, Tianmu Lake watershed was selected as study area. Integrated many methods including field investigation and monitoring, remote sensing, geographical information system, multivariate statistics, model simulation, scenario analysis et al., based on the identification and analysis on widely distributed pond, river and ditch wetland landscape unit and wetland landscape pattern, firstly to model the processes of hydrology and water quality and to analyze the mechanism of wetland function effect on water environment in wetland unit level, then to extend and assemble these analysis and modelling from wetland unit to wetland landscape pattern level, furthermore, integrated wetland landscape patter level model into watershed scale model for hydrology and water quality process simulation, to study the response mechanism of wetland landscape pattern diversity on water environmental process and function. Comparing the results of water environmental effects by simulation for different wetland landscape pattern change scenario, to provide scientific basis and examples for water environment quality regulation and control using wetland landscape pattern allocation in drinking water source watershed.

饮用水安全关系国计民生，水源地保护问题迫切。格局与过程耦合研究是综合自然地理学与景观生态学共同关注的焦点。本研究针对湿地景观格局对流域水环境过程影响机制的理论前沿，与利用湿地保护水源地水环境安全的现实需求，选择太湖地区典型湖库型饮用水源地天目湖流域为研究区，综合利用野外监测、遥感、GIS、多元统计、模型模拟、情景分析等手段，在对流域内广泛分布的水塘、河道、沟渠等湿地单元，以及湿地单元组合形成的多样湿地景观格局的特征参数及上下游水力关系进行识别分析的基础上，先在单元水平上对各类湿地的水文水质过程及功能机理进行建模分析，再扩展整合到湿地景观格局水平的水环境系统过程模拟，并进一步将其与流域尺度的水环境模型进行耦合，研究湿地景观格局多样性的水环境过程与功能响应机制；模拟比较分析研究区湿地景观格局变化的历史、未来规划及假设情景下的水环境效应，为利用湿地格局配置调控水源地水环境安全提供科学依据。

随着湖、库、河等地表水体越来越多的成为饮用水源地，加强流域水环境综合保护的现实问题越来越迫切。格局与过程耦合研究是综合自然地理学与景观生态学共同关注的理论研究焦点。本研究选择太湖地区典型湖库饮用水源地流域，利用野外调查、遥感及模型模拟等手段，分析流域湿地单元及其景观格局特征，构建流域水文水质模型，研究流域水环境过程与功能机理，评估各种景观格局变化情景的水环境效应，为流域水环境保护管理提供决策支持。. 项目研究完成了研究区湿地景观格局与水环境时空变异的调查与分析，选择7个土地利用结构和13个景观格局指数，在近岸、缓冲区、子流域等不同空间尺度上探讨了土地利用景观异质性对中田河流域水体总氮浓度的影响。项目在年、月、日不同时间尺度上构建了AnnAGNPS模型与HSPF模型，并基于实测数据分析了模型的适用性。针对HSPF模型，应用差异敏感度分析算法研究了17个径流参数、15个与硝态氮和氨态氮有关参数以及10个与正磷酸盐有关参数等共计42个参数对径流及营养盐输出的敏感性。敏感参数对模型输出结果影响的分析，有助于加深理解模型结构与功能以及流域水文水质输移过程与机理；也可用于模型构建中的参数选取与调整参考，以及模型的推广应用。项目构建了洼地还湿、河岸缓冲带还林情景方案，并基于模型模拟了局部土地利用变化情景下，流域径流及营养盐输出负荷在年际、月、及次降雨过程中的变化响应。利用马尔科夫模型预测未来全流域土地利用变化，并耦合未来气候变化，分别研究了土地利用与气候变化单独作用及共同作用情景下，流域径流与氮磷营养盐输出负荷的变化响应。将表征未来人类活动影响的洼地还湿、缓冲区还林及土地利用景观格局综合变化，以及表征未来自然变化的气候变化耦合起来，利用模型对未来各种变化情景下的流域水文与水质输移过程进行模拟预测分析，理论上有助于理解未来自然与人为活动变化的水环境效应，实践上有助于指导流域水环境保护管理措施的制定与综合实施。