摘要
湿地水文连通关系着由水流介导的物质、能量和生物体在不同水体之间的交换效率，影响湿地多种生态服务功能的发挥。白洋淀湿地的生态补水是一种提升水文连通性的有效策略，入淀水源包括引黄济淀工程、南水北调中线工程、王快水库、西大洋水库、安各庄水库等。一方面，生态补水可以加速水体污染组分的稀释、降解过程;另一方面，生态补水会改变湿地水动力条件，容易引起底泥沉积物频繁发生再悬浮，导致沉积物中氮磷等营养物质重新释放到上覆水中，从而增加了湿地水质风险。因此，面对生态环境日益受损的白洋淀湿地，明晰生态补水后水环境因子的响应与水质风险效应，不仅是湿地生态修复亟待解决的问题，也是构建蓝绿交织、水城共融、人与自然和谐相处的雄安新区的必然要求。 本文基于1990-2020年的遥感影像解译结果，利用水文连通性指数和形态学空间格局分析方法，辨识了白洋淀湿地近三十年水文连通性时空变化特征，初步揭示了湿地水文连通格局变化规律，并识别了维持和恢复湿地水文连通格局的关键位点。随后，利用MIKE 21模型构建白洋淀湿地二维水动力-水质模型，刻画湿地水位、流速场的时空变化特征，模拟了污染组分在水环境中的迁移、降解过程与浓度梯度的空间分布。接着，分别筛选并构建了适宜描述五个水质因子的边缘分布函数，利用R-Vine Copula函数构造了白洋淀湿地多水质因子联合分布模型，分析水质因子之间的相关关系和联合分布特征。最后，通过设置多种补水情景，计算多水质因子联合分布的概率密度值、整体连通性指数和可能连通性指数，定量分析了补水后的水质风险和水文连通性改善效果。主要研究结论如下: (1)水文连通性指数和形态学空间格局分析方法的联合使用是阐明湿地水文连通性演变规律和识别恢复水文连通性关键节点的有效途径。整体连通性指数、可能连通性指数的评估结果表明，1990-2020年白洋淀湿地整体水文连通性较差。基于分离度指数和景观形状指数的评估结果表明，湿地呈现破碎化趋势。2005年是湿地水文连通性变化的关键时间节点。基于形态学空间格局分析，核心区湿地在时空尺度上起到维持湿地水文连通性的主导作用。重要性指数和形态学空间格局分析方法在筛选湿地水文连通性恢复的关键节点上发挥互补作用。 (2)基于MIKE 21模型构建的白洋淀湿地二维水动力模型具有较高的模拟精度，皮尔逊相关系数为0.8113,百分比偏差在1％范围内。水质模型模拟获得的水质组分浓度值与实测值吻合较好，模型精度满足需求，能够有效刻画白洋淀湿地水动力和水质过程的时空变化特征。模拟结果表明，在空间尺度，白洋淀湿地整体水质状况较差，淀区北部水质状况最好，其次是中部和南部。在时间尺度，白洋淀湿地水质在春季最好，夏季较差。 (3)通过单变量的拟合优度评价与检验，分别选用Weibull分布、Weibull分布、正态分布、对数正态分布和正态分布函数拟合总氮、总磷、溶解氧、透明度和水温的边缘分布特征。利用赤池信息准则对比，优选出R-Vine相较于C-Vine更适合构建白洋淀湿地多水质因子联合分布模型。依据最大生成树算法得到了最优R-Vine Copula函数的结构，确定成对水质因子之间的Pair-Copula函数类型及其参数估计值。结果表明，总氮和总磷浓度的概率密度值均控制在0.4左右，可使水质风险控制工程的实施更加有效。 (4)利用多水质因子联合分布模型，阐明多种补水情景下水质因子联合分布的变化规律，分析白洋淀湿地发生水质风险的可能性，计算不同情景下湿地的整体连通性指数和可能连通性指数。结果表明:引黄济淀工程不同补水水量对湿地水质的提升效果具有一定差异，补水水量为3亿m3时对湿地水质的改善效果最佳，水质风险较低，且能够满足湿地水文连通性提升的目标，相较于补水水量为2亿m3时整体连通性指数提高了 35.93％,可能连通性指数提高了 45.26％。当外部补水水源为引黄济淀工程、南水北调中线工程和上游水库中任意两种或三种组合时，引黄济淀工程与上游水库联合补水情景下，多水质因子联合分布的概率密度值较低，水质风险较低，且具有显著的水文连通性提升效果，相较于引黄济淀工程补水水量为2亿m3时，整体连通性指数提升了 40.72％,可能连通性指数提升了53.04％。根据水质因子的敏感性分析结果，建议重点关注总氮和水温两个指标以用于白洋淀湿地水质风险管理。 本文旨在研究由补水带来水文连通性变化背景下的湿地水质风险。通过构建可有效反映水质因子之间相关关系和水质风险的多水质因子联合分布模型，定量分析了不同补水水量和补水水源组合情景的水文连通性的变化特征以及对湿地水质风险的影响，可为湿地水质提升与改善提供技术支持，对连通伴生水污染风险预警与管控工作具有重要的科学和工程意义。
NETL