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湿地水力连通性研究提出分区方法，通过水文模型、特征值提取和聚类分析，揭示Zhalong湿地不同水文年分区规律及工程地形影响，干湿年分区数分别为7、11、12，该方法数据需求少适用于生态监测与管理。
作者：王伟泽、胡鹏、杨泽凡、杨秦、王建华、程丹东、朱继伟
中国西安工业大学干旱地区水工程生态与环境国家重点实验室，西安 710048
摘要
人类活动减少了许多湿地的水文连通性，削弱了水在促进物质、能量和生态信息扩散与交换中的中介作用，导致生态系统碎片化。本研究采用水动力建模、特征值提取和空间受限层次聚类方法，开发了一种基于水文连通性的湿地划分方法。研究了我国扎龙湿地不同水文年份下水文连通子区域的空间变化，以及水利工程和地形对水文连通性的影响。结果表明，可以通过该方法划分湿地中的水文连通子区域。在湿润年份，研究区域可划分为7个水文连通子区域；而在正常和干旱年份，子区域数量更多（分别为11个和12个）。这些子区域的形成是由于水库泄流、道路和沟渠的阻塞以及自然地形作用所致。由于水流模式、源汇动态和水生植被分布的差异，湿地中各水文连通子区域的地表水质参数存在差异。与野外采样和统计聚类方法相比，该方法所需数据量显著较少，因此在数据稀缺地区具有潜在应用价值。本研究为水文和生态监测及湿地管理提供了技术支持。
引言
湿地具有多种生态系统功能，包括水源保护、洪水调节、区域气候调节以及污染物滞留和降解（Engelhardt和Ritchie，2001；Wong等人，2017）。随着社会经济的快速发展，人类活动对湿地生态系统的影响日益增大（Kingsford等人，2016；Sievers等人，2018；Long等人，2020）。长期的水资源短缺问题因水资源的过度开发而加剧（Postel，2000；Baker等人，2007；Meng等人，2019；Yang等人，2021）。此外，水库和沟渠等水利工程的实施改变了湿地的水文状况（Pal和Singha，2023；Wu等人，2024）。由于水利工程和地形变化，湿地的水动力过程从均匀状态转变为非均匀状态，导致景观碎片化和水文连通性下降（Zhang等人，2021；Tan等人，2023）。这些变化使得湿地中的物种、物质和能量分布变得不均匀，而水文循环对此有重要影响（Jackson和Pringle，2010；Obolewski，2011）。明确湿地的水文连通性对于通过针对性管理改善生态和社会经济结果至关重要。
研究人员重点关注了人类活动（尤其是水利工程建设）导致的水文连通性下降问题（Leibowitz等人，2018a）。许多内陆湿地位于河流河口，河流通常是湿地的主要水源。湿地的水文状况受上游河流水文过程的控制。大坝、水库和沟渠的建设显著降低了湿地内的自然水文连通性（Kingsford，2000；Schneider等人，2017；Leibowitz等人，2018）。同时，气候变干导致降水量和流域径流减少，进而减少了湿地流量，而水库调节的流量进一步加剧了这一趋势。流量减少削弱了洪泛区的空间范围和时间持续性，最终影响了整个湿地系统的水文连通性（Nielsen等人，2020）。已有多种方法从不同角度量化湿地的水文连通性。Liu等人（2020）结合遥感数据和高程梯度来识别连通性障碍，而Nguyen等人（2021）使用总连接长度和主导连接长度等定量指标来表征连通性强度。一些研究应用了生物地球化学和生态指标，例如Brooks等人（2022）通过微生物和地球化学相似性推断地表水流路径，Yu等人（2023）利用土壤物理化学性质评估盐沼地区的连通性。然而，由于湿地明显的空间和时间异质性、数据获取受限以及缺乏标准化指标和评估标准，目前仍缺乏统一的湿地水文连通性评估框架。此外，人类活动如大坝建设、土地开发和排水工程显著改变了自然水文过程，使得自然连通模式的准确识别和评估更加复杂（Ameli和Creed，2017；Dwivedi等人，2025；Li等人，2024）。常用的评估方法包括化学示踪、现场监测、遥感和连通性指数分析技术，这些方法主要关注湿地与河流之间或湿地内部的水文连通性评估（Golden等人，2014；McLaughlin等人，2019；Cong等人，2020；Heintzman和McIntyre，2021）。关于湿地内部水文连通性的研究以及基于水文连通性的湿地划分方法尚不多。然而，即使在河流-湿地连接未受阻碍的湿地中，由于地形和水动力变化，水文连通性也会降低（Phillips等人，2010）。许多研究人员通过指数量化了水文连通性，但很少有人分析水利工程建设对湿地中水文连通子区域空间和时间分布的影响。
湿地中水文连通子区域内的相似水动力过程主导着能量和物质循环（Brinson，1993；Zamberletti等人，2018；Qu等人，2023）。本研究开发了一种基于水文连通性的综合湿地划分方法，该方法结合了水位动态的时间特征和空间受限聚类，以划分既保持水文相似性又具备空间连续性的子区域。与基于地理距离或土地利用的传统方法相比，该框架能更高效、更直观地表征湿地内部连通性。作为国际重要保护湿地的扎龙湿地，根据水文连通性被划分为多个子区域，并分析了不同水文年份下水文连通子区域的空间分布，同时研究了工程建设对湿地水文连通性的影响，以及不同子区域水质指标的空间变化，以确定水文连通性对湿地水质的影响。本研究为湿地生物地球化学研究和湿地管理提供了支持和指导。
研究区域
扎龙湿地位于中国东北部松嫩平原西部，1992年被列入《国际重要湿地名录》（图1）。扎龙湿地位于无余河下游，是全球最大的芦苇沼泽之一，流域面积约为2100平方公里，地理坐标范围为北纬46°52′–47°32′，东经123°47′–124°37′。主要植被种类为Phragmites australis和Typha orientalis Presl。
方法
本研究获取了水文和气象数据，并通过水文模型模拟了过去30年的湿地入流过程。选取了代表性湿润年、正常年和干旱年的径流数据，将其输入到湿地的水动力模型中，模拟了不同水文年份湿地内的水位分布。提取了湿地内每个网格单元的水位变化信息。
水文连通区域：首次聚类分析结果
通过计算相关系数值获得了每个网格单元的水位变化特征值。水位波动模式相似的网格单元通常具有相似的特征值；而水位波动过程存在显著差异的网格单元则特征值差异较大。
结论
湿地的水文连通性促进了营养物质、物种、种子和能量的扩散与循环，影响了物种结构和分布，有助于维持生态系统的健康和稳定性。本研究建立了一种基于水文连通性的湿地划分方法，包括水动力模型模拟、特征值计算和聚类分析步骤。该方法可用于将具有相似特征的网格单元进行聚类。
未引用的参考文献
Christensen等人，2020；Jianliang等人，2009；Kanungo等人，2002；MacQueen，1967；Yuan等人，2019。
CRediT作者贡献声明
王伟泽：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、数据整理、概念构建。
胡鹏：验证、监督、资源提供、方法论设计、数据整理。
杨泽凡：软件开发、资源提供、方法论设计、数据整理。
杨秦：方法论设计、数据分析、数据整理、概念构建。
王建华：监督、资源提供、项目管理、数据分析。
程丹东：方法论设计、数据分析。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52309035、42101085）、国家重点研发计划（项目编号：2022YFF1300902）以及陕西省教育厅科研计划重点项目（项目编号：23JT026）的共同支持。
