本文是一篇给排水工程论文，本研究选取嫩江流域湿地作为研究对象，基于嫩江流域的气候变化和水文演变，借助于 ArcGIS 和 FRAGSTATS 平台，从湿地面积和景观结构两方面探究嫩江流域湿地生态退化的现状，探究水文过程对湿地生态退化的影响，揭示嫩江流域湿地生态退化的水文驱动机制。
第一章 绪论
1.1 选题依据
1.1.1 研究背景
湿地作为“地球之肾”是不可或缺的生态环境和生态景观，湿地的生境多样性丰富，湿地这一原始综合系统主要是由水体和陆地互相依存而产生[1, 2]。流域的水文循环体系在湿地的产生、发展、演变和衰退的进程中扮演着重要的角色[3]，水文过程也会改变流域的湿地生态系统[4]。然而，受到全球气候因素和人为活动的驱动，湿地面临着面积大幅度的萎缩、湿地生态功能逐渐退化乃至丧失等重要问题[5]。全球水文循环现状受气候因素的驱动明显，从而使水环境的时空分布特征产生一系列的改变[6]，同时，气候因素的驱动使极端水文事件发生的频率有所增加，致使气温、干旱和降水等事件发生的强度增强、频率增大，导致湿地的水文功能急剧减弱，水量平衡发生改变，从而导致流域水文过程变化显著，对流域水安全和生态安全构成威胁[7-9]。另一方面，水资源的利用率在人类过渡开采使用水资源以及不合理利用等因素下大大降低，湿地生态系统结构遭到破坏，以及在土地利用变化和大量的水利工程建设等人为活动影响下，降低了湿地生产力和生产潜力，减少了生境多样性，生态功能逐渐退化[10-12]。这些湿地资源生态环境恶化的现象引起众多国内外学者的普遍关注，逐渐成为研究热点之一。水文过程对湿地生态退化及其影响越来越重要，因此，开展流域湿地生态退化的水文驱动机制研究具有重要意义。
嫩江流域作为我国湿地集中分布区之一，分布着大量湖泊湿地、沼泽湿地和洪泛湿地等，湿地通过地表径流、地下径流、蓄满产流等形式与其他湿地和地表水体交互，形成有独立特征的生态格局，发挥其涵养水源、调度径流和补充地下水等服务体系[13, 14]。嫩江流域的典型湿地保护区（向海湿地、扎龙湿地和莫莫格湿地）在嫩江流域水循环过程和水资源利用中具有重要意义[15, 16]。典型湿地发挥着防洪抗旱、维系水量均衡和保护浮游生境等作用。近年来，嫩江流域的气候调节和大量的水利工程建设等降低了湿地的蓄水、防洪和径流的调节等水文方面的功能，导致洪峰流量增加（如 1998 年松嫩流域特大洪水），同时加剧了下游干旱强度和严重程度[17, 18]，进一步导致嫩江流域湿地补给水源减少及水文节律的破坏，生物多样性锐减，对湿地生态系统造成严重的威胁[19, 20]。因此，在嫩江流域开展湿地生态退化及其水文驱动机制研究，深入分析嫩江流域水文过程与湿地生态退化之间的关系，揭示湿地生态退化的水文驱动机制，为流域湿地保障与修复的研究提供水文学依据。
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1.2 国内外研究进展及存在的问题
1.2.1 气候变化及人为活动对湿地生态退化的影响研究
湿地生态系统在不断受到气候因素的影响和高强度人为活动的改变，湿地出现不断萎缩的现象、景观结构不断退化乃至湿地消退的过程。随着湿地生态退化日趋严重，湿地生态退化变为国内外热点及重点研究范畴[21]。
在气候因素的影响下，湿地的水文循环过程发生改变，湿地的生物和化学性质也会受到影响，同时也会使湿地的生境量发生变化。例如，海平面会在气候因素的驱动下有明显的上升趋势[22]，随着海平面的不断上升，海水的盐度也随之增加，会对淤积物的积累产生影响，使淤积物不断减少，大大影响了湿地动植物的多样性，引起湿地生态体系的退化。张达等[23]在研究内陆河流域湿地时发现湿地发生景观破碎化现象，气温是其主要驱动因素，改变了黑河中游湿地的景观结构特征。王根绪等[24]认为气温和日照时数的变化对高寒区冻土产生影响，温度不断升高、日照时数的增加均会使冻土趋于退化，从而导致青藏高原腹地的湿地逐渐退化，植被也随之有逆向生长的趋势。Velázquez 等[25]基于模型模拟未来的气象特征，探究气象因素对湿地水文过程的改变，水文过程主要包括森林湿地的地表径流量和地下水水位变化，结果说明气候变化大大影响了径流量以及地下水位，使美国大欧美海岸的丛林湿地生态发生改变。
在湿地生态退化过程中，人为活动主要通过改变生态系统结构，从而使该湿地生态系统的土壤性质发生改变，土壤生物数量也会随之发生变化，进而使大量的外来物种有入侵的趋势，也会对原生湿地的植物种间关系发生改变[26]。由于城市用地及大量的农业开垦等人为活动的干扰，湿地生态被破坏的现象严重，干旱也会对此造成影响[27]。Amanda 等投入了大量的人力和物力资源到湿地的保护与恢复方面，研究人为活动如何改变了流域湿地的环境状态，并取得良好的成效[28]。Im et al[29]基于 MIKE SHE 模型探究了土地利用变化对流域的水文过程的影响，主要对1980~2000 年的 Landsat TM 影像进行解译，发现该地区的土地覆被使用情况，并使解译数据输入到软件中，定量化评价土地覆被使用情况对流域水文过程的改变程度，以及如何导致湿地的退化。美国相关部门探究了人为活动对沼泽湿地的影响[30]，大量的农业开垦和土地覆被变化均会使流域径流量发生变化，改变着土壤湿度以及湿地补水等，大大影响了流域水文特征，导致湿地结构和功能发生改变，为此进行流域湿地的修复工作，保护湿地安全。
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第二章 研究区概况
2.1 自然地理概况
2.1.1 地理位置
嫩江流域是松花江第一大支流，位于中国东北区域中西部（图 2-1），坐标为119°12′~127°54′E，44°02′~51°42′N。嫩江流域的源头为大兴安岭，流经黑河市等区域，最终在三岔河口汇入松花江干流。嫩江流域河道全长 1370km，嫩江流域的面积达到 29.7×104km2。
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2.2 水利工程概况
尼尔基水库是嫩江干流上唯一的控制性水利工程，流域面积为 6.64×104km2，总库容达到 86.1×108m3，与下游齐齐哈尔市相距约 189km2，尼尔基大坝在防汛中发挥着重要的用途[77, 78]。2001 年尼尔基水库开始动工，2004 进行第二次截流，2005年正式运行。
为了提高生活用水和农业用水现状，实施北部引嫩工程、中部引嫩工程和南部引嫩工程。北部引嫩工程（引嫩河）大多数是用做生活用水和工业用水以及浇灌用水。其特点是无坝引水，渠道利用电动来控制闸门，引水渠道总长为 425m，平均水深达到 2.3m。中部引嫩工程（新嫩运河）位于松嫩平原的乌裕尔河和双阳河，又称乌双引嫩工程，面积为 7.5×103km2，东西宽 50km，长 150km。为缓解洪水灾害，修建南引工程，从嫩江进行控制性引水。
扎龙湿地、向海湿地、莫莫格湿地作为国家重要保护区现已被归入《典型湿地名录》[79]。嫩江流域的湿地区主要集中在大兴安岭、小兴安岭和松嫩平原，大兴安岭的东边是大兴安岭湿地区域，该地区主要分布着河道、湖泊湿地、蓄水池和塘坝等；小兴安岭湿地区位于嫩江—讷河—北安的北部，松嫩平原湿地区海拔为 150-200m，主要分布着大量的草本沼泽湿地，该湿地区的特点是盆地式的冲积平原。
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第三章 嫩江流域水文气象要素演变特征............................. 17
3.1 数据与研究方法 ...................... 17
3.1.1 数据 ........................... 17
3.1.2 研究方法 ............................ 18
第四章 嫩江流域湿地生态退化分析........................ 35
4.1 数据来源与研究方法 ................. 35
4.1.1 数据 ............................ 35
4.1.2 研究方法 ............................... 35
第五章 嫩江流域湿地生态退化的水文驱动机制....................... 48
5.1 嫩江流域湿地生态退化的水文驱动机制 ............... 48
5.1.1 流域尺度湿地生态退化的水文驱动机制 ..................... 48
5.1.2 典型湿地生态退化的水文驱动机制 ........................ 49
第五章 嫩江流域湿地生态退化的水文驱动机制
5.1 嫩江流域湿地生态退化的水文驱动机制
5.1.1 流域尺度湿地生态退化的水文驱动机制
湿地生态退化受到流域水文驱动机制的整体调控[104]，水文驱动机制的变化将直接控制流域湿地及典型湿地（扎龙湿地、向海湿地和莫莫格湿地）的水量变化。2000~2005 年，降水量和径流量呈现 N 字型的变化趋向（图 5-1），潜在蒸散发量变化不显著，湿地面积变化微弱；2005~2010 年，在降水量不断减少的同时潜在蒸散发量不断增加，径流量也急剧减少，6 年间降水量和径流量分别减少了 7.3%和7.4%，潜在蒸散发量增加了 3.1%，致使湿地补给水源的水量减少，湿地面积退化了 16%；2010~2015 年，年降水量和径流量均呈现先增加后减少的特征，虽然在2013 年发生了 50 年一遇的大洪水（洪峰流量达到 1081m3/s），湿地面积仍减少了6%，这表明湿地面积的变化主要是由于水利工程的水文调控引起，且尼尔基水库的影响作用明显强于气候
