東北地理所在考慮濕地-水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄的流域洪水干旱情勢(shì)預(yù)估方面取得重要進(jìn)展
全球變暖引起洪水和干旱事件更加頻繁和強(qiáng)烈，嚴(yán)重威脅人類生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，水庫(kù)等傳統(tǒng)的灰色基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)不足以解決問(wèn)題，必須通過(guò)綠色的基于自然的解決方案。濕地生態(tài)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的水文調(diào)蓄功能，可作為解決洪水干旱的重要綠色基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)對(duì)未來(lái)洪水干旱風(fēng)險(xiǎn)。如何聯(lián)合重要綠色基礎(chǔ)設(shè)施（濕地）和灰色基礎(chǔ)設(shè)施（水庫(kù)）共同調(diào)蓄以最大程度的增強(qiáng)流域洪水干旱風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)能力？目前仍缺乏相關(guān)研究，也是水科學(xué)領(lǐng)域亟待解決的前沿科學(xué)問(wèn)題。
針對(duì)上述科學(xué)問(wèn)題，東北地理所水文與水資源學(xué)科組研究人員提出了考慮濕地-水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄的流域洪水干旱情勢(shì)預(yù)估研究思路（圖1），利用耦合濕地模塊的流域水文模型（PHYSITEL/HYDROTEL模擬平臺(tái)）和水庫(kù)調(diào)度算法（ResSimOpt-Matlab），自上游向下游耦合了“上游濕地水文調(diào)蓄—中游水庫(kù)調(diào)度+濕地水文調(diào)蓄—下游濕地水文調(diào)蓄”過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了考慮濕地-水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄的流域水文過(guò)程模擬。在此基礎(chǔ)上，采用偏差校正后的第六次國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃（CMIP6）多情景模式數(shù)據(jù)，預(yù)估了不同共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)路徑下（SSP126、SSP370和SSP585）嫩江流域不同時(shí)段（近期：2026-2050；本世紀(jì)中葉：2051-2075；本世紀(jì)末：2076-2100）洪水干旱演變特征，揭示了未來(lái)氣候情景下考慮濕地-水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄的流域洪水干旱情勢(shì)。
圖1. 考慮濕地-水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄的流域洪水干旱情勢(shì)預(yù)估研究思路
(a)流域濕地-水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄的分布式耦合框架；(b)基于CMIP6的多情景數(shù)據(jù)的集合平均；(c)基于閾值法洪水事件的確定和特征的提取；(d)基于游程理論的干旱事件的確定及特征的提取。
研究發(fā)現(xiàn)，耦合濕地-水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄后，流域水文模型的擬合優(yōu)度指數(shù)均有所提升，表現(xiàn)在克林效率系數(shù)、Nash-Sutcliffe系數(shù)和相關(guān)系數(shù)的提高及均方根誤差和相對(duì)偏差的降低，且模擬結(jié)果的流量歷時(shí)曲線總體更接近于觀測(cè)的徑流數(shù)據(jù)（圖2）。此外，耦合濕地-水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄后的流域水文模型模擬的水文干旱特征（持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度和極端低流量）和洪水特征（洪峰流量、洪量和持續(xù)時(shí)間）更接近于基于觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取的結(jié)果。可見(jiàn)，耦合濕地-水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄的流域水文模型可提高水文過(guò)程模擬精度，更好地模擬流域洪水和干旱事件，為流域洪水干旱預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)提供重要科學(xué)支撐。
圖2. 有/無(wú)濕地—水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄的流域水文模型擬合優(yōu)度指數(shù)的差異性
注：KGE: 克林效率系數(shù)；NSE：Nash-Sutcliffe系數(shù)；CC：相關(guān)系數(shù)；RMSE：均方根誤差；Pbias：相對(duì)偏差
基于CMIP6多情景模擬的未來(lái)洪水（洪水持續(xù)時(shí)間-洪峰流量-洪量關(guān)系特征）和干旱（干旱強(qiáng)度-持續(xù)時(shí)間關(guān)系）情勢(shì)發(fā)現(xiàn)，濕地和水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄作用引起未來(lái)洪水和干旱的持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度和峰值流量大幅度減少及極端低流量的增加，表明濕地和水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄在未來(lái)氣候變化下發(fā)揮著極為重要的洪水調(diào)蓄和干旱延緩功能，與歷史洪水干旱風(fēng)險(xiǎn)相比，未來(lái)極端洪水和干旱風(fēng)險(xiǎn)仍然增加，尤其是持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且洪峰大的極端洪水事件和極為嚴(yán)重的干旱事件將增加（圖3）。因此，迫切需要開(kāi)展流域濕地恢復(fù)和保護(hù)，提升流域濕地水文調(diào)蓄功能，同時(shí)優(yōu)化水庫(kù)調(diào)度，最大發(fā)揮濕地-水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄功能，增強(qiáng)流域應(yīng)對(duì)極端水文事件風(fēng)險(xiǎn)的韌性。
圖3. 基于耦合濕地-水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄水文模型的未來(lái)洪水和干旱情勢(shì)預(yù)估
注：A：洪水持續(xù)時(shí)間-洪峰流量-洪量關(guān)系特征；B：干旱強(qiáng)度-持續(xù)時(shí)間關(guān)系。歷史時(shí)期（Historical）：1971-2020年；近期（Near-future）：2026-2050；本世紀(jì)中葉（Mid-century）：2051-2075；本世紀(jì)末（End-century）：2076-2100
該研究創(chuàng)新了流域濕地-水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄模擬方法，提高了流域水文過(guò)程模擬精度，預(yù)估了未來(lái)氣候情景下濕地-水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄下洪水和干旱風(fēng)險(xiǎn)演變趨勢(shì)，為全球氣候變化背景下大江大河洪水干旱風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)的流域韌性提升提供新的思路，對(duì)流域濕地恢復(fù)保護(hù)和水資源綜合管控以及應(yīng)對(duì)氣候變化具有極其重要的意義。
該研究發(fā)表在水文學(xué)領(lǐng)域著名期刊Hydrology and Earth System Sciences上。中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所吳燕鋒助理研究員為論文第一作者，章光新研究員為通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、博士后基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
論文信息如下：
Yanfeng Wu, Jingxuan Sun, Boting Hu, Y. Jun Xu, Alain. N Rousseau, Guangxin Zhang. Can the combining of wetlands with reservoir operation reduce the risk of future floods and droughts? Hydrology and Earth System Sciences, 27, 2725-2745.
https://doi.org/10.5194/hess-27-2725-2023
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