生态补水影响下白洋淀湿地水生态系统对水文-气象-环境要素的响应关系研究

Water allocation has great effects on the structure and function of aquatic ecosystem in Baiyangdian wetland. Water allocation directly affects water level flunctuations, then which can influence hydrological and water ecological processes. The periodic structure of long-time series data of water level and NDVI could be identified, quantified and extracted based on multi-wavelet analysis. The response of intensity and pattern from aquatic ecosystem to water allocation can be confirmed. The relationships between key aquatic ecological indicators and hydro-climatological and environmental variables were analyzed with variance analysis, factorial analysis, canonical correlation analysis and cross wavelet transform. The reponse of aquatic ecosystem to hydro-climatological and environmental variables was then identified. ANN models were used to analyze the response of chla and NDVI, respectively, to hydro-climatological and environmental elements on large scales in Baiyangdian wetland. The wavelet denoise method was coupled in ANN model to identify ecological response to those integrated elements. The research has the potential to greatly facilitate basic research of hydrology and aquatic ecology in lake-type wetland. The research can also provide scientific support for wetland ecological and hydrological processes in a context of ecological regulation in hydraulic projects, as well as the scientific proof for wetland ecological revitalization.

生态补水对白洋淀湿地水生态系统结构和功能起重要作用。湿地水位变化直接受生态补水影响，进而影响其水文、水生态过程。利用多小波分析方法对生态补水前后长序列水位、水生植被数据进行周期结构的识别、量化和提取，明确生态补水对水生态系统影响强度及规律。用方差分析、因子分析、典范相关分析和交叉小波变换等方法分析区域水文-气象-环境要素与关键水生态指标变化之间的关系，确定水生态系统对水文-气象-环境要素的响应特征。基于人工神经网络模型，分别建立大尺度的反映水生态系统状况的chla和NDVI指标对水文-气象-环境综合要素响应模型，利用模型敏感性分析确定主要水文-气象-环境因子，并耦合小波“降噪”分析生态补水影响下白洋淀湿地水生态系统对水文-气象-环境要素的响应。研究可促进内陆湖泊型湿地水文、水生态的基础研究，为水利生态调度背景下湿地水文、生态等过程的响应提供科学支撑，为该区域湿地生态系统的恢复提供科学依据。

随着世界范围内水资源紧缺问题日益突出，湿地水文生态过程受阻和水环境污染是其水生态退化的主要原因，其中水生态过程和水环境效应是最核心的问题。研究区白洋淀湿地的生态补水已经成为维持其湿地正常生态功能的重要举措。近二十来年的间歇性生态补水已对湿地水文水生态系统产生重要影响并耦合区域气候变化在不同时空尺度上对其生态系统结构和功能、水文与生物格局、过程的耦合特征和相互作用产生重要影响。本研究以生态补水影响下的水文环境改变、水生态恢复的时空变化特征，及水生态系统对水文-气象-环境等要素的响应为主要研究内容。现有的研究结果表明间歇性的生态补水对区域水文序列的时频、趋势变化产生重要影响，进而影响着湖泊水体生态系统，这种非线性响应关系存在时空异质性；生态补水路径影响区域植被恢复，水资源可获得性是区域植被恢复的重要因素，如经由王快水库的生态补水，河岸带的植被恢复对河道内水资源较为敏感，而经由安各庄水库的生态补水，其河岸带植被恢复对其水资源量敏感性较低；作为水资源受纳终点的白洋淀湖泊，其植被恢复与生态补水的关系揭示了补水持续时间和长期的水资源累积效应对于生态系统恢复不可忽视。随着时间尺度的加大，维持水资源可获得性是湖泊植被恢复的重要因素；微观层面上，间歇性水文变化造成的水淹条件调节和影响水生植被根系土壤 (沉积物)微生物活性，是水生植被氮去除的重要影响因素，同时也对微生物电子呼吸传递链活性产生重要影响。藉由环境信息学人工智能及机器学习方法等的研究结果表明不同水文时期湖泊水生态chla受多重环境因子调节，BOD表现出各个水文期均相对敏感的特性；人工智能机器学习方法有助于挖掘水生态模型规则并提高模型精度。研究可促进内陆湖泊型湿地水文、水生态的基础研究，为水利生态调度背景下湿地水文、生态等过程的响应提供科学支撑，为该区域湿地生态系统的恢复提供科学依据。