東北地理所在考慮濕地-水庫聯合調蓄的流域洪水干旱情勢預估方面取得重要進展
全球變暖引起洪水和干旱事件更加頻繁和強烈，嚴重威脅人類生存和社會經濟可持續發展，水庫等傳統的灰色基礎設施已經不足以解決問題，必須通過綠色的基于自然的解決方案。濕地生態系統具有很強的水文調蓄功能，可作為解決洪水干旱的重要綠色基礎設施，應對未來洪水干旱風險。如何聯合重要綠色基礎設施（濕地）和灰色基礎設施（水庫）共同調蓄以最大程度的增強流域洪水干旱風險應對能力？目前仍缺乏相關研究，也是水科學領域亟待解決的前沿科學問題。
針對上述科學問題，東北地理所水文與水資源學科組研究人員提出了考慮濕地-水庫聯合調蓄的流域洪水干旱情勢預估研究思路（圖1），利用耦合濕地模塊的流域水文模型（PHYSITEL/HYDROTEL模擬平臺）和水庫調度算法（ResSimOpt-Matlab），自上游向下游耦合了“上游濕地水文調蓄—中游水庫調度+濕地水文調蓄—下游濕地水文調蓄”過程，實現了考慮濕地-水庫聯合調蓄的流域水文過程模擬。在此基礎上，采用偏差校正后的第六次國際耦合模式比較計劃（CMIP6）多情景模式數據，預估了不同共享社會經濟路徑下（SSP126、SSP370和SSP585）嫩江流域不同時段（近期：2026-2050；本世紀中葉：2051-2075；本世紀末：2076-2100）洪水干旱演變特征，揭示了未來氣候情景下考慮濕地-水庫聯合調蓄的流域洪水干旱情勢。
圖1. 考慮濕地-水庫聯合調蓄的流域洪水干旱情勢預估研究思路
(a)流域濕地-水庫聯合調蓄的分布式耦合框架；(b)基于CMIP6的多情景數據的集合平均；(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。
研究發現，耦合濕地-水庫聯合調蓄后，流域水文模型的擬合優度指數均有所提升，表現在克林效率系數、Nash-Sutcliffe系數和相關系數的提高及均方根誤差和相對偏差的降低，且模擬結果的流量歷時曲線總體更接近于觀測的徑流數據（圖2）。此外，耦合濕地-水庫聯合調蓄后的流域水文模型模擬的水文干旱特征（持續時間、強度和極端低流量）和洪水特征（洪峰流量、洪量和持續時間）更接近于基于觀測數據獲取的結果。可見，耦合濕地-水庫聯合調蓄的流域水文模型可提高水文過程模擬精度，更好地模擬流域洪水和干旱事件，為流域洪水干旱預測和風險應對提供重要科學支撐。
圖2. 有/無濕地—水庫聯合調蓄的流域水文模型擬合優度指數的差異性
注：KGE: 克林效率系數；NSE：Nash-Sutcliffe系數；CC：相關系數；RMSE：均方根誤差；Pbias：相對偏差
基于CMIP6多情景模擬的未來洪水（洪水持續時間-洪峰流量-洪量關系特征）和干旱（干旱強度-持續時間關系）情勢發現，濕地和水庫聯合調蓄作用引起未來洪水和干旱的持續時間、強度和峰值流量大幅度減少及極端低流量的增加，表明濕地和水庫聯合調蓄在未來氣候變化下發揮著極為重要的洪水調蓄和干旱延緩功能，與歷史洪水干旱風險相比，未來極端洪水和干旱風險仍然增加，尤其是持續時間長且洪峰大的極端洪水事件和極為嚴重的干旱事件將增加（圖3）。因此，迫切需要開展流域濕地恢復和保護，提升流域濕地水文調蓄功能，同時優化水庫調度，最大發揮濕地-水庫聯合調蓄功能，增強流域應對極端水文事件風險的韌性。
圖3. 基于耦合濕地-水庫聯合調蓄水文模型的未來洪水和干旱情勢預估
注：A：洪水持續時間-洪峰流量-洪量關系特征；B：干旱強度-持續時間關系。歷史時期（Historical）：1971-2020年；近期（Near-future）：2026-2050；本世紀中葉（Mid-century）：2051-2075；本世紀末（End-century）：2076-2100
該研究創新了流域濕地-水庫聯合調蓄模擬方法，提高了流域水文過程模擬精度，預估了未來氣候情景下濕地-水庫聯合調蓄下洪水和干旱風險演變趨勢，為全球氣候變化背景下大江大河洪水干旱風險應對的流域韌性提升提供新的思路，對流域濕地恢復保護和水資源綜合管控以及應對氣候變化具有極其重要的意義。
該研究發表在水文學領域著名期刊Hydrology and Earth System Sciences上。中國科學院東北地理與農業生態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。該研究得到國家自然科學基金、博士后基金和國家重點研發計劃等項目的支持。
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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