【关键技术】水文连通性评估工具
一、技术简介
水文连通性评估工具（Hydrological Connectivity Assessment Tool, CAST）面向河湖洪泛湿地地表水文连通性定量评价，重点解决传统评价过度依赖干湿格局，难以反映生态过程需求的问题。工具以水面分布为基础，综合考虑水深、流速、水温等关键水文水动力参数及其生态阈值，用于识别有效连通单元、连通体和连通性函数，支撑水鸟、鱼类、浮游藻类、大型底栖动物栖息地适宜性评价，以及泥沙悬浮风险和洪泛湿地生态过程分析。其创新点在于将生态因子的阈值响应引入水文连通性评价，形成了集参数设置、数据预处理、连通性计算和结果预览于一体的工具化方法，使评价结果从单纯判断水体连通，进一步转向判定连通状态是否满足特定生态过程和栖息需求。
二、技术内容
该技术体系由数据输入、生态阈值设定、有效单元识别、连通体划分、连通性函数计算和结果表达六个部分组成，形成了从水文水动力数据处理到生态意义解释的完整评价流程。技术以洪泛湿地水面分布为基础，同时引入水深、流速和水温等关键水文水动力参数，将不同生态因子的适宜阈值转化为像元尺度的有效性判别条件。在此基础上，通过空间连通分析识别有效连通单元和连通体，并进一步计算不同方向、不同距离上的连通性函数，用于表征洪泛湿地地表水文连通状态及其对生态过程的支撑能力。CAST本身包括生态因子、用户参数、输入条件、输出条件和结果预览五个功能模块，能够完成参数设置、数据预处理、连通性分析和结果展示等主要功能。
在技术实现上，首先需准备干湿二值、水深、流速、水温等空间数据。输入数据既可以是遥感提取的GeoTIFF栅格影像，也可以是野外调查或水动力模型输出的带坐标表格数据。对于表格数据，工具可进行空间插值；对于栅格数据，要求不同参数文件具有一致的行列号和空间范围。用户可通过投影文件、研究区四至范围和像元尺寸设置完成裁剪、投影转换和重采样，保证多源数据在同一空间基准下参与计算。
关键步骤主要包括四个方面。第一，选择评价对象。工具预设水文、水鸟、鱼类、泥沙悬浮、浮游藻类和大型底栖动物六类生态因子，也支持用户自定义评价对象。第二，确定评价参数。水文连通性评价至少需要干湿二值信息，在此基础上可根据研究目标叠加水深、流速和水温参数。例如，水鸟评价重点考虑水深，鱼类评价考虑水深和流速，浮游藻类评价考虑流速和水温，大型底栖动物评价则同时考虑水深、流速和水温。第三，设置生态阈值。被选参数位于阈值范围内时，像元判定为有效单元；超出阈值范围时判定为无效单元。若多个参数同时参与评价，只有全部满足阈值条件的像元才被视为有效连通单元。第四，开展空间连通分析。工具基于有效单元的空间分布划分连通体，并计算连通性函数，从而判断不同空间距离和方向上的水文连通程度。
该技术的核心指标包括有效单元、连通体和连通性函数。有效单元是满足干湿状态及生态阈值条件的像元，是后续连通性计算的基础。连通体是由空间上相邻且属性有效的像元组成的独立斑块，可用于识别潜在适宜栖息地或生态过程发生区域。连通性函数表示任意给定距离内、特定方向上相互连通的有效单元比例，用于量化河湖与洪泛区之间形成地表水文连通的可能性。CAST可分别输出W-E、N-S、NW-SE和NE-SW四个方向上的连通性函数曲线，从而揭示连通性随距离变化的衰减特征和可能的阈值转换。
结合研究实际，该技术可用于鄱阳湖等季节性洪泛湿地的有效水文连通性评价。以鄱阳湖为例，洪泛区具有明显的季节性涨落过程，水面范围、水深、流速和水温在年内变化显著，不同生态因子对这些参数的需求也存在差异。该技术通过把水鸟取食水深、鱼类活动水深与流速、泥沙悬浮启动流速、浮游藻类适宜流速和水温、大型底栖动物适宜水深流速水温等条件纳入统一评价框架，能够识别不同生态过程对应的潜在适宜区域，并分析其空间连通状态。与仅依据水体边界判断连通不同，该方法强调连通是否具有生态有效性，即水体相连并不必然代表适宜栖息地连续，只有满足特定生态阈值的连通区域才具有实际意义。
实施过程中需要重点把握三点。一是输入数据应保持空间一致性，尤其是干湿、水深、流速和水温数据必须在同一投影、分辨率和范围下计算。二是生态阈值设置应结合研究区实测资料和已有文献，避免机械套用默认阈值；对于不同物种、不同生命阶段或不同水文情景，应根据实际需求调整参数范围。三是结果解释不能只看连通面积，还应结合连通体数量、最大连通体规模、连通性函数衰减过程和方向差异，综合判断洪泛湿地连通格局及其生态效应。通过上述流程，该技术能够实现从数据输入、阈值判定、空间连通计算到生态解释的闭环应用，具有较强的完整性和可操作性。
图1 水文连通性评估工具（CAST）用户界面
三、技术优势
与OpenModeller、Biomapper等生境适宜性模型相比，本技术不单纯依赖物种出现/缺失数据推断潜在生境，而是进一步将生境斑块之间的水文连通状态纳入评价，能够避免仅识别适宜区域、难以判断适宜区域是否真正连通的问题。与Conefor、Connectivity Analysis Toolkit、FRAGSTATS等景观连通性工具相比，本技术并不以陆域斑块—廊道结构和扩散距离为主要假设，而是围绕洪泛湿地水体连续性及其水深、流速、水温条件开展评价，更适用于鱼类、浮游藻类、大型底栖动物等依赖水文过程的生态对象。与PHABSIM、MesoHABSIM、River2D、CASiMiR等物理生境模拟模型相比，本技术降低了对复杂模型构建和大量野外观测数据的依赖，能够兼容遥感、水动力模拟和实测资料，形成较为简洁、可重复的评价流程。总体上，本技术的优势在于把有效水文连通性、生态阈值和潜在生境识别集成到同一工具中，实现了从水体是否相连向连通是否具有生态意义的转变。
四、应用场景
该技术主要面向洪泛湿地生态保护修复与水资源调度管理，适用于河湖湿地水文连通性评价、生态水位调控、生境质量评估、湿地修复成效评估和水生态风险识别等场景。其核心作用是将水体连通状态与水深、流速、水温等生态约束条件结合起来，判断连通是否真正支撑特定生态过程，为湿地保护修复和水资源管理提供定量依据。
在生态修复领域，该技术可用于识别洪泛湿地中水鸟取食、鱼类活动、浮游藻类生长、大型底栖动物栖息等关键生态过程所需的有效连通区域，判断现有湿地斑块是否存在连通不足、过度隔离或水文条件不适宜等问题。对于退化湿地修复、栖息地恢复、碟形湖水系连通优化等工作，可为修复范围划定、工程布局比选和修复效果评估提供支撑。
在水资源管理与生态调度领域，该技术可用于分析不同水位过程、闸坝调控或补水方案下洪泛区水文连通格局的变化，识别有利于维持栖息地质量和生态过程稳定的水文条件。通过对有效连通体、连通性函数和潜在适宜生境的综合评价，可为生态水位确定、季节性补水、河湖连通调度和枯水期湿地保育提供依据。
在水生态风险识别领域，该技术可结合流速和水温阈值，评估泥沙再悬浮、藻类生长风险及底栖动物栖息条件变化。对于浅水湖泊、通江湖泊和季节性洪泛湿地，可用于识别水动力减弱、水体滞留或局部连通异常引起的生态风险区域，为水环境治理和湿地精细化管控提供预警信息。
五、典型案例
本技术应用于鄱阳湖国家级自然保护区常湖池湿地水文连通修复与生境提升。项目以水文连通恢复、微地貌改造和植被重建为核心，实施了深沟支浜开挖与湖面连通、生境鸟岛地形构建、乔灌草沟坡岛复合生境营造，以及挺水、湿生、浮叶和沉水植物恢复。监测结果表明，项目实施后修复区生态功能呈现整体改善趋势。首先，植物群落多样性明显提高，2024年4月20日至7月6日，4个样点香农维纳多样性指数整体由约0.05～0.22提高至约0.65～0.86，植物种类数由0～2种增加至4～8种，说明修复区从单一裸露或低覆盖生境逐步转向多物种共存的复合植被生境。其次，植被生长状况持续改善，洲滩植被生物量由约10～15 g提高至约98～186 g，水生植被生物量由约11～15 g提高至约62～81 g；洲滩植被高度由约3～12 cm提高至约72～115 cm，水生植被长度由约11～36 cm提高至约34～58 cm，表明植被恢复已由成活阶段进入稳定生长期。第三，水质条件有所改善，2024年4月20日至6月15日，NH₃-N由0.494 mg/L降至0.166 mg/L，TN由1.728 mg/L降至1.500 mg/L，NO₃⁻-N由1.074 mg/L降至1.048 mg/L，DO由6.768 mg/L升至9.550 mg/L，反映出营养盐负荷下降、溶解氧条件改善。第四，底栖动物群落逐步重建。2022年9月极端干旱后常湖池未发现存活底栖动物，复水和生境恢复后，底栖动物密度在2023年2月恢复至约850 ind./m²，生物量达到约53 g/m²，2023年9月至10月密度仍保持在约380～420 ind./m²，9月生物量约41 g/m²，说明水生生境和食物基础正在恢复。总体来看，常湖池通过支浜连通、浅水区营造、鸟岛建设和植被恢复，改善了水文连通条件和水陆过渡带结构，带动水质、植被、底栖动物和候鸟食物资源同步向好，为越冬水鸟提供了更稳定的浅水栖息地和食物来源。
图2 鄱阳湖国家级自然保护区常湖池湿地水文连通修复与生境提升工程鸟瞰
除鄱阳湖保护区外，该技术还推广应用于辽东湾海岸带湿地、鄱阳湖南矶山保护区湿地、江苏固城湖、大连理工大学校内人工湖等湖泊湿地或人工水体。其中，辽东湾海岸带湿地应用中，技术参数用于支撑水利设施布局和潮沟疏浚；在芜湖漳河水系应用中，江湖水力连通增强交互技术被用于解决国考断面长期水质不达标问题。相关材料还显示，水文连通模拟评估系统已集成到中国科学院美丽中国专项“长江模拟器”大科学装置，并在重庆广阳岛落地，列入重庆市“十四五”规划相关应用。
本技术形成了水文连通模拟评估系统和软件平台，软件安装包、运行案例及中英文手册已开放共享。截至2026年4月，软件累计浏览超2K，下载超1K，应用单位超过10家，具备较好的推广基础。
成果已获得多项行业认可。项目“鄱阳湖洪泛系统水文连通及其生态环境效应评估关键技术”获2023年度长江科学技术奖科技进步奖二等奖；“洪泛湖泊湿地水文连通模拟评估与生态水文调控关键技术”获中国大坝工程学会科技进步奖二等奖；“水文连通及其生态环境效应模拟、评估与调控关键技术”列入《2024年度水利先进实用技术重点推广指导目录》。
六、科技支撑
科研项目：
[1] 国家自然科学基金委员会面上项目，“鄱阳湖洪泛区水文连通与典型生态因子的耦合及调控机理研究”，项目编号：42271111；
[2] 国家自然科学基金委员会面上项目，“鄱阳湖洪泛系统水文连通性多维度耦联交互过程与动力学机制”，项目编号：42171032；
[3] 国家重点研发计划子课题，“湿地水源涵养功能评估与提升机制”，项目编号：2024YFF1306000。
获奖：
[1] “鄱阳湖洪泛系统水文连通及其生态环境效应评估关键技术”，长江科学技术进步二等奖，2023年；
[2] “洪泛湖泊湿地水文连通模拟评估与生态水文调控关键技术”，中国大坝工程学会科技进步二等奖，2024年；
[3] “水文连通及其生态环境效应模拟、评估与调控关键技术”，水利先进实用技术，2024年。
[1] 谭志强、姚静、王晓龙、李云良，“基于多源遥感数据融合的小微湿地水量高频估算方法”，授权专利号：ZL202310322324.6；
[2] 谭志强、王晓龙、蔡永久、姚静、李云良，“基于双向迭代的遥感数据融合方法”，授权专利号：ZL202510053010.X。
软件著作权：
[1] “地表水文连通性评价工具软件V1.0”，登记号：2020SR1099659；
[2] “耦合水文连通性的碟形湖水位和水量估算工具软件V1.0”，登记号：2024SR1164414。
七、联系方式
联系人：谭志强; 李云良; 王晓龙等
科技处：姚老师，025-86882023，zbyao@niglas.ac.cn