近日，兰州大学泛第三极环境中心刘勇勤教授团队在期刊Water Resources Research上发表了题为“The importance of impoundment interception in simulating riverine dissolved organic carbon”的研究论文。该论文基于课题组自主开发分布式流域水文模型SEIMS，开发了显式考虑水流侧向输移路径的河流碳循环模型。研究以高纬度湿地流域为例，探讨了在建模过程中准确刻画湿地拦蓄上坡贡献区的物质通量过程对河流DOC模拟的重要性及其影响机制，并提供了关于模型优化的建议。本研究以期为地学相关领域研究人员提供有益的参考。泛第三极环境中心2021级博士研究生刘娇娇为第一作者，刘军志教授为通讯作者。

                                                >图形摘要

河流在陆地碳循环中起着重要作用，全球河流每年输送大量陆地溶解有机碳（DOC）到海洋，这一过程不仅直接影响流域碳平衡估算还影响着河流代谢。而为了在流域尺度上评估河流DOC的动态，必须使用模型模拟的手段。

具有拦蓄上游物质通量的水体（以下简称蓄水体，Impoundment），如湿地、池塘和湖泊等，是集水区的关键组成部分。蓄水体可以拦蓄上坡贡献区的水和物质，延长水和DOC在坡面的滞留时间。因此，蓄水体对最终流入河流的物质的质量有重要影响，为了更加合理地模拟河流DOC动态，必须在模型中准确刻画蓄水体的拦蓄功能。

然而，目前仍然缺乏可以显式表达蓄水体拦蓄过程的中等复杂度河流DOC模型。本研究的目标是基于课题组自主开发的SEIMS流域建模框架，开发一个显式表达水流迁移路径的河流DOC模型，并将开发的模型应用于湿地主导的流域，探讨湿地拦蓄过程对河流DOC模拟的重要性及其影响机制。

模拟方法及试验设计

使用Wu等（2018）提出的方法进行空间离散化（图1a），基于流向和土地利用图划分基本模拟单元（subarea）。该方法划分得到的每个模拟单元内部具有相同土地利用类型，并与其相邻的模拟单元有明确的流向关系。

        >图1 （a）空间离散化示意图；（b）subarea之间水文联系示意图，蓄水体subarea的上坡贡献区域用红色虚线突出显示；（c）研究区空间离散化结果。

为了说明蓄水体对河流DOC模拟的重要性，比较了两种模拟方案：

（1）考虑蓄水体拦蓄的模拟(WITH_IMP_INT)：物质根据预先确定的流向进行运输，蓄水体subarea可以拦截来自其上坡贡献区域的水和溶质。河流只从其邻近的subarea接收水和溶质。

（2）不考虑蓄水体拦蓄的模拟(NO_IMP_INT)：即使subarea和河流不相邻，每个subarea的水和溶质也会直接流入河流，蓄水体subarea不会拦截上坡贡献区的水和溶质。

主要结果与讨论

考虑湿地拦蓄的模拟方案在DOC浓度模拟中显示出更高的模拟精度（图2），在校准和验证期间，WITH_IMP_INT模拟方案KGE（NSE）值分别为0.80（0.63）和0.82（0.67）。NO_IMP_INT方案KGE（NSE）值分别为0.74（0.45）和0.54（0.13），DOC浓度模拟的最小NSE值甚至为负（-0.65）。

这两种模拟方案对于径流量和DOC负荷（浓度*径流量）模拟都显示出较高的精度，平均KGE和NSE值均大于0.55。

   > 图2在校准（2011-2014）和验证期（2015-2017）期间，在两种模拟方案下，观测（灰线）和模拟（红线）的径流量（Q；a，b）、河流DOC浓度（c，d）和DOC负荷（e，f）。

与WITH_IMP_INT方案相比，NO_IMP_INT方案的logNSE中值较低，且三个模拟变量的IQR都较宽，表明该模拟方案在旱季捕捉径流和DOC动态的能力不足（图3）。同时，NO_IMP_INT情景下模拟河流DOC浓度的CV值更大，显示出不合理的波动。河流DOC浓度的急剧变化主要是由于暴雨驱动的河流流量快速增加，河流DOC浓度被迅速稀释。

           > 图3在两种模拟方案下，径流量（Q，a-d）、DOC浓度（DOCcon，e-h）和DOC负荷（DOCload，i-l）的KGE、NSE、logNSE和CV值的分布情况。

现有研究通常使用DOC负荷来评估河流DOC模拟的性能。我们注意到，当将径流量和DOC浓度设为优化目标时，DOC负荷的NSE值均大于0.5（表1）。然而，当将径流量和DOC负荷设置为优化目标时，在NO_IMP_INT情景下，河流DOC浓度的NSE值仅为-0.12。因此，强烈建议使用河流DOC浓度进行模型评估，以确保稳健的模拟结果。

                                 > 表1使用不同优化目标的流量、DOC浓度和负荷的平均NSE值

两种模拟方案对于河流DOC浓度模拟的差异可以归因于两种方案中水流路径过程的差异（图4）。在NO_IMP_INT方案中，非湿地的径流直接流入溪流，绕过了湿地拦截。这导致了更高的流量峰值，同时导致了河流中不同来源的水的直接混合。由于模拟的DOC浓度在非湿地单元中较低，在湿地单元中较高，当降水事件中不同水源的相对贡献发生变化时，河流DOC浓度会经历剧烈波动。因此，忽略湿地拦截过程会导致流域内水和DOC侧向输移过程的表达不准确，从而导致模拟的河流DOC浓度出现异常模式。

                                     > 图4不同模拟方案导致DOC波动不同模式的机制

在这项研究中，我们以湿地主导的流域为例，研究了拦蓄过程表示对河流DOC模拟的影响。分别开展了有无拦蓄过程的模拟。结果表明，无论是否显式表达拦蓄过程，径流和DOC负荷模拟精度都较高，但只有考虑拦蓄过程时，DOC浓度的模拟才令人满意。同时，没有拦蓄过程的DOC浓度模拟产生了不合理的波动。此外，多目标校准结果表明，使用DOC浓度而不是DOC负荷优化模型将更好地约束河流DOC模型。

本研究中开发的模型在过程完整性和模型复杂性之间取得了平衡。该模型空间显式的模拟了流域尺度上蓄水体的位置、上坡贡献区域和拦蓄功能，提供了一种高效的流域尺度河流DOC模拟工具。

原文链接：10.1029/2024WR038133