Hydrological connectivity: Linking concepts with practical implications
水文连通性：将概念与实践连接
水文连通性可以为复杂系统的研究提供综合方法。水文连通性有助于更好地理解系统变化的影响，从而为管理者和决策者提供关键的知识。对连通性的研究需要考虑结构和功能两方面，并定义适当的系统边界。讨论了实际应用水文连通性需要考虑的方面，并提出了一个基于实地知识的框架，该框架基于嵌套方法，需要有效地描述系统的所有相关组件，并理解在与连通性相关的不同尺度内和之间发生的过程和结果。这种方法可以对系统有更全面的理解，并且有助于建模和综合方法，也有助于综合集水区管理。
水文连通性——水从景观的一个部分转移到另一个部分，以及物质经过流域的物理运动，受到不同景观单元的影响。对水文连通性的研究可能会提高我们对系统的理解，在系统中，不同要素以非线性的方式形成条件，从而更有效地评估流域变化在这些复杂系统中产生的后果。
景观要素在纵向、横向、垂直和时间上影响水和物质的输送。它还会影响生物物理过程和生物地球化学功能，因此，相互关联的景观要素的分布在影响转移途径和流动模式方面至关重要。流域对自然和人类干扰或变化等事件和输入的响应也会因景观的分布和连接以及这些输入的时空分布而不同，这也将决定这些干扰所产生影响的传播。
连通性的变化可能会对侵蚀和沉积、泥沙和泥沙相关物质的运输等过程产生重大影响，这些过程反过来可能会影响水土质量。因此，研究水文连通性对合理管理土地和水资源以及了解系统变化的潜在环境影响至关重要。此外，这个概念可以考虑整个系统，应用这个概念，有益于流域的综合管理。对水文连通性更好更全面的理解，既是科学上的需要，也是决策者的需求，考虑到水文连通性对水质的影响，它与欧洲水框架指令要求特别相关，该指令要求改善欧盟水体的生态状况，并使用科学知识为决策者提供信息。
为了实现更好的理解，要认识到连通性如何以及在多大程度上可以用来理解系统，以及不同的因素如何相互作用影响整个景观的连通性，以及系统变化对路径分布和特征的影响。对系统的修改将通过影响连通性而产生一个动态反馈，而连通性又将反过来影响系统本身。因此，了解变化的结果可以为决策者提供有用的见解，以评估潜在的管理决策。为了解决这些问题，必须找到实际的方法。
本文将考虑水文连通性的实际应用，解决现有差距，使用全面的基于实地的知识，包括系统的结构和功能方面。
当前了解和应用水文连通性的方法：
连通性的概念/理论层面已经提出了一种综合的方法。但是由于连通性背后驱动因素的复杂性和可变性，使得连通性概念的实际应用变得更加复杂。为了实现其在更好地理解复杂系统和对流域综合管理做出贡献方面的潜力，需要将水文连通性从理论方法转向实际应用。
进展：概念和建模方法为理解监测技术难以达到的传统复杂系统提供了资源，需要与通过不同方法获得的特定环境知识进行交流。
连通性的结构和功能方法：
基于现场的方法对于提供对复杂系统中真实过程和相互作用的良好理解至关重要，而且需要提供更多的理论和建模方法，并测试这些方法提供的假设。基于现场知识的研究往往主要集中在结构和功能连通性两个方面。
结构连通性类似于连通性的静态方面，是景观的空间格局，如景观单元的空间分布和流域的物理特征。这种对系统进行非常准确描述的方法对于理解系统的结构和识别潜在的敏感区域非常有用。
构连通性只提供了一个静态的，它不基于过程，也不考虑反馈，因此是不完整的系统视图。原因：（1）需要测试连接相关特征的初始解释和假设；（2）有必要评估预测的路径是否被遵循，以及它们如何受到不同条件的影响或相互作用，（3）要考虑系统在受到不同过程的影响后是如何变化的，这些变化可能反过来在未来以不同的方式影响连通性。（4）为了完成对系统当前物理条件的全面而有用的描述和理解，从自然进化和管理的角度理解研究区域的历史是至关重要的，因为它决定了导致系统复杂的可变性。
只有考虑结构和功能方面之间的相互作用，才能全面了解水文连通性，所以需要考虑功能方面。定义功能方面的要素可能在定义水文连通性方面发挥着更重要的作用，但由于其内在的动态特性以及定义它们的相互作用的复杂性和可变性，它们也更难测量和量化。
必须避免对系统的过度简化，并通过提供一个强有力的概念框架来承认功能连通性的复杂性，在此基础上建立有意义的实地方法，包含这些功能元素，基于实地的方法获得系统的全部复杂性。
功能与结构方面的密切联系也可以从系统中发生的过程对结构连接和随后的反馈的影响中看出。功能连通性的动态过程会对结构连通性产生影响，而结构的变化也会反过来影响正在发生的动态过程，进一步影响景观的结构元素，从而创造一个反馈循环，所以需要考虑这些反馈和结构的时间变异性。
不同背景下的连通性：
功能连通性方法的另一个问题是，它并不总是考虑到它是过程高度特异性的，因此即使在类似的系统中也很难归纳。此外，功能连通性方法还取决于不同的行动者对环境设置的不同要求。
在连通性方面，一个尚未被广泛考虑的方面是地表/地下过程的解耦，这在某些湿温带环境中可能非常重要。离开温带地区流域的暴雨径流中，很大一部分是通过地下径流形成的，当这种潜流缓慢发生时，通过水在饱和土壤孔隙上的逐渐位移，长停留时间增加了水的携带沉积物潜力，这可能意味着从土壤中泥沙输移的重要路径。在排水不足的农田中可能会显著地取决于土地使用和土地利用的实践活动。另一方面，在自然发生的土壤管道中，地下通道甚至可能是系统中反应更快的元素。为了进一步考虑不同环境的背景特殊性，需要考虑所有维度(纵向、垂直、横向和时间)，因为简单的斜坡驱动横向水流进入纵向水道的方法并不总是与系统中发生的复杂相互作用相符合。
因为连通性的重要性适用于所有尺度和跨尺度，因此，需要从微观尺度到流域尺度来解决连通性的适用性。时间尺度需要考虑季节变化或长期模式的影响。
因此，在研究领域的连通性时，必须考虑到系统中涉及的所有行动者和因素，包括它们之间的相互作用，它们可能会导致相互之间的直接反馈或通过施加在结构上的变化的影响产生间接影响。考虑所研究系统与相邻系统的连通性也很重要，因为它们会对所研究流域的边界和初始条件产生影响，故应该适当设置系统边界。
评估流域连通性：
这种嵌套方法需要考虑所有可用资源来研究流域的水文连通性，并结合结构和功能元素(见表1a、1b和图1)。识别不同形式的连通性，并检查它们之间的相互配合，将为理解系统提供基础。嵌套方法适合于在不同的尺度上洞察系统，以及这些尺度之间的交互。此外，在设置边界条件时，还需要评估子系统之间和相邻系统之间影响的相关性。
表1a和1b展示了评估领域内连通性需要考虑的方面的指导方针(另见图1)。它提出了一个基线结构，在此基础上发展一种特定环境的领域方法，并获得评估系统内连接性所需的数据，这些数据可能有助于以后的其他方法。关于系统物理特性的信息应通过实地观测、遥感、文献资料和其他可用手段获得。理想情况下，了解该地区的固体和流动地质、土壤类型和分布、地表起伏、地形，应结合对土地覆盖和利用、潜在泥沙源和汇以及连通性增强和限制特征的良好描述。后者既可以更多地与景观结构有关，如洪泛区、缓冲区或自然景观洼地，也可以与土地使用和管理有关，如沟渠、车轮或田间排水。因此，对系统结构的理解需要根据需要定期更新，一方面它提供了面对未来输入或事件条件的理解，另一方面它可以评估过程和结构之间的交互影。
表1a 用基线结构去评估研究系统中特定条件的连通性
表1b ——表1a的使用指南
图1系统及其所有组件必须在连通性方面准确地描述，并系统地研究结构和功能方面。如所提议的框架所示，可以使用一种嵌套的方法来实现此目的，并考虑到不同的相关尺度和它们之间的交互作用。主系统和每个子系统必须仔细地选择和定义，并考虑相邻系统的影响。
除了了解该流域目前的特征外，对该地区历史演变的了解可以为全面了解该系统及其中发生的过程提供关键信息。重建景观的长期演变和流域土地利用的历史可以了解连通性的变化，并了解当前的条件。地质记录和地貌对前者有帮助，而对后者有帮助的是考古资料、历史文献和地方知识。泥沙记录可能对这两个时间框架都有用，并可能提供泥沙源变化的信息。但是，必须谨慎地解释从这些记录中获得的资料，因为并非总是可以得到完整的数据集，甚至也不知道这些数据集是否适合研究领域。
图2. 对该领域连通性的结构和功能方面的研究将有助于评估我们对所研究系统各组成部分之间相互作用的概念理解，从而提高我们对不同条件下这些相互作用的特征和优点的认识。
为了增加对流域的了解，必须考虑系统功能方面的作用(表1a和表1b)，以便能够评估事件和输入的影响，这些事件和输入以有意义的方式提供和影响连通性的条件。对自然事件或人类输入的研究，将为了解流域的连通性以及各种实地相关的过程和相互作用增加一个不可或缺的因素。
因此，在该领域收集的知识可以大大有助于建模和仿真方法，因为它既可以测试通过研究合成环境创建的假设，也可以提供数据给信息和评估模型。
这项分析将水文连通性在实际应用和概念层面的关系进行了概述，并随后评估了以有效和全面的方式研究这一概念所需要考虑的因素。为了获得可靠的知识和对实际系统的明确了解所需要的以实地为基础的方法需要包括连接的功能方面，因为需要了解功能和结构之间的相互作用，以检查影响系统中路径和转移过程的因素之间关系的复杂性。
一种基于实地知识的方法，考虑了连通性的结构和功能方面，可以在特定环境的基础上理解流域的水文连通性。已经提出了一个基本框架，可以考虑到系统的所有有关方面，并可作为开发一种基于领域的嵌套方法来评估连接性的工具。由此获得的知识可以与其他方法一起有助于更综合和全面地了解转移过程和非线性反应，也可以为参与流域综合管理的决策者提供信息和帮助。
作者 | 娟龙
编辑 | 回毅滢
