2020, Vol. 32 
(2: 北京师范大学水环境模拟国家重点实验室, 北京 100875)
(3: 北京师范大学水沙科学教育部重点实验室, 北京 100875)
(2: State Key Laboratory of Water Environment Simulation, Beijing Normal University, Beijing 100875, P. R. China)
(3: Key Laboratory for Water and Sediment Science, Ministry of Education, Beijing Normal University, Beijing 100875, P. R. China)
生态需水(Environmental water或water for the environment)，是指维持水生生态系统健康所必要的流量或水位的大小、时机和水质[1]，研究对象涉及河流、湖泊、沼泽等多种生态系统类型，其中河流多采用生态流量或环境流量表述, 湖泊湿地多采用生态水位表述.近些年来关于生态需水的研究多集中在河流生态系统，并提出了一系列的研究方法，如水文学方法、水力学方法、栖息地模拟法以及整体法四大类[2].湖泊生态需水是指维持湖泊湿地的生态系统基本结构与重要功能完整的生态水位，具有明显的时空性、复杂性和综合性[3-5]，计算方法有水量平衡法、换水周期法、最小水位法、功能设定法、水质目标法等[6-8]；也有学者认为湖泊生态需水量是指为维持湖泊功能不受破坏而每年因消耗所需要补充的水量[9].不同学者有不同的理解，并将上述方法应用在鄱阳湖[10-11]、太湖[12-13]、博斯腾湖[14]、南四湖[15]等淡水湖泊生态水位核算中.
白洋淀作为我国北方最大的浅水草型湖泊，其生态需水研究也得到了国内生态水文学家的关注，自从2003年以来，国内生态环境学者采用多种方法，从生态需水等级要求、随月际变化等角度定量核算了淀区生态需水，但大多数仍处于初步、粗略核算阶段，缺乏需水机理的理解和阐释[8, 16].由于入淀水量不足、各类污染物输入量大、生态空间萎缩以及生态环境管理体制机制不完善等原因，白洋淀存在水体污染较重、生态水文过程弱化、沼泽化严重和生物多样性退化等生态环境问题，生态需水核算亟待明确，生态环境修复刻不容缓[17].此外，河北雄安新区规划和建设也为白洋淀生态环境提出了更高的要求，生态需水保障是白洋淀生态修复的核心，已有针对白洋淀生态需水的相关研究能否有效支撑多源补水长效机制的构建、科学指导白洋淀生态水文调控策略，尚缺乏系统梳理与科学论述.本研究从生态需水核算方法的原理切入，总结了满足白洋淀不同生态管理目标要求的生态需水核算方法及其结果，从生态管理目标内涵、生态水文响应机制、不同时空尺度差异以及河湖水系连通等角度深入剖析了当前湖泊生态需水核算中存在的不足，提出了新形势下白洋淀淀区生态需水研究的新思路，可对河北雄安新区的蓝绿空间格局和水资源管理提供重要的科技支撑.
1 数据来源本研究基于中国知网和Web of Science数据库平台，选择关键词“白洋淀”+“生态水位、最小水位、生态需水、环境需水、生态环境需水、生态流量、环境流量”(英文：“Baiyangdian” +“Ecological water level, minimum water level, ecological water requirements, environmental water requirements, environmental flows, ecological flows”)作为检索策略，检索时间段截至2018年，共检索到有效论文35篇，包括中文27篇，英文8篇(期刊论文24篇，会议论文2篇，学位论文9篇).从图 1可以看出，白洋淀生态需水研究自2000以来展开并逐年递增，于2011年成果产出最多.
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图 1 白洋淀生态需水核算文献及项目支撑 Fig.1 Publication and technical project about water for environment in Lake Baiyangdian |
白洋淀生态需水核算方法包括常用的水量损失法、生态水位法、功能设定法、水量水质耦合法、最小水位法、水量平衡法、生境分析法等，均以水量或水质作为关注核心要素(表 1).生态水位法是最常用的方法之一，该方法通过对其长序列的水文资料分析，寻求多年来频率出现较高的水位作为湿地较适宜水文条件，并与生态环境状况进行对照进行验证，其实质上是考虑了生态系统状态的水文学方法[18]；水量损失法以湿地水域范围作为核心研究目标，考察的是湿地蒸发、渗漏等自身消耗的总水量；最小水位法和功能设定法虽然目标为生态环境功能维护，多依赖于经验、主观地确定相应一定的水位[19].此外，近些年来发展起来的其他方法如生态系统扰动法[7]、生态系统脆弱性评估法[20]、服务价值法[8, 21-20]等，试图从生态系统完整性、稳定性、功能健全的角度计算白洋淀生态需水.
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表 1 白洋淀生态需水核算方法原理 Tab. 1 Calculation methods and principals about water for environment in Lake Baiyangdian |
广义上生态需水指湿地为维持自身存在和发展以及发挥湿地应有的生态环境效益所需要的水量，可理解为存量、蓄水量，狭义上一般认为是补充湿地生态系统每年消耗的水量，可以理解为通量、补水量；对于受人工调控的白洋淀而言，针对两种内涵开展的研究普遍存在.也有学者将其分解为满足淀区水资源蒸发入渗消耗的刚性需求以及改善淀区水动力条件和水生态环境质量的弹性需求[9]，其实质与通量和存量概念并不矛盾.可以从白洋淀生态水位和基于补水量的生态需水两个方面进行分析.
2.2 不同方法对白洋淀生态需水核算结果的影响采用不同方法核算的白洋淀生态需水量如图 2所示.有11种方法从淀区存量的角度进行了需水核算(图 2a)，由于面向的生态系统保护目标(如水量保障、水质改善、功能维持等)不同，导致核算结果有显著差异.其中，水量平衡法、年保证率法、水面变化速率法均以维持一定的水面，即水量保障为目标，计算结果普遍比较保守，在1.10亿~1.73亿m3之间；生态水位法、生态系统扰动法和生态系统服务价值法分别以维持生态系统状态最优、生态系统健康和生态系统服务功能最大为具体目标，核算结果在2.80亿~3.10亿m3之间；而功能设定法、生境分析、生态系统脆弱法等均以维持正常生态环境功能为管理目标，核算出的结果偏高，分别在4.20亿~5.37亿m3之间；而量质耦合法和换水周期法均为以保持良好的水质条件为重要目标，核算结果分别为5.57亿、5.99亿m3，远远大于仅仅考虑水量需求的水文方法.另外有6种核算方法从补水量的角度核算了白洋淀生态需水量(图 2b)，同样可以看出，由于考虑了水质改善需求，环境改善法和物质平衡法的核算结果均显著大于水量损失法、最小水位法和水量平衡法等单纯的水文学方法.
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图 2 不同生态需水核算方法及研究结果 Fig.2 Results from different methods of water for environment in Lake Baiyangdian |
崔保山等[51]早在2003年首次提出了生态需水等级概念和内涵，为后来湿地生态需水核算奠定了理论基础，其中最大生态需水量是系统可能承受的最大水量，超过该水量系统可能发生突变；适宜生态需水量是系统存在所需的最佳水量，此时系统处于最理想状态；最小生态需水量是系统维持自身发展所需的最低水量，低于该水量系统可能发生萎缩、退化甚至消失.分析了检索的文献，有16篇从白洋淀最小、适宜和最大三个等级核算的结果(图 3).统计分析表明，白洋淀最小水位为7.45±0.66 m，适宜水位为8.61±0.52 m，最大水位为9.46±0.51 m；相应的生态需水量年均最小为1.93亿m3，适宜需水量为4.02亿m3，且最大值为6.93亿m3.而上游水库拦蓄背景下白洋淀入淀流量小，自1997年以来，长期依赖于“引黄济淀”、“引岳济淀”、“南水北调”中线补水等调水工程措施，淀内水位在7.0 m左右波动[52]，长期处于最小水位下限，勉强维持生态基本需求.
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图 3 白洋淀最小、适宜和最大等级的年均生态水位(a)和生态需水量(b) Fig.3 Annual water for environment in minimum, suitable and maximum grades in Lake Baiyangdian: (a) ecological water levels; (b) ecological water demand |
有14篇文献从月尺度分析了白洋淀不同等级的生态水位或生态需水量(图 4).各核算方法获得的生态需水量月际变化趋势大致相同，8月和9月份生态需水量较大，5月份最小；但各个月份最小、适宜生态需水量的变幅均比较大，适宜需水量计算结果的平均标准偏差为1.08亿m3；最小需水量的平均标准偏差0.42亿m3；体现了不同核算方法引起的差异.
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图 4 白洋淀最小和适宜的月均生态水位(a)和需水量(b) Fig.4 Monthly water for environment in minimum and suitable grades in Lake Baiyangdian: (a) ecological water levels; (b) ecological water demand |
作为典型的受人工调控的浅水湖泊，许多学者认为白洋淀生态需水是指需要补充的水量，即作为水资源配置或三生用水(生产、生活和生态)的重要组成进行核算，该研究成果并非国际上通用的生态需水的概念，但可以对研究区的生态流量保障提供有效支撑.共有3篇文献从每月生态补水的角度进行了核算，其中陈贺等[7]和董文君等[29]都采用了净蒸散量和渗漏损失之和获得了淀区生态补水量，2篇文献计算的最小生态补水量分别为0.845亿m3和1.0亿m3，较为接近；但适宜生态补水量差别较大，分别为1.26亿m3和3.1亿~ 6.47亿m3；而李经伟[41]采用功能设定法获得了最小生态补水量1.887亿m3、适宜生态补水量3.389亿m3、最大生态补水量5.909亿m3.各月生态补水量如图 5所示，由于不同方法考虑的生态保护目标差异，导致结果变幅较大.实际上，生态保护目标、研究方法、关键参数、假设条件、数据基础、时空尺度，均会对生态需水量的核算结果产生重要的影响，也是科学合理核算生态水量、科学指导长效生态补水的重要前提.
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图 5 白洋淀各等级月均生态补水量 Fig.5 Monthly water releasing for environment in minimum, suitable and maximun grades in Lake Baiyangdian |
当前白洋淀采用的生态需水核算方法中，有仅仅考虑水文要素的水量平衡法、年保证率法、水面变化速率法，也有考虑水质改善的量质耦合法、换水周期法、环境改善法和物质平衡法等，还有从生态系统整体健康、功能最大的生态水文学方法，涵盖过多研究目标和要求，平行的单目标或多目标方法体系并存，故因生态管理目标选择的不同，直接导致了生态需水核算结果的显著差异，考虑水质改善的核算结果和关注湖泊生态系统功能维持的核算结果分别是单纯水量保障相关方法的4~6倍和1.5~2.5倍；然而白洋淀生态需水内涵应该如何界定，生态管理目标应该是什么需要进一步明确.据2018年布里斯班宣言和全球行动议程[1]，生态需水是指维持水生生态系统所必需的一定数量、时间和水质的淡水流量或水位，用以维持人类文化、经济、可持续生产生活及人类福祉.当前国际主流来看，在生态需水核算中生态管理目标旨在保证健康可持续的水生生态系统.白洋淀生态环境治理与保护规划[17]要求白洋淀以水面恢复、水质达标、生态修复为目标进行综合治理，逐步恢复“华北之肾”功能.因此，在当前水量、水质、生态问题并存的情况下，有必要结合具体阶段具体分析.当前入淀河流多数断流，入淀水量逐年减少，白洋淀水质整体处于Ⅳ类以下的情况下，水质改善是白洋淀生态环境功能正常发挥的限制条件；未来一段时间，随着雄安新区建设、白洋淀污染源控制、环境质量改善，可将生态管理目标重点放在生态系统功能维持上.
3.2 湖泊生态-水文响应规律及机制缺乏，难以保障生态需水核算结果科学性在生态需水核算方法中，Poff等提出了近自然水文情势法IHA/RVA法[53]曾一度被生态需水学者推崇，该方法适用于人工化程度相对较低的水生态系统，但我国并不能广泛适用，2017年Poff进一步提出了该方法不能适应变化环境中生态需水核算的缺陷和不足[54].当前国际上比较认可的是ELOHA法[55]，该方法属于整体法，通常根据区域内多条河流的已有水文和生态数据库，获得不同类型水体的流量-生态响应关系曲线，是制定湿地生态需水标准的基础.此外，国内学者及管理者也逐步将河湖生态需水的管理目标从水文均值、水质指标、单一鱼类保护逐步发展到更多关注生态系统结构、功能、健康等层面上来，推动了对河湖生态需水内涵上的理解和对湖泊管理上的提升.当前白洋淀水文数据比较翔实，但是生态数据的观测资料精度较低，更缺乏有效的时间序列资料，难以获取有效的水文-生态响应曲线；而已有白洋淀生态水位法[18]中则是通过水文频率(用月均和年均水位表示)的高低进行估算的，认为长时间尺度的高频水位是生态系统已经适应的水位，对应水量即为生态需水，尚缺少湖泊水文-生态响应规律和机制解释，也缺乏从整体角度分析淀区生态系统健康、生态系统服务、生物多样性等与水文关系的阐释.
3.3 生态需水核算中时间尺度考虑不足，不利于生态系统健康及多样性维持当前研究中多关注白洋淀年均水位以及年内最小、适宜、最大水位等，仅有14个案例中涉及到了月均水位的变化，鲜有学者研究关注水文脉冲及涨落过程[8].多种国际上较为先进的生态需水核算方法中(如IHA/RVA法、ELOHA等)，均特别强调了随时间变化的动态需水特征，以及营造年内和年际高流量脉冲对于河湖生态系统多样性的维持极具重要意义[53-55].尽管高流量脉冲与生物生命周期的相关关系机理尚不够清晰，但众多研究显示年内周期性变化和高流量脉冲模式共存，为湖泊湿地提供了动态的水位条件，使水生植物与湿生植物交替生长；水位涨落变化会引发鱼类等生物如产卵繁殖和洄游等特定行为，是水生生物群落多样性的关键[56].由于白洋淀生态需水的科技支撑不足，以往淀区生态补水时往往根据经验临界水位(6.0 m)作为补水需求的指示，导致白洋淀实际水位变化中高流量脉冲涨落过程不明显，次数偏少，且与历史水文情势过程严重不匹配，年内高水位(1997-2011年)相比以往(1959-1996年)的8-9月，提前到了3月，导致即使在每年坚持补水1~2次的情况下，生态效应仍不容乐观[57].白洋淀生态环境治理与保护规划[17]要求淀区正常水位达到6.5~7.0 m，非植物生长季可适当降低，因此为改善和提升生态系统健康，有必要结合ELOHA等先进的河流生态流量核算技术，在明确淀区水位变化与生态效应响应曲线的基础上，合理界定白洋淀年内及年际生态需水的动态.
3.4 缺乏考虑淀区内部空间异质性，难以支撑新区建设中淀区科学精细管理已有白洋淀生态需水研究中，均将全淀概化为一个静态的、完整的浅水湖泊湿地.一方面，缺乏淀区水面-植被-台田等不同景观格局差异的考虑，难以支撑白洋淀生态环境治理和保护规划[17]中关于加强淀区水动力过程调控和精细化管理的需求；另一方面，淀区库容曲线一直沿用1950s的历史数据，在淀内底泥淤积以及疏浚等过程影响下，淀底高程与历史状态已经有较大差异，导致了当前生态需水核算成果的不准确性.实际上，就自然力而言，湖泊会因地质构造运动和长期淤积致使湖水变浅，尤其是白洋淀草型湖泊，只入流、不出流的水文现状以及过剩的氮磷营养物质使水生生物生长茂盛，沼泽化趋势明显[58].当前生态需水核算结果存在高度概化，只提供淀区单一需水量值，缺少空间分布信息的缺陷.也有研究者对淀区景观格局演变开展相关研究[59-60]，阐释明水面、芦苇沼泽、农田和居民地之间的变化及转换，定性分析水位变化、人类活动、降水等驱动力对景观格局指数的影响.
3.5 孤立研究湖泊水量需求，无法有效支撑生态补水调控的实施现有研究中多针对白洋淀淀区的生态需水及生态补水量开展核算，缺乏考虑水文连通背景下的河流湖沼关系.白洋淀生态环境治理与保护规划中明确要求建立多水源补水机制，开展水量联合调度，实现河淀联动，恢复淀泊水动力过程.湿地生态水文调控不仅要解决如何补水问题，还要解决如何排水的问题，恢复与维持湿地生态系统合理的水文情势、安全的水质标准和良好的生态功能.白洋淀从历史上九河入梢，演变为仅有府河、孝义河承接上游县市城镇污水处理厂出水，水量缺乏水质恶化并存；而当前雄安新区建设新形势下需要统筹引黄入冀补淀、上游水库、本地非常规水资源以及“南水北调”水资源，河湖水系关系复杂多变.新区建设的高起点规划、高规格要求下，新区要求建设水系连通工程，恢复淀泊水动力过程，形成“一淀、多廊”的生态格局.因此，忽略水文水动力、水质因素，以及河湖沼之间的水力连通关系，孤立地计算白洋淀淀区水面水位需求是远远不够的，很难有效支撑白洋淀多源生态补水调控和淀泊生态水文过程优化.
4 新形势下白洋淀生态需水核算研究展望大量学者针对白洋淀生态水位开展了系统而有深度的研究，从水量平衡、植被需水、蒸发渗漏损失、水质改善、生境脆弱评估等不同角度核算了白洋淀最小、适宜和最大生态水位、生态补水量等，对白洋淀生态保护与修复起到了积极的科技支撑作用.河北雄安新区建设规划给白洋淀生态环境提出了新的要求和挑战，在高起点规划、高标准建设雄安新区要求下，精准核算白洋淀生态水位和大清河水系廊道生态基流，是构建多源补水机制、形成“一淀”、“多廊”生态格局的前提.以下从分时分区的淀区生态需水精细化核算、分时分段的淀区生态需水质量耦合模拟、考虑河湖连通的淀区水动力过程恢复等方面提出相应的对策和建议.
4.1 分级分区的淀区生态需水精细化核算白洋淀淀区内有大小不等的143个淀泊和3700多条沟壕，零星分布有36个纯水村，常驻农村居民达10万人以上，河淀相连，芦苇-台田-水域镶嵌，景观格局复杂；且淀底高程一般为5.5~6.5 m，壕沟沟底高程为6.0~7.0 m，芦苇高程在7.5~8.0 m，园田高程在9.0 m以上[61]，不同季节、不同水位条件下淀区核心水域、植被格局的空间异质性变化明显.为实现白洋淀淀区生态需水的科学精细核算，从湖沼湿地生态需水机制的角度，对淀区进行生态功能划分并分时分区开展生态需水的相关研究势在必行.当前我国的生态功能分区工作还主要集中在流域、省级和全国等大尺度上，对于单个湖泊进行的生态功能分区工作比较少，仅鄱阳湖开展了科学探讨[62].
未来研究中，可通过高分辨率遥感影像解译分析白洋淀不同时期水面-植被-台田之间的景观格局特征，构建白洋淀生态系统服务时空模拟模型(如InVEST模型等)，对其栖息地质量、碳储量、水质净化、文化服务等重要生态系统服务进行空间化和动态化的定量评估，解析白洋淀生态功能的空间异质性，并结合两规提出白洋淀生态功能的多级分区方案；对于台田芦苇沼泽区域，分析不同水位与淀区生态格局关系，明确水位波动、季节差异对植被分布格局和蒸散发过程的影响，建立淀区消耗性需水核算方法；针对淀区核心水域，建立水位水量驱动下的湖泊水域生态系统模拟模型(如PClake，IPH-ECO等)[63-64]，模拟水位对湖泊生态系统演变的驱动机制，阐明生态要素-水位水量之间的响应关系曲线，耦合消耗性需水动态，形成不同功能区划的白洋淀生态水位核算技术及阈值方案(图 6).
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图 6 白洋淀生态需水精细核算的研究思路 Fig.6 Framework of fine calculation of water for environment in Lake Baiyangdian |
虽然生态需水有水量和水质两重含义，但是在内源、外源污染得不到控制的情况下，核算生态水位既不符合可持续发展，也达不到有效指导生态补水的效果.近年来，白洋淀水质长期处于Ⅳ~劣Ⅴ类之间，富营养化问题及沼泽化趋势并存，水质达标率不足25 %，白洋淀中水村居民的生活废水、垃圾渗滤水等得不到即时管控，淀外污染源尚未彻底切断，污染物总量居高不下.中国环境状况公报显示，2005-2011年白洋淀水质属于劣Ⅴ类，2012-2014年为重度污染湖泊. 《河北雄安新区规划纲要》明确表示，要修复水体底部水生动物栖息生态环境，提升淀泊水环境质量，将白洋淀水质逐步恢复到Ⅲ~Ⅳ类.然而任何修复工程都不是一蹴而就，白洋淀也不例外.
有必要在考虑水质管理措施和目标的前提下分阶段核算白洋淀生态需水量，实现白洋淀水生态环境的系统治理与整体修复.白洋淀系统治理措施包括控源、净淀和生态补水等措施，其中，控源重点关注包括淀外点源和面源在内的陆上污染源、纳污支流、入淀河流、草型河口的各项污染源负荷削减；净淀主要是淀内及淀中村生活污水、生活垃圾、畜禽养殖污染治理以及科学精准的底泥疏浚、沼泽化控制等；生态水文调控包括引黄入冀补淀、上游水库(安格庄、西大洋、王快、龙门等)及本地非常规水资源在内的多源长效补水机制的构建.要科学合理量化淀泊生态需水过程，就需要在充分考虑控源、净淀等系统治理措施的分阶段实施的条件，建立白洋淀水文-水动力-水质耦合模型(如MIKE21，Delft3D等)，进而通过量质耦合过程模拟，确定不同阶段的生态需水调控方案.
4.3 考虑河湖连通的淀区水动力过程恢复《河北雄安新区规划纲要》明确指出，“建设水系连通工程，联合调度安格庄、西大洋、王快、龙门等上游水库水量，恢复淀泊水动力过程”.而白洋淀沟壑分布复杂，围埝众多，且多年来依赖于补水维持淀区最小水位，尚无水可下泄，导致了极弱的淀泊水动力过程.作为淀区中物质输送、迁移和扩散的主要驱动力，水动力过程对淀泊生态系统的演变起着重要的作用[65]，特别是浅水、空间异质等特征，水文连通对水动力过程恢复举足轻重.伴随着强烈的多源补水需求，水文连通框架及关键技术体系研究成为白洋淀生态水文调控工作的重点，特别是新区规划建设新形势新要求下，引水水源选择、引水路线优化、生态指标筛选、补水优先次序、组合模式、时间展布均需要科学合理的技术支撑.
未来研究中，需要从水文连通全新视角来开展白洋淀生态水文调控、提升淀内生态水文动力过程和生态系统自我修复能力，以流场分布、连通强度、滞留时间以及水龄变化等重要参数变化作为表征[66-68]，重点关注并开展白洋淀流域水系连通演变过程及驱动、水系网络构建与优化、连通格局强度及时效的生态效应，生态补水的优先次序及组合模式和多源补水长效机制构建等几个方面(图 8).
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图 7 基于水文-水动力-水质耦合模型的生态需水调控研究思路 Fig.7 Regulation framework of water for environment based on hydrological-hydrodynamic-water quality coupling mode in Lake Baiyangdian |
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图 8 水系连通及淀泊水动力过程恢复的研究思路 Fig.8 Restoration framework of river-lake hydrological connectivity and hydrodynamic process in Lake Baiyangdian |
1) 系统分析了国内外文献中关于白洋淀生态需水核算的研究现状，研究取得了较为丰硕的成果，从存量的角度，白洋淀最小生态水位为7.45±0.66 m，适宜水位为8.61±0.52 m，最大水位为9.46±0.51 m；各等级生态需水月际变化趋势大致相同，8-9月份最大，5月份最小，但各月不同等级生态需水量的变幅较大；从通量的角度，白洋淀最小生态补水量为1.35亿m3，适宜补水量2.40亿m3，最大生态补水量6.20亿m3，研究成果在一定程度上支撑了现阶段白洋淀生态补水.
2) 在雄安新区高起点规划、高标准建设的新形势下，当前研究成果尚不能很好契合与支撑多源长效补水需求，如不同生态修复阶段各类生态需水核算方法的适应性问题；湖泊生态-水文响应规律及机制缺乏，难以保障生态需水核算结果科学性；存在对生态需水核算中时间维度考虑不足且缺乏考虑淀区内部空间异质性的问题，难以支撑新区建设中淀区科学精细管理；且多孤立研究湖泊水量需求，尚未考虑水文连通，无法有效支撑生态补水调控的实施.
3) 为推进白洋淀生态需水成果进一步提升，综合已有研究和热点前沿，本文提出分时分区的淀区生态需水精细化核算、分时分段的淀区生态需水质量耦合模拟、考虑河湖连通的淀区水动力过程恢复提精准核算等几个方面的建议和展望，以期科学支撑新区多源补水长效机制的构建和“一淀、多廊”生态格局的形成.
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