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在草原坑洼地区（PPR），湿地排水与农业利用矛盾突出。研究人员开发水文模型研究该地区湿地地表积水动态。结果表明，积水主要源于地表径流和降水，地下水贡献小。该研究为排水设计、作物分析等提供依据。
在广袤的北美大地上，有一片独特的区域 —— 草原坑洼地区（PPR）。这里分布着大量由第四纪冰川融化形成的凹陷湿地，宛如大地的 “小酒窝”。曾经，这些湿地是众多野生动物的栖息地，尤其是为迁徙鸟类提供了重要的停歇和觅食场所。然而，从 19 世纪末开始，情况发生了变化。随着农业的发展，人们为了获取更多的耕地，开始对这些湿地进行排水改造。大量的湿地被转化为农田，用于种植玉米、大豆等作物。
但这种改造带来了一系列问题。一方面，湿地的排水导致水禽栖息地减少，水禽数量下降；另一方面，即使经过排水处理，在强降雨或春季融雪后，许多湿地仍然会出现积水现象，使得这些土地既不适合耕种，又无法恢复湿地的生态功能。此外，由于缺乏对该地区水文循环过程和机制的深入了解，在农田排水系统设计和作物种植管理方面存在诸多困难。因此，开展对草原坑洼地区排水农田湿地水动力的研究迫在眉睫。
为了解决这些问题，来自国外的研究人员开展了一项具有重要意义的研究。他们利用 HydroGeoSphere（HGS）构建了一个基于物理过程的模型，对爱荷华州汉密尔顿县的一组农田坑洼进行了研究。研究人员通过模拟 11 年（2011 - 2021 年）的水文过程，分析了地表积水的形成过程、主要驱动因素以及积水深度和持续时间，还评估了作物产量受积水影响的情况。
研究结果显示，地表积水主要由地表径流和降水驱动，其中降水贡献了 64.1%，径流贡献了 35.9%，而地下水上升的贡献微不足道。平均入渗率约为 25mm / 天，平均积水深度为 6.8cm，平均积水持续时间为 3.6 天 。分析积水持续时间发现，在 11 年中有 2 年作物产量因积水减少，6 年出现作物完全损失的情况。该研究成果发表在《Agricultural Water Management》上，为农田排水系统设计、作物因积水受损分析以及理解排水农田坑洼的水循环提供了重要信息，有助于推动相关地区的决策制定和生态保护。
在研究方法上，研究人员选取爱荷华州汉密尔顿县的一个 188,583.5m2 的流域作为研究区域，该区域内有监测井和多个不同面积的坑洼。研究利用了多种数据，包括 2011 - 2014 年的地下水位测量数据用于模型校准，2015 - 2021 年的 Sentinel - 2 卫星图像和 2016 - 2021 年 OpenET 的实际蒸发蒸腾（AET）数据用于模型验证。研究人员还开发了基于卫星图像和地表积水测量的积水分类算法，并使用 HGS 模型进行模拟，该模型基于 Saint - Venant 和 Richard 方程分别计算地表和地下水流，通过设置多种参数和边界条件来模拟水文过程。同时，利用 Nash - Sutcliffe 效率（NSE）和 Pearson 相关系数（r）评估模型性能。
在模型应用方面，由于研究区域缺乏实际的田间排水管网记录，研究人员在专家帮助下设计了合理的排水系统，并采用 Simple - Drain 边界条件进行模拟。通过网格敏感性分析确定了最佳网格离散化参数，设置了模型的各种参数，包括地形、土壤属性、蒸发蒸腾参数等，完成了模型的搭建。
研究结果部分，首先是模型的校准与验证。校准结果显示模型能预测地下水位变化趋势，但在积水时间预测上存在一定偏差，校准的 NSE 为 0.55，Pearson 相关系数为 0.78 。验证结果表明，利用卫星图像验证积水预测的准确率较高，在 85 张图像中有 80 张验证正确；在 AET 预测方面，模型在低 AET 值时与 OpenET 估算结果相似，但在生长季高峰期存在偏差，验证的 NSE 为 0.94，Pearson 相关系数为 0.97。
其次是水均衡分析。研究发现，平均而言，大部分降水（65.5%）通过蒸发蒸腾离开流域，34.1% 通过 tile 排水网络排出，仅有 0.4% 通过自由排水排出。在不同年份，降水、蒸发蒸腾和 tile 排水之间的关系有所不同，湿年 tile 排水排出的降水比例较高，干年则较低。从季节分析来看，生长季蒸发蒸腾作用强，冬季 tile 排水作用更明显。
然后是积水来源分析。通过对坑洼 C 的水均衡分析发现，2014 年降水是最频繁的积水来源，重大积水事件由降水和径流共同导致，地下水贡献可忽略不计。从多年模拟结果来看，降水和径流是主要积水来源，地下水贡献极小。同时，研究还发现地下水位位置控制坑洼积水速率，土壤饱和度影响入渗过程，进而影响积水时间和深度。
最后是积水深度、频率和持续时间分析。研究表明，坑洼 A 平均每年积水约 6 次，平均积水深度 6.4cm，平均持续 4 天；坑洼 C 平均每年积水约 5 次，平均积水深度 7.2cm，平均持续 3 天。根据积水持续时间分类，坑洼 A 属于临时坑洼，坑洼 C 在平均条件下为临时坑洼，湿年可能成为季节性坑洼。
在结论与讨论部分，研究表明基于物理过程的模型能有效评估草原湿地水文动态。研究结果与其他研究在水均衡、积水来源和入渗率等方面既有相似之处，也存在差异。该研究为湿地恢复和农业实践改进提供了重要依据。但研究也存在一定局限性，如模型设置复杂、对数据要求高、计算量大，校准和验证数据覆盖时间有限，结果受 tile 排水网络配置影响等。未来研究可从评估 tile 排水网络配置影响、研究地表入口作用以及提高卫星图像使用频率等方向展开。这项研究对于理解草原坑洼地区排水农田湿地的水文过程具有重要意义，为后续的生态保护和农业可持续发展提供了关键参考。
