三峡水库运行前后洞庭湖洲滩面积变化遥感认识

为研究三峡水库运行前后洞庭湖洲滩面积的变化特征及原因,利用1994-2016年128个时相的多平台卫星遥感数据,结合城陵矶多年水位观测资料、洞庭湖的多年泥沙出入资料,建立水位与洲滩面积的关系曲线.结果表明,三峡水库运行后,洞庭湖水位和洲滩面积的变化幅度小于运行前,二者呈线性关系.洞庭湖洲滩面积在不同时间段线性趋势不同,总体呈先扩张后萎缩的特征.与三峡水库运行前相比,三峡水库运行后同一水位下洞庭湖洲滩面积更大;且水位越高,增幅越大.三峡水库运行前,洞庭湖泥沙处于不断淤积的状态;运行后,泥沙淤积量降低直至负数,洲滩高程以1.59 mm/a的速率降低.三峡水库的运行和湖砂开采,是影响洞庭湖洲滩面积变化的重要原因.      

洞庭湖萎缩对湖内洪水影响

为了更好地理解湖泊萎缩对湖内洪水过程的影响,在假定洞庭湖将继续萎缩的前提下,通过建立荆江-洞庭湖水动力模型,定量分析洞庭湖萎缩对湖内洪水的影响。研究结果表明,湖内水位及洪峰流量随湖泊面积的萎缩而增加,洪峰水位到达时刻随着湖泊萎缩而提前。若遇1996年型洪水,洞庭湖面积若从目前的2 670 km2减小至1 380 km2时,西洞庭湖及南洞庭湖内最高水位将抬高2.0 m左右,东洞庭湖水位将抬升0.4 m左右,城陵矶站点洪峰水位到达时刻将提前约11 h,洪峰流量增加约4 800 m3/s。因此,若洞庭湖湖泊面积在目前基础上（面积2 670 km2）继续萎缩,湖区特别是西洞庭湖及南洞庭湖将面临更为严峻的洪水灾害。虽然湖泊萎缩对西洞庭湖与南洞庭湖内水面坡降影响较小,但东洞庭湖内水位同时受湖泊萎缩及长江来流的影响,水面坡降发生较大变化,在距离蔡家洲80~110 km（鹿角站附近）河段水面坡降出现大幅增大。     

三峡水库近20年水面蒸发量分布特征及趋势分析

水面蒸发是三峡水库水体水量损失的主要部分,是研究水库水量平衡的基本要素。收集了三峡水库沿线7个气象局近20年的水面蒸发量观测资料,通过整理和合理性检验后,对三峡水库水体的水面蒸发量以及蒸发能力在空间和时间上的分布特征和变化规律进行了分析。分析成果表明:各观测站水面蒸发量逐月变化规律均一致;水面蒸发量逐年变化呈波动性,年蒸发量在变化过程中有显著下降的趋势。空间变化特征是月水面蒸发量由上游至下游呈现多个峰值和谷值的变化;年蒸发量是库区上游站点年蒸发量偏小,沿程变化从上游沙坪坝到下游巫山逐渐增大,然后从巫山到下游巴东逐渐变小。     

洞庭湖区洲土变化特征与地壳沉降遥感研究

洞庭湖泥沙淤积严重，多年平均泥沙淤积量达14，334万t/a；同时，洞庭湖又处于不均匀的地壳沉降中，沉降速率达5．00－31．3mm/a。作者应用20世纪70年代和90年代两个时段18个时相卫星遥感数据。系统地调查量算了不同水位时洲滩的出露面积。在此基础上，根据不同水位时来来沙规律及洲土面积与水位的变化关系，利用现代航天对地观测技术有效地论证了洞庭湖的地壳沉降与湖盆泥沙淤积。研究表明，洞庭湖仍处于不断沉降中，在平水位以下或洪水位以上，地壳沉降速率均大于泥沙淤积速率。     

洞庭湖中枯水期水情变化及其驱动因素

为揭示洞庭湖中枯水期水情变化特征及其驱动因素,采用长短期记忆神经网络模拟洞庭湖出湖流量及湖区水位,通过情境模拟开展水情变化归因分析。洞庭湖1992—2019年9—10月出湖流量大幅减少,主要受长江流量降低的影响。洞庭湖中枯水期水位主要呈下降趋势,其中9—10月平均水位在西洞庭湖、南洞庭湖降幅约1 m,在东洞庭湖降幅约2 m。地形变化对中枯水期水位主要起拉低作用,长江和流域四水流量变化在9—10月起拉低作用、在12月至次年3月起抬升作用,其中对东洞庭湖水位的影响相对更为显著。研究结果可为洞庭湖中枯水期水资源管理和湿地保护提供参考。     

洞庭湖区湖泊洲滩地表覆盖变化

为了解20世纪70年代以来洞庭湖区湖泊洲滩地表覆盖变化,基于1978年以来的多源中分辨率遥感影像,对洲滩地表覆盖情况进行了监测,利用决策树分类方法解译,结合地理国情普查数据验证了解译精度.结果表明:近40年来,杨树和芦苇地是1978年以来变化最大的地表覆盖,二者呈此消彼长的增减状态,2007—2015年分布面积基本相当,2015年至今杨树面积大幅度减少,芦苇面积维持稳中有增的趋势.2002年以前,洞庭湖洲滩总体呈扩张趋势,2002年之后,洲滩面积趋于稳定.目前,芦苇和湖草占洞庭湖洲滩总面积的2/3.洞庭湖自然保护区内欧美黑杨主要分布于南洞庭湖自然保护区,芦苇主要分布于东洞庭湖和南洞庭湖自然保护区.洞庭湖区湖泊洲滩的人工利用程度在2015年后大幅减小,但仍有48.57%,亟待进一步控制.      

三峡水库蓄水期洞庭湖出湖水量变化

基于长江与洞庭湖一、二维耦合水动力模型,模拟了三峡水库蓄水前后洞庭湖湖区的水文过程,定量分析了蓄水期三峡水库蓄水与洞庭湖出湖水量的响应关系。结果表明:蓄水期三峡水库蓄水减少了荆江三口进入洞庭湖的水量,同时也改变了洞庭湖湖容变化的速度;相比还原情况,各典型年下9-10月洞庭湖出湖水量均明显减少,且10月份减少幅度大于9月份,11月变化不显著;9-10月荆江三口水量变化是洞庭湖出湖水量变化的主导因素,而11月主导因素是湖容的变化。通过多元回归分析,构建了三峡水库蓄水量与洞庭湖出湖水量、湖容变化量的响应关系,在湖容不变情况下,洞庭湖出湖水量减少量约为三峡水库蓄水量的23%。     

四湖流域下垫面改变对排涝模数的影响

选取湖北省四湖流域螺山排区作为研究对象,利用经验公式法计算排涝模数,并分析水面率、水旱比、城市化和灌溉方式及其变化对排涝模数的影响。结果表明:排涝模数随着水旱比和水面率的增加而减小,而随着地面硬化率的增加而增大;水面率对排涝模数的影响大于水旱比和地面硬化率的影响;同水稻的传统灌溉相比,间歇灌溉下的排涝模数较小。由于下垫面条件的改变,在10年一遇3日暴雨的排涝标准下,该地区排涝模数由1994年的0.38m3/（s·km2）上升到2011年的0.46m3/（s·km2）,大约相当于1994年下垫面条件下的19年一遇3日暴雨的排涝标准。     

四湖流域下垫面改变对排涝模数的影响

选取湖北省四湖流域螺山排区作为研究对象,利用经验公式法计算排涝模数,并分析水面率、水旱比、城市化和灌溉方式及其变化对排涝模数的影响。结果表明:排涝模数随着水旱比和水面率的增加而减小,而随着地面硬化率的增加而增大;水面率对排涝模数的影响大于水旱比和地面硬化率的影响;同水稻的传统灌溉相比,间歇灌溉下的排涝模数较小。由于下垫面条件的改变,在10年一遇3日暴雨的排涝标准下,该地区排涝模数由1994年的0.38m3/(s·km2)上升到2011年的0.46m3/(s·km2),大约相当于1994年下垫面条件下的19年一遇3日暴雨的排涝标准。     

全球气候变化研究与科学数据

在阐明气候系统和科学数据关系的基础上,提出气候变化研究应该重视地球系统研究对科学数据的需求。在回顾我国近10年来全球变化研究概况的基础上,指出了观测资料和数据再分析产品在全球变化研究中的重要性,并进一步总结了国外气象数据共享情况,最后对我国地球系统科学数据共享中心今后的发展提出了几点建议。     

近60a来洞庭湖水位演变特征及其影响因素

基于1956-2015年洞庭湖主要控制站实测水文数据,运用Mann-Kendall检验法、主成分分析法对比分析了近60 a来洞庭湖东、南、西三个湖区水位演变特征及其影响因素。结果表明：从调弦口堵口至葛洲坝截流后,南咀和城陵矶站同流量下水位均升高,但南咀站平均水位受三口分流能力减弱而下降（0.03 m）,城陵矶站平均水位受湖盆泥沙淤积和长江干流顶托作用而上升（1.33 m）;三峡水库运行后,湖盆冲淤基本持平,湖泊同流量下水位基本不变,由于该时段长江流域整体为相对枯水期,因而与葛洲坝截流后相比湖泊年平均水位下降约0.31~0.58 m。近60 a来南咀站平均水位呈显著下降趋势（p<0.05）,而城陵矶站水位呈显著上升趋势（p<0.01）,说明湖泊水位影响因素作用存在空间异质性。洞庭湖年内水位存在涨（4-5月）~丰（6-9月）~退（10-11月）~枯（12月-次年3月）的变化特征,葛洲坝运行期丰水期水位上涨明显,三峡运行期各月水位均有下降,受水库调度方式影响7-10月水位降幅最大。洞庭湖流域降水量、四水入湖和出湖径流大小以及长江干流水情是洞庭湖水位变化的主要影响因素,三口来沙变异条件下的洞庭湖冲淤量变化是湖泊水位变化的次要因素。     

洞庭湖区与城陵矶水位关联性的临界特征分析

采用典型测站观测资料与水力学原理相结合,分析不同情况下城陵矶水位与洞庭湖区水位关联性强弱转化的机理和临界条件以及三峡水库对其影响等问题。理论解析表明,固定流量下,湖区水位与城陵矶水位相关关系应为单调指数函数,受到区间距离、湖槽形态等多因素影响,据此提出和率定了各湖区水位的经验计算模式。利用经验计算模式对实测数据进行延展,构建了各种可能出现的湖区来流和干流水位组合下的湖区水位特征曲线族,发现湖区水位与城陵矶水位之间的关联强度存在无影响区、影响区和决定区等状态区间,通过对临界条件的定义和计算,实现了各状态区间的定量划分,并提出了各状态区间内洞庭湖区水位的估算方法。通过对三峡水库蓄水后湖床冲淤和水文条件变化的影响分析,论证了以上方法和认识在水库蓄水后的适用性。     

1996~2017年枯水期地下水排泄对洞庭湖水量均衡的贡献及其时间变异性

地下水排泄在湖泊水量及营养盐均衡中发挥着重要作用,其中地下水向湖泊排泄的量化是关键,但目前对其时间变异性的研究却十分薄弱.针对这一科学问题,以长江中游重要调蓄湖泊-洞庭湖为例,通过收集1996~2017年洞庭湖流域的水文和气象数据,基于质量平衡模型,查明地下水排泄对洞庭湖水量均衡的贡献以及地下水向洞庭湖排泄强度随时间的变化.结果显示:（1）枯水期时地下水排泄量为（0.17~1.51）亿m3/d,地下水排泄强度为38.74~207.26 mm/d,地下水排泄对湖泊水量均衡的贡献为8.70%~30.37%;（2）地下水排泄量、地下水排泄强度、地下水排泄对湖泊水量均衡的贡献在1996~2017年间均呈现出明显的先降低再升高的变化趋势,三峡水库蓄水后至三峡工程全面竣工初期的地下水排泄相较于三峡水库蓄水前和三峡工程全面运行后显著降低;（3）三峡工程运行对长江水位及地下水位的改变可能是引起湖底地下水排泄时间变异性的重要原因.为洞庭湖区域的水量均衡提供了新的认识,也为今后洞庭湖区域水资源开发利用和区域生态安全管理提供了理论支撑.      

三峡水库蓄水后长江中游水沙时空变化的定量评估

定量评价三峡蓄水后长江中游流域水文情势的时空变化,为长江中游生态保护和区域水资源管理提供科学依据。采用变化范围法分析了长江干流5个水文站的流量、含沙量日均数据,定量评估了三峡工程蓄水后,长江中游水沙变化度最大的江段和水文指标类别,及其对应的生态影响。研究结果表明三峡蓄水后,下游河道含沙量的变化度远大于流量,除城陵矶站外,含沙量较蓄水前有了大幅度下降,宜昌站的含沙量下降幅度达到了一个数量级,洞庭湖对长江干流含沙量有明显的调蓄作用。流量的变化度随着与大坝距离的增加而减小,且在7~11月流量下降幅度明显。这些水文节律的变化将影响下游鱼类产卵栖息地以及滞洪区水生生物与周边植被的生长。     

水位变化对鄱阳湖苦草潜在生境面积的影响

苦草是鄱阳湖越冬水鸟的重要食物资源,为量化水位变化对鄱阳湖苦草生境的影响,基于环境流体动力学模型(EFDC)和生境适宜度曲线,构建了鄱阳湖苦草生境数值模拟模型;对三峡水库175 m试验性蓄水后鄱阳湖苦草潜在生境面积变化进行了连续模拟,建立了苦草潜在适宜生境和水深≤4 m水域面积变化与星子站水位的定量响应函数;并据此分析了三峡水库运用及拟建鄱阳湖水利枢纽对苦草潜在生境面积的影响。星子站水位15 m左右时苦草潜在生境面积最大,潜在适宜生境和水深≤4 m水域面积分别为1 703 km^2和2 336 km^2。三峡水库运用可有效保障鄱阳湖苦草潜在生境面积,但其扰动幅度也明显减小,潜在适宜生境和水深≤4 m水域面积序列标准差在三峡运用后减幅分别达到27%和47%。拟建鄱阳湖水利枢纽调控水位在其下闸蓄水期和长江上游水库蓄水调节期内宜分别控制在16 m以下和13.5 m以上,可保障潜在适宜生境及水深≤4 m水域面积与最大值相比减幅分别控制在20%和10%以内。成果明晰了水位变化对鄱阳湖苦草潜在生境面积的定量影响规律,为江湖新水沙条件下鄱阳湖生态系统保育提供了量化依据。     

洞庭湖和鄱阳湖泥沙冲淤特征及三峡水库对其影响

长江中游江湖关系复杂,分布有中国第一、二大淡水湖泊,江湖关系演变对防洪、生态等影响重大。通过分析反应长江中游洞庭湖和鄱阳湖泥沙冲淤的实测水沙和地形资料,初步掌握了湖区泥沙冲淤特征及主要影响因素,并着重探讨了三峡水库蓄水对两湖泥沙冲淤的影响。结果表明,近10年洞庭湖和鄱阳湖湖区泥沙淤积速度明显减缓,部分年份出现冲刷,其中洞庭湖湖区泥沙沉积率下降主要由来沙减少引起,三峡水库拦沙作用的影响明显;鄱阳湖区冲刷主要集中在入江水道,采砂活动影响显著,三峡水库蓄水影响尚不明显。     

水位变化对鄱阳湖苦草潜在生境面积的影响

苦草是鄱阳湖越冬水鸟的重要食物资源，为量化水位变化对鄱阳湖苦草生境的影响，基于环境流体动力学模型（EFDC）和生境适宜度曲线，构建了鄱阳湖苦草生境数值模拟模型；对三峡水库175 m试验性蓄水后鄱阳湖苦草潜在生境面积变化进行了连续模拟，建立了苦草潜在适宜生境和水深≤4 m水域面积变化与星子站水位的定量响应函数；并据此分析了三峡水库运用及拟建鄱阳湖水利枢纽对苦草潜在生境面积的影响。星子站水位15 m左右时苦草潜在生境面积最大，潜在适宜生境和水深≤4 m水域面积分别为1 703 km²和2 336 km²。三峡水库运用可有效保障鄱阳湖苦草潜在生境面积，但其扰动幅度也明显减小，潜在适宜生境和水深≤4 m水域面积序列标准差在三峡运用后减幅分别达到27%和47%。拟建鄱阳湖水利枢纽调控水位在其下闸蓄水期和长江上游水库蓄水调节期内宜分别控制在16 m以下和13.5 m以上，可保障潜在适宜生境及水深≤4 m水域面积与最大值相比减幅分别控制在20%和10%以内。成果明晰了水位变化对鄱阳湖苦草潜在生境面积的定量影响规律，为江湖新水沙条件下鄱阳湖生态系统保育提供了量化依据。