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。     

基于多源卫星测高数据的洞庭湖流域2003—2017年湖泊水位变化监测

利用ICESat-1和CryoSat-2测高数据获取了2003—2017年洞庭湖流域内湖泊的水位信息,分析了湖泊水位的时间变化过程,并结合TRMM卫星降水数据及人类用水等数据,讨论了湖泊水位变化对气候及人类活动的响应.结果表明,流域中80%的湖泊在2003—2009年呈现出水位下降趋势（-0.18~-0.09 m/a）;75%的湖泊在2010—2017年呈现出水位稳定或上升趋势（0~0.39 m/a）;总体来看,75%的湖泊在2003—2017年呈现出水位上升趋势（0.02~0.22 m/a）.分析表明,湖泊水位变化为多种因素共同作用的结果,降水为近年来洞庭湖流域内湖泊水位变化的主要驱动因子;以三峡水库为代表的水库运行会对湖泊水位产生季节性影响;同时,人类用水的持续增长也对湖泊水位有一定的影响.多源测高卫星为长时序大范围的湖泊水位监测提供了有力的手段,这对研究湖泊水位变化及其与气候和环境的响应具有重要意义.      

三峡水库运行前后洞庭湖水资源量变化

为研究三峡水库运行前后洞庭湖水资源量变化情况,通过利用1994-2019年165个时相的多平台中高分辨率（15~30 m）卫星遥感数据,城陵矶多年日观测水位数据和洞庭湖区降水量、蒸发量等资料,采用掩膜处理、K-Means聚类分析提取水面信息,结合观测数据进行统计分析,研究了1994年以来洞庭湖水面面积与湖容变化情况.结果表明:三峡水库运行后洞庭湖年均水面面积由1 077.46 km2减少到857.13 km2,减幅达20.45%,但是2011年后当城陵矶水位大于26.34 m时水面有所增加;三峡水库对下泄量的调控在缓解洞庭湖洪涝灾害隐患的同时,也使得低枯水位提前1个月,且对洞庭湖枯水期的补给水量极其有限;三峡水库运行后洞庭湖湖容明显减小,且当城陵矶水位越高时,洞庭湖湖容减幅越大;当水位小于20 m时三峡水库运行前后两个时段的湖容逐渐接近.洞庭湖水资源量变化主要受出入湖径流影响,"四水"径流是影响洞庭湖水资源量的主要因素,"三口"径流的减少也对洞庭湖水资源量的变化起着重要作用.同时,湖区年均降水量的减少和蒸发量的增加也是引起洞庭湖水资源量减少的原因之一.研究成果为三峡工程运行后治湖思路调整、洞庭湖区水资源保护和长江流域生态修复提供了客观资料.      

洞庭湖区的水文规律

洞庭湖位于湖南省北部,长江中游荆江的南岸,是我国第二大淡水湖泊。它南接湘、资、沅、澧四水,北纳长江干流松滋、太平、藕池三口(调弦口已于1958年封堵断流)分流,由岳阳之城陵矶泄入长江。为长江流域最主要的集水、蓄洪湖盆,是我国主要商品粮基地和     

洞庭湖水沙变化分析及影响初探

水沙变化是洞庭湖演变和江湖关系调整的关键因子。综合运用数理统计、小波分析、Mann-Kendall法和累加过滤器等方法,分析1956～2008年洞庭湖入湖和出湖径流和输沙量的变化特征。结果表明:①洞庭湖入湖水量以湘、资、沅、澧四水入流为主,洞庭湖入湖泥沙以荆江三口分沙为主。四水年均入湖水量约占洞庭湖出湖总水量的59.2%;三口入湖沙量约占入湖总沙量的80.9%。②由于荆江裁弯、葛洲坝工程运用、三峡水库拦蓄以及长江上游的水土保持措施的影响,从三口河道进入洞庭湖的水沙呈现明显的衰减趋势,入湖水量所占比重已由荆江裁弯前的42.6%下降到了三峡水库运用初期的21.7%;入湖沙量所占比重已由荆江裁弯前的87.7%下降到了三峡水库运用初期的59.6%。③近50年洞庭湖的泥沙沉积总量达52.9×108t,但泥沙沉积比已由荆江裁弯前的73.3%下降到了三峡水库运用初期的34.0%,洞庭湖泥沙淤积的趋势明显减弱,有利于保持洞庭湖的调洪湖容,延长洞庭湖的寿命;但三峡水库运用初期,三口分流的衰减将加剧洞庭湖区西部地区枯水供水的紧张态势,并使水环境容量下降;同时城陵矶下游长江河道的淤积导致洞庭湖洪水位抬升。     

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。     

长江流域“2017·07”暴雨洪水分析

2017年6月下旬至7月初,受持续强降雨影响,长江发生中游区域性大洪水。以实时报汛数据为基础,分析长江"2017·07"暴雨洪水特性,依据洪峰水位判断,强降雨导致洞庭湖水系湘江发生超历史最高水位特大洪水,资水、沅江发生超保证水位大洪水,洞庭湖超过保证水位;鄱阳湖水系乐安河上游发生超历史最高水位特大洪水,昌江、乐安河中下游、修水发生10a一遇较大洪水,鄱阳湖超过警戒水位;长江干流莲花塘以下江段全线超过警戒水位。在应对此次洪水过程中,长江上中游重点水库防洪效益十分明显,有效避免中游干流莲花塘至螺山江段超保,缩短洞庭湖城陵矶站超保时间6d左右。     

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。     

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.      

荆江三口分流变化及三峡水库蓄水影响

长江中游荆江的水沙通过三口洪道分流入洞庭湖,三口分流是荆江-洞庭湖关系调整的驱动因子,为揭示其变化特征及三峡工程运用的影响,基于大量的原观数据,系统研究了近60年三口分流比的变化过程,提出其显著调整特征及诱发因素,引入径流还原计算方法,量化了三峡水库不同运用方式对三口分流量的影响幅度。结果表明:①特大洪水及重大人类活动等诱发因素作用下,三口分流比出现4~5年持续性减小的趋势调整期,之后进入分流比稳定恢复的平衡调整期;②2003-2014年,三峡水库汛前枯水补偿调度使得三口分流量年均增加8.000亿m3,汛后蓄水使得三口分流量年均减小29.00亿m3,对三口分流综合影响量为年均减少21.00亿m3,占同期三口年均分流量的4.29%。     

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%。     

长江中游曲流河段河道的近代演化过程研究

曲流河是冲积平原河流中的重要河型之一,曲流河的河道演变对冲积平原的建设与演化起着非常重要的作用。地处江汉平原的长江中游藕池口至城陵矶段河道是最典型的曲流河段,其曲流河道的几何形态和变化过程较为复杂,对该段河道演化过程的研究在河流的开发利用及水利工程建设中具有很好的理论指导意义。本研究通过对历史资料和多期卫星遥感影像的解译与分析,表明长江中游藕池口至城陵矶河段的曲流河道演化在受自然和人类活动双重影响的情况下,该河段河道的演化仍然维持曲流河特征。受大洪水的切滩作用及松滋口、太平口和藕池口3个分流口对洞庭湖的分水分沙的影响,该段河道的演化过程较为复杂。自然裁弯取直和人工裁弯取直在一定程度上改变着河道演化的进程,但由裁弯取直及上游水利工程引起的纵坡降增加产生的冲淤变化将会维持河道的稳定,同时在该河段实施的护岸工程也会抑制河流的横向侵蚀,曲流河段河道演化进入自调整和自组织过程。     

三峡水库蓄水后下荆江急弯河道凸冲凹淤成因

三峡水库蓄水后沙量骤减使得荆江河段河床剧烈冲刷调整,下荆江急弯段“凸冲凹淤”,部分弯道凹岸侧淤积形成水下潜洲。这种不同于弯曲河道一般性演变规律的异常现象势必给下荆江的行洪、航运及江湖关系变化等带来新的影响,其内在成因急需揭示。基于原型观测资料分析,通过研究滩槽冲淤量及分布、滩体及河道形态特征等,全面揭示了近期下荆江急弯段“凸冲凹淤”的演变特征及河道形态响应。结果表明,流量年内过程重分配、来沙量及组成突变是下荆江急弯段“凸冲凹淤”的决定性因素。