基于水沙过程的洞庭湖系统功能健康内涵及其表征

洞庭湖与江河相通,其生命的兴衰与水沙过程密切相关.文中将洞庭湖系统视为湖泊系统,探讨洞庭湖系统功能健康内涵及其表征指标体系.研究认为:①洞庭湖是一个由其形态系统功能、生态系统功能和社会经济服务系统功能所构成的有机整体.在这个有机整体中,水沙过程是湖泊系统各项功能之间相互联系的纽带;②水沙过程与湖泊系统功能及其健康状态之...     

典型年洞庭湖系统健康综合评价

以洞庭湖各典型年的遥感影像、相关图件、社会经济数据及水沙、水质监测等实测资料为依据,基于湖泊健康 “PSR”响应模型,构建了综合评价指标体系,确定了具体的评价指标、评价标准、指标权重和评价等级,采用主成分分析法评价洞庭湖系统健康状况的空间差异,以模糊综合评判法评价其典型年动态变化特征。结果表明：① 从各典型年来看,1986年和1998年洞庭湖处于不健康状态,1991年为临界健康;而三峡工程蓄水运行之后洞庭湖均处于临界健康状态。② 从空间分布上看,南洞庭湖系统健康状况相对较好,其次是东洞庭湖,最差的是西洞庭湖。③ 从压力-状态-响应健康指数来看,各典型年压力隶属度均为不健康,尤其是三峡工程蓄水运行后;其状态、响应隶属度一直保持在临界健康水平。这说明洞庭湖虽保持了较为完整的自然形态、结构基本合理、生态服务价值稳定,但已出现“病症”。作为国家级自然保护区,洞庭湖健康整体水平仍需进一步提升。     

基于Copula函数的洞庭湖流域水沙丰枯遭遇频率分析

受人类活动的影响,水沙灾害事件相继发生,对人们的生产、生活造成了威胁。以洞庭湖流域代表性水文站的年径流量和年输沙量系列数据为基础,应用P-III型曲线分别拟合并求得“松滋口、太平口、藕池口”三口入湖、“湘江、资江、沅水、澧水”四水入湖和城陵矶站出湖年径流量、年输沙量的边缘分布函数,再采用水文事件遭遇分析中广泛应用的Copula函数,建立洞庭湖流域水沙联合分布模型,分析洞庭湖流域水沙丰枯遭遇频率。研究结果表明洞庭湖三口、四水和城陵矶站的水沙丰枯遭遇频率关系与洞庭湖流域的水沙运动有密切联系,运用该水沙耦合模型可以为洞庭湖流域防洪减灾提供重要的理论依据。     

近60年洞庭湖泊形态与水沙过程的互动响应

以历史文献、图件及1951～2009年长系水沙等资料为依据,对比分析洞庭湖形态与水沙过程的互动响应,结果表明:由于湖泊形态与水沙过程存在着相互作用的关系,近60年间,水沙过程以多种形式改变湖泊形态特征值,如湖盆结构破碎、解体,水深变浅以及湖面﹑湖容依次减少1840km²及130×10⁸m³;同时湖泊形态特征值改变也引起水沙特性变异,在1951～2002年间湖盆蓄水量呈明显的增减波动,但同流量下汛期水位普遍抬高1.2～1.90m,西﹑南﹑东洞庭湖水位变幅依次增大1.61m、1.39m和1.35m,各主要水文站前5位最高洪水位排序的年份均出现在湖面积(容积)历史最低值,泥沙淤积率为70%以上;2003年6月三峡水库蓄水及"退田还湖"后,高、中水位下湖盆调蓄量有所减少,城陵矶丰、枯水位分别降低1.12m及0.35m,西湖区与东南湖区的泥沙输出比均呈增大趋势,泥沙淤积率减至35.9%。其互动响应机制,可概化为泥沙淤积循环→湖盆结构破碎、解体,湖面湖容缩小→水沙特性异变→改变湖泊形态→水沙特性变异的互动响应动态演进模式。     

黄河下游主槽断面形态对水沙变化响应过程的模拟

准确把握环境变化下前期水沙条件对当前河床形态调整的影响,建立非平衡态河床形态调整的模拟方法,对深化河床非平衡调整过程的认识至关重要。基于黄河下游花园口—利津河段1965—2015年的水沙和沿程82个大断面数据,首先统计分析了不同河段主槽断面形态参数（面积、河宽、水深和河相系数）的调整过程及其对水沙变化的响应规律;进而以水沙因子作为主槽断面形态调整的主控因素,采用滞后响应模型的多步递推模式,建立了其对前期水沙条件变化的滞后响应模型。结果表明,各河段面积、河宽和水深经历了减小—增加—减小—增加的变化过程,并且其与4 a滑动平均流量和含沙量之间分别呈正相关和负相关;而河相系数孙口以上段整体减小,孙口以下段呈增加—减小—增加—减小的变化过程,除花高段1965—1999年外,其与流量呈负相关,与含沙量呈正相关。滞后响应模型在黄河下游主槽断面形态对前期水沙条件响应过程的应用表明,各参数模型计算值与实测值符合程度均较高,模型能够很好地模拟主槽断面形态对水沙变化的响应调整过程,模型计算结果显示主槽断面形态调整受当年在内的前8 a水沙条件的累积影响,当年和前7 a水沙条件对当前断面形态的影响权重分别约为30%和70%。本文模型有助于深化前期水沙条件对当前河床形态调整影响机理的认识,并为未来不同水沙情形下主槽断面形态的预测提供了有效计算方法。     

水沙过程变化下洞庭湖区的生态效应分析

依据1951-2009年实测水文数据及多年实地考察资料,对比分析水沙过程变化对洞庭湖区生物群落及其生存环境的影响.结果表明:(1)水沙过程对生物群落及其生存环境具有多方面的生态支撑作用,水沙动态是洞庭湖生态系统的控制性变量;(2)泥沙的不断淤积,使各类植被洲滩发育与扩展,导致湖面缩小及调蓄功能减弱和天然捕捞鱼场减少;(3)各类植被洲滩相继出露和湖水位涨落交替过程,不但维系着东方田鼠种群数量及迁移的延续,还支撑着钉螺(血吸虫的中间宿主)的孳生和繁衍;(4)入湖水沙量的逐期减少,削弱了水域环境的净化能力,“四     

Mutual effects between morphological characteristics and variations of flow-sediment process of Dongting Lake during 1951～2009

以历史文献、图件及1951～2009年长系水沙等资料为依据,对比分析洞庭湖形态与水沙过程的互动响应,结果表明：由于湖泊形态与水沙过程存在着相互作用的关系,近60年间,水沙过程以多种形式改变湖泊形态特征值,如湖盆结构破碎、解体,水深变浅以及湖面﹑湖容依次减少1840km2及130×108 m3;同时湖泊形态特征值改变也引起水沙特性变异,在1951～2002年间湖盆蓄水量呈明显的增减波动,但同流量下汛期水位普遍抬高1.2～1.90m,西﹑南﹑东洞庭湖水位变幅依次增大1.61m、1.39m和1.35m,各主要水文站前5位最高洪水位排序的年份均出现在湖面积（容积）历史最低值,泥沙淤积率为70%以上;2003年6月三峡水库蓄水及＂退田还湖＂后,高、中水位下湖盆调蓄量有所减少,城陵矶丰、枯水位分别降低1.12m及0.35m,西湖区与东南湖区的泥沙输出比均呈增大趋势,泥沙淤积率减至35.9%。其互动响应机制,可概化为泥沙淤积循环→湖盆结构破碎、解体,湖面湖容缩小→水沙特性异变→改变湖泊形态→水沙特性变异的互动响应动态演进模式。     

洞庭湖环境系统变化对水文情势的响应

为全面揭示洞庭湖近数十年的水情异常与成因,将湖区视作一个大系统来研究。经水位~流量关系等多种方法研究表明：(1)入湖四水尾闾同水位流量减少1 200~2 800 m³/s,同流量水位抬高0.49~1.28 m;(2) 荆江三口分水比减少19.2%,分沙比减少25.1%;(3) 澧水、松滋、南洞庭湖等主洪道的水位流量关系均发生了较大变化;(4) 天然调蓄能力下降40%,湖口同流量水位抬高1.80~2.50 m;(5) 7~8月湖垸关系常处于危急状态。其主要原因是泥沙淤积恶性循环,导致了湖泊环境系统功能的变化,而由下荆江3处裁弯所引起的江湖水沙调整则加速了其变化过程。这些变化过程对水情的复合响应是：入湖水沙呈逐渐减少趋势变化,洪水位普遍抬高1.50~1.80 m,湖口有时出现江水倒流,洪水涨率增大,高洪水位持续时间长等异常水文现象,且给湖区造成了巨大的洪水压力。     

洞庭湖地区农业功能时空演变的影响机制研究

农业功能的时空演变规律和影响因素研究是引导地区分工、凸显地域价值、促进区域协调发展的科学依据。以洞庭湖地区24个县市区为研究区域,分别从粮食生产功能、就业与社会保障功能、生态保育功能和旅游休闲功能构建评价指标体系,运用熵值法、农业功能变化时空差异诊断模型、地理探测器等方法模型对洞庭湖地区1997—2017年农业功能的动态变化过程、影响因素与作用机制进行研究。结果表明:①1997—2017年洞庭湖地区农业功能时空变化特征显著:洞庭湖地区粮食生产功能整体呈增强趋势,且中部地区增强明显;就业与社会保障功能整体呈减弱变化趋势,市辖区尤为明显;生态保育功能整体呈减弱趋势且变化幅度大,石门县、安化县等丘陵地区减弱明显,而洞庭湖中部平原区域增强;旅游休闲功能整体呈增强变化态势,石门县、桃江县等地区以及各市辖区旅游休闲功能大幅度提升。②农业发展基础是农业功能演变的决定性因素,地区发展水平是农业功能演变的重要因素,生产环境质量是洞庭湖地区农业功能演变的基础因素;地区发展水平对农业功能演变的影响程度逐渐上升,生产环境质量因素的影响程度逐渐下降;各影响因子之间存在交互作用,农业功能时空的演变过程及结构受到多...     

洞庭湖年径流泥沙的演变特征及其动因

通过对洞庭湖1951~1998年径流泥沙演变过程及其驱动力的全面分析表明, 径流泥沙关系密切, 其相关系数r = 0.9013。年径流量、年输沙量总体均呈同步减少趋势, 在演变过程中表现出明显的阶段性。由于湘、资、沅、澧四水流域产水量大, 森林覆盖率达52%以上, 连年兴建的水利工程及工农业、生活用水量的增加, 未能对四水河流水文特征产生根本性的影响, 其入湖径流泥沙基本处于稳定状态, 故没有对湖泊径流泥沙的演变造成深刻影响。而由长江中游河段的调弦口堵口, 下荆江系统裁弯和葛洲坝截流所引起的3次江湖水沙关系调整, 即是导致洞庭湖径流泥沙缓减速减的主动因子。     

三峡工程建设背景下的洞庭湖区治水方略探讨

在长江三峡工程建设的大背景下,本文分析了洞庭湖区的水灾减灾机制,探讨了洞庭湖区的治水方略,提出应充分发挥三峡水库的调蓄功能,协调江湖关系,改善冲淤关系,加强水利工程建设,实现三峡水库与湖南四水水库的优化调度     

基于GF-1影像的洞庭湖区水体水质遥感监测

湖泊水质监测是有效开展湖泊水环境综合管理与水污染防治实施的基础,也是湖泊藻华风险评估与生态安全建设的重要依据。本文基于GF-1号影像对2014-2016年洞庭湖水体的叶绿素a浓度、悬浮物浓度和透明度展开遥感监测,结果表明：叶绿素a主要集中在水流速度较慢的安乐湖、大小西湖和东洞庭湖西部地区,其他区域水体扰动力大,叶绿素含量a较低。透明度从北到南递增,与悬浮物浓度的分布趋势相反,符合常规监测规律。东洞庭湖水质较南洞庭湖和西洞庭湖差,水污染程度处于全湖最高水平。GF-1数据可精确反映叶绿素a浓度、悬浮物浓度和透明度指数的空间变化规律,也为后续高分遥感影像湖泊水质监测的应用研究提供了重要参考。     

On the river–lake relationship of the middle Yangtze reaches

The geological and meteorological setting of the Jianghan–Dongting lake area leads to high precipitation and siltation, but poor water discharge, thus the area is frequently flooded. In the past the river–lake relationship of the Middle Yangtze has been variable but has deteriorated recently under increasing human influence. The Jianghan Plain of the Middle Yangtze becomes a waterlogged lowland under the constant threat of flooding from the perched Jingjiang River. Due to siltation and land reclamation the Dongting Lake has lost most of its regulatory function for the river and has become increasingly vulnerable to flood disasters. The Middle Yangtze River has been undergoing siltation, resulting from a downstream decline of sediment transport capacity, resulting in the elevation of the flood level above the lowlands. Heightening of the levees has caused further siltation of the channel.The Three Gorges Reservoir will provide a buffering period of 50–80 years, during which much of the silt will be trapped in the reservoir and scouring downstream may occur. We should utilize this period to work out an overall resolution to the problem. Construction of a water and silt diversion project in the Honghu Lake and surrounding areas may resolve this problem in the dangerous Chenglingji–Wuhan Segment of the Yangtze. Widening the canals connecting the Middle Yangtze and Han Rivers may function as a discharge-dividing channel of the Yangtze, which may prove to be beneficial.     

应用Terra/MODIS卫星数据估算洞庭湖蓄水量的变化

以洞庭湖为例,利用2002年的美国Terra/MODIS卫星数据,以16天为周期将全年划分为23个时段,分别对湖区水位和蓄水量分布特征和变化规律进行动态监测和综合分析。具体测算方法包括以下4个步骤: (1) 根据湖区特性,将整个洞庭湖分为3个部分：自西向东依此是西洞庭湖 (WDL), 南洞庭湖 (SDL) 和东洞庭湖 (EDL)。这3个部分的蓄水量之和就是整个洞庭湖的总蓄水量。(2) 以水体和陆地的光谱差异为基础,使用Terra/MODIS卫星的NDVI 数据识别并量测湖区水面积。(3) 将湖区水面影像同湖区数字高程模型DEM相叠加,以被监测的湖区水面的平均高度值作为水面高度。水面高度与湖底高度的差即为相应点的水深。(4) 按50 m×50 m网格大小和相应位置的水深的乘积来计算每个水柱体积。最后,将整个湖内的所有水柱的体积值累加便得到洞庭湖的总蓄水量。用上述方法测算的水位和蓄水量与实测资料进行了比较表明,两者具有很好的一致性。     

洞庭湖区的泥沙淤积效应

以1951-2005 年长系列实测泥沙等资料为依据, 从泥沙淤积特性与资源环境之间的关系上, 探讨了洞庭湖区的泥沙淤积效应。研究表明: 由于洞庭湖区始终处于淤积状态, 加之人类活动影响, 导致了泥沙淤积循环演进的格局, 以至于使泥沙的灾害性效应与资源性效应 均在湖区得到充分的显示。主要表现在: ① 塑造了水体滩地、泥沙滩地、湖草滩地、芦苇滩地等类型滩地, 构成了湖泊巨系统的主体; ② 孕育或诱发了泥沙淤积→洲滩扩展、围垦→调洪功能下降、鱼类资源枯竭、生物多样性减少灾害链: 泥沙淤积→洲滩扩展→洪涝、水质污染; 泥沙淤积→植被洲滩浮涨→血吸虫病、害鼠致害灾害链; 泥沙淤积→洪溃决堤→土地沙 化灾害链。这些淤积型泥沙灾害链给湖区直接或间接地造成巨大的经济损失。③ 近55 年间, 泥沙塑造土地约98.13×10⁸hm², 人类合理开发利用洲滩资源获得了巨大的经济效益, 就地挖沙加高防洪大堤2~3 m, 累积土石方约55×10⁸ m³, 节省了购买大量原材料的开支。     

洞庭湖与长江水体交换能力演变及对三峡水库运行的响应

运用洞庭湖区与长江干流相关控制站1951-2010 年实测水文数据, 在分析江湖水力关系的基础上, 从不同时间尺度分析江湖水体交换能力的演变特征及其对三峡水库运行的响应。结果表明:① 7-9 月长江荆南三口对洞庭湖的补给能力较强, 1-3 月洞庭湖对长江的补给能力较强;② 江湖水体交换系数具有明显的年代际波动, 其中1951-1958 年、1959-1968 年荆南三口对湖泊的补给能力较强, 而2003-2010 年湖泊对长江的补给能力增强;③ 三峡水库运行后无论是典型年还是在水库不同调度方式运行期, 三口分泄能力减弱, 入湖水量减少, 而因四水入湖水量占绝对优势, 湖泊对长江的补给能力明显增强;④ 尽管影响江湖水体交换能力的因素极为复杂, 但从总体上讲, 除受流域降水波动影响外, 江湖水体交换能力在不同时间尺度上的演变特征及其过程均随着江湖水体交换量的变化而变化, 说明江湖水体交换能力强度与江湖水体交换量之间存在着彼此消长的关系。     

Analysis of deposition and erosion of Dongting Lake by GIS

The Dongting Lake is located in the south beach of the middle reaches of the Yangtze River. Its catchment, with an area of 262,823 km2 or about 12% of the total Yangtze River catchment, is situated between 28o43?29o32扤 and 112o54?113o8扙, and crosses Hubei and Hunan provinces in administrative division. The main tributaries include Xiangjiang, Zishui, Yuanjiang, Lishui rivers (4 Tributaries) and some local rivers, such as Miluo River, Xinqiang River and other little streams. In the nor…     

Analysis of deposition and erosion of Dongting Lake by GIS

The sediments of the Dongting Lake come from four channels (one of them was closed in 1959), connected with the Yangtze River, four tributaries (Lishui, Yuanjiang, Zishui and Xiangjiang) and local area, and some of them are transported into the Yangtze River in Chenglingji, which is located at the exit of the Dongting Lake, some of them deposit into drainage system in the lake region and the rest deposit into the lake. The annual mean sediment is 166,555x104 t, of which 80% come from the four channels, 18% from the four tributaries and 2% from local area, whereas 26% of the total sediments are transported into the Yangtze River and 74% deposited into the lake and the lake drainage system. Based on topographic maps of 1974, 1988 and 1998, and the spatial analysis method with geographic information system (GIS), changes in sediment deposition and erosion are studied in this paper. By overlay analysis of 1974 and 1988, 1988 and 1998, erosion and sediments deposition areas are defined. The main conclusions are: (1) sediment rate in the lake is larger than erosion rate from 1974 to 1998. The mean deposition in the lake is 0.43 m; (2) annual sediment deposition is the same between 1974-1988 and 1988-1998, but the annual volume of deposition and erosion of 1988-1998 is bigger than that in 1974-1988; (3) before the completion of the Three Gorges Reservoir, there will be 7.82x108 m3 of sediments deposited in the lake, which would make the lake silted up by 0.33 m; (4) in the lake, the deposition area is found in the north of the east Dongting Lake, the south-west of the south Dongting Lake, and the east of the west Dongting Lake; while the eroded area is in the south of the east Dongting Lake, the middle of the south Dongting Lake, the west of the west Dongting Lake, as well as Xiangjiang and Lishui river flood channels.     

Sedimentation effects of the Dongting Lake Area

According to a long series of measured sediment data, the sedimentation effects of the Dongting Lake Area (DLA) were studied in light of the relationship between sedimentation characteristics and resources and environment. The result shows that the long-term deposition and the impact of human activities have led to a cycle of the evolution of sedimentation pattern, resulting in sediment disaster effects and resources effects in the DLA. The main features are as follows: 1) The water beach, silt beach, lake marsh beach, reed beach and other types of beach shaped by sedimentation effects constitute the main body of the giant lake system. 2) The disaster chains are induced, i.e., sedimentation → marshland expansion and reclamation → flood function decline, fish resource depletion, biodiversity reduction disaster chain, sedimentation → marshland expansion → floods, water pollution disaster chain, sedimentation → marshland floating vegetation rising → schistosomiasis, rodents virulence disaster chain, sedimentation → flood embankment bursting → land desertification disaster chain. 3) Sedimentation has created about 98.13×104 hm2 of land in the past 55 years. Rational development and utilization of marshland resources have produced tremendous economic benefits.     

洞庭湖生态系统最终服务价值评估

生态系统最终服务指生态系统直接提供给人类的,由人类直接享用、消费、使用的生态系统服务,目前生态系统服务评估多将最终服务与中间服务混淆,造成重复计算。以洞庭湖为例,建立洞庭湖生态系统最终产品与服务评估指标体系,并综合运用市场价值法、替代工程法和旅行费用法评估洞庭湖提供给人类的生态经济价值。结果表明:洞庭湖生态系统服务总价值为2 154.22×108元/a,其中洪水调蓄和气候调节占总价值的88.69%,是洞庭湖的主导生态系统服务。评价的10项生态系统最终服务按价值量排序,依次为调蓄洪水气候调节淡水产品水资源供给原材料生产释氧休闲旅游固碳水质净化内陆航运。评估结果比较全面地反映了洞庭湖对人类福祉的直接贡献,不仅能提高公众和管理部门对洞庭湖生态系统服务的认知,也为管理部门管理洞庭湖提供了重要方向。