基于能量的鄱阳湖—长江相互作用表征指标研究

鄱阳湖与长江之间存在着复杂的相互作用关系,决定着江湖水沙交换,对整个区域的水资源、防洪、航运、生态环境等均具有重要影响。本文基于能量的观点,在从新的角度解释鄱阳湖和长江相互作用原理的基础上,构建了江湖相互作用的表征指标—能差F_e,对20世纪50年代以来江湖作用关系变化进行了研究。结果表明,自20世纪50年代以来,F_e值整体呈现增加趋势,说明长江作用减弱,鄱阳湖作用不断增强。三峡水库蓄水运用对江湖关系产生了重要影响,进一步削弱了长江作用。从年内变化来看,由于三峡水库的调节,枯水期长江作用略有增强,汛末长江作用减弱较大。江湖作用一定程度上影响着湖区旱涝灾害的产生,当五河来流较大且长江顶托作用明显时,易发生洪涝;当五河来流较小但又对长江有明显的补水作用时,易发生旱情,三峡水库蓄水使湖区9-10月更易发生干旱。     

鄱阳湖流域水文变化特征成因及旱涝规律

本研究分析了1960-2008年鄱阳湖流域的气候和水文变化特征,用水量和能量平衡关系解释和印证了这些特征,并由此揭示了鄱阳湖流域水文变化特征的成因及干旱和洪涝发生的规律.得到以下主要结论:1)正常或偏湿年份鄱阳湖流域6月份容纳水量能力已达到饱和,若6-7月降水量超出正常年份,则流域超饱和,洪涝发生.长江中上游降水量7月份的异常偏多会对鄱阳湖流域的洪涝起触发和强化作用.2)鄱阳湖流域7-10月蒸发量大于降水量,特别是7-8月蒸发量大于降水量的一倍以上,所以若4-6月流域降水量少于平均年同期量的20％以上,则累积效应使秋旱发生.当初冬(11月)降水偏少时,秋旱可持续到来年的初春,形成严重的春旱.长江中上游降水量对鄱阳湖流域的春旱没有直接影响,但7-8月降水量偏少时则对秋旱起重要的强化作用.3)长江对鄱阳湖流域的水文过程和旱涝的发生、发展的影响主要在7-8月的“长江与鄱阳湖耦合作用”时期和9-10月的“弱长江作用”期.     

人类活动对鄱阳湖泥沙收支平衡的影响

以鄱阳湖流域内的赣江、抚河、信江、饶河和修水（五河）和鄱阳湖为研究对象,利用水文控制站的水文资料,分析了各流域内主要河流的入湖泥沙和鄱阳湖出湖泥沙特征,对鄱阳湖泥沙收支平衡进行了分析。结果表明：① 1955~2010年五河总入湖泥沙811.69 Mt,其中赣江（占59.7%）>信江（占13.7%）>修河（占10.2%）>抚河（占9.7%）>饶河（占6.7%）;② 径流量是影响入湖输沙量的最主要因素,入湖泥沙与入湖径流的季节特征一致;③ 水库的蓄水拦沙作用是五河入湖泥沙下降的主要原因,但水库对入湖泥沙的影响强度与水库库容和集水区的植被覆盖状况有关;植被覆盖变化对赣江、抚河、饶河和修河的入湖输沙量的影响明显;④ 1955~2010年,鄱阳湖总出湖泥沙560.10 Mt,其中1955~2000年出湖泥沙量呈降低趋势,但受鄱阳湖采砂影响,2001年以来出湖泥沙显著增加;丰水季长江水对鄱阳湖的顶托和倒灌,使出湖泥沙与出湖径流在时间上不同步;三峡工程的运行改变了（长）江（鄱阳）湖之间的水动力关系,长江倒灌泥沙显著减少;⑤ 受鄱阳湖采砂的影响,鄱阳湖泥沙平衡系统由净沉积转变为净侵蚀,1955~2000年入湖泥沙大于出湖泥沙,年均泥沙沉积约为1.41 mm;2001~2010年出湖泥沙大于入湖泥沙,加上采砂输出沙量,2001~2010年鄱阳湖泥沙净减少2 213.65 Mt。     

2001-2010年鄱阳湖采砂规模及其水文泥沙效应

在长江主河道采砂行为于2000年全面禁止之后,受中国长江中下游房产建筑行业的砂石需求的驱动,大量采砂船转移到鄱阳湖采砂,这种规模化的采砂行为对鄱阳湖的水文环境产生的影响还缺乏定量研究.本研究通过利用地形数据、水文数据和卫星遥感数据,分析了鄱阳湖2001-2010年的采砂场的空间分布和采砂量,定量分析了采砂行为对鄱阳湖水文和泥沙的影响.研究结果表明:①2001-2007年鄱阳湖采砂船主要集中于松门山以北的通江河道,2007年以后采砂行为扩张到鄱阳湖中部;②2001-2010年间,鄱阳湖采砂面积范围大约为260.4 km2,挖沙平均深度4.95 m,采砂量达到1.29×109m3或2154Mt,体积上相当于使鄱阳湖库容增加了6.5％,重量上相当于1955-2010年以来鄱阳湖自然沉积量的6.5倍;③鄱阳湖采砂通过扩大通江河道的过水断面面积,加快了湖水注入长江速率,是引起近年来鄱阳湖秋冬季枯水期提前、枯水期延长的主要原因之一;④鄱阳湖采砂过程中通过挖沙、洗沙使沙场附近的水体含沙量增加、水体透明度降低,从而影响长江河道的泥沙平衡.     

近50年鄱阳湖流域径流变化特征研究

利用鄱阳湖流域1955-2003年3个主要水文站(外洲、李家渡、梅港)月径流实测资料,采用统计方法和小波方法,分析近50年该流域径流的年内、年际和周期变化特征.结果表明:鄱阳湖流域年内最大径流主要出现在4月、5月或6月;就季节变化而言,春季径流量最大,夏季次之,秋季和冬季较小.径流年际变化在开始较长时段呈增长趋势,1998年出现转折,之后递减,下降速度略低于前期增长速度.外洲等3水文站存在25～26 a的第一主周期,8 a和3～4 a的次主周期,周期变化基本一致.通过对相应影响因素的分析,发现该流域径流变化是气候、流域覆被和水利工程等多种因素共同作用的结果,而气候因素中的降水和蒸发起着主要作用.     

长江干流河道对流域输沙的调节作用

利用长江干流和主要支流上测站1956~2004年的输沙量资料,对干流未测区域的来沙进行了估计。根据泥沙平衡 (Sediment budget) 概念,对长江干流河道的冲淤对来水来沙的响应以及对入海泥沙的影响进行研究发现,长江干流屏山至大通河道平均淤积速率为88.58×10⁶ t/a,河道淤积占总的来沙量及大通站输沙量比例分别为14%与21%。由于河道淤积,大通站输沙量减少了17.5%。总体来说上游淤积较轻,宜昌至汉口区间淤积严重,汉口至大通区间为微冲。长江干流的河道冲淤与流域总的来沙具有显著的相关关系,但各段河道的冲淤对流域来沙的响应各不一样。上游的冲淤与流域的径流量和来沙量均没有很好的相关性,宜昌-汉口段河道冲淤的变化与宜昌站的来沙具有显著的相关性;影响汉口-大通间河道的冲淤变化的主要因素是流域的来水量,河道的冲淤与大通站径流量的存在显著的负相关关系。三峡水库蓄水后整个长江干流的冲淤形势发生了根本的变化。三峡水库的蓄水运用有效地减轻了洞庭湖的泥沙淤积,同时也降低了洞庭湖的对长江干流泥沙的调节作用;长江上游干流河道淤积增强,中下游河道出现冲刷,但不同的河段表现不一;中下游河道冲刷量小于预测值,三峡水库的蓄水运用直接导致了长江入海泥沙的减少。     

1954-2011年间珠江入海水沙通量变化的多尺度分析

基于高要（西江）、石角（北江）和博罗（东江）水文站1954-2011 年的连续径流量和输沙率资料,采用Mann-Kendall 非参数秩次检验和小波分析的方法,分析珠江流域的入海水沙通量变化特征。结果显示：（1）1954-2011 年珠江的入海径流量没有明显变化趋势,但输沙率呈明显下降趋势,其间不同阶段的变化趋势不同：1954-1983 年珠江水沙均处于增长阶段,该阶段气候变化和人类活动对输沙的贡献率分别是70%和30%;1984-1993 年珠江水沙通量呈先降后升（1989 年是转折点）波动阶段,主要与气候变化有关;1994-2011 年珠江的水沙通量均呈下降趋势;气候变化和人类活动对输沙率下降的贡献率分别是20%和80%。（2）龙滩水库蓄水后的2007-2011 年与2006 年以前相比,珠江年均入海径流量减少了14%,而年均入海输沙率是减幅达到70%。这一时期水库蓄水和水土保持对输沙率减少的贡献率达到90%以上;（3）珠江的水沙通量变化具有明显年代际周期和年际周期变化特征,且不同子流域的周期有所不同。例如西江的径流量主要存在24 年和13 年的年代际周期以及4~7 年的年际周期,而输沙率主要存在16 年左右和10 年左右的年代际周期和4~7 年的年际周期;北江径流量主要存在12 年左右年代际周期和2 年左右以及8 年左右的年际周期和和输沙率年代际周期主要13-16 年,而年际周期是4~7 年和2~3 年;东江的径流和输沙率主要存在12 年左右年代际周期和2 年左右以及6 年左右的年际周期。这些年代际和年际变化周期与珠江流域降雨量的变化周期有较好关联性。     

植被恢复与气候变化影响下的鄱阳湖流域蒸散时空特征

蒸散是地球表层物质循环与能量交换过程的重要组成部分,了解其时空特征和影响因素具有重要的科学意义。以鄱阳湖流域为研究区,基于WaSSI-C生态水文模型,利用气象数据、叶面积指数数据和土壤数据等估算1983-2011年鄱阳湖流域蒸散,分析其时空特征,并通过情景模拟定量分析植被恢复和气候变化对蒸散的影响。研究表明：鄱阳湖流域蒸散多年均值变化范围为741~914 mm/a,植被和降水量分布是造成流域蒸散空间差异的主要原因;近三十年来鄱阳湖流域蒸散呈阶段性增长趋势,增长率为1.495 mm/a;植被、气温和降水对鄱阳湖流域蒸散的单独影响均为正向,但气温和降水的联合效应会导致蒸散下降;鄱阳湖流域蒸散变化的主导因素具有空间差异性,从整体上看,植被恢复是驱动蒸散呈增加趋势的主要原因,而气候变化是导致蒸散年际波动的主要原因。     

气候变化和人类活动对中国地表水文过程影响定量研究

利用中国372个水文站月径流数据（1960-2000年）及41个水文站年径流数据（2001-2014年）,采用基于Budyko假设的水热耦合平衡方程,构建气候变化和人类活动对径流变化影响定量评估模型,在Penman-Monteith潜在蒸发分析基础上,进一步分析气象因子对径流变化的弹性系数,量化气候变化和人类活动对径流变化的影响。结果表明：① 中国北方地区流域径流变化对各气象因子弹性系数明显大于中国南方地区。就全国而言,径流变化对各因子的弹性系数为：降水>土地利用/土地覆盖变化（LUCC）>相对湿度>太阳辐射>最高气温>风速>最低气温;② 1980-2000年,气候变化总体上有利于增加中国年径流量,而降水对年径流量增加的贡献最为显著;③ 1980-2000年,中国南方流域中,气候变化对年径流变化的影响以增加作用为主,而北方流域,以减少年径流作用为主。对中国大多数流域径流变化而言,人类活动的影响主要以减少年径流量为主。2001-2014年,气候变化以减少径流量为主,人类活动对径流变化的影响程度明显增强,气候变化与人类活动对径流变化的贡献率分别为53.5%、46.5%。该研究对气候变化与人类活动影响下,中国水资源规划管理、防灾减灾及保障水资源安全具有重要理论与现实意义。     

鄱阳湖水文特征动态变化遥感监测

鄱阳湖是中国第一大淡水湖,对鄱阳湖的水文变化进行持续监测可以为流域内生态环境变化提供基础数据,有利于研究其与长江和流域内河流的交互关系,更好地服务于陆面过程模式和水资源管理。本文利用卫星测高数据反演的鄱阳湖水位数据与MODIS数据结合,对鄱阳湖2000—2015年的水位、水域面积和水量变化进行研究,并通过水量平衡模型,推导出了同期长江—鄱阳湖的水量交互。研究发现,2000—2015年鄱阳湖面积呈现波动性变化,最大水域面积为3600 km ²,是最小水域面积482 km ²的7.5倍。2004年、2007年、2009年和2011年水域面积比较低,2012年后形势好转。每年1月、2月、12月份是鄱阳湖干季,水域面积低至500 km ²,湖口处水位可低至4.71 m,湖面从南往北倾斜,南北水位差异达2.59 m。相对于2000—2015年最低水量,干季时湖泊水量平均增加量为3 km ³。每年6—9月份是鄱阳湖的湿季,水域面积一般大于2670 km ²,水位高于15 m,南北水位差异不大,相对于2000—2015年最低水量,湿季时湖泊水量平均增加量为12 km ³。2000—2015年鄱阳湖流入长江的水量范围为-7~40.66 km ³,每年有93.33%的时间水流从鄱阳湖流入长江。流入长江的水量多少具有明显的季节性,通常5月、6月流入长江的水量高于7月、8月,主要因为7月、8月长江中上游降水增加,长江干流来水增多,对鄱阳湖湖水倒灌有一定的顶托作用。     

Effect of Three Gorges Dam on Poyang Lake water level at daily scale based on machine learning

Lake water level is an essential indicator of environmental changes caused by natural and human factors. The water level of Poyang Lake, the largest freshwater lake in China,has exhibited a dramatic variation for the past few years, especially after the completion of the Three Gorges Dam(TGD). However, there is a lack of more accurate assessment of the effect of the TGD on the Poyang Lake water level(PLWL) at finer temporal scales(e.g., the daily scale). Here, we used three machine learning models, namely, an Artificial Neural Network(ANN), a Nonlinear Autoregressive model with eXogenous input(NARX), and a Gated Recurrent Unit(GRU), to simulate the daily lake level during 2003–2016. We found that machine learning models with historical memory(i.e., the GRU model) are more suitable for simulating the PLWL under the influence of the TGD. The GRU-based results show that the lake level is significantly affected by the TGD regulation in the different operation stages and in different periods. Although the TGD has had a slight but not very significant impact on the yearly decline of the PLWL, the blocking or releasing of water at the TGD at certain moments has caused large changes in the lake level. This machine-learning-based study sheds light on the interactions between Poyang Lake and the Yangtze River regulated by the TGD.     

Growing impacts of low-flow events on vegetation dynamics in hydrologically connected wetlands downstream Yangtze River Basin after the operation of the Three Gorges Dam

Wetland vegetation is intimately related to floodplain inundations, which can be seriously affected by dam operation. Poyang Lake is the largest floodplain wetland in China and naturally connected with the Yangtze River and the Three Gorges Dam(TGD) upstream. To understand the potential impacts of TGD on Poyang Lake wetlands, we collected remote sensing imagery acquired during dry season from 1987 to 2020 and extracted vegetation coverage data in the Ganjiang Northern-branch Delta(GND) and the G...     

鄱阳湖水位变化的复合驱动机制

基于对鄱阳湖开放水文系统特点和影响因素的深入分析,通过构建一组联合的神经网络模型,定量辨识了包括湖盆地形变化、三峡工程作用、长江流域气候变化等因素对湖泊水位变化的影响分量、时空差异及其发展趋势,并对其作用机制进行了探讨。结果表明：相对于1980—1999年,2003—2014年鄱阳湖湖盆地形变化、三峡工程运行、长江流域气候变化和其他人类活动对湖泊水位降低的平均贡献率分别为50%、18%和32%。由于影响机制的不同,湖泊水位对这3个驱动因子的响应表现出明显的时空差异。冬、春季节湖泊水位降低主要由湖盆地形变化引起,而夏、秋季节的水位降低则主要归因于长江流域气候变化及其他人类活动的综合影响。湖盆地形变化对湖泊水位的影响在湖区都昌站附近最为突出,并且该影响仍呈长期增加趋势。三峡工程引起的湖泊水位变化在湖口处最大,向南部湖区逐渐减弱,其长期变化趋势日渐稳定。长江流域气候变化及其他人类活动的作用值得特别注意,该影响年际间波动较大,在某些年份里（如2006年、2011年）可成为湖泊水位降低的主导因素,但年际变化趋势不明显。     

长江对鄱阳湖退水期洲滩出露特征的影响

采用具有物理机制的二维水动力模型MIKE 21,基于2006 年长江枯水与1953―2000 年长江平均来水条件（平均条件）2 种情景,模拟比较2 种情景下鄱阳湖退水期（7―12 月）洲滩出露过程,阐释长江来水变化对鄱阳湖洲滩出露特征的影响。结果表明：2006 年长江来水减少导致鄱阳湖洲滩出露开始时间提前,与平均条件相比提前1 个月;洲滩出露50%面积仅历时约0.5 个月,比平均条件缩短约1.5 个月;长江枯水对鄱阳湖洲滩出露分布影响最显著的时段为8―11 月,8 月上旬洲滩增加的出露面积主要分布在赣江入湖三角洲和东部湖湾,而8月中旬―11 月末增加的出露面积主要分布在中部开敞湖区和北部入江通道洲滩;长江枯水对鄱阳湖中北部洲滩出露天数的影响大于南部湖区,对修水和赣江北支入湖三角洲的影响大于赣江中支和南支入湖三角洲,对鄱阳湖国家级自然保护区的影响明显大于南矶山自然保护区;长江来水变化还显著影响洲滩出露速率,2006 年长江水情下洲滩自开始出露至到达最大出露面积（8 月初―10 月中旬）期间的平均出露速率（25 km²/d）,与平均条件下洲滩自开始出露至到达最大出露面积（9 月初―12 月末）期间的平均出露速率（14.5 km²/d）相比增大了72%。     

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。     

长江中下游流域旱涝急转事件特征分析及其与ENSO的关系

基于长江中下游流域75个雨量站1960-2015年的日降水资料,通过对原有的旱涝急转指数加以改进,定义了日尺度旱涝急转指数（Dry-Wet Abrupt Alternation Index, DWAAI）,全面分析长江中下游流域夏季（5-8月）旱涝急转事件的时空演变特征,并讨论了旱涝急转事件与事件发生前太平洋海表温度的关系。结果表明：① 改进的DWAAI综合考虑了事件前后期旱涝差异与急转快慢程度,筛选事件更加全面。② 总体来说,自20世纪60年以来,流域内发生旱涝急转事件的区域范围越来越广,事件频率和强度均具有逐年增长趋势。旱涝急转事件主要发生在5月和6月,且汉江水系、中游干流区间、洞庭湖水系北部和鄱阳湖水系西北部地区为事件高发区。③ 旱涝急转事件与事件发生前Nino 3.4区域海温持续异常偏低存在一定关系。在发生时间上,La Ni?a现象具有一定的先兆作用,41.04%的事件发生在La Ni?a现象衰亡期或现象结束后8个月内;在事件强度上,流域内站点的DWAAI与事件发生前第1~6个月的Nino 3.4区域海温异常值存在显著的负相关性,尤其是在鄱阳湖水系和中游干流区间,二者负相关性最强。研究结果可以为长江中下游流域防洪抗旱工作提供一定的依据。     

Improving Conservation of Cranes by Modeling Potential Wintering Distributions in China

Habitat management is essential for the conservation of wildlife, especially cranes. Here, we collected occurrence data at wintering grounds for four cranes (Leucogeranus leucogeranus, Grus monacha, Antigone vipio and G. grus) and analyzed associated environmental variables to model and project overall potential wintering habitat using Maxent. ENMTools was used to calculate the degree of niche overlap among cranes. Results showed that lakes in the middle and lower reaches of the Yangtze River are main habitats for the four focal species. Inland water and coastal wetlands in Jiangsu are also potential wintering areas. G. grus spreads over central and eastern China. The four cranes show tight niche overlap in the middle and lower reaches of the Yangtze River. Poyang Lake is one of the most important habitat sites for all four cranes, according to modeling and niche overlap results. Poyang Lake is cut into a dozen nature reserves, but a bigger nature reserve or system would be more effective for cranes. The conservation of these four crane species will be improved on the basis of this study.