近30年洞庭湖季节性水情变化及其对江湖水量交换变化的响应

江湖水量交换的变化影响着通江湖泊洞庭湖的水情,进而影响湖区社会经济及生态的可持续发展.以洞庭湖城陵矶站、南咀站以及长江干流宜昌站、螺山站1981-2012年逐日水位、流量观测数据为基础,采用单位根检验、方差分析和水位-流量绳套曲线等方法对洞庭湖季节性水情变化特征进行提取,并探究江湖水量交换变化对其产生的影响.研究表明:近30年来洞庭湖水情呈阶段性特征,与相对稳定的1981-2002年相比,2003-2012年湖泊水位总体呈下降趋势,年均水位下降0.43 m;枯、涨、丰、退水期各季水情变化特征为:2003年以后洞庭湖丰水期水位平均下降0.60 m,呈现出"高水不高"现象;退水期水位平均下降1.49 m,退水加快;枯水期水位略有上升,平均上升0.18 m;涨水期水位变化不明显.湖泊退水期水位降幅最为明显,尤其是10月大幅下降,平均下降2.03 m,有提前进入枯水期的趋势.水情变化与江湖水量交换变化密切相关:丰水期,三口(松滋、太平和藕池)分流量减小在一定程度上降低湖泊水位;退水期,三口分流量减小叠加城陵矶出口长江水位下降对洞庭湖产生拉空作用,湖泊出流加快水位被拉低;枯水期,主要是1 3月,城陵矶出口长江水位上升对湖泊顶托作用增强,湖泊出流减缓水位略有抬升.     

洞庭湖三口洪峰流量和水位变异特性分析

近几十年来,受荆江裁弯、葛洲坝工程运用、三峡水库拦蓄调度、洞庭湖治理以及长江上游水土保持措施等因素的综合影响,洞庭湖三口(松滋口、太平口和藕池口)的水文情势发生了显著变化,给湖区防洪、水资源、水生态、水环境等造成一系列影响.为了深入认识三口洪水发生的复杂变化,本文采用水文变异诊断系统和Zivot-Andrews结构突变单位根检验方法,对三口各水文站点的年最大洪峰流量和年最高洪峰水位序列进行变异诊断,并对其变异特性和变异原因进行分析.结果表明,各站点洪峰流量序列的变异具有较好的一致性;受分流能力变化和上游来流变化的影响,三口各站点的洪峰流量多呈现方向向下的趋势变异;受到洪道冲刷、流量减小、顶托减弱、洪道上下游落差增大的影响,三口各站点洪峰水位在2004年均发生方向向下的跳跃变异.     

三峡工程调节作用对洞庭湖水面面积(2000-2010年)的影响

以洞庭湖为研究对象,以11年(2000-2010年)Terra/MODIS 16 d最大值合成的植被指数数据产品集MOD13Q1和同期城陵矶水文监测站的水位数据为主要数据源,通过对NDVI和NIR分别设定阈值的方法,实现了洞庭湖水面面积的综合提取,分析了三峡工程建设背景下,洞庭湖水面面积的年际变化特征和年内变化规律,再结合城陵矶水位数据,对水位与水面面积之间的定量关系进行了深入分析.研究结果表明:三峡工程的运行,很大程度上控制着洞庭湖的入湖水量,对洞庭湖防汛工作有利;在气候变化、三峡水库的共同影响下,洞庭湖区水面面积整体上呈减少趋势;水面面积与水位的拟合结果显示两者具有良好的相关性,其中2000-2003年两者的确定性系数达到0.975.     

基于Copula的洞庭湖-流域-长江系统水文干旱概率分析

洞庭湖是长江中游重要的通江湖泊,水系格局复杂.近年来在气候变化和人类活动的双重影响下,江湖关系发生变化,湖泊水文干旱事件频发.基于洞庭湖、流域和长江干流水文站点的实测数据,通过标准化水位指数和标准化径流指数识别了水文干旱事件,并运用Copula函数分析了洞庭湖-流域-长江系统水文干旱的联合概率分布特征.结果表明:在年尺度上,1964—2016年间洞庭湖共发生了9次水文干旱事件,水文干旱的发生概率为14.01%,洞庭湖-流域系统、洞庭湖-长江系统的水文干旱联合概率分别为9.65%和8.58%,表明年尺度上流域来水对洞庭湖水文干旱的影响更大.在季节尺度上,洞庭湖-流域系统春季水文干旱联合概率最高,且两者同时发生水文干旱事件的次数最多,表明洞庭湖春季水文干旱与流域入湖补给减少有密切关系;而洞庭湖-长江系统,其秋季水文干旱联合概率最大,尤其自2003年以后更加极端和频发,这一方面受秋季降水减少和流域内人类活动的影响,另一方面三峡水库秋季蓄水使长江中下游干流水位降低,长江对湖泊顶托作用减弱也是重要原因之一.     

水位对洞庭湖湿地4种典型沉水植物的影响

近年来,受全球变化及高强度人为干扰的影响,湿地退化严重(洞庭湖湿地枯水期提前、枯水期水位持续降低和浅水洼地减少),导致洞庭湖湿地沉水植物大面积消亡.深入研究洞庭湖低水位对沉水植物的生长影响,对指导沉水植物恢复有重要意义.以我国典型通江湖泊洞庭湖典型沉水植物为研究对象,模拟野外沉水植物主要分布区域浅水洼地水文环境,设置4个水位梯度(25、50、75、100 cm),探讨竹叶眼子菜(Potamogeton malaianus)、黑藻(Hydrilla verticillata)、苦草(Vallisneria natans)和金鱼藻(Ceratophyllum demersum)的生长、生物量和生理活性对水位变化的响应.结果显示:(1)前期底质养分含量为:总氮0.09%、总磷0.09%、总钾3.04%、碱解氮20.87 mg/kg、速效磷10.7 mg/kg、速效钾326.67 mg/kg、硝态氮6.97 mg/kg、氨氮6.59 mg/kg、有机碳1.21%、有机质2.09%,2个月后,不同水位的底质养分含量有差异,100和75 cm水池的养分含量高于50和25 cm,氨氮、有机质和有机碳含量在25 cm水位的水池较高;(2)75 cm水位适合竹叶眼子菜和黑藻生长,100 cm水位适合苦草和金鱼藻生长;(3)100 cm水位有利于竹叶眼子菜的繁殖及生物量积累,75 cm水位有利于黑藻和金鱼藻的繁殖及生物量积累,50 cm水位有利于苦草的繁殖及生物量积累;(4)100 cm水位下的沉水植物酶活性强,75和50 cm水位下的沉水植物次之,25 cm水位下的最弱.以上结果表明,4种沉水植物的生长特征和生物量积累随水位变化,在水域生态恢复中应考虑将水位控制在50~100 cm之间,这样有利于促进种群生物量和水生生态系统的恢复.     

1960年以来洞庭湖江湖连通河道松滋口枯水期分流变化特征及应对策略

河湖水文连通性强弱对于维系流域水资源安全、河湖生态系统稳定等方面具有重要意义.本文首先利用1960-2019年松滋口新江口与沙道观两站与干流枝城站实测水文资料以及河道典型横断面地形资料,采用Mann-Kendall法与趋势线法分析讨论枯水期松滋口分流变化的特征与诱因,然后,针对枯水期松滋口河道的分流问题提出河道治理方案.结果表明：松滋口枯水期的流量主要来自西支.在1960-2019年间,枯水期西支分流量呈现三峡大坝蓄水运行前后从下降趋势转变为显著上升趋势,而东支分流量在下荆江裁弯后至今基本处于断流状态,下荆江裁弯、葛洲坝运行及三峡大坝蓄水运行是其分流量变化的主要诱因.根据建立分流量与水位差（干流水位与河底高程）的回归关系,模拟出在松滋口西东支现有河道的基础上,河床高程分别下降1 m与2.5 m左右,其分流量可达到或接近1960s分流量水平,有助于缓解区域水资源与环境生态问题.     

基于水文变异的东洞庭湖湿地生态水位研究

东洞庭湖湿地具有重要生态意义.基于东洞庭湖湿地退化的现实,认为气候变化、人类活动等因素造成水文序列发生突变,湿地生态系统适应突变前的水文环境.以城陵矶水文站1952-2006年月平均水位序列为分析对象,通过滑动T检验法找到序列的最可能突变点,以该点对序列进行分割,以变异前的月平均水位序列为对象,拟合月平均水位的最适合概率分布函数,认为概率最高处的月平均水位是区域生态水位.研究结果表明,城陵矶水文站的水位时间序列发生显著变化;与其他方法相比,本文确定的东洞庭湖湿地生态水位具有一定的合理性,对东洞庭湖湿地生态系统修复具有一定的指导意义.     

1987—2022年新安江水库（千岛湖）水面面积时空变化及其与水位、蓄水量的响应关系

水面面积、水位、蓄水量是水库水资源管理的重要基础数据,遥感是湖库水体提取、水位和蓄水量估算的重要技术手段。由于不同水体提取方法的适用性差异、测高卫星数据的有限时间覆盖度和开源数据集的时空分辨率不足等原因,湖库水面面积、水位、蓄水量的长时序、高频率时空变化监测仍存在一定挑战。本研究以新安江水库为研究区,结合多源遥感、气象、水文和土地利用等数据,基于Google Earth Engine云平台,运用水体指数法,分析1987—2022年新安江水库水面面积时空变化特征,构建水位—水面面积、水位—蓄水量和水面面积—蓄水量响应关系,探究水面面积时空变化成因。结果表明:(1)Landsat 5、Landsat 8和哨兵2号数据的最佳水体提取指数分别为AWEI_sh和GNDWI,F1-score分别为91.93%、91.03%和93.14%。相比于开放数据集GSWED(32.61%)、JRC GSW(76.17%)和ReaLSAT(69.76%),基于最优水体指数的水体提取结果具有最高的F1-score(91.26%);(2)时间上,1987—2022年新安江水库水面面积呈显著上升...     

长江中游通江湖泊江湖关系研究进展

自然通江的洞庭湖和鄱阳湖与长江之间形成复杂的江湖水沙交换关系,其变化影响着区域洪水灾害防治、水资源利用、水环境保护和水生态安全维护,是长江中游水问题的核心.从长江中游大型通江湖泊江湖关系的概念与内涵、江湖关系演变过程、江湖关系变化的影响因素及效应等方面,系统梳理了长江中游通江湖泊江湖关系研究的进展.针对当前研究现状和存在的问题,提出了研究江湖关系表征指标体系是正确认识江湖关系的前提;定量区分人类活动和气候变化影响的贡献率是江湖关系研究的重点和难点;深入跟踪研究三峡等重大工程对江湖关系变化的影响是一项长期任务;评估江湖关系调整背景下江湖关系的健康状况,研究以江湖水系重大水利工程群联合调度为核心的江湖关系优化调控原理,维持江湖两利的长江中游健康河湖系统格局和相互作用关系是江湖关系研究的根本目标.     

丰镇井水位变化与降雨量的关系研究

在结合丰镇井区域水文地质条件的基础上,分析了井水位变化与降雨量的关系。研究结果表明：开展水位（年初值、年末值、年极大值、年极小值、年际变幅和极值变幅）与年降雨量的关系研究,对区域震情的跟踪和判定具有十分重要意义。     

长江中游洞庭湖地区江湖整治刍议

根据１９９８年洪水之后长江中游洞庭庭湖地区大量实地科学考察资料,结合已有的长期科研积累,对长江中游洞庭湖地区的江湖整治和灾后重建等问题了初步分析,并取得若干认识。主要包括长江中游地区洪水威胁日趋严重的原因;“退田还源     

近40年洞庭湖区内湖水面面积变化及其驱动因素

选择1979-2016年间多时期、多类型、多光谱遥感数据,分析评价洞庭湖区内湖近40年的面积变化.结果表明,最近40年洞庭湖区内湖面积保持相对稳定,丰水期间呈上升趋势,枯水期间波动下降,2016年内湖总面积比1980s初减少3.94%.随着湖泊面积增加,湖泊水面面积变化的比例和幅度逐渐减小,大型湖泊（>10 km²）和中型湖泊（5~10 km²）面积相对稳定,小型内湖（<5 km²）面积变化尤为剧烈.内湖水面面积主要受降雨、蒸发等气候因素和生产生活取水、防洪排涝和退田还湖等人为活动调控.1980-2000年和2001-2015年两个时期,洞庭湖区多年平均降雨量呈现不同程度的下降趋势,多年平均蒸发量明显上升.三峡工程运行后,三口分流衰减,但水资源需求量不断增长,退田还湖和留蓄雨洪作为水资源使得丰水期间内湖水面面积增长,气候变化和水资源开发利用导致枯水期水面面积趋于减少.有必要加强洞庭湖区内湖的研究和保护,适当退田还湖提高湖泊率,优化三口水系格局,实施河湖水系连通工程,缓解洞庭湖区季节性水资源紧张问题.     

洞庭湖生态水位及其保障研究

湖泊生态水位是维持湖泊生态系统健康的重要因素.基于洞庭湖城陵矶、杨柳潭、南咀3个水文站1959-2016年日平均水位序列进行分析,采用Mann-Kendall法、累积距平法和滑动T检验法综合确定洞庭湖水位变异时间节点,结合生态水位年内展布法以及IHA-RVA法,计算分析湖泊最小和适宜生态水位,并且采用Tennant法进行合理验证,在此基础上对水文变异前、后湖泊生态水位保障度进行研究.研究结果表明:(1)洞庭湖城陵矶和杨柳潭水文站年均水位呈上升趋势,而且城陵矶站水位上升趋势显著,南咀站年均水位呈显著下降趋势.(2)洞庭湖3个典型水文站水位年际变化突变年份为2003年,突变年份基本上与三峡工程蓄水时间相符.(3)城陵矶、南咀和杨柳潭年均最小生态水位分别为21.41、28.95和27.84 m,分别占多年平均水位的86.3%、95.9%和95.7%,城陵矶、南咀和杨柳潭年均适宜生态水位分别为23.29、29.51和28.36 m,分别占多年平均水位的93.9%、97.8%和97.5%,生态水位计算结果考虑了天然湖泊水位年内丰枯变化,满足了湖泊生态目标需求.(4)洞庭湖最低生态水位保障程度较高,基本能达到80%以上,但适宜生态水位保障程度相对较低,其中2003年以后洞庭湖10月和11月生态水位保障程度显著下降,与上游水利工程蓄水有关,建议在此期间采取调度措施适当增加洞庭湖水量,以保障湖泊生态系统的健康与生物多样性.     

Study of Dongting Lake area variation and its influence on water level using MODIS data / Etude de la variation de la surface du Lac Dongting et de son influence sur le niveau d’eau,grâce à des données MODIS

Abstract

Abstract MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) is a new generation remote sensing (RS) sensor and its applications in hydrology and water resources have attracted much attention. To overcome the problems of slow response in flood disaster monitoring based on traditional RS techniques in China, the Flood Disaster Monitoring and Assessing System (FDMAS), based on MODIS and a Geographic Information System (GIS), was designed and applied to Dongting Lake, Hunan Province, China. The storage curve of Dongting Lake for 1995 was obtained using 1:10 000 topographic map data and then a relationship between water level at the Chenglingji hydrological station and lake area was derived. A new relationship between water level and lake area was obtained by processing MODIS images of Dongting Lake from April 2002 to April 2003 and the influence of lake area variation on water level was analysed with the 1996 flood data. It was found that the water level reduction reached 0.64 m for the 1996 flood if the original lake area curve was replaced with the area curve of 2002. This illustrates that the flood water level has been considerably reduced as a result of the increased area of Dongting Lake since the Chinese Central Government’s ?return land to lake? policy took effect in 1998.     

洞庭湖的调节作用对荆江径流的影响

洞庭湖对荆江径流有高效率的调节作用。根据长系列水文资料分析表明,荆江径流经调节后,年平均径流量,汛期径流量与汛枯期径流比分别减少了２６．３％、３２．９％与３２．４％,年平均径流量与汛期径流量均呈沿程递减。这些在长江干流都是独一无二的。下荆江的流量最大变化幅度系数Ｑｋ为０．８９２,在长江干流属最小。