长江倒灌对鄱阳湖水文水动力影响的数值模拟

倒灌是发生在湖泊与周围水体交汇处的一个重要物理过程,对湖泊水文水动力与水环境带来严重影响或干扰,进而对湖泊水质产生重要的影响或控制作用.本文采用统计方法和二维水动力-粒子示踪耦合模型来分析倒灌物理成因、倒灌发生判别与指示以及倒灌对鄱阳湖水文水动力的影响.统计表明,流域"五河"入湖径流、长江干流径流情势以及两者叠加作用均是倒灌的影响因素,但长江干流径流情势是影响或者控制倒灌频次与倒灌强度的主要因素."五河"来水与长江干流的流量比可用来判别与指示倒灌发生与否.当流量比低于约5%时,倒灌可能发生且最大发生概率可达25%;当流量比高于10%时,倒灌发生概率则低于2%.水动力模拟结果表明,倒灌对湖区水位与流速的影响向湖区中上游逐渐减弱,湖泊水位和流速受影响最为显著的区域主要分布在贯穿整个湖区的主河道,而浅水洪泛区的水位和流速则受倒灌影响相对较小.倒灌使得湖泊空间水位提高约0.2~1.5 m,湖泊主河道的流速增加幅度可达0.3 m/s.粒子示踪结果表明,倒灌导致湖区水流流向转变约90°~180°,倒灌导致的水流流向变化能够使湖区大部分粒子或物质向上游迁移约几千米至20 km,且粒子在下游主河道的迁移距离要明显大于中上游洪泛区.     

鄱阳湖水利枢纽工程对鄱阳湖水文水动力影响的模拟

水流情势变化是河湖生态系统演变最主要的驱动力,拟建的鄱阳湖水利枢纽工程对鄱阳湖水文水动力会产生何种影响是一个值得深入研究的问题.本研究基于EFDC模型构建了鄱阳湖水动力的二维模型,并按照规划中的鄱阳湖水利枢纽工程调度方案,通过丰平枯典型年份的情景模拟,探讨了鄱阳湖水利枢纽工程运行调度方案对湖泊水文水动力的可能影响.模拟结果表明:不同情景年型鄱阳湖水利枢纽工程低枯水位生态调节期(12月1日至3月底4月初)中11 m控制水位对该时期湖泊平均水位的抬升程度明显,2010年(丰水年)11 m控制水位对枯水期湖泊平均水位的最大抬升为2.59 m,2000年(平水年)枯水期湖泊的平均水位最大抬升为2.68 m,而2004年(枯水年)枯水期湖泊的平均水位最大抬升为4.35 m.枯水期水位的抬升,使不同年型不同湖区的枯水期平均流速、最大流速和最小流速都有不同程度的减小,其中以入江河道为最,2000年和2010年枯水期平均流速降幅在44%以上,2004年(枯水年)枯水期的平均降速范围在50%以上,而对两大保护区的影响则较小.对流场格局的影响方面,主要表现在有枢纽时由于低枯水期的11 m水位控制,棠荫以北尤其是入江河道的流场与无枢纽时的流场表现出明显的不同;棠荫以南的湖区,当赣江中支和赣江南支的来水较大时,在棠荫附近及松门山以南的湖区会呈现出较大的水面.同时由于枯水期的水位抬升和流速减小,水利枢纽工程对湖泊换水周期的作用明显,不同年型的换水周期都受到不同程度的影响,2004年枢纽控水过程使控水期间的平均换水周期增加了5.6 d,影响程度达26.1%;模型模拟结果可以揭示在目前调度方案下,水利枢纽工程对鄱阳湖水文水动力的影响程度,为进一步定量分析鄱阳湖水利枢纽工程对湖泊水质和生态系统演化及其可能造成的影响提供必要的基础支撑.     

鄱阳湖水龄季节性变化特征

基于环境水动力学模型EFDC源程序,建立了染色剂模型和水龄模型,在将模型与航测水文数据验证吻合的基础上,分别计算了鄱阳湖自然条件下春、夏、秋、冬季的水龄和倒灌前后鄱阳湖染色剂和水龄分布的变化,以及五河水系各分支河流水龄.分季节的水龄计算表明鄱阳湖水体交换受季节性来水影响明显.夏、秋季的水龄相对较小,在多数年份又受到长江水倒灌的影响导致水龄有所增大;冬、春季水龄较大,亦无长江水倒灌现象,相较于夏、秋季,水域面积明显减少.分支流的水龄计算表明,西南湖区的水体交换主要受到赣江的影响,西北湖区水体交换主要受到修水和赣江的影响,南部湖区主要受到抚河与信江的影响,东部湖区主要受到饶河的影响,湖心区和入江水道则受到五河水系的综合影响.同时水龄的研究表明拟建的鄱阳湖水利枢纽工程"调枯不调洪"的原则是合理的,为鄱阳湖水利枢纽工程论证提供了重要的参考依据.     

气候变化和人类活动对鄱阳湖水龄影响的定量区分

在气候变化和人类活动的双重影响下,湖泊内部的水动力条件正发生重大的变化,进而影响到湖泊水环境的变化.水龄是颗粒物从入口传输到指定点的时间,可以定量反映水体的运动和交换程度以及滞留情况.如何定量区分人类活动与气候变化对水龄的影响程度,对湖泊水资源科学管理和水环境的治理有着重要的科学意义.本文耦合了深度学习网络和传统二维水...     

鄱阳湖二维水动力和水质耦合数值模拟

针对大型通江湖泊水位变化剧烈,地形起伏多变,岸线复杂,湖泊内部窄小洪道与大面洲滩和洼地连接复杂,湖泊洲滩出露、淹没频繁交替等湖泊水情和地貌特征,基于二维浅水方程和对流扩散方程组构建了鄱阳湖二维水动力和水质耦合模拟模型.模型采用非结构网格有限体积法进行离散,以HLLC算法计算单元界面的水量、动量和物质输运通量.水陆边界通...     

定常风对鄱阳湖水动力的影响

鄱阳湖属大风区,风场作为仅次于流域"五河"倾泻和长江顶托作用的另一重要驱动力,或在某些时刻影响局部区域的水流结构,进而影响局部水体中泥沙、污染物、营养盐等物质的输移和扩散.基于鄱阳湖二维水动力数学模型,模拟定常风场条件下的鄱阳湖流场分布及环流形式,并与无风条件下的水流时空结构进行对比.结果表明:3.03 m/s的NE向和SSW向定常风对湖泊水位影响微弱;对流速的影响主要集中在7月中旬至9月底的"湖相"期;其影响区域主要分布在湖区中部大湖面偏西岸及东部湖湾,约占湖泊最大水面积的16%;上述区域出现明显环流,环流结构具有时空异质性特点,环流区流速普遍增至无风时的两倍以上;NE向和SSW向风场产生的环流位置相近,方向相反.相比于以往鄱阳湖水动力研究中对风场的忽略,本次研究揭示了定常风场对鄱阳湖的重点影响区域、影响程度及影响形式,可为泥沙及污染物输移模拟中对风场条件的处理及可能带来的误差与误差的空间分布提供重要依据.     

拟建鄱阳湖水利枢纽工程对长江干流流量影响的模拟

维系江湖关系的重要基础是江湖之间的物质通量,而江湖之间物质通量的核心内容是水的通量.规划中的鄱阳湖水利枢纽工程,以"一湖清水"为建设目标,坚持"江湖两利"的原则,按"调枯不控洪"方式运行.目前,国内学者对拟建的鄱阳湖水利枢纽工程可能导致湖泊影响方面的研究较多,但对该工程能否实现或维持"江湖两利"方面的研究较少.本文采用二维水动力模型,针对拟建的鄱阳湖水利枢纽工程和规划中的水位调度方案,分别从湖泊丰水期和枯水期两个时段,选择鄱阳湖丰、平、枯3种典型年型,在无枢纽与有枢纽两种情景模拟的基础上,定量分析丰、平、枯3种典型年枢纽工程的水位调度方案对长江干流流量的可能影响.模拟结果表明:在一个鄱阳湖水利枢纽工程水位调度周期中,无枢纽状态与有枢纽情景下湖泊外排到长江干流的径流总量差异很小,从模拟的年份来看,有枢纽外排减少量在0.2%~0.7%之间变化,基本维持了有枢纽与无枢纽状态下的水量平衡,但在一定程度上改变了湖泊外排长江干流水量的分配时间,使不同年型丰水期的湖泊外排水量有所减少,而在湖泊和长江低枯水期,对长江流量则有一定的增排作用,且增排效果为枯水年型平水年型丰水年型,不同年型的增排比例在2.1%~17.0%之间变化;在丰水期湖泊水位偏低,且枢纽位置的实际水位严重不足9 m的年型情况下,按照枢纽工程的水位调度方案要在9月15日将湖泊水位提升至14~15 m是难于实现的,现有的枢纽工程调度方案在这种情况下缺乏可操作性,有进一步细化和优化的空间.     

鄱阳湖湖泊流域系统水文水动力联合模拟

本文以鄱阳湖湖泊流域系统为研究对象,鉴于该湖泊流域系统尺度较大,下垫面自然属性呈现高度空间异质性且具有流域-平原区-湖泊不同机制的水文水动力过程,为了真实描述湖泊流域间的水文水动力联系及反映不同过程间的作用机制,构建了鄱阳湖湖泊流域联合模拟模型.该模型基于自主研发的流域分布式水文模型WATLAC和湖滨平原区产流模型以及水动力模型MIKE 21 3个不同功能子模型的连接来实现该复杂系统的模拟.模型的联合采用输入-输出驱动及子模型的顺序执行进程,即将五大子流域与平原区入湖径流量作为输入条件来驱动湖泊水动力模型,模拟湖泊水位对流域入湖径流量的响应.以2000-2005年鄱阳湖流域6个水文站点的河道径流量、流域基流指数以及湖泊4个站点的水位资料来率定模型,其中各站点日径流量拟合的纳希效率系数E_ns为0.71~0.84,确定性系数R²介于0.70~0.88之间,而湖泊各站点水位拟合的纳希效率系数E_ns变化为0.88~0.98,确定性系数R²为0.96~0.98,均取得令人满意的率定结果.本文提出的鄱阳湖湖泊流域系统水文水动力联合模拟模型能较为理想再现湖泊水位对流域降雨-径流过程的响应.水位模拟结果进一步表明,该联合模型能用来获取重要的水动力空间变化特征.该模型可作为有效工具定量揭示湖泊流域系统水文水动力过程对气候变化和流域人类活动的响应.     

鄱阳湖换水周期与示踪剂传输时间特征的数值模拟

在复杂湖泊水动力环境作用下,换水周期和传输时间变化直接影响着污染物的迁移和转化.本文运用数值模拟方法,定量研究了季节水情动态下鄱阳湖换水周期和示踪剂传输时间的空间分布.结果表明,不同季节下鄱阳湖换水周期均具有较高的空间异质性,贯穿整个湖区的主河道换水周期约10 d,大多湖湾区的换水周期则长达300多天.尽管不同季节下换水周期空间分布格局几乎相似,但受鄱阳湖水动力场的季节变化影响,夏、秋季的换水周期要明显大于春、冬季.基于换水周期频率分布曲线的统计表明,80%的鄱阳湖区的换水周期约30 d,其余湖区换水周期为几十天至几百天,表明鄱阳湖应该更加确切地描述为一个快速换水和慢速换水同时共存的湖泊系统.鄱阳湖示踪剂传输时间介于4~32 d,夏、秋季的传输时间(11~32 d)约为春、冬季(4~8 d)的4倍,主要与鄱阳湖季节性水情特征及示踪剂的迁移路径有关.本文所获取的换水周期和示踪剂传输时间的时空分布信息可为今后鄱阳湖水质、水环境和生态系统管理和维护等方面提供重要科学参考.     

鄱阳湖水利枢纽工程对湖泊水位变化影响的模拟

水位变化是影响湖泊水文过程和生态环境的重要因素.本研究基于环境流体动力学(EFDC)模型构建了鄱阳湖水利枢纽工程与主湖区的二维模型,模拟水利枢纽工程运行后对主湖区及湿地保护区水位变化节律的影响.模拟结果表明:水利枢纽工程对湖泊水位的影响由北向南逐渐减小,水利枢纽工程提升了大湖北部水位,使南北水位差减小,将影响鄱阳湖枯水期的流速及自净能力.吴城和南矶湿地自然保护区核心区水位变化受水利枢纽工程的影响较小,吴城自然保护区核心区在水位低于13.8 m时与大湖脱离,不再受水利枢纽工程影响,但水利枢纽工程会影响蚌湖与大湖脱离时间;南矶自然保护区位于鄱阳湖南部,水位受水利枢纽工程影响很小.水利枢纽工程条件下,湖泊水位受人工控制,枯水年和平水年湖泊水位的变化基本一致;枯水年水利枢纽工程对湖泊水位的影响大于平水年,但对湖泊南部的水位变化影响仍然较小.模型模拟结果可以揭示在目前调度方案下,水利枢纽工程对湖泊水位变化节律的影响规律,为工程建设提供一定的理论参考.     

“引江济淮”工程对安徽菜子湖水龄分布的影响

菜子湖是"引江济淮"工程的重要输水通道,其水体输运和物质交换将因输水工程发生改变.本文基于环境流体水动力学模型（EFDC）建立了菜子湖水龄模型,在将模型与实测水文数据验证满足精度的前提下,设计14种方案计算菜子湖在季风影响下的水龄,工程实施期间菜子湖在丰、平、枯季的水龄与流场,以及枯水季调水情景下同风速8种风向和强风向3种风速时的水龄.数值试验的模拟结果表明：菜子湖湖体水龄分布具有时空差异性,无风条件下,春、夏、秋、冬季的湖体的平均水龄分别为120.93、33.19、92.92、101.48 d,而在季风影响下,春、夏、秋、冬季平均水龄分别为75.23、32.45、81.80、66.16 d;西部L2湖水龄较长,东部L1湖和南部L3湖水龄较短;输水工程将改变L1和L3湖的流场,对L2湖流场几乎无影响;输水工程实施后,菜子湖水龄分布主要受风场及输水影响,不同风向对菜子湖各湖区影响不同,西南风有助于L1湖水体交换,北风有助于L2湖水体交换,东风有助于L3湖水体交换,而当风向为东北风时,3个湖区水龄均较小;枯水季调水有利于L1湖和L3湖水体交换,但对L2湖水体交换作用不明显.     

Monitoring the impact of backflow and dredging on water clarity using MODIS images of Poyang Lake,China

Backflow from the Yangtze River to Poyang Lake occurs frequently due to their different flood seasons. Based on the reasons for and time period of backflow, this study estimated the spatial‐temporal extent and the change of water clarity influenced by sediments within the backflow and northern Poyang Lake using time‐series Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) images. The results revealed that the sediments from backflows together with dredging activities in the northern Poyang Lake not only affected the northern Poyang Lake, but also influenced the central and southern Poyang Lake and the Poyang Lake national nature reserve, and resulted in great decline of water clarity in the regions influenced, which could seriously affect the lake ecosystem. The results indicated that MODIS images have potential for monitoring the distribution of sediments from backflows and dredging activities. However, the potential is limited because of the frequent cloud cover in the study area and the characteristics of backflow itself. The dredging activity combined with backflows might have great negative impacts on the Poyang Lake ecosystem, and it would be worthwhile to explore the possible impacts in order to develop scientific knowledge to support the decisions, which need to be made by the responsible authorities for deciding how to rationally manage this unique lake ecosystem Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

地形变化对鄱阳湖枯水的影响

基于2010年鄱阳湖最新地形,构建精细的鄱阳湖二维水动力数学模型,相同网格下构建1998年地形,分别模拟不同地形条件下2006年枯水年水位、流量时空分布,分析地形变化对水位、流量的影响,阐释地形影响的时空差异.结果表明:相比1998年,2010年地形由于北部入江通道的下切,相同的2006年水文条件下,水位普遍降低;水位越低,上下游水面坡降越大,受地形影响越明显;低水位最大降幅1~2 m,而高水位最大不超过0.4 m,分别对应湖口9 m以下、15 m以上水位;地形对水位的影响程度都昌星子棠荫康山;都昌至湖口段水头差降低了2 m,水面坡度变缓,棠荫至都昌段水面坡度变陡,康山至湖口水头差基本不变;全年出湖总流量增加了6%;地形变化影响最显著为河道区,影响范围可波及大部分湖区,局部地形的变化使得子湖水面积也存在一定差异.本研究首次基于水动力模拟量化了鄱阳湖地形变化对水位的影响程度和范围,结果可为水资源管理、江湖关系演变分析、湿地生态环境保护等提供科学参考.     

鄱阳湖汇流顶托对长江汉口水位影响的量化分析

为定量评估汇流顶托对水位变化的影响,本文从水文过程仿真及顶托响应评价入手,提出了一种汇流顶托对水位影响的量化分析方法,并以长江汉口江段为例,开展了鄱阳湖汇流顶托对长江汉口江段水位影响的量化评价,结果表明:改进提出的长江汉口江段水文仿真模型,经参数优选后确定性系数可达0.98以上,总量相对误差绝对值在3%以内,较好地再现了水文变化过程;通过响应指数定义及水文过程模拟,研制了汉口多值型水位流量关系响应特征曲线,揭示了鄱阳湖与长江水位变化的关联性机制;经2016和2020年洪水实例分析,汉口江段长历时高洪水位主要受长江来水及鄱阳湖汇流顶托共同驱动,二者合力贡献可达83.3%以上,其中鄱阳湖汇流顶托贡献率在35%左右.其余因素(如区间洪水、沿江排涝等)亦助推高洪水位形成,部分时段贡献可达近34.4%.本文提出的顶托量化分析方法,可定量评估因顶托效应引起的水位变化,为解析河段高洪水位成因机制提供了有效的技术支撑.