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洞庭湖近年干旱与三峡蓄水影响分析_孙占东

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第24卷第2期长江流域资源与环境Vol.24No.22015年2月ResourcesandEnvironmentintheYangtzeBasinFeb.2015洞庭湖近年干旱与三峡蓄水影响分析孙占东,黄群,姜加虎,赖锡军(中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,江苏南京210008)摘要:季节性水文干旱是洞庭湖近年突出的水情问题,并因三峡影响而倍受关注。基于洞庭湖水文干旱的关注焦点(湿地生态影响)及其与湖泊水情的对应关系,建立了湖泊滩地出露与持续时间为依据的干旱度量指标;并利用水文分析方法,揭示了洞庭湖水文干旱发生的时空特点和水情机制;最后,基于BP神经网络模型获取的三峡水库蓄水对洞庭湖的水位影响量化了三峡水库秋季蓄水对湖区干旱的贡献分量。结果认为:(1)2000年后,洞庭湖的干旱频次明显增多、旱情加重,干旱程度以西洞庭最剧,东洞庭次之,南洞庭最轻;(2)洞庭湖不同湖区干旱成因存在一定差异,其中全湖的春旱基本由洞庭湖流域来水偏少引起,而东洞庭湖秋旱主要由长江来水减少引起,西、南洞庭湖秋旱则由长江和洞庭湖流域来水共同减少形成;(3)三峡水库蓄水对东洞庭湖秋旱起到一定的加重作用,但并非洞庭湖近年干旱的主要因素。关键词:洞庭湖;水文干旱;江湖关系;三峡水库中图分类号:P940文献标识码:A文章编号:1004-8227(2015)02-0251-06DOI:10.11870/cjlyzyyhj201502010作为长江中游洪水的调蓄场所,洪涝灾害一直分析结果探讨洞庭湖近年干旱的特征和发生机理,是洞庭湖面临的最大问题,但近年季节性水文干旱以及三峡水库蓄水对干旱的影响分量,为客观认识问题突显。随着湖泊旱情的不断出现、特别是洞庭湖区江湖关系及三峡水库运行产生的可能影响2006、2009和2011年罕见湖泊干旱的发生,在缺水提供参考。与洪水的矛盾中,缺水逐渐成为矛盾的主要方面,并[1,2]因三峡水库运行可能影响引发诸多争议。水1分析方法及指标多、水少的不和谐格局是降水及其在地表时空分配不均的结果,水库调控会带来下游河湖水情的直接1.1湖泊干旱分析方法[3,4]变化。相关研究表明:一方面,近年洞庭湖干旱以往对湖泊干旱问题的研究主要借助特征水位有其气候背景因素,即长江上游和洞庭湖流域的气(自然分级和频率分级)方法进行。事实表明简单的[5~7]候干湿转换所引发的频繁极端气象干旱事件;特征水位变化不能准确反映洞庭湖枯季旱情。枯季另一方面,洞庭湖是三峡水库坝下的第一个大型通洞庭湖不同湖区水力联系变差,水位出现明显分异。江湖泊,湖泊水情与长江干流水情密切相关,三峡水从洞庭湖3个主要湖区多年最低水位过程来看,西、[8~11]库的蓄水运行必然会引起洞庭湖水情的变化。南洞庭湖的最低水位多年变化平稳,而东洞庭湖最因此,有必要进一步厘清造成洞庭湖干旱的根本原低水位则呈显著升高趋势,因此洞庭湖近年干旱与因、分辨三峡水库蓄水对干旱所起的作用。同时对湖泊最低水位关系不大,最低水位并不适合作为整于干旱的一些基本问题:如何判断洞庭湖干旱的发个洞庭湖近年干旱分析指标。生与严重程度?洞庭湖干旱的特征怎样?干旱是全洞庭湖作为我国重要的湖泊湿地,近年湖泊干湖性的还是局部性的?也需要有一个明确的回答。旱的关注焦点主要集中在湿地生态方面,概括起来本研究以长江、洞庭湖的实测数据为基础,结合模型包括:(1)洲滩植被生长受影响,沉水植被大量死亡、收稿日期:2013-12-18;修回日期:2014-10-15基金项目:国家重点基础研究(973)项目(2012CB417003),科学院学科前沿和交叉项目(NIGLAS2012135018)和科技基础性工作专项(2012FY111800-03)联合资助.作者简介:孙占东(1975~)男,副研究员,博士,主要从事陆面水文过程与湖泊-流域相互作用研究.E-mail:sun@niglas.ac.cn 252长江流域资源与环境第24卷范围缩小,植被发生正向演替;(2)候鸟食物减少、栖了湖区三口和四水的来流分析外,三峡水库蓄水对息地缩小;(3)鱼类产卵场丧失;(4)底栖生物因缺水湖区水情影响则主要利用了BP神经网络模型对三[12]而大量死亡;(5)江豚活动范围被逼迫至主航道等。峡水库调蓄进行还原计算模拟的输出结果,以反与以上问题相对应,湿生植被受干旱的影响主要取映在没有三峡水库运行条件的洞庭湖区近年枯季对决于高滩地淹没日期;草滩、候鸟和鱼类产卵受干旱应的水情状况。影响主要取决于泥、草滩淹没日期;沉水植被、底栖和候鸟受干旱影响主要是泥滩出露日期和持续时2结果和讨论间,而江豚则主要受最低水位归槽持续时间的影响。因此,洞庭湖的干旱可以重新归结为以下湿地淹没2.1洞庭湖各湖区干旱特征变化:(1)草滩地完全出露时长、汛后最早完全出露日根据湖泊滩地淹没和出露建立的干旱发生指期、次年汛前开始淹没日期;(2)泥滩地完全出露时标,分别利用小河咀、杨柳潭和鹿角水位变化过程,长、汛后最早完全出露日期、次年汛前开始淹没日期。计算了洞庭湖东、南、西3个湖区的草滩地、泥滩地1.2指标确定完全出露时长、起止时间。建立的干旱过程分析结洞庭湖作为一季节性涨落湖泊,汛期上下游水果表明:2000年以来洞庭湖旱情比2000年之前明位落差小,水位变化基本一致;进入枯水期后,上下显加重,其严重程度以西洞庭湖最为剧烈,东洞庭湖游水位落差逐渐加大,水位变化的一致性也随之变次之,南洞庭湖最轻。从干旱发生的起止时间来看,差。利用监测资料和高斯混合模型的分析可以确定东洞庭湖的干旱主要由洲滩提前出露引起,西、南洞以下水位分异点:在洞庭湖退水过程中,城陵矶水位庭湖干旱则受提前出露和退后淹没共同影响(图降至26m以下时,南嘴水位与城陵矶水位变化的2)。以上过程与近年湖区干旱特征基本吻合。关联性变差;城陵矶水位降至27m以下时,杨柳潭2.2洞庭湖干旱发生原因分析水位与城陵矶水位变化的关联性变差;鹿角水位则洞庭湖枯水季节上下游水力联系变差,南洞庭在24m以下才表现出与城陵矶水位变化的差异。湖与西洞庭湖的枯季水情基本不受东洞庭湖水情的进一步参考春夏秋冬不同季节遥感影像和湖盆影响。从不同湖区水文站的水文过程可以看出,洞DEM的空间叠加分析,获取了东洞庭湖、南洞庭湖、庭湖枯季水位按过程相似性可分为两类:(1)东洞庭西洞庭湖的草滩地界线所对应的水位分别为23、湖、湘江洪道:城陵矶、鹿角、营田;(2)南洞庭湖、西27、29m,泥滩地完全出露所对应的水位分别为25、洞庭湖:杨柳潭、沅江、小河嘴、南嘴。鉴于东洞庭湖28、30m。这些特征水位将作为判定湖区干旱发生水位很大程度上由长江干流水位控制,对洞庭湖干的基础(图1)。对洞庭湖区干旱形成的水情机制,除旱的形成原因分析可以分为东洞庭湖干旱分析,而西洞庭湖和南洞庭湖干旱原因则可以作为整体一起112°0!0"E112°30!0"E113°0!0"ENN""!0分析。0!0N303°9°!"292.2.1湖泊水位与入湖径流年内变化规律2#$%#&234在水位流量关系上,当水位在30m以下时,南’()*()嘴月均水位与月均入湖径流量关系比较单一,说明+,56西洞庭湖枯季水位变化直接取决于入湖径流量多少。西洞庭湖入流由三口和四水入流构成,年内各N"N"0!00!0月三口、四水的占比如图3(a)。从图中可以清晰看°9°922出,造成西洞庭湖春季干旱的基本原因为四水入流减少,而秋季干旱则受三口或四水共同影响。南洞-.,/01庭湖的情况与西洞庭湖类似,所不同的是杨柳潭水情还受到资水一定程度的影响。112°0!0"E112°30!0"E113°0!0"E由于江湖之间的相互顶托,洞庭湖出口城陵矶图1洞庭湖不同湖区草、泥滩地对应出露范围站的水位与出湖流量只是部分相关,一致性较差。Fig.1LocationoftheStudyAreaand但从城陵矶月均水位与洞庭湖出口下游螺山月均流DistributionofTypicalWetlands量的关系来看(图3b),两者在枯水期呈很好的单一 第2期孙占东,等:洞庭湖近年干旱与三峡蓄水影响分析253#$%&’$%&($%&200300300)d200(200,100+*100)100000200200200)100100100d(0/000.-200200200200200200199020002010199020002010199020002010!"!"!"1232图2洞庭湖不同湖区近年干旱演变特征Fig.2DroughtCharacteristicsforDifferentLakeRegions×1042.0100)78s3/1.5809.m(’&601.05%4$340#"0.5!20002830323436JFMAMJJASOND*+,-./()m()!*"#$a×104100578809.)4s3/(m3560’4&2340)(120002022242628303234JFMAMJJASOND012./()m()6"#$b图3洞庭湖不同湖区水位流量关系及径流年内组成差异Fig.3Stage-dischargeRelationshipandtheInflowRatiosChanges关系,故可根据长江干流螺山站水情分析东洞庭湖年三口、四水及长江不同季节来流变化与典型干旱的干旱。螺山径流主要由长江上游来水和洞庭湖流事件的对应关系,可以发现(图4):1980年以来三口域的四水来水构成,春季两者流量相当,秋季长江来与四水的秋季入流均呈明显减少趋势,与2000之前流量则显著提升,一般可占到螺山流量的80%。因比较,三口秋季平均流量减少28.8%,四水秋季平此,可以认为东洞庭湖秋季水位的变化基本由长江均流量减少28.6%。对于特旱年2006年而言,三来水多少决定。口流量创1980以来最低,四水流量则仅次于19922.2.2干旱事件与径流变化年的最低值,两者共同形成了2006年罕见秋旱。三在以上水位和入流关系认识的基础上,对比近口与四水相比,春季流量比重很小。2000年后,四 254长江流域资源与环境第24卷水春季流量总体上略偏少,尤其是2011年出现极端2011年的春旱,则明显由四水来水骤减形成(三口情形,平均流量仅为多年平均值的41.8%,是该年入流稳定)。对于西、南洞庭湖的干旱,需关注三峡罕见春旱的根本原因。因此,西洞庭湖2006年的秋水库运行带来的荆江冲刷可能会使三口分流比进一[13,14]旱,由三口径流骤减和四水来偏低共同形成,而步减少,从而加重西洞庭湖干旱的趋势。8000)’(+,-.%30000+,)*/0s)3/6000/s25000m3(m&(20000%4000&$%15000#$#10000"20001"1500000198019902000201019801990200020109:9:600025000’(+,-.%+,)*/0s)5000s)3/3/20000mm(4000(&&15000%3000%$$10000#2000#""!1000!500000198019902000201019801990200020109:9:()2345.56%78a();<=+,6%78b图4影响不同湖区水情的径流组成变化分析Fig.4SeasonalInflowChangesofDifferentLakeRegions而对于东洞庭湖,由图4(b)可以看出,秋季宜入流减至平均值的43%(三口贡献9%,四水贡献昌流量占螺山流量的75%以上,春季四水流量的占91%),螺山流量减至平均值的70%(宜昌贡献2%,比则与宜昌相当。所以,东洞庭湖的秋旱影响因素四水贡献98%)。主要是长江上游来水,而长江上游来水和洞庭湖流2.3三峡蓄水对洞庭湖干旱影响分量域来水均可能造成洞庭湖春季旱。2000年后,宜昌在洞庭湖干旱特征和枯季来流认识的基础上,秋季流量持续偏低,与2000年前相比平均下降为进一步揭示三峡水库蓄水在洞庭湖近年干旱中的15.8%,特别是2006年出现1980年以来的最低值,作用,综合利用水文分析方法和统计模型进行了量仅为正常水平的一半略多。宜昌和四水的春季流量化研究。BP神经网络模型对三峡水库秋季蓄水对总体上减少不显著,主要是2007、2011两年明显低洞庭湖出口水位影响的模拟结果表明,历次汛后水于正常水平。其中,2007年宜昌、四水流量均偏低,库蓄水过程均对东洞庭湖水位产生比较明显的拉低2011年宜昌流量正常,四水则出现极端低流量,不作用,平均降幅可达0.6~2.0m,最高降幅超[12]足正常水平的一半,致使螺山流量减至1980年来最过3m。通过将三峡水库蓄水量还原回长江江低。上述分析表明,近年东洞庭湖的秋旱缘于长江流量获取了没有三峡水库蓄水影响下的洞庭湖出口上游来水减少,而春旱主要由洞庭湖流域自身来水水位过程,进而还原出没有三峡水库影响下的洞庭减少引起。湖干旱过程。因此,结合建立的干旱指标及长江和流域来水根据建立的干旱指标,发现三峡蓄水对洞庭湖变化过程的分析可以认为,洞庭湖全湖春旱均主要草滩的出露影响较小、对泥滩地出露影响更为明显。由流域自身来水减少造成;秋旱方面,东洞庭湖主要从泥滩完全出露天数来看(图5a),2000年前平均受长江来水减少的影响,西南洞庭湖主要受流域来123d,2000年后平均150d,去除三峡蓄水影响后水和三口来水减少的共同影响。如:2006年秋旱:平均144d。从泥滩首次出露日期看(图5b),2000西洞庭湖入流减至平均值的28%(三口贡献60%,年前一般在11月下旬,2000年后平均提前26d,去四水贡献40%),螺山流量减至平均值的46%(宜昌除三峡蓄水影响后平均提前18d。以2006~2007贡献72%,四水贡献28%);2011年春旱:西洞庭湖年为例,与1980~1990年相比,三峡水库蓄水对东 第2期孙占东,等:洞庭湖近年干旱与三峡蓄水影响分析255洞庭湖草滩出露提前的影响只有3d,西洞庭湖没有洞庭湖近年枯水水情的主因,三峡蓄水只是起到了影响;但三峡水库运行对东、西洞庭湖泥滩地提前出加强作用。如:2003年后10月份螺山平均流量较露的贡献分别为25和22d,相应的贡献率分别为20世纪90年代偏低30%左右,如果没有三峡蓄水33%和19%。因此,长江上游天然来流量的减少是的作用,仍偏低20%左右。150300()a()b)d(d)*100(200)&$%#$50100(#’+,-,+,./-,./+,-,+,./-,./0019801990200020101980199020002010!"!"图5三峡蓄水对东洞庭湖旱情影响Fig.5ImpactsofDroughtCausedbytheOperationofTGD[3]MAGILLIGANFJ,NISLOWKH.Changesinhydrologicre-gimebydams[J].Geomorphology,2005(71):61-78.3结论[4]ALTINBILEKD.Theroleofdamsindevelopment.Interna-tionalJournalofWaterResourcesDevelopment[J],2002,18以往对湖泊干旱问题的研究主要借助特征水位(1):9-24.的方法进行,但简单的特征水位变化不能准确反映[5]DAIZJ,DUJZ,LIJF,etal.Runoffcharacteristicsofthe洞庭湖近年枯季旱情和干旱特征。洞庭湖作为我国ChangjiangRiverduring2006:Effectofextremedroughtand重要的湖泊湿地,近年湖泊干旱的关注焦点主要集theimpoundingoftheThreeGorgesDam[J].GeophysicalResearchLetters,2008(35):L07406.中在湿地生态方面。本研究根据干旱对湖泊湿地的[6]徐俊杰,何青,刘红,等.2006年长江特枯径流特征及其生态影响建立了湖泊干旱发生的指标体系,借助水原因初探[J].长江流域资源与环境,2008(5):716-722.文分析等方法厘清了洞庭湖干旱发生的水情机制。[7]封国林,杨涵洧,张世轩,等.2011年春末夏初长江中下游地在此基础上,基于神经网络模型模拟输出结果,量化区旱涝急转成因初探[J].大气科学,2012(5):1009-1026.了三峡水库蓄水对近年洞庭湖干旱的影响分量。认[8]唐金武,李义天,孙昭华,等.三峡蓄水后城陵矶水位变化初步研究[J].应用基础与工程科学学报,2010(2):273-280.为:2000年后洞庭湖旱情明显加重,干旱程度以西[9]郭小虎,朱勇辉,渠庚.三峡水库蓄水后江湖关系的研究洞庭最重,东洞庭次之,南洞庭最轻。洞庭湖全湖春[J].水电能源科学,2010(12):33-35.旱均为洞庭湖流域来水减少形成,东洞庭湖秋旱主[10]张细兵,卢金友,王敏,等.三峡工程运用后洞庭湖水沙情势要由于长江上游天然来流量减少引起,三峡水库蓄变化及其影响初步分析[J].长江流域资源与环境,2010(6):水起到一定的加重作用(小于1/3),西、南洞庭湖秋640-643.[11]李景保,张照庆,欧朝敏,等.三峡水库不同调度方式运行期洞旱则是由于四水及三口来流量减少引起,三峡水库庭湖区的水情响应[J].地理学报,2011(9):1251-1260.蓄水影响程度甚微(小于1/4)。[12]黄群,孙占东,姜加虎.三峡水库运行对洞庭湖水位影响分析[J].湖泊科学,2011(3):424-428.参考文献:[13]彭玉明,段文忠,陈永华.荆江三口变化及治理设想[J].泥沙研究,2007(6):59-65.[1]卢耀如,金晓霞.三峡工程的现实与争议[J].中国减灾,2011[14]刘卡波,丛振涛,栾震宇.长江向洞庭湖分水演变规律研究(13):32-34.[J].水力发电学报,2011(5):16-19.[2]李伟,徐金波.长江之旱[J].中国三峡,2011(9):24-27. 256长江流域资源与环境第24卷RECENTHYDROLOGICALDROUGHTSINDONGTINGLAKEANDITSASSOCIATIONWITHTHEOPERATIONOFTHREEGORGESRESERVOIRSUNZhan-dong,HUANGQun,JIANGJia-hu,LAIXi-jun(StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEnvironment,NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing,210008,China)Abstract:DroughtasamajordisasterhashitsouthandcentralChinahardoverthelastdecade.SeasonalhydrologicaldroughtsraisemanyconcernsonthelargestretentionlakesincentralYangtzeRiver,whichhasreceivedwideattentionduetothepossiblenegativeimpactfromtheimpoundmentofThreeGorgesDam(TGD).ThehydrologicaldroughtanalysisatDongtingLakeisimportantforclarifyingsomeofthemostcomplexhydrologicalissuesinrelationtotheintertwinedinteractionsofalake-river-reservoirsystemfromtheoperationofThreeGorgesReservoir(TGR)locatedupstreamofthecentralYangtzeRiver.TheassessmentmetricsforahydrologicaldroughtwereestablishedaccordingtotheexposingofwetlandsatDongtingwetlands.Thesemetricswereusedtodeterminethecharacteristicwaterlevelinrelationtotheoccurrenceandduration(severity)ofthehydrologicdroughtatvaryinglakeareasduringthedryseasons.Thecausaleffectsofahydrologicaldroughtwereanalyzedbasedonthehydrologicalregimesandseasonalityacrosslakeareas.ThedroughtimpactonthelakewaterduetothewaterstorageintheTGRwasevaluatedbyusinganeuralnetworkmodel.Suchananalysisconfirmsthat:(1)thefrequency,severityandcausesofhydrologicaldroughtsvariedfordifferentlakeareasandseasonsduetothespecificbasinmorphologyandthedeviationofwaterregimes.Theseverityofahydrologicaldroughtbecamemoreintensifyafter2000,startingwiththemostsevereimpactatWestDongtingLake,followedbytheEastDongtingLake,andthentheSouthDongtingLake;(2)theoccurrenceofahydrologicaldroughtvariedfordifferentlakeareasandseasons.TheautumndroughtatEastDongtingLakewascausedbyarunoffreductionfromtheYangtzeRiverwhereastheautumndroughtsatWestandSouthDongtingLakewerecausedbyarunoffreductionfromYangtzeRiverandDongtingLakebasinsimultaneously.YetthespringdroughtcoveringtheentirelakewascausedbyarunoffreductionfromDongtingLakebasinitself;(3)thewaterstorageintheThreeGorgesReservoirhasadvancedtheexposedtimeofwetlands,andhasprolongedtheautumndroughtbyapproximately30%.However,themodelingalsorevealsthattheregularoperationoftheTGDdidnotchangethenaturaldroughttrendsatDongtingLake,anditisnotdeemedastheprimarycauseofrecenthydrologicaldroughts.Theriverflowsarelesshomogeneousoveralargeregion,thus,flowregulationhasthebasistobalancelowflowdownstream.However,theTGDsoperationhasaggravatedseasonalhydrologicaldroughtsbyprolongingtheexposedtimeofwetlandsinautumn.AlthoughtheanalysisrevealsthattheregularoperationoftheTGDdidnotchangethegeneraldroughttrendsatDongtingLake,anditisnotdeemedastheprimarycauseofrecenthydrologicaldroughts.Therearestillmanychallengestoaccomplishasustainabledamoperationtoenhancetheresiliencetohydrologicalextremes.Keywords:DongtingLake;hydrologicdroughts;lake-riverrelation;ThreeGorgesReservoir