关键词:
洞庭湖流域
生态水文情势
三峡大坝
气候变化
人类活动
摘要:
洞庭湖既是长江中游典型的过水吞吐型湖泊,又是国际重要的湿地生态保护区。洞庭湖流域以湖泊为核心,水系连通尤为复杂,近年来在外界多元驱动力的胁迫下,特别是三峡大坝等水利设施的建设运行,使其生态水文过程逐渐失衡,并可能威胁到水生态系统的健康稳定。本文通过统计分析、模型构建等方法,结合生态学和水文学学科探讨了洞庭湖流域生态水文情势的演变规律和驱动机制。主要研究成果包括:
(1)洞庭湖流域气象水文要素演变特征。研究主要采用空间插值法、多种趋势突变检验法和样本熵法对流域气象水文要素的时空分布、趋势突变和复杂度进行定量识别,并采用灰色关联分析法对环境流指标和RClimDex模型计算的极端气象指数进行相关性分析。结果表明:洞庭湖流域多年降雨和蒸散发具有相同的空间分布模式和相异的时间变化趋势,均在21世纪初发生突变,且流域内大洪水系列事件的发生与极端气象指数的相关性高达80%。研究区除湘江流域年均流量上升,其余均为下降趋势。河湖系统的复杂度表现为洞庭湖流域高于长江中游干流,这说明洞庭湖流域较相衔的长江干流具备更复杂的水况条件。
(2)洞庭湖流域生态水文情势研究。研究引入IHA指标和生态盈余/赤字构建河湖系统的生态径流指标体系,并通过RVA法和RI法对径流改变度进行量化。在PCA指标筛选的基础上,对多个集水系统进行年均流量和特征指标的动态响应分析,以揭示河湖系统的生态响应规律。结果表明:2003年起,各水文站的3月均值流量普遍增加,9月均值流量普遍降低,而高低脉冲的频率和历时变化规律不一,除湘潭站的径流改变为低度改变,其余均为中度改变。研究区生态赤字逐渐上升,其中洞庭湖与长江干流特征水文指标的联合重现期分布相对集中,城陵矶-螺山集水系统的年均流量和特征水文指标的动态响应最为强烈。河湖系统的生物多样性普遍下降,特别在距离三峡大坝较近的枝城站最为明显,这表明人类活动极大的破坏了流域生态系统的健康稳定。
(3)洞庭湖流域径流变化归因分析。研究采用Budyko模型和GRNN模型对洞庭湖流域多时间尺度的径流变化进行定量归因,并分别对降雨、蒸散发、水利工程、生境质量和土地利用等多种潜在驱动力进行讨论。结果表明:年尺度上,气候变化是湘江流域径流改变的主要因素,贡献率均值为74.59%,且主要受降雨的影响。除此之外,沅江、资江、澧水和长江中游干流均主要受人类活动的影响,影响权重在54.05%~76.57%之间。月尺度上,湘江流域气候变化的贡献率大于50%的月份有9个,而其他流域人类活动贡献率大于50%的月数为7-11个不等。其中,长江中游干流的枝城站距三峡大坝最近,受水库调度的影响,人类活动的贡献率最大,为76.57%。同时,人类活动对螺山站径流改变的影响有所降低,说明水库的调度作用随着沿程距离的增加逐渐削弱,且洞庭湖的调蓄作用也弱化了相关因素的影响。