洞庭湖近年干旱与三峡蓄水影响分析

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     

洞庭湖区湿地生态功能退化与避洪,耐涝高效农业建设

地处长江中游的洞庭湖是一个承纳湘、资、沅、澧四水和吞吐长江的洪道型湖泊,在其特殊的地理环境与碟形盆地圈带状景观结构控制下,形成了以敞水带、季节性淹没带、渍水低地为主的我国最大的湖泊地区湿地景观,湿地总面积８７．７０万ｈｍ＾２。由于湖区发展过程中没有协调好人地、人湖关系,中上游干支流水土流失加剧、湖泊泥沙淤积与过度围湖垦殖、高水位地段农业布局与种植制度不合理等人为因素导致湿地面积减少、调蓄能力下降,     

三峡工程与长江中游湿地(文摘)

长江从宜昌至湖口为中游，全长900 km，其间有四湖地区、洞庭湖区和鄱阳湖区，为湿地集中地带。 
（1） 四湖地区〓位于荆江北岸，属江汉平原，是长江出三峡后第一个大平原湖区，包括长湖、三湖、白露湖和洪湖，总面积原有11000 km2，现有1793 km2，耕地面积约454万hm2，人口450万。荆江河水通过新滩口排水闸汇入长江，汛期关闸，靠电力抽排渍涝，枯季开闸自流排水。长江对地下水侧向补给是地下水主要来源。
四湖地区是湖北的“水袋子”，历史上长江、汉江洪水多次在此决堤泛滥。四湖下游江湖相通，每到汛期，长江、汉江洪水倒灌，形成洪泛区。湖区围垦耕地约7万hm2，地势低洼，多为湖积淤泥，排水不畅，存在潜育型、沼泽型渍害。
（2） 洞庭湖区〓位于荆江南岸，总面积原有18730 km2，1950年时有4350 km2，由于不断围湖垦殖，现仅有2691 km2，耕地面积533万hm2，高程在43~26 m。湖区水网密布，土地肥沃，历来为鱼米之乡。洞庭湖为过水性湖泊，接纳湘、资、沅、澧四水和长江松滋、太平、藕池三口来水，由城陵矶注入长江。近百年来，由于长江泥沙沉积湖内，加之围湖垦殖，湖泊容积显著减少，洪涝灾害日趋严重。
（3） 鄱阳湖区〓位于长江南岸，鄱阳湖是我国最大的淡水湖泊，总面积3900 km2，耕地面积约37万hm2，高程在16 m以上。接纳赣、抚、信、饶、修五河来水，经湖口注入长江。湖区16 m以下大多为湖草滩地，已垦耕地一般在湖水退落后种植，汛期湖水涨落频繁，汛后淤积，土质粘性较重，有机物含量高，地势低洼，排水不畅，耕地土壤脱潜过程缓慢。
人类历史活动，从原始游牧狩猎部落演进为农业定居聚落。江汉平原的湿地主体是“云梦泽”，洞庭湖平原的湿地主体是“江南之梦”，春秋战国时期均为楚国皇家猎区。两个湿地生物多样性丰富，生活着大象、犀牛、麋鹿、扬子鳄等。随着历史变迁，水陆交错型湿地逐渐转化为农业用地和聚落用地，最终成为人工湿地和水体湿地。13世纪后，人类开始围湖造田，与水争地。汉朝时代的大象、犀牛灭绝，宋代后成为老虎栖息地，湿地生态结构转为以湖泊湿地为主，成为水禽栖息地和越冬地，生活着天鹅、野鹤、鸳鸯、家雁等，17～18世纪时老虎绝迹，水禽亦成为濒危物种。由于围湖垦殖，人水争地，自然湿地中70%转化为耕地，多样性损失严重，洪涝灾害不断。1998年长江大洪灾后，中央提出 “封山育林、退耕还林、退田还湖、平垸行洪、以工代赈、移民建镇、加固干堤、疏浚河道” 32字方针，其关键是退耕还林、退田还湖，旨在恢复生态。 
　　根据历史记载，堤垸始于春秋，南宋时形成围垦高潮，围湖造田普遍。20世纪50年代以来，人口剧增，“以粮为纲” 驱动围垦新高潮，堤垸经济蓬勃发展，带来生态失衡，人水矛盾。必须协调耕地保护与湿地保护矛盾，推行科学耕种和农、牧、渔协调发展，确保湿地总量动态平衡。长江中游江汉平原及两湖地区，河网交错，湖泊密布，应多建国家级自然保护区，争列《国际重要湿地名录》，逐步扩大湿地保护范围，滋润地球之“肾”；发展生态旅游，保护生态环境，重建湿地生物、景观和文化多样性，促进湿地可持续发展。
三峡建库后，长江枯季1～5月份下泄流量有所增加，水位将略有抬高，但仍在建库前天然水位变幅范围内；10月份水库蓄水，下泄流量减少，但三峡水库将实施人工实时调度，确保中下游生产、生活及航运用水需求。四湖地区潜育型、沼泽型渍害农田主要在总干渠两侧的湖盆地带，远离长江，地下水位不受长江水位变化影响，排水状况也不会改变，三峡建库后不会加剧这些地区农田潜育化、沼泽化。10月后水库蓄水，长江水位降低，有利于四湖地区汛后排涝排渍，提前降低湖、田水位和农田地下水位。 三峡建库后，洞庭湖泥沙淤积将会减少，可延长湖泊寿命。长江枯季下泄流量有所增加，城陵矶水位略有升高，但湖区水位仍低于圩区地面3～4 m，不会影响湖区农田自排。每年10月水库蓄水，下泄流量减少，城陵矶附近江水位比建库前降低2 m，湖区水位可尽快退落，对洞庭湖汛后排涝排渍有利。三峡建坝后如遇长江干流发生特大洪水，经三峡水库调蓄后，可减少鄱阳湖及中下游平原湖区分洪的负担和损失。遇鄱阳湖水系发生大洪水时，还可减少下泄流量，降低湖口水位，有利鄱阳湖水排入长江。每年10月三峡水库蓄水，鄱阳湖可提前退水，有利于湖区农田排涝排渍。1～4月下泄流量比建库前略有增加，湖口水位抬升不超过0.6 m，湖区农田地面仍高出长江水位3 m以上，既不会影响枯季排水，也不会加重湖区土壤的地下渍害。
由于三峡建库后，水位随洪、枯季节调蓄变化，结合中下游平原湖区排灌抽提，湖水交换相对频繁，促使水生生物生长茂盛，为水体稀释自净，消纳降解污染提供有利条件。三峡工程建成后，防洪、发电、航运等综合效益和有利影响将得到充分发挥，并采取有效措施，使不利影响得到减免。随着时间的推移，水利、水电、航运、农业、水产、湿地及自然资源的逐步开发，环境保护和湿地保护必将统筹安排、综合利用、协调发展。三峡工程将有力地保护湿地、保护环境。     

三峡工程对洞庭湖水环境质量的影响

通过实地调查与水样检测,运用BP神经网络模型、湖泊富营养化评价法以及Shannon-Weaver指数分别评价了三峡工程蓄水前后典型年(1986、1991、1998、2004、2006和2010年)洞庭湖水环境质量、营养化水平和水生生物状况。结果表明:三峡水库蓄水后,典型年洞庭湖水质总体变差,各断面水质超标率有明显上升,呈现以氮、磷污染为主并伴有有机污染的特征;营养化指数有上升趋势,东洞庭湖2008~2010年综合营养指数超过50,出现轻度富营养;隐藻门代替硅藻门成为洞庭湖浮游植物优势种,其生物多样性下降;东洞庭湖底栖动物优势种为梨形环棱螺,而苏氏尾鳃蚓成为西、南洞庭湖的优势种,其种类和密度呈波动下降的趋势。影响洞庭湖水质的因素除了"三口"、"四水"污染物聚集和湖区生活污染、面源污染外,三峡水库运行后入湖水沙量大幅减少以及土地利用格局变化也是其关键。     

三峡水库调节典型时段对洞庭湖湿地水情特征的影响

洞庭湖与长江联系紧密，三峡工程运行将改变洞庭湖的水文过程，影响湖泊湿地生态系统。为了评估三峡工程运行对洞庭湖湿地的水文影响，选取水文情势变化大且可能对植被生长产生重大影响的汛末蓄水和汛前腾空两个时段，运用反映江湖水动力交互的水动力学方法计算了三峡水库不同调节流量下湖泊水位与流量的变化特征，并结合湖泊高程和面积关系曲线，分析了不同增减下泄流量对洲滩湿地淹没出露的影响。结果表明，洞庭湖吞吐长江，复杂的江湖水动力交互作用使得湿地水文过程变化有明显的非线性。在恒定流条件下，汛末蓄水减泄4 000 m3/s流量可使城陵矶水位降低1 m。同样抬高1 m水位，汛前腾空约需增泄3 500 m3/s。在空间分布上，三峡水库调节对洞庭湖水情影响具有明显的异质性，受江湖关系和湖盆地形的影响，与长江水力联系紧密的东洞庭湖、南洞庭湖东部和西洞庭湖北部受三峡水库调节影响大，而西洞庭湖南部影响较小     

三峡工程运用后洞庭湖水沙情势变化及其影响初步分析

采用原型资料分析、长河段一维数学模型计算等手段，分析和预测了三峡工程运用对洞庭湖水沙与冲淤影响，研究了三峡工程运用对洞庭湖出口水位的影响，在此基础上初步分析了三峡工程运用对湖区防洪与生态环境影响。研究成果表明：三峡水库运用后30 a末，荆江三口年均分流量和分沙量比多年平均值分别减少43%和73%，三口分流道的河床相应发生冲淤变化；三峡工程运用后，受荆江三口分流比减少影响，洞庭湖区泥沙淤积显著减少，对增强洞庭湖区调蓄功能、延长洞庭湖寿命有利；受三峡水库调度运用与长江干流河道冲刷影响，洞庭湖出口水位以下降为主，汛期水位的下降将对湖区防洪有利，而枯期水位的下降将对湖区水资源利用及生态环境带来一定不利影响。     

三峡工程运行后洞庭湖水环境变化及影响分析

以入湖水系、湖体、出湖口为研究区域,基于20多年的监测数据,运用水质单因子评价、综合营养状态指数(∑TLI)等评价方法,系统地分析了洞庭湖水文、水质、营养化状态的时空变化规律,探讨三峡工程运行后洞庭湖水环境变化及原因。结果表明:(1)洞庭湖入湖水量及沙量均明显降低、水位变幅减小。(2)透明度(SD)、总氮(TN)、总磷(TP)、浮游植物等指标的时空分异特征较为明显,4个指标年均值均总体呈上升趋势,其中,SD、浮游植物种类数量及密度自三峡工程运行后变化尤为明显。西洞庭湖的SD高于南洞庭湖,东洞庭湖的SD最低。ρ(TP)在湖体最高,ρ(TN)则在湖体最低。(3)入湖水系水质最好,出湖口水质最差。入湖水系水质一直维持在Ⅱ～Ⅲ类之间,水质良好;出湖口、湖体水质自三峡工程运行后以Ⅳ～Ⅴ类为主,变劣趋势明显。湖体富营养化日趋严重,东洞庭湖的富营养程度稍高于西洞庭湖和南洞庭湖。(4)初步认为:洞庭湖水文水动力环境条件的变化,整体上对水质产生一定的不利影响,对湖体富营养化有一定的促进作用。     

基于循环神经网络的洞庭湖水位预测研究

洞庭湖流域分布了3个重要的自然保护区,是我国大型淡水湖泊湿地系统之一,生态资源丰富.水位是维持其生态系统结构、功能和完整性的基础.为预测长江和流域"四水"来水组合影响下的洞庭湖水位变化,该文采用两种循环神经网络方法——长短期记忆(LSTM)和门控循环单元(GRU),构建了洞庭湖水位变化的预测模型.LSTM和GRU的优势在于能够学习网络的输入和输出之间的长期依赖关系,这对于模拟受上游来水影响的水位累积变化至关重要.模型以湘江、资水、沅江、澧水入湖流量和长江干流宜昌站前期流量作为输入条件,预测洞庭湖不同湖区的水位变化过程.利用1980～2002年水位流量时间序列数据对模型进行测试,2003～2014年数据进行验证,并对两种模型的预测结果进行了比较.结果表明:(1)循环神经网络LSTM和GRU方法均可合理预测洞庭湖水位的变化过程,NSE和R2均为0.91～0.95,各站水位预测的RMSE值为0.41～0.86 m,NSE和R2均为0.91～0.95;(2)LSTM的预测精度稍高于GRU,但GRU计算更高效,是LSTM一个很好的替代方案;(3)模型能够较准确的模拟一次洪水事件,洪水位的预测值与真实值的最大相对误差低于5％;且模型具有较好的多步长时间序列预测能力,有在水文模型应用方面的潜力.     

东洞庭湖湿地生态水位阈值研究

水位是湖泊湿地水文情势和生态系统健康的关键指标,如何确定适宜生态水位阈值是确保湖泊湿地健康的关键.以东洞庭湖城陵矶站和鹿角站突变前水位过程(1959～1978年逐日水位资料)为基准期,采用RVA法、年内展布法和数理统计的方法建立了东洞庭湖适宜生态水位过程.结果 表明:(1) RVA法计算逐月生态水位阈值的波动范围均值是2.18 m,而年内展布法计算逐月生态水位阈值的波动范围均值是5.12m,水位波动较大,对于东洞庭湖适宜生态水位来说,RVA法计算生态水位的波动范围更有利于维持湿地植物群落健康和生物多样性;(2)受湖底高程影响,鹿角站的高低水位发生时间会比城陵矶站提前15 d左右,而高低水位的历时和波动范围以及动植物敏感期(3～6月)的平均水位变化速率并未有显著差别;(3)水位变异后(2003～2016年),东洞庭湖水位大部时间处于生态水位阈值内,只需要对不满足生态水位的消落期采取调整措施,鹿角站和城陵矶站年均水位差距减少0.46 m,洞庭湖的水动力系统减弱,给洞庭湖生态健康带来了消极的负面影响.研究可为东洞庭湖生态水位和三峡及上游电站联合调度提供依据.     

长江水问题基本态势及其形成原因与防控策略

不断增强的人类活动与气候变化等自然因素叠加，导致长江水环境、水灾害和水生态问题日益突出。从宏观层面系统剖析了长江面临的干流局部水质下降、湖泊富营养化、三峡库湾和支流水质恶化等水环境问题，小水大灾和平原湖区季节性缺水等水灾害问题以及长江与湖泊生物资源衰退等水生态问题的基本态势，揭示了流域工业化城市化进程加快、土地利用/覆被快速变化、重大水利工程建设和湖泊资源过度利用等人为因素和气候变化等自然因素对长江水问题形成发展的影响，提出了规范空间开发秩序、推进流域综合管理、优化重大水利工程调度等长江水问题防控策略     

三峡水库蓄水期不同调度方案对洞庭湖出口水位的影响

洞庭湖水情受到长江和四水的综合影响，因此三峡水库蓄水运行必将对洞庭湖出口水位产生影响。通过构建模型对洞庭湖出口的水位过程进行模拟，以三峡出库日均流量、洞庭湖四水合成日均流量为输入，城陵矶站日水位过程为输出，以量化和分析城陵矶水位变化受三峡水库调度的影响。通过三峡入库流量代替出库流量，还原自然状态下的水位过程，并根据各调度方案计算的出库流量模拟各调度方案下城陵矶的水位变化过程。对比各调度方案下三峡水库蓄泄水对洞庭湖出口水位的影响可以发现：各蓄水方案对洞庭湖出口水位都造成了一定的影响，起蓄时间较早的方案影响时间较长，整体上平均水位变化也较大，但起蓄后水位变化较为平缓；起蓄时间较晚的方案影响时间较短，整体上平均水位变化相对较小，但起蓄后水位变化较为剧烈。考虑到不同年份和不同来水类型情况对洞庭湖出口水位的影响存在差异，各蓄水方案的优劣需要具体分析和讨论     

三峡水库防洪调度运行对洞庭湖区防洪减灾的贡献

位于长江中游的洞庭湖区为中国洪涝灾害频发地区之一。2010年的洪水是长江1998年大水后，也是三峡水库蓄水运用以来所遇到的首次较大洪水，在5次洪水过程中，三峡水库实施了5次防洪调度，较大程度地减轻了长江中下游地区的洪水压力。长江中游荆江既是连接三峡水库和长江中下游河道的纽带，又是沟通洞庭湖的水流通道。基于三峡水库出库流量与荆江三口、洞庭湖城陵矶的水文对应关系，以实测水情、灾情资料为依据，运用对比分析方法，揭示2010年汛期三峡水库防洪调度对减轻洞庭湖区的洪水压力及减少洪涝灾害损失的贡献率。结果表明：6~8月份三口入湖洪量减少约24261×108 m3，湖口城陵矶洪水位降低082 m；湖区减少洪涝灾害直接经济损失约19983×108元，间接经济损失约0638×108元     

卫星遥感洞庭湖主汛期水体时空变化特征及影响因子分析

基于1989~2011年的长时间序列卫星遥感数据,利用综合水体信息提取方法提取了洞庭湖区6~9月主汛期的水体信息,通过较高分辨率卫星遥感数据验证,水体面积提取精度达到90%以上。洞庭湖年平均径流入湖量、NCEP再分析资料计算的湖体上空和流域累计月平均降水量分别与水体面积变化的关系进行分析,结果表明: 1989~2011年间洞庭湖水体面积最大值主要分布在7和8月,这两个月也是洞庭湖区域发生洪涝灾情的高风险期;洞庭湖水体面积与年平均径流入湖水量的相关系数为0.67(置信度为95%);2003年以前,洞庭湖主汛期间水体面积波动比较大,2003年三峡水库运行后,洞庭湖的面积波动有所减少;洞庭湖上空累计月平均降水量对于水体面积存在正相关性,相关系数为0.68(置信度为99%);2003年以前,洞庭湖流域累计月平均降水量和水体面积相关系数为0.50(置信度为90%),2003年三峡水库运行后,两者相关性有所减弱。     

基于投影寻踪的洞庭湖生态系统健康评价

以历史文献、图件及1986～2010年水沙、水质等实测资料为依据,选取环境要素、生物指标、水动力条件和外部指标等4类共13个表征洞庭湖生态系统健康状况的指标,采用加速遗传算法的遗传寻踪模型,基于matlab7.0平台对典型年洞庭湖生态系统健康状况进行评价。结果表明:（1）1986～2010年,洞庭湖生态系统健康样本投影值呈下降趋势。1991年左右出现较高点（投影值为1726 4）,2006年出现了较低点（投影值为1625 8）,而2010年投影值有所回升（投影值为1679 0）;（2）从空间分布上看,南洞庭湖健康状况相对较好,其次是西洞庭湖,最差的是东洞庭湖。这说明受湖泊围垦、退田还湖和三峡水库运用等影响,洞庭湖的水文水动力条件、湖泊生物多样性以及水质状况等发生了较为明显的变化,且各湖泊存在一定的差异     

变化环境下洞庭湖换水特征演变分析

洞庭湖是长江中下游重要的吞吐型湖泊。换水频率和换水量等换水特征是其水文条件的重要表征。下垫面条件变化、水利工程的建设运行等，很大程度上影响了湖泊地形和来水条件等，使洞庭湖换水特征发生很大变化。研究1960s以来洞庭湖换水特征的历史演变，特别对三峡工程后换水量差值进行研究，有助于得到湖泊换水特性的历史演变特征，并对今后湖泊水量控制提供参考。分析了1961～2008年洞庭湖换水频率变化，1990s前换水频率的降低趋势一定程度上表征湖泊的自然衰退趋势，1990s后衰退趋势趋缓；而三峡蓄水运行后与90年代以来的换水量差值为14647亿m3，枯、丰水期分别为4834亿m3和9814亿m3     

国内外生态补偿基础理论与研究热点的可视化分析

随着人类面临的生态环境问题加重，生态补偿已成为国内外学者广泛关注的热点问题。为清晰地了解国内外生态补偿的研究现状和未来发展，以Web of Science、中文社会科学引文索引（CSSCI）数据库中1998～2011年有关生态补偿的929篇文献为基础，应用CiteSpace II 软件分析了论文发表数量、文献共被引和关键词共现等特征，并以知识图谱可视化的方式，归纳了近年来生态补偿的重要学术文献和生态补偿领域的研究热点。结果表明：1998~2011年，生态补偿论文数量呈现波动增长趋势；全球气候变化背景下碳汇、REDD生态补偿，生态补偿分区及实施后的评价，湿地、自然保护区、流域尺度生态系统服务功能评估与补偿标准，计算机软件如GIS、SWAT、InVEST等在生态补偿中的应用是当前生态补偿的研究热点。相对于国外而言，国内生态补偿的理论研究较多；但近年来在森林、流域、自然保护区和湿地等方面的实践探索得到了加强     

基于环境同位素的鄱阳湖与长江关系变化解析

在气候变化和三峡工程调节的双重影响下,长江中下游通江湖泊江湖关系发生显著改变,而最大的通江湖泊—鄱阳湖—水情的变化及其引发的一系列生态和环境问题受到了高度重视和关注。为了揭示不同时期鄱阳湖与长江间的江湖关系,并初步分析三峡运行对鄱阳湖水情的影响,通过对鄱阳湖北部通江水道湖水、降水和九江段长江干流水同位素特征进行调查并探讨长江水与湖水同位素联系。结果表明:湖水、降水和长江水中δ~(18)O和δ~2H值存在明显的季节和空间变化,可用于揭示湖泊与长江间的关系。在三峡调洪削峰期(7月)湖水δ~(18)O和δ~2H值明显要高于长江水,且湖水主要以外排形式补给长江为主,其比例达75%;在三峡蓄水期(10月)长江水位高于湖口水位,从鄱阳湖出口到老爷庙湖水与长江水同位素值具有较高的相似性,表明了此水域受长江水倒灌影响;而在三峡蓄水期(11和12月)湖水同位素值偏大说明了其受到一定较强的蒸发富集影响。三峡水库运行明显改变了长江水位和流量,进而影响了鄱阳湖与长江的补排关系,调洪削峰调度阶段,较高的长江水位对鄱阳湖存在一定的顶托作用,导致湖水难以排泄。因此,三峡水库的调度需要考虑到鄱阳湖流域水情,以免加重该流域丰水期的洪涝灾害和枯水期的水资源短缺。