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。     

白马湖水污染特征及其成因分析

为揭示白马湖水污染特征及其成因,在历史监测数据收集的基础上,于2016年11月初对白马湖25个采样点的水质指标进行了分析。结果表明:近年来白马湖水质波动较大,2010~2014年期间,白马湖水体水质总体处于Ⅳ类;2015年好转为Ⅲ类;2016年又下降为Ⅴ类。白马湖水体富营养化综合指数(TLIc)呈显著增加趋势,由最初的轻度富营养化水平演变到目前的中度富营养化水平(TLIc:66.66)。采样期间,白马湖水体主要以氮污染物为主,其次是磷污染物和耗氧污染物。湖泊水体污染程度依次为:北部湖区东部和中部湖区南部湖区。湖水中总氮(TN)约83%以溶解性总氮(TDN)的形式存在,氨氮(NH+4-N)占TDN的65%,其次是NO3--N(25%);总磷(P)约60%以溶解性总磷(TDP)的形式存在,正磷酸盐(PO3-4-P)占TDP的55%左右。北部湖区TDN/TDP比值最高(50.51±19.16)(p0.05),P是北部湖区藻类生长的限制因子;中部、东部和南部湖区TDN/TDP比值均已适应藻类生长。陆域外源污染源输入是引起白马湖水质空间异质性和水质下降的主要因素,湖内水生植被消亡和水产养殖污染引起的生态功能退化也是造成白马湖水质下降的一个原因。研究可为当下白马湖水质演化研究及水环境治理提供新的理论基础。     

基于实测数据与遥感影像的鄱阳湖水体光学分类

鄱阳湖是我国最大的淡水湖泊,受季风气候影响其水体空间动态变化大,且广阔的水域内部差异也较大,因此湖泊水体光学分类对反演湖泊水质参数及监测湖泊水质有着重要意义。以鄱阳湖为研究区,根据实测的反射光谱数据形态特征将鄱阳湖的水体分为4类:特别浑浊、中等浑浊、轻度浑浊和清水区,并分别对每一类结果进行分析。考虑到实测光谱数据局限于湖区某些离散点的情况,不足以观测整个鄱阳湖区域内所有不同水体类型的空间分布和动态变化,从而将该方法利用于遥感影像以便观测整个湖区水体类型。在Landsat OLI遥感影像上任意选取采样点,根据其波谱形态建立基于斜率的分类算法,并应用决策树模型把鄱阳湖水体分为5类:特别浑浊、中等浑浊、轻度浑浊、清水区和特别清澈,影像的分类结果图与实地考察的情况相一致。把模型应用于其他时期的遥感影像进行鄱阳湖水体分类,对比影像的分类结果图表明:2002、2005和2009年鄱阳湖区分别出现3种、4种和4种不同的水体类型,且水体浑浊范围呈现出动态变化。研究表明水体光学类型分类可以更好的监测湖泊水质的时空变异性。     

基于实测光谱分析和MODIS数据鄱阳湖叶绿素a浓度估算

基于遥感的大面积水体监测技术为水环境监测提供了一种有效手段。以鄱阳湖为研究区,以反映水体营养状态的重要指标叶绿素a为研究对象,在测定研究区水体光谱及叶绿素a浓度和收集了相应时间的MODIS数据的基础上,采用浮游藻类指数法（Floating Algae Index,FAI）提取鄱阳湖水体范围,对鄱阳湖水体实测光谱数据进行剔除异常、归一化及光谱微分处理,构建波段差值、比值、归一化差值等光谱指数,利用最小二乘原理迭代分析水体叶绿素光谱响应特征,得出敏感波段范围：673～680 nm与650～665 nm、680～710 nm与650～670 nm、662～671 nm与700～720 nm光谱区间组合。选择最佳通道组合,建立基于MODIS影像的鄱阳湖叶绿素a浓度反演模型,相关系数为067。应用该模型得到2011年秋季鄱阳湖的叶绿素浓度估算值,反演结果显示湖区水体叶绿素浓度总体不高,且在空间分布上湖区水体周边与陆地交界处比湖中心区浓度偏高。分析认为：通过对实测光谱的定量分析,获得对鄱阳湖地区水体叶绿素浓度的光谱特征认识,揭示出其反射光谱的长波漂移现象,为鄱阳湖这一富营养化程度底,且水体分布不均匀区域建立一种叶绿素浓度反演方法,可为该区域长期的水环境管理提供方法借鉴     

三峡工程对两湖的生态影响

长江干流的渔业捕捞量从1954年的43万t下降到2011年的8万t,降幅达81%,而两湖(洞庭湖和鄱阳湖)的渔业捕捞量分别在2~4万t之间波动。三峡大坝对洞庭湖三口径流量的影响有限,但使江水倒灌鄱阳湖的天数和水量进一步降低。长江来水占洞庭湖径流量的30%,而在鄱阳湖中仅有0.1%,因此,对维持长江干流的渔业资源(特别是产漂流性卵鱼类)来说,洞庭湖的重要性远超鄱阳湖。干流渔业资源的衰退主要是江湖阻隔的结果,虽然过度捕捞起到了推波助澜的作用,因此,即使在干流休渔十年,也未必能使长江的渔业资源大幅回升。如果在两湖建闸,长江渔业资源的衰退将会进一步加剧,江豚的灭绝可能难以避免,因此,维持两湖与长江的生态联系,对长江干流生物多样性的维持至关重要。     

基于MODIS的长江中游河段悬浮泥沙浓度反演

监测和预报悬浮泥沙浓度的沿程分布和时间变化,无论是对于河流水利工程还是河流生态和环境保护都具有重要意义。卫星遥感反演同步性好、速度快、周期短,可以实时和全面地观测大尺度悬浮泥沙分布。旨在建立基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)影像的长江中游河段悬浮泥沙浓度反演模型, 并利用建立的模型反演2002~2009 年长江中游河段丰水期的悬浮泥沙浓度, 分析其在时间和空间上的变化特征。研究揭示,MODIS Terra 影像红波段与悬浮泥沙浓度具有显著的相关性（R2=0877,n=125,RMSE=4057 mg/L）,可以用于长江中游丰水期悬浮泥沙浓度的反演。长江三峡工程经历三次蓄水,坝下游宜昌至汉口段悬浮泥沙含量显著减少,荆江河段、洞庭湖及城陵矶至武汉江段下降最为显著。洞庭湖来水来沙是长江中游城陵矶以下江段主要的悬浮泥沙来源之一,从预测结果可知,洞庭湖来水在城陵矶汇入长江后与江水混合以至形成数十公里的混合带,至洪湖以下江段逐渐混合均匀     

鄱阳湖主湖区与碟形湖水位变化及其对水质的影响

水位作为鄱阳湖重要的水文因子,对鄱阳湖水动力过程和水质变化具有重要影响。根据2014~2015年鄱阳湖主湖区和碟形湖水位、水质监测数据,分析了主湖区和碟形湖水位及主要水质指标的年内变化特征,阐述了主湖区和碟形湖水质对水位的响应特征。结果表明:(1)丰水期碟形湖与主湖区联通,碟形湖水位与主湖区水位呈直线型相关,枯水期碟形湖水位高于主湖区,主湖区年内月平均水位变异系数为0.13,而碟形湖年内月平均水位变异系数为0.08;(2)丰水期,主湖区和碟形湖的氮磷比分别为19.29和46.27,枯水期主湖区和碟形湖水体的氮磷比分别为17.88和40.39;(3)鄱阳湖主湖区水质主要指标与水位的相关性显著强于碟形湖,主湖区总氮、氨氮、总磷和溶解氧均与水位呈负相关性,而碟形湖中只有p H与水位有相关性;(4)枯水季节,碟形湖水体具有较高的总氮,而鄱阳湖主湖区则具有较高的总磷和氨氮。总之,枯水期进行合理的水位调控能够有效降低富营养化风险。     

太湖水质的时空分异特征及其与水华的关系

在大量调查数据的基础上,分析了太湖水质的时空分异特征,探讨了太湖不同湖区、不同季节水质差异的原因。研究结果显示：北部的入湖河口区、几个湖湾、湖心区、西南湖区、东部湖区水体的透明度、高锰酸盐指数、氮、磷、叶绿素等富营养化指标差异显著。入湖河口区的高锰酸盐指数和营养盐含量高于南部湖区数倍,也明显高于北部湖湾区,这反映出太湖西北部入湖河道污染对太湖影响显著。不同季节太湖水质指标也差异显著,冬春期(12～次年5月份)水体的氮含量高于夏秋季(6～11月份)近1倍。水质季节性的显著差异进一步说明了外源输入对太湖水质的影响。研究表明太湖水质的时空异质性既受太湖湖泊形态特征本身的影响,也更多受到外源污染的影响,解决太湖的蓝藻水华问题,首先要在太湖的外源污染控制方面取得突破.     

丰水期鄱阳湖氮磷含量变化及来源分析

通过系统测定丰水期鄱阳湖湖水、主要支流水、长江水及部分农田水、地下水及城市污水的氮磷含量,对其氮磷含量变化及来源进行了分析,结果表明,鄱阳湖水体中主要的氮素形式是硝酸盐氮（090 mg/L）,赣江是其主要贡献者。鄱阳湖五大支流氮磷含量存在着较大的差异,赣江NO-3 N含量明显高于鄱阳湖其它主干流,而NH+4 N和TN含量以饶河的最高,TP以信江的最高。农田水、城市废水以及地下水含有较高的氮磷含量,是鄱阳湖及其五大支流氮磷的主要来源。农田水TN和TP含量最高,分别为1347、2863 mg/L。高含量的NO-3 N（735 mg/L）和NH+4 N（548 mg/L）分别出现在地下水和城市污水中。鄱阳湖水体氮负荷较大,N/P比值远大于7〖DK〗∶1。受滞留区及赣江和修水补给的影响,鄱阳湖主河道氮含量变化从上游至下游呈总体上升趋势。鄱阳湖湖体氮含量以下游最高,滞留区次之,上游主河道最低,TP含量呈相反的趋势变化。底层沉积有机物的降解和扰动导致鄱阳湖水体底层NO-3 N、NH+4 N、TN、TP的含量高于表层。     

太湖水质的时空分异特征及其与水华的关系

在大量调查数据的基础上,分析了太湖水质的时空分异特征,探讨了太湖不同湖区、不同季节水质差异的原因。研究结果显示：北部的入湖河口区、几个湖湾、湖心区、西南湖区、东部湖区水体的透明度、高锰酸盐指数、氮、磷、叶绿素等富营养化指标差异显著。入湖河口区的高锰酸盐指数和营养盐含量高于南部湖区数倍,也明显高于北部湖湾区,这反映出太湖西北部入湖河道污染对太湖影响显著。不同季节太湖水质指标也差异显著,冬春期(12～次年5月份)水体的氮含量高于夏秋季(6～11月份)近1倍。水质季节性的显著差异进一步说明了外源输入对太湖水质的影响。研究表明太湖水质的时空异质性既受太湖湖泊形态特征本身的影响,也更多受到外源污染的影响,解决太湖的蓝藻水华问题,首先要在太湖的外源污染控制方面取得突破.     

1956~2011年鄱阳湖水沙特征及其变化规律分析

近年来,鄱阳湖水沙研究集中在鄱阳湖"五河"各水文站的单站分析上,且水沙数据采用大多仅至21世纪初期,对缺测资料未进行有效插补。将鄱阳湖作为一个研究整体,分析了鄱阳湖水沙特征及其变化规律,以便为鄱阳湖泊形态变化研究以及水、沙资源的合理开发利用提供有利的参考依据。运用水沙相关、上下游泥沙相关法对部分缺测泥沙进行插补,获得1956~2011年的鄱阳湖入、出湖水沙系列数据。利用数理统计法、水沙双累积曲线法、Mann-Kendall法分析鄱阳湖入、出湖径流量与输沙量变化特征,并且探讨了水沙变化的原因。结果表明:(1)入湖径流量和输沙量的年内分配相一致,而长江水沙的倒灌影响了出湖径流量和输沙量的年内分配;(2)鄱阳湖入湖悬移质泥沙从90年代开始下降趋势加剧,而出湖悬移质泥沙1956~2000年整体呈下降趋势,2001~2011年呈现上升趋势;(3)鄱阳湖入、出湖年输沙量出现明显的突变点分别在1998年左右、2003年左右;(4)径流量总体处于相对稳定状态,但近10a来径流量略下降,主要受到降水量变少的影响,入湖输沙量变化受"五河"流域的水库蓄水拦沙、流域水土保持工作加强、人类河床采砂等因素影响;而出湖河段河床深度下切、江湖水面比降加大、人类在鄱阳湖采砂扰动河(湖)床均加大了近10a来出湖悬移质泥沙的输出。     

鄱阳湖流域基本特征、面临挑战和关键科学问题

鄱阳湖流域总面积占长江流域面积的9%,占江西省国土面积的939%,鄱阳湖流域的生态健康维系着流域内,特别是长江中下游的生态安全,是区域经济、社会、生态可持续发展的重要保障。在全面认识鄱阳湖流域基本特征和面临挑战的基础上,探讨了鄱阳湖流域面临的五大科学问题：“山 江 湖”的相互关系与流域的生态健康;全球变化背景下流域生态系统的响应;流域生物多样性地理格局与社会经济合理分区;长江流域环境演变对鄱阳湖流域的影响;流域科学管理的理论与实践。为鄱阳湖生态经济区的建设和全流域的综合管理提供科学的建议和对策     

鄱阳湖表层水中全氟辛酸和全氟辛烷磺酸污染现状调查

为阐明鄱阳湖表层水中全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）的污染现状,于2011年4月7～9日采集鄱阳湖的表层水样30份和长江水样2份,采用超高效液相色谱－三重四极杆串联质谱/质谱法检测样品中PFOS和PFOA含量,探索鄱阳湖表层水中PFOS和PFOA的污染水平及空间分布特征。结果表明： PFOS和PFOA的浓度范围分别为未检出~071 ng/L和030 ~189 ng/L,均值分别为035 ng/L和110 ng/L。而位于长江的0号点水中PFOA和PFOS含量分别为1511 ng/L和081 ng/L。鄱阳湖表层水中的PFOS和PFOA在整体上都呈现南部高于北部的趋势,这可能是由鄱阳湖的水动力条件和其周边PFCs污染源分布不同所致。以上研究结果显示,鄱阳湖表层水中PFOS和PFOA处于较低的污染水平     

鄱阳湖生态环境保护与资源利用技术模式研究

鄱阳湖是我国第一大淡水湖泊,也是国际重要湿地,在维系长江水量平衡和生态安全方面,发挥着十分重要的作用和功能。近年来,鄱阳湖生态环境受到经济发展和人口增长的威胁,主要表现为：湿地生态系统退化,湖泊生态功能下降,流域生物多样性减少,水生植被萎缩,水污染程度日趋严重。湖区内产业结构和资源利用的不合理也限制了其经济发展。建设鄱阳湖生态经济区发展战略的确立要求江西尽快探索出一条保护生态与发展经济的双赢之路。结合鄱阳湖区生态环境与资源利用现状,通过2 a多的集成研究与示范,已形成了湿地恢复、沙化综合治理、农业污染治理和资源合理利用等十多种技术模式,在保护环境的同时提高了农民收入,为实现鄱阳湖生态经济区建设目标提供了技术支撑.     

鄱阳湖水位-淹水面积关系不确定性的分析

湖泊淹水范围的时空变化特征往往决定了湖泊湿地的景观结构和功能。鄱阳湖是我国最大淡水湖,水位和淹水范围的季节变化悬殊,鄱阳湖淹水特征对研究鄱阳湖湿地生态系统的结构与功能都具有显著意义,过去很多研究关注鄱阳湖水位-淹水面积关系,不同的研究者得到的水位-淹水面积关系各有差异,表现出一定的不确定性。利用多时相的卫星遥感影像提取的鄱阳湖水面面积的基础上,结合鄱阳湖长时间序列的水位观测资料,探讨鄱阳湖水位-淹水面积关系不确定的原因。研究结果表明:(1)尽管鄱阳湖水面面积与水位表现分段线性关系,但在相同水位条件下,鄱阳湖水面面积表现出较大的不确定性;(2)鄱阳湖水位表现南高北低的空间异质性格局,随着水位增加,鄱阳湖水位的空间异质性降低,并且水面坡降具有季相性,相同水位下退水期的水面坡降大于涨水期的水面坡降;(3)受洲滩地形和"堑秋湖"渔业方式的影响,相同水位下退水期出露洲滩中子湖泊的水面范围大于涨水期中子湖泊水面范围;(4)此外,鄱阳湖采砂显著改变采沙场的湖盆地形,从而改变低水位下的主要采沙场的淹水范围。综上所述,鄱阳湖水位-淹水面积关系的不确定性除了受湖盆地形、"五河"来水、长江顶托等自然原因,还有采砂和堑秋湖渔业方式等人类活动的原因。     

长江中游大型通江湖泊湿地景观格局演变特征

鄱阳湖和洞庭湖湿地是长江中游仅有的两个天然通江湖泊湿地,具有不可替代自然和人文价值。近年来,尤其是三峡工程运行以后两湖湿地景观格局发生改变,对区域生态系统平衡和社会经济发展产生重要影响。以Landsat 7为数据源,通过决策树分类及高斯回归的方法定量评估了三峡工程运行前后两湖湿地景观格局的演变特征及其差异性,旨在正确认识大型水利工程的生态效应,为湿地保护与重建提供科学依据。结果表明:2000~2014年,洞庭湖枯水期水位变化不明显。从历史演变特征来看,虽然有少部分植被挤占泥滩和水体,但总体上3种湿地景观类型面积变化不大。相比之下,三峡工程运行后鄱阳湖枯水期水位显著下降,水体面积萎缩近14%,植被面积增加约8%。与2000年相比,2014年鄱阳湖植被分布高程下降了1 m多。不同程度的干旱胁迫是形成两湖湿地景观格局差异性演变特征的主要原因。     

1950年以来鄱阳湖流域水沙变化规律及影响因素分析

运用Mann-Kendall趋势检验法和回归分析等方法,对鄱阳湖流域赣江外洲站、抚河李家渡站、信江梅港站、饶河虎山站和修水万家埠站1950~2012年径流量和1956~2012年输沙量的变化进行了系统分析,并探讨了水沙变化的原因。研究结果表明:(1)鄱阳湖流域五大河流水沙的趋势变化特征相异,除李家渡站径流无明显趋势变化外,其余各站均呈不显著的增加趋势(未超过α=0.05显著性检验临界值);外洲站、梅港站和李家渡站输沙量呈减少的趋势变化,且1985年以后呈显著的减少趋势,而虎山站和万家埠站输沙量在1965~1999年呈不显著的增加趋势,1999年以后才开始减少;(2)入湖总水量呈不显著的增加趋势,发生突变的年份为1992年;入湖总沙量呈显著的减少趋势,发生突变的年份为1996年,入湖总沙量突变滞后于入湖总水量;(3)流域径流量变化主要受降雨量的影响,而输沙量变化主要受水土保持和水库建设等人类活动的影响,且水库拦沙是鄱阳湖流域输沙量减少的主要原因。