东洞庭湖湿地生态系统健康状态与水位关系研究

基于CBERS卫星遥感影像数据，以东洞庭湖国家级自然保护区为研究区，通过光谱特征分析建立决策树分类模型，提取东洞庭湖湿地的地物类型。以生态系统健康理论为基础，依据东洞庭湖湿地的特点，综合湿地生产力、组织结构、弹性和功能4个方面，建立湿地生态系统健康状态评价指标体系和评价模型，利用GIS技术，分析东洞庭湖湿地在2000～2006年10个时相的生态系统健康状态。结合城陵矶水文站的水位数据，探讨了东洞庭湖湿地健康状态与城陵矶水位之间的相关性，并利用2007年两个时相的数据进行检验。研究结果表明：东洞庭湖湿地健康状态与城陵矶水位之间存在着较大的相关性，当城陵矶水位达到30 m左右时，东洞庭湖湿地健康状态达到最佳值     

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     

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     

洞庭湖淤积、围垦对湖区江湖洪水影响的模拟

应用数值模拟技术,通过建立洞庭湖与长江耦合的水动力学数值模型,并利用长江沿江的宜昌、枝江、沙市、监利、螺山和洞庭湖区沿湖的南咀、小河咀、沅江、鹿角、岳阳和城陵矶等水文测站的水文资料,开展洞庭湖区湿地恢复的洪水效应模拟计算,选用1998年6月15日~8月31日洪水资料作为模型计算依据。通过模拟计算,对1952年以来洞庭湖淤积、围垦对江湖洪水的影响进行了定量评估。结果显示,1952~1998年的47年间,洞庭湖湖泊湿地围垦对江湖洪水位升高影响的相对量是湖泊淤积对江湖洪水位升高影响值的2～10倍。     

洞庭湖最小生态需水量研究

从湿地水文的角度对典型通江湖泊--洞庭湖3个时期的最小生态需水量进行了研究。结果表明：（1）1974和1988年的最小生态水位均为24 m，而1998年为246 m；（2）1974、1988和1998年的最小生态蓄水量分别为2106×108、1804×108和1880×108 m3；（3）1974～1987、1988～1997和1998～2007年的最小出湖生态需水量的平均值分别为3 396、3 379和4 717 m3/s，最小入湖生态需水量的平均值分别为2 657、2 704和3 745 m3/s。可见，随着洞庭湖的演变，1974年最小生态水位比1998年大幅减少，最小生态蓄水量明显增加，出、入湖最小生态需水量不均衡增加。最后，对洞庭湖最小生态需水量的变化原因进行了分析，并提出了生态恢复对策     

基于IHA/RVA法的近年来鄱阳湖生态水位变异研究

湖泊水位是影响其生态功能正常发挥的重要因素，开展湖泊水位变异特征研究是正确认识湖泊水资源系统变化的前提。基于鄱阳湖区5个水文站1960~2014年的日水位监测数据，研究分析了近年来鄱阳湖水位年际变化的异常特征，并借鉴IHA/RVA法，定量揭示了2000~2014年鄱阳湖生态水位变异程度及其空间差异。结果表明：鄱阳湖水位近年来下降明显，湖口、星子和都昌站年平均水位自2009年以来呈现高度一致的变化特征，水位差几乎消失；2000~2014年鄱阳湖生态水位发生中度改变，整体改变度为38.86%；各水文站改变程度由高到低依次为都昌站、星子站、湖口站、康山站和棠荫站；主要水位指标体系中6和11月平均水位、最小3日和30日平均水位、年最高水位出现时间、年高水位频率和年水位减少率等指标变异程度均达到50%以上。近年来鄱阳湖水位异常及其空间差异与人为采砂导致的湖盆地形变化密切相关，这种水位变异已对湖泊湿地生态系统产生了众多不利影响。     

洞庭湖主要生态环境问题变化分析

通过对近几十年来洞庭湖水情、泥沙、污染和湿地生态等不同方面问题的回顾分析，认为在三峡工程建设、洞庭湖退田还湖和极端天气事件影响下，洞庭湖主要生态环境问题发生了一些变化。由于气候干旱化，加之三峡水库蓄水影响，导致洞庭湖入湖水量季节性减少，湖区水位下降，干旱期延长。模拟显示2006和2009年三峡秋季蓄水使洞庭湖出口水位平均下降2.03和2.11 m；由于三口来沙急剧减少，入湖泥沙打破了以淤积为主的模式，2006年洞庭湖第一次出现从拦蓄泥沙变成向长江净输出泥沙。低水位运行不仅对洲滩演进和湖泊水质带来影响，也加速了对湖滩的开发利用，外来物种的发展威胁了湖泊湿地生物多样性和动物栖息地的稳定。同时，湖区复合型水污染威胁加重，洞庭湖水质从2008年的Ⅳ类水下降为Ⅴ类水。洞庭湖在缺水与洪涝矛盾中，正从单一洪灾为主转向矛盾的两个方面共存。这些变化一方面与气候变化有关，也是流域生产由传统农业转向农、林、水、工的综合发展，以及湖泊与流域关系改变的结果。     

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.     

近35a长江中游大型通江湖泊季节性水情变化规律研究

长江中游自然通江的洞庭湖和鄱阳湖,在长期的季风气候以及江湖交互作用下形成了相对稳定的涨-丰-退-枯季节性水位波动模式。近几十年来,受水利工程及气候变化的双重影响,两湖季节性水情均发生了显著改变。揭示和对比两湖季节性水位波动近年来的变化趋势及强度并分析其形成的可能原因,对于指导两湖地区的湖泊管理与实践,理解长江中游江湖关系演变现状具有重要意义。基于此,以2003年为断点(即1980~2002年与2003~2014年两时段),首先通过湖区多站点水文要素的单因素方差分析揭示两湖各自的季节性水情变化特征;然后通过两湖季节性水情变化状况的对比,分析长江中游大型通江湖泊水情变化的规律及其形成原因。得出的主要结论如下:(1)2003年后,涨水期和枯水期的两湖水情均呈偏枯趋势,且水位降幅均在由上游到中游的过程中扩大,由中游到下游的过程中减小,甚至涨水和枯水期的洞庭湖下游湖区还出现了水位的小幅抬升。(2)2003年后,丰水期和退水期的洞庭湖偏枯趋势呈现不同的空间分异,丰水期的洞庭湖水位下降程度在上、中游湖区更为剧烈,而退水期的水位下降程度在中、下游湖区更为剧烈。与此同时段的鄱阳湖偏枯趋势在丰水期和退水期均在由上游至下游的过程中增加。(3)2003年后的洞庭湖水位降幅在各个季节各个湖区均显著小于位于其下游的鄱阳湖。江湖关系对两湖及其不同湖区的作用方式和强度的差异是造成两湖季节性水情演变差异的主要原因。     

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。