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洞庭湖水沙变化过程及其对人类活动的响应研究

于亚文  
【摘要】:湖泊是陆地水圈的重要组成部分。湖泊不仅具有供水、通航、防洪和维持区域乃至全球生态稳定性和多样性的功能,而且也是人类重要的聚居和活动场所,在全球经济与社会的发展中扮演重要角色。自人类世以来,湖泊作为地球表层极其脆弱的地貌体系,在气候变化和高强度人类活动的影响下,世界大部分湖泊出现衰亡状态。因此,湖泊的地貌演化特别是与湖泊演化直接相关的湖泊水沙变化过程受到世界各国政府及社会的关注。洞庭湖作为长江中游仅存的两个通江湖泊之一,是目前中国仅次于鄱阳湖的第二大淡水湖泊。它既受到来自湖泊流域主要河流的补给、也经受长江水沙汇入,是长江中下游最重要的水沙缓冲器。鉴于其特殊的地理位置、巨大的调蓄容量和复杂的江湖关系,洞庭湖不仅维持其流域生态系统的稳定,同时还是长江中下游流域防洪体系中不可替代的一环。故,分析洞庭湖入、出湖水沙通量变化并判别其影响因素,对理解洞庭湖演变规律、科学认识江湖关系及对长江中下游沉积地貌演化都具有重要的学术价值和现实意义。本文基于洞庭湖水系1951~2014年10余个代表性水文控制站的实测水文资料,利用Mann-Kendall趋势/突变检验法、K-means聚类法、小波分析、年内变差系数等方法分析了洞庭湖入、出湖水沙年际和年内变化特征。在此基础上,结合流域降水、地貌变化及水利工程等对洞庭湖水沙变化过程的影响因素及其机制进行了研究。主要结论包括:洞庭湖1951~2014年的入、出湖径流和悬浮泥沙的变化过程可划分为1951~1970s、1970s~2000s和2000s~2014年三个阶段。这三个阶段的入、出湖年际水沙通量呈阶梯形下降趋势,其中以洞庭湖入湖输沙量的下降程度最为显著。洞庭湖入、出湖径流量与输沙量呈现显著的季节性特征,其中径流量洪季占比超过70%,入湖输沙量洪季占比超过90%,出湖输沙量洪季占比超过50%。径流量与输沙量的年内季节性分配跟随这三个阶段呈现“洪季少洪,枯季更枯”的趋势。洞庭湖与长江的江湖水沙交换关系在研究尺度范围内产生鲜明转变。其中衡量江湖水体交换的指数I在1951~1970s小于1,洞庭湖对长江干流的调蓄作用占主导地位;1970s~2000s年I围绕1上下波动,该阶段的江湖水体交换作用相对稳定;2000s~2014年I大于1,以洞庭湖向长江补给为主。整体而言,洞庭湖洪季以调蓄长江洪水为主,I小于1;洞庭湖枯季以补给长江为主,I大于1。洞庭湖的泥沙收支也呈现出阶段性变化趋势。与1951~1970s年相比,洞庭湖洪季泥沙收支分别减少49.84%和96.26%,枯季泥沙收支分别减少45.06%和48.42%。洞庭湖由1951~1970s的年平均淤积泥沙16751×10~4 t转为2000s~2014年的年平均侵蚀40.03×10~4 t。湖泊收支模式的改变表明,洞庭湖由前两阶段的淤积模式转变为2000s~2014年的冲刷模式,形成由汇到源的转变。洞庭湖入、出湖水沙变化及湖盆的冲淤变化主要受湖泊流域和长江干流的影响。其中,来自湖泊流域的影响因子主要体现在流域地貌发育、降水等自然因素,以及水库建设和土地利用变化等人类活动;长江干流对洞庭湖入、出湖水沙的影响主要体现在荆江裁弯工程、葛洲坝水库和三峡工程三大水利工程建设。洞庭湖流域的面积高程积分值(HI指数)为0.05~0.21,流域地貌发育处于老年阶段,产沙能力弱,本质上决定了洞庭湖流域入湖泥沙将持续减少。流域降水是四水入湖径流量出现年际变化和出湖输沙量出现年内分配不均的主要因素。1951~1970s,洞庭湖流域年均流失土壤2×10~8 t,该阶段严重的水土流失现象是洞庭湖大量泥沙入湖的主要原因。1970s~2000s,洞庭湖的入湖水沙通量与1951~1970s相比分别减少了19.60%和47.75%,出湖水沙通量分别减少了19.42%和49.31%,这种变化的根本原因是1967~1972年下荆江裁弯工程的实施。同时,该阶段洞庭湖流域大量水库的快速建设和水土流失现象的缓解,加大了洞庭湖入湖水沙的下降幅度。2000s~2014年,洞庭湖入湖输沙量大幅下降和江湖水沙关系的转变与三峡工程的运行息息相关。三峡工程运行后,库区内年均淤积泥沙139×10~6 t,高泥沙淤积率与低排沙比是造成2000s~2014年洞庭湖多年平均入湖输沙量大幅下降以及洞庭湖冲淤模式转变的根本所在;同时,三峡工程运行引发水库下游清水下泄,荆江河段河床冲刷严重,江湖比降增大,洞庭湖出湖水沙通量在2007年之后有所增加。此外,洞庭湖湖盆砂石在2006年被大规模采挖,在高峰年份旺季的采砂量高达9.3×10~8 t,大规模的采砂活动加快了洞庭湖湖盆由淤积到冲刷的转变模式。


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