基于水位-面积-湖容关系的东洞庭湖动态纳污能力分析

为测算不同水文水质条件下东洞庭湖动态纳污能力,利用2003—2016年MODIS遥感数据和实测水文数据建立水位-面积-湖容关系模型,提取不同水位、入湖流量、入湖水质条件下的纳污能力计算参数,参照《水域纳污能力计算规程》测算出不同水文水质条件下的东洞庭湖动态纳污能力系数以及COD、氨氮的动态纳污能力。研究结果表明:东洞庭湖纳污能力随着水位、流量、水质而动态变化,COD最小纳污能力为14 200 g/s,大于2016年年均排放强度1 837 g/s,不存在水质超标风险;氨氮最小纳污能力43 g/s,小于2016年年均排放强度275 g/s,水质超标风险大;明确了导致氨氮超标的水文、水质条件,认为氨氮入湖浓度<0.95 mg/L时,湖泊氨氮不超标。主要结论为:(1)水位-面积-湖容关系模型可为测算湖泊动态纳污能力提供支撑;(2)建议根据动态水域纳污能力确定污染物排放量,科学利用水环境容量;(3)东洞庭湖入湖氨氮浓度应控制在0.95 mg/L以下,以保证水质达标。研究成果对维护和改善洞庭湖水环境质量具有重要的现实意义。

三峡水库运行前后洞庭湖湖容变化遥感研究

基于遥感技术提取三峡水库运行前后各10年的洞庭湖水面面积遥感解译量算成果数据,研究洞庭湖25年来的湖容变化,结合洞庭湖泥砂开采数据及地壳沉降资料。借助Arcgis软件平台进行统计分析,建立三峡工程运行前后洞庭湖湖容与水位关系的数学模型。分析三峡水库运行前后各10年洞庭湖湖容变化情况与成因,在国际国内首次用遥感数据论证了洞庭湖面积缩小却湖容扩大的观点。

滇中星云湖水位变化特征及其对抚仙湖水位变化的定量影响分析

星云湖是云南九大高原湖泊之一,是与滇中抚仙湖相连的姊妹湖。研究星云湖水位变化规律及其对抚仙湖水位变化的定量影响,对两湖水资源和水生态环境保护具有重要意义。基于1986—2023年星云湖和抚仙湖水位数据、流域降水蒸发和用水数据,应用累积距平法对星云湖水位进行突变检验并分析其驱动因素;基于两湖湖容关系,分析2009年以来两湖水位差的变化及其对抚仙湖水位变化的定量影响。结果表明:①星云湖1986—2023年多年平均水位1722.88 m,系列呈不显著下降趋势,在2009年前后发生突变;②星云湖月水位过程突变前系列均高于全系列,突变后系列均低于全系列,星云湖不同时期水位的年内变化过程相似,月平均水位最低值均发生于5月,最高值发生于9月(10月);③流域降水量的减少、蒸发量和用水量的增加,是流域水资源量不断减少和星云湖水位呈降低趋势的主要原因;④1986—2023年抚仙湖年均水位下降速率是星云湖的5倍,相对于星云湖有年度滞后现象,在两湖水动力条件改变和流域干旱影响下,抚仙湖年均水位比星云湖下降得速率更快、持续性更强;⑤2009—2023年,抚仙湖比天然过水时期(1986—2008年)共少蓄水量28650万m^(3),造成水位降低1.35 m。

1956年以来洞庭湖盆的演变

1956年以来洞庭湖盆经历了萎缩和扩容的历史过程,为分析各历史阶段变化原因和预测变化趋势,根据1956-2019年洞庭湖水系水沙和湖盆水面面积、湖容实测资料开展研究,基于分离变量法重点识别泥沙淤积、湖盆沉降、湖区围垦及洞庭湖水系采沙对湖容变化的贡献比例。结果表明:1956-2019年洞庭湖水面面积减小1247.59 km^(2),其中东洞庭湖水面面积萎缩最为严重,1956-1980年湖区围垦是洞庭湖水面面积减小的主要因素,1980年以后洞庭湖水面面积趋于稳定。三峡水库蓄水前(1956-2002年)入湖沙量及出湖沙量均持续减少,泥沙淤积率约为70%;三峡水库蓄水后(2003-2019年),入湖沙量大幅减少,泥沙淤积率降至14%。湖盆沉降、湖区采沙与泥沙淤积对湖容的影响存在抵消效应,洞庭湖盆目前仍处于缓慢的构造沉降中,平均沉降速率约3 mm/a;2003年以后随着采沙活动进行,洞庭湖萎缩速率有所减缓。1980年以前湖容减小,湖区围垦、泥沙淤积和湖盆沉降对湖容增大的贡献比例分别为-92.7%、-13.2%和5.9%;1980年以后湖容经历了由减小至变大的过程,整体为减小,1981-2002年泥沙淤积、湖盆沉降的贡献比例分别为-107.6%和7.6%,2003-2019年泥沙淤积、湖盆沉降及采沙的贡献比例分别为-11%,24.8%和86.2%。三峡水库蓄水后湖盆沉降速率大于泥沙淤积速率,同时湖区采沙为三峡水库蓄水后湖容变化控导因素,随着新一轮采沙规划(2023-2027年)实施,洞庭湖将呈现扩张趋势。

三峡水库运行前后洞庭湖水资源量变化

为研究三峡水库运行前后洞庭湖水资源量变化情况,通过利用1994—2019年165个时相的多平台中高分辨率(15~30 m)卫星遥感数据,城陵矶多年日观测水位数据和洞庭湖区降水量、蒸发量等资料,采用掩膜处理、K⁃Means聚类分析提取水面信息,结合观测数据进行统计分析,研究了1994年以来洞庭湖水面面积与湖容变化情况.结果表明:三峡水库运行后洞庭湖年均水面面积由1077.46 km^2减少到857.13 km^2,减幅达20.45%,但是2011年后当城陵矶水位大于26.34 m时水面有所增加;三峡水库对下泄量的调控在缓解洞庭湖洪涝灾害隐患的同时,也使得低枯水位提前1个月,且对洞庭湖枯水期的补给水量极其有限;三峡水库运行后洞庭湖湖容明显减小,且当城陵矶水位越高时,洞庭湖湖容减幅越大;当水位小于20 m时三峡水库运行前后两个时段的湖容逐渐接近.洞庭湖水资源量变化主要受出入湖径流影响,“四水”径流是影响洞庭湖水资源量的主要因素,“三口”径流的减少也对洞庭湖水资源量的变化起着重要作用.同时,湖区年均降水量的减少和蒸发量的增加也是引起洞庭湖水资源量减少的原因之一.研究成果为三峡工程运行后治湖思路调整、洞庭湖区水资源保护和长江流域生态修复提供了客观资料.