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第31讲 湿地资源的开发与保护——以洞庭湖区为例[梳 理 知 识 体 系] [再 现 基 础 知 识]一、湿地含义与功能 1.湿地的含义⎩⎪⎨⎪⎧（1）湿地的定义：水位经常接近地表或为浅水覆盖的土地。
（2）湿地的分类⎩⎪⎨⎪⎧天然湿地：沼泽、滩涂、低潮时水深不 超过6米的浅海区、河流、湖泊等人工湿地：水库、稻田等（3）湿地的特点⎩⎪⎨⎪⎧地表常年或经常有水，属于陆地与水 体之间的过渡带分布广泛，类型多样2.湿地的功能3.洞庭湖湿地的重要价值：维持生物多样性、调蓄洪水、提供丰富的农副产品、航运、旅游观光等。
【疑难辨析1】湿地只存在于湿润、半湿润平原地区吗？提示半干旱、干旱地区以及高原、山地地区也有湿地的分布。
根据湿地的定义，半干旱、干旱地区以及高原、山地地区的河流(包括内流河)、湖泊等都是湿地，如沙漠中的塔里木河、艾尔湖(澳大利亚)及长白山天池、青藏高原上的青海湖、内蒙古高原上的呼伦湖等。
二、湿地资源问题与湿地保护1.湿地资源问题(1)产生与表现(2)案例——洞庭湖萎缩①原因：泥沙淤积严重，大规模围湖造田。
②影响：洪涝灾害日趋严重，航道断航及生态环境问题增多。
2.保护湿地(1)必要性：湿地资源的破坏，严重威胁到居民的生存环境和区域的持续发展。
(2)重要性：合理利用湿地资源，将会给我们带来更多的综合效益，提供更好的生存环境。
(3)措施【疑难辨析2】保护湿地仅是保证湿地面积不减少吗？提示不全是。
保护湿地不仅要保证在面积上不减少，而且要保证湿地的质量，即水源的多少、水质的好坏、物种的多少等，还要保护湿地生态系统的稳定。
考点一湿地的开发与保护【例1】[2015·安徽文综，35(2)、(3)，24分]阅读图文材料，结合所学知识，回答下列问题。
上图为巴音布鲁克地区示意图。
巴音布鲁克湿地发育于天山山脉中部大、小尤尔都斯盆地中。
盆地内河流蜿蜒，流向区外。
冬季严寒，年平均气温－4.7℃。
巴音布鲁克湿地内有国家级天鹅自然保护区，栖息着大量的野生天鹅。
长江三口的分流变化及原因分析宋平;黎昔春【摘要】文章以统计分析实测水文资料为基础,分析研究了长江三口分流进入洞庭湖的通流时间、通流水位和流量、年径流量的变化规律,同时对变化的原因也进行了比较深入的分析.【期刊名称】《湖南水利水电》【年(卷),期】2010(000)001【总页数】2页(P21-22)【关键词】长江;洞庭湖;三口;分流【作者】宋平;黎昔春【作者单位】湖南省水利水电勘测设计研究总院,长沙市,410007;湖南省水利水电勘测设计研究总院,长沙市,410007【正文语种】中文1 概述长江自出三峡以后，进入中下游平原区。
枝城以下沿江两岸均筑有堤防，并与众多的大小湖泊相连。
自枝城至城陵矶河段为著名的荆江，两岸平原广阔，地势低洼，是长江防洪形势最为严峻的河段，南岸有松滋、太平、藕池、调玄（已堵塞）四口分流进入洞庭湖，由洞庭湖汇集四水调蓄后，在城陵矶注入长江，江湖关系最为复杂。
由于江湖关系演变、葛洲坝和三峡工程的运用等原因，由松滋、太平、藕池三口分流进入洞庭湖的水量发生了很大的变化，对长江中下游的防洪和洞庭湖的水资源利用产生了一定的影响。
对三口分流变化的规律和变化的原因进行深入研究是非常必要的。
2 三口分流的变化2.1 历年分流变化统计松滋口、太平口和藕池口相应5个水文站1956～2007年流量资料，三口年均径流量分别为404.6亿m3、155.2亿m3和305.4亿m3，同期枝城年均径流量为4 412亿m3，三口多年平均分流比为9.2%、3.5%和6.9%，总分流比为19.6%。
20世纪50年代以来，下荆江裁弯、葛洲坝和三峡工程的兴建等人类活动对三口分流的变化产生了重要影响。
按下荆江裁弯前（1956～1966 年）、裁弯期（1967～1972年）、裁弯后（1973～1980年）、葛洲坝裁流至三峡工程蓄水前（1981～2002年）和三峡水库蓄水运用后（2003～2007年）5个时段统计分析三口分流变化，除新江口站变化较小外，其它各站径流量沿时程减小。
东洞庭湖最低生态水位研究程俊翔;徐力刚;吴睿;谭志强;姜加虎【摘要】东洞庭湖湿地具有极其重要的生态功能和经济社会价值，研究其最低生态水位对长江流域通江湖泊功能的恢复具有重要意义。
基于城陵矶站1955-2011年水位数据资料，采用最低年平均水位法、年保证率设定法、湖泊形态分析法和生态水位法计算东洞庭湖最低生态水位，得到的结果分别为24.55 m、25.44 m、26.44 m和25.24 m。
从自然保护区的角度看，当取其平均值25.42 m作为东洞庭湖最低生态水位时，相应的湖泊面积为518 km2，完全满足核心区对水面的需求。
通过合理性分析，该水位的确定是合理的，为东洞庭湖湿地的恢复提供了一定的数据支撑和决策依据。
%East Dongting Lake wetland has great ecological function and economic and social values. It is essential to study the lowest ecological water level for Protecting and recovering the ecological system of the lake. Based on the hydrologic data from 1955-2011 at Chenglingji Station,the lowest ecological water level of East Dongting Lake is calculated by the lowest annual average water level method,the year guarantee setting method,the lake morPhology analytic aPProach and the ecological water level method. The calculation results are 24. 55 m,25. 44 m,26. 44 m and 25. 24 m,resPec-tively,and the average value 25. 42 m is considered as the lowest ecological water level of the lake. The corresPonding lake area is 518 km2 . It comPletely cover the core area of nature conservation are-a. By the rationality analysis,the water level is accePtable and Provides authentic and oPerational de-cisions for governments to restore the degraded lake ecosystem.【期刊名称】《江西科学》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】6页(P932-937)【关键词】东洞庭湖;最低生态水位;计算方法【作者】程俊翔;徐力刚;吴睿;谭志强;姜加虎【作者单位】中国科学院南京地理与湖泊研究所，中国科学院流域地理学重点实验室，210008，南京; 中国科学院大学，100049，北京;中国科学院南京地理与湖泊研究所，中国科学院流域地理学重点实验室，210008，南京; 江西省科学院鄱阳湖研究中心，330096，南昌;环境保护部南京环境科学研究所，210042，南京;中国科学院南京地理与湖泊研究所，中国科学院流域地理学重点实验室，210008，南京; 中国科学院大学，100049，北京;中国科学院南京地理与湖泊研究所，中国科学院流域地理学重点实验室，210008，南京【正文语种】中文【中图分类】P343.3;X171.1湖泊是陆地地表水生态系统的重要组成部分，具有调蓄洪水、提供水源、沟通航运、调节区域气候和维护生物多样性等多种功能。
2020年汛期长江中下游河道洪水过程及特性分析摘要：受厄尔尼诺现象影响，2020年长江流域出现了历时长、范围广的强降雨过程，7月3日至8月17日，长江流域共发生5次编号洪水，长江中下游河道洪水过程及特性变化直接关系到长江流域的防洪安全。
基于此，根据最新实测资料分析了2020年汛期长江中下游河道洪水过程及特性，并初步研究了三峡水库削峰对长江中下游防洪的影响，取得了一些新的认识，可为长江中下游江湖防洪的进一步深入研究提供基础和参考依据。
0引言长江中下游宜昌站至大通站干流河段长约1 183.0 km，其中宜昌站至湖口站为中游河段，长约955.0 km，其间接纳清江、洞庭湖四水（湘、资、沅、澧）、汉江、鄱阳湖五河（赣、抚、信、饶、修）及其他支流入汇；宜昌站至枝城站河段长约60.8 km，属山区性河道向冲积平原河道过渡河道，枝城站至城陵矶河段（俗称荆江河段）全长约347.2 km，城陵矶至湖口站河段长约547.0 km；湖口站至大通站河段长约228.0 km，大通站受潮汐影响不大（图1）。
2012年8月，国家防汛抗旱总指挥部批复了《2012年度长江上游水库群联合调度方案》，进行水库群联合调度；2019年，联合调度范围已扩展至全流域，包括40座控制性水库、46处蓄滞洪区、10座重点大型排涝泵站、4座引调水工程等在内的100座水工程，充分提高了武汉防洪调度的灵活性。
三峡工程蓄水运用以来，汛期水库拦洪削峰引起坝下游洪水过程发生一定的改变1雨情概况根据长江水利委员会水文局统计的长江流域雨情概况（图2),2020年6—8月，长江流域累计面雨量636 mm，其中长江中下游面雨量735 mm，大部分地区降雨量超过800 mm，中游干流北部部分地区超过1 200 mm。
6—7月，强降雨中心主要位于长江中下游干流附近及洞庭湖、鄱阳湖（以下简称两湖）水系北部，累计降雨量600 mm以上，其中武汉、澧水（洞庭湖）、饶河（鄱阳湖）、青弋江水阳江（皖南）地区累计面雨量800 mm以上，最大为饶河流域1206 mm;8月，强降雨中心主要位于长江上游嘉陵江和岷江流域，嘉陵江和岷江流域月累计面雨量约290 mm，其中涪江529 mm、沱江477 mm。
初中地理关于洞庭湖的知识点一、知识概述《洞庭湖》①基本定义：洞庭湖是位于我国湖南省北部的一个大型湖泊，它就像一个超级大的盆子装着好多水，在长江中游的南岸。
这是大自然送给湖南的一个大“水宝盆”。
②重要程度：在初中地理学科里，洞庭湖很重要呢。
它是长江流域非常重要的调蓄湖泊，能调节长江的水量，就跟水库有类似的功能。
而且它和区域的气候、生态还有周围的人类生活都有千丝万缕的联系。
③前置知识：需要先大概知道湖泊是啥，还有长江水系的简单概念。
比如说湖泊就是地面上比较低洼的地方存满了水形成的一个水面。
长江水系就是长江以及它的支流等共同组成的河流水系。
④应用价值：实际当中，洞庭湖丰富的渔业资源可以给当地渔民带来收入，周边的湿地可以净化空气，起到调节气候的作用。
就像我去过洞庭湖附近，明显感觉那里的空气比城市里清新许多。
二、知识体系①知识图谱：在初中地理里，洞庭湖属于中国地理区域中长江流域这一块知识内容。
就好像一颗星在长江水系这个“星座”里闪闪发光。
②关联知识：它和长江水流量的变化有关联，长江水量大时，它能储存水；还和周边地区的生态系统关联着，像湿地生态系统离不开它的水源供给。
和当地的农业也有联系，湖水灌溉周围的农田。
③重难点分析：掌握难度不算特别大。
关键点在于理解它对长江水量的调蓄功能的原理，还有它自身生态系统的特点。
④考点分析：在考试中，经常以填图题考查它的位置，或者以简答题考查它的生态功能和对长江的作用。
比如会问洞庭湖在长江哪个位置，有哪些作用等。
三、详细讲解【理论概念类】①概念辨析：洞庭湖就是一大片天然水域，是经过长时间地质运动、河水汇聚等因素形成的湖泊。
简单说就是一堆水聚在地形低洼处，形成比较稳定的湖体。
②特征分析：它面积比较大，是我国第二大淡水湖。
湖水较深，周边有很多河流把水注入到湖中。
在它周围还有一大片湿地，湿地上长着各种各样的植物。
按我的理解，它就像一个充满生命力的大水世界。
③分类说明：它属于构造湖，是由于地壳运动产生凹陷，经过长时间积水形成的。
南县（罗文窖）站水位流量关系落差辅助站方案论证黄长江;黎炎庆;潘畅;柳鹏【摘要】在洞庭湖区原南县（罗文窖）站水位流量关系单值化分析方案中，以距该站上游约45 km的藕池河管家铺站为落差站，流量较小时，区间引水等水量损失导致低枯水期校正流量误差较大。
为修正低枯水期校正流量误差，提高低枯水定线精度，在增设方案中，以距南县（罗文窖）站上游20 km梅田湖为落差辅助站。
通过对2015年南县站全年流量单值化分析，并与原分析方案比较，发现增设方案在低枯水期落差能更好地反映与流量之间的关系，且30 m以下低枯水期流量可以通过单一线检验。
因此以梅田湖为落差辅助站的南县（罗文窖）站水位流量关系单值化方案更为合理。
【期刊名称】《水利水电快报》【年(卷),期】2016(037)007【总页数】4页(P11-13,17)【关键词】水位流量关系;分析方案;落差辅助站;南县(罗文窖)站;方案论证【作者】黄长江;黎炎庆;潘畅;柳鹏【作者单位】长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，湖北武汉430012;长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，湖北武汉 430012;长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，湖北武汉 430012;长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，湖北武汉 430012【正文语种】中文【中图分类】P332.4南县(罗文窖)水文站是藕池河北支注入东洞庭湖的水情、沙情控制站，下距东洞庭湖入口约35 km(见图1)。
测验河段顺直，测流断面在基本水尺断面下游215 m，河床由细砂组成，断面冲淤变化较大。
南县(罗文窖)站为汛期站，以长江来水为主，全年4～11月通流，其水位流量关系呈复式绳套关系。
影响水位流量关系的因素较为复杂，主要受上游洪水涨落影响，另外下游回水顶托及河段冲淤变化对水位流量关系也有一定影响。
经长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局批准，2009年南县(罗文窖)站以距其上游约45 km的藕池河管家铺站为落差站，按单值化方案布置测次。
基于IHA-RVA法的资水流域水文情势评估王鸿翔;赵颖异;卓志宇;史振防【摘要】为了研究资水流域水文情势的变化,选取桃江水文站1959—2016年的逐日流量数据为研究资料,采用Mann-Kendall检验法、累积距平法和滑动T检验法进行流量特征分析,并应用生态水文指标变化范围法(IHA-RVA)以及水文改变度法综合评价了资水流域的水文情势改变程度。
结果表明:资水流域桃江水文站的年均流量呈略微上升趋势,突变年份出现在1987年。
通过对资水流域水文突变前后桃江水文站水文指标的分析可知:资水流域整体的水文改变度为22%,仅达到低度改变;32个IHA水文指标中,年最小值流量出现时间受影响最大。
该研究可为资水流域生态水文情势的健康、可持续发展提供基础参考。
【期刊名称】《华北水利水电大学学报：自然科学版》【年(卷),期】2019(040)002【总页数】7页(P16-21)【关键词】资水流域;IHA-RVA法;水文情势;水文改变度【作者】王鸿翔;赵颖异;卓志宇;史振防【作者单位】[1]华北水利水电大学,河南郑州450046;[1]华北水利水电大学,河南郑州450046;[2]湖南省水利水电勘测设计研究总院,湖南长沙410007;[3]濮阳县政府投资项目建设管理办公室,河南濮阳457077;【正文语种】中文【中图分类】TV211近年来,国内河流被频繁地进行水利开发。
资水作为长江的重要支流,亦是洞庭湖的重要水源,其被开发程度逐渐加深，势必会改变资水流域的水文情势,直接或间接改变流域内重要生物资源的栖息地环境和结构性分布情况,从而对资水流域的生态环境产生深远影响[1-2]。
国内外学者进行了大量研究以分析人类活动对河流水文情势的影响[3-7]，经历了由只注重分析平均量,到注重分析极大、极小值,再到注重建立水文指标体系全面分析水文情势改变程度的发展过程[8]。
变化范围法(RVA)是一种基于水文改变指标法(IHA)来研究生态水文情势改变的研究方法,能够有效地评价筑坝对河流生态水文情势的影响,该方法已被广泛应用于河流水文情势评价研究中。
洞庭湖四口水系水资源利用思路探析徐慧娟;许多;肖华【摘要】从水资源、防洪和水生态环境3个方面分析了洞庭湖四口水系地区面临的资源环境问题,提出洞庭湖四口水系地区洪水资源的利用思路,初步分析其综合治理对水资源利用发挥的作用.结果表明,水资源短缺日益严重、湖泊水系水体污染加剧、洪水和内涝渍灾依然严重.提出了建闸控制、水系优化、河道整治、设施改造、调蓄水源等方面的治理方案和思路,初步分析了四口水系综合治理措施.【期刊名称】《水利水电快报》【年(卷),期】2013(034)012【总页数】4页(P13-16)【关键词】水资源;水资源利用;综合治理措施;洞庭湖【作者】徐慧娟;许多;肖华【作者单位】长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北武汉 430010;长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北武汉 430010;长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北武汉 430010【正文语种】中文【中图分类】TV213.9对洪水风险的分析和评估一直是学术界关注的热点问题［1-3］。
目前对洞庭湖的洪水特性研究文献包括防洪调度决策、洪水演进模型、水沙关系［4～6］，而对洪水利用方面的研究文献较少。
为此，本文根据洞庭湖区水资源现状，科学分析水资源利用存在的问题，以解决四口洪道存在的防洪问题、水资源短缺问题为重点，针对不同特点，提出解决水资源供需矛盾的措施，同时分析了基于四口水系优化、河道整治等建设平原型水库的可行性［7～10］。
1 研究区面临的资源环境问题洞庭湖位于荆江河段南岸，湖南省北部，现有天然湖泊面积2625 km2，容积167亿m3;南汇湘、资、沅、澧四水，北纳松滋、虎渡河、藕池河四口分泄的长江洪水，东接汩罗江和新墙河水。
江河来水进入洞庭湖后经湖泊调蓄，由城陵矶北注入长江。
四口水系即松滋、虎渡、藕池、调弦四河，河道总长965 km，是荆江和洞庭湖防洪体系的重要组成部分，对荆江河段防洪安危关系重大。
研究区的水系概化图见图1。
第35卷第1期2024年1月㊀㊀水科学进展ADVANCES IN WATER SCIENCE Vol.35,No.1Jan.2024DOI:10.14042/ki.32.1309.2024.01.009长江中游通江湖泊对干流顶托作用变化规律杨春瑞,邓金运,陈㊀立,郑柠辉,赵㊀晋(武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室,湖北武汉㊀430072)摘要:长江中游通江湖泊(洞庭湖和鄱阳湖)对干流的顶托作用直接关系到区域防洪安全㊂通过构造支流顶托强度指标并结合Copula 函数,分析三峡水库蓄水前后两湖出流对长江干流顶托强度的变化和异同,讨论干支流流量分布和地形变化对两湖顶托强度变化的贡献㊂研究结果表明:①三峡水库蓄水后,对干流顶托强度变化方面,汛期洞庭湖变化不大㊁鄱阳湖明显减弱;枯水期洞庭湖略有增强㊁鄱阳湖变化不大㊂②干支流流量分布导致的汇流比变化和江湖交汇区地形调整综合影响导致了两湖蓄水后顶托强度变化的差异;三峡水库蓄水后,干支流流量分布变化使洞庭湖㊁鄱阳湖对干流平均顶托强度分别减弱5.11%和13.45%;干流河床冲刷加剧导致的交汇区干支流河床高程差增大使洞庭湖㊁鄱阳湖对干流平均顶托强度分别增强6%和0.9%㊂关键词:顶托作用;汇流比;Copula 函数;长江中游;洞庭湖;鄱阳湖中图分类号:TV147㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1001-6791(2024)01-0098-14收稿日期:2023-07-20;网络出版日期:2023-11-06网络出版地址:https :ʊ /urlid /32.1309.P.20231106.1150.002基金项目:国家自然科学基金资助项目(51779185);水利部三峡后续工作项目(12630100100020J005)作者简介:杨春瑞(1996 ),男,山东日照人,博士研究生,主要从事水力学及河流动力学方面研究㊂E-mail:1195169554@通信作者:邓金运,E-mail:dengjinyun@ 江湖交汇及其相互顶托问题是江湖关系研究的核心内容之一[1]㊂正确认识变化环境下长江中游通江湖泊(洞庭湖㊁鄱阳湖,以下简称两湖)对干流的顶托作用,是开展区域防洪减灾和江湖治理的基础[2]㊂国内外学者围绕江湖顶托作用的表征㊁变化及影响因素等方面开展了大量研究㊂在江湖顶托作用的表征和变化方面,基于水位 流量关系变化,尚海鑫等[3]分析了三峡水库蓄水后洪㊁中㊁枯各流量级下洞庭湖出流顶托干流的程度和范围,张明月等[4]研究了鄱阳湖出流顶托作用对汉口高洪水位的贡献率;基于物质或能量守恒原理,相关学者建立了江湖顶托指标[5-7]分析长江对两湖顶托的变化,认为三峡水库蓄水后长江干流对洞庭湖[8-9]㊁鄱阳湖[5,10]的顶托强度有所减弱㊂在江湖顶托影响因素分析方面,对干支流来流及汇流比变化开展的大量研究[11-12],揭示了三峡水库蓄水后长江干流年内流量分配变化所导致的不同时期干支流汇流比的差异[13],包括两湖流域洪水与长江干流洪水遭遇几率的变化等[11];干支流河床高程差是影响干支流顶托的重要因素之一,且该高程差在天然交汇河流中普遍存在[14],不少学者关注了三峡水库蓄水后干支流河床冲淤㊁交汇处河床高程差对分流和顶托的影响[15-17],也有学者对比了交汇处河势及汇流角的变化[10]㊂已有研究虽然在揭示江湖顶托关系变化及其影响因素分析方面做了大量工作,但更多侧重于干流流量变化对湖泊顶托作用的讨论,在湖对江的影响方面研究相对较少,且缺乏干支流来流流量分布同时变化㊁干支流地形调整综合影响下的顶托作用变化分析,尚需进一步认识三峡水库蓄水后江湖顶托变化的机理及辨识各因素的贡献㊂本文基于三峡水库蓄水前后(1990 2018年)的大量实测资料,通过构造顶托强度指标,评价两湖在三峡水库蓄水前后对长江干流顶托强度的变化与异同;引入Copula 函数,拟合干支流来流的联合分布㊁汇流比和顶托强度的联合分布关系,定量分析干支流来流流量分布和地形调整对两湖顶托强度的影响,为长江中㊀第1期杨春瑞,等:长江中游通江湖泊对干流顶托作用变化规律99㊀游科学防洪防灾提供参考㊂1㊀研究区域及数据来源洞庭湖和鄱阳湖均位于长江中游南岸,洞庭湖北接松滋口㊁太平口㊁藕池口的长江分流,南汇湘㊁资㊁沅㊁澧四水后于城陵矶处重新汇入长江;鄱阳湖有赣㊁抚㊁修㊁信㊁饶五河入汇,于湖口处与长江交汇㊂两湖的江湖分汇关系及交汇区如图1所示㊂一般而言,洞庭湖出流对长江干流以监利 城陵矶河段影响最为明显[3];鄱阳湖出流较小,影响范围以九江 湖口河段最为明显[4],因此,以城陵矶站作为洞庭湖交汇口控制站,以监利站作为洞庭湖交汇区上游干流控制站;湖口站作为鄱阳湖交汇口控制站,九江站作为鄱阳湖交汇区上游干流控制站㊂本文以监利㊁城陵矶㊁湖口及九江站1990 2018年实测日均流量㊁水位资料及三峡水库蓄水前后交汇区地形资料开展研究,各站水文资料及交汇区地形资料均来自水文年鉴或长江水利委员会水文局的整编资料㊂图1㊀研究区域示意Fig.1Schematic map of the study area2㊀两湖对长江干流顶托作用的变化2.1㊀顶托强度指数通江湖泊与长江干流的交汇区域对干支流均起到了局部侵蚀基面的作用[18],随着干支来流的变化(本文支流指湖泊出流,下同),湖对江的影响可细分为3种[6]:①湖对江产生顶托作用;②湖对江产生消落作用;③湖对江既不产生顶托作用也不产生消落作用㊂参考已有研究[18-19],以无支流顶托时干流河段水位差为基准,构造支流对干流的顶托强度指数(α)如式(1):100㊀水科学进展第35卷㊀α=ΔZ0ΔZ S(1)式中:ΔZ S㊁ΔZ0分别为实际水位差和无顶托水位差㊂当实际水位差大于无顶托水位差时,湖对江起消落作用,α<1;当实际水位差小于无顶托水位差时,湖对江有顶托作用,α>1;当实际水位差近似等于无顶托水位差时,湖对江既无顶托也无消落作用,αʈ1㊂顶托强度指数确定的难点在于无顶托水位差的计算㊂无顶托水位差通过干流河道在不受支流顶托影响时上㊁下断面水位做差求得㊂考虑到交汇区下游河道为单一河段,多年水位 流量单值性关系较为稳定(如螺山站[20]㊁八里江站[21]水位 流量关系),下断面水位根据实测干支合流量与交汇口水位的水位 流量关系进行确定[12](图2(a),以三峡水库蓄水前1999年㊁蓄水后2012年为例),以干流实际来流量代替合流量确定无支流顶托时下断面水位;由于受顶托影响,交汇口上游干流河段水位 流量关系分散,不受支流顶托作用影响的上断面水位可通过反推落差指数法[22]求解㊂落差指数法公式如式(2)所示,利用干流河段实测资料推求落差指数(β)和校正流量(q)与水位(Z)的单值关系(图2(b),Z=g(q)),综合考虑到两湖干支流联合分布情况并多次试算,以枯水期(本文以长江干流汛枯期划分时段为准,即汛期5 10月,枯水期11月至次年4月)支流来流小于1500m3/s时干流河段水位差作为均匀流水位差(Z L),以实际流量(Q S)作为落差指数法中的q反求单值化流量(Q m),代入式(3)即可求得不受支流顶托作用影响的上断面水位(Zᶄ)㊂Z=g(q)=g Q mZβL()(2)Zᶄ=g(Q S ZβL)(3)图2㊀典型年条件下两湖交汇口下段㊁干流上段水位 流量关系Fig.2Water level-flow relationship of the lower reach of the confluence of the two lakes and the upper reachof the main stream under typical annual conditions2.2㊀两湖对长江干流的顶托作用根据三峡水库蓄水前(1990 2002年)及蓄水后(2003 2018年)江湖交汇区测站实测资料,利用式(1)统计蓄水前㊁后两湖不同分级顶托强度的频率变化见图3㊂由图3可知,从两湖顶托强度指数分布对比来看,洞庭湖顶托强度指数分布较鄱阳湖右偏,说明其对长江的顶托作用更强;从蓄水前后变化来看,两湖蓄水后的顶托强度指数分布变化均表现为峰度提升㊁坦度降低,但鄱阳湖蓄水后顶托强度指数累积分布曲线显著上移,洞庭湖蓄水后顶托强度指数累积分布曲线变化较小㊂以顶托强度指数的平均值代表两湖顶托强度的整体变化,三峡水库蓄水后较蓄水前,洞庭湖顶托强度变化不大,增幅仅为0.9%;鄱阳湖顶托强度有较明㊀第1期杨春瑞,等:长江中游通江湖泊对干流顶托作用变化规律101㊀显减弱,减幅约为13%㊂计算1990 2018年两湖年均顶托强度指数变化并通过M-K趋势检验方法检验其变化趋势(图4(b)),其中UF代表顶托指数随时间变化的统计序列,其绝对值大于显著性水平时表明具有显著的单调性变化趋势,正为增加趋势,负为减小趋势;UB为UF的逆序统计量,二者交点为序列趋势突变的发生时间㊂洞庭湖顶托强度指数的UF值小于0但远离0.1显著水平,年均顶托强度指数随时间变化系数仅为0.0011(图4(a)),同样说明蓄水后洞庭湖对长江的顶托强度变化不大;鄱阳湖顶托强度指数的UF值在蓄水后小于0且在三峡水库蓄水后大于0.1显著水平,年均顶托强度指数随时间变化系数为-0.0089(图4(a)),说明蓄水后鄱阳湖对长江的顶托作用具有较为明显的减弱㊂图3㊀三峡水库蓄水前后两湖顶托强度分布曲线Fig.3Distribution curves of jacking strength before and after Three Gorges Reservoir(TGR)图4㊀三峡水库蓄水前后两湖年平均顶托强度指数及M-K趋势分析Fig.4Annual average jacking strength and M-K trend analysis before and after TGR of Dongting and Poyang lakes 进一步分析三峡水库蓄水前后两湖顶托强度指数年内变化见图5,由图可知:①无论三峡水库蓄水前还是蓄水后,两湖对长江的顶托强度在年内均表现为先增强后减弱,在长江汛前时段(4 6月)顶托强度达到最强,而后逐渐减弱,不同的是洞庭湖顶托强度在12月份最弱,而鄱阳湖在汛期7 8月份最弱,甚至表现为消落作用,这是因为7 8月长江洪水流量大幅增加,水流动量巨大,鄱阳湖出流动量难以对抗长江下泄水流动量,甚至发生江水倒灌入湖现象[5],此时鄱阳湖出流被动表现为对长江具有消落作用㊂②两湖顶托强度指数的年内分布变化在三峡水库蓄水前后具有较明显不同,洞庭湖月均顶托强度最强时段在蓄水后由4月后延至6月且强度略有减弱,汛期7 10月顶托强度变化不大,枯水期同样变化不大,略有增强;鄱阳湖月均顶托强度最强时段在蓄水后由3月延后至5月且减弱明显,枯水期则变化不明显㊂102㊀水科学进展第35卷㊀图5㊀三峡水库蓄水前后两湖顶托强度指数年内变化Fig.5Yearly variation of jacking strength before and after TGR of Dongting and Poyang lakes3 两湖顶托强度影响因素分析影响干支流相互顶托强度的因素主要有汇流比[13]㊁交汇区河势(汇流角)[23]及干支流地形调整[10](干支流河床高程差)㊂从两湖交汇区岸线及深泓平面变化(图6)来看,三峡水库蓄水前后,洞庭湖交汇区干支流岸线基本保持稳定[24],局部洲滩有淤长和崩退现象,主要集中于交汇口上段七姓洲及交汇口下段左岸附近,干流河道深泓线在平面上局部向左有小幅摆动,但洞庭湖入江水道河道深泓平面摆动幅度很小,汇流点位置变化不大;鄱阳湖交汇区干流与入江水道整体河势稳定,岸线㊁深泓平面摆动幅度及汇流点位置变化也很小㊂因此,可以认为三峡水库蓄水前后河势变化对顶托关系变化的影响较小,不是造成两湖蓄水后较蓄水前对干流顶托强度变化的主要因素㊂图6㊀两湖交汇区岸线及深泓变化Fig.6Shoreline and depth variation of the confluence area of Dongting and Poyang lakes支流对干流的顶托强度变化受干支流汇流比的影响明显[25],相同干流条件下,支流流量越大,对干流的顶托强度越强㊂汇流比变化取决于干㊁支流量分布变化,取监利(九江)河段平滩流量为汛期大流量(监利河段平滩流量约为20000m3/s㊁九江河段约为40000m3/s[26-27]),汛期小于平滩流量且大于长江干流汛期前(4月)㊁后(11月)监利(九江)河段平均流量范围内的流量为中小流量(监利河段为10000~20000m3/s㊁㊀第1期杨春瑞,等:长江中游通江湖泊对干流顶托作用变化规律103㊀九江河段为18000~40000m 3/s),分析三峡水库蓄水前后汛期两湖出流量在不同干流来流条件下的分布情况如图7所示㊂受流域降雨变化㊁三峡水库及两湖水系水库调蓄的影响,蓄水前后相比较,长江干流与两湖出流的相遇关系发生了明显变化,蓄水后汛期干流大流量时两湖出流分布均明显左偏,而中小流量时两湖出流分布则无显著变化;根据前文分析,汛期鄱阳湖顶托强度具有较明显的减弱,而洞庭湖汛期没有明显变化,表明除汇流比变化外,干支流河床地形调整等因素也在蓄水前后两湖顶托关系变化中发挥着作用㊂为进一步剖析干支流来流分布变化以及地形调整对两湖顶托作用的影响,这里引入了Copula 函数开展分析㊂图7㊀两湖出流量在三峡水库蓄水前后的分布变化Fig.7Distribution changes in outflow before and after TGR of Dongting and Poyang lakes 3.1㊀Copula 函数构造3.1.1㊀干支流来流的Copula 联合分布函数根据推广的卷积公式[28-30],假设干流流量为X ,分布函数为F 1(X ),密度函数为f 1(X );支流流量为Y ,分布函数为F 2(Y ),密度函数为f 2(Y )㊂将干支流来流分布作为研究变量构建Copula 函数拟合其联合分布,分析干支流来流分布对汇流比的影响,其联合分布函数为F (X ,Y )=C (u ,v ,θ)u =F 1(X )=ʏX max X min f (x )d x v =F 2(Y )=ʏY max Y minf (y )d y ìîíïïïïï(4)式中:F (X ,Y )为干流X ㊁支流Y 的二元联合分布函数;u ㊁v 服从[0,1]的均匀分布;θ为Copula 函数参数,可根据X ㊁Y 变量的秩相关系数计算;X max ㊁X min ㊁Y max ㊁Y min 分别为干流和支流流量序列的最大值和最小值㊂定义汇流比为支流流量与干流流量之比(R =Y /X ),根据Copula 函数定义,带入干㊁支流联合分布函数和密度函数,可得汇流比的分布函数G (R )为104㊀水科学进展第35卷㊀G (R )=ʏX max X min g (X ,R )d x =ʏX max X min c (u ,v ,θ)f 1(X )f 2(RX )d x (5)式中:c (u ,v ,θ)为C (u ,v ,θ)的核密度函数㊂计算不同类型Copula 函数拟合干㊁支流联合分布的欧式平方距离进行拟合优度对比,综合比选后在洞庭湖交汇区使用Frank Copula 函数㊁鄱阳湖交汇区使用Clayton Copula 函数拟合干支流来流联合分布㊂根据式(5)以洞庭湖蓄水前后干支流边缘分布和联合分布Copula 函数拟合洞庭湖蓄水前后汇流比分布,并与两湖实际汇流比分布对比如图8所示,可见实际密度分布与拟合密度分布的分布形态基本一致㊂图8㊀实际与计算条件下三峡水库蓄水前后两湖汇流比密度分布Fig.8Actual and calculated specific density distribution of confluence ratio of the two lakes before and after TGR 3.1.2㊀顶托强度与汇流比的Copula 联合分布函数同样的,构造蓄水前后两湖与长江干支流汇流比与顶托强度指数的Copula 函数如式(6):H (R ,α)=C (u ,v ,θ)u =H 1(R )v =H 2(α){(6)经过试算,Gumbel Copula 函数拟合汇流比与顶托强度联合分布的拟合优度最佳㊂3.2㊀汇流比变化影响将三峡水库蓄水前后两湖交汇区干支流的流量分布进行重新搭配如表1所示,以式(5)计算其联合分布,分析蓄水后干支流流量分布变化对汇流比变化的影响,结果见图9和表2㊂表1㊀汇流比计算分组方案Table 1Confluence ratio calculation grouping交汇区域方案编号变量干流支流θ模拟情境洞庭湖1蓄水前蓄水前蓄水前蓄水前干㊁支流组合2蓄水后蓄水后蓄水后蓄水后干㊁支流组合3蓄水后蓄水前蓄水后蓄水后干流+蓄水前支流4蓄水前蓄水后蓄水前蓄水前干流+蓄水后支流鄱阳湖5蓄水前蓄水前蓄水前蓄水前干㊁支流组合6蓄水后蓄水后蓄水后蓄水后干㊁支流组合7蓄水后蓄水前蓄水后蓄水后干流+蓄水前支流8蓄水前蓄水后蓄水前蓄水前干流+蓄水后支流㊀㊀由图9和表2可知:①对比方案1㊁方案2以及方案5㊁方案6,两湖汇流比分布在三峡水库蓄水后较㊀第1期杨春瑞,等:长江中游通江湖泊对干流顶托作用变化规律105㊀蓄水前均表现为左偏,峰度增大,离散系数减小,表明两湖汇流比分布变化在蓄水后更加集中㊁整体减小且对于干㊁支流流量分布变化的响应彼此相似㊂②对比干支流来流分布变化的影响来看,支流方面,相较于方案1,方案4汇流比分布左偏,峰度提升,以分布的均值代表分布的整体变化程度,则方案4较方案1汇流比减小约14.4%,方案5较方案8汇流比减小约13.1%;干流方面,方案3较方案1增大约6.1%,方案7较方案5增大约5.8%㊂表明蓄水后干流流量分布变化使汇流比向更分散㊁更大的方向发展,而支流流量分布变化促使汇流比向更集中㊁更小的方向发展,且支流流量分布变化对汇流比的影响程度大于干流流量分布变化的影响程度㊂图9㊀不同方案下计算汇流比分布Fig.9Distribution of calculated confluence ratio under different schemes表2㊀不同方案汇流比分布特征变化Table2Distribution characteristics change of confluence ratio in different schemes 参数方案1方案2方案3方案4方案5方案6方案7方案8平均值0.7000.6300.7330.5990.2140.2090.2290.186偏度0.8810.9080.839 1.004 1.359 1.934 1.316 1.472峰度0.4820.9340.275 1.240 2.6617.133 2.637 3.026离散系数0.5190.5130.5330.5150.5910.6600.5910.621㊀㊀由式(6)计算三峡水库蓄水前后两湖顶托强度指数与汇流比联合分布变化如图10所示,无论蓄水前后,汇流比与湖对江的顶托强度均具有较强的正相关关系,汇流比越大,湖对江顶托强度越强,反之,则顶托强度越弱㊂根据前文分析可知,由于两湖出流与长江干流分布变化引起的最终结果是使汇流比更小,因此蓄水前后相较,汇流比变化使湖对江的顶托强度向更弱的方向发展㊂3.3㊀干支流地形调整的影响统计三峡水库蓄水前后长江干流和两湖湖区年际冲淤变化见图11㊂由图11可知,三峡水库蓄水前,长江干流在宜昌 汉口河段表现为淤积,在汉口 大通河段表现为冲淤交替,两湖均表现为淤积;蓄水后,长江干流河段表现出明显冲刷,至2018年累计冲刷量已达7.5亿t左右,而洞庭湖区自2008年起才由淤转冲,至2018年累积冲刷量不足1亿t,鄱阳湖自2000年起就表现为冲刷,整体呈现南淤北冲的发展趋势,累积冲刷量仅0.4亿t左右,2016 2018年甚至出现小幅淤积㊂整体来说,三峡水库蓄水前后相比较,江湖河床冲淤特性发生明显变化,蓄水后长江干流的冲刷强度明显大于两湖㊂对于两湖江湖交汇区域,套绘两湖交汇区干支流河道典型断面如图12所示,断面位置见图6,由图12可见,天然情况下两湖与干流交汇区即存在干支流河床高程差,支流河床均高于干流河床㊂三峡水库蓄水后,洞庭湖入江水道断面冲淤变化幅度较小㊁略有冲刷,而长江干流河道断面存在较明显的冲刷,利12断面2018年较2001年在枯水河槽部分冲深可达5~7m,干支流河床高程差明显增大;鄱阳湖与干流交汇区段,尽管受人工采砂影响入江水道的部分断面在106㊀水科学进展第35卷㊀图10㊀三峡水库蓄水前后顶托强度指数与汇流比联合分布Fig.10Joint distribution of jacking strength and confluence ratio before and after TGR图11㊀江(宜昌 汉口㊁汉口 大通)湖(洞庭湖㊁鄱阳湖)河床冲淤变化Fig.11Changes in scouring and siltation of river(Yichang Hankou&Hankou Datong)and lake(Dongting&Poyang) 2010年前呈现冲刷状态,局部冲刷下切幅度可达4~5m,但2010年后由于人工采砂活动受控,入江水道下切得到明显遏制,2015 2020年期间甚至有所回淤㊂交汇区干流河道在蓄水后同样有明显的冲刷,以ZJR07为例,2016年时,断面较2001年冲刷幅度就已经达到5~8m,冲刷幅度略大于入江水道,因此其干支流河床高程差在蓄水后仍略有增加㊂整体来看,两湖与干流交汇区在三峡水库蓄水后由于江㊁湖河道冲刷强度的㊀第1期杨春瑞,等:长江中游通江湖泊对干流顶托作用变化规律107㊀差异,干支流河床高程差总体呈现增大趋势,但洞庭湖与干流交汇处干支流河床高差增大程度明显大于鄱阳湖处,由此导致该因素对两湖顶托强度的影响程度会有所不同㊂图12㊀两湖交汇区典型断面冲淤变化Fig.12Changes in scouring and siltation of typical cross sections in the confluence area of Dongting and Poyang lakes根据图10,以两湖汇流比分别取蓄水前后均值条件下顶托强度指数的变化代表两湖相同汇流比条件下顶托强度的整体变化,分析干支流地形调整因素对两湖顶托强度的影响,见图13㊂由图13可知:①洞庭湖方面,汇流比为平均值0.69条件下,蓄水后顶托强度指数密度分布的峰值增大,峰值对应顶托强度指数由1.06升至1.12,增强约6%;鄱阳湖方面,汇流比为平均值0.21条件下,蓄水后顶托强度指数密度分布峰值对应顶托强度指数由1.05升至1.06,增强幅度约为0.9%㊂②在汇流比一致的前提下,两湖蓄水前后顶托强度的差异可能主要由干支流地形调整所导致,也即干支流河床高差变化的不同所致㊂洞庭湖与鄱阳湖相比,由于洞庭湖出口处干支流河床高程差增大更多,且长江干流在此处的来流相对较小,湖泊出流对干流的顶托增强效应相对更大㊂从能量角度来看,干支流河床高程差增大时,支流入汇后能够转化更多重力势能去抵消干流水流的能量,对干流的顶托强度更强㊂干流来流越大,其水流携带动能越大,越容易抵消干支流高差变化引起的能量损失,即随着流量的增大,干支流河床高差的影响会相对减弱㊂图13㊀平均汇流比条件下三峡水库蓄水前后顶托强度指数分布Fig.13Distribution of jacking strength before and after TGR under the condition of average confluence ratio108㊀水科学进展第35卷㊀3.4㊀干支流来流分布与地形调整的综合影响以联合分布中各汇流比条件下顶托强度指数分布的均值表征该汇流比条件下的平均顶托强度,点绘三峡水库蓄水前后两湖汇流比与平均顶托强度之间的关系,见图14㊂由图14可知:①两湖汇流比与顶托强度呈线性正相关,两湖之间线性相关系数的差异反映了两湖顶托强度对汇流比变化的敏感性,鄱阳湖顶托强度对汇流比变化更敏感,洞庭湖顶托强度对汇流比变化敏感性稍弱㊂②同一湖泊在三峡水库蓄水前后汇流比与顶托强度指数线性关系斜率的差异体现了交汇口处干支流河床高程差变化给两湖顶托带来的影响,洞庭湖交汇口处干支流河床高程差增幅较大,斜率变化幅度较大,鄱阳湖交汇口处干支流河床高程差增幅较小,斜率变化幅度小,说明干支流河床调整因素对洞庭湖顶托强度的影响大于对鄱阳湖顶托强度的影响㊂根据表2不同方案汇流比计算结果,以各方案计算得到的汇流比分布均值为代表,取两湖蓄水前后汇流比与顶托强度关系的均值线性关系的斜率及截距,分析干支流来流分布变化对两湖顶托强度的综合影响,并与干支流地形调整因素影响程度进行比较,如表3所示㊂由表3可知,干支流来流分布变化引起的汇流比变化均具有减弱两湖顶托的作用,但干支流地形调整对两湖顶托具有增强作用㊂对洞庭湖而言,地形调整的影响(+6%)与汇流比变化的影响(-5.11%)相抵甚至还有所富余;对鄱阳湖而言,干支流河床高程差增幅较小,其影响较弱(+0.9%),无法抵消汇流比变化的影响(-13.45%),因此,最终表现为蓄水前后洞庭湖顶托强度变化不大而鄱阳湖顶托强度显著减小㊂图14㊀汇流比与平均顶托强度指数关系Fig.14Relation between confluence ratio and jacking strength表3㊀各因素变化对顶托强度影响Table3Effect of various factors on jacking strength单位:%影响因素洞庭湖鄱阳湖ΔRΔαΔRΔα汇流干流 6.10 4.16 5.8012.01比影支流-14.40-9.27-13.10-25.46响合计-8.30-5.11-7.30-13.45地形影响- 6.00-0.90注:ΔR为汇流比变幅;Δα为对干流顶托强度变幅㊂4㊀结㊀㊀论本文通过构造顶托强度指数,评价了洞庭湖和鄱阳湖出流在三峡水库蓄水前后对干流顶托强度的变化,利用Copula函数分别拟合了干支流来流㊁汇流比与顶托强度指数的联合分布,分析了干支流来流分布变化及地形调整等因素对顶托强度的影响及其贡献㊂主要结论如下:(1)与蓄水前相比,三峡水库蓄水后,汛期洞庭湖出流对干流的顶托强度变化不大,鄱阳湖出流对干流的顶托强度明显减弱;枯水期洞庭湖出流对干流的顶托强度略有增强,鄱阳湖出流对干流的顶托强度变化不大㊂(2)三峡水库蓄水后,长江干流来流分布变化使汇流比更大,支流分布变化使汇流比更小,但支流的影响大于干流㊂三峡水库蓄水后干支流来流分布变化整体使得两湖顶托强度减弱,洞庭湖㊁鄱阳湖平均顶托强度分别减小约5.11%㊁13.45%㊂(3)三峡水库蓄水后两湖交汇河段干支流河床高程差增大,有助于增大两湖出流对长江干流的顶托作。
