鄱阳湖换水周期与示踪剂传输时间特征的数值模拟

在复杂湖泊水动力环境作用下,换水周期和传输时间变化直接影响着污染物的迁移和转化.本文运用数值模拟方法,定量研究了季节水情动态下鄱阳湖换水周期和示踪剂传输时间的空间分布.结果表明,不同季节下鄱阳湖换水周期均具有较高的空间异质性,贯穿整个湖区的主河道换水周期约10 d,大多湖湾区的换水周期则长达300多天.尽管不同季节下换水周期空间分布格局几乎相似,但受鄱阳湖水动力场的季节变化影响,夏、秋季的换水周期要明显大于春、冬季.基于换水周期频率分布曲线的统计表明,80%的鄱阳湖区的换水周期约30 d,其余湖区换水周期为几十天至几百天,表明鄱阳湖应该更加确切地描述为一个快速换水和慢速换水同时共存的湖泊系统.鄱阳湖示踪剂传输时间介于4~32 d,夏、秋季的传输时间(11~32 d)约为春、冬季(4~8 d)的4倍,主要与鄱阳湖季节性水情特征及示踪剂的迁移路径有关.本文所获取的换水周期和示踪剂传输时间的时空分布信息可为今后鄱阳湖水质、水环境和生态系统管理和维护等方面提供重要科学参考.     

洪泛湿地系统地表水与地下水转化研究进展综述

洪泛湿地地表水(SW)与地下水(GW)转化关系研究对综合管理湿地水资源具有重要的理论和实践意义。通过洪泛湿地SW-GW转化研究进展的综述,可深入了解国内外SW-GW转化研究的发展过程,有利于把握国际研究的主流趋势,系统掌握该方面研究的前沿手段。总结得出,洪泛湿地是我国诸多生态系统中特色突出的水文系统,其独特的水文变化及洪水脉冲的周期性扰动,使得SW-GW转化的动力学过程促进了洪泛湿地环境系统之间物质、能量和信息的传递与交换,驱动了湿地演变、物质元素循环和生物生长等生态功能的实现。分析认为,洪泛湿地的开放性和复杂性等特点决定了多学科交叉理论与方法成为SW-GW转化研究的流行手段和创新的基本思路。从学科发展趋势和应用需求的角度出发,应结合洪泛湿地多源数据信息与SW-GW耦合数值模型,深入揭示洪泛湿地SW-GW转化的动力学过程及对洪水脉冲变化的响应机制,这既是一个基础性工作,也是一个具有前瞻性的研究,将为湿地水资源、水环境等综合管理与调控提供科学依据,对诠释湿地生态效应内涵具有重要意义。     

鄱阳湖洪泛区碟形湖域与地下水转化关系分析

湖水-地下水转化关系研究对水资源调节与分配具有重要理论和实践意义。以鄱阳湖洪泛区碟形湖域(蚌湖和沙湖)及其洲滩为研究对象,利用水文学、热力学和水动力学方法来综合分析碟形湖-地下水转化关系与交换通量。研究发现,碟形湖与洲滩地下水的水位变化过程呈明显季节动态性,两者水位变化在春夏季节基本保持同步,而秋冬季节地下水位变幅要明显大于碟形湖水位变化,两者水位差约1~6m;碟形湖与洲滩地下水的水温变化范围分别为3-30℃和15~18℃,两者在春夏季节水温差异可达14℃,秋冬季节可达20℃;应用VFLUX 2模型与地下水达西定律,发现碟形湖-地下水之间的垂向交换在季节尺度上存在相互转化,两种方法估算结果在量级上比较吻合,碟形湖-地下水交换通量约8.6~43.2cm/d。     

考虑水体面积变化的鄱阳湖平原区地表-地下水相互作用模拟

湖泊的水情变化会影响其与地下水之间的物理水文过程和生态行为,鄱阳湖独特的“河湖相”转换特征使得该地区地表-地下水交换过程更加复杂。采用Visual MODFLOW构建三维非稳定流地下水流数值模型,利用LAK3子程序模块,通过输入五河入湖以及鄱阳湖流入长江的水量,实现湖水面积的动态模拟。结果表明,2019年湖水位模拟值与实测值的均方根误差为0.225 m,地下水水位模拟值与实测值的均方根误差为0.571 m;模型模拟鄱阳湖水面积环比变幅-41%～83%,与遥感影像结论吻合。该模型减少了湖泊作为边界条件的约束,可以有效刻画鄱阳湖频繁变化的湖水位和水体面积,准确模拟地下水流场和地表-地下水相互作用关系对湖泊水体高度动态变化的响应。枯水期主要由地下水补给湖水,交换量为2.03×107～10.58×107 m3/mon;丰水期湖水补给地下水,交换量为2.04×107～16.53×107 m3/mon,湖区及周边地下水水位相比枯水期平均抬升2～3 m,地下水由湖区流向周边地区。本研究为地表水体剧烈变化地区提供了有效的数值模拟方法,研究结果可为鄱阳湖平原区未来水资源管理和环境评价提供基础。     

鄱阳湖湿地典型植物群落沿高程分布特征

鄱阳湖湿地植物群落沿高程呈现不规则的带状分异。利用遥感解译数据和数字高程模型,采用高斯回归方法,分析鄱阳湖湿地3种典型植物群落在全湖的分布特征及其在不同湖区的分布差异。结果表明,从全湖范围来看,茵陈蒿(Artemisia capillaris)—狗牙根(Cynodon dactylon)群落、芦苇(Phragmites australis)—南荻(Triarrhena lutarioriparia)群落、薹草(Carex spp.)—虉草(Phalaris arundinacea)群落分布的最适高程分别为14.3 m、13.2 m、12.5 m,依次降低;茵陈蒿—狗牙根群落的生态幅宽大于其它两种群落;与前人研究结果相比,3种群落的分布都有向低处延伸的趋向。从典型湖区的比较来看,3种群落在南矶湿地国家级自然保护区的分布高程都大于在鄱阳湖国家自然保护区的分布高程,高程差接近1 m。通过比较康山和都昌水文站的日平均水位发现,不同群落分布的高程差异及同一群落在不同湖区的分布差异与水文条件密切相关。本研究结果有助于认识大型湖泊湿地植物分布特征动态,对维护鄱阳湖湿地生态系统功能,降低区域生态灾害风险具有重要意义。     

鄱阳湖湖泊流域系统水文水动力联合模拟

本文以鄱阳湖湖泊流域系统为研究对象,鉴于该湖泊流域系统尺度较大,下垫面自然属性呈现高度空间异质性且具有流域-平原区-湖泊不同机制的水文水动力过程,为了真实描述湖泊流域间的水文水动力联系及反映不同过程间的作用机制,构建了鄱阳湖湖泊流域联合模拟模型.该模型基于自主研发的流域分布式水文模型WATLAC和湖滨平原区产流模型以及水动力模型MIKE 21 3个不同功能子模型的连接来实现该复杂系统的模拟.模型的联合采用输入-输出驱动及子模型的顺序执行进程,即将五大子流域与平原区入湖径流量作为输入条件来驱动湖泊水动力模型,模拟湖泊水位对流域入湖径流量的响应.以2000-2005年鄱阳湖流域6个水文站点的河道径流量、流域基流指数以及湖泊4个站点的水位资料来率定模型,其中各站点日径流量拟合的纳希效率系数E_ns为0.71~0.84,确定性系数R²介于0.70~0.88之间,而湖泊各站点水位拟合的纳希效率系数E_ns变化为0.88~0.98,确定性系数R²为0.96~0.98,均取得令人满意的率定结果.本文提出的鄱阳湖湖泊流域系统水文水动力联合模拟模型能较为理想再现湖泊水位对流域降雨-径流过程的响应.水位模拟结果进一步表明,该联合模型能用来获取重要的水动力空间变化特征.该模型可作为有效工具定量揭示湖泊流域系统水文水动力过程对气候变化和流域人类活动的响应.     

北京市通州区地面沉降特征与影响因素研究

受社会经济快速发展和城市规模迅速扩张,地面沉降已成为我国不少城市所面临的重要问题,严重威胁区域经济、环境和社会的协调发展.本文以北京市通州区为案例,基于2014～ 2018年43景Sentinel-1A/B降轨数据,利用PS-InSAR技术,结合高精度GPS数据,开展了通州地区地面沉降特征及其影响因素研究,可为城市规划...     

鄱阳湖洪泛区碟形湖湿地系统地表—地下水交互作用

洪泛系统具有复杂动态的水文环境,在季节性洪水脉冲影响下,地表-地下水交互转化对洪泛区水循环和生态环境保护等方面具有重要意义.本文采用野外试验、统计分析和达西定律等研究方法,开展了鄱阳湖洪泛区碟形湖湿地系统(河流-洲滩湿地-碟形湖)地表-地下水文学特征、相互作用和交换通量研究.数据资料显示,在地形地貌影响下,研究区洲滩地下水位明显低于碟形湖水位,但总体上略高于周边河流水位,统计结果进一步表明,在控制洪泛湿地的地下水动态方面,河流水文情势变化对地下水的影响作用要强于碟形湖水文变化.就河流-地下水转化关系而言,研究区湿地系统的地下水与周边河流水体之间存在动态转化关系,地下水对河流的补给通量以及河流对地下水的补给通量分别约为0.4和0.2 m/d.就湖泊-地下水转化关系而言,碟形湖一般来说补给周边滩地的地下水系统,但两者之间的交换通量基本小于0.1 m/d.在年尺度上,研究区地表-地下水之间的累积交换通量变化约介于7.5~48.2 m/a,其中河流-地下水的累积交换通量约是碟形湖-地下水的4~7倍,且秋、冬季的累积交换通量要明显大于春、夏季.本文研究结果可为洪泛区河湖系统的水资源联合管理、水环境整治和生态环境保护等方面提供科学支撑.     

长江倒灌对鄱阳湖水文水动力影响的数值模拟

倒灌是发生在湖泊与周围水体交汇处的一个重要物理过程,对湖泊水文水动力与水环境带来严重影响或干扰,进而对湖泊水质产生重要的影响或控制作用.本文采用统计方法和二维水动力-粒子示踪耦合模型来分析倒灌物理成因、倒灌发生判别与指示以及倒灌对鄱阳湖水文水动力的影响.统计表明,流域"五河"入湖径流、长江干流径流情势以及两者叠加作用均是倒灌的影响因素,但长江干流径流情势是影响或者控制倒灌频次与倒灌强度的主要因素."五河"来水与长江干流的流量比可用来判别与指示倒灌发生与否.当流量比低于约5%时,倒灌可能发生且最大发生概率可达25%;当流量比高于10%时,倒灌发生概率则低于2%.水动力模拟结果表明,倒灌对湖区水位与流速的影响向湖区中上游逐渐减弱,湖泊水位和流速受影响最为显著的区域主要分布在贯穿整个湖区的主河道,而浅水洪泛区的水位和流速则受倒灌影响相对较小.倒灌使得湖泊空间水位提高约0.2~1.5 m,湖泊主河道的流速增加幅度可达0.3 m/s.粒子示踪结果表明,倒灌导致湖区水流流向转变约90°~180°,倒灌导致的水流流向变化能够使湖区大部分粒子或物质向上游迁移约几千米至20 km,且粒子在下游主河道的迁移距离要明显大于中上游洪泛区.     

鄱阳湖拟建水利枢纽工程对洪泛区地下水动力的影响及其生态意义

洪泛湿地是位于水生系统和陆生系统之间的过渡带,在河流和陆地之间的水文生态方面起着纽带作用,受气候变化和人类活动的叠加影响,其水文过程改变很大程度上影响了湿地生态系统循环、结构和功能的稳定。本文以鄱阳湖洪泛区湿地为研究区,应用湖泊水动力和洪泛区地下水数值模型,评估鄱阳湖拟建水利枢纽工程对洪泛区地下水系统的影响。模拟结果表明,拟建水利枢纽工程将会遵循调度方案使得湖泊水位明显提高,但同时导致洪泛区地下水位的整体抬升,且东部主湖区附近的地下水位受到的影响（约1～3 m）要明显强于洪泛区其它区域（约小于1 m）。地下水位的变化同时导致不同典型时期洪泛区地下水流速的减小及地下水流向的改变,表现为枢纽建设后地下水流向的逆转和流速基本小于0.1 m/d。鄱阳湖涨水-丰水期总体为湖水补给洪泛区地下水模式,枯水-退水期主要为地下水补给湖水模式,但水利枢纽可能导致洪泛区地下水系统水均衡状态发生转变,影响了地下水系统的补给和排泄状态,最终形成了长期稳定的湖泊补给地下水的作用模式。从地下水-生态系统响应变化的角度分析,拟建水利枢纽建设引起的地下水位上升,可能会给湿地生物地球化学元素的迁移转化、植被群落的演变与退...