鄱阳湖湖泊流域系统水文水动力联合模拟研究

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鄱阳湖作为长江中下游极具代表性的淡水通江湖泊,在洪水调蓄、气候调节、水源涵养及生物栖息地保护等诸多方面发挥着重要作用。鄱阳湖与其流域及长江之间存在着密切的水力联系,三者之间的水量交换作用决定了其显著的季节性水情变化特征。受气候变化和人类活动的叠加影响,流域水资源时空分布和湖泊水量平衡发生变化,鄱阳湖洪旱灾害频发,诱发湖区生态与环境问题。尤其是,近年来鄱阳湖遭受持续低枯水位影响,严重威胁环湖区以及长江下游的水量安全。针对快速变化环境,研究鄱阳湖湖泊与流域相互作用关系,阐明湖泊水量变化的主要驱动过程,对深入认识湖泊干旱和洪水的发生机制,制定科学的湖泊流域水资源管理措施,具有重要的现实意义。  论文以大尺度复杂结构的鄱阳湖湖泊流域系统为研究对象,建立湖泊流域系统水文水动力联合模型并进行模型的率定与验证,检验了模型的精度和有效性。运用该模型,以湖泊备受关注的洪枯事件为背景,聚焦湖泊-流域作用研究,定量模拟流域水库群调度与流域入汛时间变化对鄱阳湖水情的影响。论文的主要成果总结如下:  (1)本文采用输入-输出的外部耦合技术将流域WATLAC模型、平原区概念性降雨-径流模型及湖泊MIKE21水动力模型联合起来,实现鄱阳湖湖泊流域系统空间完整模拟的水文水动力联合模型,该联合模型能够表征流域-湖泊-长江之间的水力联系。结果表明,水文水动力模型在湖泊流域关键指标(河道径流量、湖泊水位与湖口出流量)及复杂水动力特性的模拟上(水面积与流速场),均取得较为理想的模拟效果。  (2)鄱阳湖流速的年内变化趋势呈:逐渐增加(1-4月份)-显著降低(4-6月份)-相对稳定(6-10月份)-迅速增加(10-12月份)的变化趋势。受流域高强度入流的影响,流速在4月份呈现出年内变化峰值(约0.75m/s)。然而流速的最低值(约0.1m/s)也并不是出现在湖水位最高季节,而是出现在湖泊受长江来水顶托作用的季节(约0.07m/s),足以表明最低流速出现时间依赖于长江倒灌的发生时间。枯水期湖泊呈“河相”特征,流速与水位变化呈正相关关系,而洪水期湖泊呈“湖相”特征,流速与水位变化呈负相关关系。  (3)湖泊的典型流速场分析结果表明,鄱阳湖枯水期呈“河流”特性,大部分水流限制在主河道中,流向与主河道走向基本一致并指向北部湖口方向,模拟流速可达0.5m/s;在水位上涨期,受流域五河汛期来水的影响,全湖区流速明显增大。除湖区洲滩流速变化呈现高度非稳定性,大部分水流沿着主河道从上游至下游湖口方向流动。湖区入江水道与滩地的流速均明显大于湖区中部和南部;鄱阳湖洪水期充分体现出“湖泊”特性,由于降低的空间水位梯度导致整个湖区流速明显降低且小于0.1m/s。该时期流速空间梯度主要表现为湖口通道处及五河河口处流速>湖泊中游地区>湖区上游大部分区域;退水期因湖泊-长江之间的水力梯度增大,湖水加快排泄,使得主河道流速相对加快,湖水逐渐归槽,水体面积逐渐减小。再则,长江倒灌作用改变了鄱阳湖的一般流场特征及流向,使得原本南-北方向的水流发生北-南的流向转变,且倒灌作用可影响至最上游约90km的康山及五河河口处。  (4)在长江正常来水条件下(多年平均意义),发挥流域水库群调度作用使星子与都昌水位最多提高0.6m,而棠荫和康山水位最大增幅约0.4m和0.2m。总体而言,湖区下游地区水位变化较上游地区更为显著和敏感。流域水库群的径流调蓄对枯水期平均水位的提高幅度约0.40-0.80m,对湖泊水位的贡献率约7%。若流域水库群发挥其最大程度的调度作用,能够使湖泊由当前的中度枯水缓解至一般枯水的等级水平。从全湖区平均水位意义而言,五河来水的贡献作用依次为:抚河、信江与饶河来水(贡献率约10.4%)>赣江(约9.4%)>修水来水(约3.1%)。  (5)在长江正常来水条件下(多年平均意义),流域五河入汛时间提前所致的流域-长江错峰时间的延长,使得湖泊低水位明显抬升。汛期提前10天,星子、都昌和棠荫水位增幅约10-20cm,但康山水位增幅基本小于10cm。汛期提前20天,星子、都昌与棠荫水位增幅约30-40cm,而康山水位增幅基本小于20cm。汛期提前30天,各站点水位增幅约60-70cm,但最上游康山水位增幅小于20cm。从平均水位来看,入汛时间的提前降低了洪水期的湖泊水位;流域入汛时间的推迟所导致的流域-长江错峰时间的缩短抬高了7-9月份的洪水位,特别是7月份(洪峰的叠加)的湖区平均水位增幅约10-20cm。总之,流域五河入汛时间的变化对湖泊枯水期水位的影响程度要大于对汛期高水位的影响程度,且湖泊中下游地区水位变化较上游湖区水位表现得更为显著。
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