长江中游通江湖泊江湖关系演变及环境生态效应与调控

江湖水系重大工程一体化调度与健康江湖关系维护对策 长江中游 水安全 历史变化过程 及驱动机制 江湖水系水安全与优化调控系统江湖关系健康评价指标与标准 通江湖泊江湖关系 (水沙交换：过程与通量)江湖水沙交换相互作用机理 三峡工程蓄水 运行影响 江湖水文水动力效应： 水位、水量、流场； 极端干旱和洪水事件 氮磷过程、水环境容量、富营养化、 蓝藻水华湖泊水环境效应： 浮游生物、底栖生物、沉水植被；洲滩植被、候鸟栖息地生境湖泊水生态效应： 图1 总体思路

（二）技术途径和方法

采用小波分析、主成分分析、统计模型等统计学方法分析长序列观测数据，揭示江湖关系的历史变化过程及驱动机制，评估历史重大江湖整治与利用工程对江湖关系影响的利弊；通过气象、水文、水质、生态多要素联合观测、结合室内实验试验和数据分析，构建长江干流一维、湖泊二维和江湖一体耦合水沙耦合数学模型，模拟长江干流和湖泊泥沙运移及其河床与湖盆地形变化，量化三峡工程的影响；通过野外现场水文、水质、生态多要素同步联合观测，分析过程间相互作用关系及机理，构建江湖系统水文水动力模型、湖泊水动力水质模型以及洲滩湿地水文生态模型等，模拟分析江湖关系变化的湖泊水文水动力效应及其对湖泊水环境和水生态的影响；通过建立江湖两利的江湖关系健康评价指标体系和重大水利工程一体化调度模型，集成水文水动力、水环境模型等，构建湖泊水安全预测预警和江湖关系优化调控系统，通过情景模拟，提出以江湖水系水安全为目标的江湖水系重大水利工程一体化优化调度方案和健康江湖关系维护对策建议。拟采用的技术途径和方法见图2。

基础数据与背景资料 河道与湖盆水下地形 气象水文数据 泥沙通量数据 湖泊围垦、退田还湖 水利工程实况调度 水生生物、生态数据 分析方法与模拟模型江湖关系演变 过程与机制 重大水利工程 对江湖关系的影响 江湖关系变化的水文、水环境和水生态效应 小波分析、主成分分析和统计模型 干流一维水沙模型 湖泊二维水沙模型 三维紊流泥沙模型 江湖一体水沙模型 湖泊水文水动力模型 湖泊水质模型 湖泊富营养化模型 洲滩水文生态模型 野外观测与室内模拟实验 江湖分汇河段原型水沙观测 湖泊水文水动力观测 湖泊水质监测与原位试验 湖泊水生生物量与结构观测 典型洲滩剖面与生物样方观测 江湖典型汇流区物理模型试验 水生植物对水位梯度响应实验 湖泊生态水文响应模型江湖关系优化调控 原理与对策 水库群联合调度模型 湖水位与来水量关系模型情景预测 水库群联合调度 出入湖水量调控 图2 技术路线 技术途径和方法各主要环节分述如下。 1、研究区域的选取

长江中游江、河、湖水系交织，形成了水力和生态联系错综复杂的大型江湖系统。汇聚流域四水、五河来水来沙且自然通江的洞庭湖和鄱阳湖，与长江形成复杂的水沙交换关系，影响着长江中下游河道和湖泊地貌演变与水文水动力条件变化，进而影响湖泊水环境与水生态。本项目研究拟选取长江中下游干流宜昌－大通江段、荆江三口分流河道、洞庭湖、鄱阳湖以及洞庭湖四水和鄱阳湖五河尾闾河道组成的大型江河湖系统为研究区域；选取长江干流重点河段、江湖分流和汇合河段和洞庭湖、鄱阳湖作为水文、水动力和泥沙运移的重点研究区；选择两湖典型湖区和洲滩湿地作为水环境和水生态效应重点研究区。

2、主要技术途径

1）江湖关系的演变过程与机制研究

根据历史地形图和遥感等资料，厘清不同时期的江湖水系格局；采用长江上中游和两湖流域主要控制站点的历史水文、气象资料，分析江湖水情的现状特征及历史变化过程，说明江湖水情的相互作用关系；针对引起江湖关系变化的重要事件，选择适当的水文指标表征其影响程度和影响过程，分析自然和人为因素驱

动下的江湖关系变化的过程与驱动机制；根据不同时期河道湖泊地形地貌资料，结合洲滩沉积物分析，阐明河湖地貌形态的时空变化规律；采用泥沙观测数据，计算不同区段的沙量平衡，分析长江中游江湖地貌演变规律；在上述工作的基础上，分析三口及江湖汇流口河势变化，采用江湖交互区域水文站点水沙观测资料，结合水沙通量观测试验，分析江湖水沙交换的特性及变化过程与变化机理。

2）三峡工程对江湖分汇河段水沙运动和交换的影响研究

针对研究区，获取原型水动力和泥沙资料，结合物理模型试验，研究长江中游干流、通江湖泊和江湖分流和交汇河段的水动力和泥沙输移特征，获取水动力和泥沙运动的关键过程参数；构建江、湖及交汇区水动力和泥沙输移模型，研究三峡工程不同调度方式对长江干流河床演变、江湖交汇河段蓄泄关系和湖泊泥沙冲淤变化的影响；考虑到长江中游江湖交互作用强烈，江、湖分块模拟的模型方法不能体现江湖之间的互动关系，为此，采用江湖一体的耦合模型方法，在已有的江湖一维、二维耦合水动力模型研究基础上，结合水沙作用机理研究，突破非均匀沙不平衡输沙、河网水沙分流等计算难题，构建长江中下游宜昌至大通段江湖一体的一维、二维耦合的水动力和泥沙数学模型。针对典型水文年，计算三峡工程不同调度方式对荆江三口分流、洞庭湖与长江交汇口、鄱阳湖与长江交汇口的水沙交换通量的定量影响，并采用典型水沙系列资料预测三峡工程对江湖水沙交换的长期影响。

3）江湖关系变化的湖泊水文、水环境水生态效应研究

在水文方面，采用历史资料和现场监测资料，运用水文统计和数值模拟相结合的方法，研究江湖关系改变下的各种水文水动力效应（三口分流比、湖泊冲淤、蓄泄能力、江湖洪水组合效应、风涌水、定振波等）；分析确定江湖水沙交换通量变化对荆江段、城汉河段以及湖口-大通江段主要控制站点的安全下泄流量；从江湖关系变化等角度探讨鄱阳湖和洞庭湖湖区近年干旱频发的原因、干旱发生时间和分布特征，还原计算典型江湖洪水事件的关键水文变量和影响范围，定量区分江湖关系变化对极端水文事件影响的强度。

在水环境方面，以受江湖关系变化影响较大的湖泊入湖河口、重要湖区以及出湖湖口区等为重点区域，通过野外观测、试验和采样分析，建立湖泊污染物输移与分布格局与水文水动力因素之间的关系，分析江湖关系变化引起的水文水动力条件改变对出入湖污染物在湖泊内部输移的影响。在湖泊水环境容量影响机理

研究基础上，建立鄱阳湖和洞庭湖二维水动力水质耦合模型，分析预测江湖关系变化的水环境效应。针对水文、水动力、透明度、溶解氧以及氮磷生物有效性等受江湖关系变化影响较大的水体环境因子变化，研究其对藻类水华形成的影响机理，建立富营养化模型，研究和预测湖泊蓝藻水华发生的风险，确定水华发生的风险区和影响时段。

在水域生态方面，通过对通江湖泊浮游生物、底栖生物与沉水植被样品采集分析与典型区的定位监测，定量研究浮游生物与底栖生物种群结构及优势类群、沉水植被分布对变化水文情势的响应，揭示江湖关系变化对湖泊水域生态系统的影响。

在湖泊洲滩湿地生态方面，以洞庭湖与鄱阳湖典型湖区为重点研究区域，采用定位观测、控制实验与定量遥感解译相结合的方法，获取通江湖泊典型湿地水文、土壤、植被等地表过程关键参数，探明水文过程与植被群落及立地条件的相互关系，构建通江湖泊洲滩水文生态耦合模型，进而阐明湖泊水情动态对湿地生态系统生物地球化学循环过程与湿地植被格局的影响，揭示洲滩植被群落分布与种群演变对水情变化的响应与机制；选择候鸟保护区主要湿地类型，研究珍稀候鸟栖息地生境要素特征，探讨江湖关系变化对候鸟栖息地生境和候鸟分布的影响。

4）长江中游江湖关系优化调控的原理与对策

综合考虑长江中游江湖系统水安全和区域发展的要求，遴选江湖关系变化敏感因子，构建江湖关系健康评价指标体系，在机理研究基础上，结合野外观测、试验研究，界定湖泊环境需水、生态需水、生产生活需水和安全蓄水的临界水文水动力条件及其与江湖水沙交换的关系，明确健康评价标准；分析江湖关系对长江干流及湖泊流域重大水利工程建设、湖区调蓄水量变化等的响应机制，为江湖关系直接、间接和优化调控提供理论依据。以此为指导，建立以保障两湖水安全和维护江湖关系健康为目标的重大水利工程联合调度模型，研究长江中游江湖水系（长江干流及两湖入湖河道）重大水利工程一体化联合优化调度管理和健康江湖关系维护的对策建议。

3、具体方案

1）基础数据与资料收集