长江中游通江湖泊江湖关系演变及环境生态效应与调控

系统收集与研究内容相关的历史资料，包括近60年来流域气象资料和长江中游主要水文控制站点的水文（泥沙）资料序列；不同代表时期长江干流河道、洞庭湖和鄱阳湖的水下地形；不同代表时期河道主要大断面资料；不同代表时期的地形图资料；覆盖研究区不同时期的航片、遥感影像资料；主要监测断面的水质历史监测数据；不同年代有关洞庭湖和鄱阳湖等湖泊物理、生物、生态方面科学研究调查和观测资料等。对数据进行初步的分析加工，并电子化、规范化。基于地理信息系统建立地理、气象、水文、水动力、水质、生物与生态资料数据库，以形成长江中游江湖关系研究的基础数据集。

2）野外观测

重点区域原型水沙观测。选择荆江段和对江湖关系影响较大的分汇河段（洞庭湖湖口、鄱阳湖湖口交汇河段），在典型时段（汛末蓄水期、汛前腾空期和洪水期），采用声学多普勒流速剖面仪、声学多普勒点式流速仪等先进测流仪器和国家水利行业水文测验标准规范建议的方法获取不同位置断面（垂向）流速（或三维流速）和含沙量、河床冲淤数量和部位、床沙级配组成等数据，为研究重大工程影响下的干流河床演变机理以及江湖分流、汇合河道的江湖蓄泄关系提供基础。在湖泊泥沙冲淤变化原型观测方面，重点关注泥沙冲淤变化活跃的洲滩。在洞庭湖和鄱阳湖不同植被覆盖的典型洲滩内于不同典型时段开展密集的水动力、泥沙输移过程观测，分析不同位置沉积物粒径组成及泥沙沉积速率等参数，阐明重大工程影响下的湖泊水沙运动规律。

湖泊风涌水、定振波及其叠加效应观测。根据湖泊水文、气象条件及湖盆结构，在洞庭湖和鄱阳湖内合理布设安装压力式水位自动监测仪。保证获取定振波长范围内主要波动特征，以及不同气象条件下湖泊风涌水吹程及其水位变幅。研究湖泊风涌水、定震波现象，揭示其对湖泊水位变化的叠加效应。

典型洲滩剖面定位观测。依托鄱阳湖湿地观测研究站、洞庭湖湿地生态系统研究站两个野外台站，根据洞庭湖和鄱阳湖的水文、地貌特征，在两湖典型洲滩湿地各建立3个湿地水文、生态的综合定位观测断面，开展水文、湿地生态要素的长期野外定位动态监测，获取湿地气象、水文、土壤、植被等综合要素数据，开展湿地水文、植被对水文的响应与反馈研究。

水质现场监测和原位试验。在不同时段（汛末蓄水期、汛前腾空期和洪水期）、以入湖河流尾闾区、湖体以及湖口区等关键节点的物理、化学参数以及污染物浓

度和形态等为监测内容，摸清影响通江湖泊污染物浓度和分布的关键因子，以及不同江湖关系条件对污染物浓度场和污染形态的控制机制。通过原位模拟，获取受江湖关系变化影响较大的入湖河流、尾闾区、湖体以及湖口区等为重点研究区域，在江湖关系变化条件下的河湖界面、沉积物-水界面以及湖河界面氮磷等污染物输移转化特征及生物有效性变化。利用原位培养、原位剖面测定等技术，定量揭示江湖关系对湖泊界面的污染物输移规律的影响。

沉积物浅钻分析。获取湖泊关键水力节点沉积物短尺度沉积物（<1m）,利用Pb、Cs同位素定年，建立年代学坐标。分析沉降速率；分析沉积物粒度分布、污染物组成和形态，与年代学坐标协同分析其不同水文周期及不同水情下，颗粒物沉降速率的差异，沉降特征的变化，污染物沉降埋藏以及形态的变化与水动力之间的关系。通过沉积物氮、氧同位素分析，确立污染物在不同历史时期水文周期情况下的来源及贡献。

水域生态系统定位观测。通过定期采样分析与定位观测，研究洞庭湖与鄱阳湖典型湖区水体浮游生物和底栖生物的生物量、群落结构及时空分布动态；结合历史资料对比分析，探明江湖关系改变后水文情势变化对两湖水体理化性质与底质环境的影响，结合多元统计分析等定量辨识江湖关系改变对浮游生物与底栖生物优势类群结构与数量的影响；利用长期定位观测，结合实地调查与定量遥感，探明典型湖区沉水植被时空变化规律，结合江湖关系改变后典型湖区水体养分及透明度等理化指标的长期定位观测与分析，探讨江湖关系变化对沉水植被分布与演变的影响分量与驱动机制。

植被样方调查。选择通江湖泊代表性洲滩湿地，采用随机样方和固定样线法，布设3-5个平行观测断面，洲滩植被生长发育期（春草期与秋草期），采用样方（1m×lm）和样线法相结合的方式，每旬沿观测断面调查各典型植被群落物种构成与数量，以及每种植物的高度与盖度，观测优质种垂向分布范围；获取各典型植物种的综合优势度比与群落物种多样性指数，结合洲滩水文变化特征，探讨鄱阳湖典型洲滩植被群落分布格局与演变对洲滩水文情势的响应。利用便携式温度计、pH计、土壤标准盐分计以及氧化还原仪等，现场测定各断面典型植被群落根层温度、pH、电导率与氧化还原电位；采集各断面典型植被群落根层土壤，分析土壤养分状况、微生物与酶活性，结合植被群落调查结果，探讨植被群落演变与土壤环境要素等立地条件的相互关系。

候鸟栖息地生境调查。根据候鸟栖息与觅食偏好，选择洞庭湖与鄱阳湖候鸟自然保护保护区核心区设立候鸟栖息地生境定期观测与调查样带，观测栖息地水位、流速、透明度、溶解氧等各主要理化指标，获取不同栖息地类型湿生与沉水植被构成与生物量、优势种高度与盖度，以及根茎与根芽重量与密度及发育情况；调查大型底栖生物（螺、蚌、蚬等）数量与生物量及其季节动态特征。结合水体理化性质分析，探明候鸟栖息地初级生产力以及生物物种结构与数量变化趋势，辨析水文情势变化对候鸟栖息地生境的影响。

3）室内模拟实验

江湖典型汇流区物理模型试验。利用水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院的大型试验基地，建立长江与洞庭湖交汇河段的物理模型试验系统，物理模型范围为长江为城陵矶河段，模拟天然长江河段约115km，洞庭湖15km，选择模型比尺为平面比尺1:400，垂直比尺1:80，模型平面占地110m×110m，模型类型为定床、动床全沙模型。采用该物理模型开展大型江湖汇流口水沙过程的模拟实验，阐明交汇河段的水沙相互作用过程特征、主要影响因子与机制；阐明汇流区局部水动力、泥沙输移特征变化对汇流区河床演变、江湖宏观水文特征改变的定量影响关系。

水生植被对水流结构和泥沙输移影响的室内水槽实验。选择湖泊典型的大型水生植物类型，基于水文水资源与水利工程国家重点实验室的驱动式循环流动水槽和三维高频粒子图像测速系统，搭建植被对水流结构和泥沙输移影响的室内水槽实验平台。实验平台的水槽采用变频调速电机驱动，实现实验段流速水流流速在 0.05m/s‐2.0m/s 内无级变化。实验段采用浮法玻璃、槽体采用不锈钢制造，实验段长度约 2000mm，实验段截面为 250mm×250mm。最新的三维高频粒子图像测速系统测速，其流速 量范围为 0.02～500.00m/s，具备连续捕获 1000 帧的高分辨率（2048×2048pixels）图像的能力。并且本系统最高采样频率可达 500 赫兹，可以精确的捕捉水流的紊动特性。应用该平台开展室内模拟实验研究，探讨水-沙-植被相互作用和反馈机制；为阐明重大水利工程对湖泊水动力、泥沙冲淤变化的影响提供支撑。

水文节律控制洲滩植物培养小区试验。拟选择芦苇、蓠蒿、灰化薹草与虉草等4种湖泊洲滩典型湿地植物，在蚌湖等洲滩采集各植物种群表层0-30cm原状土层，在中国科学院鄱阳湖湿地综合研究站野外试验场开展种群培养小区试验。

试验基于鄱阳湖洲滩多年平均来水与退水周期，模拟调控湖泊水文节律变化，观测植物种群数量、植株高度与盖度，记录各小区优势种萌发期、花期与落果期，分析种群生长与演变态势。测定各典型植被种群不同处理根层土壤水分、电导率、pH与氧化还原电位，养分含量与形态、微生物生物量与结构以及5种土壤酶活性，分析不同水文节律对湿地土壤环境要素的影响。同时，开展不同典型植物淹水控制试验，观测记录植物各项生理生态指标，结合不同淹水节律小区试验成果，分析其对水情变化的响应与适应机制，为更好地研究江湖关系变化对湿地生态系统的影响提供基础。

4）模型及平台

采用基于物理规律的动力学模型方法，是开展大型江湖耦合系统研究重要手段之一。针对问题的研究需求，本项目构建了多尺度多维度水动力、泥沙输移、水质和生态模型，并集成开发长江中游通江湖泊水安全预测预警与江湖关系优化调控系统。各模型技术要点与用途见表1。

表1 模型类型与技术用途

模型

用途

长江宜昌-大通干流江段

一维泥沙数学模

型

用于重大水利工程对长江干流水情和河床演变的长期效应分析；获取重大工程影响下长江干流河床冲淤总量的沿程分布的影响 长江荆江段或宜昌至大通江段

用于重大水利工程对长江干流河床演变的中短期影响分析，尤其是重点河段河床冲淤平面分布与河势变化的预测预报

二维泥沙数学模

型

洞庭湖和鄱阳湖

用于研究通江湖泊冲淤演变时空变化规律，分析重大水利工程对冲淤演变的影响

技术要点

自主开发的模型 非恒定流不平衡输沙

模拟要素

水位、流量、悬沙浓度；河

关键参数确定（非均匀沙挟沙能、

段冲淤总量。

床沙交换和动床阻力等） 改进自主开发的二维水沙数学模型

非恒定流不平衡输沙 横向输沙和河岸变形

关键参数确定（长江干流河道水流挟沙能力、恢复饱和系数和动床阻力等）

基于自主开发的二维非结构网格水动力学模型构建 泥沙输移及底床变形 水陆动边界处理

关键参数确定（洲滩湿地植被影响下的水流阻力、水流挟沙能力和恢复饱和系数等）

自主开发的三维紊流泥沙数学模型

水位、流速、悬沙浓度；河床冲淤的平面分布。

水位、流速、悬沙浓度；挟沙能力，河床冲淤的平面分布。

三维紊流泥沙数

学模型

江湖分汇河段

用于江湖相互作用的动力学机理研究

水位、流速、悬沙浓度；河床变形的三维分布。