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长江三峡工程运营后对洞庭湖水环境影响研究
发布日期:2017年12月20日     来源:
  主要完成人:郭世民,胡国华,李广源,高云鹏,谢平英,凌向韶,盛 丰,雷 军,叶红梅,张广泽
  获奖等级:2014年度湖南省水利水电科技进步一等奖
  一、项目综述
  长江三峡工程的蓄水运行给洞庭湖区带来了显著影响。2003年三峡工程运行后,长江含沙量减少,清水下泄使长江河床被不断冲刷下切,长江入洞庭湖水量也随之减少。受长江“三口”入湖水量减少的影响,近几年洞庭湖区干旱缺水的现象频频发生,入洞庭湖区的长江“三口”所属河系衰退明显。随着湖区蓄水量的减少以及水体自净能力和水环境容量的下降,有部分湖区、河段出现干涸的状态和水体富营养化趋势,给洞庭湖区的饮水安全和水生态环境构成严重威胁。因此,分析长江三峡运行后对洞庭湖水文情势演变的影响,开展三峡工程运行后对洞庭湖区水环境状况以及水环境容量变动的研究,揭示三峡工程蓄水运行对洞庭湖水环境的影响机制及影响程度,对保障洞庭湖区居民生活饮水、工农业生产用水以及水生态环境用水安全和促进湖区社会经济的可持续发展具有非常重要的现实意义。为此,2011年湖南省水文水资源勘测局联合长沙理工大学以《长江三峡工程运营后对洞庭湖水环境影响研究》申报了湖南省重大水利科技项目,并获得立项支持。
  本课题运用Mann-Kendall非参数秩次相关检验法、随时间变化系统的分段回归(SRST)方法和累计距平曲线联合滑动T检验等方法,揭示了洞庭湖湘资沅澧“四水”、荆江“三口”及城陵矶各代表站径流长期演变的趋势性和变异性规律。运用Mann-Kendall非参数秩次相关检验法、随时间变化系统的分段回归(SRST)方法和累计距平曲线联合滑动T检验等方法,揭示了城陵矶站年均水位、日最高水位、最低水位以及最枯月水位的长期演变的趋势性和变异性规律。运用BP神经网络模型、综合污染指数和综合营养状态指数等方法对洞庭湖水质和富营养化状况进行了评价,对洞庭湖水质以及富营养化状况的时空变化特征及成因进行了分析。通过建立基于以湖水滞留时间为主要参数的营养物质(COD、TN和TP)负荷模型,模拟计算了三峡工程运行前后洞庭湖主要污染物(COD、TN和TP)的水环境容量,并对洞庭湖水环境容量的年际、年内变化情况与成因进行了分析。基于洞庭湖水位变化规律及其影响因素分析的基础上,运用Spearman秩相关系数法建立了洞庭湖水位变化与水质变化之间的相关关系,揭示了三峡工程蓄水运行对洞庭湖水环境的影响规律。项目历时三年完成研究,编写技术报告1份、发表论文1篇、培养研究生2名。项目研究成果达到同类研究的国际先进水平。
  本课题研究紧密结合生产实际需求,研究成果对洞庭湖生态经济区水利工程规划与建设、水资源优化配置、水资源保护、洞庭湖区水环境与水生态保护的规划、监测和设计等工作具有重要指导意义,可为湖南省水利及环保部门、洞庭湖区各市、县水利和环保部门开展洞庭湖区水资源开发利用与保护工作提供科学依据,研究成果应用前景广阔,社会效益显著。自2013年11月以来,该项目的相关技术成果已被湖南省洞庭湖水利工程管理局、湖南省水利厅水资源处和岳阳县水务局等单位采纳应用。
  
  二、主要科技创新
  课题综合运用Mann-Kendall非参数秩次相关检验法、随时间变化系统的分段回归(SRST)方法和累计距平曲线联合滑动T检验等方法,全面系统地开展了洞庭湖区径流、水位的趋势性和变异性规律研究,揭示了洞庭湖湘资沅澧四水、荆江三口及城陵矶各代表站径流和水位长期演变的趋势性和变异性。运用BP神经网络模型、综合污染指数和综合营养状态指数等方法对洞庭湖水质和富营养化状况进行了评价,分析了洞庭湖水质以及富营养化状况的时空变化特征及成因。基于以湖水滞留时间为主要参数的营养物质负荷模型模拟计算了三峡工程运行前后洞庭湖主要污染物(COD、TN和TP)的水环境容量,分析了洞庭湖水环境容量的年际、年内变化特征与成因。运用Spearman秩相关系数法建立洞庭湖水位变化与水质变化之间的相关关系,揭示了三峡工程蓄水运行对洞庭湖水环境的影响规律。
  本课题研究成果的科技创新,主要体现在以下三点:
  创新点一:综合运用Mann-Kendall检验法、随时间变化系统的分段回归方法和累计距平曲线联合滑动T检验等方法,全面系统地开展了洞庭湖区径流、水位的趋势性和变异性规律研究。
  洞庭湖径流和水位等水文特征受湘资沅澧“四水”、长江“三口”和城陵矶出口影响显著,三峡工程运行对洞庭湖水文情势演变的影响突出,是三峡工程影响洞庭湖水环境的主要驱动力,全面系统地开展洞庭湖区径流、水位等要素的演变规律研究是本项目的主要目标之一。
  国内外关于洞庭湖水文泥沙水环境方面的文献比较多,对于三峡工程运行后对洞庭湖流量泥沙变化影响也有一些相关的研究。国内外主要进行洞庭湖水文泥沙变化趋势性研究,未见到湘资沅澧“四水”控制站、长江“三口”控制站和城陵矶出口控制站的径流和水位长期变化的变异性研究。另外,国内外对于洞庭湖水文泥沙变化的趋势性研究主要采用简单的线性回归趋势法和单一的Mann-Kendall检验法,未见到Mann-Kendall检验法、随时间变化系统的分段回归方法和累计距平曲线联合滑动T检验等多种方法联合运用的文献报道(详见旁证材料附件2-科技查新报告)。
  本项目在径流和水位年际变化变异性的识别过程中,首先运用累计距平曲线进行变化趋势的变异点的初步识别,然后对初步识别得到的变异点利用滑动T检验法进行精确识别。本项目在径流和水位年际变化趋势性的分析过程中,首先利用Mann-Kendall检验统计量UF曲线联合线性趋势图进行趋势分析,然后利用随时间变化系统的分段回归(SRST)方法,在已找出的序列中的变点基础上把序列分成各个子序列,再按照序列的增长或减少的趋势分段进行线性模拟,建立随时间变化系统的分段线性回归模型。
  本项目运用上述方法,全面系统地揭示了洞庭湖区径流、水位的趋势性和变异性规律(详见旁证材料附件1-科学技术成果鉴定证书,附件4-论文),主要成果见图1-图22。
  创新点二:基于以湖水滞留时间为主要参数的营养物质负荷模型模拟计算了三峡工程运行前后洞庭湖主要污染物(COD、TN和TP)的水环境容量。
  水环境容量与水域功能对水质的要求、水体自净能力和进出湖水量等因素紧密相关。水环境容量的确定是区域水污染物实施总量控制的关键参数,是制定水资源保护、社会经济发展规划的依据。
  国内外关于三峡工程的运行对洞庭湖水环境容量影响的研究有2篇文献报道(卢宏玮,2004;李广源,2005),但是这两项研究主要是采用三峡工程运行前的水文数据,因此研究成果主要是预测三峡工程运行后洞庭湖水环境容量的变化趋势,未见到三峡工程蓄水运行后洞庭湖水环境容量变化特征的文献报道(详见旁证材料附件5:科技查新报告)。
  本项目根据洞庭湖水质和富营养化状况的评价结果,选定COD、TN、TP作为水质敏感参数,基于以湖水滞留时间为主要参数的营养物质负荷模型模拟计算了三峡工程运行前后洞庭湖主要污染物的水环境容量,并对三峡工程运行前后洞庭湖水环境容量的年际、年内变化特征与成因进行了分析,研究成果对洞庭湖区水资源开发利用与保护具有十分重要的参考价值(详见旁证材料附件1:科学技术成果鉴定证书)。 
  创新点三:运用Spearman秩相关系数法建立洞庭湖水位变化与水质变化之间的相关关系。
  湖泊水位与水环境质量和水生态密切相关,由于洞庭湖特殊的地理位置,影响洞庭湖水位变化的因素较多,洞庭湖的水位变化一直受到广泛关注。三峡工程运行前,国内外研究主要关注洞庭湖洪水位的变化情况,针对洞庭湖水位的年际和年内变化规律及成因方面的研究相对较少。三峡工程运行后,三峡工程对洞庭湖水位的影响受到了广泛关注,但2003年以前以预测研究较多,有关湖泊水文变化的水质响应机理研究未见报道(详见旁证材料附件5:科技查新报告)。
  本项目基于洞庭湖水位变化规律及其影响因素分析的基础上,运用Spearman秩相关系数法建立了洞庭湖水位变化与水质变化之间的相关关系,揭示了三峡工程蓄水运行对洞庭湖水环境的影响规律,研究成果对分析洞庭湖湖滨湿地的生态演变情况、湖区工程水位控制方案的制定和湖泊水环境的治理等具有重要的参考价值(详见旁证材料附件1:科学技术成果鉴定证书)。
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