鄱阳湖形态特征及其对流域水沙变化响应研究

论文摘要

鄱阳湖是长江干流重要的调蓄性湖泊,在我国长江流域中发挥着巨大的调蓄洪水和保护生物多样性等特殊生态功能。鄱阳湖湿地是我国七个国际重要湿地之一,也是世界自然基金会划定的全球重要生态区之一,在全球生态系统中起着举足轻重的作用,鄱阳湖研究对于维系区域、国家乃至世界生态安全具有重大意义。洞庭湖和鄱阳湖为长江中下游的两个仅有的大型通江湖泊,洞庭湖自上世纪50年代以来,湖泊萎缩速率大大增加,鄱阳湖与洞庭湖相比,虽然面积、容积萎缩速率小于洞庭湖,但仍具有明显的缩小趋势。因此,本文在分析近50年来鄱阳湖湖泊形态变迁,以及鄱阳湖流域土地利用、降水蒸发及径流泥沙变化趋势及持续性特征的基础上,通过建立径流模型、输沙模型以及湖泊形态对水沙变化响应的模型,对未来土地利用和降水蒸发条件发生变化时,鄱阳湖面积和容积做出的响应进行定量分析和预测,以期弥补对鄱阳湖形态特征变化研究的不足,为改善鄱阳湖面积缩小、湖容锐减的现状,维持鄱阳湖对长江洪水的调蓄能力,以及协调、处理流域河湖关系与江湖关系提供一定的科学依据。对近50年来鄱阳湖面积、容积以及低水位下岸线形态特征变化的分析表明,鄱阳湖在高程14m以上面积减小较为明显,16m以上湖容减小较为明显,岸线长度缩短,几何形态趋于简单,1990s之后湖泊面积容积基本处于稳定状态,但岸线形态变化特征更为明显；湖区部分对鄱阳湖形态的影响因素主要包括水土流失和围垦两个方面,除湖区外的鄱阳湖流域对其影响则主要通过人类活动和自然条件直接影响入湖径流量和泥沙量,从而间接地使鄱阳湖形态发生变化,降水、蒸发的变化是影响径流量的主要因子,降水、径流和土地利用方式则对输沙量的变化起主导作用。以流域蒸发、降水、土地利用等资料数据为基础,分别采用C++环境下基于不同下垫面产汇流原理的模型以及由小波支持向量机和自适应正态变异粒子群算法组成的模型对鄱阳湖流域进入6个水文控制站的径流量、输沙量以及鄱阳湖形态对流域水沙变化的响应进行模拟,结果表明模拟后的日流量过程变化趋势与实测值基本一致,年径流量模拟的精度相对较高,模拟误差的主要来源为原始数据本身的误差以及对复杂的自然条件变化的忽略,输沙量及形态响应的模拟结果相对误差范围为±1%,小波支持向量机和自适应正态变异粒子群算法相结合的模型的拟合能力明显强于传统的BP神经网络和多元线性回归两种方法。从鄱阳湖流域土地利用转移矩阵来看,从1990-2000年,流域内各种土地利用类型之间转换频繁,大面积、大比例的土地利用类型转换主要发生在草地、水田、林地、旱地和建设用地5种类型之间,水体总体面积变化最小,建设用地总体面积变化最为明显,未利用地主要向林地、旱地和建设用地转换,其中向建设用地的转换面积最大；在平水、枯水两种气候条件下,未利用地向这3种土地利用类型转换均可能导致鄱阳湖的面积和容积减小,但转化为林地时变化幅度最小,转化为耕地和建设用地均使湖泊大面积萎缩,且后者引起的萎缩更为明显。采用MK非参数检验法与R/S法分别对近50年来鄱阳湖流域年、主汛期降水量和年蒸发量的变化趋势及持续性特征进行分析,结果表明各站点年降水量均呈上升趋势,大部分站点在3年、5年、10年3种时间尺度上表现为持续性特征；各站点主汛期降雨量变化趋势不一致,在3种时间尺度上均表现为持续性特征；各站点年蒸发量呈明显的下降趋势,3种时间尺度上均表现为持续性特征,但不同时间尺度的持续性强度变化较小。根据近50年来降水量和蒸发量的极端变化确定各时间序列不同的持续性/反持续性等级所对应的具体变化量,将变化后的降水、蒸发数据输入以上3个模型,结果表明在未来3年和10年两个时间尺度上,湖口站水位21m时对应的湖泊面积和容积均可能有所扩大,在2009年的土地利用背景下,未来3年面积的变化范围可能为3441.69-4330.22km2,容积的变化范围可能为253.37-280.69×108m3,未来10年面积的变化范围可能为3974.37-4450.07 km2,容积的变化范围可能为262.17～290.71×108m3。本文研究结果表明土地利用变化对湖泊形态的影响主要体现在对输沙量的影响,降水蒸发条件的变化对湖泊形态产生的影响主要体现在径流量方面,且未来自然条件的变化可能不会造成湖泊萎缩,土地利用方式的变化可能成为导致湖泊萎缩的主要原因。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景与研究意义
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外相关研究进展
• 1.2.1 湖泊形态特征
• 1.2.2 湖泊形态影响因素
• 1.2.2.1 自然因素
• 1.2.2.2 人为因素
• 1.2.3 鄱阳湖研究进展
• 1.2.3.1 鄱阳湖气象水文特征
• 1.2.3.2 鄱阳湖形态特征
• 1.2.3.3 气象因子对鄱阳湖的影响
• 1.2.3.4 人类活动对鄱阳湖的影响
• 1.3 研究内容及方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 1.3.2.1 Mann-Kendall非参数检验法
• 1.3.2.2 R/S分析法
• 1.3.2.3 BP神经网络法
• 1.3.2.4 支持向量机（SVM）
• 1.3.2.5 岸线形态特征研究方法
• 1.3.3 技术路线
• 第二章 研究区域概况
• 2.1 地理位置
• 2.2 地形地貌
• 2.3 流域水系
• 2.3.1 赣江流域
• 2.3.2 抚河流域
• 2.3.3 信江流域
• 2.3.4 饶河流域
• 2.3.5 修水流域
• 2.3.6 鄱阳湖湖区
• 2.3.7 其他直接入湖河流
• 2.4 气象水文
• 2.5 土壤植被
• 2.6 社会经济
• 2.6.1 人口
• 2.6.2 经济发展
• 第三章 鄱阳湖形态变化及其原因
• 3.1 鄱阳湖形态变化特征
• 3.1.1 面积、容积变化特征
• 3.1.2 湖泊岸线变化特征
• 3.2 形态变化原因分析
• 3.2.1 湖区
• 3.2.2 全流域
• 3.3 本章小结
• 第四章 鄱阳湖流域水文特征对形态的影响
• 4.1 鄱阳湖流域水文特征
• 4.1.1 水文站点分布及资料收集
• 4.1.2 径流特征
• 4.1.2.1 径流年际变化
• 4.1.2.2 径流年内变化
• 4.1.3 泥沙特征
• 4.1.3.1 泥沙年际变化
• 4.1.3.2 泥沙年内变化
• 4.1.4 水沙变化趋势
• 4.2 鄱阳湖水沙变化的形态响应模型建立
• 4.2.1 相关算法
• 4.2.2 鄱阳湖面积、容积对流域水沙变化的响应模拟
• 4.2.2.1 指标选取
• 4.2.2.2 模型建立
• 4.3 本章小结
• 第五章 鄱阳湖入湖径流量和泥沙量模型构建
• 5.1 径流量模型构建
• 5.1.1 模型构建原理
• 5.1.1.1 产流模拟
• 5.1.1.2 汇流模拟
• 5.1.2 模型建立
• 5.1.2.1 数据输入
• 5.1.2.2 参数率定
• 5.1.2.3 模型验证
• 5.2 泥沙量模型构建
• 5.2.1 指标选取
• 5.2.2 模型建立
• 5.3 本章小结
• 第六章 未来水沙变化情景下鄱阳湖形态的演变趋势
• 6.1 土地利用情景下的鄱阳湖形态
• 6.1.1 鄱阳湖流域土地利用变化趋势
• 6.1.2 土地利用情景下的鄱阳湖形态
• 6.1.2.1 情景假设
• 6.1.2.2 结果分析
• 6.2 气候变化情景下的鄱阳湖形态
• 6.2.1 鄱阳湖流域气象特征变化趋势与持续性特征
• 6.2.1.1 降水量变化趋势与持续性特征
• 6.2.1.2 蒸发量变化趋势与持续性特征
• 6.2.2 气候变化情景下的鄱阳湖形态
• 6.2.2.1 情景假设
• 6.2.2.2 结果分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 主要创新点与特色
• 7.3 问题与展望
• 7.3.1 存在的问题
• 7.3.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间主要发表论文与获奖情况
• 致谢