【科研进展】人类活动影响长江中游水文干旱研究取得进展

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科研进展

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进入21世纪以来，人类活动的强度正以超过以往任何历史时期的速率增大。人类活动对湖库流域水循环和水文极端事件的影响已成为全球关注的重大问题。长江中游江河湖库纵横交叉，水系发达，地表水丰沛。该区域又是我国人类活动最为强烈的区域之一。近10多年来，长江中游水文情势变化显著，不仅是水量的趋势性变化，更伴随着干旱、洪水等水文极端事件的频发，对湖库水环境、水生态和区域社会经济发展都带来巨大影响。 

长江中游是我国重要的水源地，该地区包括了我国两个最大的淡水湖泊鄱阳湖和洞庭湖以及我国南水北调中线工程的水源地丹江口水库（图1）。

图1 研究区长江中游两湖和汉江流域 

以长江中游两湖流域和丹江口水库流域为研究区域，张奇课题组运用统计识别、水文模拟和情景分析，就长江中游水文干旱的成因进行系统识别，特别就人类活动的影响进行辨析。研究发现，长江中游地区径流在1980年代末期发生了显著的改变。水文模拟揭示，气候变化和人类活动引起的径流改变小于5%（“初阶”影响），而它们对水文干旱的影响在-73.9~86.0%之间（“高阶”影响）（图2）。

图2 不同情景下汉江流域（a）SRI的变化和（b-e）水文干旱严重程度的变化，其中(b)同时考虑人类活动和气候变化，(c)只考虑气候变化，(d)只考虑PET的变化，(e)只考虑降水的变化 

这表明，相对于对径流的影响，环境变化对水文干旱的影响表现为一种显著的“累积”效应，即径流在一定时间内超过某阈值的持续性改变（图3）。

图3 环境变化对径流（“初阶”）和水文干旱（“高阶”）的影响

水文干旱最直接的影响因素是气候变化，但人类活动本身表现出显著加剧水文干旱的作用效应。就研究区而言，人类活动增加水文干旱强度达6.5~14.5%，延长水文干旱时间达2.3~6.7%。 

人类活动对河湖水量的影响还表现在其改变河湖水系结构。典型的例子为鄱阳湖湖盆地形因大规模人为采砂引起改变。鄱阳湖2010年湖盆地形与1998年相比，在北部入江通道发生显著变化，入江通道底面高程平均下切达3 m。该湖盆地形的改变对湖泊水动力场和出流有显著影响。研究发现，地形变化主要影响低水期，水位越低，鄱阳湖上下游水位梯度越大，受地形变化影响也越大。低水位期，地形变化导致鄱阳湖北部水位下降1.2~2 m，湖泊中部区域则下降相对较小（图4）。

图4 1998和2010年湖盆地形条件下，鄱阳湖 (a1-a4) 2006年、(b1-b4) 2010年和 (c1-c4) 2000-2010多年平均各站点水位变化过程 

湖泊的涨、退水过程对地形变化的响应程度并不一致，涨水期受地形变化的影响大于退水期。当水位涨至16 m高程以上，地形变化的影响变微弱，当水位退至14 m高程以下时，地形变化的影响开始显现。就典型枯水年2006的研究发现，湖泊地形变化对其秋季低枯水位的贡献占14.4%（图5）。虽然湖盆地形变化并非秋冬季低枯水的主因，但毫无疑问，它加剧了湖泊枯水程度。 

图5 1998和2010年湖盆地形条件下，鄱阳湖2006年涨水期、高水期、退水期和枯水期水位空间分布 

本项研究对深入认识长江中游水文干旱的形成机制具有重要意义。特别是，就人类活动影响水文干旱的方式和程度有了新的发现。研究结果对强干扰下的河湖水文过程演变、湖泊水资源管理及南水北调中线调水适应性对策的制定等都具有参考价值。研究成果发表在2018年Science of The Total  Environment “Intensification of hydrological drought due to human activity in the middle reaches of the Yangtze River, China”和Journal of Hydrology “Quantifying the impact of bathymetric changes on the hydrological regimes in a large floodplain lake: Poyang Lake”. 

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