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基于能量的鄱阳湖—长江相互作用表征指标研究

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

邓金运, 范少英
武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉 430072

Characterization index for expressing the relationship between the Yangtze River and Poyang Lake based on the theory of energy

DENGJinyun, FANShaoying
Wuhan University State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan 430072, China
收稿日期:2017-02-22
修回日期:2017-06-30
网络出版日期:2017-09-30
版权声明:2017《地理学报》编辑部本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
基金资助:

国家自然科学基金重点项目(41331174)

江西省科技计划项目(20051BBG70044)

作者简介:
-->作者简介：邓金运(1975-), 男, 副教授, 主要从事水沙运动基本理论、河流地貌等研究。E-mail: dengjinyun@whu.edu.cn

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摘要
鄱阳湖与长江之间存在着复杂的相互作用关系,决定着江湖水沙交换,对整个区域的水资源、防洪、航运、生态环境等均具有重要影响。本文基于能量的观点,在从新的角度解释鄱阳湖和长江相互作用原理的基础上,构建了江湖相互作用的表征指标—能差F_e,对20世纪50年代以来江湖作用关系变化进行了研究。结果表明,自20世纪50年代以来,F_e值整体呈现增加趋势,说明长江作用减弱,鄱阳湖作用不断增强。三峡水库蓄水运用对江湖关系产生了重要影响,进一步削弱了长江作用。从年内变化来看,由于三峡水库的调节,枯水期长江作用略有增强,汛末长江作用减弱较大。江湖作用一定程度上影响着湖区旱涝灾害的产生,当五河来流较大且长江顶托作用明显时,易发生洪涝;当五河来流较小但又对长江有明显的补水作用时,易发生旱情,三峡水库蓄水使湖区9-10月更易发生干旱。

关键词：鄱阳湖;长江;江湖关系;三峡大坝;表征指标
Abstract
The complicated relationship between the Yangtze River and Poyang Lake is the factor determining the exchange of water and sediment between them and has great influence on the water resources, flood control, navigation, and ecological environment of the entire region. Based on the theory of energy, this paper explains the principle of the river-lake relationship from a new perspective. By constructing a new index F_e, the authors were able to analyze the evolution of the relationship between the Yangtze River and Poyang Lake since the 1950s. The results indicate that the value of F_e shows an increasing trend, which means the river effect is weakening while the lake effect is strengthening. Operation of the Three Gorges Dam has an important impact on the river-lake relationship, which further weakens the river effect. The river effect increases slightly in the dry season but decreases significantly at the end of the flood period. In addition, the relationship between the Yangtze River and Poyang Lake may induce drought and flood disasters to some degree. Flooding is more likely to occur when flow from the five tributaries of the Poyang Lake is large and the Yangtze River blocking effect is strong. In contrast, drought is more likely to occur when flow from the five tributaries of the Poyang Lake is small, while the lake effect is strong. Meanwhile, the probability of drought in the Poyang Lake from September to October increases due to the impounding of the Three Gorges Reservoir.

Keywords：Poyang Lake;Yangtze River;river-lake relationship;Three Gorges Dam;characterization index

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邓金运, 范少英. 基于能量的鄱阳湖—长江相互作用表征指标研究[J]. , 2017, 72(9): 1645-1654 https://doi.org/10.11821/dlxb201709009
DENG Jinyun, FAN Shaoying. Characterization index for expressing the relationship between the Yangtze River and Poyang Lake based on the theory of energy[J]. 地理学报, 2017, 72(9): 1645-1654 https://doi.org/10.11821/dlxb201709009

1 引言

长江是中国第一长河,鄱阳湖是中国第一大淡水湖,两者之间的相互作用,影响着湖泊的自然演变^[1],并决定了湖区内的水动力条件和泥沙冲淤变化,进而影响区域水资源、防洪、航运及生态环境变化。江湖相互作用,包括河湖水系之间的水量交换、河床湖盆的自然演变及其产生的物质能量交换^[2]。其中,河湖水量关系的研究在中国受到明显的重视,如江湖之间水交换系数、湖泊调蓄量、泄流能力等的研究^[3-5],而国外的研究多偏重河湖生态关系的特征,侧重江湖之间的水、沙和溶解物之间的交换对湖泊水质、湖泊及湖滨生态系统的影响^[6-8]。就鄱阳湖与长江之间的相互作用而言,一般认为分为长江作用和鄱阳湖作用两个方面,长江作用体现为对湖区水位的顶托和倒灌作用^[9],鄱阳湖作用体现在对洪水的调节和对长江下游的补水作用^{[3, 10]}。上述江湖作用如何表征,江湖作用强弱变化机理及其未来发展趋势如何,是国内研究的热点问题之一。
对于江湖作用强弱的判断及其表征指标,已有****开展了不少研究。方春明等^[10]研究了长江作用和鄱阳湖作用,给出了湖口发生倒流的简要判断条件和鄱阳湖对洪水调节作用的计算方法。赖锡军等^[5]通过研究1955-2011年历年1-3月份的湖区水文资料,得到鄱阳湖泄流能力在不同时间的关系式。Hu等^[11]给出了5个条件来判别江湖作用的强弱,当其中任意一条件得到满足认为长江作用强烈,所有条件均不满足则认为鄱阳湖作用强烈。赵军凯^[3]通过江湖之间的水量平衡方程,推导出江湖之间的水交换系数

\begin{matrix} I_{p} \end{matrix}

的计算公式,并以此为指标判断江湖作用的相对强弱。戴雪^[12]等研究湖区内水位的变化情况,用不同站（都昌—康山、湖口—星子）之间水位差与距离的比值WSS表征江湖作用。上述研究中,文献[5]、[10]间接量化了鄱阳湖作用或长江作用,但并未给出统一的指标来判断江湖作用相对强弱。虽然文献[11]提出了五个条件作为判断江湖相互作用的指标,但这些条件的给出缺乏严谨依据,量化之后得到的天数也难以完全代表江湖作用的强弱。文献[3]给出了明确的水交换系数作为统一判别指标,但水交换系数I_p > 0.5时包含了鄱阳湖补水作用较强或长江倒灌强度较大两种情况,这两种情况又对应了鄱阳湖作用较强和长江作用较强两种结果,存在一定的矛盾性。文献[12]中的都昌—康山的WSS反映了湖泊蓄水能力的变化情况,湖口—星子的WSS实质还是反映鄱阳湖泄水出流的能力。因此,虽然已有研究针对鄱阳湖与长江相互作用开展了大量研究,并在江湖作用指标表征方面取得了很大进展,但离真实反映江湖相互作用关系仍有不小的差距。
本文在已有研究的基础上,从能量的角度出发,通过对鄱阳湖与长江相互作用原理的阐释,提出了新的江湖作用强弱的表征指标,研究成果可为该区域江湖治理提供参考。

2 研究区域概况

鄱阳湖是长江干流重要的调蓄性湖泊,位于江西省北部（图1）,流域面积162225 km2,地理坐标为115°31′E~117°06′E、28°11′N~29°51′N,为典型的吞吐型、季节性淡水湖泊,高水湖相,低水河相。鄱阳湖主要入湖河流有赣江、抚河、信江、饶河、修水,分别从南、东、西三面汇入,经鄱阳湖调蓄后,在北部由湖口注入长江^[13]。入湖水沙条件由外洲、李家渡、梅港、虎山、渡峰坑和万家埠站（下称五河六站）控制,湖泊出口控制站为湖口站。

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图1鄱阳湖五河水系及水文站点示意图
-->Fig. 1Location of Poyang Lake and its hydrological stations
-->

3 数据和方法

3.1 数据

本文使用的水文数据均为流域内各水文测站实测数据,来源于江西省水利科学研究院及江西省水文局,包括湖口站和“五河六站”1953-2014年水位流量资料,以及长江干流汉口站1952-2015年流量资料,九江站2011年流量资料和湖区星子站2011年水位资料等。其中,湖口站缺失1966年12月份流量资料,渡峰坑站缺失1987年9-12月份的流量资料。

3.2 原理与方法

（1）鄱阳湖与长江相互作用原理
已有研究认为,江湖相互作用的核心,主要体现为江湖之间的水交换^[14]。五河来流经过鄱阳湖调蓄后,再经湖口汇入长江,江湖之间存在着复杂的相互顶托关系和水量交换过程。如果从能量的观点出发,可认为是长江干流和五河来流之间存在着能量抗衡,江湖作用的变化和调整是对双方能量变化的响应。一般而言,当长江干流与五河来流保持恒定流量过程条件下,长江干流和五河来流会逐渐达到并维持一种相互平衡的状态,并在二者交汇点湖口处得以体现,湖口水位流量均保持稳定。但当任意一方的来流过程发生了新的变化后,能量的变化会造成如下江湖作用变化情况（表1）。
Tab. 1
表1
表1江湖作用原理及其主要表现
Tab. 1Principles and main characteristics of the river-lake relationship

作用	整体主要表现	原理	湖口处的主要表现
长江作用	顶托作用	长江来流能量增加	势能增加不利于出流
鄱阳湖作用	补水作用	五河来流能量增加	动能增加利于出流

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其一,当长江干流来流增大,能量增加,将造成湖口处水位抬高,即势能增加,减小了湖区和湖口之间的水面比降,不利于湖口出流,此种情况表现为长江的顶托作用。当长江来流进一步增加,湖口处势能增加速度较快,长江的顶托作用持续加强,将出现江水倒灌入鄱阳湖。
其二,当五河来流增大,能量增加,湖区和湖口之间的水面比降增大,利于湖口出流,湖口处动能将会明显增加,对长江干流湖口以下河段有明显的流量补充,此种情况表现为鄱阳湖对长江的补水作用。同时,为了恢复到原来的平衡状态,鄱阳湖出湖流量增加也会导致湖口水位抬升,对长江干流产生一定程度的顶托现象,体现了鄱阳湖对长江的顶托作用。但与补水作用相比,此时的鄱阳湖顶托作用处于相对较弱的地位。

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图2江湖作用关系概化示意图
-->Fig. 2Interaction between the Yangtze River and Poyang Lake
-->

为进一步阐述基于能量观点的鄱阳湖与长江相互作用原理。这里将鄱阳湖与长江的相互作用关系概化如图2所示。采用E_C表示长江干流来流所具有的能量,E_W表示五河来流所具有的能量。江湖作用处于相互平衡的状态,

\begin{matrix} E_{C} = E_{W} \end{matrix}

。根据水力学的知识,在不同断面之间存在如公式（1）至（3）所示的关系：

\begin{matrix} z_{1} + \frac{α_{1} {v_{1}}^{2}}{2 g} = z_{2} + \frac{α_{2} {v_{2}}^{2}}{2 g} + h_{w 1 - 2} \end{matrix}

（1）

\begin{matrix} z_{4} + \frac{α_{4} {v_{4}}^{2}}{2 g} = z_{3} + \frac{α_{2} {v_{3}}^{2}}{2 g} + h_{w 4 - 3} \end{matrix}

（2）

\begin{matrix} z_{2} = z_{3} \end{matrix}

（3）

\begin{matrix} v = C \sqrt{RJ} \end{matrix}

（4）
式中：z_i表示第i断面的平均水位;v_i表示第i断面的平均流速;

\begin{matrix} h_{wi - j} \end{matrix}

表示i-j断面之间的水头损失;C为谢才系数;R为水力半径;J为水力坡度。若E_C增加,则从1-1断面到2-2断面,z₂增加,v₂增加,长江对鄱阳湖的顶托作用通过z₂（z₃）的增加实现,又由于z₃增加,减小了4-4断面与3-3断面的水位比降,由谢才公式（4）可知将间接造成v₃减小,故在3-3断面上体现为z₃增加,v₃减小。若E_W增加,z₄增加,v₄增加,又因为鄱阳湖作用较强的时期,基本是处于长江干流水位（z₂）较低时期,故z₄增加增大了4-4断面与3-3断面之间的水位比降,根据谢才公式可知

\begin{matrix} v_{3} \end{matrix}

增加;因为鄱阳湖区处于五河和长江之间,可类比于“堰”的作用,所以

\begin{matrix} v_{3} \end{matrix}

增加会间接引起z₃（z₂）增加,根据堰流公式,v₃与

\begin{matrix} {z_{3}}^{\frac{1}{2}} \end{matrix}

成正比,即此时v₃增加是主要的,z₃的增加处于次要地位。综上,E_C增加引起湖口处水位增加,间接造成湖口流速减小,主要表现为湖口势能增加;E_W增加引起湖口处流速增加,间接造成水位增加,主要表现为湖口动能增加（表1）。
（2）基于能量观点的江湖相互作用指标表征方法
由前述分析可以发现,从能量的观点,江湖相互作用主要体现为长江干流和五河来流的能量抗衡,湖口既是这两股能量抗衡的接触点,它的流量和水位又是这两股能量相抗衡的结果。长江作用主要引起湖口处水流势能增加,鄱阳湖作用引起湖口处出流动能增加,因此,用湖口处的势能（E_S）和动能（E_D）分别替代E_C和E_W。E_S和E_D的计算公式如式（5）和式（6）所示。但由于能量只能是正值,E_D并不能反映出湖口发生倒灌现象时（即流量为负,湖口处流速指向湖区内部）的状况,因此将能量的计算公式变换为式（7）和式（8）,使其能更好的反映流量的正负情况。

\begin{matrix} E_{s} = mgh \end{matrix}

（5）

\begin{matrix} E_{D} = \frac{1}{2} m v^{2} \end{matrix}

（6）

\begin{matrix} e_{s} = \sqrt{mgh} \end{matrix}

（7）

\begin{matrix} e_{d} = \frac{\sqrt{m} v}{\sqrt{2}} \end{matrix}

（8）
为表征长江和五河来流所具有能量的相对强弱,定义能差F_e来反映湖口处水流势能和动能的相对大小,区间大小为-1~1之间,如式（9）所示：

\begin{matrix} F_{e} = e_{d} - e_{s} \end{matrix}

（9）
对于同等质量的水体,

\begin{matrix} e_{s} \propto h^{\frac{1}{2}} \end{matrix}

,在不考虑河床冲淤的情况下,

\begin{matrix} e_{d} \propto v \propto Q / h \end{matrix}

\begin{matrix} h \propto z \end{matrix}

,式（9）可转化为式（10）：

\begin{matrix} F_{e} = f_{1} \frac{Q}{z} - f_{2} z^{\frac{1}{2}} + f_{3} \end{matrix}

（10）
式中：Q表示湖口流量;z表示湖口水位;h为湖口水深;f₁、f₂为经验系数;f₃为修正值。
当湖口流量越大水位越低时,e_d越大,鄱阳湖作用越强,此时F_e值增加;当湖口流量越小水位越高时,e_s越大,长江作用越强,此时F_e值减小。因此,选择长时间水文序列中湖口流量的最大值与水位的最小值组合,认为此时鄱阳湖作用最大,即

\begin{matrix} e_{d} \end{matrix}

最大,F_e取为1;选择长时间水文序列中湖口水位最大值和流量最小值组合,认为此时长江作用最大,即e_s最大,F_e取为-1;当多年平均时,认为江湖作用处于平衡状态,F_e取为0。由此3个条件计算得到f₁、f₂、f₃的经验值为0.00027、0.18和0.54。

4 结果及分析

4.1 年际变化

以湖口站1953-2014年中各年的流量和水位平均值计算能差F_e,计算结果如表2所示。长序列年中各年的能差变化情况如图3a所示,F_e值整体呈现增加的趋势,说明长江作用正在减弱,反之,鄱阳湖的作用不断增强。分年代来看,20世纪80年代的F_e均值为-0.014,在各年代中最小,结合长江干流与五河来流的变化情况来看（图4）,在此期间,长江干流来流相比五河入流更大,故长江作用较强。在20世纪70年代,F_e均值为0.003,表明这段时间中,鄱阳湖作用较强,原因可解释为,“五河流域”处于温暖的雨季^[7],丰富的降水为“五河流域”和湖区带来了流量补充,间接增强了鄱阳湖作用。
Tab. 2
表2
表2能差F_e计算结果
Tab. 2The result of F_e

年份	F_e	年份	F_e	年份	F_e	年份	F_e	年份	F_e
1953年	0.009	1967年	-0.011	1980年	-0.022	1993年	-0.012	2006年	0.062
1954年	-0.025	1968年	-0.024	1981年	-0.009	1994年	0.014	2007年	0.009
1955年	-0.009	1969年	0.006	1982年	-0.027	1995年	0.013	2008年	0.010
1956年	0.002	1970年	0.005	1983年	-0.030	1996年	-0.017	2009年	0.010
1957年	0.004	1971年	-0.004	1984年	-0.010	1997年	0.026	2010年	0.025
1958年	0.005	1972年	0.019	1985年	-0.015	1998年	-0.006	2011年	0.030
1959年	0.025	1973年	0.005	1986年	0.005	1999年	0.009	2012年	0.020
1960年	0.018	1974年	-0.018	1987年	-0.009	2000年	-0.010	2013年	0.029
1961年	0.016	1975年	0.000	1988年	0.010	2001年	0.015	2014年	0.009
1962年	0.012	1976年	0.010	1989年	-0.029	2002年	0.006
1963年	-0.028	1977年	-0.002	1990年	-0.029	2003年	-0.014
1964年	-0.049	1978年	0.014	1991年	-0.032	2004年	-0.008
1965年	-0.025	1979年	0.002	1992年	0.024	2005年	-0.005

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江湖作用的强弱对于各年代湖区旱涝灾害的产生具有重要影响。20世纪90年代夏季发生洪涝灾害^[15],对比长江干流和五河来流的相对大小,可以发现五河来流相对较大（20世纪90年代五河来流为多年平均值的1.14倍,长江干流为多年平均值的1.02倍）,但F_e均值显示为-0.001,说明当五河来流较大且长江作用相对较大时,湖区容易出现洪涝灾害。20世纪60年代和21世纪初10年湖区均出现干旱灾情,但21世纪初10年的旱情更为严重^[16],其主要原因为五河来流相对较小（分别为多年平均值的0.87和0.88）,但21世纪初10年的F_e均值为0.007,为各年代最大,即湖区在五河来流本就不足的情况下对长江补水更多（鄱阳湖作用更大）。

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图3鄱阳湖与长江相互作用指标—能差Fe变化
-->Fig. 3Variation in F_e for 1953-2014 by year, overall monthly mean, and monthly mean before and after operation of the Three Gorges Dam
-->

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图4汉口站和五河六站之和的年均流量变化情况
-->Fig. 4Variation in annual average discharge at two stations from 1953 to 2014
-->

4.2 多年月平均能差变化

多年月平均能差的计算结果如图3b所示,可以发现,2-4月份的F_e值较大,7-9月份的F_e值较小。这是因为2-4月长江尚未到达汛期,流量相对较小,因此长江作用较小。当7月份长江进入汛期（图5a）,干流流量增大,对鄱阳湖产生较强的顶托作用,甚至产生湖水倒灌的现象,多年中各月倒灌天数和倒灌水量的总和如表3所示,其中9月份出现倒灌天数最多,7月份的江水倒灌量最大,表明长江作用强烈,因此,7月、9月的F_e值都相应很小。
Tab. 3
表3
表3汉口站长序列年中各月出现倒灌的情况
Tab. 3Backward flow conditions at Hukou station during 1953-2014

月份	月份	倒灌天数	倒灌量(10⁸m³)	月份	倒灌天数	倒灌量(10⁸m³)
1月	5月	0	0	9月	251	454
2月	6月	13	15	10月	59	80
3月	7月	204	540	11月	14	13
4月	8月	186	336	12月	2	0.4

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对于湖区年内旱涝的产生,江湖作用的强弱也有一定的影响。鄱阳湖流域的洪涝灾害多发生于6-8月,干旱灾害多发生于10月前后^[15],其原因可解释为五河来流在4-6月逐渐增加,长江作用在6-7月迅速增强,并在7-8月维持在较高水平,故容易发生洪涝灾害,而随着五河来流越来越小（图5b）,长江作用降低,鄱阳湖对长江补水作用增强（图3b）,湖区出现干旱情况。

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图5汉口站和五河六站多年月平均流量示意
-->Fig. 5Average monthly discharge at Hankou station and six other stations in the five tributaries of Poyang Lake
-->

4.3 三峡水库运行的影响

在三峡水库蓄水之前（1953-2002年）,能差平均值为-0.004,三峡蓄水之后（2004-2014年）,能差的平均值增大为0.017,这说明三峡水库的运行一定程度上减弱了长江作用。三峡蓄水前后汉口站多年月平均流量变化情况如表4所示,由湖口站各月水位流量的平均值计算的能差年内变化情况如图3c所示。可以发现,1-3月份能差略有减小,一方面由于人类大规模采砂活动,造成此期间在湖口同一水位条件下,鄱阳湖的泄流能力有所增加^[6],另一方面,三峡水库枯季泄水造成1-3月份湖口上游长江干流流量增加均达到20%以上,因此总体而言,鄱阳湖作用略有减弱;4-6月份能差略有增加,因为此时鄱阳湖处于汛期（图5b）,五河来流增加,且长江干流来流略有减小,因此鄱阳湖作用增强,长江作用减弱;7-12月份能差大幅减小,这是由于三峡水库汛期调峰和汛后蓄水,造成湖口上游长江干流来流大幅减小,削弱了长江对湖泊的顶托作用,这与Guo等、胡春宏等的研究^[17-18]一致。其中10月份流量变化率最大达-29%,因此,图3c中10月份F_e值增加最大。
Tab. 4
表4
表4三峡水库蓄水前后汉口站多年月平均流量变化表(m³/s)
Tab. 4Comparison of average monthly discharge at Hankou station before (1953-2002) and after (2004-2014) operation of the Three Gorges Dam

月份	1953-2002年	2004-2014年	变化率(%)	月份	1953-2002年	2004-2014年	变化率(%)
1月	8307	10252	23	7月	43330	36982	-15
2月	8387	10401	24	8月	38188	33843	-11
3月	10820	13199	22	9月	35332	30016	-15
4月	16362	16279	-1	10月	27701	19601	-29
5月	24730	23159	-6	11月	17950	16045	-11
6月	30052	30713	2	12月	11085	11524	4

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三峡水库蓄水导致江湖作用的变化对鄱阳湖区旱涝灾害的影响,主要体现在,当五河来流不会有大的波动的情况下,7-8月长江顶托作用减弱一定程度上降低了湖区夏季洪涝产生的可能性,但9-10月由于鄱阳湖作用增强,造成湖泊蓄水能力降低,因此会加剧该时期湖区的干旱问题^[19-20]。

4.4 表征指标的合理性分析

以往对鄱阳湖与长江相互作用指标做合理性分析,一般用长江干流和五河来流的径流量（流量）作为参数,将两者的径流量分别做无量纲处理（计算距平,式（11））,根据两者的相对大小再结合指标计算结果进行分析。但是笔者认为,单纯以流量（径流）的相对大小并不能完全代表长江干流和五河来流的能量大小,在3.1节中,实测资料也显示,20世纪90年代五河来流相对较大,但实际为长江作用较强,21世纪初10年五河来流相对较小,但实际为鄱阳湖作用较强。因此,本文对指标合理性分析的方法做出一些改进。
Tab. 5
表5
表5合理性分析(以2011年月平均为例)
Tab. 5Reasonableness analysis of F_e using 2011 hydrological data

月份	$\begin{matrix} I_{FJ} \end{matrix}$	$\begin{matrix} I_{FW} \end{matrix}$	F_e	$\begin{matrix} I_{QJ} \end{matrix}$	$\begin{matrix} I_{QW} \end{matrix}$	月份	$\begin{matrix} I_{FJ} \end{matrix}$	$\begin{matrix} I_{FW} \end{matrix}$	F_e	$\begin{matrix} I_{QJ} \end{matrix}$	$\begin{matrix} I_{QW} \end{matrix}$
1月	0.32	0.39	0.066	0.10^*	0.08^*	7月	0.29	0.09	-0.049	0.73	0.28
2月	0.31	0.43	0.077	0.04	0.06	8月	0.52	0.14	-0.065	0.63	0.10
3月	0.30	0.46	0.091	0.06	0.09	9月	0.54	0.24	-0.020	0.41	0.07
4月	0.35	0.44	0.066	0.10^*	0.08^*	10月	0.30	0.31	0.026	0.23	0.10
5月	0.29	0.46	0.084	0.10	0.12	11月	0.48^*	0.32^*	0.019	0.26^*	0.07^*
6月	0.33	0.34	0.023	0.60^*	0.37^*	12月	0.34	0.41	0.069	0.05^*	0.05^*

注：

I FJ

、

I FW

分别表示长江干流和五河来流的能差的距平;

I QJ 、 I QW

分别表示长江干流和五河来流的流量的距平,^*表示相对大小的结果与F_e值不符

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以2011年的各月平均值为例,用公式（10）分别计算长江和五河来流所具有的能差后,再计算距平,以此判断两者能量的相对大小,计算结果如表5所示。其中,长江来流所具有的“能量”以九江站的流量和水位资料为依据,五河来流所具有的“能量”以五河六站的流量总和与星子站的水位资料为依据。由表5可以发现,若以流量距平为参考值,则1月、4月、6月、11月、12月均与F_e值不符,尤其是4月、6月,流量距平的计算结果显示为长江干流相对五河来流更大,则应该为长江作用在江湖关系中占优,但在实际情况下,由于4-6月份为“五河流域”的汛期,五河来流迅速增加,但长江尚未进入汛期,因此鄱阳湖作用相对更强,所以,单纯以长江和五河流量的相对大小作为分析依据是存在不合理之处的。相反,以能差距平的计算结果进行分析,可以发现除11月外,两者均是相互吻合的,若

\begin{matrix} I_{FJ} \end{matrix}

\begin{matrix} I_{FW} \end{matrix}

大,则湖口处的F_e也显示为负,反之也成立,说明由湖口的水位流量情况计算的能差能正确反应实际情况中江湖关系中长江作用和鄱阳湖作用的相对大小。

\begin{matrix} I_{Ji} = \frac{J_{i} - J_{\min}}{J_{\max} - J_{\min}} \end{matrix}

（11）

5 结论与讨论

本文基于能量的角度,对鄱阳湖与长江相互作用及其表征指标进行了新的解读和研究,主要结论如下：
（1）鄱阳湖与长江的相互作用体现了长江干流和五河来流所具有能量的抗衡,长江对鄱阳湖的作用主要表现为顶托作用,湖口势能增大;鄱阳湖对长江的作用主要表现为补水作用,湖口动能增大。
（2）单纯以长江干流来流和五河来流的相对大小来判断江湖作用的强弱并不合适,因为流量大小并不能完全代表两者所具有的能量。能差F_e能够反映湖口处水流势能和动能的相对关系,间接反映了长江干流和五河来流所具有能量的大小,用其表征和量化江湖作用的强弱更为合适。
（3）20世纪50年代以来,能差F_e整体呈增加趋势,长江作用有所减弱,鄱阳湖作用不断增强。其中,21世纪初10年鄱阳湖作用最强,20世纪80年代长江作用最强。三峡水库蓄水运用进一步削弱了长江作用,同时从年内变化来看,枯水期长江作用略有增强,汛末长江作用减弱较大。
（4）江湖相互作用强弱变化对湖区的旱涝产生有一定的影响。当五河来流较大且长江作用明显时,湖区易产生洪涝灾害,当五河来流较小且鄱阳湖作用明显时,湖区易产生干旱灾情。三峡水库蓄水运用后,长江作用的减弱,一定程度上使湖区9-10月更易发生干旱灾情。
（5）本文基于能量的鄱阳湖—长江相互作用表征指标,不仅能用于鄱阳湖与长江相互作用关系的研究,也能为类似通江湖泊与干流的相互作用关系研究提供参考,但其前提是拓扑结构与鄱阳湖—长江类似,干流水量远大于支流湖泊的情况。长江中游干流与洞庭湖的关系,由于存在三口分流入湖、汇合四水经湖泊调蓄后再汇入江的过程,上述指标能否适用尚需要进一步的研究和论证。
The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献原文顺序
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[1]	Liu Zhigang, Ni Zhaokui.The rules and the effects of varing river-lake relationships on the evolution of Poyang Lake . Acta Scientiae Circumstantiae, 2015, 35(5): 1265-1273.Magsci [本文引用: 1]摘要鄱阳湖为长江流域最大的通江湖泊,江湖关系独特.现代鄱阳湖的形成及其演变是多种因素长期综合作用与发展的结果,且经历了几个不同的阶段.各种影响因素在鄱阳湖演变的不同阶段所发挥的作用也不尽相同.自然因素的影响过程较为缓慢,而人为因素的作用则较为明显,也更为直接.随着湖区人类社会经济的发展,人类对鄱阳湖的依存大大凸显其生态系统的重要性、脆弱性和敏感性.这必将对湖泊的演化,尤其是对冲积平原浅水湖泊的演变发挥决定性作用.特别是近年来面临着江湖关系、河湖关系和人湖关系的改变所带来的重大影响,未来鄱阳湖的发展和演变存在诸多变数和不确定性,面临着许多挑战.科学认识和预测江湖关系变化趋势及其对鄱阳湖的影响,并提出应对鄱阳湖演变与发展对策,对保障鄱阳湖生态安全尤为重要和迫切. [刘志刚, 倪兆奎. 鄱阳湖发展演变及江湖关系变化影响 . 环境科学学报, 2015, 35(5): 1265-1273.] Magsci [本文引用: 1]摘要鄱阳湖为长江流域最大的通江湖泊,江湖关系独特.现代鄱阳湖的形成及其演变是多种因素长期综合作用与发展的结果,且经历了几个不同的阶段.各种影响因素在鄱阳湖演变的不同阶段所发挥的作用也不尽相同.自然因素的影响过程较为缓慢,而人为因素的作用则较为明显,也更为直接.随着湖区人类社会经济的发展,人类对鄱阳湖的依存大大凸显其生态系统的重要性、脆弱性和敏感性.这必将对湖泊的演化,尤其是对冲积平原浅水湖泊的演变发挥决定性作用.特别是近年来面临着江湖关系、河湖关系和人湖关系的改变所带来的重大影响,未来鄱阳湖的发展和演变存在诸多变数和不确定性,面临着许多挑战.科学认识和预测江湖关系变化趋势及其对鄱阳湖的影响,并提出应对鄱阳湖演变与发展对策,对保障鄱阳湖生态安全尤为重要和迫切.
[2]	Wan Rongrong, Yang Guishan, Wang Xiaolong, et al.Progress of research on the relationship between the Yangtze River and its connected lakes in the middle reaches . Journal of Lake Science, 2014, 26(1): 1-8.https://doi.org/10.18307/2014.0101 URL [本文引用: 1]摘要自然通江的洞庭湖和鄱阳湖与长江之间形成复杂的江湖水沙交换关系,其变化影响着区域洪水灾害防治、水资源利用、水环境保护和水生态安全维护,是长江中游水问题的核心.从长江中游大型通江湖泊江湖关系的概念与内涵、江湖关系演变过程、江湖关系变化的影响因素及效应等方面,系统梳理了长江中游通江湖泊江湖关系研究的进展.针对当前研究现状和存在的问题,提出了研究江湖关系表征指标体系是正确认识江湖关系的前提;定量区分人类活动和气候变化影响的贡献率是江湖关系研究的重点和难点;深入跟踪研究三峡等重大工程对江湖关系变化的影响是一项长期任务;评估江湖关系调整背景下江湖关系的健康状况,研究以江湖水系重大水利工程群联合调度为核心的江湖关系优化调控原理,维持江湖两利的长江中游健康河湖系统格局和相互作用关系是江湖关系研究的根本目标. [万荣荣, 杨桂山, 王晓龙, 等. 长江中游通江湖泊江湖关系研究进展 . 湖泊科学, 2014, 26(1): 1-8.]https://doi.org/10.18307/2014.0101 URL [本文引用: 1]摘要自然通江的洞庭湖和鄱阳湖与长江之间形成复杂的江湖水沙交换关系,其变化影响着区域洪水灾害防治、水资源利用、水环境保护和水生态安全维护,是长江中游水问题的核心.从长江中游大型通江湖泊江湖关系的概念与内涵、江湖关系演变过程、江湖关系变化的影响因素及效应等方面,系统梳理了长江中游通江湖泊江湖关系研究的进展.针对当前研究现状和存在的问题,提出了研究江湖关系表征指标体系是正确认识江湖关系的前提;定量区分人类活动和气候变化影响的贡献率是江湖关系研究的重点和难点;深入跟踪研究三峡等重大工程对江湖关系变化的影响是一项长期任务;评估江湖关系调整背景下江湖关系的健康状况,研究以江湖水系重大水利工程群联合调度为核心的江湖关系优化调控原理,维持江湖两利的长江中游健康河湖系统格局和相互作用关系是江湖关系研究的根本目标.
[3]	Zhao Junkai, Li Jiufa, Dai Zhijun, etal. Analysis of water exchange between river and lakes in the middle and lower Yangtze River in low flow years . Journal of Natural Resources, 2011, 26(9): 1613-1624.https://doi.org/10.11849/zrzyxb.2011.09.017 URL Magsci [本文引用: 3]摘要利用宜昌、汉口、大通、城陵矶、湖口等重要水文站的长时间序列水位、流量资料,着重分析了1978年和2006年典型枯水年长江中下游江湖水交换作用。论文建立了能表明江湖水交换作用的经验公式,以此为量化方法来表示江湖水交换作用的强度。结果表明:1978年代表三峡大坝建造之前典型枯水年的性质,2006年则已显示出三峡水库的运行对通江湖泊与干流水交换的积极作用。表现在江湖水交换系数上,1978年洞庭湖和鄱阳湖分别为0.57和0.56,洞庭湖和鄱阳湖与长江水交换处于稳定状态;2006年洞庭湖和鄱阳湖水交换系数分别为0.89和0.51,显示出2006年比1978年水交换作用强烈。洞庭湖和鄱阳湖与长江交换水量显示:1978年补给长江水量为分别为1 990×10<sup>8</sup> m<sup>3</sup>和947×10<sup>8</sup> m<sup>3</sup>,约占同期大通径流量的29%和14%;2006年补给长江水量分别为1 962×10<sup>8</sup> m<sup>3</sup>和1 564×10<sup>8</sup> m<sup>3</sup>,约占同期大通径流量的28%和23%。尤其是2006年鄱阳湖补水量比平水年还多5%,该年大通站流量全年维持在10 000 m<sup>3</sup>/s以上,以此保证了下游乃至河口地区水资源供给的安全。 [赵军凯. 枯水年长江中下游江湖水交换作用分析 . 自然资源学报, 2011, 26(9): 1613-1624.]https://doi.org/10.11849/zrzyxb.2011.09.017 URL Magsci [本文引用: 3]摘要利用宜昌、汉口、大通、城陵矶、湖口等重要水文站的长时间序列水位、流量资料,着重分析了1978年和2006年典型枯水年长江中下游江湖水交换作用。论文建立了能表明江湖水交换作用的经验公式,以此为量化方法来表示江湖水交换作用的强度。结果表明:1978年代表三峡大坝建造之前典型枯水年的性质,2006年则已显示出三峡水库的运行对通江湖泊与干流水交换的积极作用。表现在江湖水交换系数上,1978年洞庭湖和鄱阳湖分别为0.57和0.56,洞庭湖和鄱阳湖与长江水交换处于稳定状态;2006年洞庭湖和鄱阳湖水交换系数分别为0.89和0.51,显示出2006年比1978年水交换作用强烈。洞庭湖和鄱阳湖与长江交换水量显示:1978年补给长江水量为分别为1 990×10<sup>8</sup> m<sup>3</sup>和947×10<sup>8</sup> m<sup>3</sup>,约占同期大通径流量的29%和14%;2006年补给长江水量分别为1 962×10<sup>8</sup> m<sup>3</sup>和1 564×10<sup>8</sup> m<sup>3</sup>,约占同期大通径流量的28%和23%。尤其是2006年鄱阳湖补水量比平水年还多5%,该年大通站流量全年维持在10 000 m<sup>3</sup>/s以上,以此保证了下游乃至河口地区水资源供给的安全。
[4]	Wang Dong, Li Yitian, Deng Jinyun, et al.Preliminary analysis of changes in hydraulic elements of Dongting Lake instorage period of Three Gorges Reservoir . Journal of Hydroelectric Engineering, 2014, 33(2): 26-32.https://doi.org/10.3724/SP.J.1105.2011.10334 URL Magsci摘要为了研究长江．洞庭湖关系对三峡水库径流调蓄作用的响应，本研究基于近期数据，对三峡水库蓄水期长江干流及洞庭湖水力要素进行比较研究。结果表明：长江入湖流量和出口顶托关系是影响洞庭湖调蓄过程的主要因素；三峡水库蓄水后，受蓄水影响三口10月流量减少，11月变化不大，城陵矶10、11月份水位略有降低，而流量有增加趋势：通过类比分析法提出了洞庭湖水量平衡时的临界水位，建立了该临界水位和入湖流量及监利流量量化关系，可量化洞庭湖水量受三峡水库调蓄作用的影响程度。 [王冬, 李义天, 邓金运, 等. 三峡水库蓄水期洞庭湖水力要素变化初步分析 . 水力发电学报, 2014, 33(2): 26-32.]https://doi.org/10.3724/SP.J.1105.2011.10334 URL Magsci摘要为了研究长江．洞庭湖关系对三峡水库径流调蓄作用的响应，本研究基于近期数据，对三峡水库蓄水期长江干流及洞庭湖水力要素进行比较研究。结果表明：长江入湖流量和出口顶托关系是影响洞庭湖调蓄过程的主要因素；三峡水库蓄水后，受蓄水影响三口10月流量减少，11月变化不大，城陵矶10、11月份水位略有降低，而流量有增加趋势：通过类比分析法提出了洞庭湖水量平衡时的临界水位，建立了该临界水位和入湖流量及监利流量量化关系，可量化洞庭湖水量受三峡水库调蓄作用的影响程度。
[5]	Lai Xijun, Huang Qun, Zhang Yinghao, et al.Discharge capacity analysis on Poyang Lake . Journal of Lake Science, 2014, 26(4): 529-534. [本文引用: 2] [赖锡军, 黄群, 张英豪, 等. 鄱阳湖泄流能力分析 . 湖泊科学, 2014, 26(4): 529-534.] [本文引用: 2]
[6]	Eddy C C, Colin B I G, Christopher H P, et al. Importance of lake-river interaction on seasonal patterns in the general circulation of Kamloops Lake , British Columbia. Limnol. Oceanogr., 1979, 24(4): 634-644.https://doi.org/10.4319/lo.1979.24.4.0634 URL [本文引用: 2]摘要 The physical effects of a large river (Thompson River) entering a deep, intermontane lake (Kamloops Lake, British Columbia) suggest that, depending upon its temperature relative to that of lake water, river water moves through the lake as a surface overflow, an intermediate depth interflow, or a near-bottom underflow. Circulation is further influenced by the earth's rotation so that the incoming river flows preferentially along the right-hand shoreline of the lake. Convective overturn in autumn and spring is influenced by cabbeling, which occurs whenever two parcels of water, one warmer than$4^\circC$and one colder, combine to form a mixture whose temperature is at or near$4\circC$.
[7]	Kneis D, Knoesche R, Bronstert A, et al.Analysis and simulation of nutrient retention and management for a lowland river-lake system . Hydrology & Earth System Sciences, 2006, 26(1): 121-124.https://doi.org/10.5194/hess-10-575-2006 URL [本文引用: 1]摘要 In the context of the European Water Framework Directive, we studied the possible impact of reduced emissions on phosphorus and nitrogen concentrations in a lowland river-lake system (Havel River, Germany). As a prerequisite, we quantified the retention of nutrients in the river from mass balances and deduced its seasonal variation. We detected that about 30% of the total nitrogen input is retained within the surveyed river section. In contrast, phosphorus release from sediments was shown to cause a considerable increase in present P concentrations. Average net phosphorus release rates of about 20 mg P mdin late summer were estimated for the Havel Lakes. Based on the observed patterns of N retention and P release we parametrized a newly developed water quality simulation program (TRAM), which allows alternative model approaches of different complexity to be implemented and tested. To account for the future trend of internal P loading, the phosphorus excess in lake sediments was estimated from core samples and included in the model as a state variable. For analyzing scenarios of reduced nutrient emissisions, the water quality simulation program was linked to mesoscale hydrological catchment models for the first time. From scenario simulations we conclude that internal P loading is likely to counteract efforts of emission control for decades. Even by significant reductions in external P loads, a persistent phosphorus limitation of primary production can hardly be established in the analyzed time frame of 13 years. Though in the short run a continued reduction in nitrogen loads appears to be the more promising approach of eutrophication management, we recommend enhanced efforts to diminish both N and P emissions.
[8]	Elisa M, Gara J I, Wolanski E.A review of the water crisis in Tanzania's protected areas, with emphasis on the Katuma river-Lake Rukwa ecosystem . Ecohydrology & Hydrobiology, 2010, 10(2-4): 153-165.https://doi.org/10.2478/v10104-011-0001-z URL [本文引用: 1]摘要 Several cases of the developing water crisis in semi-arid regions of Tanzania are described. Some cases have transboundary causes. These include Lake Victoria and the riparian population as a result of hydroelectricity developments in Uganda, the Serengeti ecosystem threatened by deforestation of the Mau forest and irrigation in Kenya, and several national parks threatened by irrigation projects within Tanzania. Some of these developments are given national priorities like in case of the Great Ruaha River. Other irrigation projects are driven by the local population to combat poverty. Most of these developments are in breach of state laws because there is no consideration of minimal environmental flows and all have profound negative impacts on people and wildlife downstream. The paper describes the previously unreported case of irrigation in the upper Katuma River that flows into Lake Rukwa, which lead to poverty increase, environmental degradation and a decrease in ecosystem services provision downstream. Governance at the watershed scale in a framework compatible with ecohydrology principles is needed. Such solutions are proposed.
[9]	Guo Hua, Hu Qi, Zhang Qi.Changes in hydrological interactions of the Yangtze River and the Poyang Lake in China during 1957-2008 . Acta Geographica Sinica, 2011, 66(5): 609-618.https://doi.org/10.11821/xb201105004 URL [本文引用: 1]摘要通过分析1957-2008年长江与鄱阳湖相互作用的基本特征及其与长江中游、鄱阳湖流域的径流量和气候变化的关系,并用2004-2006年三峡水库蓄水、放水量的数据,定量地计算和比较了三峡水库运行和区域气候变化对长江与鄱阳湖相互作用的影响程度,得出如下主要结论:1)从年际、年代际尺度上来看,鄱阳湖流域的气候变化和五河入湖流量是鄱阳湖水位和水量变化的主要因素,同时也在很大程度上决定了长江与鄱阳湖相互作用关系及其强弱变化.2)长江与鄱阳湖的相互作用强度是此消彼长的关系.从季节来看,鄱阳湖对长江的较强作用主要在4-6月,而长江对鄱阳湖的较强作用主要发生在7-9月.3)三峡水库运行并没有改变长江与鄱阳湖作用的基本特征,在多数季节三峡水库的影响不足以解释长江径流量变化的10%,但是水库在不同季节的蓄水或放水在一定程度上影响了江湖作用的季节变化和鄱阳湖流域的旱涝机率.4-6月的放水加强了长江作用,由于此时正值鄱阳湖流域的雨季,增强的长江作用在湿润气候的环境下可能增加初夏鄱阳湖流域发生洪涝的概率;7-9月的少量蓄水则减弱长江对鄱阳湖的作用,降低了湖区洪涝的概率;而10月份三峡水库的大量蓄水可能增加鄱阳湖流域的旱季干旱发生率. [郭华, Hu Qi, 张奇. 近50年来长江与鄱阳湖水文相互作用的变化 . 地理学报, 2011, 66(5): 609-618.]https://doi.org/10.11821/xb201105004 URL [本文引用: 1]摘要通过分析1957-2008年长江与鄱阳湖相互作用的基本特征及其与长江中游、鄱阳湖流域的径流量和气候变化的关系,并用2004-2006年三峡水库蓄水、放水量的数据,定量地计算和比较了三峡水库运行和区域气候变化对长江与鄱阳湖相互作用的影响程度,得出如下主要结论:1)从年际、年代际尺度上来看,鄱阳湖流域的气候变化和五河入湖流量是鄱阳湖水位和水量变化的主要因素,同时也在很大程度上决定了长江与鄱阳湖相互作用关系及其强弱变化.2)长江与鄱阳湖的相互作用强度是此消彼长的关系.从季节来看,鄱阳湖对长江的较强作用主要在4-6月,而长江对鄱阳湖的较强作用主要发生在7-9月.3)三峡水库运行并没有改变长江与鄱阳湖作用的基本特征,在多数季节三峡水库的影响不足以解释长江径流量变化的10%,但是水库在不同季节的蓄水或放水在一定程度上影响了江湖作用的季节变化和鄱阳湖流域的旱涝机率.4-6月的放水加强了长江作用,由于此时正值鄱阳湖流域的雨季,增强的长江作用在湿润气候的环境下可能增加初夏鄱阳湖流域发生洪涝的概率;7-9月的少量蓄水则减弱长江对鄱阳湖的作用,降低了湖区洪涝的概率;而10月份三峡水库的大量蓄水可能增加鄱阳湖流域的旱季干旱发生率.
[10]	Fang Chunming, Cao Wenhong, Mao Jixin, et al.Relationship between Poyang Lake and Yangtze River and the influence of Three Gorges Reservoir . Journal of Hydraulic Engineering, 2012, 43(2): 175-181.URL [本文引用: 2]摘要通过机理研究，结合实测资料分析，说明了鄱阳湖河相与湖相的分界水位，阐明了长江干流来流对湖口出流的顶托作用，并给出了湖口出现倒流的条件，得到了鄱阳湖对洪水的调节作用系数，初步理清了鄱阳湖与长江干流江湖相互影响规律。分析了三峡水库蓄水期的影响及鄱阳湖的枯水特性。三峡水库运用初期，其蓄水的前半段时间，鄱阳湖向长江干流多补水量23亿m^3，后半段少补水量11亿m^3。三峡水库运用30年后，在河道冲刷、可补水量减少和蓄水的共同作用下，鄱阳湖的枯水季节相当于提前了1个月左右。本研究对认识江湖关系及鄱阳湖治理具有重要意义。 [方春明, 曹文洪, 毛继新, 等. 鄱阳湖与长江关系及三峡蓄水的影响 . 水利学报, 2012, 43(2): 175-181.]URL [本文引用: 2]摘要通过机理研究，结合实测资料分析，说明了鄱阳湖河相与湖相的分界水位，阐明了长江干流来流对湖口出流的顶托作用，并给出了湖口出现倒流的条件，得到了鄱阳湖对洪水的调节作用系数，初步理清了鄱阳湖与长江干流江湖相互影响规律。分析了三峡水库蓄水期的影响及鄱阳湖的枯水特性。三峡水库运用初期，其蓄水的前半段时间，鄱阳湖向长江干流多补水量23亿m^3，后半段少补水量11亿m^3。三峡水库运用30年后，在河道冲刷、可补水量减少和蓄水的共同作用下，鄱阳湖的枯水季节相当于提前了1个月左右。本研究对认识江湖关系及鄱阳湖治理具有重要意义。
[11]	Hu Q, Feng S, Guo H, et al.Interactions of the Yangtze River flow and hydrologic process of the Poyang Lake, China . Journal of Hydrology, 2007, 347: 90-100.https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2007.09.005 URL [本文引用: 1]摘要 Recently available hydrological data from Hukou station at the junction of the Poyang Lake with the Yangtze River along with other data from stations in the Poyang Lake basin have allowed further examination and understanding of the basin effect (basin discharge generated by rainfall) and the Yangtze River blocking effect on variations of the Poyang Lake level and floods at annual to decadal scales. Major results show that the basin effect has played a primary role influencing the level of Poyang Lake and development of severe floods, while the Yangtze River played a complementary role of blocking outflows from the lake. In most cases, only when the basin effect weakened did the river effect become large, a relationship indicating that the river’s blocking effect diminishes when the lake level is high from receiving large amount of basin discharge, albeit a few exceptions to this relationship occurred when river flow also was elevated from receiving large rainfall discharges in upstream areas. Moreover, the basin effect has become stronger in the period 1960–2003 in accordance with the increase of warm season rainfall in the Poyang Lake basin. In particular, large increases of the basin’s rainfall in the 1990s corresponded to the most severe floods (in 1998, 1995, and 1992) of the last 4 decades. The strong increase of warm season rainfall in the Poyang Lake basin in the 1990s is consistent with the recent southward shift of major warm season rain bands in eastern China. Results of this study provide a utility for improving predictions of the Poyang Lake level and floods, which affect a population of about 10 million.
[12]	Dai X, Wan R R, Yang G S.Non-stationary water level fluctuation in China's Poyang Lake and its interactions with Yangtze River . Journal of Geographical Sciences, 2015, 25(3): 274-288.https://doi.org/10.1007/s11442-015-1167-x URL [本文引用: 1]摘要 Seasonal water-level fluctuations (WLF) play a dominate role in lacustrine ecosystems. River-lake interaction is a direct factor in changes of seasonal lake WLF, especially for those lakes naturally connected to upstream and downstream rivers. During the past decade, the modification of WLF in the Poyang Lake (the largest freshwater lake in China) has caused intensified flood and irrigation crises, reduced water availability, compromised water quality and extensive degradation of the lake ecosystem. There has been a conjecture as to whether the modification was caused by its interactions with Yangtze River. In this study, we investigated the variations of seasonal WLF in China Poyang Lake by comparing the water levels during the four distinct seasons (the dry season, the rising season, the flood season, and the retreating season) before and after 2003 when the Three Gorge Dam operated. The Water Surface Slope (WSS) was used as a representative parameter to measure the changes in river-lake interaction and its impacts on seasonal WLF. The results showed that the magnitude of seasonal WLF has changed considerably since 2003; the seasonal WLF of the Poyang Lake have been significantly altered by the fact that the water levels both rise and retreat earlier in the season and lowered water levels in general. The fluctuations of river-lake interactions, in particular the changes during the retreating season, are mainly responsible for these variations in magnitude of seasonal WLF. This study demonstrates that WSS is a representative parameter to denote river-lake interactions, and the results indicate that more emphasis should be placed on the decrease of the Poyang Lake caused by the lowered water levels of the Yangtze River, especially in the retreating season.
[13]	Du Yanliang, Zhou Huaidong, Peng Wenqi, et al.Modeling the impacts of the change of river-lake relationship on the hydrodynamic and water quality revolution in Poyang Lake . Acta Scientiae Circumstantiae, 2015, 35(5): 1274-1284.https://doi.org/10.13671/j.hjkxxb.2014.1047 URL Magsci [本文引用: 1]摘要鄱阳湖水文情势受流域来水及长江共同影响,近10年流域、长江和鄱阳湖间关系发生了较大变化,导致了新的水文节律调整,进一步使得湖区水质环境发生变化.对近10年序列(2003—2012年)和1956—2002年序列的多年平均的日水文过程进行对比,分析了鄱阳湖的流域入流、湖口出流及湖区水位的年内变化过程;近10年鄱阳湖最高水位降低,湖相时间变短,河相时间增长;通过构建鄱阳湖的二维水动力水质模型,并采用实测2010年湖区水动力及水质数据对模型进行率定验证,在此基础上着重研究流域、江湖水文情势变化条件下,湖区的水动力和水质发生的变化.模拟结果显示,由于4—6月间湖区丰水期滞后13 d,8—10月间枯水期提前21 d,导致TN浓度在两个时间段内分别上升10.6%和12.4%,TP浓度在两期间内分别升高11.7%和13.6%.在8—10月期间,湖区水位下降速率增加,南部与西部的碟型湖提前与主湖区分离,形成相对静水的水塘,加剧了碟型湖的富营养化风险. [杜彦良, 周怀东, 彭文启, 等. 近10年流域江湖关系变化作用下鄱阳湖水动力及水质特征模拟 . 环境科学学报, 2015, 35(5): 1274-1284.]https://doi.org/10.13671/j.hjkxxb.2014.1047 URL Magsci [本文引用: 1]摘要鄱阳湖水文情势受流域来水及长江共同影响,近10年流域、长江和鄱阳湖间关系发生了较大变化,导致了新的水文节律调整,进一步使得湖区水质环境发生变化.对近10年序列(2003—2012年)和1956—2002年序列的多年平均的日水文过程进行对比,分析了鄱阳湖的流域入流、湖口出流及湖区水位的年内变化过程;近10年鄱阳湖最高水位降低,湖相时间变短,河相时间增长;通过构建鄱阳湖的二维水动力水质模型,并采用实测2010年湖区水动力及水质数据对模型进行率定验证,在此基础上着重研究流域、江湖水文情势变化条件下,湖区的水动力和水质发生的变化.模拟结果显示,由于4—6月间湖区丰水期滞后13 d,8—10月间枯水期提前21 d,导致TN浓度在两个时间段内分别上升10.6%和12.4%,TP浓度在两期间内分别升高11.7%和13.6%.在8—10月期间,湖区水位下降速率增加,南部与西部的碟型湖提前与主湖区分离,形成相对静水的水塘,加剧了碟型湖的富营养化风险.
[14]	Ye Xuchun, Li Xianghu, Zhang Qi.Temporal variation of backflow frequency from the Yangtze River to Poyang Lake and its influencing factors . Journal of Southwest University (Natural Science Edition), 2012, 34(11): 69-75.URL [本文引用: 1]摘要长江中游通江湖泊江湖关系的核心是长江和湖泊之间的水量交换，而江水倒灌是江湖关系相互作用中强烈的长江顶拖作用的一种最直接表现．本文以1960—2007年鄱阳湖湖口水文站的实测水文资料为基础，分析和探讨了江水倒灌鄱阳湖的时序变化特征及其影响因素．研究结果表明：受差异性的湖泊流域和长江中上游来水的影响，江水倒灌的发生主要集中在长江主汛期的7，8和9三个月，其中7月中下旬、8月底至9月中下旬是江水倒灌最为频繁的时期；近50年来江水倒灌频率的年际变化总体呈长期的减小趋势，不同年代间呈现一多一少的相间分布格局，反映出江湖作用强度在年代际尺度上存在一个此消彼长的波动过程．江水倒灌及其所反映的江湖关系相互作用的演变过程，与长江流域气候波动背景下长江中上游来水和鄱阳湖流域来水量的差异密切相关．另一方面，不同时期长江中下游过水能力的变化以及人类活动影响下鄱阳湖流域来水量和水位关系的改变也对江湖关系的演变产生了一定影响． [叶许春, 李相虎, 张奇. 长江倒灌鄱阳湖的时序变化特征及其影响因素 . 西南大学学报(自然科学版), 2012, 34(11): 69-75.]URL [本文引用: 1]摘要长江中游通江湖泊江湖关系的核心是长江和湖泊之间的水量交换，而江水倒灌是江湖关系相互作用中强烈的长江顶拖作用的一种最直接表现．本文以1960—2007年鄱阳湖湖口水文站的实测水文资料为基础，分析和探讨了江水倒灌鄱阳湖的时序变化特征及其影响因素．研究结果表明：受差异性的湖泊流域和长江中上游来水的影响，江水倒灌的发生主要集中在长江主汛期的7，8和9三个月，其中7月中下旬、8月底至9月中下旬是江水倒灌最为频繁的时期；近50年来江水倒灌频率的年际变化总体呈长期的减小趋势，不同年代间呈现一多一少的相间分布格局，反映出江湖作用强度在年代际尺度上存在一个此消彼长的波动过程．江水倒灌及其所反映的江湖关系相互作用的演变过程，与长江流域气候波动背景下长江中上游来水和鄱阳湖流域来水量的差异密切相关．另一方面，不同时期长江中下游过水能力的变化以及人类活动影响下鄱阳湖流域来水量和水位关系的改变也对江湖关系的演变产生了一定影响．
[15]	Guo Hua, Hu Qi, Zhang Qi, et al.Annual variations in climatic and hydrological processes and related flood and drought occurrences in the Poyang Lake basin . Acta Geographica Sinica, 2012, 67(5): 699-709.https://doi.org/10.1007/s11783-011-0280-z URL [本文引用: 2]摘要本研究分析了1960-2008年鄱阳湖流域的气候和水文变化特征,用水量和能量平衡关系解释和印证了这些特征,并由此揭示了鄱阳湖流域水文变化特征的成因及干旱和洪涝发生的规律。得到以下主要结论:1)正常或偏湿年份鄱阳湖流域6月份容纳水量能力已达到饱和,若6-7月降水量超出正常年份,则流域超饱和,洪涝发生。长江中上游降水量7月份的异常偏多会对鄱阳湖流域的洪涝起触发和强化作用。2)鄱阳湖流域7-10月蒸发量大于降水量,特别是7-8月蒸发量大于降水量的一倍以上,所以若4-6月流域降水量少于平均年同期量的20%以上,则累积效应使秋旱发生。当初冬(11月)降水偏少时,秋旱可持续到来年的初春,形成严重的春旱。长江中上游降水量对鄱阳湖流域的春旱没有直接影响,但7-8月降水量偏少时则对秋旱起重要的强化作用。3)长江对鄱阳湖流域的水文过程和旱涝的发生、发展的影响主要在7-8月的"长江与鄱阳湖耦合作用"时期和9-10月的"弱长江作用"期 [郭华, Hu Qi, 张奇, 等. 鄱阳湖流域水文变化特征成因及旱涝规律 . 地理学报, 2012, 67(5): 699-709.]https://doi.org/10.1007/s11783-011-0280-z URL [本文引用: 2]摘要本研究分析了1960-2008年鄱阳湖流域的气候和水文变化特征,用水量和能量平衡关系解释和印证了这些特征,并由此揭示了鄱阳湖流域水文变化特征的成因及干旱和洪涝发生的规律。得到以下主要结论:1)正常或偏湿年份鄱阳湖流域6月份容纳水量能力已达到饱和,若6-7月降水量超出正常年份,则流域超饱和,洪涝发生。长江中上游降水量7月份的异常偏多会对鄱阳湖流域的洪涝起触发和强化作用。2)鄱阳湖流域7-10月蒸发量大于降水量,特别是7-8月蒸发量大于降水量的一倍以上,所以若4-6月流域降水量少于平均年同期量的20%以上,则累积效应使秋旱发生。当初冬(11月)降水偏少时,秋旱可持续到来年的初春,形成严重的春旱。长江中上游降水量对鄱阳湖流域的春旱没有直接影响,但7-8月降水量偏少时则对秋旱起重要的强化作用。3)长江对鄱阳湖流域的水文过程和旱涝的发生、发展的影响主要在7-8月的"长江与鄱阳湖耦合作用"时期和9-10月的"弱长江作用"期
[16]	Zhang Z X, Chen X, Xu C Y, et al.Examining the influence of river-lake interaction on the drought and water resources in the Poyang Lake basin . Journal of Hydrology, 2015, 522: 510-521.https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2015.01.008 URL [本文引用: 1]摘要 In recent years, the Poyang Lake basin is in a prolonged drought which has placed immense pressure on the water resources utilization. In this paper, we explore the spatial and temporal distributions of extreme droughts in the Poyang Lake basin by using the methods of SPI (Standardized Precipitation Index) and EOF (Empirical Orthogonal Function) for the period of 1956 2009, which are influenced by regional precipitation anomalies and river ake interaction due to water impounding of the Three Gorges Dam (TGD). The results show that: (1) the Poyang Lake basin experienced six extreme droughts during the past 60 years, which lead to decreases in streamflow from five tributary rivers down to the Poyang Lake. The droughts in the 1960s and the 2000s were the most serious ones. However, there was an increasing trend of streamflow in the upper and middle Yangtze in the 1960s, and a decreasing trend appeared in the 2000s. The decline of streamflow in the upper Yangtze reaches has lowered the water level of lower Yangtze River which has caused more outflow from the Poyang Lake to the Yangtze River; (2) the operation of the Three Gorges Dam (TGD) has altered the seasonal pattern of flow regimes in the Poyang Lake and significantly reduced the water level in the lower Yangtze River during the TGD impounding period from late September to early November; and (3) the conjunction of extreme droughts in the Poyang Lake and the upper Yangtze reaches coincided with the impounding of the TGD is the main cause of the low water level in the Poyang Lake. Although the impact of the recent droughts in the Poyang Lake and upper Yangtze reaches has played a crucial role in the low water level of Poyang Lake, more attention should be paid to its sensitivity to the influence of the large dam-induced changes in the interaction between river and lake, particularly during impounding periods.
[17]	Guo H, Hu Q, Zhang Q, et al. Effects of the Three Gorges Dam on Yangtze River flow and river interaction with Poyang Lake , China:2003-2008. Journal of Hydrology, 2012, 416/417: 19-27. [本文引用: 1]
[18]	Hu Chunhong, Wang Yangui.Sediment problems and relationship between river and lakes since the operation of Three Gorges Project . Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2014, 31(5): 107-116.https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.05.022 URL Magsci [本文引用: 1]摘要泥沙问题是影响三峡工程调度运行和寿命的关键因素之一,在工程论证、规划、设计、施工和运行过程中,利用多种研究手段对三峡工程泥沙问题进行了广泛深入的研究,取得了重要研究成果。采用三峡水库蓄水以来的实测资料进行分析,检验以往泥沙研究成果的合理性与可靠性。分析结果表明:三峡工程经10 a的运行,泥沙问题基本态势良好,局部问题经认真应对,处于已控或可控之中。但随着时间的推移,这些泥沙问题有可能积累、发展和转化,仍应继续高度重视。针对三峡工程运行后长江中下游江湖关系的变化进行了分析,指出:三峡工程运行后坝下游河道产生强烈的、大范围的冲刷;洞庭湖和鄱阳湖的湖口水位下降,对2湖分流分沙等产生了一定的影响;出现了枯水期2湖水资源供需矛盾尖锐等问题;通过洞庭湖和鄱阳湖的湖口建闸等措施对解决所存在的问题是有效和可行的。 [胡春宏, 王延贵. 三峡工程运行后泥沙问题与江湖关系变化 . 长江科学院院报, 2014, 31(5): 107-116.]https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.05.022 URL Magsci [本文引用: 1]摘要泥沙问题是影响三峡工程调度运行和寿命的关键因素之一,在工程论证、规划、设计、施工和运行过程中,利用多种研究手段对三峡工程泥沙问题进行了广泛深入的研究,取得了重要研究成果。采用三峡水库蓄水以来的实测资料进行分析,检验以往泥沙研究成果的合理性与可靠性。分析结果表明:三峡工程经10 a的运行,泥沙问题基本态势良好,局部问题经认真应对,处于已控或可控之中。但随着时间的推移,这些泥沙问题有可能积累、发展和转化,仍应继续高度重视。针对三峡工程运行后长江中下游江湖关系的变化进行了分析,指出:三峡工程运行后坝下游河道产生强烈的、大范围的冲刷;洞庭湖和鄱阳湖的湖口水位下降,对2湖分流分沙等产生了一定的影响;出现了枯水期2湖水资源供需矛盾尖锐等问题;通过洞庭湖和鄱阳湖的湖口建闸等措施对解决所存在的问题是有效和可行的。
[19]	Zhang Q, Ye X C, Werner A, et al.An investigation of enhanced recessions in Poyang Lake: Comparison of Yangtze River and local catchment . Journal of Hydrology, 2014, 517: 425-434.https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2014.05.051 URL [本文引用: 1]摘要 Changes in lake hydrological regimes and the associated impacts on water supplies and ecosystems are internationally recognized issues. During the past decade, the persistent dryness of Poyang Lake (the largest freshwater lake in China) has caused water supply and irrigation crises for the 12.4 million inhabitants of the region. There is conjecture as to whether this dryness is caused by climate variability and/or human activities. This study examines long-term datasets of catchment inflow and Lake outflow, and employs a physically-based hydrodynamic model to explore catchment and Yangtze River controls on the Lake’s hydrology. Lake water levels fell to their lowest during 2001–2010 relative to previous decades. The average Lake size and volume reduced by 15402km 2 and 1102×0210 8 02m 3 during the same period, compared to those for the preceding period (1970–2000). Model simulations demonstrated that the drainage effect of the Yangtze River was the primary causal factor. Modeling also revealed that, compared to climate variability impacts on the Lake catchment, modifications to Yangtze River flows from the Three Gorges Dam have had a much greater impact on the seasonal (September–October) dryness of the Lake. Yangtze River effects are attenuated in the Lake with distance from the River, but nonetheless propagate some 10002km to the Lake’s upstream limit. Proposals to build additional dams in the upper Yangtze River and its tributaries are expected to impose significant challenges for the management of Poyang Lake. Hydraulic engineering to modify the flow regime between the Lake and the Yangtze River would somewhat resolve the seasonal dryness of the Lake, but will likely introduce other issues in terms of water quality and aquatic ecosystem health, requiring considerable further research.
[20]	Zhang ZX, Huang Y H, Xu C Y, et al.Analysis of Poyang Lake water balance and its indication of river-lake interaction . SpringerPlus, 2016, 5(1): 1555.https://doi.org/10.1186/s40064-016-3239-5 URLPMID:5021641 [本文引用: 1]摘要 In recent years, water shortage is becoming one of the most serious problems in the Poyang Lake. In this paper, the long-term water balance items of the Poyang Lake have been analyzed to reveal the coupling effects of Three Gorges Dam (TGD) and droughts on the water balance of Poyang Lake. The results indicate that: (1) the water balance items of Poyang Lake vary greatly, e.g. lake precipitation and inflow decrease during the past several decades while evaporation and water consumption increase significantly; (2) the water balance of Poyang Lake has been affected by the operation of TGD. Negative lake water balance in recent years leads to a serious water shortage problem in the Poyang Lake. Moreover, the operation of TGD also changed the river ake relationship in the lower Yangtze River basin; (3) the coupling effects of drought and TGD on the lake water balance has been analyzed by using composite analysis method and it can be found that the operation of TGD has significantly altered the lake water balance. But it is not the only factor that affects the lake water balance, and the droughts might cause their relations to be much more complicated.

基于能量的鄱阳湖—长江相互作用表征指标研究

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

Characterization index for expressing the relationship between the Yangtze River and Poyang Lake based on the theory of energy

1 引言

2 研究区域概况