基于SWAT模型的三峡水库运行下长江与鄱阳湖江湖关系研究

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二十世纪以来的人类活动加速了江湖关系的演化,尤其是三峡水库等调控性水利工程的建成运行,驱动江湖关系展开新一轮调整。汛期水库泄水加大流域防洪压力,枯水季节水库蓄水加剧旱情程度。三峡水库调度运行下江湖关系的变化对鄱阳湖流域洪旱灾害压力加重问题倍受关注和争议。因此,量化评估江湖关系并分析其变化规律为优化水库调度方案和制定流域抗洪旱政策提供重要的科学依据,对鄱阳湖乃至整个长江流域经济发展和生态建设影响深远。为量化评估三峡水库运行下长江和鄱阳湖江湖关系,本文通过在大尺度长江流域构建SWAT(Soil and Water Assessment Tool)分布式水文模型,模拟有、无水库情景模式下长江流域径流量,从能量观点考虑,利用湖口水位、径流量计算能差(Fe)量化表征江湖关系。主要的研究内容和研究结果如下:(1)在大尺度长江流域验证SWAT模型的适用性,评价指标选用判定系数R2、纳什效率系数NS和偏差百分数PBIAS。长江干流华弹、寸滩、宜昌、汉口、九江和大通率定期(1981~1990年)和验证期(1991~2000年)评价指标R2和NS都在0.80以上,大多达到0.90以上,PBIAS的绝对值也均低于10%;湖口水文站R2和NS多在0.75以上,PBIAS的绝对值也均低于5%。由此判定SWAT模型适用于长江流域。(2)构建SWAT模型。利用模型控制气象等因素一致性,设置有、水库情景,模拟三峡水库全面运行后(2010~2018年)长江和鄱阳湖流域径流量。三峡水库运行下,长江干流水文过程趋势变化趋缓,夏季峰值降低、冬季谷值升高,鄱阳湖作为江湖作用的交汇点,径流量波动周期性远不如长江干流,湖口径流量趋势波峰在每年的6月左右,波谷在2月份左右,期间还存在不规律的小波峰。(3)利用湖口水位、径流量计算能差(Fe)量化表征江湖关系并分析其变化规律。两种情景下江湖作用的趋势大体一致,每年的6/7月~10/11月Fe小于0,为长江作用主导;11/12月~5/6月Fe大于0,为鄱阳湖作用主导。三峡水库运行下,2010年8、9月,Fe分别为-0.1560、-0.1147,研究时段内仅有连续低值(<-0.1),即长江作用强烈,鄱阳湖发生严重洪涝灾害;2013年11、12月,Fe分别为0.1180、0.1436,研究时段内仅有连续高值(>0.1),即鄱阳湖作用强烈,鄱阳湖发生罕见旱灾。年际变化趋势上,较无水库情景都阳湖增强、长江作用减弱。从月均年内分四期看,水库运行下泄水期Fe小于0,江湖关系表现为长江作用,作用不断增强,但影响不大;洪水期Fe均小于无水库情景,长江作用继续增强,如正遇鄱阳湖洪水期,长江作用阻碍鄱阳湖出流,会增加鄱阳湖流域的防洪压力;蓄水期Fe由-0.0522上升至0.0399,江湖关系表现为由长江作用在10月期间过渡到鄱阳湖作用,水库若提前或延长蓄水时间,减少了长江干流流量,湖口出流增减,进一步加剧鄱阳湖流域旱情;枯水期鄱阳湖作用较无水库情景下弱,Fe峰值仅为0.0754,枯水期间持续蓄水,长江流量减少、水位下降,对鄱阳湖形成“拉空效应”,是鄱阳湖流域旱情逐渐加剧的原因之一,但如果此期间水库适当放水加大长江径流量,对缓解鄱阳湖枯水季旱情有一定积极影响。
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