洞庭湖的水沙演变是引起洞庭湖生态环境变化的关键因子,尤其是三峡水库运行后,荆江三口来水来沙的剧烈变化是导致江湖关系演变的关键驱动力。因此,系统研究洞庭湖水沙时空演变及其对水资源安全的影响,是洞庭湖研究的前沿课题。全面分析洞庭湖水沙演变与变异规律,重点探讨新的来水来沙条件对洞庭湖区水资源安全的影响,为洞庭湖的治理提供新的思路和技术支撑。论文立足于地理学和水文学,以水文学、生态学、自然地理学、水资源与环境科学及工程水文学等学科基本理论为指导,运用Mann—Kendall趋势和突变检验法、线性回归趋势分析、双累积曲线法、累积滤波器法、R/S分析法、小波分析法等多种分析方法,定性分析与定量计算相结合,并充分应用统计分析软件Spss、DPS,科学计算软件Matlab以及ArcGis、MapInfo和CorelDraw等地理信息系统软件等。主要研究内容与研究成果如下:(1)江湖关系即将发生新的调整过程。洞庭湖区河流水系发达,江湖关系复杂,三峡水库蓄水运行以后,三口入湖水沙发生了较大变化,引起洞庭湖区的连锁反应,湖区蓄洪能力、江湖生态系统稳定性、湖区湿地生态功能和泥沙淤积受到不同程度的影响,江湖关系面临新的调整过程。(2)基于时间序列变异理论,采用过程线法、滑动平均法、距平分析法、Mann—Kendall非参数检验法、小波分析法等多种时间序列统计分析方法,对洞庭湖区入出湖径流量和输沙量的演变过程与变化规律进行分析,并探讨了洞庭湖冲淤时空变化,主要结果如下:(Ⅰ)湖南四水入湖水沙变化。四水入湖水量除湘水有增加趋势外,其余均呈微弱的衰减趋势,而入湖沙量则均呈较显著衰减趋势,入湖水沙量均处于少水(沙)期;历年水沙变化有明显突变特征,且输沙量变化呈强持续性;四水径流量分别有23a、23a、24a和33a的周期性,输沙量有21a、20a、22a和13a的周期性;四水入湖水量和沙量年内分配不均匀性特征较明显,特别是输沙量的年内分配极为不均,径流集中于5～7月,输沙集中于6～7月。(Ⅱ)荆江三口入湖水沙变化。三口入湖水沙量均呈显著衰减趋势,输沙量衰减趋势更为显著,入湖水沙量均处在一个少水(沙)期;历年水沙变化有明显突变特征,均表现为强持续性;三口径流周期分别为16a、31a、31a,输沙周期分别为33a、31a、31a;三口入湖水沙量年内分配极不均匀,汛期径流量和输沙量占全年的比例均在90%以上,径流输沙均集中在每年的7月份,三口分流洪道萎缩速度加快,枯季三口断流天数显著增多。(Ⅲ)城陵矶出湖水沙变化。出湖水沙量均呈减少趋势,径流序列分为1951～1970年多水期和1971～2011年的少水期,输沙序列分为1951～1982年多沙期和1983～2011年少沙期;城陵矶径流和输沙序列分别在1971年和1982年发生了突变,分别具有35a和31a的周期性特征;径流输沙年内分配不均匀,分别集中在每年的7月和4月。(ⅣV)湖泊冲淤变化。洞庭湖在形成和演变过程中大致经历了形成、扩大、破碎和解体的过程变化。1951～2011年洞庭湖淤积泥沙总量627173×104t,年均淤积量为10282× 104t,洞庭湖平均淤积厚度达1.56m,年均淤积厚度约为2.56cm。淤积较为严重的区域主要集中在西、南洞庭湖,七里湖现已淤平。(3)洞庭湖水沙变异诊断。受自然和人类活动双重因素影响,江湖关系先后发生了多次较大调整过程。探讨了水沙变异识别的系统流程和方法,采用累积滤波器法、线性回归法、滑动平均法、Mann—Kendall趋势和突变检验法、R/S分析法、小波分析法等多种统计分析方法,对洞庭湖水沙变化的趋势性、突变点、持续性和周期性进行分析和诊断。(Ⅰ)趋势性:三口、四水和城陵矶径流和输沙均呈衰减趋势,且输沙衰减趋势更为显著;(Ⅱ)突变点:三口入湖径流输沙序列分别在1977年和1990年附近发生了突变;四水径流序列未发生突变,输沙序列在1996年附件发生了突变;城陵矶径流序列在1971年发生了突变,输沙序列在1982年发生了突变;(Ⅲ)持续性:三口、四水和城陵矶径流输沙均表现出正持续性;(Ⅳ)周期性:三口、四水和城陵矶径流序列第一主周期分别为31a、23a和35a,输沙序列第一主周期分别为31a、21a和31a。(4)在对荆江—洞庭湖河网结构进行概化的基础上,建立江湖联合水沙数学模型对洞庭湖区水沙耦合过程进行模拟,分别构建多变量自回归模型、人工神经网络模型、投影寻踪回归模型、支持向量机模型对洞庭湖入出湖水沙进行仿真模拟。结果表明,通过SVM模型模拟径流量的最大误差百分比为2.84%,其余误差均在2%以内,输沙量最大误差百分比为15.22%(2007年),其余误差均在2%以内,SVM模型具有较高的模拟精度,可信度较高,可以用来对洞庭湖出湖水沙进行预测。(5)洞庭湖水沙时空演变对水资源安全的影响与水资源优化配置研究。从防洪安全(水多)、缺水安全(水少)、水质安全(水脏)和饮水安全等方面分析了洞庭湖区面临的水资源安全状况,并对影响湖区水资源安全的因素进行了探讨。(Ⅰ)水量安全的影响:水量安全包括防洪安全和缺水安全两个方面,三峡水库建成后洞庭湖的防洪形势有所好转,但三峡并不能完全解决洞庭湖的防洪安全问题,湖区的防洪形势依然严峻;另外随着三口入湖水量的减少,洞庭湖的缺水问题也越来越严重,必须引起足够重视。(a)防洪安全:①2003年三峡水库蓄水以后,水库对长江上游洪水具有一定的削峰作用,洞庭湖的防洪压力有所减轻;②但三峡水库并不能够完全解决洞庭湖的洪涝灾害问题,洞庭湖区一直是受洪涝灾害影响最为严重的区域之一,洞庭湖自身的防洪作用依然占据不可替代的地位;③三峡水库蓄水运行减少了荆江三口入湖沙量,有利于减轻洞庭湖的泥沙淤积;④但三峡运行初期将会对长江干流河道造成冲刷,进一步加剧湖口出流顶托作用,不利于湖区的防洪排涝,且水库调度作用使后洪水过程历时延长,对湖区防洪造成不利影响。(b)缺水安全:三峡水库拦截了上游的大量泥沙,坝下游清水下泄导致长江干流冲刷,河床下切,枯水期时间延长,流量减小,枯水位显著下降,不利于洞庭湖水生态环境的保护以及湖区水资源的综合利用。荆江三口入湖水量锐减至475×108m3/a(2003～2010年),导致湖区连年季节性缺水,枯季荆江三口断流天数逐年增加,2006年藕池河西支断流天数达336d,刷新了历史断流天数记录。洞庭湖近几年持续出现水位偏低、湖泊面积不断萎缩,致使洞庭湖区严重的缺水形势。(Ⅱ)水质安全的影响:三峡水库蓄水运用后,荆江三口入湖水量发生了较大变化,湖泊水体自净能力受到较大影响。①湖区水质污染逐渐加剧,水体TN和TP的浓度呈上升趋势,湖区各水域水质综合污染指数以入湖口水域最大,湖体水域次之,出湖口水域最小;湖体水质表现为东洞庭湖劣于南洞庭湖,南洞庭湖劣于西洞庭湖。②2007年以前洞庭湖Ⅱ类水质断面所占比例总体上呈现下降趋势,Ⅲ类水质断面所占比例不断上升,2007年以后洞庭湖Ⅱ类水质断面所占比例总体上呈现上升趋势,Ⅲ类水质断面所占比例不断下降;各年份Ⅰ—Ⅲ类水质断面比例均为100.0%,整体水质状况为优;洞庭湖水质的水期变化较为明显,汛期水质较好,平水期和丰水期水质状况均为优,而非汛期水质较差。③洞庭湖富营养化状态从1991～2007年的中营养化到2008～2010年的轻度富营养化。三峡工程运行后将对洞庭湖富营养化带来影响:一方面,洞庭湖来水量减少导致水体自净能力减弱,从而TN、TP、CODMn等浓度上升;另一方面,来沙量减少导致SS减少,进而导致SD提高和Chla增加。④采用支持向量机建立洞庭湖富营养化预测模型,经检验,TN、TP、CODMn、Chla、SD模型均能够满足预测要求,预测结果表明:各污染物浓度上升趋势较为明显。⑤洞庭湖CODMMn、TN、TP的多年平均水环境容量分别为2963740t、699935t、50073t。枯水期:11 月份CODMn、TN、TP 三种污染物月平均水环境容量分别衰减10757t、289t和24t;1～4、12月份水环境容量在蓄水前后变化不大。丰水期:10月份的水环境容量变化最大,主要是因为10月开始蓄水,洞庭湖的净化能力受到影响。⑥洞庭湖区水质污染和富营养化是点源污染和面源污染共同作用形成的,其中点源污染主要指工业污染,面源污染主要包括农业污染、地表径流污染和生活污染等,洞庭湖的N、P元素超标主要是面源污染引起的。(Ⅲ)饮水安全的影响。受工业废水、生活污水和农药化肥等对湖泊水体的污染,湖区水质性缺水形势越来越严重,需要解决饮水安全的人口已达350.3万人,占全省的24.5%,饮水安全问题亟待解决。①洞庭湖地表水和地下水受到严重污染,人畜饮水安全受到威胁,同时荆江三口入湖水量锐减,湖区降水持续偏少也加剧了湖区的旱情;另外,湖区改水工作步履维艰是农村饮水困难的现实情况。②三峡工程运行后,每年10月份开始蓄水,下泄流量比多年平均流量减少7890m3/s,枯水期1～3月份流量增加1170～1760m3/s,4月份流量减少370m3/s,5月份流量增加3760m3/s,洪水期6～9月份流量变化不大。荆江三口入洞庭湖的水量显著减少,湖区潜水位下降,尤其是枯水期水位下降明显。③最后提出解决湖区饮水安全的措施。首先应优化水资源配置,加强水资源保护,做到取水与治污相结合,加大湖区饮用水工程建设力度,加强饮水安全的管理。