水沙过程变异下洞庭湖健康状态的响应与调控

项目以江河水沙关系密切的洞庭湖为研究对象，从水沙过程作用于湖泊系统功能这一深层因子入手，探讨洞庭湖系统功能健康问题: ⑴建立地貌水文与生态水文藕合模型，解释水沙过程与湖泊系统功能及其健康间的对应因果关系，揭示影响湖泊健康的动力学机制；⑵基于湖泊系统功能对水沙过程变化响应的层次性﹑关联性和时空分异性，表征洞庭湖系统功能健康內涵，刻画其健康概念；⑶基于湖泊管理评估工具，评价不同阶段的东﹑西两洞庭湖健康状态，揭示湖泊健康状态的变化趋势，分析湖泊健康状态对水沙过程变异的响应特征和响应机理，寻找湖泊开发与保护间的相对基准点；⑷基于湖泊管理目标，用统计模型分別推求现阶段维护健康洞庭湖的水沙阈值和开发利用阈值，以及用回归模型和GM（1，1）灰色模型，预测10年﹑20年后维护健康洞庭湖水沙阈值及开发利用阈值。这对于完善与深化湖泊科学理论体系，寻找维护洞庭湖健康调控措施及目标具有重要意义。

近数十年水沙发生了明显变化，对洞庭湖系统功能产生了较大影响。从水沙过程作用于湖泊健康这一深层因子出发，一是探讨湖泊健康内涵及其与水沙的关系，认为水沙过程变化促使湖泊系统功能作出诸如湖盆形态变形﹑湖面湖容缩小﹑生物多样性不稳定﹑水环境净化能力减弱、水旱灾害频发等方面的响应，洞庭湖健康应包括其形态系统功能健康、生态系统功能健康和服务系统功能健康。二是评价洞庭湖健康状态及其影响机制，结果发现：（1）2004年和2006年水质指数为南洞庭湖＞东洞庭湖＞西洞庭湖。2010年各水域的水质略有差别。1986、1991和1998年洞庭湖Ⅰ-Ⅲ类比例基本维持在55%-89%之间， 2004年后Ⅰ-Ⅲ类比例呈急速下降趋势，到2010年没有出现V类水。总磷、总氮超标样品百分比分别为67.86%、100%，最大超标倍数分别为10、2.9倍，导致各湖泊近年来营养化水平有上升趋势；（2）东洞庭湖形态系统功能健康状况相对较好(隶属度平均值为0.7486),但波动较大(0. 6775—0. 7965);南洞庭湖次之(0. 7311);西洞庭湖最差(0. 7269),其健康相对隶属度波动最小(0. 7026—0. 7487)。1998年其健康隶属度最低(0. 6912), 2004 年值最高(0. 7711),其余典型年的值介于二者之间；（3）湖泊生态系统功能健康状态为1986年至2010年其样本值呈现波浪式下降，1991年出现较高点，2006年出现较低点，而2010年有所回升。南洞庭湖相对较好，其次是西洞庭湖，东洞庭湖最差；（4）典型年洞庭湖系统功能健康状态表现为，1986和1998年洞庭湖处于不健康状态，1991年为临界健康；2004年之后洞庭湖均处于临界健康状态；（5）水沙过程与洞庭湖各项系统功能及其健康状态之间的对应互动因果关系链是影响湖泊健康时空变化的动力机制。三是调控阈值研究表明，在协调型模式下，模拟期末环洞庭湖区总需水量达到159.1×108 m3，供需缺口最大值出现在2020年，为1.9×108 m3，到2030年水资源供给能力约有3.6×108 m3富余，模拟期内水资源供给基本能够满足社会经济发展的需求，且是维持湖区水资源供需相对平衡的最佳方案。洞庭湖盆处于冲淤临界平衡状态时的荆南三口年平均流量、输沙率及含沙量分别为970.81m3/s、466.82kg/s及0.480kg/m3.