第45卷第1期 2011年3月 华中师范大学学报(自然科学版) J()URNAI OF HUAZHONG N()RMAI UNIVERSITY(Nat.Sci.) Vo【.45 No.1 Mar.2011 文章编号:1000¨90(2011)01 0139 06 鄱阳湖水位空问差异及其对湿地水文分析的影响 蔡晓斌 ,陈晓玲。 ,王学雷 ,甘文霞 (1.中同科学院测量与地球物理研究所,武汉430074; 2.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,武汉430079; 3.汀 师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验窒,南昌330022) 摘要:大型湖泊受支流人流及湖底特性、风浪变化等冈素的综合影响,其内部不同区域的水位存 在空间差异.水利T程设计、湿地水文分析中常以单个水文站点的水位代表整个湖泊的水位 状况.受五河及长江水量变化规律的综合影响,其枯水水位空间差异较大.在洲滩湿地水文捌控分 析中,代表水文站的选择尤为重要.目前湿地水文分析中常采用湖口、星子两站作为鄱阳湖的代表 站。但站点选择却均缺乏科学的数据分析.本文结合56年来鄱阳湖湖区7个水位站点的监测数据 及站点的空间位置信息,分析了湖区各水文站点间的水位差异及水位比降.结果显示棠荫站作为 鄱阳湖湿地水文分析的代表站较合适.结合鄱阳湖湖底地形数据探讨了相对于棠荫水位,以湖口 或星子水位来模拟鄱阳湖洲滩湿地面积的差异,以及可能产尘的潜在影响. 关键词:鄱阳湖;水位;空间差异;湿地水文分析 中图分类号:P343.3;P349 文献标识码:A 水位数据作为最基本的水文观测项目,由于 其观测方法简单且具有较长的时问覆盖和较广的 空间分布,因而』 泛地应 于水利、水运、防洪等领 域.对于浅水的湖泊湿地而言,水位的细微变化都 可能造成湖泊湿地面积发生巨大的变化,水位状况 空间差异.鄱阳湖在枯水位状态下的呈河相,存在 明显的水位梯度,因而这种空间差异则更为明显. 由于无法获得湖面每一点的水位值,在实际的分析 应用中常常利用某一站点水位作为代表性水位来 表示整个鄱阳湖的水位状况. 有关鄱阳湖的研究中,研究者所采用的水位站 各不相同.由于湖口站是整个鄱阳湖流域的出口水 决定了湖泊湿地的类型及分布格局.水位的高低、 变幅、频率、发生时间、持续时长等水文要素是影响 湖泊湿地水生植被的核心因子一 . 鄱阳湖是中国第一大淡水湖,仅次于青海湖的 第二大湖.作为长江中下游的一个重要支流水系, 文站,因而在现有的水利工程设计、防洪抗旱工作 中,都是以湖口站作为代表站.李辉等人在分析鄱 阳湖水体面积与水位关系时,采用的也是湖口水 位-4 .黄淑娥等在分析了2002年4月1日~6月 30日湖内的康山、星子、都昌、棠荫等5个站点的 水位差异后,认为特大洪涝发生期各站水位相差不 大,因而以湖口站水位作为鄱阳湖的代表性水 位 ].齐述华等人基于近3O年来的9景不同时相 的I andsat TM/ETM十影像分析鄱阳湖区淹没风 它接纳了包括赣江、抚河、信江、饶河、修水在内的 五大江河(常简称为“五河”)及博阳河、漳河、潼津 河等小河水系的来水[2.湖底平坦但湖泊中部存在 相对较深的航道区,湖泊平均水深8.4 m,最深处 约25 m j.滩地高程都在12~18 m之间,相对坡 度平缓.由于湖底地形及周边滩地的高程特性,导 致鄱阳湖出现了“高水是湖,低水似河”,“洪水一 险时,选择以都昌站水位代表鄱阳湖水位 .张丽 娟根据12个不同时相的l andsat TM/ETM+影 片,枯水一线”的独特自然景观.鄱阳湖湖体面积 较大,且不同区域受支流及长江出人流的影响存在 像所提取的水体面积信息与对应日期湖口、星子、 康山3站水位的相关关系,认为星子站最能代表鄱 明显差异,加之湖底特性、风浪变化等因素的综合 影响,使得同处在鄱阳湖湖内各站水位存在一定的 收稿日期:2OlO O8—3O. 阳湖水位一 .虽然不同的研究者选择代表性站点时 -基金项目:国家自然基金项目(41071261);中同科学院动力大地测量学重点实验室基金(I 1O 06);国家自然科学基金 委创新研究群体科学基金(41O21O61);水利部水专项项目(201001054). *通讯联系人.E-mail:cecxl@yahoo.COYII. 140 华中帅范大学学报(自然科学版) 第45卷 对水位的代表性有一定考虑,但是研究中针对防洪 问题考虑较多,而对枯水期的湿地水文分析问题则 考虑较少.近年来由于鄱阳湖枯水期提前导致的生 态环境问题日益突出,鄱阳湖湿地水文相关研 究逐渐受到重视.胡振鹏等对水位对鄱阳湖湿地植 被结构的潜在影响做了一定的分析,但分析中主要 以星子站水位分析湖水与各类湿地面积的定量关 系 .江西省虽然提出了鄱阳湖水利枢纽工程的建 设方案,但不同的研究者对工程建设与否以及 的科学性尚存在明显的分歧.葛刚等以星子为代表 性水文站完成了鄱阳湖水利枢纽工程的湿地水文 分析_c ,但在站点选择中没有明确说明选择该站点 的原因.目前缺乏在对湖区水位的空间差异性分析 的基础上,科学全面地选择代表性站点的研究,而 代表性站点选择不当会直接影响湿地水文分 析结果的科学性.本研究基于长时间序列湖区主要 水位站点的监测数据,分析了鄱阳湖水位的空间差 异性.结合湖底地形数据进一步阐明了利用不同的 站点水位模拟出洲滩湿地出露的差异性,从而分析 了目前湿地水文分析及相关研究中可能存在 的问题及潜在影响. 1数据及预处理 虽然截至2005年12月,整个江西省共设有监 测水位数据的站点162个,但其中的水文站点绝大 多数都位于鄱阳湖流域的支流河道n .鄱阳湖湖 区的站点相对较少,研究中选择了湖区湖口、星子、 吴城(赣江)、都昌、棠荫、康山、龙口等7个站点 1955年~2005年的日水位数据进行分析,水文站 点的分布如图1所示.水文站点监测的水位数据是 以测站的冻结基面为基准的,不同的水文测站间的 冻结基面存在差异.对于单个站点的时序变化分 析,不需要特别考虑冻结基面差异的影响.研究水 位的空间差异性则需要将不同的水位观测数据转 换到同一标准基面,将7个站点的刊布水位统一转 换到吴淞基面. 水利工程设计及湖泊水文环境影响分析中,常 利用湖底地形数据来分析不同水位形势下对湿地 产生的影响.结合水位数据的湖底地形分析能够直 接模拟出不同水位条件下湖泊湿地的淹露格局.通 过时序分析能够得到湖泊不同区域的淹没时长、季 相特征等.本研究中采用的湖底地形数据为长江水 利委员会1952年测得的1:2.5万湖底地形图数 据,其高程基准为吴淞基面.在此基础上通过数字 化、构建TIN模型,内插成30 m×30 m分辨率的 栅格DEM数据,如下图2所示.为了保证分析的一 致性,将所有水位站点的坐标及湖底地形数据均转 换到UTM投影,Krasovsky椭球的坐标体系下. N N 图1 鄱阳湖湖区主要水位站点的空间分布图 Fig.1 Main gauges located in Poyang Lake 2水位空间差异及代表性站点选择 湖泊不同水位监测站点问的水位监测数据存 在空问差异性是必须科学选择代表水文站点的主 要原因.如果各站点间的水位观测值差异较小,则 选择其中任一站点作为湖区的代表性站点都不会 对分析结果产生大的影响.反之,空间差异性较大 时选择不同的站点对分析的结果可能产生决定性 的影响,因此分析站点间的水位差异,并从中选择 与其它各水位监测站点的平均水位差异最小的站 点作为鄱阳湖湿地水文分析的代表性站点是 最科学可行的办法. 2.1站点间水位差异分析 为了表征湖区内某一站点与湖区其他六个站 点水位的差异性,以同日该站点水位与湖区其他各 站点水位的差异值为基础,可以计算出该站点与其 他六个站点水位差异值的均值,并以此作为该站点 在当天的站间水位差异值.其具体表达式如下: 1 三 DWK 一÷>:Abs(wKd—W )(-,一1: ”且 ≠K). 其中,D 表示第K站与其他各站在第 天的差 第l期 蔡晓斌等:鄱阳湖水位空间差异及其对湿地水文分析的影响 异均值,w 为第K站在第d天的水位值. 表1 鄱阳湖湖区各站的水位差异特征值表 Tab.1 Water level difference characteristics among gauges in Poyang I ake DWKd 最大值DWK 最小值DWKd 站点名最大值/ 出现|j期最小值/ 出现fi期均值/ 湖【__I 5.8O6 2 1 97903】2 0.029 500 20040911 1.635 50 犀子 3.927 8 1 9810218 0.030 500 2004091]1.233 jO 都昌 2.898 0 19630316 0.039 000 20040911 0.909 94 棠荫 2.690 2 19720207 0.031 833 2004091 l 0.860 47 龙口 3.973 5 20040206 0.041 833 20040911 1.111 2O 康山 3.573 5 197[)(]1 30 0.058 1 67 2O040911 1.1 95 7O 吴城赣 2.j73 5 1 963031 6 0.057 1 67 200,l091 2 1.013 90 各站平均2.361 8 1 96303l 6 0.025 837 20040911 0.75d 23 表1为鄱阳湖湖内的七个站点及各站水位平 均的同日水位差异的特征值表,各站最大同日水位 差异值的范围在2.5~5.9 m之间,其中最大的站 为湖口站,最小的站为吴城赣江站,基本反映了各 站点沿着鄱阳湖的南北方向逐渐向湖中心方向减 小的规律.最大差异值出现的日期各站各不相同, 但都集中在2~3月间鄱阳湖的枯水季节.各站最 小同日水位差异的范围在0.02~0.06 m之间,其 中最小的站为湖口站,最大的站为吴城赣站,没有 明显的空间规律,由于数据值上的波动很小,这种 波动很可能是受风浪因素影响所造成的.最小差异 对应的日期相对比较集中,都为洪水期的2004年9 月11~12日.各站平均同日水位差异的范围在 o.7~1.7 m之间,其中最大的站为湖口站,最小的 站为棠荫站,其规律与最大同日差异值的空间规律 类似,由南北向湖中心方向逐渐减小.从各项指标 分析来看,棠荫站是作为单站代表整个鄱阳湖水位 最合适的站点.各站水位平均值相对于各站点而 言,同日水位差异值的各项指标均低于任一单个站 点,但相对于棠荫站而言差异并不显著. 2.2水位比降分析 由于各站点间的空间距离各不相同,因而将距 离因素考虑进去能够更好地反映湖面水位坡度状 况.计算某一站点与其它各站点的空间距离,取其 平均值作为该站点的站间均距DS ,其计算公式 如下: 1 DSK一÷,≠K) 酉 >:SKJ,(‘,一1:”且.其中,DS 表示第K站的站间均距,s ,为第K站 与第.,站之间的空间距离. 以各站的平均同日水位差异值与站间均距之 间的比值,作为各站点的与其它站点之间的平均水 位比降.其计算公式如下: MS 一 DS. 其中,MS 表示第K站的平均水位比降,WDKd表 示第K站的平均同日水位差异值. 表2 鄱阳湖各站点问空间距离及平均水位比降表 Tab.2 Average spatial distances and slopes among gauges in Poyang I ake 站点名 站间距离/kin 平均水位比降 湖L]星子都吕棠荫龙口康山吴城赣/C[I]・km 湖口0 38 54 74 86 99 67 2.35 星子 38 0 25 52 65 73 30 2.62 都昌 j4 25 0 27 40 48 20 2.55 棠荫 74 j2 27 0 I3 24 38 2.26 龙口 86 65 40 1 3 0 I 6 50 2.46 康山 99 73 48 24 16 0 20 2.29 吴城赣 67 3O 2O 38 j0 52 0 2.7 各站平均0 38 54 7,1 86 99 67 2.35 由于河道一般水位比降较大,而湖泊水体的 水位比降比较小,作为“高水是湖,低水似河”的鄱 阳湖.站点水位比降值越大意味着该站点河相特征 更明显,而站点水位比降值越小说明该站点的湖相 特征更明显,表2为每个站点与其它各站点的空间 距离以及平均水位比降.从平均水位比降来看,各 站的值都在2.2~2.7 cm・km一 .其中最小的为棠 荫站,其次为康山站,这两个站点都位于鄱阳湖南 部较为宽广的大湖区.湖口站与龙口站平均比降较 小,主要是由于这两个站点距离其它站点的距离较 远,而这里计算的是直线距离,没有考虑最大比降 的航线曲折问题,所以使得这两个站点的水位比降 也相对较小,而星子、都昌、吴城赣三站则均位于过 江水道或五河支流附近,在枯水期具有比较明显的 河相特征.从各站点间的距离来看,都昌站距离各 水文站点的平均距离最短,但由于水位比降上都昌 站较棠荫站大很多,这是导致了同日水位差异值上 都昌站高于棠荫站的直接原因. 3结合湖底地形数据的洲滩湿地淹没 分析 3.1鄱阳湖湖底地形特征分析 按不同高程统计的湖底地形特征如表3所示, 从表中可以看出,坡度与面积有着明显的负相关关 系,面积从中部向两边逐渐减小,而坡度从中部向 两边逐渐增加,具有明显的空间差异.整个湖盆的 高程范围主要集中在12~17 m之间,这一高程区 间占了整个湖底近8O 的面积;其中最大覆盖面 积的高程区间为13~14 m,占了整个湖底面积的 23 左右.因此这一高程范围也是单位水位变幅 l42 华中帅范大学学报(自然科学板) 第45卷 下,最可能造成大面积洲滩面积增、减的一个高程 区间.从平均坡度来看,坡度最大的为19~20 m 的高程区间,平均坡度达到了1.328。.这些区域主 要位于湖中岛屿的边缘区,虽然坡度最大但总体面 积却最小,仅占整个湖底面积的0.56 ,对湖滩的 淹露影响不大.坡度第二大的区域为8米以下的深 水河道区,平均坡度为1.103。.虽然这些区域面积 较小,仅占整个湖底面积的1.44 ,但枯水期鄱阳 湖呈现河相时,这些区域是湖泊中主要的航道.坡 度最小的高程区间为13~14 1TI之问,其坡度仅为 0.077。,这一高程区间同时也是湖底面积覆盖最大 的区间.坡度次小的高程区间位于11~12 m之 间,这一部分也占了总面积的13.43 ,因而这两 个高程范围对鄱阳湖水位变幅最为敏感,这一部分 洲滩最容易受水位波动影响. 表3 按高程分段的鄱阳湖湖底地形特征表 Tab.3 Poyang Lake bottom characterisitics in different height ranges 高程范闱/m 面积/km 面积百分比/ 平均坡度/。 8m以下 46.91 1.44 1.1O3 47 8~9 15.14 0.46 O.998 448 9~10 43.97 1.35 0.482 411 l0~11 lO5.O 3.23 0.266 4 76 11~12 269.04 8.26 O.121 336 12~13 437.52 ]3.43 0.O93 26 13~14 777.74 23.88 O.O77 473 l 4~1j 578.62 】7.77 0.132 997 】5~16 451.O7 13.85 0.]72】54 1 6~1 7 272.99 8.38 O.222 965 1 7~18 88.70 2.72 0.445 629 18~1 9 41.91 】.29 0.7l 9 611 1 9~20 18.36 O.56 1.362 74 20 m以上 33.78 1.04 0.674 924 3.2不同站点水位分析湿地格局的差异性 湖泊湿地的淹没与出露过程主要受水位和湖 底地形的控制,因此湿地格局的变化可以直接通过 湖底地形和水位数据来模拟.在湖底地形不发生显 著变化的前提下,水位数据是模拟出湿地淹露变化 的关键因子.最常用的方法是以某一单站水位作为 湖泊的代表水位进行模拟.假设以第站为代表站 点,将第i站在第天的水位值 作为阈值,与 DEM中坐标为(M,N)的栅格所对应的高程值 HMN进行比较,当满足H >Wik时则表示在第 k天作为处栅格所对应的位置为出露的洲滩,当遍 历完所有栅格时,即可获得第k天整个湖区洲滩湿 地的总体出露面积.本研究以统计出的洲滩总面积 为标准分析选择不同水文站点进行湿地水文模拟 分析的潜在影响. N N 网2 鄱阳湖湖底高程分布图 Fig.2 Bottom terrain map of Poyang Lake 通过前文的分析可知,8个湖区水文站点中棠 荫站的水位与湖区其它各站水位差异最小,对于鄱 阳湖湿地水文分析最具代表性,而湖口、星子站的 水位数据在鄱阳湖湿地水文分析中却应用得最多. 凶此选择2005年湖口、星子、棠荫、康山四站的水 位数据,对比采用不同站点水位模拟出的洲滩湿地 出露面积的差异.图3显示了分别按以上4站水位 模拟出的洲滩湿地面积变化过程线.从图中可以看 出,湖口、星子两站的模拟结果非常接近,而这两个 站与最南部的康山站模拟结果有较大差异.从季相 上来看,1 1月到5月份4个站点的差异最为明显, 枯水期的模拟结果相差近2 000 km ,而6月份到9 月份间由于整个湖面水位均处于高位,湖相特征明 显,采用各站模拟的结果差异极小,基本可以忽略 不计.从2005年全年差异的统计结果来看,采用湖 口、星子两站模拟的洲滩面积平均会比采用最优的 棠荫站模拟的面积大530 km 、476 km ,而最大差 异则分别高达1 958 km 、1 686 km . 4结论与讨论 从各站点的空间差异分析来看,无论是从站问 水位差异值还是平均水位比降来看,棠荫站均有较 好的代表性.目前湿地水文分析中常用的湖口站和 星子站,由于位于鄱阳湖人江水道区,河相特征明 第1期 蔡晓斌等:鄱阳湖水位空间差异及其对湿地水文分析的影响 143 鄱阳湖湿地的水文分析问题,也可以对其他类似的 ‘毫 过水型湖泊湿地分析起到一定的借鉴作用. 童 隹 型 爰 参考文献: 楚 襄 [1] 刘 永,郭怀成,周 丰,等.湖泊水位变动对水生植被的影 响机理及其涮控方法:J].生态学报,2006,26(9): 311 7 3126. [2]郭鹏,陈晓玲,刘 影.鄱阳湖湖口、外洲、梅港三站水沙变 化及趋势分析(1955 2001年)[J].湖泊科学,2006,18(5): 458 463. 图3 2005年不同站点日水位数据模拟 [3]尹宗贤.张俊才.鄱阳湖水文特征(11)[J .海洋与湖沼. 的洲滩湿地面积变化过程线 1987,18(I):22 27. Fig.3 Variation processing line of beach wetland area [4]李辉,李长安,张利华,等.基于M()DIS影像的鄱阳湖湖面 simulated based on daily water level of different gauges 积与水位关系研究[J].第四纪研究,2008,28(2):332 337. of Poyang I ake in 2005 [5] 黄淑娥,钟茂生.鄱阳湖水体淹没模型研究[J].应用气象学 报,2004,15(4):494 499. 显且两个站点距离主要的湿地分布区较远,其代表 [6]齐述华,舒晓波,Daniel Brown,等.基于遥感和历史水位记录 性并不好.为了分析选择不同站点对洲滩湿地模拟 的鄱阳湖区淹没风险制图[J].湖泊科学,2009,21(5): 的影响,对比了采用2005年湖口、星子两站和棠荫 72O一724. 站的模拟结果,发现面积的平均差异在500 km 左 [7] 张丽娟.鄱阳湖区水位变化对血吸虫病传播的影响[D].北 右,占了整个湖区面积的近1/7,而最大差异则超 京:中国疾病控制中心.2008.. E8]胡振鹏,葛 刚,刘成林,等.鄱阳湖湿地植物生态系统结构 过了湖区面积的1/2.受数据的,目前的分析 及湖水位对其影响研究[J].长江流域资源与环境,201o,19 尚存在一些不足之处.由于湖区站点较少,无法完 (6):597 605. 全模拟出整个湖面的水位空间分布状况,因而模拟 [9]葛刚,纪伟涛,刘成林,等.鄱阳湖水利枢纽工程与湿地生 的过程中并没有采用插值等空间化后的结果进行比 态保护[J].长江流域资源与环境,201o,19(6):606—613. 较.湖底地形数据由于年代较远,其模拟出的洲滩演 [1O] 张桂娇,刘筱琴,龚向民.江西省水文站网评价与优化调整 [J].江西水利科技,2007,33(3):1 29 1 33 露结果也存在一定的误差,但近几十年的冲淤影响 有限,总体的规律是可信的.研究结果可以用于指导 Spatial difference of water stage and its impact upon wetland hydrological analysis in Poyang Lake CAI Xianbin ,CHEN Xiaoling ~,WANG Xuelei ,GAN Wenxia (1.Institute of Geodesy and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430072: 2.State Key Lab of Information Engineering in Surveying Mapping and Remote Sensing,Wuhan University, Wuhan 430079;3.Key I aboratory of Poyang I ake Wetland and Water Research of Ministry of Education, School of Geography and Environment,Jiangxi Normal University,Nanchang 330022) Abstract:The topography and wind make the water stage not the same at different sites in the great scale lake.Observation of single gauge station among the lake often is used to represent the water surface height of the whole lake in the water engineering projects design and wetland hydrological analysis.The water stage of any gauge could depict the lake surface well,if the spatial difference of water stages among the lake is not remarka— ble.As the largest freshwater lake,Poyang Lake has an uneven water surface,especial— ly in the low water period,for its complex hydrological environment caused by its five tributary and Yangtze River.So it is very important to select the representative gauge in the wetland hydrological analysis of the lake.The 56一year observation series of seven l44 华中师范大学学报(自然科学版) 第45卷 gauges in Poyang Lake are compared according the water stage difference among them and their location.The average water stage discrepancy and slope of Tangyin both are smallest in the seven gauges,which make it as the best representative station.Then the wetland inundation simulation results based on Hukou,Xingzi, which are two ohen used representative stations, compared with that base on Tangyin. Great area di±±er— ences of simulation results highlight the importance of the representative gaug station selection. Kev w0rds:Poyang Lake;water level;spatiul difference;wetland hydrdogical analysis (上接第138页) Analysis on dynamic evolution of ecological pressure and capacity gravity in China YANG Zhen, I IANG Xiaocui (College of Urban and Environmental Science, Huazbong Normal University,Wuhan 430079) Abstract:There is spatial deviation between human ecological pressure and capacltY・ It is helpfu1 to understand and solve the increasing inter—regional contradiction to studY their dynamic relationship.Based on estimating the ecological pressure and capacity 。h Drovince in China, 1 980—2005,this paper has analyzed their temporal—spatial evolut on characteristics through calculating two gravity’s coordinates,spatial overlaPPing and changing consistency index.The results show that:(1)the ecological pressu e gravity has fluctuated greatly during 25 years and is guided strongly by population and econ。m c fluctuation;(2)the ecological capacity’s gravity is distributed in the inland areas and far awav from ecologica1 pressure’s gravity; (3)the spatial deviation between ecolog cal Dressure and capacity is an important factor which causes the inequality of the ecolog cal services and regional development. Kev w0rds:ecological pressure;ecological capacity;geometry gravity;temporal-spat al difference;regional inequality