范宏翔，徐力剛,3，朱 華,2，魯 照,4，曹宇賢,2，吳亞坤,4，姜加虎

(1：中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)(2：中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)(3：中國長江三峽集團(tuán)有限公司長江生態(tài)環(huán)境工程研究中心，北京 100038)(4：安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，馬鞍山 243000)

數(shù)值模擬被認(rèn)為是預(yù)測(cè)水體中污染物的遷移轉(zhuǎn)化的重要手段之一[2-3].截至目前，已有大量研究依托數(shù)值模型在鄱陽湖開展水環(huán)境的研究工作(表1)，如李冰[4]基于MIKE21構(gòu)建鄱陽湖二維物理過程模型，研究了水情條件變化對(duì)湖泊防洪、水資源、水環(huán)境，乃至湖泊總體水安全的影響，結(jié)果表明影響鄱陽湖水安全狀況的主要因素是流域來水變化、長江干流來水變化、流域入湖污染物通量和湖區(qū)人類活動(dòng).最近，國內(nèi)部分學(xué)者針對(duì)設(shè)想中的鄱陽湖水利樞紐工程對(duì)鄱陽湖湖區(qū)水環(huán)境的可能影響進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)研究，結(jié)果表明在水利樞紐不同運(yùn)用方案下，枯水期主湖區(qū)的總氮和總磷濃度低于現(xiàn)狀，但尾閭區(qū)域污染物濃度顯著升高，加之湖流較現(xiàn)狀條件下變緩，鄱陽湖局部地區(qū)的富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)增加[5].綜上，大多數(shù)研究主要著眼于鄱陽湖水環(huán)境本身的變化及外部其影響因素，而對(duì)于其內(nèi)在機(jī)制的研究較少.特別是在氣候變化和人類活動(dòng)共同作用下，湖泊內(nèi)部的水動(dòng)力條件也發(fā)生了巨大的變化，其對(duì)水環(huán)境的影響機(jī)制尚不清楚.

表1 鄱陽湖數(shù)值模擬研究進(jìn)展

為了定量認(rèn)識(shí)流場(chǎng)在物質(zhì)輸運(yùn)中的作用，有必要研究與流場(chǎng)密切相關(guān)又能反映其本質(zhì)的輔助變量，比如水齡，進(jìn)而通過研究這些輔助變量，有助于人們更好地理解湖泊水動(dòng)力過程的環(huán)境效應(yīng).水齡作為換水能力的一種重要表達(dá)，可以定量反映湖泊水體的交換能力和滯留狀況，對(duì)評(píng)估水質(zhì)的變化以及富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別具有重要意義[10, 18].鄱陽湖的水齡研究較少，并且也大多都集中在水齡對(duì)水環(huán)境的影響方面，如黃愛平[10]就基于水齡提出了鄱陽湖富營養(yǎng)區(qū)域的識(shí)別方法；范宏翔[19]則發(fā)現(xiàn)水文情勢(shì)對(duì)鄱陽湖水質(zhì)的影響主要通過影響湖泊的水齡來體現(xiàn).但是，對(duì)于水齡本身變化及其影響因素的研究較少.氣候變化和人類活動(dòng)影響著全球和區(qū)域水文循環(huán)過程，是導(dǎo)致水文水資源時(shí)空分布不均的重要因素，同時(shí)也是流域-湖泊水文情勢(shì)變化的主要原因[20].定量區(qū)分人類活動(dòng)與氣候變化對(duì)湖區(qū)水動(dòng)力條件的影響分量，對(duì)于湖區(qū)水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)識(shí)和預(yù)警別具有重要的科學(xué)意義.目前，已有大量研究區(qū)分了二者對(duì)流域水文情勢(shì)的影響[21-23]，然而對(duì)于氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)湖區(qū)內(nèi)部水動(dòng)力條件的影響研究則十分缺乏，這主要是由于其對(duì)水文數(shù)據(jù)有著較高的要求，需要不同情景下長時(shí)間尺度連續(xù)的水位流量數(shù)據(jù).近期，深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展解決了時(shí)間序列的長短期依賴問題，大大提高了時(shí)間序列預(yù)測(cè)的精度.其在水文領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛[24-27]，利用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建流域徑流預(yù)測(cè)模型，并通過與歷史時(shí)期的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以得到精細(xì)的時(shí)間尺度上的徑流變化數(shù)據(jù)，并為進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)水動(dòng)力模型提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

綜上所述，本文目的旨在(1)構(gòu)建鄱陽二維水動(dòng)力模型與氣象徑流模型，模擬計(jì)算鄱陽湖水齡的時(shí)空變化過程；(2)通過引入基準(zhǔn)期概念，并耦合構(gòu)建的二維水動(dòng)力模型與氣象徑流模型，利用差異化的情景模擬，定量區(qū)分鄱陽湖水齡改變的主要影響因素.研究結(jié)果能夠揭示鄱陽湖水環(huán)境對(duì)水文水動(dòng)力變異的響應(yīng)，為鄱陽湖水污染防治提供科學(xué)支持，同時(shí)為流域水資源管理提供一種新的思路和方法.

1 材料與方法

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)資料搜集情況，選取鄱陽湖流域時(shí)間序列最長的14個(gè)國家級(jí)氣象站(圖1)的日氣象數(shù)據(jù)(包括降雨、溫度、氣壓、濕度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、飽和水汽壓等)，數(shù)據(jù)時(shí)段為1960-2015年.鄱陽湖入湖水量主要來自“五河”，分別為贛江、撫河、信江、饒河和修水.選取5個(gè)子流域下游出口斷面流量監(jiān)測(cè)站(圖1)日平均徑流數(shù)據(jù)來訓(xùn)練和驗(yàn)證鄱陽湖流域降雨-徑流模型.

圖1 鄱陽湖流域地理位置及氣象站分布

1.2 研究方法

1.2.1 鄱陽湖流域氣象-徑流模型構(gòu)建 基于長短記憶模型框架構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來模擬鄱陽湖流域的徑流過程.構(gòu)建的模型有一個(gè)輸入層，共包含128個(gè)LSTM神經(jīng)元，用來輸入流域的氣象參數(shù).在此模型中，輸入層為經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后的鄱陽湖流域14個(gè)國家氣象站點(diǎn)的逐日觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括日降雨、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣壓、太陽輻射、相對(duì)濕度、極大風(fēng)速以及近地面風(fēng)速.另外，為了防止模型出現(xiàn)過擬合的現(xiàn)象，在輸入層之后設(shè)置了一個(gè)丟棄層，并設(shè)置其丟棄率為0.4[28].模型輸出層是一個(gè)包含5個(gè)獨(dú)立輸出端的全連接層.輸出數(shù)據(jù)為經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后的贛江、撫河、信江、饒河和修水的逐日徑流過程.模型主要的參數(shù)類型包括全局超參數(shù)、訓(xùn)練時(shí)超參數(shù)以及普通參數(shù)等，其中，全局超參數(shù)以及訓(xùn)練時(shí)超參數(shù)通過經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行設(shè)定，普通參數(shù)在模型訓(xùn)練時(shí)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化.模型結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)設(shè)定參見范宏翔等[29].

1.2.2 鄱陽湖湖區(qū)水動(dòng)力模型構(gòu)建 本文采用EFDC(environmental fluid dynamics code)模型構(gòu)建鄱陽湖湖區(qū)二維水動(dòng)力模型.EFDC模型是美國環(huán)境保護(hù)局推薦使用的水環(huán)境生態(tài)模型之一[30]，最早由美國弗吉尼亞海洋研究所開發(fā)[31]，其物理機(jī)制和很多計(jì)算方法借鑒了曾被廣泛使用的Blumberg-Mellor模型[32]和美國陸軍工程兵團(tuán)開發(fā)的切薩皮克灣模型[33].EFDC模型包括了水動(dòng)力、風(fēng)浪、泥沙、富營養(yǎng)化、有毒物質(zhì)和沉積物多個(gè)模塊，并良好地耦合為一個(gè)整體[30]，可以進(jìn)行水體一維、二維和三維流場(chǎng)、鹽分、黏性和非黏性泥沙輸運(yùn)、生態(tài)過程和淡水入流的模擬.模型在垂直方向采用σ坐標(biāo)變換，水平方向采用直角或者曲線正交坐標(biāo)系.水動(dòng)力模塊是EFDC模型的核心，其水動(dòng)力方程采用有限差分法進(jìn)行求解，水平方向采用交錯(cuò)網(wǎng)格離散，時(shí)間采用二階精度的有限差分法和內(nèi)外模式分裂法進(jìn)行積分.其中，外模塊采用半隱式格式，允許較大的時(shí)間步長；內(nèi)模塊使用垂直擴(kuò)散的隱式格式.EFDC在潮間帶區(qū)域采用干濕網(wǎng)格技術(shù)，能夠很好的刻畫水面的干濕變化過程.EFDC模型應(yīng)用廣泛，能夠模擬河流、河口、湖泊、水庫、濕地和自近岸到陸架的海域，并能同時(shí)考慮風(fēng)、浪、潮、徑流和水工建筑物的影響.

1.2.3 模型基本設(shè)定和概化 在模型構(gòu)建的基本設(shè)定和概化思想中，應(yīng)充分考慮以下因素：(1)鄱陽湖湖底地形起伏較大，湖中主河道形狀彎曲且深度較大，水動(dòng)力條件復(fù)雜，網(wǎng)格構(gòu)建時(shí)應(yīng)該對(duì)主河道區(qū)域有足夠的刻劃；(2)鄱陽湖屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，有較為明顯的季風(fēng)特征，春季和冬季受到西伯利亞冷氣流的影響，盛行偏北風(fēng)；夏季和秋季受到太平洋副熱帶高壓控制，盛行偏南風(fēng)，多年平均風(fēng)速為3.01 m/s.盡管風(fēng)作為影響鄱陽湖水文情勢(shì)變化的次要因素，對(duì)整體水位模擬效果和精度影響較小，但是風(fēng)場(chǎng)也是湖泊水動(dòng)力過程的重要驅(qū)動(dòng)力，在某些時(shí)刻對(duì)湖泊水流結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生重要影響[34].因此，在構(gòu)建鄱陽湖二維水動(dòng)力模型時(shí)，必然要考慮風(fēng)場(chǎng)條件對(duì)鄱陽湖水動(dòng)力模擬過程的影響；(3)由于鄱陽湖“高水是湖，低水似河”的獨(dú)特水文特性，在構(gòu)建鄱陽湖二維水動(dòng)力耦合模型時(shí)，認(rèn)為水動(dòng)力指標(biāo)在垂向近似均勻，以垂向平均值表達(dá)[8].鄱陽湖流域氣象徑流模型和湖區(qū)二維水動(dòng)力模型耦合過程如圖2所示.

根據(jù)美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)（ASHRAE）提出的標(biāo)準(zhǔn)，“冷水機(jī)房全年綜合能效”在0.85kW/ton以下的為高效能機(jī)房，即COP值4.4以上，在1.0kW/ton以下的為需要改造的機(jī)房，即COP值3.5以下?？梢姳緳C(jī)房能效高于國內(nèi)平均水平，在低負(fù)荷工況下，其COP值將更高。冷凍機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行能耗情況如表3所示。

圖2 鄱陽湖氣象徑流模型和水動(dòng)力模型耦合框架

1.2.4 模型地形網(wǎng)格剖分 模型采用2010年鄱陽湖湖盆地形原始資料(基面為85國家高程)，通過導(dǎo)入基于測(cè)量和數(shù)字化的地形數(shù)據(jù)來設(shè)置湖盆地形.模型計(jì)算域邊界則根據(jù)鄱陽湖淹沒范圍確定，在水平方向?qū)⒂?jì)算區(qū)域或劃分為16736個(gè)計(jì)算單元，采用曲線-正交網(wǎng)格，單元尺度為：i方向(東西向)約56～1578 m，j方向(南北向)約30～1420 m.由于鄱陽湖湖區(qū)地形起伏較大，為了更準(zhǔn)確地模擬鄱陽湖的水動(dòng)力過程，對(duì)鄱陽湖主河道區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密.主河道區(qū)域的網(wǎng)格分辨率大致為30 m×60 m(圖3).

圖3 模型所用地形和計(jì)算網(wǎng)格

1.2.5 模型初始條件與邊界條件 模型選取2012年全年水位、水質(zhì)過程進(jìn)行率定驗(yàn)證.為了減少初始條件對(duì)模型的影響，尤其是初始流速場(chǎng)對(duì)模擬結(jié)果的影響，在本研究中，模型采用熱啟動(dòng)的方式進(jìn)行啟動(dòng)，即啟動(dòng)前先預(yù)熱1個(gè)月，水動(dòng)力和水質(zhì)模塊的預(yù)熱期為2011年12月1日至12月31日.正式模擬時(shí)，水動(dòng)力模型的初始水位場(chǎng)和流速場(chǎng)采用預(yù)熱后的水位場(chǎng)及流速場(chǎng)作為輸入.鄱陽湖的主要入湖河流共有5條(簡稱“五河”).本模型共定義了8個(gè)開邊界，其中包括7個(gè)流量邊界和1個(gè)水位邊界.7個(gè)流量邊界作為水動(dòng)力模型的上游開邊界，分別為贛江主支、贛江中支、贛江南支、撫河、信江、饒河和修水，其表征了流域來水對(duì)湖泊水文水動(dòng)力水環(huán)境的影響.將北部湖泊出口-湖口的水位過程線作為模型的下游開邊界，用來表征鄱陽湖與長江之間的出流、頂托和倒灌效應(yīng).上游各個(gè)開邊界的流量過程根據(jù)五河尾閭的主要控制站(外洲、李家渡、梅港、渡峰坑、虎山、虬津和萬家埠)和各河道從控制站到入湖的傳播時(shí)間給定[4].其中，贛江各條支流流量根據(jù)其占外洲站流量的份額按經(jīng)驗(yàn)分配.此外，由于鄱陽湖有25000 km2的區(qū)域?qū)儆跓o站點(diǎn)控制的集水區(qū)，為保證湖泊水量平衡，提高水動(dòng)力模塊的準(zhǔn)確性和合理性，需要合理估算未控區(qū)間的產(chǎn)流過程，并與流域“五河”控制站的流量過程共同作為模型的上游邊界條件[4, 15].本文采用降雨-徑流系數(shù)法對(duì)其進(jìn)行估算：

W=P·ΔA·a

(1)

式中，W表示某年未控區(qū)間的產(chǎn)流總量(m3)；P表示該年降雨總量(m3)；ΔA表示鄱陽湖流域未控區(qū)間的集水區(qū)面積(km2)；a表示鄱陽湖流域的評(píng)價(jià)徑流系數(shù), 在本文中取經(jīng)驗(yàn)值0.6[35].

1.2.6 模型評(píng)價(jià)指標(biāo) 模型的模擬效果采用常規(guī)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)來量化評(píng)價(jià)，在本研究中主要采用的指標(biāo)為納什效率系數(shù)(NSE)、均方根誤差(RMSE)以及平均絕對(duì)誤差(MAE)，其計(jì)算公式分別為：

(2)

(3)

(4)

1.2.7 模型數(shù)據(jù)可視化 基于R語言中的ncdf4、data.table以及tidyverse軟件包，獨(dú)立開發(fā)了EFDC模型前后處理軟件包efdcr(https://hxfan1227.github.io/efdcr/).efdcr在極大程度解決了EFDC模型結(jié)果的可視化問題，具有極強(qiáng)的靈活性.同時(shí)，efdcr還提供了一系列工具函數(shù)來輔助進(jìn)行EFDC的模型構(gòu)建過程.efdcr的主要功能和工作流程如圖4所示.

圖4 efdcr工作流程

1.2.8 情景設(shè)置方案 為了定量區(qū)分氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)鄱陽湖水齡變化的貢獻(xiàn)率，本文設(shè)置了3個(gè)情景.S0作為基準(zhǔn)情景，即自然狀況下鄱陽湖流域的徑流過程，在設(shè)置時(shí)參考前人的研究，將1960-1969年作為基準(zhǔn)期[23,36-37].同時(shí)，考慮到LSTM模型的特殊性，基準(zhǔn)期選取時(shí)也考慮了不同的流域來水情景.根據(jù)水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范(GB/T 22482-2008)，按照鄱陽湖流域年最大流量進(jìn)行水文年的劃分.其中，1962年為典型豐水年，1963年為典型枯水年，1966年和1968年為典型平水年.因此，我們認(rèn)為選用1960-1969作為基準(zhǔn)期，能夠滿足情景模擬的需要.為了進(jìn)一步區(qū)分人類活動(dòng)與氣候變化對(duì)鄱陽湖徑流的影響，在模型訓(xùn)練和驗(yàn)證時(shí)僅使用基準(zhǔn)期的氣象水文數(shù)據(jù)，為了防止數(shù)據(jù)泄露問題，將基準(zhǔn)期劃分為訓(xùn)練期和驗(yàn)證期兩個(gè)階段：模型的訓(xùn)練周期從1960年1月1日至1968年12月31日，共計(jì)3287 d.模型的驗(yàn)證周期從1969年1月1日至1969年12月31日，共計(jì)365 d.S1鄱陽湖氣象-徑流模型模擬的1970-2015年鄱陽湖流域“五河”多年平均日流量過程，S2為實(shí)測(cè)的1970-2015年鄱陽湖流域“五河”多年平均日流量過程.通過對(duì)比S1和S0，可以定量區(qū)分氣候變化對(duì)鄱陽湖水齡變化的影響分量；而通過對(duì)比S2和S1，則可以定量區(qū)分人類活動(dòng)對(duì)鄱陽湖水齡變化的影響貢獻(xiàn).

1.2.9 影響程度計(jì)算 參照Ye等[23]關(guān)于定量區(qū)分氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)鄱陽湖流域徑流量影響程度的分析方法，由氣候變化和人類活動(dòng)引起的鄱陽湖水齡變化可以用下式來解釋：

(5)

式中，WA0、WA1和WA2分別代表S0、S1以及S2情景下鄱陽湖水齡的變化過程，ΔWAC和ΔWAH分別代表氣候變化和人類活動(dòng)引起的鄱陽湖水齡變化的絕對(duì)分量.

2 研究結(jié)果

2.1 鄱陽湖氣象徑流模型驗(yàn)證

訓(xùn)練期模型在各個(gè)子流域的NSE分別為贛江0.94、撫河0.95、信江0.95、饒河0.95和修水0.94；RMSE分別為贛江630.80 cm3/s、撫河143.64 cm3/s、信江194.74 cm3/s、饒河129.46 cm3/s和修水144.01 cm3/s.而在驗(yàn)證期，模型在各個(gè)子流域的NSE分別為贛江0.90、撫河0.95、信江0.95、饒河0.98和修水0.96；RMSE分別為贛江671.03 cm3/s、撫河158.90 cm3/s、信江212.04 cm3/s、饒河 139.52 cm3/s和修水162.79 cm3/s(表2).因此可以認(rèn)為構(gòu)建的氣象-徑流模型能夠很好地模擬鄱陽湖流域的徑流過程.

表2 鄱陽湖流域氣象-徑流模型模擬表現(xiàn)

2.2 鄱陽湖二維水動(dòng)力模型驗(yàn)證

驗(yàn)證選取了鄱陽湖湖區(qū)4個(gè)水文站點(diǎn)(自北向南依次為星子、都昌、棠蔭和康山).驗(yàn)證時(shí)段選擇平水年2012年1月1日至12月31日.其中，水位驗(yàn)證的結(jié)果如圖5所示.如圖所示，本文構(gòu)建的鄱陽湖水環(huán)境模型的水動(dòng)力模塊模擬效果良好，其模擬的水位序列與實(shí)測(cè)序列吻合度較高.

圖5 鄱陽湖湖區(qū)各水位站水位驗(yàn)證結(jié)果

由鄱陽湖2012年水位模擬精度可以發(fā)現(xiàn)，4個(gè)水文站點(diǎn)水位模擬的決定系數(shù)(R2)均在0.97以上，均方根誤差(RMSE)在0.30～0.58 m之間，納什效率系數(shù)(NSE)均在0.96以上.平均絕對(duì)誤差(MAE)在0.20～0.50 m之間(表3).綜上所述，本文構(gòu)建的鄱陽湖水動(dòng)力模塊能夠較好地反映鄱陽湖湖區(qū)水量交換及平衡的季節(jié)性變化特征，模擬結(jié)果真實(shí)可靠.

表3 2012年鄱陽湖水位模擬精度

2.3 基準(zhǔn)情景下鄱陽湖水齡的時(shí)空分布特征

自然條件下(S0)鄱陽湖水齡的時(shí)空分布特征如圖 6所示.可以發(fā)現(xiàn)，鄱陽湖湖區(qū)的水齡存在明顯的空間分異特征，其最主要特征為東部湖區(qū)和南部湖區(qū)尾閭水齡較大，平均為228.01 d，而大部分通江水體水齡較小，平均為24.21 d.在洪泛濕地區(qū)域，水齡有比較明顯的時(shí)間差異.枯水期洪泛濕地與主湖斷開連接，形成獨(dú)立的水體，導(dǎo)致其水齡增大，年平均水齡約為90 d左右.而在豐水期，隨著水位上漲，洪泛濕地逐漸與主湖連接，形成一個(gè)整體，其水齡逐漸減小，平均為30 d左右.

圖6 自然條件下(S0)鄱陽湖水齡時(shí)空分布特征

2.4 氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)鄱陽湖水齡的影響分析

圖 7和表4為氣候變化對(duì)鄱陽湖水齡影響程度的時(shí)空差異(S1～S0)和影響范圍統(tǒng)計(jì)，由圖7可以發(fā)現(xiàn)，在氣候變化的影響下，鄱陽湖全湖大部分湖區(qū)的水齡都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，下降幅度較小，約為20%左右；而在湖區(qū)東部，有部分區(qū)域水齡呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，最大上升幅度超過100%.

圖7 氣候變化對(duì)鄱陽湖水齡影響程度的時(shí)空差異

從影響范圍來看(表4)，在氣候變化影響下，年均有2054 km2的水體水齡呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，但是減少幅度較小；相反，年均有736 km2的水體水齡呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，上升幅度約在30 d左右.

表4 氣候變化對(duì)鄱陽湖水齡影響范圍統(tǒng)計(jì)(km2)

進(jìn)一步區(qū)分了人類活動(dòng)對(duì)鄱陽湖水環(huán)境的影響程度.人類活動(dòng)的影響計(jì)算方式為(S2-S1)/(S2-S0).圖8和表5為人類活動(dòng)對(duì)鄱陽湖水齡影響的時(shí)空差異和影響范圍統(tǒng)計(jì).由圖8可以發(fā)現(xiàn)，人類活動(dòng)對(duì)鄱陽湖水齡的影響存在明顯的時(shí)空差異.從空間上來說，在人類活動(dòng)影響下，東部湖區(qū)的水齡呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)，最大下降幅度超過30%，而中、北部湖區(qū)水體水齡則總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，最大上升幅度超過100%.其余部分的水體水齡變化并沒有呈現(xiàn)明顯的時(shí)空特征，變化并無規(guī)律.

圖8 人類活動(dòng)對(duì)鄱陽湖水齡影響程度的時(shí)空差異

表5 人類活動(dòng)對(duì)鄱陽湖水齡影響范圍統(tǒng)計(jì)(km2)

從影響范圍來看(表5)，在漲水期和豐水期(3-7月)僅有545 km2的水體水齡呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，占全湖水面積的13%，下降程度在0～32 d之間，同時(shí)，有超過2372 km2的水體水齡呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，約占全湖面積的58%.而在枯水期和退水期，平均有718 km2的水體水齡呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，占全湖面積的18%.

3 討論

本文耦合了深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)二維水動(dòng)力模型，通過引入基準(zhǔn)期概念，定量區(qū)分了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)鄱陽湖湖區(qū)水齡變化的貢獻(xiàn)程度.在以往的研究中，流域徑流的模擬往往依托傳統(tǒng)的水文模型，如SWAT[38]和WATLAC[13]等.但是，流域模型構(gòu)建的過程中，所需要的數(shù)據(jù)資料龐雜，且往往涉及環(huán)保、水文、氣象、農(nóng)林各個(gè)部門[38]，難以全部獲取，限制了物理模型在數(shù)據(jù)缺乏地區(qū)的使用[28, 40].而本文提出利用流域氣象數(shù)據(jù)結(jié)合深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模擬流域徑流過程，同時(shí)與湖泊二維水動(dòng)力模型進(jìn)行耦合，也能很好地反映流域水文狀況對(duì)湖泊的影響，同時(shí)，其大大降低了模型對(duì)流域資料的依賴性.近年來，隨著很多高級(jí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架如Keras和Pytorch被開發(fā)出來，構(gòu)建一個(gè)復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正在變得越來越方便，為在更加精細(xì)的尺度上區(qū)分氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)水文變量影響提供了數(shù)據(jù)支持和方法借鑒.

盡管深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)在模擬時(shí)間序列方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，模擬精度也相對(duì)較高，但是仍有大量學(xué)者認(rèn)為此類黑箱模型因?yàn)椴痪邆湮锢頇C(jī)制，無法對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋[41-43].最近，Kratzert等[44]通過對(duì)比LSTM中神經(jīng)元的狀態(tài)，可以揭示某些氣象變量的控制機(jī)制，但是合理性還有待于驗(yàn)證.如何科學(xué)解釋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果也成為了學(xué)界研究的重點(diǎn).在本研究中，我們發(fā)現(xiàn)鄱陽湖水齡主要受氣候變化的影響，其相對(duì)貢獻(xiàn)率超過了80%.氣候變化通過改變流域產(chǎn)流過程，進(jìn)而影響湖泊水齡變化.有研究指出流域入流是影響鄱陽湖水齡的主要因素，流域入流量越大則鄱陽湖水齡越小.當(dāng)流域入流增加20%時(shí)，湖口水齡均值減少1.15 d[10].在本研究中，氣候變化使得鄱陽湖水齡均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，其根本原因可能是氣候變化使得鄱陽湖流域的降雨增加，從而導(dǎo)致流域入湖徑流量提高.同時(shí)，蒸發(fā)作為影響流域水量平衡的另一重要因素，其變化對(duì)流域徑流的改變也有著決定性作用.有研究顯示，近年來鄱陽湖流域的潛在蒸發(fā)呈現(xiàn)長期下降趨勢(shì)[23]，而實(shí)際蒸發(fā)也呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的趨勢(shì)[45].蒸發(fā)的下降也會(huì)在一定程度上導(dǎo)致鄱陽湖流域徑流的增加.綜上，在氣候變化作用下，鄱陽湖流域入湖徑流量大量增加，導(dǎo)致其水齡呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).

本研究同時(shí)也區(qū)分了人類活動(dòng)對(duì)鄱陽湖水齡變化的影響分量，可以發(fā)現(xiàn)，人類活動(dòng)對(duì)鄱陽湖水齡變化也有顯著的影響.人類活動(dòng)通過影響流域來水，從而間接影響了鄱陽湖湖區(qū)的水齡變化.一般來說，人類活動(dòng)對(duì)流域水文過程的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，即改變流域下墊面特征以及興建大型水利工程[46].以江西省為例，有研究表明隨著江西山江湖開發(fā)治理工程的實(shí)施[47]，從1985-2001年，全省水土流失面積從330萬hm2下降到130萬hm2；全省森林覆蓋率由31.5%上升到59.7%.植被覆蓋的大量增加，使得流域徑流迅速減少，徑流的減少會(huì)導(dǎo)致鄱陽湖湖區(qū)水齡呈現(xiàn)一定的上升趨勢(shì).同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)對(duì)水齡變化的影響存在一定的年內(nèi)時(shí)空差異，主要體現(xiàn)為枯水期水齡增大，豐水期水齡減小.這可能是由于水利工程的修建導(dǎo)致流域徑流變化呈現(xiàn)年內(nèi)分布不均的趨勢(shì).有研究指出[48]，三峽水庫調(diào)度對(duì)中下游水情影響主要表現(xiàn)為11月至次年4月徑流量加大，5-10月徑流量減小.3月徑流量增加最大，10月減少最多，9月也減少較為明顯，這很好地揭示了人類活動(dòng)對(duì)水齡影響的年內(nèi)差異.但是不可否認(rèn)的是，本文沒有考慮流域下墊面因素對(duì)徑流的影響.盡管本文參考前人研究選取1960-1969年作為基準(zhǔn)期，來盡可能減少人類活動(dòng)的影響，但是有研究顯示，鄱陽湖流域自1950s開始就經(jīng)受了劇烈人類活動(dòng)，從而也對(duì)流域水循環(huán)造成了一定的影響[23].同時(shí)，鄱陽湖流域修筑有大量的水庫，這些水庫的蓄水也會(huì)對(duì)流域的產(chǎn)流過程造成一定的影響[49].在未來的研究中，應(yīng)該綜合考慮這些要素，將流域下墊面情況進(jìn)行參數(shù)化建模，使得模型能夠更加準(zhǔn)確地反映氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)流域水文過程的影響.

4 結(jié)論

1)本文基于EFDC構(gòu)建的鄱陽湖二維水動(dòng)力模型，能夠較好地反映鄱陽湖湖區(qū)水量交換及平衡的季節(jié)性變化特征，模擬結(jié)果真實(shí)可靠.4個(gè)水文站點(diǎn)水位模擬的R2均在0.97以上，NSE均在0.96以上.

2)鄱陽湖湖區(qū)的水齡存在明顯的空間分異特征，其最主要特征為東部湖區(qū)和南部湖區(qū)尾閭水齡較大，平均為228.01 d，而大部分通江水體水齡較小，平均為24.21 d.在時(shí)間尺度上，鄱陽湖水齡的差異主要體現(xiàn)在洪泛濕地區(qū)域.枯水期洪泛濕地年平均水齡約為90 d左右.而在豐水期，洪泛濕地年平均水齡為30 d左右.

3)通過耦合鄱陽湖流域氣象-徑流模型與湖區(qū)水動(dòng)力模型，定量區(qū)分了人類活動(dòng)與氣候變化對(duì)鄱陽湖水齡變化的貢獻(xiàn)率.在氣候變化的影響下，鄱陽湖年均有2054 km2的水體水齡呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，減小幅度為30 d左右；人類活動(dòng)對(duì)水齡變化的影響存在一定的年內(nèi)時(shí)空差異，在漲水期和豐水期有約58%的湖區(qū)水齡呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而在枯水期和退水期，平均有718 km2的水體水齡呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，占全湖面積的18%.從影響權(quán)重來看，氣候變化是造成鄱陽湖水齡變化的主要因素，其影響權(quán)重為84%，而人類活動(dòng)的影響僅占16%.