曹思佳,李云良*,陳 靜,姚 靜,趙貴章,李志萍

2022年鄱陽湖極端干旱對洪泛區(qū)地下水文情勢的影響

曹思佳1,李云良1*,陳 靜2,3,姚 靜1,趙貴章4,李志萍4

(1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 210008；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210009；3.江西省水文監(jiān)測中心,江西 南昌 330002；4.華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,河南 鄭州 450045)

以鄱陽湖洪泛區(qū)濕地為研究區(qū),運(yùn)用FEFLOW建立地下水流數(shù)值模型,定量評估2022年極端干旱影響下地下水文條件的時空響應(yīng)特征.結(jié)果表明,2022年極端干旱對鄱陽湖的持續(xù)影響主要發(fā)生在下半年7～12月份,極端干旱會導(dǎo)致鄱陽湖洪泛區(qū)地下水位大幅度下降以及地下水流速整體加快,且兩者變化情況均呈現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)特征.總體上,極端干旱影響的地下水位最大降幅可達(dá)5m左右,地下水流速增加幅度約為正常年份的1～2倍,極端干旱的強(qiáng)烈影響區(qū)域主要分布在洪泛區(qū)的東北部.從原因上分析,降水對地下水的補(bǔ)給量明顯減少以及地下水向湖泊的排泄量顯著增加,這些均是極端干旱條件下洪泛區(qū)地下水儲量減少的主要原因.從年尺度上來說,極端干旱導(dǎo)致洪泛區(qū)系統(tǒng)的地下水排泄量增加了1.62×107m3,約是基準(zhǔn)年地下水排泄量的14.5倍.鄱陽湖及其洪泛濕地作為整個流域地下水的重要排泄區(qū)和生態(tài)屏障區(qū),本研究強(qiáng)調(diào)了湖泊和地下水文情勢響應(yīng)變化的重要性.

鄱陽湖洪泛濕地；地下水；極端干旱事件；水文水動力；地下水儲量；數(shù)值模擬

地下水作為自然界水循環(huán)的一個重要組成部分,與地表河流湖泊等水體比較而言,通常具有水儲量大、水質(zhì)優(yōu)良、難遭污染等多重特點(diǎn),因而地下水往往被視為一種隱藏的、優(yōu)質(zhì)的備用水源地,其是極端氣候變化和人類活動強(qiáng)烈干擾下湖泊濕地的重要水資源儲備[1].然而,在湖泊和濕地長期發(fā)展和可持續(xù)利用過程中,地下水的實(shí)際價值與貢獻(xiàn)潛力容易被忽視[2].長期以來,圍繞河湖系統(tǒng)地表水資源變化以及水環(huán)境污染等問題取得相關(guān)進(jìn)展頗多,但對水資源整體性的理解以及重視程度仍不夠深入,尤其是地下水資源在應(yīng)對極端氣候水文條件下的不可替代性[3].盡管當(dāng)前研究指出地表水和地下水資源在維系河湖濕地系統(tǒng)生態(tài)健康等諸多方面的同等重要性,但地下水若干科學(xué)問題的研究力度以及對地下水資源的理解程度亟需加強(qiáng).

受人類活動和氣候變化的復(fù)合影響,近年來全球各地干旱事件頻發(fā),廣大學(xué)者開始重視干旱對水文情勢和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的影響及威脅.相關(guān)工作包括基于觀測手段和模擬技術(shù)等開展干旱條件下地下水補(bǔ)排量及動力場演化特征研究,對清晰理解地下水資源衰減或維持機(jī)理具有實(shí)際意義[4].Ascott等[5]采用野外調(diào)查和概念模型相結(jié)合的研究方法,得出威爾士Afon Fathew河流域大部分河流水量來自地下水的補(bǔ)給,很好維持了河流周邊生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展.此外,諸多學(xué)者基于干旱時期地下水資源的重要性,進(jìn)一步分析了地下水干旱對地表植被生態(tài)的影響[6].研究表明,地下水位的持續(xù)下降,將會導(dǎo)致濕地植被生長條件減弱,植被豐度顯著下降,進(jìn)而影響植被生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7-8].總的來說,在干旱條件下,地下水是河流、湖泊、濕地等地表水資源量的重要貢獻(xiàn)組分,也是地表生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵影響因素之一.因此,探明干旱條件下地下水文水動力過程的響應(yīng)特征及水資源量變化,不僅是水資源保護(hù)和生態(tài)保障的重要基礎(chǔ),更有利于對極端氣候條件做出更快的對策制定與響應(yīng)措施.

鄱陽湖是我國最大的淡水湖,作為長江中下游典型的通江湖泊,具有水文和生態(tài)環(huán)境等諸多領(lǐng)域研究的區(qū)位優(yōu)勢和鮮明學(xué)科特色.因其復(fù)雜的水文特征、多脈沖的外部輸入以及高度動態(tài)變化的水位生消過程,鄱陽湖洪泛濕地一直是國內(nèi)外諸多學(xué)者開展研究的天然試驗(yàn)場地和重點(diǎn)關(guān)注對象.2022年江西鄱陽湖遭遇了極端干旱,7月星子站水位跌至11.99m,出現(xiàn)了汛期返枯的現(xiàn)象.此后水位的持續(xù)下降,一度導(dǎo)致鄱陽湖通江水體面積縮水近九成,這不僅是鄱陽湖水文水資源的重點(diǎn)問題,同時也是鄱陽湖洪泛濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的基礎(chǔ)問題.針對鄱陽湖地區(qū)的水文干旱問題, Zhang等[9]采用copula函數(shù)計算了基于河流徑流和湖泊水位的水文干旱指數(shù),分析了鄱陽湖、流域和長江之間的水文干旱聯(lián)合概率.再則,不少學(xué)者特別關(guān)注鄱陽湖與長江的水力交換關(guān)系,從成因角度分析了三峽大壩建設(shè)對鄱陽湖干旱的影響.Zhang等[10]基于水動力學(xué)模型研究了鄱陽湖流域和長江流量對鄱陽湖水文情勢的影響,結(jié)果表明三峽大壩對鄱陽湖季節(jié)性干旱,尤其是對秋季干旱的影響程度更大.總結(jié)可知,雖然上述研究充分意識到了干旱對鄱陽湖水位和水量的影響,但大量工作主要側(cè)重于河湖等地表水文的演變規(guī)律與響應(yīng).已有一些探索性工作開展了湖區(qū)平原地下水[11]、洪泛濕地地下水[12-14]的動力轉(zhuǎn)化過程研究,取得了一些普適性結(jié)論或共識,但地下水資源的動態(tài)變化及對干旱的響應(yīng)仍認(rèn)識不足.由此認(rèn)為,開展極端干旱對洪泛區(qū)地下水動力過程的影響具有實(shí)際意義,可為鄱陽湖地區(qū)提供早期的干旱預(yù)警,還可為緩解干旱做出及時應(yīng)對措施.

本文以鄱陽湖典型洪泛區(qū)濕地為研究區(qū),以2022年極端干旱事件為研究背景,以FEFLOW地下水?dāng)?shù)值模型為主要研究方法,分析極端干旱條件下鄱陽湖洪泛區(qū)地下水文情勢的響應(yīng)變化.主要研究目標(biāo)為:(1)基于FEFLOW地下水模型,定量評估極端干旱條件下鄱陽湖洪泛區(qū)地下水文過程響應(yīng)特征;(2)基于地下水均衡分析,解析極端干旱事件對鄱陽湖洪泛區(qū)地下水資源儲量的影響.本研究成果可為極端條件下的湖泊濕地水資源配置以及地方相關(guān)管理部門的抗旱調(diào)度等提供重要數(shù)據(jù)資料和科學(xué)支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)介紹

鄱陽湖位于江西省北部,長江中下游南岸,是我國最大的淡水湖泊.主要承納贛江、撫河、信江、饒河和修水的五河來水,經(jīng)調(diào)蓄后由北部湖口注入長江,受季節(jié)性變化來水影響較大,形成了我國面積最大的淡水湖泊洪泛濕地(圖1a).湖泊洪、枯季節(jié)水位差可達(dá)15m,形成“洪水一片,枯水一線”的獨(dú)特洪泛特征.洪水期間湖水淹沒洪泛濕地,使其形成整個大湖,平均水深約6m,最大水深可達(dá)30m,湖水面積可達(dá)3000km2,而枯水期時水位大幅度下降,大部分水體基本萎縮在主河道附近,水域面積則萎縮至不足1000km2[15].鄱陽湖洪泛濕地是鄱陽湖不可或缺的一部分,洪泛濕地地下水則是鄱陽湖水資源的重要組成部分之一,湖水位的季節(jié)性變化很大程度上影響了洪泛濕地地下水的變化情況.根據(jù)鉆孔資料顯示,鄱陽湖洪泛區(qū)的含水層巖性主要為細(xì)砂和粉質(zhì)黏土,含水層類型為第四紀(jì)松散含水層,地下水類型主要為孔隙水[16].洪泛區(qū)的地下水位年內(nèi)波動規(guī)律與湖水較為相似,兩者均呈“洪高枯低”的變化趨勢,但地下水的波動幅度遠(yuǎn)小于湖水,年內(nèi)變幅介于2～5m之間,地下水流速基本小于1～2m/d[17].根據(jù)洪泛區(qū)地形地貌以及水文連通關(guān)系特征,本文以鄱陽湖主槽(星子-都昌-康山)和西側(cè)湖區(qū)邊界之間的洪泛濕地作為研究區(qū),面積約為1646km2(圖1b).

圖1 鄱陽湖流域主要水系分布(a)和典型洪泛濕地水文站點(diǎn)分布(b)

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文所需數(shù)據(jù)主要用來開展鄱陽湖干旱背景分析以及地下水?dāng)?shù)值模型構(gòu)建.鄱陽湖洪泛濕地高程數(shù)據(jù),原始分辨率5m×5m,用以刻畫鄱陽湖洪泛濕地的地形特點(diǎn)以及構(gòu)建模型;地下水觀測井的日水位數(shù)據(jù)(觀測點(diǎn)1～5)來源于加拿大Solinst傳感器的野外實(shí)時觀測,觀測點(diǎn)主要分布在吳城國家級自然保護(hù)區(qū)濕地以及南磯保護(hù)區(qū)濕地(圖1b),觀測井貫穿研究區(qū)的南北,同時在東西方向上觀測值也有一定的差異,可以很好的表現(xiàn)出鄱陽湖地下水的空間差異情況.該數(shù)據(jù)主要用來驗(yàn)證地下水?dāng)?shù)值模型;星子、都昌和康山3個水文觀測站的日水位觀測數(shù)據(jù),來源于江西省水文監(jiān)測中心,用以刻畫湖泊水位的季節(jié)性變化情況,并進(jìn)一步用來作為模型的邊界條件;降雨、蒸發(fā)數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院鄱陽湖湖泊濕地觀測研究站,用來反映外部氣象條件變化的影響.

1.3 地下水?dāng)?shù)值模型介紹

本文采用FEFLOW構(gòu)建地下水?dāng)?shù)值模型對鄱陽湖洪泛區(qū)地下水進(jìn)行模擬,側(cè)重分析干旱條件下洪泛濕地地下水時空響應(yīng)特征及湖水-地下水轉(zhuǎn)化狀況.根據(jù)鄱陽湖濕地DEM高程數(shù)據(jù)提取41124個高程點(diǎn),采用克里金插值法,將插值結(jié)果作為模型的地表高程.根據(jù)地形地貌以及獲取的鉆孔資料(圖2),模型將洪泛區(qū)地表以下20m作為均一含水層系統(tǒng)進(jìn)行地下潛水的模擬計算,平面上共計剖分6329個大小不一的三角形網(wǎng)格單元,網(wǎng)格邊長介于20～ 2000m之間,共剖分8680個節(jié)點(diǎn).

圖2 都昌湖岸鉆孔柱狀圖

鉆孔數(shù)據(jù)來自江西省地質(zhì)局

研究區(qū)東側(cè)邊界為鄱陽湖南北方向的主槽,模型根據(jù)星子、都昌和康山水位的差異,通過分段差值方法來進(jìn)行邊界設(shè)置,以此反映湖水位空間變化的影響,將其設(shè)置為給定水頭邊界.研究區(qū)西側(cè)主要接受修水、贛江兩大支流的地下水補(bǔ)排水量影響,故根據(jù)修水和贛江兩大區(qū)間的影響范圍,將模型西側(cè)邊界劃分為兩段,根據(jù)原位多個地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù),設(shè)置為基于達(dá)西定律估算的地下水流量邊界.除此之外,洪泛區(qū)地表分布的碟形湖群以及降雨蒸發(fā)是影響地下水文的其他重要因素.其中,碟形湖入滲補(bǔ)給量采用基于溫度和達(dá)西定律估算結(jié)果[18],該模型將碟形湖入滲量作為源匯項輸入.結(jié)合野外現(xiàn)場試驗(yàn)和模型參數(shù)調(diào)整,本文最終給定研究區(qū)橫向滲透系數(shù)為150m/d,橫向、縱向滲透系數(shù)比為10:1,給水度為0.01.模型主要考慮的源匯項為降水、蒸發(fā)量以及碟形湖的補(bǔ)給.其中降水的有效入滲系數(shù)設(shè)置為0.1,蒸發(fā)的折算系數(shù)為0.1,碟形湖對地下水的補(bǔ)給,根據(jù)季節(jié)性水文變化,設(shè)置為0～0.1m/d不等.通過地下水位觀測數(shù)據(jù)的驗(yàn)證結(jié)果可知,地下水模型水位模擬偏差RMSE基本小于 0.4m,納希效率系數(shù)Ens變化范圍介于0.71～0.92之間,確定性系數(shù)2介于0.74～ 0.94之間,該模型可再現(xiàn)研究區(qū)地下水位波動情況以及枯漲豐退四個時期的水文節(jié)律變化特點(diǎn).關(guān)于模型詳細(xì)的概化、構(gòu)建過程、邊界設(shè)置和驗(yàn)證效果等,請參考先前發(fā)表成果[16-17],本文不再贅述.

1.4 情景模擬方案

主要研究目標(biāo)是解析極端干旱對鄱陽湖洪泛區(qū)地下水系統(tǒng)的影響.從模型結(jié)構(gòu)和洪泛區(qū)實(shí)際情況出發(fā),降水、蒸發(fā)和湖泊水位變化是影響鄱陽湖洪泛區(qū)地下水文狀況的重要?dú)庀蟆⑺囊蛩?因此,本文總體研究策略是,在基準(zhǔn)年地下水模擬與充分驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,以2022年歷史極端干旱年份為變化條件,通過改變湖泊水位邊界條件(即模型右側(cè)水位邊界)和降水、蒸發(fā)輸入(即模型源匯項)來分析地下水文情勢對極端干旱的響應(yīng),這里采用控制變量法開展分析,即模型假設(shè)其余變量和條件保持不變(圖3).

圖3 本研究地下水情景模擬方案設(shè)計示意

2 結(jié)果與分析

2.1 極端干旱條件對洪泛區(qū)氣象的影響

基于對鄱陽湖洪泛濕地水文氣象條件的總體分析以及數(shù)據(jù)獲取情況,本文選取2018年作為模型評估的基準(zhǔn)年,將2022年作為極端干旱年,以此分析極端干旱條件下洪泛區(qū)地下水文的響應(yīng).數(shù)據(jù)結(jié)果顯示,極端干旱年的年降水量約為1100mm,雖與多年平均相差不大,但年內(nèi)降水分布十分不均,呈前多后少態(tài)勢.降水量主要集中在上半年(1～6月),占全年降水量80%以上,7月以來,研究區(qū)降水大幅度下降,9月甚至出現(xiàn)了整月無降水的情況,下半年降水量與基準(zhǔn)年相比減少了45%,為1951年有記錄以來最少,鄱陽湖出現(xiàn)伏旱現(xiàn)象(圖4a).極端干旱年的蒸發(fā)也存在年內(nèi)分配不均的現(xiàn)象,在夏秋季節(jié),尤其是7月降水減少以來,其蒸發(fā)量大幅度增加,其中7～10月的蒸發(fā)量約占全年65%(圖4a).由圖4b可知,自7月以來,隨著降水減少和蒸發(fā)增大的共同影響,與基準(zhǔn)年相比鄱陽湖提前進(jìn)入了枯水期.不僅如此,自7月起,極端干旱年的湖水位迅速下降,尤其是鄱陽湖中下游(星子、都昌段),在8月與基準(zhǔn)年水位差最大,可達(dá)6m,在10月中旬更是跌到了7m左右,刷新了鄱陽湖歷史最低水位,標(biāo)志著2022年極端干旱達(dá)到了鄱陽湖1961年有紀(jì)錄以來最嚴(yán)重干旱.考慮到湖水-地下水之間的交互轉(zhuǎn)化關(guān)系,湖水位下降勢必會對鄱陽湖洪泛濕地的地下水位、水量等造成嚴(yán)重影響.本文以此為背景,基于上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù),分析極端干旱對鄱陽湖洪泛濕地地下水文狀況的綜合影響.

圖4 極端干旱年和基準(zhǔn)年的降雨蒸發(fā)量變化(a)和湖泊水位變化動態(tài)(b)

2.2 極端干旱對洪泛區(qū)地下水動力的影響

2.2.1 地下水位 便于分析,本文選取了鄱陽湖洪泛區(qū)濕地不同區(qū)域位置來分析研究區(qū)地下水位的響應(yīng)特征(圖5).模擬結(jié)果顯示,受上半年降雨量增加影響(圖4a),極端干旱年洪泛區(qū)的地下水位總體上要明顯高于基準(zhǔn)年(圖5a～d).從地下水位波動幅度來看,洪泛區(qū)東側(cè)地下水位變化幅度最大(～10m),其對極端干旱條件的響應(yīng)最為敏感,6月初地下水位便呈現(xiàn)出持續(xù)下降態(tài)勢.此外,東側(cè)區(qū)域出現(xiàn)明顯的退水期提前現(xiàn)象,退水期約提前30d.考慮到該區(qū)域處于洪泛區(qū)東部,靠近鄱陽湖主湖區(qū),受主湖區(qū)水位情勢變化影響較大,因此除了2022年6月以來持續(xù)的高溫少雨,湖水位下降是導(dǎo)致該區(qū)域地下水位變化的主要原因,由此表明了地下水位與湖水位下降的同步響應(yīng)特征.針對洪泛區(qū)南部的地下水位,自6月份以來地下水位下降幅度可達(dá)約8m,考慮到其位置特征,很有可能是因?yàn)楹榉簠^(qū)南側(cè)靠近鄱陽湖上游流域,受流域來水偏少以及湖區(qū)水位下降的聯(lián)合影響,由此也呈現(xiàn)出地下水位與湖水位下降的同步響應(yīng)特征(圖5c).洪泛區(qū)西側(cè)和北側(cè)區(qū)域,可能是受到流域地下水的持續(xù)補(bǔ)給作用,與基準(zhǔn)年相比,地下水位的下降主要發(fā)生在10月份,但降幅基本保持在1m之內(nèi),可見地下水位對湖水位下降存在一定的滯后響應(yīng)特征.從地下水位變化過程線可以看出,與基準(zhǔn)年相比,極端干旱年6～10月期間,洪泛區(qū)均存在地下水位下降速率明顯增加的情況,東部區(qū)域地下水位下降速率最大,西部和北部地下水位下降速率相對較小.此外,與基準(zhǔn)年相比,極端干旱導(dǎo)致靠近主湖區(qū)的東部區(qū)域地下水位最大降幅可達(dá)5m左右(圖5b).總的來說,極端干旱導(dǎo)致洪泛區(qū)地下水位的下降幅度明顯增加,不同區(qū)域地下水位對干旱條件存在著不同時間尺度的響應(yīng)特征.

通過上述分析以及研究區(qū)的氣象資料可知,2022年極端干旱對地下水位的顯著影響主要發(fā)生在下半年,故這里選取7～12月開展空間月平均地下水位的詳細(xì)分析,以評估干旱對地下水位的空間影響量級,即根據(jù)地下水位變化幅度劃分為弱(水位變化<2m)、中(水位變化2～4m)、強(qiáng)(水位變化>4m)三個等級便于清晰認(rèn)識地下水的響應(yīng)程度(圖6).空間格局上,極端干旱對洪泛區(qū)月平均地下水位變化的最強(qiáng)影響區(qū)域主要分布在西部和北部(7～8月),由上述分析可知,研究區(qū)東部(湖水)和南部(湖水和流域來水)受地表水影響較大,而7～8月極端干旱和基準(zhǔn)年的地表水變化相對較小,進(jìn)而導(dǎo)致東部和南部地下水位差也相對較小.研究區(qū)西部主要受到流域地下水的持續(xù)補(bǔ)給作用,地下水變化響應(yīng)相對較慢,因此極端干旱年的7～8月份西部仍保持地下水位,與基準(zhǔn)年相比水位變化較大.而極端干旱對9～12月份地下水位下降的最強(qiáng)影響區(qū)域主要分布在洪泛區(qū)東部且靠近下游的廣大區(qū)域,下降幅度約4～5m.

圖5 基準(zhǔn)年與極端干旱年的地下水位時間序列變化

圖6 極端干旱對7～12月份洪泛區(qū)地下水位變化的空間影響程度

2.2.2 地下水流速 針對7～12月地下水系統(tǒng)對極端干旱的響應(yīng)情況,本文在研究區(qū)北部、南部、西部和東部分別選取典型點(diǎn),分析極端干旱對鄱陽湖洪泛區(qū)地下水流速的影響.由圖7可見,相對于基準(zhǔn)年來看,極端干旱年地下水流速總體呈現(xiàn)出明顯加快的變化態(tài)勢,尤其是研究區(qū)北部和東部兩大區(qū)域.這是因?yàn)檠芯繀^(qū)北部靠近鄱陽湖入湖航道,受干旱驅(qū)動以及鄱陽湖出流加快的共同影響,其地下水流速變幅總體較大,約為0.23m/d.與基準(zhǔn)年相比,地下水流速的最大增幅約為0.17m/d,大約是正常年份下的3倍.研究區(qū)東部則靠近鄱陽湖主槽,受湖水位動態(tài)變化影響較大,其地下水流速最大可至0.3m/d,與基準(zhǔn)年相比,最大流速增幅發(fā)生在8月份,流速出現(xiàn)峰值且約增加0.16m/d,流速增加幅度近1倍.研究區(qū)南部的地下水流速先是呈下降趨勢,8月中旬開始,地下水流速增加,9月增至0.1m/d,后趨于相對穩(wěn)定狀態(tài).然而,研究區(qū)西部的地下水流速整體上變化微弱(～0.02m/d),表明極端干旱對洪泛區(qū)西部地下水流速影響較小(圖7).總的來說,空間不同區(qū)域的地下水流速存在不同的響應(yīng)特征,但2022年極端干旱將會導(dǎo)致洪泛區(qū)地下水流速的普遍加快,這就意味著地下水向湖區(qū)的整體排泄強(qiáng)度增加,因而加劇了洪泛區(qū)地下水量的衰減程度.

圖7 極端干旱年與基準(zhǔn)年7～12月份地下水流速變化對比

2.3 極端干旱對洪泛區(qū)地下水儲量的影響

表1 基準(zhǔn)年和干旱年鄱陽湖洪泛區(qū)地下水均衡分析(′106m3)

如上文所述,極端干旱導(dǎo)致地下水位大幅度下降,勢必導(dǎo)致研究區(qū)地下水迅速向外排泄,地下水儲量大幅減少.為分析極端干旱年地下水儲量的變化情況,本文從月尺度上分析了鄱陽湖洪泛區(qū)的地下水輸入和輸出水量動態(tài).基于洪泛區(qū)地下水均衡分析,地下水的主要補(bǔ)給項為降水入滲p、碟形湖對地下水的補(bǔ)給l、研究區(qū)西側(cè)二類邊界的流入量NBin和研究區(qū)東側(cè)一類邊界的流入量DBin;主要排泄項為潛水蒸發(fā)量e、研究區(qū)西側(cè)二類邊界的流出量NBout和東側(cè)一類邊界的流出量DBout.通過表1結(jié)果可得,盡管從年尺度上來看,極端干旱年的降水補(bǔ)給量相對于基準(zhǔn)年有所增加,但從月尺度上分析,極端干旱年的降水補(bǔ)給主要集中在上半年(1～6月),在7月份降水量則出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折,與6月份相比,降雨量驟然減少了近75%.下半年(7～12月)的降水補(bǔ)給量約為2.003×107m3,比基準(zhǔn)年減小了1.111× 107m3,約是基準(zhǔn)年下半年降水補(bǔ)給的64 %.尤其是9月份,極端干旱年的地下水系統(tǒng)幾乎沒有受到降水補(bǔ)給,降水量的大幅度減少是導(dǎo)致2022年下半年極端干旱的主要原因.此外,東側(cè)水位邊界的補(bǔ)給、排泄量變化也是導(dǎo)致鄱陽湖洪泛濕地地下水儲量減少的重要原因.東側(cè)水位邊界主要是洪泛區(qū)地下水與湖水之間水量交換的重要通道,由表1可知,極端干旱年的東側(cè)邊界補(bǔ)給量較基準(zhǔn)年減少了30%,而排泄量卻增加了一倍,這顯著增強(qiáng)了洪泛區(qū)濕地地下水的排泄效應(yīng),由此也表明了干旱時期地下水是湖泊水量平衡的重要貢獻(xiàn)組分之一.總體上,2022年下半年的降水減少以及湖水位的下降,共同導(dǎo)致了鄱陽湖洪泛區(qū)地下水的排泄和含水層水儲量明顯減少如圖8所示,在鄱陽湖的豐水期和退水期(7～12月份),極端干旱年的地下水儲量較基準(zhǔn)年明顯減少,尤其8月份,極端干旱年的排泄量是基準(zhǔn)年的3.5倍.其中11月份地下水儲量小幅度上升,這可能是因?yàn)?1月時,鄱陽湖地區(qū)受降水影響,對洪泛濕地地下水存在一定的補(bǔ)給.從年尺度來看(月尺度地下水均衡累加獲得),基準(zhǔn)年和極端干旱年的地下水儲量均呈向外排泄,即年儲量減小,相比于基準(zhǔn)年,極端干旱年地下水排泄量(-1.74×107m3)約為基準(zhǔn)年地下水排泄量(-1.2×106m3)的14.5倍,排泄量增加了1.62×107m3.進(jìn)一步表明了極端干旱年的“汛期返枯”現(xiàn)象加劇了鄱陽湖洪泛區(qū)地下水儲量的衰減.

圖8 基準(zhǔn)年和干旱年鄱陽湖洪泛區(qū)月平均地下水儲量變化對比

負(fù)值表示地下水儲量減少,正值表示地下水儲量增加.

3 討論

近年來,隨著氣候變化頻繁和人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人口增長等人類活動變化,水資源短缺現(xiàn)象日益嚴(yán)重,干旱化趨勢已成為了許多學(xué)者研究的熱點(diǎn)話題[19-20].2022年夏季以來,我國持續(xù)高溫少雨,干旱情況比比皆是,不僅引起多地森林起火,還導(dǎo)致了鄱陽湖汛期返枯,夏季的湖水量損失超過75%[21].通過遙感監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn),2022年7月中旬在鄱陽湖洪泛區(qū),面積大于 1km2的碟形湖共有86個,蓄水面積可達(dá) 930km2,而八月初則有31個碟形湖干涸,碟形湖總蓄水面積約為129km2,相較于7月中旬,減少了約86%[22].極端干旱天氣和鄱陽湖湖水位快速下降,湖泊水量嚴(yán)重縮小共同導(dǎo)致了鄱陽湖洪泛濕地地下水系統(tǒng)發(fā)生了較大的變化.同時,在這種極端干旱的情況下,地下水的貢獻(xiàn)顯得尤為重要.據(jù)本文分析,極端干旱年地下水向湖水的補(bǔ)給量增加了1倍左右.在地表水受高溫影響蒸發(fā)嚴(yán)重且水量銳減的情況下,地下水儲量的減少相對較弱.在極端干旱條件下,地下水已成為鄱陽湖洪泛濕地生態(tài)系統(tǒng)水分補(bǔ)給的重要來源,同時對河湖濕地的有效管理和保護(hù)起著至關(guān)重要的作用[23].

地下水與植被的生長和分布密切相關(guān),地下水水位的波動影響了濕地植被群落的構(gòu)成、生長和演替[24].尤其在極端干旱的條件下,地表水量急劇下降,植被對地下水的依賴增大,地下水成為湖泊濕地植被生長的重要影響因素,植被與地下水相互作用的研究對于維持干旱生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[25].鄱陽湖洪泛濕地的典型植被群落為茵陳蒿、蘆葦和苔草,此外鄱陽湖主湖區(qū)附近還存在著大量的沉水植被,如馬來眼子菜等[26].隨著近年來人類活動和氣候變化的影響,尤其是受2022年極端干旱的影響,鄱陽湖地下水位大幅度下降,地下水埋深逐步增加,植被生境大幅度改變,蘆葦?shù)戎猩灾脖蝗郝湎虻吞幯由?苔草等生長在靠近主湖區(qū)的低洼灘地植被群落下移,占據(jù)了大量沉水植被的生長面積,沉水植被生境面積明顯減少[22,27].植被群落的分布高程向低處延伸的趨向越來越明顯,植被結(jié)構(gòu)趨于簡單化,進(jìn)而可能進(jìn)一步影響越冬水鳥的分布和數(shù)量.極端干旱條件下,枯水期提前并延長,洪泛濕地的退水速度加快,苔草等植被發(fā)育提前并快速衰老,進(jìn)而可造成鳥類取食困難等問題[29].上述討論可知,在極端干旱發(fā)生的年份里,因濕地地表水深和植被覆蓋度減少的雙重影響,勢必會導(dǎo)致越冬水鳥的生境狀況發(fā)生嚴(yán)重的威脅,甚至喪失一部分越冬水鳥棲息地[28].鄱陽湖作為中國最大的淡水湖和典型的洪泛濕地,在生態(tài)系統(tǒng)和生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮著重要作用,其中地下水和生態(tài)環(huán)境之間的聯(lián)系十分密切,地下水是干旱時期,水資源可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵,應(yīng)引起多方面學(xué)者和專家的重視.

針對2022年已經(jīng)發(fā)生的極端干旱事件,本文研究結(jié)果表明,地下水在極端干旱情況下,同樣受到地表河湖水文變化的聯(lián)動影響,地下水作為一種至關(guān)重要的備用水源,探明地下水動力學(xué)過程及其響應(yīng)特征,對深入理解和完整詮釋濕地水文情況和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)內(nèi)涵具有重要意義.從整個鄱陽湖流域來說,受地形地貌和地下水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)等諸多因素作用,流域下游地區(qū)作為地下水-地表水的頻繁轉(zhuǎn)化區(qū),地下徑流條件較強(qiáng),但地下含水層的賦存條件相對較弱,而鄱陽湖作為地下水的重要排泄區(qū)和生態(tài)屏障區(qū),其水位高低變化對湖區(qū)周邊流域地下水儲量動態(tài)具有至關(guān)重要作用.眾所周知,鄱陽湖擬建水利樞紐工程,其目標(biāo)是緩解近些年來湖區(qū)低枯水位現(xiàn)象,以保護(hù)湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展.先前諸多工作表明,該過程將會明顯抬高湖區(qū)水位,增加洪泛濕地的淹水面積以及湖區(qū)水蓄量等[29-30],本研究結(jié)果則表明了湖水位的變化將會進(jìn)一步導(dǎo)致洪泛地下水文過程的響應(yīng)變化.盡管先前研究已經(jīng)指出了擬建樞紐工程影響下洪泛區(qū)地下水位的升高很有可能給部分濕地生態(tài)系統(tǒng)帶來一些潛在風(fēng)險[16],但從干旱影響視角來看,擬建樞紐將在某種程度上可降低洪泛區(qū)地下水的排泄速率,進(jìn)而維持了洪泛區(qū)地下水儲量.因此,應(yīng)綜合考慮水文水資源和生態(tài)演變問題,將湖水和地下水進(jìn)行系統(tǒng)化評估,未來應(yīng)充分開展水資源優(yōu)化配置和博弈分析.本文采用地下水模型定量評估了極端干旱情況下鄱陽湖洪泛區(qū)地下水位、流速及水儲量等變化情況,盡管取得了一定的成果,但仍存一定的不足之處.下一步工作將圍繞湖泊濕地系統(tǒng)地下水和生態(tài)之間的互饋關(guān)系,建立地表-地下水-生態(tài)耦合動力學(xué)模型,以深入闡明地表-地下水文變化對濕地生態(tài)的影響機(jī)制.

4 結(jié)論

4.1 2022年極端干旱對鄱陽湖的影響主要發(fā)生在7～12月份,極端干旱將會導(dǎo)致鄱陽湖洪泛區(qū)地下水位大幅度下降,最大水位降幅可達(dá)5m左右.地下水位下降幅度呈現(xiàn)明顯的空間異質(zhì)性,極端干旱對地下水位的強(qiáng)烈影響區(qū)域主要分布在洪泛區(qū)的東部,且洪泛區(qū)東部出現(xiàn)明顯的退水期提前的現(xiàn)象(提前約30d).研究區(qū)西部地下水位的下降主要發(fā)生在10月份,與基準(zhǔn)年相比,降幅基本保持在1m之內(nèi).

4.2 極端干旱導(dǎo)致洪泛區(qū)地下水流速整體加快,相較于正常年份,由于受到主湖區(qū)水位明顯偏低的影響,東部地下水流速變化最大,地下水流速可達(dá)正常年份的3倍,而洪泛區(qū)西部地下水流速變化較為微弱(～0.02m/d).

4.3 極端干旱條件導(dǎo)致研究區(qū)降水對地下水的補(bǔ)給量明顯減少,以及地下水向湖泊的排泄量增加,這是洪泛區(qū)地下水儲量減少的主要原因.從年尺度而言,2022極端干旱導(dǎo)致地下水系統(tǒng)的排泄量約為1.74×107m3,是正常年份地下水排泄量的14.5倍.

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Influence of extreme drought in 2022 on groundwater hydrological regime in the Poyang Lake floodplain area.

CAO Si-jia1, LI Yun-liang1*, CHEN Jing2,3, YAO Jing1, ZHAO Gui-zhang4, LI Zhi-ping4

(1.Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210009, China；3.Monitoring Center of Jiangxi Hydrology, Nanchang 330002, China；4.School of Earth Science and Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)., 2023,43(12)：6601～6610

The recognition and attention of groundwater in the river-lake system was done gradually strengthened. The current research used the floodplain area of Poyang Lake as our study area. We further used the FEFLOW groundwater flow model to quantitatively evaluate the spatiotemporal responses of floodplain groundwater under the extreme drought condition in 2022. The simulation results showed that the continuous impact of extreme drought on Poyang Lake in 2022 mainly occurs in the second half of the year. The extreme droughtleaded to a significant decrease of floodplain groundwater level and an overall acceleration of groundwater flow velocity in the lake’s floodplain. The decreasing trends of both the groundwater level and flow velocity exhibited an obvious spatial heterogeneity. In general, the maximum drop of groundwater levels affected by the extreme drought reaches about 5m, and the groundwater flow velocity was about once-twice than that of the normal year. In addition, extreme drought might result in a significant decline in rainfall recharge and a significant increase in groundwater discharge (into the lake), contributed to the decline of floodplain groundwater storage. On an annual scale, the extreme drought might lead to increasing groundwater discharge of 16.2×106m3in the study area, which was about 14.5 times than that of groundwater discharge in the normal year. Poyang Lake and its floodplain are important drainage and ecological barrier areas of the whole basin groundwater flow system, and therefore, this study highlights the importance of lake and groundwater hydrological responses.

Poyang Lake floodplain；groundwater flow simulation；extreme drought event；hydrological and hydrodynamic；groundwater storage volume；numerical simulation

X524

A

1000-6923(2023)12-6601-10

曹思佳,李云良,陳 靜,等.2022年鄱陽湖極端干旱對洪泛區(qū)地下水文情勢的影響 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2023,43(12):6601-6610.

Cao S J, Li Y L, Chen J, et al. Influence of extreme drought in 2022 on groundwater hydrological regime in the Poyang Lake floodplain area [J]. China Environmental Science, 2023,43(12):6601-6610.

2023-05-12

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2019YFC0409002);國家自然科學(xué)基金項目(42071036);中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會項目(Y9CJH01001)聯(lián)合資助.

* 責(zé)任作者, 研究員, yunliangli@niglas.ac.cn

曹思佳(1998-),女,遼寧盤錦人,中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所碩士研究生,主要研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì).caosijia0412@163.com.