2022年鄱阳湖极端干旱对洪泛区地下水文情势的影响

曹思佳,李云良*,陈 静,姚 静,赵贵章,李志萍

2022年鄱阳湖极端干旱对洪泛区地下水文情势的影响

曹思佳1,李云良1*,陈 静2,3,姚 静1,赵贵章4,李志萍4

(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏 南京 210008；2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210009；3.江西省水文监测中心,江西 南昌 330002；4.华北水利水电大学地球科学与工程学院,河南 郑州 450045)

以鄱阳湖洪泛区湿地为研究区,运用FEFLOW建立地下水流数值模型,定量评估2022年极端干旱影响下地下水文条件的时空响应特征.结果表明,2022年极端干旱对鄱阳湖的持续影响主要发生在下半年7～12月份,极端干旱会导致鄱阳湖洪泛区地下水位大幅度下降以及地下水流速整体加快,且两者变化情况均呈现出明显的空间异质特征.总体上,极端干旱影响的地下水位最大降幅可达5m左右,地下水流速增加幅度约为正常年份的1～2倍,极端干旱的强烈影响区域主要分布在洪泛区的东北部.从原因上分析,降水对地下水的补给量明显减少以及地下水向湖泊的排泄量显著增加,这些均是极端干旱条件下洪泛区地下水储量减少的主要原因.从年尺度上来说,极端干旱导致洪泛区系统的地下水排泄量增加了1.62×107m3,约是基准年地下水排泄量的14.5倍.鄱阳湖及其洪泛湿地作为整个流域地下水的重要排泄区和生态屏障区,本研究强调了湖泊和地下水文情势响应变化的重要性.

鄱阳湖洪泛湿地；地下水；极端干旱事件；水文水动力；地下水储量；数值模拟

地下水作为自然界水循环的一个重要组成部分,与地表河流湖泊等水体比较而言,通常具有水储量大、水质优良、难遭污染等多重特点,因而地下水往往被视为一种隐藏的、优质的备用水源地,其是极端气候变化和人类活动强烈干扰下湖泊湿地的重要水资源储备[1].然而,在湖泊和湿地长期发展和可持续利用过程中,地下水的实际价值与贡献潜力容易被忽视[2].长期以来,围绕河湖系统地表水资源变化以及水环境污染等问题取得相关进展颇多,但对水资源整体性的理解以及重视程度仍不够深入,尤其是地下水资源在应对极端气候水文条件下的不可替代性[3].尽管当前研究指出地表水和地下水资源在维系河湖湿地系统生态健康等诸多方面的同等重要性,但地下水若干科学问题的研究力度以及对地下水资源的理解程度亟需加强.

受人类活动和气候变化的复合影响,近年来全球各地干旱事件频发,广大学者开始重视干旱对水文情势和生态环境系统的影响及威胁.相关工作包括基于观测手段和模拟技术等开展干旱条件下地下水补排量及动力场演化特征研究,对清晰理解地下水资源衰减或维持机理具有实际意义[4].Ascott等[5]采用野外调查和概念模型相结合的研究方法,得出威尔士Afon Fathew河流域大部分河流水量来自地下水的补给,很好维持了河流周边生态系统发展.此外,诸多学者基于干旱时期地下水资源的重要性,进一步分析了地下水干旱对地表植被生态的影响[6].研究表明,地下水位的持续下降,将会导致湿地植被生长条件减弱,植被丰度显著下降,进而影响植被生态系统的稳定性[7-8].总的来说,在干旱条件下,地下水是河流、湖泊、湿地等地表水资源量的重要贡献组分,也是地表生态环境系统发展的关键影响因素之一.因此,探明干旱条件下地下水文水动力过程的响应特征及水资源量变化,不仅是水资源保护和生态保障的重要基础,更有利于对极端气候条件做出更快的对策制定与响应措施.

鄱阳湖是我国最大的淡水湖,作为长江中下游典型的通江湖泊,具有水文和生态环境等诸多领域研究的区位优势和鲜明学科特色.因其复杂的水文特征、多脉冲的外部输入以及高度动态变化的水位生消过程,鄱阳湖洪泛湿地一直是国内外诸多学者开展研究的天然试验场地和重点关注对象.2022年江西鄱阳湖遭遇了极端干旱,7月星子站水位跌至11.99m,出现了汛期返枯的现象.此后水位的持续下降,一度导致鄱阳湖通江水体面积缩水近九成,这不仅是鄱阳湖水文水资源的重点问题,同时也是鄱阳湖洪泛湿地生态系统健康的基础问题.针对鄱阳湖地区的水文干旱问题, Zhang等[9]采用copula函数计算了基于河流径流和湖泊水位的水文干旱指数,分析了鄱阳湖、流域和长江之间的水文干旱联合概率.再则,不少学者特别关注鄱阳湖与长江的水力交换关系,从成因角度分析了三峡大坝建设对鄱阳湖干旱的影响.Zhang等[10]基于水动力学模型研究了鄱阳湖流域和长江流量对鄱阳湖水文情势的影响,结果表明三峡大坝对鄱阳湖季节性干旱,尤其是对秋季干旱的影响程度更大.总结可知,虽然上述研究充分意识到了干旱对鄱阳湖水位和水量的影响,但大量工作主要侧重于河湖等地表水文的演变规律与响应.已有一些探索性工作开展了湖区平原地下水[11]、洪泛湿地地下水[12-14]的动力转化过程研究,取得了一些普适性结论或共识,但地下水资源的动态变化及对干旱的响应仍认识不足.由此认为,开展极端干旱对洪泛区地下水动力过程的影响具有实际意义,可为鄱阳湖地区提供早期的干旱预警,还可为缓解干旱做出及时应对措施.

本文以鄱阳湖典型洪泛区湿地为研究区,以2022年极端干旱事件为研究背景,以FEFLOW地下水数值模型为主要研究方法,分析极端干旱条件下鄱阳湖洪泛区地下水文情势的响应变化.主要研究目标为:(1)基于FEFLOW地下水模型,定量评估极端干旱条件下鄱阳湖洪泛区地下水文过程响应特征;(2)基于地下水均衡分析,解析极端干旱事件对鄱阳湖洪泛区地下水资源储量的影响.本研究成果可为极端条件下的湖泊湿地水资源配置以及地方相关管理部门的抗旱调度等提供重要数据资料和科学支撑.

1 材料与方法

1.1 研究区介绍

鄱阳湖位于江西省北部,长江中下游南岸,是我国最大的淡水湖泊.主要承纳赣江、抚河、信江、饶河和修水的五河来水,经调蓄后由北部湖口注入长江,受季节性变化来水影响较大,形成了我国面积最大的淡水湖泊洪泛湿地(图1a).湖泊洪、枯季节水位差可达15m,形成“洪水一片,枯水一线”的独特洪泛特征.洪水期间湖水淹没洪泛湿地,使其形成整个大湖,平均水深约6m,最大水深可达30m,湖水面积可达3000km2,而枯水期时水位大幅度下降,大部分水体基本萎缩在主河道附近,水域面积则萎缩至不足1000km2[15].鄱阳湖洪泛湿地是鄱阳湖不可或缺的一部分,洪泛湿地地下水则是鄱阳湖水资源的重要组成部分之一,湖水位的季节性变化很大程度上影响了洪泛湿地地下水的变化情况.根据钻孔资料显示,鄱阳湖洪泛区的含水层岩性主要为细砂和粉质黏土,含水层类型为第四纪松散含水层,地下水类型主要为孔隙水[16].洪泛区的地下水位年内波动规律与湖水较为相似,两者均呈“洪高枯低”的变化趋势,但地下水的波动幅度远小于湖水,年内变幅介于2～5m之间,地下水流速基本小于1～2m/d[17].根据洪泛区地形地貌以及水文连通关系特征,本文以鄱阳湖主槽(星子-都昌-康山)和西侧湖区边界之间的洪泛湿地作为研究区,面积约为1646km2(图1b).

图1 鄱阳湖流域主要水系分布(a)和典型洪泛湿地水文站点分布(b)

1.2 基础数据

本文所需数据主要用来开展鄱阳湖干旱背景分析以及地下水数值模型构建.鄱阳湖洪泛湿地高程数据,原始分辨率5m×5m,用以刻画鄱阳湖洪泛湿地的地形特点以及构建模型;地下水观测井的日水位数据(观测点1～5)来源于加拿大Solinst传感器的野外实时观测,观测点主要分布在吴城国家级自然保护区湿地以及南矶保护区湿地(图1b),观测井贯穿研究区的南北,同时在东西方向上观测值也有一定的差异,可以很好的表现出鄱阳湖地下水的空间差异情况.该数据主要用来验证地下水数值模型;星子、都昌和康山3个水文观测站的日水位观测数据,来源于江西省水文监测中心,用以刻画湖泊水位的季节性变化情况,并进一步用来作为模型的边界条件;降雨、蒸发数据来自于中国科学院鄱阳湖湖泊湿地观测研究站,用来反映外部气象条件变化的影响.

1.3 地下水数值模型介绍

本文采用FEFLOW构建地下水数值模型对鄱阳湖洪泛区地下水进行模拟,侧重分析干旱条件下洪泛湿地地下水时空响应特征及湖水-地下水转化状况.根据鄱阳湖湿地DEM高程数据提取41124个高程点,采用克里金插值法,将插值结果作为模型的地表高程.根据地形地貌以及获取的钻孔资料(图2),模型将洪泛区地表以下20m作为均一含水层系统进行地下潜水的模拟计算,平面上共计剖分6329个大小不一的三角形网格单元,网格边长介于20～ 2000m之间,共剖分8680个节点.

图2 都昌湖岸钻孔柱状图

钻孔数据来自江西省地质局

研究区东侧边界为鄱阳湖南北方向的主槽,模型根据星子、都昌和康山水位的差异,通过分段差值方法来进行边界设置,以此反映湖水位空间变化的影响,将其设置为给定水头边界.研究区西侧主要接受修水、赣江两大支流的地下水补排水量影响,故根据修水和赣江两大区间的影响范围,将模型西侧边界划分为两段,根据原位多个地下水位监测数据,设置为基于达西定律估算的地下水流量边界.除此之外,洪泛区地表分布的碟形湖群以及降雨蒸发是影响地下水文的其他重要因素.其中,碟形湖入渗补给量采用基于温度和达西定律估算结果[18],该模型将碟形湖入渗量作为源汇项输入.结合野外现场试验和模型参数调整,本文最终给定研究区横向渗透系数为150m/d,横向、纵向渗透系数比为10:1,给水度为0.01.模型主要考虑的源汇项为降水、蒸发量以及碟形湖的补给.其中降水的有效入渗系数设置为0.1,蒸发的折算系数为0.1,碟形湖对地下水的补给,根据季节性水文变化,设置为0～0.1m/d不等.通过地下水位观测数据的验证结果可知,地下水模型水位模拟偏差RMSE基本小于 0.4m,纳希效率系数Ens变化范围介于0.71～0.92之间,确定性系数2介于0.74～ 0.94之间,该模型可再现研究区地下水位波动情况以及枯涨丰退四个时期的水文节律变化特点.关于模型详细的概化、构建过程、边界设置和验证效果等,请参考先前发表成果[16-17],本文不再赘述.

1.4 情景模拟方案

主要研究目标是解析极端干旱对鄱阳湖洪泛区地下水系统的影响.从模型结构和洪泛区实际情况出发,降水、蒸发和湖泊水位变化是影响鄱阳湖洪泛区地下水文状况的重要气象、水文因素.因此,本文总体研究策略是,在基准年地下水模拟与充分验证的基础上,以2022年历史极端干旱年份为变化条件,通过改变湖泊水位边界条件(即模型右侧水位边界)和降水、蒸发输入(即模型源汇项)来分析地下水文情势对极端干旱的响应,这里采用控制变量法开展分析,即模型假设其余变量和条件保持不变(图3).

图3 本研究地下水情景模拟方案设计示意

2 结果与分析

2.1 极端干旱条件对洪泛区气象的影响

基于对鄱阳湖洪泛湿地水文气象条件的总体分析以及数据获取情况,本文选取2018年作为模型评估的基准年,将2022年作为极端干旱年,以此分析极端干旱条件下洪泛区地下水文的响应.数据结果显示,极端干旱年的年降水量约为1100mm,虽与多年平均相差不大,但年内降水分布十分不均,呈前多后少态势.降水量主要集中在上半年(1～6月),占全年降水量80%以上,7月以来,研究区降水大幅度下降,9月甚至出现了整月无降水的情况,下半年降水量与基准年相比减少了45%,为1951年有记录以来最少,鄱阳湖出现伏旱现象(图4a).极端干旱年的蒸发也存在年内分配不均的现象,在夏秋季节,尤其是7月降水减少以来,其蒸发量大幅度增加,其中7～10月的蒸发量约占全年65%(图4a).由图4b可知,自7月以来,随着降水减少和蒸发增大的共同影响,与基准年相比鄱阳湖提前进入了枯水期.不仅如此,自7月起,极端干旱年的湖水位迅速下降,尤其是鄱阳湖中下游(星子、都昌段),在8月与基准年水位差最大,可达6m,在10月中旬更是跌到了7m左右,刷新了鄱阳湖历史最低水位,标志着2022年极端干旱达到了鄱阳湖1961年有纪录以来最严重干旱.考虑到湖水-地下水之间的交互转化关系,湖水位下降势必会对鄱阳湖洪泛湿地的地下水位、水量等造成严重影响.本文以此为背景,基于上述基础数据,分析极端干旱对鄱阳湖洪泛湿地地下水文状况的综合影响.

图4 极端干旱年和基准年的降雨蒸发量变化(a)和湖泊水位变化动态(b)

2.2 极端干旱对洪泛区地下水动力的影响

2.2.1 地下水位 便于分析,本文选取了鄱阳湖洪泛区湿地不同区域位置来分析研究区地下水位的响应特征(图5).模拟结果显示,受上半年降雨量增加影响(图4a),极端干旱年洪泛区的地下水位总体上要明显高于基准年(图5a～d).从地下水位波动幅度来看,洪泛区东侧地下水位变化幅度最大(～10m),其对极端干旱条件的响应最为敏感,6月初地下水位便呈现出持续下降态势.此外,东侧区域出现明显的退水期提前现象,退水期约提前30d.考虑到该区域处于洪泛区东部,靠近鄱阳湖主湖区,受主湖区水位情势变化影响较大,因此除了2022年6月以来持续的高温少雨,湖水位下降是导致该区域地下水位变化的主要原因,由此表明了地下水位与湖水位下降的同步响应特征.针对洪泛区南部的地下水位,自6月份以来地下水位下降幅度可达约8m,考虑到其位置特征,很有可能是因为洪泛区南侧靠近鄱阳湖上游流域,受流域来水偏少以及湖区水位下降的联合影响,由此也呈现出地下水位与湖水位下降的同步响应特征(图5c).洪泛区西侧和北侧区域,可能是受到流域地下水的持续补给作用,与基准年相比,地下水位的下降主要发生在10月份,但降幅基本保持在1m之内,可见地下水位对湖水位下降存在一定的滞后响应特征.从地下水位变化过程线可以看出,与基准年相比,极端干旱年6～10月期间,洪泛区均存在地下水位下降速率明显增加的情况,东部区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对较小.此外,与基准年相比,极端干旱导致靠近主湖区的东部区域地下水位最大降幅可达5m左右(图5b).总的来说,极端干旱导致洪泛区地下水位的下降幅度明显增加,不同区域地下水位对干旱条件存在着不同时间尺度的响应特征.

通过上述分析以及研究区的气象资料可知,2022年极端干旱对地下水位的显著影响主要发生在下半年,故这里选取7～12月开展空间月平均地下水位的详细分析,以评估干旱对地下水位的空间影响量级,即根据地下水位变化幅度划分为弱(水位变化<2m)、中(水位变化2～4m)、强(水位变化>4m)三个等级便于清晰认识地下水的响应程度(图6).空间格局上,极端干旱对洪泛区月平均地下水位变化的最强影响区域主要分布在西部和北部(7～8月),由上述分析可知,研究区东部(湖水)和南部(湖水和流域来水)受地表水影响较大,而7～8月极端干旱和基准年的地表水变化相对较小,进而导致东部和南部地下水位差也相对较小.研究区西部主要受到流域地下水的持续补给作用,地下水变化响应相对较慢,因此极端干旱年的7～8月份西部仍保持地下水位,与基准年相比水位变化较大.而极端干旱对9～12月份地下水位下降的最强影响区域主要分布在洪泛区东部且靠近下游的广大区域,下降幅度约4～5m.

图5 基准年与极端干旱年的地下水位时间序列变化

图6 极端干旱对7～12月份洪泛区地下水位变化的空间影响程度

2.2.2 地下水流速 针对7～12月地下水系统对极端干旱的响应情况,本文在研究区北部、南部、西部和东部分别选取典型点,分析极端干旱对鄱阳湖洪泛区地下水流速的影响.由图7可见,相对于基准年来看,极端干旱年地下水流速总体呈现出明显加快的变化态势,尤其是研究区北部和东部两大区域.这是因为研究区北部靠近鄱阳湖入湖航道,受干旱驱动以及鄱阳湖出流加快的共同影响,其地下水流速变幅总体较大,约为0.23m/d.与基准年相比,地下水流速的最大增幅约为0.17m/d,大约是正常年份下的3倍.研究区东部则靠近鄱阳湖主槽,受湖水位动态变化影响较大,其地下水流速最大可至0.3m/d,与基准年相比,最大流速增幅发生在8月份,流速出现峰值且约增加0.16m/d,流速增加幅度近1倍.研究区南部的地下水流速先是呈下降趋势,8月中旬开始,地下水流速增加,9月增至0.1m/d,后趋于相对稳定状态.然而,研究区西部的地下水流速整体上变化微弱(～0.02m/d),表明极端干旱对洪泛区西部地下水流速影响较小(图7).总的来说,空间不同区域的地下水流速存在不同的响应特征,但2022年极端干旱将会导致洪泛区地下水流速的普遍加快,这就意味着地下水向湖区的整体排泄强度增加,因而加剧了洪泛区地下水量的衰减程度.

图7 极端干旱年与基准年7～12月份地下水流速变化对比

2.3 极端干旱对洪泛区地下水储量的影响

表1 基准年和干旱年鄱阳湖洪泛区地下水均衡分析(´106m3)

如上文所述,极端干旱导致地下水位大幅度下降,势必导致研究区地下水迅速向外排泄,地下水储量大幅减少.为分析极端干旱年地下水储量的变化情况,本文从月尺度上分析了鄱阳湖洪泛区的地下水输入和输出水量动态.基于洪泛区地下水均衡分析,地下水的主要补给项为降水入渗p、碟形湖对地下水的补给l、研究区西侧二类边界的流入量NBin和研究区东侧一类边界的流入量DBin;主要排泄项为潜水蒸发量e、研究区西侧二类边界的流出量NBout和东侧一类边界的流出量DBout.通过表1结果可得,尽管从年尺度上来看,极端干旱年的降水补给量相对于基准年有所增加,但从月尺度上分析,极端干旱年的降水补给主要集中在上半年(1～6月),在7月份降水量则出现明显的转折,与6月份相比,降雨量骤然减少了近75%.下半年(7～12月)的降水补给量约为2.003×107m3,比基准年减小了1.111× 107m3,约是基准年下半年降水补给的64 %.尤其是9月份,极端干旱年的地下水系统几乎没有受到降水补给,降水量的大幅度减少是导致2022年下半年极端干旱的主要原因.此外,东侧水位边界的补给、排泄量变化也是导致鄱阳湖洪泛湿地地下水储量减少的重要原因.东侧水位边界主要是洪泛区地下水与湖水之间水量交换的重要通道,由表1可知,极端干旱年的东侧边界补给量较基准年减少了30%,而排泄量却增加了一倍,这显著增强了洪泛区湿地地下水的排泄效应,由此也表明了干旱时期地下水是湖泊水量平衡的重要贡献组分之一.总体上,2022年下半年的降水减少以及湖水位的下降,共同导致了鄱阳湖洪泛区地下水的排泄和含水层水储量明显减少如图8所示,在鄱阳湖的丰水期和退水期(7～12月份),极端干旱年的地下水储量较基准年明显减少,尤其8月份,极端干旱年的排泄量是基准年的3.5倍.其中11月份地下水储量小幅度上升,这可能是因为11月时,鄱阳湖地区受降水影响,对洪泛湿地地下水存在一定的补给.从年尺度来看(月尺度地下水均衡累加获得),基准年和极端干旱年的地下水储量均呈向外排泄,即年储量减小,相比于基准年,极端干旱年地下水排泄量(-1.74×107m3)约为基准年地下水排泄量(-1.2×106m3)的14.5倍,排泄量增加了1.62×107m3.进一步表明了极端干旱年的“汛期返枯”现象加剧了鄱阳湖洪泛区地下水储量的衰减.

图8 基准年和干旱年鄱阳湖洪泛区月平均地下水储量变化对比

负值表示地下水储量减少,正值表示地下水储量增加.

3 讨论

近年来,随着气候变化频繁和人类经济发展及人口增长等人类活动变化,水资源短缺现象日益严重,干旱化趋势已成为了许多学者研究的热点话题[19-20].2022年夏季以来,我国持续高温少雨,干旱情况比比皆是,不仅引起多地森林起火,还导致了鄱阳湖汛期返枯,夏季的湖水量损失超过75%[21].通过遥感监测可以发现,2022年7月中旬在鄱阳湖洪泛区,面积大于 1km2的碟形湖共有86个,蓄水面积可达 930km2,而八月初则有31个碟形湖干涸,碟形湖总蓄水面积约为129km2,相较于7月中旬,减少了约86%[22].极端干旱天气和鄱阳湖湖水位快速下降,湖泊水量严重缩小共同导致了鄱阳湖洪泛湿地地下水系统发生了较大的变化.同时,在这种极端干旱的情况下,地下水的贡献显得尤为重要.据本文分析,极端干旱年地下水向湖水的补给量增加了1倍左右.在地表水受高温影响蒸发严重且水量锐减的情况下,地下水储量的减少相对较弱.在极端干旱条件下,地下水已成为鄱阳湖洪泛湿地生态系统水分补给的重要来源,同时对河湖湿地的有效管理和保护起着至关重要的作用[23].

地下水与植被的生长和分布密切相关,地下水水位的波动影响了湿地植被群落的构成、生长和演替[24].尤其在极端干旱的条件下,地表水量急剧下降,植被对地下水的依赖增大,地下水成为湖泊湿地植被生长的重要影响因素,植被与地下水相互作用的研究对于维持干旱生态系统的可持续发展具有重要意义[25].鄱阳湖洪泛湿地的典型植被群落为茵陈蒿、芦苇和苔草,此外鄱阳湖主湖区附近还存在着大量的沉水植被,如马来眼子菜等[26].随着近年来人类活动和气候变化的影响,尤其是受2022年极端干旱的影响,鄱阳湖地下水位大幅度下降,地下水埋深逐步增加,植被生境大幅度改变,芦苇等中生性植被群落向低处延伸,苔草等生长在靠近主湖区的低洼滩地植被群落下移,占据了大量沉水植被的生长面积,沉水植被生境面积明显减少[22,27].植被群落的分布高程向低处延伸的趋向越来越明显,植被结构趋于简单化,进而可能进一步影响越冬水鸟的分布和数量.极端干旱条件下,枯水期提前并延长,洪泛湿地的退水速度加快,苔草等植被发育提前并快速衰老,进而可造成鸟类取食困难等问题[29].上述讨论可知,在极端干旱发生的年份里,因湿地地表水深和植被覆盖度减少的双重影响,势必会导致越冬水鸟的生境状况发生严重的威胁,甚至丧失一部分越冬水鸟栖息地[28].鄱阳湖作为中国最大的淡水湖和典型的洪泛湿地,在生态系统和生物地球化学循环中发挥着重要作用,其中地下水和生态环境之间的联系十分密切,地下水是干旱时期,水资源可持续发展和生态环境保护的关键,应引起多方面学者和专家的重视.

针对2022年已经发生的极端干旱事件,本文研究结果表明,地下水在极端干旱情况下,同样受到地表河湖水文变化的联动影响,地下水作为一种至关重要的备用水源,探明地下水动力学过程及其响应特征,对深入理解和完整诠释湿地水文情况和生态环境效应内涵具有重要意义.从整个鄱阳湖流域来说,受地形地貌和地下水文地质结构等诸多因素作用,流域下游地区作为地下水-地表水的频繁转化区,地下径流条件较强,但地下含水层的赋存条件相对较弱,而鄱阳湖作为地下水的重要排泄区和生态屏障区,其水位高低变化对湖区周边流域地下水储量动态具有至关重要作用.众所周知,鄱阳湖拟建水利枢纽工程,其目标是缓解近些年来湖区低枯水位现象,以保护湖泊湿地生态系统的健康发展.先前诸多工作表明,该过程将会明显抬高湖区水位,增加洪泛湿地的淹水面积以及湖区水蓄量等[29-30],本研究结果则表明了湖水位的变化将会进一步导致洪泛地下水文过程的响应变化.尽管先前研究已经指出了拟建枢纽工程影响下洪泛区地下水位的升高很有可能给部分湿地生态系统带来一些潜在风险[16],但从干旱影响视角来看,拟建枢纽将在某种程度上可降低洪泛区地下水的排泄速率,进而维持了洪泛区地下水储量.因此,应综合考虑水文水资源和生态演变问题,将湖水和地下水进行系统化评估,未来应充分开展水资源优化配置和博弈分析.本文采用地下水模型定量评估了极端干旱情况下鄱阳湖洪泛区地下水位、流速及水储量等变化情况,尽管取得了一定的成果,但仍存一定的不足之处.下一步工作将围绕湖泊湿地系统地下水和生态之间的互馈关系,建立地表-地下水-生态耦合动力学模型,以深入阐明地表-地下水文变化对湿地生态的影响机制.

4 结论

4.1 2022年极端干旱对鄱阳湖的影响主要发生在7～12月份,极端干旱将会导致鄱阳湖洪泛区地下水位大幅度下降,最大水位降幅可达5m左右.地下水位下降幅度呈现明显的空间异质性,极端干旱对地下水位的强烈影响区域主要分布在洪泛区的东部,且洪泛区东部出现明显的退水期提前的现象(提前约30d).研究区西部地下水位的下降主要发生在10月份,与基准年相比,降幅基本保持在1m之内.

4.2 极端干旱导致洪泛区地下水流速整体加快,相较于正常年份,由于受到主湖区水位明显偏低的影响,东部地下水流速变化最大,地下水流速可达正常年份的3倍,而洪泛区西部地下水流速变化较为微弱(～0.02m/d).

4.3 极端干旱条件导致研究区降水对地下水的补给量明显减少,以及地下水向湖泊的排泄量增加,这是洪泛区地下水储量减少的主要原因.从年尺度而言,2022极端干旱导致地下水系统的排泄量约为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,陈 静,等.2022年鄱阳湖极端干旱对洪泛区地下水文情势的影响 [J]. 中国环境科学, 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

国家重点研发计划项目(2019YFC0409002);国家自然科学基金项目(42071036);中国科学院青年创新促进会项目(Y9CJH01001)联合资助.

* 责任作者, 研究员, yunliangli@niglas.ac.cn

曹思佳(1998-),女,辽宁盘锦人,中国科学院南京地理与湖泊研究所硕士研究生,主要研究方向为水文地质.caosijia0412@163.com.