2023, Vol. 35 
(2: 中国科学院南京地理与湖泊研究所, 南京 210008)
(3: 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 南京 210009)
(4: 江西省地质局工程地质大队, 南昌 330000)
(2: Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, P. R. China)
(3: State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210009, P. R. China)
(4: Engineering Geology Brigade of Jiangxi Bureau of Geology, Nanchang 330000, P. R. China)
据不完全统计，世界上超过一半的大型河湖系统已经受到水利枢纽工程的影响和干扰[1]。在全球范围内，水利枢纽的建设和运行，对调节径流、改善航运、发电和农田灌溉等方面发挥着重要作用[2]。我国备受世界瞩目的三峡大坝，是全球最大的水利枢纽工程，其年发电量可达1000亿千瓦时，同时在防洪、航运、水资源利用等方面同样也发挥着不可替代的作用[3-5]。然而水利枢纽的建设将会对流域地貌、气候、水动力、生态系统等产生不可逆的影响，无疑导致河流结构和水文连通性发生显著改变，进而对径流量、水质、水生态和生境等产生诸多影响[6-8]。
鄱阳湖是长江中游地区最为典型的通江湖泊，作为中国最大的淡水湖，在水资源利用、洪水调蓄、生物多样性保护等方面具有重要作用[9]。鄱阳湖水文情势的变化，取决于长江以及鄱阳湖上游“五河”来水的共同作用，其中湖泊与长江之间的“江湖关系”是影响鄱阳湖水情变化的关键因素之一[10]。长江是中国水量最丰富的河流，水资源总量可达9616亿m3，约占全国河流径流总量的36 % [11]。大量研究表明，长江上游大型水利枢纽工程已导致9—10月份长江干流流量减少和水位降低，长江对鄱阳湖出流顶托作用减弱，使得鄱阳湖出流加快，这是造成鄱阳湖枯水期水位偏低以及枯水期提前和延长的主要原因之一[12]。
鄱阳湖枯水常态化和趋势性的新变化，导致了湖区枯水期的水资源、水生态和水环境承载力不足等问题，2008年江西省委、省政府提出了“鄱阳湖生态经济区”的战略部署，且2009年国务院批准了“鄱阳湖生态经济区建设规划”，鄱阳湖水利枢纽工程是该规划建设的重要内容之一。在此后的多年期间，江西省鄱阳湖水利枢纽工程经过多次研讨和论证，工程方案也在不断优化和完善之中。拟建鄱阳湖水利枢纽工程选址于北部入江水道处，遵循“建闸不建坝”、“调枯不调洪”的原则，在丰水期时闸门敞开，保持鄱阳湖区及与长江之间的自然水文节律变化，而在枯水期时闸门关闭，提高鄱阳湖水位。实际上，国内外学者围绕鄱阳湖水利枢纽的建设、水位调度方案及其生态环境影响等，争论和关注的话题非常之多，枢纽建设的利弊也一直备受争议。
近些年来，大量学者针对鄱阳湖水利枢纽建设的可能影响或潜在风险做了大量尝试性和探索性的基础研究工作。例如已有学者应用水动力模型EFDC定量评估了鄱阳湖水利枢纽工程的建设运行对湖区水位和流速以及水体滞留时间的影响，研究表明水利枢纽建设将会明显提高湖泊水位，但导致湖区流速总体上有所减小，进而增加水体的滞留时间和湖区污染风险[13-16]。姚斯洋等[17]采用适宜性评估模型和水动力模型结合分析了鄱阳湖水利枢纽建设对鸟类栖息地等生态环境的影响，发现水利枢纽建设会对下游鸟类栖息地产生较大影响，即丧失一部分鸟类栖息地。吴培军等[18]应用水动力数值解法开展了鄱阳湖水利枢纽工程对水资源利用的影响，评价了水利枢纽对湖泊水位的影响，但忽略了湖区地下水资源的动态变化。近期，Yao等[19]构建了鄱阳湖二维水动力模型EFDC，定量模拟了水利枢纽对洪泛湿地水文情势的影响，该研究聚焦于洪泛湿地淹水和水面变化的响应评估，虽然意识到洪泛地下水的重要性，但湖泊水动力模型还无法深入评估地下水系统的响应研究。此外，Zhao和Li[20]基于鄱阳湖水动力模型MIKE 21，重点分析了拟建水利枢纽工程对湖区水动力场和温度场的影响，探明了水利枢纽作用下湖区水位、流速和水温的响应方式与程度。Wang等[21]运用FEFLOW数值模型开展了三峡大坝建设对鄱阳湖赣抚平原地表-地下水相互作用的影响分析，但从地理位置上，拟建鄱阳湖水利枢纽可能对典型洪泛区地下水系统带来更为显著的影响，这方面的预测研究并未开展。不难总结，就鄱阳湖而言，目前诸多研究主要侧重于拟建水利枢纽对湖泊水文和生态环境的影响，针对水利枢纽工程对周边洪泛地下水系统的影响，该方面工作甚少，而地下水的变化直接参与或决定了洪泛湿地植物生长状况和生物地球化学过程等[9, 22-23]。因此，开展拟建水利枢纽对洪泛区地下水动力过程的影响具有实际意义，也是对目前湖区地表水文水动力评估工作的进一步拓展和补充，有助于全面认识水利枢纽建设的综合水文影响。
本文以鄱阳湖洪泛湿地为研究区，联合应用湖泊水动力模型和洪泛区地下水数值模型，分析拟建水利枢纽对鄱阳湖洪泛湿地地下水系统的影响及其生态意义。主要研究目标为：(1)基于EFDC湖泊水动力模型与FEFLOW二维地下水动力学模型的外部耦合，定量模拟水利枢纽建设对地下水动力场时空特征与变化过程的影响；(2)基于地下水均衡分析，评估拟建水利枢纽对不同时期地下水系统补排通量的影响；(3)基于洪泛地下水动力过程的改变，讨论水利枢纽工程建设对湿地植被生态等方面的潜在影响。本研究可为后续水文地球化学循环、生态环境效应等相关研究提供重要数据资料和科学支撑。
1 材料与方法 1.1 研究区概况鄱阳湖(28°22′~29°45′N, 115°47′~116°45′E)位于江西省北部，承纳赣江、抚河、信江、饶河和修水“五河”来水，经调蓄后由北部湖口注入长江干流，是目前长江中游最为典型的通江湖泊之一(图 1a)。鄱阳湖南起三阳，北至湖口，南北长约173 km，东西最大宽度约74 km，平均宽度约为16.9 km，在屏峰卡口处最窄约为2.8 km。鄱阳湖水利枢纽拟建于屏峰卡口处(见图 1b所示位置)，建闸轴线总长2994 m，设置64孔泄水闸，遵循“建闸不建坝，调枯不调洪”的原则，使鄱阳湖基本恢复长江上游控制性工程运用前的江湖关系[20]。湖盆自东南向西北倾斜，最大高程差约为13 m，南北平均高程差6.5 m，湖岸线长约1200 km。作为一个典型的受流域河流和长江来水主控的湖泊系统，其水位季节性变化显著，年内洪枯季节的水位差可达15 m[24]。洪水期间湖区整体被淹没，平均水深约为6 m，最大水深可达30 m，而枯水期水域面积则基本萎缩在主河道附近，年内水域面积变化范围约1000~3000 km2，容积约为300亿m3[25]。在年内大多数时期，研究区周边的地表河流以及地下水总体流向鄱阳湖区[26](图 1b)。鄱阳湖周边湿地因受湖区季节水位波动而呈现出频繁的干湿交替过程，通常也称之为“洪泛湿地”。在洪泛湿地内部，由于地形高程变化及人类活动作用，形成许多大小形状各异的集水区，这些集水区在丰水期时，被洪水淹没，与主湖区融为一体，在枯水期时则形成相互独立的子湖泊，这种拥有特殊水文地貌特征的集水区被称为“碟形湖”[27]。受季节性剧烈的水位波动和地表高程的共同影响，由湿地向湖区依次分布有茵陈蒿、芦苇和灰化苔草群落，带状分布明显[28]。主湖区和洪泛湿地之间不存在明确的边界划分和区域定义，因此本文将位于鄱阳湖常年有水的主河道与鄱阳湖西侧湖区边界之间的洪泛湿地认定为典型洪泛区进行研究，面积约为1646 km2(图 1b)[29]。
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图 1 鄱阳湖流域位置(a)和典型洪泛区水文站点及水流流向(枯水期)分布图(b) Fig.1 Location of the Lake Poyang catchment (a) and hydrological gauging stations and the flow direction (dry water period) distributed in the typical floodplain area of the lake (b) |
本文所需数据主要包括湖泊水动力模型、地下水数值模型构建以及验证所需的基础资料。因本研究涉及到较多的地表和地下水资料，长序列的数据获取难度较大，故仅选取2018年开展鄱阳湖平水年的模拟分析。(1)水动力模型主要数据包括：鄱阳湖湖区4个水位观测站(湖口、星子、都昌、康山，见图 1)和流域7条主要河流流量的日实测流量资料，用于作为模型的边界条件和验证资料，主要来自中国水利部长江水资源委员会水文局和江西省水文局。湖区气象数据来自星子和康山观测站，获取每小时的风速和风向数据，根据统计结果，鄱阳湖平均风速为2.2 m/s，NNE风向为盛行风，用来刻画湖区风场的平均变化状况，数据来自中国科学院鄱阳湖湖泊湿地观测研究站；(2)地下水模型主要数据包括：鄱阳湖洪泛区地形高程数据(原始分辨率为5 m×5 m)。星子、都昌和康山水文站的日水位观测数据，来源于江西省水文局，用于作为模型的水位边界条件。地下水位观测井的日水位数据(1#~5#)来源于野外自动观测，观测点主要分布在吴城国家级自然保护区湿地和南矶保护区湿地[30]，观测点位置如图 1b所示。洪泛区西侧地下水的补给或排泄通量，根据江西省水文局在未控区的地下水位观测资料，运用达西定律计算获取[31]。考虑到该估算结果存在一定的不确定性，后续模型率定过程中对该通量进行了适当调整。降雨和蒸发的日观测数据，来源于中国科学院鄱阳湖湖泊湿地观测研究站，用于地下水数值模型的大气输入条件。典型碟形湖与地下水之间的日交换通量通过原位监测数据，并采用达西定律估算得出，作为数值模型的地表源汇条件[32]。上述关于模型所需的基础资料及具体获取方式，请参考先前发表成果[19, 29]，限于篇幅，这里不再赘述。
1.3 鄱阳湖水利枢纽调度方案为缓解湖泊的干旱问题，改善湖泊的生态状况，江西省政府于2008年提出拟建鄱阳湖水利枢纽工程，根据江西水利厅最新出台的调度方案, 设置不同时期下拟建水利枢纽对应的湖泊水位变化，具体调度方案如下[19](采用吴淞高程)：
1) 江湖连通期：4月1日-8月31日，泄水闸门全部敞开，江湖连通。
2) 枢纽蓄水期：9月1日-9月15日，当闸上水位高于16.2 m时，泄水闸门全部敞开；当闸上水位降到16.2 m时，减少闸门开启孔数，按五河和区间来水下泄，水位维持16.2 m；若闸上水位低于16.2 m，在泄放满足航运、水生态与水环境用水流量的前提下，最高蓄水至16.2 m。
3) 第一次湖泊退水期：9月16日至9月30日，闸上水位逐步均匀消落至15.7 m；至10月10日，闸上水位逐步均匀消落至15.2 m；至10月20日，闸上水位逐步均匀消落至14.7 m；至10月31日，闸上水位逐步均匀消落至13.7 m左右；在消落过程中若外江水位达到闸上水位，则闸门全开。
4) 第二次湖泊退水期：闸上水位逐步均匀消落至12.7 m；至11月底，闸上水位逐步均匀消落至11.7 m；12月，闸上水位基本维持在11.7 m左右；至2月底，根据最小通航流量、水生态与水环境用水等需求控制枢纽下泄流量，使闸上水位逐步消落至11.2 m左右。
5) 生态调节期：3月1日-3月上中旬，控制闸前水位不低于10.7 m；当外江水位上涨至与闸前水位持平时，闸门打开，江湖连通。
虽然本文尝试开展5个时期的水利枢纽调度方案影响模拟，但不同调度时期的长短相差较大，同时考虑到鄱阳湖极为独特的季节性水位变化特征，因此地下水动力条件的响应分析以湖泊枯-涨-丰-退4个典型阶段为主。
1.4 研究方法 1.4.1 湖泊-地下水模型的联合与建闸影响模拟本研究的主要目标是分析鄱阳湖拟建水利枢纽工程(以下简称为“建闸”)对洪泛区地下水文过程的影响。总体而言，鄱阳湖建闸主要影响了鄱阳湖的水位变化，受湖水-地下水的频繁交互作用的影响，湖泊周边的洪泛区地下水系统发生一定变化。本文依据建闸调度方案的江湖连通期、蓄水期、退水期和生态调节期，将2018年历史水位资料(建闸前)换算成枢纽调度方案下的水位过程(建闸后)，分别作为水动力模型的边界条件来处理。将建闸前后模拟的湖水位(从星子到康山)作为地下水模型的边界条件，开展洪泛区地表-地下水数值模拟计算，通过建闸前后的结果对比，以此评估地下水位、水流和水均衡组分的响应(图 2)。考虑到地下水模型和湖泊水动力模型的原理和模拟对象不同(空间嵌套关系)，根据湖泊水动力模型和地下水模型之间的边界传递关系及计算顺序，即将湖泊水动力模型模拟的建闸后每日水位结果作为地下水模型的边界条件进行输入，不改变模型的内部结构，可认为两个模型为外部耦合或松散耦合。鄱阳湖洪泛区地下水模型和湖泊水动力模型的详细介绍请见下文。
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图 2 水动力模型和地下水模型联合应用示意 Fig.2 Integrated application of the lake hydrodynamic model and groundwater flow model for the study area |
地下水数值模型采用基于有限元解法的FEFLOW模型。根据鄱阳湖洪泛区地形高程特征，共设置41124个地形高程点，采用克里金插值方法，将插值结果作为地下水数值模型的实际地表高程。地下水模型计算域为1646 km2(图 1b)，结合湖区地形地貌分布格局，研究区共计剖分6329个三角形有限单元网格和8680个节点，三角形网格的边长变化介于20~2000 m之间，以适应洪泛区复杂的地形地貌特征及提高计算效率。根据野外钻孔资料显示，研究区水文地质结构为第四纪松散含水层，主要岩性为细砂和粉质黏土，粉质黏土中的黏粒含量较少，与细砂的岩性特征相差不大，渗透系数较为接近，且在地表以下20 m处有一黏土层，透水性较差，其埋深情况相对均匀，可作为含水层底板[29]。故将研究区的地下含水层按均质概化，潜水含水层底板埋深设为地表以下20 m。研究区东侧边界是鄱阳湖主河道，从北部星子延伸至南部康山，因此模型东侧设置为给定水头边界条件，根据星子、都昌和康山水位观测资料进行插值并分为三段来给定，体现湖泊水位变化的动态影响。研究区西侧主要接受修水和赣江两大区间的地下水补给作用，因此西侧边界根据修水和赣江的影响范围，划分为两段并分别设置为给定流量边界。结合地下水位资料及模型调参，本文设定横向渗透系数为150 m/d，横向、纵向渗透系数比为10：1，给水度μ为0.01[29]。地下水模型通过洪泛区5个观测点的地下水位观测结果进行验证。地下水模型的水位模拟偏差RMSE基本小于0.4 m，纳希效率系数Ens变化范围介于0.71~0.92之间，确定性系数R2介于0.74~0.94之间，模型可以很好地模拟出枯-涨-丰-退4个时期的地下水位变化情况，体现出地下水对湖泊水位变化的动态响应，且捕捉到地下水的波动与极值水位情况。总体表明所构建的地下水模型能够很好再现鄱阳湖洪泛区地下水流变化。关于详细的地下水模型概化、构建、边界设置和验证效果，请参考先前发表成果[29]。
1.4.3 湖泊二维水动力模型鄱阳湖水动力模型采用EFDC环境流体动力学模型，该模型采用有限差分法求解，并在水平方向上采用了结构化的正交曲线网格进行空间剖分。水动力模型的计算域为流域“五河”入口至湖口之间的整个湖区部分(图 1b)，面积约为3200 km2，共剖分网格数为37296个，网格单元大小介于25~1000 m之间，单元平均大小为280 m。水动力模型的上游流量边界条件为流域“五河”观测结果与未控区间入流估算的合成过程，其中未控区间的入流采用简单线性外推法来进行估算。水动力模型的下游水位边界条件为江湖交汇处(湖口站)的日观测水位过程线。模型综合考虑降雨、蒸发、风速等影响，将其作为水动力模型的大气输入条件。为保证模型数值计算的稳定性，将时间步长设置为5 s。对于湖床粗糙高度的设置，主河道与洪泛区分别设定为0.005和0.02 m，以体现湖盆地形差异的不同影响。通过丰、平、枯不同水文年下湖区代表性站点的水位进行验证，湖泊水位拟合的确定性系数R2和纳希效率系数Ens均大于0.95。此外，模拟湖泊水面积与遥感解译结果几乎吻合，湖泊流速的平均误差为0.04~0.2 m/s，其相对误差总体小于20 %，水流流向的平均误差约为5°~10°，表明该水动力模型可以应用于鄱阳湖水动力场的模拟与分析[19]。
2 结果分析 2.1 建闸对湖泊水位的影响为了充分认识建闸条件下湖泊水位变化及其对地下水动力过程的影响，本节首先分析建闸前后鄱阳湖代表性水位观测站的水位变化情况。通过图 3可见，鄱阳湖枯水时期，受建闸蓄水的影响，各站点水位均明显升高。其中下游星子站的建闸前后水位差最大可至4 m，而上游康山站水位差则小于2 m，表明越靠近湖区下游，水位升高越为明显，受建闸影响越为显著。枯水时期，受闸门关闭影响，鄱阳湖保持较高水位。涨水时期，建闸前湖泊水位快速上升，而建闸后水位上涨变化表现得相对迟缓，建闸前后水位差呈逐渐减小趋势，表明建闸对湖区水位的影响较弱。丰水时期，闸门开放，恢复了自然水文节律，此时建闸前后各站点的水位差基本小于1 m，表明总体上建闸对湖区水位的影响相对有限。值得一提的是，由于受到涨水期建闸蓄水的影响，将会导致湖泊高洪水位的出现时间提前约20~30 d。在鄱阳湖退水时期，受丰水期闸门敞开的影响，湖泊水位先是表现出快速下降的变化态势，然后因闸门关闭，湖泊水位回升明显，此后继续保持较高水位。总的来说，鄱阳湖建闸对枯水期和退水期的水位波动影响较大，其次是涨水期，而丰水期受到建闸的影响较小，充分体现了建闸“调枯不调洪”的水位调度方案。
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图 3 基于鄱阳湖水动力模型的建闸前后湖水位年内变化 Fig.3 Simulated changes in lake water levels before and after the hydraulic project |
根据鄱阳湖的季节性水情特征，文中选取了枯、涨、丰、退四个典型时期开展建闸对鄱阳湖洪泛区地下水位变化的影响分析(图 4和图 5)。研究发现，不同典型时期，建闸总体上将会抬高洪泛区地下水位，且主要对东部主湖区附近以及下游区域的地下水位产生明显的影响。对于枯水期和退水期，原本洪泛区整体地下水位高于东部主湖区附近的地下水位，但受建闸的影响将会致使鄱阳湖地下水文过程发生改变，地下水流的总体走向发生一定程度的转变(图 4a和图 4d)。对于涨水和丰水期，因整个洪泛区原本维持着较高的地下水位，建闸能够抬高地下水位，但并不会改变地下水流的总体走向。图 5进一步分析了建闸前后洪泛区地下水位的空间差值结果(建闸后与建闸前的差值)。由图 5a~d可以看出，在枯水和涨水时期，建闸后东部主湖区附近地下水位约增加1~3 m，枯水期时洪泛区西侧水位基本保持不变，涨水期时尽管洪泛区西侧的地下水位也呈升高态势，但增加幅度基本小于1 m左右。丰水时期，尽管闸门全开保持连通状态，洪泛区整体地下水位仍小幅度增加(< 1 m)，但靠近东部主湖区附近地下水位存在下降情况，降幅约小于0.1 m，这可能是由于闸门敞开导致短时期内湖水向长江的总体流速加快，进而促进了该区域的地下水排泄。退水时期，建闸将会导致大部分洪泛区的地下水位增加1~2 m左右。此外，根据不同典型区地下水变化曲线也可发现(图 6)，建闸对研究区南部和东部地区的地下水位影响较大，北部和西部区域地下水位增加幅度较小，在鄱阳湖水位的4个典型时期中，建闸对退水期地下水位影响最大。总体而言，大多数时期，鄱阳湖建闸对洪泛区地下水位具有明显的抬高作用，洪泛区空间地下水位对建闸的响应几乎一致，且靠近东部主湖区的地下水位受到的影响要强于其它区域。正常年份的水情变化下，鄱阳湖涨水-丰水期主要表现为湖水补给洪泛区地下水系统(地下水流自东向西的走势)，枯水-退水期主要为洪泛区地下水补给湖泊(地下水流自西向东的走势)。然而，鄱阳湖建闸很大程度上改变了这种自然的湖泊水文节律，可能导致大面积洪泛区全年均呈现湖泊补给地下水的作用模式，且地下水系统始终保持较高水位。
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图 4 鄱阳湖建闸前后枯水(a)、涨水(b)、丰水(c)和退水期(d)洪泛区地下水位变化 Fig.4 Comparison of floodplain groundwater levels for dry (a), rising (b), flooding (c), and recession (d) water periods before and after the hydraulic project |
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图 5 鄱阳湖建闸前后枯水(a)、涨水(b)、丰水(c)和退水期(d)洪泛区地下水位空间差值对比分析 Fig.5 Spatial differences of floodplain groundwater levels for dry (a), rising (b), flooding (c), and recession (d) water periods before and after the hydraulic project |
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图 6 鄱阳湖建闸前后4个典型区域的地下水位变化曲线 Fig.6 Simulated groundwater changes of the four typical locations before and after the hydraulic project |
图 7为不同时期整个鄱阳湖洪泛区的平均地下水流速(所有网格单元)对比分析结果。从平均值来看，建闸将会导致洪泛区不同时期的地下水流速有所减小。建闸前各时期的地下水流速变化幅度相对较大，但最大流速基本小于0.2 m/d，且地下水流速主要在0~0.1 m/d之间变化，然而建闸后各个时期的地下水流速变化范围明显减小，最大地下水流速基本小于0.1 m/d左右。地下水流速的减小，主要是因为建闸后拦蓄湖水，对洪泛区地下水的排泄起到明显的顶托作用，而在丰水期，由于闸门敞开且保持鄱阳湖原有的水文节律，因此建闸对丰水期的地下水流速影响程度相对较小。图 8基于地下水流速和流向开展了枯、涨、丰、退4个典型时期建闸对地下水的影响分析(线段颜色由浅到深表示地下水流速方向)。容易发现，枯水期和退水期时，建闸明显改变了洪泛区地下水流向，甚至导致地下水流向发生明显的逆转(图 8a和图 8d)，而涨水期和丰水期，研究区地下水流向并未发生明显改变，仍保持着由东向西的总体流向，但同样可见地下水流速较建闸前有所减小(图 8b和图 8c)。此外，由图 8可发现，靠近主湖区附近的地下水流速较大，越靠近西侧边界的流速越小。总的来说，由于顶托作用，建闸将会导致洪泛区地下水流速有所减小，并使枯水期和退水期的地下水流向发生了转变，形成了洪泛区地下水流自东向西的常年走势。
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图 7 鄱阳湖建闸前后枯水(a)、涨水(b)、丰水(c)和退水期(d)地下水流速对比 Fig.7 Comparison of groundwater flow velocity for dry (a), rising (b), flooding (c), and recession (d) water periods before and after the hydraulic project |
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图 8 鄱阳湖建闸前后枯水(a)、涨水(b)、丰水(c)和退水期(d)洪泛区地下水流速变化 (注：线段颜色由浅到深表示地下水流速方向) Fig.8 Changes of groundwater flow velocity for dry (a), rising (b), flooding (c), and recession (d) water periods before and after the hydraulic project (Note that the color of the line from light to deep indicates the direction of groundwater flow velocity) |
建闸导致的湖水位变化是影响洪泛区地下水均衡动态的主要因素，故本文计算了建闸前后的月尺度地下水均衡差，以此反映研究区地下水蓄量的补给或排泄变化。由图 9可以看出，建闸前鄱阳湖地下水系统在涨水期和丰水期(例如3—7月份)呈现正均衡状态，表明地下水系统总体以接受补给为主。在退水期和枯水期(例如8月到次年2月)呈现负均衡状态，表明地下水系统主要以排泄为主。由于鄱阳湖建闸调度方案的影响，地下水系统会发生两种情况的变化：一是将会导致不同时期地下水系统正负均衡状态的转变，由正均衡转变为负均衡或者由负均衡转为正均衡，例如1—2月、7月、9月和11月；二是地下水均衡状态未发生改变，但建闸将会导致地下水系统的水储量发生大幅度变化，例如3—6月、8月、10月和12月，此时地下水蓄量的平均变化量约为3.5×106 m3/月(图 9)。从年水量上，建闸前洪泛区地下水系统总体以排泄为主，年排泄量约为-4.5×106 m3，建闸后该地下水系统则以水量补给为主，年补给量约为9.8×106 m3(图 9)。总的来说，建闸将会影响湖泊水体与洪泛区地下水之间的水量交换，对研究区的地下水均衡带来一定的影响。
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图 9 鄱阳湖建闸前后月平均地下水蓄量变化 (负值表示地下水系统排泄，正值表示地下水系统受到补给) Fig.9 Changes of monthly mean groundwater storage volume before and after the hydraulic project (Negative values represent the discharge of groundwater flow system, positive values represent the recharge of groundwater flow system) |
地下水动力过程对水循环系统的界面水量交互和营养物质交换等具有重要影响作用，很大程度上促进了系统的物质流、能量流和信息流的转化和传递[33]。在天然水系统中，地下水的动态与响应通常受到地表河流或者湖泊水文情势变化以及土地利用等影响，进而导致地下水动力场以及地表-地下水动态补给模式的转换[34]。地下水资源已成为全球河湖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发挥至关重要的作用[35]。
近几十年来，天然河湖系统的地表和地下水动力过程已不同程度地遭受水利枢纽建设的干扰和影响。诸多研究表明，水利工程建设后的地下水位动态变化，将会直接影响河湖湿地生态系统，尤其对湿地干旱期的土壤系统影响较大[36-37]。然而，也有研究指出海岸带地区的水坝建设可以提高地下水位，减小海水入侵程度，从而降低湿地土壤盐碱化和污染物累积风险[38]。从生态环境的角度分析，水利工程建设背景下的地下水位变化，很有可能增加底栖微生物的营养水平，为底栖微生物提供更加适宜的生长环境，还有可能对植被生态带来重要影响。Thomas等[39]通过对非洲Niger河的建坝影响分析，研究发现建坝导致的地下水位变化进一步促进了洪泛湿地的植被群落类型的演替进程。Åberg等[40]发现芬兰北部Kitinen河流的水电站建设，改变了其大坝附近的洪水过程和地下水流向，进而导致植物物种数量和生境面积的变化，对生态系统带来不可忽视的潜在风险。
对于鄱阳湖拟建水利枢纽工程，不可否认其将会改变鄱阳湖湖区偏天然的干湿变化过程，尤其在枢纽蓄水阶段，将直接影响洪泛区的水位变化，改变湖水-地表水的相互作用与转化通量，进而影响到湿地植被、鱼类、候鸟类生境状况等，将对湿地的水资源管理、物种多样性、生态系统组成带来一定的威胁和不确定性[41]。最适地下水埋深常用于表征其与植被生境的相互联系，从广义上指的是植被群落分布面积最大时所对应的地下水埋藏深度。宋炎炎等[42]分析得出，鄱阳湖洪泛湿地的优势植物种群为茵陈蒿、芦苇和苔草。其中，苔草群落的最适地下水埋深为1.1 m，芦苇群落的最适地下水埋深为3.7 m，而茵陈蒿群落的最适地下水埋深为5.7 m(图 10)。本文模拟结果发现，越靠近主湖区的地下水埋深上升越大，平均意义上，水利枢纽将会导致靠近东部主湖区湿地的地下水埋深上升幅度约为1.5 m，靠近西侧的地下水埋深上升幅度约为0.3 m。整个研究区浅层地下水的维持时间延长，这可能导致建闸对靠近湖区的低洼滩地植被影响更大，对靠近西侧边界的高位滩地植被影响较小。根据图 10结果可以推测，由于茵陈蒿群落适宜的地下水埋深较大，且主要生长在远离湖区的高位滩地，水利枢纽建设后地下水埋深的微弱上升可能对茵陈蒿群落的生境变化影响较小。然而，苔草和芦苇群落因靠近主湖区，枢纽建设后地下水埋深大幅度减小，加上这些群落适宜地下水位埋深通常较浅，从长期变化来说，地下水埋深的显著波动很有可能导致芦苇和苔草群落向高位滩地移动，对群落的演替或退化带来一定的风险性。此外，鄱阳湖湿地土壤有机质及其它各生物地球化学元素含量受植物群落分布和水位波动等因素影响，且呈现出相对一致的响应分布规律[43]。因此，鄱阳湖水利枢纽建设所导致的典型洪泛区地下水埋深变化以及高水位持续时间延长等现象，将会影响湿地土壤水文过程及营养盐输运转化等方方面面，这些也是直接或间接影响湿地植被和水质变化的关键因素。基于本文结果，鄱阳湖拟建水利枢纽工程可以有效提高湖泊水位，很大程度上缓解湖区低枯水情，但同时地下水埋深减小，且持续时间延长，导致了地下水系统的响应变化。
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图 10 鄱阳湖建闸条件下洪泛区地下水位与湿地植被群落关系示意图 (数据来源于文献[42]和本研究结果) Fig.10 Schematic diagram of the relationship between floodplain groundwater level and wetland vegetation community under the condition of hydraulic project (Date was obtained from the literature[42] and the current study) |
上述分析并不重在讨论鄱阳湖水利枢纽工程建设的利弊，但其所致的地下水位、湖水-地下水转化方式与强度的变化，对湿地生态环境系统的长期影响是一个难以回避的问题，应引起地方政府或相关管理部门的高度重视。地下水位和水量对湖泊湿地水资源方面有着直接影响，而地下水流速和流向变化则对地下水运动路径及污染物输移等具有重要影响。鄱阳湖建闸后，地下水季节性流速变化差异较小，全年保持由东部靠近主湖的区域流向西侧洪泛区滩地，加上流速的明显减小，可能导致地下水污染物的扩散程度有所减弱、污染物输移方向改变及速率减小等情况发生。作者认为，鄱阳湖主湖区与其周边分布的洪泛湿地均具有重要的地位和意义，水利枢纽建设的评估、地下水-生态之间响应关系及湖水-地下水综合管理是值得思考的。
本文通过鄱阳湖水动力-洪泛地下水模型分析了拟建水利枢纽工程对洪泛区地下水动力特征和水量变化的影响。其中，地下水模型通过东侧边界水位变化来体现水利枢纽建设对地下水的影响，但水利枢纽同样也会影响西侧地下水边界流量的变化。考虑到鄱阳湖西侧未控区间地形整体上起伏不大，其与湖泊之间的水量交换强度相对较弱，加上该西侧边界只有在鄱阳湖高水位时期才能淹没至此[29]，尽管水利枢纽建设对西侧边界流量带来一定的影响，但这种影响在强度上相对较弱、在持续时间上相对较短。为分析西侧边界通量对洪泛区影响的敏感程度，本文通过改变西侧边界10 %、20 %、30 %、40 %、50 % 偏移量，对洪泛区不同位置的地下水位影响展开敏感性分析。结果表明，西侧边界的改变致使研究区地下水位变化的变幅在0.1~0.4 m之间，且越靠近东侧这种影响越小，因此西侧边界的改变对地下水模拟结果带来的误差较为有限。此外，地下水数值模型十分依赖于水文地质参数设定，本文通过地下水模型的概化取得了较好的模拟结果，但下一步应依托于更多的原位监测和试验，细化洪泛区的水文地质参数以及含水层结构。本文尝试探讨了洪泛地下水埋深变化对湿地生态环境方面的可能影响，鉴于目前仍缺乏湿地长期、连续的生态观测资料，因而地下水与生态变化的相关分析存在一定的不足，尤其是一些极端年份和水情条件下的影响评估同样具有重要意义。此外，目前鄱阳湖地表、地下水文与湿地植被、土壤养分和一些生物地球化学元素的响应，多是基于一些统计模型，实际上目前不是缺少建立因果关系的统计关联模型，而是要充分了解多要素之间互馈的基本过程，因此具有物理意义的洪泛区水文生态模型的重要性和科学价值不言而喻。
4 结论大江大河大湖系统的水利枢纽工程建设，往往会改变河湖系统的地表-地下水文水动力过程，导致水资源、水质及生态环境等面临着严峻威胁及朝着不确定性方向发展。本文基于湖泊湿地水动力-地下水耦合模型，模拟评估鄱阳湖拟建水利枢纽工程对周边洪泛地下水动力行为的影响及讨论其生态环境意义。
研究表明，鄱阳湖拟建水利枢纽，对洪泛区地下水位具有明显的抬升作用。枯水期、涨水期和退水期，大面积洪泛区地下水位增幅约介于1~3 m之间，丰水期的地下水位上升幅度总体小于1 m。正常年份水情变化下，鄱阳湖涨水-丰水期主要表现为湖水补给洪泛区地下水模式，枯水-退水期主要为洪泛区地下水补给湖水，但水利枢纽很大程度上改变了这种原本的交互关系，将导致大面积洪泛区全年均呈湖泊补给地下水的作用模式。鄱阳湖拟建水利枢纽，也会导致洪泛区地下水流速普遍减小，改变了枯水期和退水期的地下水流向，甚至导致地下水流向发生逆转。从年水量上分析，拟建水利枢纽使得洪泛区地下水系统由先前的排泄状态转化为补给状态，年补给量约为10×106 m3，表明拟建水流枢纽将会影响湖泊水体与洪泛区地下水之间的水量交换。鄱阳湖拟建水利枢纽工程可以有效提高湖泊水位，从水资源角度，很大程度上可缓解湖区低枯水情。但同时地下水埋深减小且持续时间延长，从生态环境角度，地下水-湿地生态之间响应关系及湖水-地下水综合管理是值得思考的。
| [1] |
Nilsson C, Reidy CA, Dynesius M et al. Fragmentation and flow regulation of the world's large river systems. Science, 2005, 308(5720): 405-408. DOI:10.1126/science.1107887 |
| [2] |
Lehner B, Liermann CR, Revenga C et al. High-resolution mapping of the world's reservoirs and dams for sustainable river-flow management. Frontiers in Ecology and the Environment, 2011, 9(9): 494-502. DOI:10.1890/100125 |
| [3] |
Cai HY, Zhang XY, Zhang M et al. Impacts of Three Gorges Dam's operation on spatial-temporal patterns of tide-river dynamics in the Yangtze River Estuary, China. Ocean Science, 2019, 15(3): 583-599. DOI:10.5194/os-15-583-2019 |
| [4] |
Liu YZ, Yang SQ, Jiang CB et al. Hydrological drought in Dongting Lake area (China) after the running of Three Gorges Dam and a possible solution. Water, 2020, 12(10): 2713. DOI:10.3390/w12102713 |
| [5] |
Cheng HQ, Chen W, Li JF et al. Morphodynamic changes in the Yangtze Estuary under the impact of the Three Gorges Dam, estuarine engineering interventions and climate-induced sea level rise. Earth and Planetary Science Letters, 2022, 580: 117385. DOI:10.1016/j.epsl.2022.117385 |
| [6] |
Yang Q, Zhao XC, Hao J et al. Effect of Dongjing dam on spatial-temporal dynamic changes in water area of Beipanjiang River. Southwest China Journal of Agricultural Sciences, 2021, 34(5): 1080-1087. [杨琴, 赵学春, 郝俊等. 董箐大坝对北盘江水域面积时空动态变化的影响. 西南农业学报, 2021, 34(5): 1080-1087. DOI:10.16213/j.cnki.scjas.2021.5.025] |
| [7] |
Zhang XY, Ma PM, Gao QH et al. Spatial-temporal variations of water quality in upstream and downstream of Three Gorges Dam. J Lake Sci, 2019, 31(3): 633-645. [张馨月, 马沛明, 高千红等. 三峡大坝上下游水质时空变化特征. 湖泊科学, 2019, 31(3): 633-645. DOI:10.18307/2019.0303] |
| [8] |
Chen XX, Ye S, Pan HL et al. Impacts of reservoir operation on river hydrological regime. Case study of Longyangxia and Xiaolangdi reservoirs. China Rural Water and Hydropower, 2022(10): 96-104. [陈秀秀, 叶盛, 潘海龙等. 水库运行对河流水文情势影响分析——以龙羊峡、小浪底水库为例. 中国农村水利水电, 2022(10): 96-104.] |
| [9] |
Qi SH, Zhang XX, Jiang F et al. Research on the causes for hydrological drought trend in Poyang Lake. Journal of Natural Resources, 2019, 34(1): 168-178. [齐述华, 张秀秀, 江丰等. 鄱阳湖水文干旱化发生的机制研究. 自然资源学报, 2019, 34(1): 168-178. DOI:10.31497/zrzyxb.20190114] |
| [10] |
Du YL, Zhou HD, Peng WQ et al. Modeling the impacts of the change of river-lake relationship on the hydrodynamic and water quality revolution in Poyang Lake. Acta Scientiae Circumstantiae, 2015, 35(5): 1274-1284. [杜彦良, 周怀东, 彭文启等. 近10年流域江湖关系变化作用下鄱阳湖水动力及水质特征模拟. 环境科学学报, 2015, 35(5): 1274-1284. DOI:10.13671/j.hjkxxb.2014.1047] |
| [11] |
Bing JP, Deng PX, Lv SY et al. The analysis of water exchange regime research on Poyang Lake and Yangtze River and driving factors. Scientia Sinica: Technologica, 2017, 47(8): 856-870. [邴建平, 邓鹏鑫, 吕孙云等. 鄱阳湖与长江干流水量交换效应及驱动因素分析. 中国科学: 技术科学, 2017, 47(8): 856-870.] |
| [12] |
Ye XC, Li YL, Li XH et al. Factors influencing water level changes in China's largest freshwater lake, Poyang Lake, in the past 50 years. Water International, 2014, 39(7): 983-999. DOI:10.1080/02508060.2015.986617 |
| [13] |
Ye Q, Ji Y, Wu PJ et al. Influence of Poyang Lake water control project on hydrodynamics and retention time in lake area. Water Resources and Power, 2021, 39(2): 13-17. [叶群, 计勇, 吴培军等. 鄱阳湖水利枢纽对湖区水动力及滞留时间的影响. 水电能源科学, 2021, 39(2): 13-17.] |
| [14] |
Tang CX, Zhang XH, Wu NH et al. Simulation of the impacts of the Poyang Lake hydraulic project on water age. Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research, 2018, 16(3): 195-206. [唐昌新, 张晓航, 邬年华等. 拟建鄱阳湖水利枢纽工程对水龄的影响模拟分析. 中国水利水电科学研究院学报, 2018, 16(3): 195-206.] |
| [15] |
Wang P, Lai GY, Li L. Predicting the hydrological impacts of the Poyang Lake project using an EFDC model. Journal of Hydrologic Engineering, 2015, 20(12): 05015009. DOI:10.1061/(asce)he.1943-5584.0001240 |
| [16] |
Lai GY, Wang P, Li L. Possible impacts of the Poyang Lake (China) hydraulic project on lake hydrology and hydrodynamics. Hydrology Research, 2016, 47(S1): 187-205. DOI:10.2166/nh.2016.174 |
| [17] |
Yao SY, Li XY, Liu CL et al. Effect of the proposed construction of Poyang Lake Hydraulic Project on the habitat suitability for Tuber-eating Birds at different water levels. Acta Ecologica Sinica, 2021, 41(10): 3998-4009. [姚斯洋, 李昕禹, 刘成林等. 不同水位下拟建鄱阳湖水利枢纽对食块茎鸟类栖息地适宜性的影响研究. 生态学报, 2021, 41(10): 3998-4009. DOI:10.5846/stxb201912032616] |
| [18] |
Wu PJ, Duan M, Chen J et al. Influence of Poyang Lake Water Control Project dispatching on water resources utilization in Poyang Lake. Yangtze River, 2020, 51(9): 101-106. [吴培军, 段明, 陈江等. 鄱阳湖水利枢纽调度对鄱阳湖水资源利用的影响. 人民长江, 2020, 51(9): 101-106.] |
| [19] |
Yao J, Gao JF, Yu XB et al. Impacts of a proposed water control project on the inundation regime in China's largest freshwater lake (Poyang Lake): Quantification and ecological implications. Journal of Hydrology: Regional Studies, 2022, 40: 101024. DOI:10.1016/j.ejrh.2022.101024 |
| [20] |
Zhao GZ, Li YL. Effects of a proposed hydraulic project on the hydrodynamics in the Poyang Lake floodplain system, China. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2021, 18(15): 8072. DOI:10.3390/ijerph18158072 |
| [21] |
Wang ZC, Yang Y, Chen G et al. Variation of lake-river-aquifer interactions induced by human activity and climatic condition in Poyang Lake Basin, China. Journal of Hydrology, 2021, 595: 126058. DOI:10.1016/j.jhydrol.2021.126058 |
| [22] |
Tan ZQ, Zhang Q, Li MF et al. A study of the relationship between wetland vegetation communities and water regimes using a combined remote sensing and hydraulic modeling approach. Hydrology Research, 2016, 47(S1): 278-292. DOI:10.2166/nh.2016.216 |
| [23] |
Xu XL, Zhang Q, Li YL et al. Reed population features and relationships between feature indicators and flooding depth, groundwater depth in an islet in Poyang Lake. Wetland Science, 2014, 12(6): 714-722. [许秀丽, 张奇, 李云良等. 鄱阳湖洲滩芦苇种群特征及其与淹水深度和地下水埋深的关系. 湿地科学, 2014, 12(6): 714-722.] |
| [24] |
Li YL, Zhang Q, Yao J et al. Hydrodynamic and hydrological modeling of the Poyang Lake catchment system in China. Journal of Hydrologic Engineering, 2014, 19(3): 607-616. DOI:10.1061/(asce)he.1943-5584.0000835 |
| [25] |
Li YL, Yao J, Zhang XL et al. Study on the vertical stratification in Poyang Lake. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2017, 26(6): 915-924. [李云良, 姚静, 张小琳等. 鄱阳湖水体垂向分层状况调查研究. 长江流域资源与环境, 2017, 26(6): 915-924. DOI:10.11870/cjlyzyyhj201706014] |
| [26] |
Song YY, Zhang Q, Melack J et al. Groundwater dynamics of a lake-floodplain system: Role of groundwater flux in lake water storage subject to seasonal inundation. Science of the Total Environment, 2023, 857: 159414. DOI:10.1016/j.scitotenv.2022.159414 |
| [27] |
Wu GP, Liu YB. Seasonal water exchanges between China's Poyang Lake and its saucer-shaped depressions on river deltas. Water, 2017, 9(11): 884. |
| [28] |
Feng L, Hu CM, Chen XL et al. MODIS observations of the bottom topography and its inter-annual variability of Poyang Lake. Remote Sensing of Environment, 2011, 115(10): 2729-2741. DOI:10.1016/j.rse.2011.06.013 |
| [29] |
Cao SJ, Li YL, Li NN et al. Groundwater numerical simulation in the typical floodplain of Lake Poyang. J Lake Sci, 2023, 35(1): 298-312. [曹思佳, 李云良, 李宁宁等. 鄱阳湖典型洪泛区地下水数值模拟研究. 湖泊科学, 2023, 35(1): 298-312. DOI:10.18307/2023.0123] |
| [30] |
Li YL, Zhang Q, Lu JR et al. Assessing surface water-groundwater interactions in a complex river-floodplain wetland-isolated lake system. River Research and Applications, 2019, 35(1): 25-36. DOI:10.1002/rra.3389 |
| [31] |
Liu B, Li YL, Jiang WY et al. Understanding groundwater behaviors and exchange dynamics in a linked catchment-floodplain-lake system. Science of the Total Environment, 2022, 853: 158558. DOI:10.1016/j.scitotenv.2022.158558 |
| [32] |
Chen J, Li YL, Zhou JF et al. Assessing surface water-groundwater interactions in the seasonal lake-wetland system of Lake Poyang. J Lake Sci, 2021, 33(3): 842-853. [陈静, 李云良, 周俊锋等. 鄱阳湖洪泛区碟形湖湿地系统地表——地下水交互作用. 湖泊科学, 2021, 33(3): 842-853. DOI:10.18307/2021.0317] |
| [33] |
Xu XL, Li YL, Tan ZQ et al. Groundwater, river water and lake water transformations in a typical wetland of Poyang Lake. China Environmental Science, 2021, 41(4): 1824-1833. [许秀丽, 李云良, 谭志强等. 鄱阳湖典型湿地地下水-河湖水转化关系. 中国环境科学, 2021, 41(4): 1824-1833.] |
| [34] |
Speldrich B, Gerla P, Tschann E. Characterizing groundwater interaction with lakes and wetlands using GIS modeling and natural water quality measurements. Water, 2021, 13(7): 983. DOI:10.3390/w13070983 |
| [35] |
Kummu M, Tes S, Yin S et al. Water balance analysis for the Tonle Sap Lake-floodplain system. Hydrological Processes, 2014, 28(4): 1722-1733. DOI:10.1002/hyp.9718 |
| [36] |
Nilsson C, Berggren K. Alterations of riparian ecosystems caused by river regulation: Dam operations have caused global-scale ecological changes in riparian ecosystems. How to protect river environments and human needs of rivers remains one of the most important questions of our time. BioScience, 2000, 50(9): 783-792. DOI:10.1641/0006-3568(2000)050 |
| [37] |
Girard P, Silva C, Abdo M. River-groundwater interactions in the Brazilian Pantanal. The case of the Cuiabá River. Journal of Hydrology, 2003, 283(1/2/3/4): 57-66. DOI:10.1016/S0022-1694(03)00235-X |
| [38] |
Chang Q, Zheng T, Zheng X et al. Effect of subsurface dams on saltwater intrusion and fresh groundwater discharge. Journal of Hydrology, 2019, 576: 508-519. DOI:10.1016/j.jhydrol.2019.06.060 |
| [39] |
Thomas DHL. Dam construction and ecological change in the riparian forest of the Hadejia - Jama'are floodplain, Nigeria. Land Degradation & Development, 1996, 7(4): 279-295. DOI:10.1002/(sici)1099-145x(199612)7:4279:aid-ldr234>3.0.co;2-l |
| [40] |
Åberg SC, Korkka NK, Rautio A et al. The effect of river regulation on groundwater flow patterns and the hydrol-ogical conditions of an aapa mire in northern Finland. Journal of Hydrology: Regional Studies, 2022, 40: 101044. DOI:10.1016/j.ejrh.2022.101044 |
| [41] |
Ren Q, Yuan JH, Wang JP et al. Water level has higher influence on soil organic carbon and microbial community in Poyang Lake wetland than vegetation type. Microorganisms, 2022, 10(1): 131. DOI:10.3390/microorganisms10010131 |
| [42] |
Song YY, Zhang Q, Jiang SY et al. Groundwater depth and its relation with typical vegetation distribution in the Poyang Lake wetland, China. Chinese Journal of Applied Ecology, 2021, 32(1): 123-133. [宋炎炎, 张奇, 姜三元等. 鄱阳湖湿地地下水埋深及其与典型植被群落分布的关系. 应用生态学报, 2021, 32(1): 123-133. DOI:10.13287/j.1001-9332.202101.018] |
| [43] |
Zhang QJ, Yu XB, Qian JX et al. Distribution characteristics of plant communities and soil organic matter and main nutrients in the Poyang Lake Nanji Wetland. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(12): 3656-3669. [张全军, 于秀波, 钱建鑫等. 鄱阳湖南矶湿地优势植物群落及土壤有机质和营养元素分布特征. 生态学报, 2012, 32(12): 3656-3669.] |