三峡工程影响下洞庭湖湿地水位与植被覆盖变化研究

摘要

湿地是地球上的重要生态系统，具有独特的生态功能和价值，进行湿地研究和保护有重大意义。洞庭湖湿地植被种类丰富、水资源充沛，不仅是候鸟迁徙越冬的优良场所，还是重要的农渔业生产基地，具有重要的环境和社会经济效益。洞庭湖湿地与长江关系紧密，三峡工程运行以来，由长江三口向洞庭湖输水输沙量都急剧下降。长江和洞庭湖江湖关系的变化导致洞庭湖湿地的生态环境发生一定的改变。研究和探讨洞庭湖湿地特别是三峡工程运行后的水位变化、植被覆盖状态变化以及相互之间的影响情况，分析三峡工程对湿地植被演替和物种多样性等生态环境的影响对进行洞庭湖的环境保护和生态修复都具有重大作用。同时也为探讨洞庭湖建坝提供一定参考依据。
　　本文首先利用盒形图统计分析方法对洞庭湖湿地的安乡、小河嘴和城陵矶3个水文站的水位时间序列进行了分析，其中特别对城陵矶水文站1959年至2010年的水位时间序列进行Mann-Kendall分析和Wavelet分析。通过水位时间序列分析不仅可以了解近年来洞庭湖水位变化状况，由水位时间序列的变异点、周期性和多尺度变化等还可以得出三峡工程运行后对洞庭湖湿地水环境的影响情况。结果表明:安乡、小河嘴和城陵矶3个水文站的水位变化幅度大小是城陵矶站＞安乡站＞小河嘴站，且在1990年之后各水文站的水位差波动明显增强;洞庭湖湿地1959年至2010年的年均水位主要在24m至26m之间波动，年最大水位和年最小水位总体上呈现上升趋势，但在2003年之后出现明显的下降过程，而年最小水位一直保持上升的趋势，上升幅度为2m左右。洞庭湖湿地的水位变化过程大致分为4个变化阶段:1959年至1972年，1973年至1990年，1991年至2003年以及2004年至2010年。主要有3个特征时间尺度，分别是5a，12a和24a，长时间尺度的周期性变化相对明显，短时间尺度的周期性由弱变强，在1990年之后出现一个显著的变化期。
　　其次通过遥感和GIS技术提取洞庭湖湿地的归一化植被指数(NDVI)进行分析，并对相关研究区域内的NDVI值进行MK分析和Wavelet分析，研究了湿地的植被覆盖变化状态。洞庭湖湿地的植被受到湖泊水位的驱动，植被的生长状态和覆盖范围随着水位的变化而发生改变，其中东洞庭湖南部的洲滩湿地内的NDVI值在三峡工程运行前后几年内的变化最大。NDVI时间序列的特征时间尺度主要为4a和7a，以4a为特征时间尺度的NDVI变化周期为2.5年，其周期性由强变弱，而7a时间尺度的NDVI变化周期为5年左右，且周期性相对稳定，变化幅度较小。洞庭湖湿地泥沙淤积量大，由于三峡工程运行后水量减少洲滩湿地的裸露面积增大、时间延长。在研究区内2003年后的汛期6月至9月之间NDVI值相对2003年前同期高，汛期水面面积缩小，植被覆盖范围有扩大趋势。洞庭湖湿地24m左右是洞庭湖湿地出现NDVI最大值的临界点。
　　最后对三峡工程运行后洞庭湖湿地的气候变化、水沙变化、植被演替和生物多样性等相关变化进行了分析，研究三峡工程对洞庭湖湿地生态环境影响情况。洞庭湖湿地降水量在2003年前略微上升，之后降水量明显偏小。受全球气候变暖及湿地水面面积的缩小、洲滩裸露面积增大和人为活动的干扰等影响，洞庭湖湿地气温上升有1℃左右。洞庭湖三口的径流量和输沙量在2003年三峡工程建成后呈倍数减少，其中的输沙量减少的幅度达到一个数量级的水平。三峡蓄水水位从135m上升至175m的2003、2006和2009年，3个研究区域全年的秩相关系数(ρ)s分别增长至0.641、0.687和0.518，植被覆盖和水位变化的相关性增强。由于水生态环境的变化导致植被覆盖类型和覆盖面积的变化，洞庭湖湿地植被的水生演替过程加快，而洲滩演替向泥沙淤积慢的方向发展。洞庭湖湿地内的鸟类和鱼类等生物多样性在三峡工程运行后的最初几年有明显的降低过程，但随着三峡调蓄规律的稳定，生物多样性开始逐步增强。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 研究区域概况

1．2．1 地理位置与自然条件

1．2．2 水系特征

1．2．3 洞庭湖湿地

1．2．4 三峡工程

1．3 长江与洞庭湖河湖关系改变问题

1．3．1 洞庭湖泥沙变化问题

1．3．2 洞庭湖水量变化问题

1．3．3 洞庭湖湿地的生态环境问题

1．4 课题研究主要内容与分析方法软件简介

1．4．1 研究主要内容及创新点

1．4．2 时间序列分析方法简介

1．4．3 遥感及GIS分析软件简介

第2章 洞庭湖湿地水位时间序列变化分析

2．1 研究目的

2．2 分析方法

2．2．1 盒形图统计基础理论

2．2．2 Mann-Kendall变异分析基础理论

2．2．3 wavelet小波分析基础理论

2．3 洞庭湖湿地水位时间序列变化分析

2．3．1 洞庭湖湿地水位变化统计分析

2．3．2 洞庭湖湿地水位时间序列的MK变异分析

2．3．3 洞庭湖湿地水位时间序列的Wavelet变化分析

2．4 本章小结

第3章 基于NDVI的洞庭湖湿地植被覆盖变化分析

3．1 研究目的

3．2 基于MODIS遥感影像数据洞庭湖植被覆盖变化分析

3．2．1 MODIS遥感影像数据获取与处理

3．2．2 NDVI时间序列的提取及去噪

3．2．3 基于MODIS-NDVI的洞庭湖湿地植被覆盖分析

3．3 洞庭湖湿地NDVI时间序列变化分析——以东洞庭湖为例

3．3．1 东洞庭湖湿地NDVI时间序列的MK变异分析

3．3．2 东洞庭湖湿地NDVI时间序列的wavelet变化分析

3．4 洞庭湖湿地植被覆盖变化的水位响应——以东洞庭湖为例

3．4．1 东洞庭湖湿地NDVI时间序列与水位整体变化分析

3．4．2 东洞庭湖湿地NDVI时间序列样本自相关性分析

3．5 本章小结

第4章 三峡工程对洞庭湖湿地水沙及植被覆盖变化的影响分析

4．1 研究目的

4．2 洞庭湖湿地气候变化分析

4．3 三峡工程运行对洞庭湖湿地的影响分析

4．3．1 三峡工程运行后洞庭湖湿地水沙变化的影响允析

4．3．2 三峡工程运行后洞庭湖湿地植被覆盖变化的影响研究

4．3．3 三峡工程运行后洞庭湖湿地生态环境状况分析

4．4 本章小结

结论与展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢