半干旱西念青唐古拉山岩石冰川解译：基于机器学习与哨兵影像的水文意义揭示

《Journal of Hydrology》：Unraveling rock glaciers in the semi-arid Western Nyainqêntanglha Mountains: Insights from machine learning and Sentinel imagery for hydrological significance

本研究针对鄱阳湖季节性干旱加剧问题，创新性提出通过梯级低水头坝调控水力坡度的替代方案。研究人员采用二维水动力模型模拟125种坝高组合情景，通过多准则决策分析平衡供水、栖息地支持与通航服务，发现梯级低水头坝可使枯水期上游水位最大提升1.37米，为多目标洪水湖泊管理提供了新见解。

　　

作为中国最大的淡水湖，鄱阳湖近年来正面临着日益严峻的季节性干旱挑战。水位持续下降、干旱频发，这一全球重要湿地的生态系统服务功能受到严重威胁。为应对这一危机，当地提出了鄱阳湖水利枢纽工程（PLHP）方案，但这一大型水利工程可能对西伯利亚白鹤栖息地分布和长江江豚洄游通道产生负面影响，至今尚未达成共识。在这一背景下，寻找既能缓解枯水期缺水问题，又能最大限度减少生态影响的替代方案，成为当前研究的迫切需求。

近期发表于《Journal of Hydrology》的一项研究提出了一种创新性的解决方案——通过梯级低水头坝调控鄱阳湖的水力坡度。这种方案不同于传统的大型水利工程，它不追求在调控期间完全隔离湖泊，而是通过调节主要洪泛河道的水面比降，部分控制多个位置的流动阻力，从而实现上游水位的适度提升，同时维持水文连通性和生态功能。

为验证这一概念的可行性，研究团队构建了二维水动力模型（MIKE 21 Flow Model），模拟了125种不同坝高组合的情景。模型基于5米分辨率的测深数据，采用非结构化网格精确表征湖泊复杂地形。通过对2016-2020年水文数据的验证，模型显示出较高的准确性，决定系数（R²）大于0.98，纳什-苏特克利夫效率系数（NSE）大于0.94。

研究团队选取平峰（PF）、老爷庙（LY）和松门山（SM）三个河道下切严重区域作为潜在坝址，坝高范围设定为3.5-5.5米（PF和LY）和4.5-6.5米（SM）。通过多准则决策分析（MCDA）方法，综合考虑供水（上游水位提升）、迁徙鸟类栖息地支持（浅水区面积变化）和通航（平均水深减少和最小水深）三个生态系统功能，并赋予不同权重（0.2、0.2、0.6）进行方案优选。

研究结果显示，梯级低水头坝对上游水位提升效果显著。枯水期PF、LY和SM上游最大平均水位提升分别达到1.10、1.23和1.37米。特别值得注意的是，梯级坝表现出明显的累积效应。例如，在LY处设置5.5米单坝时，LY上游平均水位提升为0.93米；而在PF和LY同时设置5.5米坝的梯级情景下，水位提升达到1.22米，增幅显著。

然而，研究也揭示了不同生态系统功能之间的权衡关系。上游水位提升与坝址处水深减少呈显著负相关，特别是在PF处，相关系数达到-0.92。这意味着更高的水位提升往往以通航条件恶化为代价。

通过多目标优化分析，研究人员识别出两种最优情景。情景101（PF=5.5米，LY=3.5米，SM=4.5米）在考虑平均水深减少作为通航目标时最优，使PF、LY和SM上游水位分别提升1.10、1.04和1.02米。情景31（PF=4米，LY=4米，SM=4.5米）在考虑最小水深作为通航目标时最优，水位提升较为温和，分别为0.27、0.38和0.43米。

空间分析表明，水位变化主要沿湖泊主河道分布，向西南延伸至赣江入口，向南至棠荫站。两种最优情景下，水深增加0-0.6米的区域分别达到159.2和174.5平方公里，但实际浅水区面积变化有限（-1.23至0.35平方公里），表明其对迁徙鸟类栖息地的改善作用较为有限。

一个重要发现是，梯级低水头坝的调控效果与湖泊出口水位密切相关。当湖口水位超过10米时，调控效果显著减弱，表明该方案主要适用于低水位时期的鄱阳湖。

与已有的PLHP方案相比，梯级低水头坝的水位提升幅度较小，但具有成本效益高、生态影响小、灵活性强的优势。同时，该方案对通航的负面影响可通过船闸系统或活动堰等辅助措施来缓解。

研究的创新之处在于首次将水力坡度调控概念应用于大型洪泛湖泊管理，为平衡水资源供给、生态保护和航运需求提供了新思路。然而，作者也指出了一些局限性，如模型对坝体结构的简化、仅考虑正常水文年以及未充分评估对生物地球化学循环和珍稀鱼类栖息地的潜在影响。

这项研究为缓解鄱阳湖季节性缺水问题提供了一种潜在替代方案，其模块化设计为适应性管理提供了灵活性。更重要的是，水力坡度调控的概念为全球范围内洪泛湖泊的生态系统服务平衡提供了新的工程实践和生态保护见解。未来研究需要更详细的结构表征、多水文年模拟以及生物地球化学过程的综合评估，以进一步完善这一创新性管理策略。