第1章 湖泊型流域的概念、尺度和空间格局
1.1 湖泊型流域的概念与尺度
1.1.1 湖泊型流域的概念
流域是由地表水与地下水分水岭所包围的河流或湖泊的地面集水区和地下集水区的总和，包括以分水岭为界的一个河流或湖泊的所有水系所覆盖的区域，以及由水系构成的集水区。如果地面集水区和地下集水区相重合，则称为闭合流域；如果不重合，则称为非闭合流域。习惯上将地表水的集水区称为流域。流域内水文现象与流域特性有密切关系。
依据河流流入终点的不同，可将流域划分为河流型流域和湖泊型流域。河流型流域是以河流为核心的流域，湖泊型流域是以湖泊为核心的流域。我国湖泊众多，湖泊型流域是我国流域的重要类型之一。
湖泊型流域示意图见图1-1。湖泊型流域的空间结构特征主要表现为圈层结构，这是与河流型流域在空间结构上的主要差异。具体到流域对象上，如水系、水量、水质、水生物、地形地貌、降水、气温等要素一般都表现出圈层性的湖泊型流域特征。在空间结构上，湖泊型流域主要表现为“山丘—丘陵区—山前区—平原河网湖荡区—入湖河口区（湖滨带）—湖体”的圈层结构特征（高俊峰等，2019）。
图1-1 湖泊型流域示意图
1.1.2 湖泊型流域的尺度
尺度是地学研究的关键和核心，决定着生态系统的结构、功能和过程。在不同尺度上，生态功能所面临的问题和解决方法有很大的区别（Bailey，2014，2009；吕一河和傅伯杰，2001）；影响水生态功能的主要因子不一样；在一个尺度得到的结果和解释，在另一个尺度里可能不合适甚至错误（Golden and Hoghooghi，2018；Quinn，2002；Fisher，1994），尺度分为时间和空间两种形式。水生态功能分区必须考虑尺度问题，通过尺度来反映分区的等级（高俊峰等，2017；高俊峰和高永年，2012a）。
流域气候、地质的特点决定水体的特点，其是水体理化自然特征的主要影响因子，决定流域内生物/生态特性（高俊峰等，2017，2012）。气温、光照、降水等气候因子和土壤、土地利用等地表因子在较大的空间和时间尺度上表现出显著的差异性，时间变化尺度为百年，空间差异性可以在10000km2以上，这些差异性是鱼类、大型水生高等植物的生物量或种类组成*重要的决定因子（高俊峰等，2016；Kalff，2002）；降水和水文状况、水体的浊度和营养物等因子的时间变化尺度在年际之间，空间上的差异性体现在500～10000km2范围的尺度，此尺度对生物的生物量或种类组成影响明显；流速、底质、河流比降、水深、波浪等在月度时间尺度、10～500km2的空间尺度上表现出差异性，通过水深、水化学等因素影响生物生长类型、生长率和生物量；温度、光照等在小时和天的时间尺度、0.1～10km2的空间尺度上，影响浮游植物的沉降、紊流和底栖动物的摄食（Kallf，2002；Fisher，1994）。
流域生态系统可以划分出一系列的时间尺度和空间尺度（高俊峰等，2019），在一定程度上，这些尺度可分别考虑，它们形成阶梯状结构（图1-2）。在同一时间尺度和空间尺度上，不同的生物过程和非生物过程的相互作用是动态变化的。一般来说，流域水生态系统的尺度划分为微小尺度、小尺度、中尺度和大尺度4种（Golden and Hoghooghi，2018；李煜和夏自强，2007；Quinn，2002；Allan，1995）。流域的时间和空间尺度量级如表1-1所示，其中，空间尺度给出的是纵向距离的量级；时间尺度给出的是生物或物理过程的周期或时间的量级；同时，针对每个量级给出了典型的研究对象。
图1-2 流域的空间尺度
1.2 湖泊型流域的空间格局
1.2.1 地形地貌格局
流域地貌类型是影响水生态系统的重要因素，地形地貌可反映流域的地表形态特征，地形要素包括土壤、坡度、海拔、地貌类型和植被类型等，不同的地貌类型造就了物种在空间上的不同分布，直接影响流域水热分布格局、水文情势及侵蚀和沉积物传输，并间接影响区域气候和植被类型。流域地形地貌也控制着地表径流的路径和累积水量的空间分布（孔凡哲和芮孝芳，2003），流域的地形地貌特征对流域内降水和径流的分布、流向起着十分重要的作用，流域不同下垫面特征也会有所差异。每个流域都有其独特的地貌特征，下面以巢湖流域和太湖流域为例，分析两个流域不同的地形地貌特征。
巢湖流域位于安徽省中部，属长江中下游北岸水系，流域西北以江淮分水岭为界，南临长江，西接大别山，东北邻滁河流域（Zhang et al.，2017；水利部长江水利委员会，1999）。巢湖流域地形总体由西向东渐低，流域西南部杭埠河上游为山区，海拔*高达到1500m左右，东北为丘陵及浅山区，沿江、沿湖为平原水网区，地面高程一般在7.5～13.0m（高俊峰和蒋志刚，2012b）。巢湖面积为779km2，流域内大于20km2的湖泊和水库有4个（图1-3）。巢湖流域地处江淮丘陵之间，四周分布有银屏山、冶父山、大别山、防虎山、浮槎山等低山丘陵，并形成东西长南北窄的不规则地形、西高东低中间较低洼的平坦地形。按流域地貌成因，可划分为构造侵蚀地貌、侵蚀剥蚀地貌和侵蚀堆积地貌。
太湖流域位于我国东部长江三角洲南翼，北抵长江，东临东海，南滨钱塘江，西以天目山、茅山为界，地域分布范围介于119°11′E～121°53′E，30°28′N～32°15′N。太湖流域行政区划分属江苏、浙江、上海、安徽三省一市（图1-4），总面积36895km2，其中，江苏19399km2，占52.6%；浙江12093km2，占32.8%；上海5178km2，占14.0%；安徽225km2，占0.6%。太湖地处太湖流域中心，是太湖流域*大的湖泊。太湖是我国第三大淡水湖，水位在3.14m（黄海高程，多年平均）时湖泊面积为2427km2，扣除岛屿、陆地实际水面面积2338km2。太湖*大水深为3.3m，平均水深为2.12m，蓄水量为51.4×108m3。多年平均出入湖水量为52.5×108m3，湖泊总蓄水量为44.3×108m3，水量交换系数为1.18。湖泊水量补给系数为7.0，进出水量占总收支水量的60%左右（Zhang et al.，2017；高俊峰和许妍，2014；高俊峰和高永年，2012a；金相灿等，1999；孙顺才和黄漪平，1993）。
图1-3 巢湖流域地貌格局（高俊峰等，2016）
图1-4 太湖流域地貌格局
太湖流域地形呈周边高、中间低的碟状地形。其西部为山区，属天目山山区及茅山山区的一部分，中间为平原河网和以太湖为中心的洼地及湖泊，北、东、南周边受长江和杭州湾泥沙堆积影响，地势高亢，形成碟边。太湖流域包括山地丘陵及平原，西部丘陵区面积为7338km2，约占总面积的20%；中东部广大平原区面积为29556km2，约占总面积的80%。平原区分为中部平原区、沿江滨海高亢平原区和太湖湖区。东太湖、西部为丘陵山地，东部为平原，河流水系基本自西向东倾斜，水系特点为上游是树枝状排列河流，下游是网状结构（高俊峰和许妍，2014；高俊峰和蒋志刚，2012b）。
1.2.2 水文及气候格局
湖泊型流域的水文气候特征主要包括降水、气温、蒸发、径流等，流域内气温和降水的变化直接影响着蒸发和径流量的变化。气候因素主要包括降水、气温、湿度和辐射等，降水和气温可反映流域内的水热分布格局，对水生态系统影响很大，控制着河流的水循环、水文过程等，是陆地生态系统的重要物质与能量基础。由于地理位置、生态状况和社会条件的不同，不同区域的流域水文气候要素特征也各不相同。下面以巢湖流域为例，分析流域内的降水、气温、蒸发、径流等水文气候要素特征。
巢湖流域属于亚热带湿润性季风气候，多年平均气温为16℃，相对湿度为76%，气候温和湿润，四季分明，雨量适中，热量丰富，无霜期较长，一般在200d以上（Zhang and Gao，2016；中国科学院《中国自然地理》编辑委员会，1985）。巢湖流域多年平均年降水量为1215mm，其中，汛期5～8月降水量占年降水量的51%。流域*大年降水量为1986mm（1991年），*小年降水量为672mm（1978年）。多年平均年径流量为59.2亿m3，51%的径流量集中在汛期5～8月（中国河湖大典编委会，2010）。巢湖流域水资源丰富，多年平均水资源量为65亿m3，其中，5～9月占64%（Zhang et al.，2019；高俊峰等，2016；中国科学院《中国自然地理》编辑委员会，1985）。
巢湖流域属于亚热带湿润性季风气候，降水量分布特点为南高北低，南部及西南部山丘区降水量较高，北部及东部平原区降水量较低，多年平均降水量约为1215mm（中国河湖大典编委会，2010）。将巢湖流域多年平均降水量的*高1/3作为降水量高值区，将巢湖流域多年平均降水量的*低1/3作为降水量低值区，中间的1/3作为降水量中值区。巢湖流域多年平均降水量高值区（1237.91～1282.43mm）面积约为4569.21km2，占流域总面积的32.50%；多年平均降水量中值区（1210.83～1237.91mm）面积约为4991.64km2，占流域总面积的35.51%；多年平均降水量低值区（1173.14～1210.83mm）面积约为4497.53km2，占流域总面积的31.99%（图1-5）。降水量在年内：夏季*多，春季次之，秋季较少，冬季*少。每年5～9月为汛期，汛期降水量占全年降水量超过60%。每年4～10月为灌溉期，其间降水量占全年降水量近80%。巢湖流域降水时空分布不均的原因，主要是该区域受过渡性季风环流的影响，冷暖气团交锋频繁。夏季不但降水天数多、雨量大，而且常出现暴雨，造成洪涝灾害。
巢湖流域属于亚热带湿润性季风气候，由于西南部山丘区的影响，气温分布特点为南低北高，南部及西南部山丘区气温较低，北部及东部平原区气温较高，多年平均气温约为12.3℃（中国河湖大典编委会，2010）。将巢湖流域多年平均气温大于15.5℃的区域作为温度高值区，将多年平均气温小于14.0℃的区域作为温度低值区，温度在14.0～15.5℃的区域作为温度中值区。巢湖流域多年平均气温高值区（15.5～16.1℃）面积约为7043.08km2，占流域总面积的50.10%；多年平均气温中值区（14.0～15.5℃）面积约为6461.55km2，占流域总面积的45.96%；多年平均气温低值区（10.8～14.0℃）面积约为553.76km2，占流域总面积的3.94%（图1-6）。
图1-5 巢湖流域降水量格局
图1-6 巢湖流域气温格局
巢湖流域各地因受地形、气候、土壤及植被等因素的影响，区域间蒸发量存在差异。该地区多年平均年蒸发量为1039.1mm，变幅为915.9～1293.9mm。从地貌类型上看，蒸发量平原大于山区；从空间分布上看，蒸发量西南部*小，东南部次之，中部和北部较大（图1-7）；
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