2022特枯年洞庭湖區(qū)洲灘面積變化特性分析

郭 小 虎，劉 亞，陳 棟

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部長(zhǎng)江中下游河湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010)

0 引 言

洞庭湖位于湖南省北部、長(zhǎng)江荊江南側(cè)，跨越湘鄂兩省，全流域集水面積約25 712 km2，其中湖區(qū)水面積約18 780 km2，現(xiàn)存天然湖泊面積2 625 km2。該地區(qū)是長(zhǎng)江中游水域生態(tài)平衡的重要功能區(qū)、具有國(guó)際意義的珍稀候鳥(niǎo)越冬棲息地，也是湖南省重要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地和經(jīng)濟(jì)發(fā)展優(yōu)勢(shì)區(qū)域。洞庭湖區(qū)水系復(fù)雜、洲灘眾多，這些不同尺度的洲灘濕地上蘊(yùn)藏著豐富的動(dòng)植物資源，也為珍稀動(dòng)物提供著良好的棲息地。因此研究洞庭湖洲灘面積的變化規(guī)律對(duì)于生物多樣性和自然環(huán)境的保護(hù)均具有十分重要的意義。

關(guān)于三峽工程運(yùn)用前洞庭湖區(qū)洲灘演變規(guī)律，余德清等[1]基于歷史圖片、航空?qǐng)D片等解譯了百年來(lái)洞庭湖沖淤變化；部分學(xué)者通過(guò)遙感圖像對(duì)比分析了湖體內(nèi)部的泥沙淤積、洲灘發(fā)育情況[2-3]；隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，一些學(xué)者運(yùn)用GIS的空間分析方法對(duì)洞庭湖的泥沙淤積與洲灘地的形成、發(fā)育進(jìn)行研究[4-6]，認(rèn)為洞庭湖的泥沙沖淤是洲灘發(fā)育的主要?jiǎng)右颍^(qū)淤積的泥沙主要來(lái)自于長(zhǎng)江分泄入湖的沙量[7-10]，并在洞庭湖淤積量和空間分布方面取得初步認(rèn)識(shí)[11]。三峽工程運(yùn)用后，長(zhǎng)江和洞庭湖江湖關(guān)系發(fā)生了顯著變化，荊江三口分流入湖的沙量大幅度減少[12-13]，從三口分流入湖流量過(guò)程、洞庭湖出湖七里山站水位及出湖流量在年內(nèi)均發(fā)生一定的變化[14]，從而對(duì)洞庭湖區(qū)洲灘面積變化規(guī)律造成一定的影響，其中2003～2010年湖區(qū)整體處于微淤狀態(tài)，導(dǎo)致在此期間不同水位下洲灘面積仍不同幅度地增加[15]；2010年以后由于湖區(qū)整體處于微沖狀態(tài)，在不同水位下洲灘面積基本維持不變[16]。

2022年進(jìn)入汛期以來(lái)，受持續(xù)拉尼娜事件影響，長(zhǎng)江流域降雨、來(lái)水均嚴(yán)重偏少，長(zhǎng)江干流水位持續(xù)走低，發(fā)生了1961年有完整記錄以來(lái)最嚴(yán)重的氣象水文干旱，洞庭湖水位持續(xù)下降，導(dǎo)致洞庭湖洲灘大面積提前出露，給洞庭湖區(qū)洲灘濕地環(huán)境造成了一定的不利影響。60多年來(lái)受入湖泥沙淤積與人類(lèi)活動(dòng)等因素的影響，湖區(qū)洲灘面積發(fā)生較大的變化，因此本文根據(jù)最新實(shí)測(cè)資料解析了三峽工程運(yùn)用后影響湖區(qū)洲灘面積變化的主要因素，分析了2022年汛期洞庭湖洲灘面積變化特性，并初步研究湖區(qū)洲灘面積變化對(duì)濕地環(huán)境的影響，以期為洞庭湖區(qū)洲灘保護(hù)與治理提供參考。

1 三峽工程運(yùn)用后影響湖區(qū)洲灘面積變化的主要因素

湖泊內(nèi)水流流速較緩，入湖泥沙極易落淤。洞庭湖的水沙主要來(lái)自于荊江三口與洞庭湖四水(湘、資、沅、澧)，而出湖水沙則在城陵磯匯入長(zhǎng)江，湖區(qū)沖淤變化主要與出、入湖水沙的變化等密切相連。三峽工程運(yùn)用前，洞庭湖區(qū)同一高程洲灘面積變化直接受洞庭湖區(qū)沖淤及湖區(qū)圍墾等影響[4]，圍墾已于1979年停止。三峽工程運(yùn)用后，從荊江三口分泄入湖水沙過(guò)程發(fā)生較大改變，再加上洞庭湖四水流域梯級(jí)水庫(kù)群建成運(yùn)用等影響，入湖水沙整體發(fā)生較大改變，從而可能導(dǎo)致洞庭湖區(qū)沖淤發(fā)生改變，進(jìn)而對(duì)湖區(qū)洲灘面積變化造成一定的影響。因此下面根據(jù)最新實(shí)測(cè)資料分析荊江三口分流分沙、洞庭湖四水入湖水沙及湖區(qū)整體沖淤變化等。

1.1 荊江三口入湖水沙變化

根據(jù)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析，60多年來(lái)荊江三口入湖年分流量、年分沙量的變化如圖1所示。

圖1 荊江三口分流分沙量變化過(guò)程Fig.1 Changes in flow and sediment distribution at the three outlets of the Jingjiang River

圖1顯示：在1955～1989年長(zhǎng)江干流含沙量偏高，導(dǎo)致荊江三口洪道淤積萎縮，口門(mén)高程抬高致使三口分流能力減小，其中1966～1972年下荊江3次裁彎導(dǎo)致干流河段縮短、比降增加，挾沙能力增強(qiáng)，干流河段處于沖刷狀態(tài)，水位下降，三口口門(mén)高程相對(duì)抬高，同一干流流量下分流量顯著減少，加速了三口分流分沙的減小，尤以藕池口分流能力減小最大，太平口次之，松滋口最小。在1990～2002年長(zhǎng)江干流含沙量減少，相應(yīng)的三口分沙量也呈遞減趨勢(shì)，但三口分流量無(wú)明顯變化趨勢(shì)。2003年三峽工程運(yùn)用后，長(zhǎng)江干流含沙量大幅減少，荊江三口分流量略有減少，分沙量大幅減少。三峽工程運(yùn)用后可分為2003～2007年(蓄水初期)、2008～2012年(175 m試驗(yàn)性蓄水期)及2013～2021年(向家壩水庫(kù)運(yùn)用后)3個(gè)階段，三口年均分沙量依次為1 780萬(wàn)，780萬(wàn)t及540萬(wàn)t，較1999～2002年入湖沙量分別減少79.5%，89.2%，92.5%，三口入湖沙量呈顯著遞減趨勢(shì)。從荊江三口分泄入湖的沙量大幅度減少，有利于維持洞庭湖區(qū)洲灘面積的穩(wěn)定。

1.2 四水入湖水沙變化

以湘潭站、桃江站、桃源站及石門(mén)站的年徑流量、年輸沙量分別代表湘、資、沅、澧四水的徑流量與輸沙量的變化，如圖2所示。

圖2 洞庭湖四水年徑流量與年輸沙量歷年變化過(guò)程Fig.2 Change of annual runoff and sediment discharge of the four rivers into Dongting Lake

由圖2可知：1950～2021年湘水湘潭站、資水桃江站、沅水桃源站、澧水石門(mén)站年徑流量均無(wú)明顯變化，受四水流域水庫(kù)修建及水土保持工程實(shí)施的影響，1951～2002年上述4站年輸沙量呈遞減趨勢(shì)，2003～2021年該4站年輸沙量略有減小，其中2003～2007年、2008～2012年及2013～2021年4個(gè)站年均輸沙量依次為1 040萬(wàn)，650萬(wàn)t及770萬(wàn)t。

1.3 洞庭湖區(qū)整體沖淤變化

三峽工程運(yùn)用前洞庭湖區(qū)沖淤變化的研究成果較為豐富，而且認(rèn)識(shí)也基本一致，其排沙比約為30%，70%入湖沙量將淤積于湖區(qū)[17]。三峽工程運(yùn)用后入湖沙量發(fā)生較大改變，直接影響湖區(qū)沖淤，而湖區(qū)沖淤與洲灘面積變化密切相關(guān)，因此下面根據(jù)三峽工程運(yùn)用以來(lái)的實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)了各個(gè)年份荊江三口入湖沙量、四水入湖沙量、出湖沙量、湖區(qū)沖淤量及排沙比的變化，如圖3所示。

圖3 三峽工程運(yùn)用后洞庭湖出入湖沙量、沖淤量及排沙比變化Fig.3 Changes of in and out sediment amount，scouring and silting amount and sediment discharge ratio of Dongting Lake after the operation of the Three Gorges Project

由圖3分析可知：2003～2007年荊江三口入湖沙量大幅減少，洞庭湖的排沙比增加，年均排沙比為59%，但除2006年枯水年湖區(qū)微沖外，其他年份洞庭湖區(qū)仍表現(xiàn)為淤積為主。2008～2012年，隨著入湖沙量進(jìn)一步減少，洞庭湖的排沙比大幅增加，年均排沙比達(dá)141%，洞庭湖區(qū)由前一個(gè)階段微淤為主轉(zhuǎn)為微沖為主；2013～2016年洞庭湖區(qū)基本維持上個(gè)階段排沙比的數(shù)值，但2017～2021年有所減小，湖區(qū)整體以微淤為主，其主要原因與出湖沙量減少有關(guān)，除2020年大水年洞庭湖區(qū)淤積幅度稍大外，其他年份沖淤變化幅度較小。

2 湖區(qū)洲灘面積變化

根據(jù)已有成果統(tǒng)計(jì)的不同年份洞庭湖區(qū)洲灘面積變化的成果[18]，結(jié)合不同時(shí)期洞庭湖區(qū)沖淤變化的情況，分階段統(tǒng)計(jì)了不同階段湖區(qū)洲灘面積變化與城陵磯水位變化關(guān)系，如圖4所示。

圖4 三峽工程運(yùn)用前后洞庭湖區(qū)洲灘面積與水位關(guān)系Fig.4 Relationship between beach area and water level in Dongting Lake area before and after operation of the Three Gorges Project

圖4表明：與三峽工程運(yùn)用前相比，三峽工程運(yùn)用后隨著水位抬高，洞庭湖區(qū)洲灘面積有增大的趨勢(shì)，但當(dāng)城陵磯水位在23.50 m以下時(shí)，洲灘面積增加幅度較小。2003年7月至2007年12月、2008年2月至2016年12月兩個(gè)階段洲灘面積與水位的線性關(guān)系相差較小，由于三峽工程運(yùn)用后湖區(qū)整體處于微沖微淤狀態(tài)，因此相同城陵磯水位條件下湖區(qū)洲灘面積變化也較小。2017～2021年湖區(qū)基本以微淤為主，因此認(rèn)為三峽工程運(yùn)用以來(lái)湖區(qū)洲灘面積與城陵磯水位之間的線性關(guān)系基本變化不大。

3 2022年城陵磯水位及洲灘面積變化

三峽工程運(yùn)用前后1990～2002年、2003～2021年及2022年城陵磯站水位年內(nèi)變化過(guò)程及月均水位變化如圖5～6所示。

圖5 不同階段城陵磯站水位年內(nèi)變化過(guò)程Fig.5 Annual variation process of Chenglingji water level at different stages

注：截至投稿未獲得2022年12月的數(shù)據(jù)，下同。圖6 三峽工程運(yùn)用前后城陵磯站月均水位變化Fig.6 Annual variation process of Chenglingji water level at different stages

由圖5分析可知：與1990～2002年相比，2003～2021年的1～3月、5月15日至6月15日該站水位以抬高為主，而6月15日至12月底該站水位均以下降為主。主要原因在于：① 三峽水庫(kù)調(diào)蓄引起下泄流量過(guò)程變化，進(jìn)而引起城陵磯附近干流河道徑流過(guò)程也發(fā)生一定的改變；② 三峽工程運(yùn)用以來(lái)城陵磯以下干流河道沖刷下切，引起城陵磯附近干流相同中枯水流量有一定程度下降[14]。與2003～2021年相比，2022年1～6月間該站水位一般均高于同期水位，其中水位差值最大為3.48 m(6月8日)；2022年7～11月水位均大幅低于同期水位，其水位差值最大為7.85 m(9月25日)。

由于7月份開(kāi)始長(zhǎng)江流域降雨、來(lái)水均嚴(yán)重偏少，城陵磯水位持續(xù)走低，該站水位由7月初的30.4 m下降至9月30日的19.43 m；隨著10月初長(zhǎng)江上游流域的降雨增加，相應(yīng)的城陵磯站的水位有所恢復(fù)，至10月12日該站水位抬高至最大值(21.69 m)，然后逐漸下降，至10月24日該站水位為19.39 m。

圖6顯示：與1990～2002年相比，2003～2021年間城陵磯站月均水位除在1～3月及5月份有所抬高外，其余月份水位則均有不同程度的下降。其中在3月份月均水位抬高最大，為0.47 m；5月份月均水位抬高最小，僅為0.05 m；10月份月均水位下降最大，為1.4 m；6月份水位下降最小，僅為0.01 m。較之2003～2021年，2022年1～6月份城陵磯站月均水位除1月份略有下降外，其他月份均有所抬高，其中2月份月均水位抬高最大，為2.25 m；而7～11月份該站月均水位均大幅下降，9月份月均水位下降幅度最大，為7.44 m。

總而言之，較2003～2021年，2022年1～6月份城陵磯水位除個(gè)別月份略有下降外，其他月份水位均有所抬高；而7～11月份該站水位均顯著下降。

由于三峽工程運(yùn)用后洞庭湖區(qū)洲灘面積與城陵磯水位關(guān)系變化較小，下面采用圖4中2008年2月至2016年12月擬合的線性關(guān)系式，分別計(jì)算分析2003～2007年、2008～2012年、2013～2021年(3個(gè)階段)及2022年洲灘面積變化過(guò)程，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖7～8。

圖7 三峽工程運(yùn)用后洞庭湖區(qū)洲灘面積年內(nèi)變化過(guò)程Fig.7 Annual change of Dongting Lake shoal area after Three Gorges Project operation

由圖7分析可知，三峽工程運(yùn)用后的3個(gè)階段均呈現(xiàn)以下變化規(guī)律：1～6月底洞庭湖區(qū)洲灘面積呈減小趨勢(shì)，而7月初至12月底湖區(qū)洲灘面積呈增大趨勢(shì)。較之三峽工程運(yùn)用后3個(gè)階段，2022年1～6月底湖區(qū)洲灘面積以減小為主；較2013～2021年，2022年湖區(qū)洲灘面積最大減少約360 km2(6月8日)。7月以后湖區(qū)洲灘面積急劇增加，遠(yuǎn)大于3個(gè)階段年內(nèi)相應(yīng)洲灘面積的數(shù)值；較之2013～2021年，2022年湖區(qū)洲灘面積最大增加約965 km2(9月30日)。

圖8表明：與三峽工程運(yùn)用后3個(gè)階段相比，2022年1～6月湖區(qū)洲灘面積均小于各個(gè)相應(yīng)階段的數(shù)值，2022年前6個(gè)月洞庭湖區(qū)來(lái)水偏豐，城陵磯站水位有一定程度抬高，相應(yīng)的湖區(qū)洲灘面積有所減少，其中6月份湖區(qū)洲灘面積下降幅度最大，較2013～2021年，該月洲灘面積減少了240 km2。7月份開(kāi)始，長(zhǎng)江流域降雨嚴(yán)重偏少，湖區(qū)出現(xiàn)明顯“澇旱急轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，湖區(qū)洲灘面積大幅度地出露，較之2003～2021年，2022年7～11月湖區(qū)洲灘面積依次增加了340，680，860，660 km2及510 km2。

圖8 三峽工程運(yùn)用后洞庭湖區(qū)洲灘月均面積變化Fig.8 Change of monthly average area of Dongting Lake beach after Three Gorges Project operation

4 洲灘面積變化對(duì)濕地環(huán)境的影響

城陵磯水位是洞庭湖儲(chǔ)水量變化的量度，是控制洞庭湖生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的重要因素，水位改變會(huì)導(dǎo)致湖區(qū)洲灘面積發(fā)生較大變化，進(jìn)而將影響濕地植被覆蓋度和物種組成，最終產(chǎn)生群落演替[19]。

2022年7月開(kāi)始，城陵磯水位持續(xù)下降，湖區(qū)洲灘開(kāi)始大面積提前露出水面，這種湖區(qū)水位持續(xù)走低以及非周期性的水位季節(jié)變動(dòng)會(huì)破壞水生植被長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)水位周期性變化所產(chǎn)生的適應(yīng)性，從而影響植被的正常生長(zhǎng)、繁衍和演替。不同高層區(qū)植物群落對(duì)水位變化的敏感程度不同，其中苔草類(lèi)和蘆葦是洞庭湖的主要濕地植物，故選擇其作為研究對(duì)象[20]。湖區(qū)洲灘大面積出露為該濕地優(yōu)勢(shì)物種提供有利的自然環(huán)境，苔草類(lèi)和蘆葦群落生物量不斷向水深區(qū)域增加，根據(jù)2022年8月26日初步統(tǒng)計(jì)，約300 km2面積的湖泊已生長(zhǎng)苔草類(lèi)植物，導(dǎo)致沉水植被的生存空間急劇縮小，嚴(yán)重影響了沉水植物的群落，打破了以往湖區(qū)植物群落的演替規(guī)律，不利于耐旱能力較差植物生長(zhǎng)繁殖。

2022年“汛期反枯”現(xiàn)象，也導(dǎo)致入湖水量發(fā)生較大變化，嚴(yán)重破壞了水-魚(yú)-鳥(niǎo)生態(tài)鏈。由于7～11月進(jìn)入湖區(qū)的徑流量顯著減少，尤其7、8月份汛期因洲灘大面積出露，湖泊面積急劇縮小，魚(yú)類(lèi)生存空間嚴(yán)重不足，同時(shí)受高溫炎熱天氣影響，湖區(qū)魚(yú)類(lèi)因缺氧而大量死亡，且存活的魚(yú)類(lèi)也因環(huán)境惡化而不能正常的發(fā)育，這種湖區(qū)洲灘濕地環(huán)境的改變，顯著影響了鳥(niǎo)類(lèi)越冬棲息的天堂，不利于以魚(yú)類(lèi)、沉水類(lèi)植物為食的鳥(niǎo)類(lèi)捕食。

汛期湖區(qū)洲灘面積開(kāi)始大面積裸露且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)苔草類(lèi)和蘆葦群落生物量的充分發(fā)育，為湖區(qū)東方田鼠大量繁殖創(chuàng)造了良好的繁育場(chǎng)所和時(shí)間。例如2006年洞庭湖區(qū)遭受較為嚴(yán)重的旱災(zāi)，部分湖灘在汛期沒(méi)被完全淹沒(méi)，大部分東方田鼠仍在大堤外的湖區(qū)灘地繁衍生息，湖區(qū)洲灘大面積提前出露是導(dǎo)致洞庭湖區(qū)東方田鼠2007年暴發(fā)的主要成因之一[21]。因此一旦來(lái)年汛期水量較大，將有可能導(dǎo)致東方田鼠暴發(fā)。

5 結(jié) 論

本文利用最新實(shí)測(cè)資料分析了2022年洞庭湖區(qū)洲灘面積變化特征及其對(duì)濕地環(huán)境的影響，得到以下主要結(jié)論：

(1) 三峽工程運(yùn)用后荊江三口入湖分流量略有減少，但分沙量大幅減少；2003～2021年四水各站年徑流量均無(wú)明顯變化趨勢(shì)，但輸沙量略有減小。2003～2007年由于荊江三口入湖沙量大幅減少，洞庭湖排沙比增加，2008～2012年洞庭湖的排沙比進(jìn)一步大幅增加；2013～2016年洞庭湖區(qū)排沙比變化不大，但2017～2021年湖區(qū)排沙比減小，其主要原因與出湖沙量減少有關(guān)。2003年7月至2007年12月、2008年2月至2016年12月兩個(gè)階段洲灘面積與水位的線性關(guān)系相差較小，相同城陵磯水位條件下湖區(qū)洲灘面積變化也較小。

(2) 2022年1～6月城陵磯站水位一般高于2003～2021年同期水位值，由于自7月份開(kāi)始長(zhǎng)江流域降雨、來(lái)水均嚴(yán)重偏少，城陵磯站水位持續(xù)走低，水位由7月初的30.40 m下降至9月30日的19.43 m；除10月上旬該站水位抬高外，其他月份水位基本變化不大。與三峽工程運(yùn)用后3個(gè)階段相比，2022年1～6月份湖區(qū)洲灘面積均小于各個(gè)相應(yīng)階段的數(shù)值，7月份開(kāi)始，湖區(qū)洲灘面積大幅度地出露。

(3) 2022年7～11月，湖區(qū)洲灘面積增大引起苔草類(lèi)和蘆葦群落生物量不斷向水深區(qū)域增加，導(dǎo)致沉水植被的生存空間急劇縮小，嚴(yán)重影響了沉水植物的群落，不利于耐旱能力較差的植物生長(zhǎng)繁殖與以魚(yú)類(lèi)、沉水類(lèi)植物為食的鳥(niǎo)類(lèi)捕食；同時(shí)一旦來(lái)年汛期水量較大，將有可能導(dǎo)致東方田鼠暴發(fā)。