郭 小 虎，刘 亚，陈 栋
(长江科学院 水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室，湖北 武汉 430010)
洞庭湖位于湖南省北部、长江荆江南侧，跨越湘鄂两省，全流域集水面积约25 712 km2，其中湖区水面积约18 780 km2，现存天然湖泊面积2 625 km2。该地区是长江中游水域生态平衡的重要功能区、具有国际意义的珍稀候鸟越冬栖息地，也是湖南省重要的工农业生产基地和经济发展优势区域。洞庭湖区水系复杂、洲滩众多，这些不同尺度的洲滩湿地上蕴藏着丰富的动植物资源，也为珍稀动物提供着良好的栖息地。因此研究洞庭湖洲滩面积的变化规律对于生物多样性和自然环境的保护均具有十分重要的意义。
关于三峡工程运用前洞庭湖区洲滩演变规律，余德清等[1]基于历史图片、航空图片等解译了百年来洞庭湖冲淤变化；
部分学者通过遥感图像对比分析了湖体内部的泥沙淤积、洲滩发育情况[2-3]；
随着GIS技术的发展，一些学者运用GIS的空间分析方法对洞庭湖的泥沙淤积与洲滩地的形成、发育进行研究[4-6]，认为洞庭湖的泥沙冲淤是洲滩发育的主要动因，而湖区淤积的泥沙主要来自于长江分泄入湖的沙量[7-10]，并在洞庭湖淤积量和空间分布方面取得初步认识[11]。三峡工程运用后，长江和洞庭湖江湖关系发生了显著变化，荆江三口分流入湖的沙量大幅度减少[12-13]，从三口分流入湖流量过程、洞庭湖出湖七里山站水位及出湖流量在年内均发生一定的变化[14]，从而对洞庭湖区洲滩面积变化规律造成一定的影响，其中2003～2010年湖区整体处于微淤状态，导致在此期间不同水位下洲滩面积仍不同幅度地增加[15]；
2010年以后由于湖区整体处于微冲状态，在不同水位下洲滩面积基本维持不变[16]。
2022年进入汛期以来，受持续拉尼娜事件影响，长江流域降雨、来水均严重偏少，长江干流水位持续走低，发生了1961年有完整记录以来最严重的气象水文干旱，洞庭湖水位持续下降，导致洞庭湖洲滩大面积提前出露，给洞庭湖区洲滩湿地环境造成了一定的不利影响。60多年来受入湖泥沙淤积与人类活动等因素的影响，湖区洲滩面积发生较大的变化，因此本文根据最新实测资料解析了三峡工程运用后影响湖区洲滩面积变化的主要因素，分析了2022年汛期洞庭湖洲滩面积变化特性，并初步研究湖区洲滩面积变化对湿地环境的影响，以期为洞庭湖区洲滩保护与治理提供参考。
湖泊内水流流速较缓，入湖泥沙极易落淤。洞庭湖的水沙主要来自于荆江三口与洞庭湖四水(湘、资、沅、澧)，而出湖水沙则在城陵矶汇入长江，湖区冲淤变化主要与出、入湖水沙的变化等密切相连。三峡工程运用前，洞庭湖区同一高程洲滩面积变化直接受洞庭湖区冲淤及湖区围垦等影响[4]，围垦已于1979年停止。三峡工程运用后，从荆江三口分泄入湖水沙过程发生较大改变，再加上洞庭湖四水流域梯级水库群建成运用等影响，入湖水沙整体发生较大改变，从而可能导致洞庭湖区冲淤发生改变，进而对湖区洲滩面积变化造成一定的影响。因此下面根据最新实测资料分析荆江三口分流分沙、洞庭湖四水入湖水沙及湖区整体冲淤变化等。
1.1 荆江三口入湖水沙变化
根据实测资料统计分析，60多年来荆江三口入湖年分流量、年分沙量的变化如图1所示。
图1 荆江三口分流分沙量变化过程Fig.1 Changes in flow and sediment distribution at the three outlets of the Jingjiang River
图1显示：在1955～1989年长江干流含沙量偏高，导致荆江三口洪道淤积萎缩，口门高程抬高致使三口分流能力减小，其中1966～1972年下荆江3次裁弯导致干流河段缩短、比降增加，挟沙能力增强，干流河段处于冲刷状态，水位下降，三口口门高程相对抬高，同一干流流量下分流量显著减少，加速了三口分流分沙的减小，尤以藕池口分流能力减小最大，太平口次之，松滋口最小。在1990～2002年长江干流含沙量减少，相应的三口分沙量也呈递减趋势，但三口分流量无明显变化趋势。2003年三峡工程运用后，长江干流含沙量大幅减少，荆江三口分流量略有减少，分沙量大幅减少。三峡工程运用后可分为2003～2007年(蓄水初期)、2008～2012年(175 m试验性蓄水期)及2013～2021年(向家坝水库运用后)3个阶段，三口年均分沙量依次为1 780万，780万t及540万t，较1999～2002年入湖沙量分别减少79.5%，89.2%，92.5%，三口入湖沙量呈显著递减趋势。从荆江三口分泄入湖的沙量大幅度减少，有利于维持洞庭湖区洲滩面积的稳定。
1.2 四水入湖水沙变化
以湘潭站、桃江站、桃源站及石门站的年径流量、年输沙量分别代表湘、资、沅、澧四水的径流量与输沙量的变化，如图2所示。
图2 洞庭湖四水年径流量与年输沙量历年变化过程Fig.2 Change of annual runoff and sediment discharge of the four rivers into Dongting Lake
由图2可知：1950～2021年湘水湘潭站、资水桃江站、沅水桃源站、澧水石门站年径流量均无明显变化，受四水流域水库修建及水土保持工程实施的影响，1951～2002年上述4站年输沙量呈递减趋势，2003～2021年该4站年输沙量略有减小，其中2003～2007年、2008～2012年及2013～2021年4个站年均输沙量依次为1 040万，650万t及770万t。
1.3 洞庭湖区整体冲淤变化
三峡工程运用前洞庭湖区冲淤变化的研究成果较为丰富，而且认识也基本一致，其排沙比约为30%，70%入湖沙量将淤积于湖区[17]。三峡工程运用后入湖沙量发生较大改变，直接影响湖区冲淤，而湖区冲淤与洲滩面积变化密切相关，因此下面根据三峡工程运用以来的实测资料统计了各个年份荆江三口入湖沙量、四水入湖沙量、出湖沙量、湖区冲淤量及排沙比的变化，如图3所示。
图3 三峡工程运用后洞庭湖出入湖沙量、冲淤量及排沙比变化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
由图3分析可知：2003～2007年荆江三口入湖沙量大幅减少，洞庭湖的排沙比增加，年均排沙比为59%，但除2006年枯水年湖区微冲外，其他年份洞庭湖区仍表现为淤积为主。2008～2012年，随着入湖沙量进一步减少，洞庭湖的排沙比大幅增加，年均排沙比达141%，洞庭湖区由前一个阶段微淤为主转为微冲为主；
2013～2016年洞庭湖区基本维持上个阶段排沙比的数值，但2017～2021年有所减小，湖区整体以微淤为主，其主要原因与出湖沙量减少有关，除2020年大水年洞庭湖区淤积幅度稍大外，其他年份冲淤变化幅度较小。
根据已有成果统计的不同年份洞庭湖区洲滩面积变化的成果[18]，结合不同时期洞庭湖区冲淤变化的情况，分阶段统计了不同阶段湖区洲滩面积变化与城陵矶水位变化关系，如图4所示。
图4 三峡工程运用前后洞庭湖区洲滩面积与水位关系Fig.4 Relationship between beach area and water level in Dongting Lake area before and after operation of the Three Gorges Project
图4表明：与三峡工程运用前相比，三峡工程运用后随着水位抬高，洞庭湖区洲滩面积有增大的趋势，但当城陵矶水位在23.50 m以下时，洲滩面积增加幅度较小。2003年7月至2007年12月、2008年2月至2016年12月两个阶段洲滩面积与水位的线性关系相差较小，由于三峡工程运用后湖区整体处于微冲微淤状态，因此相同城陵矶水位条件下湖区洲滩面积变化也较小。2017～2021年湖区基本以微淤为主，因此认为三峡工程运用以来湖区洲滩面积与城陵矶水位之间的线性关系基本变化不大。
三峡工程运用前后1990～2002年、2003～2021年及2022年城陵矶站水位年内变化过程及月均水位变化如图5～6所示。
图5 不同阶段城陵矶站水位年内变化过程Fig.5 Annual variation process of Chenglingji water level at different stages
注：截至投稿未获得2022年12月的数据，下同。图6 三峡工程运用前后城陵矶站月均水位变化Fig.6 Annual variation process of Chenglingji water level at different stages
由图5分析可知：与1990～2002年相比，2003～2021年的1～3月、5月15日至6月15日该站水位以抬高为主，而6月15日至12月底该站水位均以下降为主。主要原因在于：① 三峡水库调蓄引起下泄流量过程变化，进而引起城陵矶附近干流河道径流过程也发生一定的改变；
② 三峡工程运用以来城陵矶以下干流河道冲刷下切，引起城陵矶附近干流相同中枯水流量有一定程度下降[14]。与2003～2021年相比，2022年1～6月间该站水位一般均高于同期水位，其中水位差值最大为3.48 m(6月8日)；
2022年7～11月水位均大幅低于同期水位，其水位差值最大为7.85 m(9月25日)。
由于7月份开始长江流域降雨、来水均严重偏少，城陵矶水位持续走低，该站水位由7月初的30.4 m下降至9月30日的19.43 m；
随着10月初长江上游流域的降雨增加，相应的城陵矶站的水位有所恢复，至10月12日该站水位抬高至最大值(21.69 m)，然后逐渐下降，至10月24日该站水位为19.39 m。
图6显示：与1990～2002年相比，2003～2021年间城陵矶站月均水位除在1～3月及5月份有所抬高外，其余月份水位则均有不同程度的下降。其中在3月份月均水位抬高最大，为0.47 m；
5月份月均水位抬高最小，仅为0.05 m；
10月份月均水位下降最大，为1.4 m；
6月份水位下降最小，仅为0.01 m。较之2003～2021年，2022年1～6月份城陵矶站月均水位除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，为2.25 m；
而7～11月份该站月均水位均大幅下降，9月份月均水位下降幅度最大，为7.44 m。
总而言之，较2003～2021年，2022年1～6月份城陵矶水位除个别月份略有下降外，其他月份水位均有所抬高；
而7～11月份该站水位均显著下降。
由于三峡工程运用后洞庭湖区洲滩面积与城陵矶水位关系变化较小，下面采用图4中2008年2月至2016年12月拟合的线性关系式，分别计算分析2003～2007年、2008～2012年、2013～2021年(3个阶段)及2022年洲滩面积变化过程，统计结果见图7～8。
图7 三峡工程运用后洞庭湖区洲滩面积年内变化过程Fig.7 Annual change of Dongting Lake shoal area after Three Gorges Project operation
由图7分析可知，三峡工程运用后的3个阶段均呈现以下变化规律：1～6月底洞庭湖区洲滩面积呈减小趋势，而7月初至12月底湖区洲滩面积呈增大趋势。较之三峡工程运用后3个阶段，2022年1～6月底湖区洲滩面积以减小为主；
较2013～2021年，2022年湖区洲滩面积最大减少约360 km2(6月8日)。7月以后湖区洲滩面积急剧增加，远大于3个阶段年内相应洲滩面积的数值；
较之2013～2021年，2022年湖区洲滩面积最大增加约965 km2(9月30日)。
图8表明：与三峡工程运用后3个阶段相比，2022年1～6月湖区洲滩面积均小于各个相应阶段的数值，2022年前6个月洞庭湖区来水偏丰，城陵矶站水位有一定程度抬高，相应的湖区洲滩面积有所减少，其中6月份湖区洲滩面积下降幅度最大，较2013～2021年，该月洲滩面积减少了240 km2。7月份开始，长江流域降雨严重偏少，湖区出现明显“涝旱急转”现象，湖区洲滩面积大幅度地出露，较之2003～2021年，2022年7～11月湖区洲滩面积依次增加了340，680，860，660 km2及510 km2。
图8 三峡工程运用后洞庭湖区洲滩月均面积变化Fig.8 Change of monthly average area of Dongting Lake beach after Three Gorges Project operation
城陵矶水位是洞庭湖储水量变化的量度，是控制洞庭湖生态环境系统的重要因素，水位改变会导致湖区洲滩面积发生较大变化，进而将影响湿地植被覆盖度和物种组成，最终产生群落演替[19]。
2022年7月开始，城陵矶水位持续下降，湖区洲滩开始大面积提前露出水面，这种湖区水位持续走低以及非周期性的水位季节变动会破坏水生植被长期以来对水位周期性变化所产生的适应性，从而影响植被的正常生长、繁衍和演替。不同高层区植物群落对水位变化的敏感程度不同，其中苔草类和芦苇是洞庭湖的主要湿地植物，故选择其作为研究对象[20]。湖区洲滩大面积出露为该湿地优势物种提供有利的自然环境，苔草类和芦苇群落生物量不断向水深区域增加，根据2022年8月26日初步统计，约300 km2面积的湖泊已生长苔草类植物，导致沉水植被的生存空间急剧缩小，严重影响了沉水植物的群落，打破了以往湖区植物群落的演替规律，不利于耐旱能力较差植物生长繁殖。
2022年“汛期反枯”现象，也导致入湖水量发生较大变化，严重破坏了水-鱼-鸟生态链。由于7～11月进入湖区的径流量显著减少，尤其7、8月份汛期因洲滩大面积出露，湖泊面积急剧缩小，鱼类生存空间严重不足，同时受高温炎热天气影响，湖区鱼类因缺氧而大量死亡，且存活的鱼类也因环境恶化而不能正常的发育，这种湖区洲滩湿地环境的改变，显著影响了鸟类越冬栖息的天堂，不利于以鱼类、沉水类植物为食的鸟类捕食。
汛期湖区洲滩面积开始大面积裸露且持续时间长，同时苔草类和芦苇群落生物量的充分发育，为湖区东方田鼠大量繁殖创造了良好的繁育场所和时间。例如2006年洞庭湖区遭受较为严重的旱灾，部分湖滩在汛期没被完全淹没，大部分东方田鼠仍在大堤外的湖区滩地繁衍生息，湖区洲滩大面积提前出露是导致洞庭湖区东方田鼠2007年暴发的主要成因之一[21]。因此一旦来年汛期水量较大，将有可能导致东方田鼠暴发。
本文利用最新实测资料分析了2022年洞庭湖区洲滩面积变化特征及其对湿地环境的影响，得到以下主要结论：
(1) 三峡工程运用后荆江三口入湖分流量略有减少，但分沙量大幅减少；
2003～2021年四水各站年径流量均无明显变化趋势，但输沙量略有减小。2003～2007年由于荆江三口入湖沙量大幅减少，洞庭湖排沙比增加，2008～2012年洞庭湖的排沙比进一步大幅增加；
2013～2016年洞庭湖区排沙比变化不大，但2017～2021年湖区排沙比减小，其主要原因与出湖沙量减少有关。2003年7月至2007年12月、2008年2月至2016年12月两个阶段洲滩面积与水位的线性关系相差较小，相同城陵矶水位条件下湖区洲滩面积变化也较小。
(2) 2022年1～6月城陵矶站水位一般高于2003～2021年同期水位值，由于自7月份开始长江流域降雨、来水均严重偏少，城陵矶站水位持续走低，水位由7月初的30.40 m下降至9月30日的19.43 m；
除10月上旬该站水位抬高外，其他月份水位基本变化不大。与三峡工程运用后3个阶段相比，2022年1～6月份湖区洲滩面积均小于各个相应阶段的数值，7月份开始，湖区洲滩面积大幅度地出露。
(3) 2022年7～11月，湖区洲滩面积增大引起苔草类和芦苇群落生物量不断向水深区域增加，导致沉水植被的生存空间急剧缩小，严重影响了沉水植物的群落，不利于耐旱能力较差的植物生长繁殖与以鱼类、沉水类植物为食的鸟类捕食；
同时一旦来年汛期水量较大，将有可能导致东方田鼠暴发。