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)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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)。
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)。