1956年以來洞庭湖盆的演變

徐 琪，瞿毅然，朱博淵，柴元方

（1.長沙理工大學(xué)水利與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114；3.倫敦大學(xué)學(xué)院巴特萊特學(xué)院，倫敦 WC1E 6BT；4.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875）

0 引言

洞庭湖位于長江南岸，西北承荊江三口分流分沙，西南接湘、資、沅、澧四水入湖，從東北城陵磯匯入長江［1-4］，受人類活動和自然條件影響，洞庭湖水面面積逐漸減小，江湖關(guān)系隨之發(fā)生變化［2］

1956-1980年洞庭湖因湖區(qū)圍墾及泥沙淤積，湖容損失嚴(yán)重［5，6］，圍墾是洞庭湖萎縮的主要原因［7］。湖區(qū)圍墾主要集中在1980年以前，1980年以后未出現(xiàn)大面積圍墾，洞庭湖水面面積趨于穩(wěn)定，至今僅減少約5 km2［5］。洞庭湖水沙大部分由荊江三口匯入［8，9］，1956年以來，洞庭湖泥沙淤積量持續(xù)減小，特別是三峽水庫運用后，水庫攔沙作用導(dǎo)致荊江河段含沙量大幅減少，導(dǎo)致三口分入洞庭湖區(qū)的沙量顯著減少［2，10，11］，同時西南四水流域水庫運用也造成四水入湖沙量顯著減少［12］，而城陵磯出湖沙量變化幅度較小，導(dǎo)致排沙比明顯增大［13］，使得洞庭湖淤積速率減緩，萎縮速率大幅緩解。洞庭湖盆處于持續(xù)沉降狀態(tài)，構(gòu)造沉降運動一定程度抵消了湖內(nèi)泥沙淤積，抑制了洞庭湖萎縮趨勢［14］。

三峽水庫運用前，對于洞庭湖演變趨勢的預(yù)測存在兩種觀點：一種認(rèn)為受泥沙淤積和圍墾影響，洞庭湖將會持續(xù)萎縮［15，16］；另一種則認(rèn)為湖盆沉降量大于泥沙淤積量，洞庭湖將繼續(xù)加深擴容［16］。三峽水庫運用后洞庭湖入湖沙量大幅減小，2008-2016年出湖年輸沙量大于入湖年輸沙量［17］，2003-2011年湖區(qū)平均深度增加為10.9 cm［8］，根據(jù)湖南省洞庭湖區(qū)采沙規(guī)劃報告（2013-2017），湖區(qū)年度控制開采量為2 820 萬m3［8］，也會減少湖區(qū)局部區(qū)域的淤積。

洞庭湖容變化受湖區(qū)圍墾、泥沙淤積、湖盆沉降、采沙等因素影響［7，8］，目前對洞庭湖湖容變化歷史過程研究已達(dá)成基本共識，但缺乏對各影響因素的定量識別。本文在收集洞庭湖水系水沙資料的基礎(chǔ)上，關(guān)注湖容變化的各驅(qū)動因素，對各因素貢獻(xiàn)比例加以識別，有助于預(yù)測洞庭湖未來沖淤趨勢。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

洞庭湖位于長江中游荊江段南岸，是長江干流主要分流調(diào)蓄湖泊［1，2，18，19］。洞庭湖西北接長江上游來水，西南納湘、資、沅、澧四水［1，2，20］。南起湘、資、沅、澧四水入湖口（湘潭、桃江、桃源、石門），北鄰長江中游枝城至螺山段，東西長約300 km，南北寬約360 km。洞庭湖水沙源自荊江三口和湖南四水，來沙主要源自荊江三口，來水主要源自四水，1956-2019年三口多年平均入湖沙量占總?cè)牒沉康?1.2%，四水多年平均入湖水量占總?cè)牒康?7%。洞庭湖可分為東洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖。洞庭湖水沙匯合于東洞庭湖后，再由城陵磯注入長江。南洞庭湖介于東、西洞庭湖之間，是東、西兩湖的過渡段；西洞庭湖由目平湖及七里湖組成（圖1）。

圖1 洞庭湖位置及組成示意Fig.1 Geographical location of Dongting lake and its plan view

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)為長江干流和洞庭湖區(qū)主要水文站1956-2019年入湖水量及輸沙量系列，資料來源于長江水利委員會和湖南省洞庭湖水利事務(wù)中心。洞庭湖水面面積、洞庭湖圍墾面積及洞庭湖沉降速率等數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)［7］。

2 洞庭湖盆演變過程

1956-2019年洞庭湖及各湖區(qū)水面面積變化過程見圖2。

圖2 洞庭湖及各湖區(qū)水面面積變化過程Fig.2 Water-surface area variation of Dongting lake and its constituent lakes

1956-1980年洞庭湖進行大規(guī)模圍墾［7］，加上泥沙淤積作用，使洞庭湖水面面積減少1 242.49 km2。1980年水利部召開的長江中下游防洪座談會中，作出停止圍墾的決定，使得1980-2019年洞庭湖水面面積僅減少5.10 km2，2003年以后洞庭湖水面面積穩(wěn)定在2 702 km2左右［7］。

其中東洞庭湖萎縮最為嚴(yán)重，1956-1980年水面面積減小446.75 km2，1980年以后東洞庭湖停止萎縮，水面面積穩(wěn)定在1 307 km2左右。南洞庭湖萎縮也主要發(fā)生在1956-1980年，水面面積減小274.45 km2。目平湖萎縮程度僅次于東洞庭湖，水面面積減小519.69 km2，1983年以后停止萎縮。七里湖水面面積變化最小，經(jīng)歷了先擴張后萎縮的過程，1956-1968年由64.84 km2增加到92.22 km2，后因為圍墾，水面面積于1974年恢復(fù)到66.40 km2。

3 湖盆演變驅(qū)動因素及貢獻(xiàn)

3.1 驅(qū)動因素

3.1.1 人類活動

（1）湖區(qū)圍墾。1956-1980年湖區(qū)圍墾面積與洞庭湖水面面積萎縮值相近，湖區(qū)圍墾為此時段洞庭湖萎縮的主要原因，1980年以后湖區(qū)無大面積圍墾，洞庭湖水面面積趨于穩(wěn)定。

1956-1980年東洞庭湖圍墾面積最大，達(dá)488.38 km2，西洞庭湖和南洞庭湖相當(dāng)，圍墾面積分別為328.01 km2和335.22 km2。堤垸圍墾造成各湖區(qū)相應(yīng)萎縮，1956-1980年東洞庭湖水面面積減小446.75 km2，西洞庭湖水面面積減小521.29 km2，南洞庭湖水面面積減小274.45 km2［7］。

（2）湖區(qū)采沙。洞庭湖采沙使洞庭湖泥沙淤積量減少，隨著相關(guān)采沙規(guī)劃的制定，2003年以后洞庭湖水系開展采沙工作，緩解了洞庭湖局部區(qū)域的淤積，利于洞庭湖湖容增大。近年來中央環(huán)保督查、地方政府和管理部門的監(jiān)督與管理加強，湖南省制定了湘資沅澧干流及洞庭湖河道新一輪（2023-2027年）的采沙規(guī)劃［21］，根據(jù)規(guī)劃要求，未來幾年內(nèi)洞庭湖水系年采沙量需維持在1.9億t/a。

3.1.2 泥沙淤積

圖3顯示，荊江三口入湖沙量隨著入湖水量的增大而增大，相關(guān)關(guān)系較好。三峽水庫蓄水前，相同入湖水量下各時段輸沙量變化不大；三峽水庫運行后，入湖水量增大時，入湖沙量的增幅明顯比三峽水庫運用前小，年均值維持在0.25 億t/a左右。

圖3 荊江三口年入湖水量和沙量相關(guān)關(guān)系Fig.3 Correlation between annual water volume and sediment load at the three outlets along the Jingjiang reach

受下荊江裁彎、葛洲壩運用和三峽水庫運用等人類活動影響，荊江三口進入洞庭湖的沙量大幅減少［7，8］。1956-2002年洞庭湖泥沙淤積速率為0.548～1.000 億m3/a，2003-2019年洞庭湖泥沙淤積速率降至360 萬m3/a。2003-2019年與1956-2002年相比，入湖沙量與出湖沙量均大幅減少，淤積量同步減少，淤積率從75%左右降至14%（表1）。

表1 洞庭湖多年平均入出湖沙量統(tǒng)計Tab.1 Statistic on multi-year average sediment input and output of Dongting lake

西洞庭湖主要承接松滋河、虎渡河、沅水、澧水來水來沙。1956-2002年西洞庭湖多年平均出湖沙量為4 464 萬t，占入湖沙量55%，淤積在西洞庭湖與洪道內(nèi)的泥沙占入湖沙量45%（表2），泥沙淤積速率為0.166～0.271 億m3/a。2003-2010年淤積在西洞庭湖與洪道內(nèi)的沙量為164 萬t，占入湖沙量13.8%，泥沙淤積速率為0.01 億m3/a。2003-2010年與1956-2002年相比，淤積率從45%左右降至14%。

表2 西洞庭湖多年平均入出湖沙量統(tǒng)計Tab.2 Statistic on multi-year average sediment input and output of West Dongting lake

南洞庭湖水沙主要來源為南咀及藕池河，受人類活動影響，來沙量相應(yīng)減少［7］。1956-2002年東、南洞庭湖泥沙淤積速率為0.25～0.66 億m3/a，2003年三峽水庫運用后泥沙淤積速率降至0.75×107m3/a。2003-2010年與1956-2002年相比，淤積率從70%左右降至38%（表3）。東、南洞庭湖泥沙淤積速率較大的原因是東、南洞庭湖更接近湖口，受長江頂托影響顯著。隨著城螺河段的水情變化，湖口水位抬高，對洞庭湖出流頂托作用加劇，致使水流流速減緩，水流挾沙能力降低，東、南洞庭湖泥沙淤積趨于嚴(yán)重［8］。

表3 東、南洞庭湖多年平均入出湖沙量統(tǒng)計Tab.3 Statistic on multi-year average sediment input and output of East and South Dongting lakes

3.1.3 湖盆沉降

據(jù)長江水利委員會1925-1953年期間水準(zhǔn)測量結(jié)果，湘陰、岳陽、華容、洪湖、慈利、石首、江陵、枝江各板塊沉降速率分別為8.91、8.7、11.4、6.42、10、11.57、11.78、12.14 mm/a。長江水利委員會1950年、1957年、1960年Ⅱ、Ⅲ號水準(zhǔn)測量發(fā)現(xiàn)洞庭湖處于下沉?xí)r期，平均速率為3 mm/a［22］。廣州地震大隊1958-1972年在洞庭湖南緣進行測量結(jié)果表明，湖盆南緣緩慢上升，長沙、寧鄉(xiāng)、滄水鋪、益陽、石板灘、常德、陬市、熱水坑各板塊的平均上升速率為1.75 mm/a。

湖盆沉降會使洲灘底面和各水位之間的高程差增大，從而與泥沙淤積對湖容的影響存在抵消效應(yīng)［23］。洞庭盆地目前仍處于緩慢的構(gòu)造沉降之中，計算得到洞庭湖平均沉降速率約3 mm/a（圖4）。

圖4 洞庭湖地塊沉降與上升區(qū)域分布Fig.4 Distribution of tectonic subsidence and rise subareas within Dongting lake

3.2 貢獻(xiàn)識別

3.2.1 湖區(qū)圍墾

洞庭湖1956-1980年圍墾面積見表4，各湖區(qū)1956-1980年水面面積變化見表5。

表4 各湖區(qū)堤垸圍墾情況Tab.4 Embankment reclamation in the constituent lakes

表5 各湖區(qū)1956-1980年水面面積變化統(tǒng)計km2Tab.5 Statistic on water-surface area variation of the constituent lakes during 1956-1980

3.2.2 泥沙淤積

泥沙淤積速率可根據(jù)輸沙平衡計算如下：

式中：V泥沙代表湖區(qū)多年平均泥沙淤積速率，正值表示淤積、負(fù)值表示沖刷，m3/a；SSD三口、SSD四水和SSD城陵磯分別代表三口分沙量、四水來沙量和城陵磯匯沙量，t/a；V三口河道代表三口河道多年平均淤積速率，正值表示淤積、負(fù)值表示沖刷，m3/a；ρ泥沙代表泥沙干密度，t/m3；T代表時間跨度，a。計算結(jié)果見表6。

表6 洞庭湖區(qū)泥沙淤積速率計算結(jié)果億m3/aTab.6 Calculation result of sedimentation rate within Dongting lake

3.2.3 湖盆沉降

湖盆沉降速率計算如下：

式中：V沉降為以容積為單位的湖盆多年平均沉降速率，m3/a；TCR為以厚度為單位的湖盆多年平均沉降速率，m/a；A為相應(yīng)水面下的湖盆面積，m2。洞庭湖沉降速率見表7。

表7 1956-2019年洞庭湖區(qū)沉降速率萬m3/aTab.7 Subsidence rate within Dongting lake during 1956-2019

3.2.4 各因素貢獻(xiàn)比例

以導(dǎo)致洞庭湖湖容或水面面積增大為正貢獻(xiàn)，研究的洞庭湖湖容為洞庭湖最大湖容。1956-1980年由于大面積圍墾導(dǎo)致洞庭湖水面面積減小［5，6］，此時泥沙淤積速率大于湖盆沉降速率，洞庭湖湖容與水面面積同步減小。由于資料受限，無早期湖容資料，該時期以各因素對洞庭湖水面面積變化的貢獻(xiàn)比例進行分析。采用分離變量法定量區(qū)分各驅(qū)動因素的貢獻(xiàn)，即先推求湖容（或水面面積）的總變化，再根據(jù)實際資料計算部分驅(qū)動因素造成的變化，最后從總變化中扣除以上驅(qū)動因素的貢獻(xiàn)量，得到剩余驅(qū)動因素的貢獻(xiàn)量。

1956-1980年洞庭湖水面面積變化驅(qū)動因素為湖區(qū)圍墾、泥沙淤積和湖盆沉降，各因素貢獻(xiàn)比例計算如下：

式中：P泥沙為1956-1980年泥沙淤積貢獻(xiàn)比例，%；P圍墾為湖區(qū)圍墾貢獻(xiàn)比例，%；P沉降為湖盆沉降貢獻(xiàn)比例，%；ΔS圍墾為湖區(qū)圍墾面積變化，km2；ΔS為洞庭湖水面面積變化，km2；ΔS?為泥沙淤積與湖盆沉降共同造成的洞庭湖水面面積變化，km2；V?為泥沙淤積與湖盆沉降作用相互抵消后的凈變化速率，m3/a；V泥沙為湖區(qū)多年平均泥沙淤積速率，m3/a；V沉降為以容積為單位的湖盆多年平均沉降速率，m3/a。

通過式（3）結(jié)合表4、表5 求得P圍墾=-92.7%；通過式（1）、（2）、（4）～（7）結(jié)合表4～表7求得P泥沙=-13.2%、P沉降=5.9%。

1956-1980年湖區(qū)圍墾對湖容減少的貢獻(xiàn)比例最大，隨著湖區(qū)圍墾的進行，此階段洞庭湖湖容表現(xiàn)為持續(xù)減小態(tài)勢。

1981-2002年湖容變化驅(qū)動因素為泥沙淤積、湖盆沉降，表達(dá)式計算如下：

式中：P′泥沙為1981-2002年泥沙淤積貢獻(xiàn)比例，%；P′沉降為1981-2002年湖盆沉降貢獻(xiàn)比例，%；V湖容為1981-2002年湖容多年平均變化速率，m3/a。

通過式（8）、式（9）結(jié)合表6 求得P′泥沙=-107.6%；通過式（8）、式（10）結(jié)合表7求得P′沉降=7.6%。

1980年以后，洞庭湖未出現(xiàn)大面積圍墾，影響湖容的主要因素為泥沙淤積與湖盆沉降，1980-2002年泥沙淤積速率遠(yuǎn)大于湖盆沉降速率，故湖容逐漸減小。但由于此階段泥沙淤積速率逐漸減小，湖容減小速率減緩。

當(dāng)前，全洞庭湖地形測量資料最新年份為2011年（長江水利委員會水文局1995年、2003年和2011年全洞庭湖區(qū)實測地形資料［8］），受資料限制，2003-2019年湖容變化近似用湖底高程變化與洞庭湖水面面積的乘積表達(dá)（洞庭湖沖淤主要集中在湖盆底部，洞庭湖水面面積可近似看作為湖盆面積的投影）。2003-2019年湖容年均變化用2003-2011年資料體現(xiàn)。

2003-2019年湖容變化的驅(qū)動因素為泥沙淤積、湖盆沉降及采沙，其定量關(guān)系如下：

式中：P′泥沙為2003-2019年泥沙淤積貢獻(xiàn)比例，%；P′沉降為2003-2019年湖盆沉降貢獻(xiàn)比例，%；P′采沙為2003-2019年湖區(qū)采沙貢獻(xiàn)比例，%；V湖容為2003-2019年湖容多年平均變化速率，m3/a。

三峽水庫蓄水后2003-2011年湖區(qū)平均深度增加10.9 cm［8］，年均深度增加1.21 cm/a，即湖容變化為0.327 萬m3/a，通過式（11）～式（14）結(jié)合表6、表7求得P′泥沙=-11%，P′沉降=24.8%，P′采沙=86.2%。

通過三峽水庫蓄水后各因素貢獻(xiàn)可以看出湖區(qū)采沙量與湖盆沉降兩種利于湖容增大的因素貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于泥沙淤積帶來的影響，隨著洞庭湖采沙規(guī)劃的實施，洞庭湖將呈現(xiàn)出擴容趨勢。

4 結(jié)論

（1）洞庭湖湖容變化主要受圍墾、泥沙淤積、湖盆沉降和采沙影響。1956-1980年洞庭湖水面面積萎縮1 242.49 km2，控導(dǎo)因素為湖區(qū)圍墾；1981-2002年，洞庭湖停止圍墾，淤積速率大于沉降速率，洞庭湖繼續(xù)萎縮；2003年三峽水庫運用后，湖區(qū)淤積量陡崖式下降，泥沙淤積速率小于沉降速率，加上采沙規(guī)劃的實施，洞庭湖呈現(xiàn)為擴容態(tài)勢。

（2）1956-1980年湖區(qū)圍墾、泥沙淤積和湖盆沉降對洞庭湖湖容增大的貢獻(xiàn)比例分別為-92.7%、-13.2%和5.9%。1981-2019年湖容整體為減小，1981-2002年泥沙淤積、湖盆沉降的貢獻(xiàn)比例分別為-107.6%和7.6%，2003-2019年泥沙淤積、湖盆沉降及湖區(qū)采沙的貢獻(xiàn)比例分別為-11%，24.8%和86.2%。

（3）三峽水庫蓄水后，洞庭湖水系采沙成為湖容變化的控導(dǎo)因素，在2023-2027年采沙規(guī)劃的實施及湖盆的持續(xù)沉降共同作用下，洞庭湖將繼續(xù)呈現(xiàn)出擴張趨勢。