洞庭湖主要生态环境问题变化分析，本文主要内容关键词为：洞庭湖论文,环境问题论文,生态论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
流域是一个集自然、社会、经济于一体的综合地理单元，各种要素及其组成的变化决定了流域主要生态环境问题的动态性[1]。而湖泊作为流域的汇，往往是一个流域自然和社会变化的综合反映，对流域生态和环境具有重要指示作用[2]。
近年在极端天气事件和强烈人类活动影响下，区域性洪涝、干旱和水环境恶化等灾害不断加剧。就长江流域而言，1998年中游特大洪水；2006年上游持续高温干旱；2010年春西南各省的干旱等事件就是这一过程的集中反映。长江中下游是中国湖泊最为集中地区之一，面积1 
以上的湖泊有651个[3]。平原区浅水湖泊作为区域发展的资源和环境条件，与人类关系密切。在近期开展的“江淮地区湖泊水量、水质与生物资源调查”发现，湖泊过度养殖、污染和生态系统退化等问题正由东部地区向中游发展。受自然和人类活动共同影响，洞庭湖区水系格局不断地发生调整变化，对湖泊演变和水情产生了直接影响[4,5]。本文通过对洞庭湖区主要生态环境问题及其变化的回顾，从湖泊—流域关系和陆面水文过程角度提出适应性研究建议。
1 研究区概况
洞庭湖是长江和湖南境内湘、资、沅、澧4水互相遭遇蓄积而成的积洪性湖泊，总集水面积26.3万。洞庭湖区除了洞庭湖外，还包括了一些复杂水系牵连下的小型湖泊，是长江中游地区最具江湖调蓄功能及湖泊流域相互作用代表性区域之一。在过去几十年，伴随着全球气候变化、湖区围垦、荆江河道裁弯，尤其是三峡水库等大型水利工程运转，江湖关系发生了多次调整，湖区水文水动力等环境条件发生较大改变。以往对洞庭湖生态环境变化及驱动力研究主要集中在：（1）农业围垦活动对湖泊面积、容积及调蓄能力影响；（2）大型水利工程建设及泥沙变化对湖泊环境影响；（3）气候变化与湖区生产活动对湖区灾害的影响，等几个方面[6～8]。
近年来受三口来水减少影响，洞庭湖区季节性缺水问题突出。上世纪50年代，长江入湖水量多年平均径流超过1400亿
，到了90年代已不足700亿，三峡水库蓄水以来，长江入湖水量进一步减少，2003～2008年入湖流量约为498亿[5]。同时，在干旱气候条件下，2006年9月20日至10月31日，总入湖水量仅为15.3亿，比同期多年平均情况减少93％。2009年10月，洞庭湖出口城陵矶水文站水位一度降至21.62 m，为1960年以来罕见的低水位，同期蓄水量已不到丰水期平均水量的1/10[7]，同样的情形在下游的鄱阳湖流域也时有发生，并因此掀起鄱阳湖口建大坝的广泛争论[8]，给湖泊环境灾害研究的理论和实践提出了新的要求。
2 湖区主要生态环境问题变化
2.1 从围垦到退田还湖
历史上，洞庭湖区曾是中国湖泊围垦最为严重地区之一[9～11]。湿润的气候和泛滥洪水带来的肥沃土壤，形成了适合发展农业生产的基础条件，经过长期的开发，洞庭湖区已经成为我国具重要地位的粮、棉、麻、鱼综合性农产品基地[12]。图1是不同历史时期洞庭湖湖面面积变化[10]。可以看出，自上个世纪30年代以来，洞庭湖湖泊面积发生了巨大变化，截止1998年湖泊面积减少了近50％。围垦对发展农业起到积极的作用，也给湖泊水资源、环境及防洪调蓄功能带来影响。过度的湖泊围垦造成湖泊调蓄功能降低、抬升汛期洪水位；生物多样性功能降低，加速湖泊的消亡，已成为制约湖区生态环境健康持续发展的限制因素。
图1 洞庭湖湖泊面积变化
Fig.1 Surface Area Changes of the Dongting Lake
面对洞庭湖区不断加剧的洪水威胁，尤其是1998年长江流域洪涝灾害之后，湖区各地开展了“退田还湖、平垸行洪和移民建镇”等工程[13]，根据规划方案，在警戒水位下，洞庭湖面积将由1998年的2625 恢复到4350 [14,15]，洞庭湖将第一次出现湖泊面积从不断减少向扩大的变化（表1），工程在具体实施中设计单退和双退两种模式，从图1可以看出2007年相对1998年洞庭湖面积有所提高，体现了后围垦时代湖泊发展变化。
图2是根据1974年、1988年和1998年洞庭湖1∶25000水下地形资料，建立的洞庭湖水位、面积和容积关系所体现的不同时期、不同高程下洞庭湖水位、面积和容积变化。可以看出，在高水位阶段，无论是面积还是容积1988～1998年相对1974～1988年的缩小趋势都明显减缓。反映了不同驱动力下湖盆演变速度差异，20世纪70年代以前主要以围垦为主要动力，之后则以泥沙淤积、洲滩演化及退田还湖为主。
图2 不同时期、不同高程下洞庭湖水位、面积和容积变化关系
Fig.2 Changes of the Lake Level-area-volume Relationship in Different Period
洞庭湖区除洞庭湖大湖外，在圩垸内还分布着为数众多的小型湖泊（内湖），近几十年来，由于人类活动的强烈作用，内湖与洞庭湖一样呈现出急剧萎缩的态势，1 以上内湖的数量由20世纪50年代的255个减少到2001年的122个，湖泊面积也由1534.4缩小为644.2，其衰亡的速度甚至超过了洞庭湖[9]。内湖急剧萎缩的原因，主要是前期围湖造田，后期湖泊鱼塘化。
2.2 三峡水库运行对洞庭湖水沙影响
洞庭湖作为长江中下游最重要的通江调蓄湖泊，“江湖关系”一直是洞庭湖治理与研究的重中之重[5,7]。随着三峡水库的建成蓄水，洞庭湖与长江之间旧的平衡被打破，一些新的问题逐步突显。其中最显著的包括通过荆江三口的入湖径流和泥沙输送，以及洞庭湖出口的水位变化。根据三峡工程运行调度方案，秋季开始拦蓄入库水量（占来水总量的30％左右），这直接导致长江经三口入湖水量的减少，以及洞庭湖出流加快，造成湖区水位下降。与气候波动性和渐变性影响不同，重大水利工程影响具有趋势性的特征，环境效应更值得关注。
荆江南岸的松滋、虎渡、藕池三口河系是长江水进入洞庭湖的重要通道，在维系江湖关系平衡上起着重要作用。受荆江河段冲刷影响，尤其是下荆江剧烈冲刷，降低了三口通流水位，加之长江中下游地区连年洪水期降雨量较常年偏少等原因，使沙道观、弥陀寺、藕池（管家铺）、藕池（康家岗）四站丰末、枯期连续多年出现断流，且断流天数不断增加，其中沙道观70年代后开始出现断流，1973～1980年、1981～2002年、2003～2005年的平均断流天数分别为：71 d、171 d和204 d，2006年更是达到269 d[5]。
三峡水库调蓄长江径流的同时，由于库区对长江上游泥沙的拦截，极大地减少了来自三口的输沙量。根据三峡工程设计，三峡库区对泥沙拦截将持续50～80 a，由于近年上游流域治理及水库建设，三峡入库泥沙出现减少趋势，将使三峡水库实际淤积平衡年限大幅延后。因此，中下游干流河道来沙减少周期也将被延长。表2反映了三峡工程开始后洞庭湖区泥沙与之前（其中三口为1999～2002年，四水及城陵矶为2002年）的对比变化[5]。经过三口进入洞庭湖的泥沙相比多年平均减少24.4％，洞庭湖淤积速度降低了26.7％[16]。尤其是2006年，由于三口来沙的急剧减少，已经改变了洞庭湖原来以淤积为主的模式，洞庭湖盆第一次从拦蓄泥沙变成开始向长江净输出泥沙。从湖泊长期演化角度，虽然入湖泥沙减少有助于维持洞庭湖调蓄容积和延长洞庭湖寿命，但是夏秋季径流减少带来饮用水、候鸟栖息地安全等隐患，这是对洞庭湖湖泊湿地功能及其演化的一个重要改变。
黄群等[17]利用神经网络模型分离了三峡水库蓄水期间对洞庭湖出口水位过程的影响，结果显示三峡水库2006年蓄水使城陵矾水位平均下降2.03m，最大降幅3.30 m，2009年蓄水使城陵矶水位平均下降2.11 m，最大降幅3.12 m。根据湖盆DEM，该变化幅度主要影响范围将主要包括图3所示的黄色区域。鉴于水位下降对洞庭湖洲滩显露的影响，三峡蓄水对洞庭湖湿地结构和功能的长期效应不容忽视。
图3 三峡秋季蓄水影响区域
Fig.3 Regions of Inundated Patterns Affected by the Operation of TGD
2.3 洪、旱灾害变化
历史上，尤其是围垦时期，与水争地的结果是，湖区洪涝灾害频发，自1949年以来，平均1.5 a发生一次洪涝灾害。1950～2000年的51 a中，发生溃垸的年份有35 a，高达68.6％。51 a间共计溃垸受灾面积1093万亩（1亩＝1/15
），年平均溃垸面积24.4万亩，其中1998年的特大洪灾中溃垸142个。全球气候变化的一个结果就是极端天气现象不断增多，极端降水、持续干旱、连续高温以及低温冻灾等不断出现[18]。图4是近50 a来长江流域主要洪水灾害事件间隔时间的变化[11]，反映了期间洪水事件频率的不断提高。
从灾害结果来看，湖区灾害损失承载能力变弱（表3）。值得注意的是，近几年洞庭湖区汛期水量距平连年偏少，季节性干旱使湖区旱灾频发，成灾率高，形成了洞庭湖区新的环境效应[12,19]。
图4 长江流域洪水灾害频率变化
Fig.4 Frequencies of Flood Disasters in the Yangtze River
三峡工程的建设，极大地改变了原来洞庭湖与长江的江湖关系，洞庭湖区抵御洪灾能力取得极大提升，一定程度上缓解了洞庭湖区洪水压力。三峡工程建成后，虽然减少了长江中下游2.0×
的分洪量，但近3.0×超额分洪量仍存在[20,21]。同时，受特定的碟形盆地和辐射状水系格局的控制，洞庭湖区涝渍灾害仍然频发，这些灾害现状体现了洞庭湖正走向洪旱灾害共存的特征。
2.4 水体污染变化
新形势下的水安全研究既要考虑水资源总量，更要研究其季节性分配和空间分布差异，同时注重水质变化的影响。根据1999年调查，洞庭湖区年排放的废水总量中，造纸、化肥行业分别为9945.2和5689.0万t，分别占排放总量的49.6％和28.4％。其中造纸行业排放COD和
分别占洞庭湖排放总量的81.7％和79.1％[22]。通过2007年对造纸企业的集中整治，在产能大幅增加的前提下，湖区化学制浆造纸企业数量大幅度减少。小河嘴、目平湖、南嘴、万子湖和东洞庭湖等原本局部水域严重污染的水质，已由五类、劣五类逐步恢复到了三类以上。另一方面，根据中国环境状况公告，洞庭湖水质自2008年从Ⅳ类水下降为Ⅴ类水后，2009年水质仍无好转。湖泊以及环湖河流水质的下降，除了排污企业多、污染物排放量大等固有的因素之外，还有一些新的因素，如严重干旱、大型水利工程建设而导致了入湖水量减少，使局部湖水交换不畅，削弱了湖泊对污染的净化能力，使洞庭湖区部分水体难以保持良好的水质。
占全区水域面积25％左右的内湖，是湖区重要的水产养殖区域，围网和化肥投放使湖泊富营养化问题不断突出。同时，农业生产化肥使用量不断提升，尤其是大量使用磷肥，含有对湖区“面源污染”最严重的重金属镉，造成了湖泊水体污染程度的恶化。流域上大规模的基础建设和矿产资源开发也成为湖区水环境安全新的威胁[23]。总的来看，湖区水体污染局部改善与恶化并存，总体呈变差趋势。
2.5 洲滩演进与开发
由于水位降低，洞庭湖原有的“水涨为湖、水落为洲”的湿地干湿交替特性、正向发育速度被改变。水利工程建设使洞庭湖水面面积在一定程度上有所减小并易于控制，客观上加速了对洲滩的开发利用。裸露的洲滩上，杨树等外来物种不断取代原有芦苇等地方物种，湿地变林区。近几年来，由于洞庭湖湿地每年在洪水期水位并不高，且淹水时间越来越短，杨树越种越多。根据遥感解译对东洞庭湖湿地植被类型的监测，林地面积1996年占总面积的17.2％，2004年已经增加到了30.7％[24]。
洞庭湖种植的绝大多数为欧美杨，这些杨树适应性强、生长快，成片植于湖滩湿地使之成为绝对优势种群，抑制了原有野生芦、荻和苔草的生长，改变了湿地植被群落的结构和功能，威胁了湖区生物多样性和动物栖息地的稳定。大范围的单一外来树种，缺乏天敌，一旦发生虫害，只能大面积喷洒农药，湿地将受到污染。同时，洲滩淹没显露的变化对血吸虫分布和传播造成影响。
3 湖泊—流域关系
湖泊水多、水少的不和谐格局是降水及其在地表时空分配不均的结果。湖泊作为流域的汇，其生态和环境问题很大程度上反映了湖泊—流域关系的变化。历史上，洞庭湖的环境问题主要产生和体现在湖区自身，新的历史时期，洞庭湖湿地开始承受来自流域上农业、工业、水利及城镇发展的综合压力。洞庭湖区生态环境问题的解决需要综合依靠湖区及流域自身调整，以及江湖关系的调整来解决。尤其针对与荆江三口断流有关的湖区低水位，寻求通过三峡水库实施生态调度的可行方案，通过工程与非工程措施保证洞庭湖区最小生态需水量，实现江湖两利。
流域土地利用的变化直接影响汛期产水量和汇流速度。通过对流域陆面持水调节能力的充分利用，实现缓解洪峰、降低水土流失、加速污染物降解等作用。根据近年洞庭湖区土地利用变化对地表产流影响的研究，同样的降雨条件下，洞庭湖区1999年下垫面状况下的产水量比1989年多206×
[25]。而对长江中上游山地丘陵综合治理效应进行平均测算，每治理1水土流失面积可增加蓄水能力5.0×
，减少土壤流失3000 t，减少地表径流量10％，滞洪消峰20％，增加枯季水量7％[21]。因此，流域陆面水文调整是延缓暴雨径流过程与减少入湖泥沙淤积量的根本措施。洞庭湖流域上游地区有过退耕还林的尝试，鉴于不同植被类型、不同下垫面条件对持水能力的改善存在较大差异[26]，地表覆被调整后的径流效应可以作为空间合理规划的重要依据。同时，充分利用现有的内湖和蓄洪垸洼地蓄水，在丰水期留蓄宝贵的水资源，实现生产发展和环境保护双赢。
实践证明，源头持水能力越强的流域，其下游生态系统越健壮，反之，则洪旱频发，最终上游越来越贫瘠，下游湖泊、河流却不断面临淤积和富营养化威胁。除了退耕还林，流域上因地制宜地开展小水库和坝塘建设，同样具有广泛的现实基础与社会需求，可以充分发挥其在防洪抗旱安全、水生态安全中的作用，实现“小水库、大民生”。
4 结论及建议
近几十年来，在气候变化及社会发展影响下，洞庭湖区主要生态环境问题发生了一些变化，形成了一些新的环境效应。突出表现为从单一洪灾为主转向矛盾的两个方面并存。反映了不同生产力水平下，流域生产由传统农业转向农、林、水、工的综合发展、江湖关系改变，以及气候变化和人类活动共同作用的结果。面对这些问题，适应性的调控措施是亟待探索的方面。
湖区水旱灾害是江—河—湖水情叠加的结果，根本出路在于深化湖泊—流域综合管理，既实现科学利用又兼顾公平。在气候驱动上，加强对流域或区域尺度气候模式变化的关注，及其与极端天气和水文事件的关系研究。缓解措施上重点加强流域陆面水文过程研究与应用。陆面水文过程作为地圈和生物圈核心环节，是水文循环中最复杂部分，它承接了降水、截流、蒸发、下渗、产流、汇流过程，是调整降水初级分配中最有效环节。可以通过流域陆面水文过程调整，充分发挥和优化流域持水能力作用，最终改变上游越来越贫瘠，下游越来越富裕（营养化）的局面，扭转洪水和水环境污染末端治理的逻辑误区。