三峽工程運行后對洞庭湖濕地的影響

黃 維, 王為東

1 中國科學院生態環境研究中心,中國科學院飲用水科學與技術重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

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三峽工程運行后對洞庭湖濕地的影響

黃 維1,2, 王為東1,*

1 中國科學院生態環境研究中心,中國科學院飲用水科學與技術重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

長江三峽工程建成運行后,其下游第一個大型通江湖泊——洞庭湖的水文、水質以及濕地環境等均發生了很大變化。三峽工程已經開始影響到洞庭湖的泥沙淤積、水位波動、水質以及植被演替等。以三峽水庫調度運行方案、河湖交互作用和洞庭湖濕地植被分布格局為基礎,從長江三峽工程對洞庭湖水文、水質以及濕地植被演替等方面綜述了三峽工程對洞庭湖濕地的綜合影響。三峽工程減緩了長江輸入洞庭湖泥沙的淤積速率,對短期內增加洞庭湖區調蓄空間、延長洞庭湖壽命有利。總體上減少了洞庭湖上游的來水量,改變了洞庭湖原來的水位/量變化規律。給洞庭湖水環境質量造成了直接或間接的影響,對其水質改變尚存一定爭議,但至少在局部地區加劇了污染。水位變化和泥沙淤積趨緩協同改變了洞庭湖濕地原有植被演替方式,改以慢速方式演替,即群落演替的主要模式為：水生植物—虉草或苔草—蘆葦—木本植物。展望了今后的研究趨勢與方向,為三峽工程與洞庭湖關系的進一步研究提供參考。

長江；三峽工程；洞庭湖；江湖關系；泥沙淤積；水位波動；水質;植被演替

洞庭湖位于湖南省北部、長江荊江河段南岸,其地理坐標為111°53—113°05E, 28°44—29°35N,東南匯集湘水、資水、沅水、澧水四水及環湖中小河流,北接松滋口、太平口、藕池口、調弦口(1958年冬封堵)四口分泄的長江來流,經洞庭湖調蓄后又于岳陽市城陵磯注入長江。洞庭湖現為我國第二大淡水湖,湖泊總面積2625 km2、總容積167億m3,豐水期為每年6月至8月,枯水期為12月至翌年3月,水深4—22 m,最大水位差為17.17 m[1],為長江流域重要的調蓄湖泊和水源地,其分流和調蓄作用,對整個長江中游的防洪和水資源利用舉足輕重[2]。洞庭湖濕地是與長江相連通的大型內陸淡水濕地,是我國最重要的淡水濕地之一,具有重要的生態功能和經濟價值等。1994年,洞庭湖被國務院列為國家級自然保護區,1992年和2001年東洞庭湖濕地與西、南洞庭湖濕地被聯合國教科文組織列入《國際重要濕地名錄》。濕地是極其敏感的生態系統,自然和人類的干擾活動對其影響極其迅速[3],因此長江三峽工程建成運行后,對洞庭湖的水位、水情會產生影響,亦必然對其生態環境產生影響[4]。研究三峽工程的建成運行對洞庭湖濕地水文、水質以及植被演替等的影響,為該區植物多樣性及退化生態系統的恢復提供科學依據,同時對于調整其作物種植布局和產業結構等具有十分重要的意義。

三峽工程于2003年開始蓄水,三峽水庫總體運行水位在145—175 m之間。每年6月,要求水位降低到145 m,以騰出防洪庫容220億m3防汛。在夏季主要汛期(7—9月)保持出庫流量一定,可以將夏季大于此流量的洪峰削減在庫區內,當來水小于此流量時,水位又開始下降,一直使水位降到145 m。等到汛期末期,即9月中下旬到10月中旬,調節使入庫流量大于出庫流量,開始蓄水,大約一個月蓄滿至175 m左右,之后保持出庫水量和入庫水量平衡,翌年從2月開始調節使出庫水量大于入庫水量,加大向下游的補水,直到6月水位降到145 m。以上就是三峽水庫一整年的調度方案,每年的調度方案會根據三峽庫區的水文氣象預報、庫區中小洪水的發生、發電、航運效益、水庫排沙以及長江下游地區經濟社會和生態環境需要適時綜合調整[5]。

近年來,隨著生態環境保護意識的提高,三峽工程運行對江湖關系的影響成為眾多學者關注的熱點,國內外許多學者針對三峽水庫蓄水運用前后對洞庭湖區的影響從不同角度做了較多研究。

1 三峽工程對洞庭湖水文的影響

1.1 對洞庭湖泥沙的影響

洪林等[6]研究表明,三峽建壩后,由長江三口注入洞庭湖的泥沙將大幅減少。主要原因是挾沙能力最強的特大洪水被三峽水庫大幅削峰,荊江由于沖刷作用加強而導致江流加速和淘深下切,結果使松滋、太平、藕池三口口門相對抬升。三峽水庫運用后的百年內其下游徑流的含沙量均會較之前降低,因此可以認為洞庭湖三口來水含沙量的減少將成為趨勢[7]。Xu等[8]根據三峽水庫的調度運行方案估計從2003年到2006年有60%的泥沙被大壩攔截,導致大壩下游泥沙量的減少,長此以往會造成下游河道侵蝕,發生形態學的改變,而且下游河道的侵蝕產生的泥沙并不能抵消三峽水庫截留的泥沙量,造成輸入下游泥沙量降低。配合三峽水庫,從1985年起在長江上游營造了大面積的水土保持林亦會有效地阻止水土流失。原先經三口進入洞庭湖的一部分泥沙將走荊江而徑直下泄,使流入洞庭湖的泥沙大大減少。Yang等[9]研究了三峽大壩對河流泥沙的影響,分析得出在三峽大壩實際運行之后,泥沙量減少了31%,將導致河床的侵蝕和長江三角洲擴展速度的降低。因為河流流量影響河湖響應,三峽大壩對長江流量的降低的影響,影響長江和下游湖泊如洞庭湖、鄱陽湖等的河湖響應。張細兵等[10]以圣維南方程組為基本方程組建立了長江宜昌至大通河段(含洞庭湖區)一維非恒定流水沙數學模型。模型求解采用河網三級算法,泥沙計算采用非耦合求解模式。研究表明三峽水庫運用30年后,荊江三口平均分流量和分沙量比多年平均值減少43%和73%,三口分流道的河床相應發生沖淤變化；三峽工程運用后,受荊江三口分流比減少影響,洞庭湖區泥沙淤積顯著減少。秦文凱等[11]通過模型計算也得出了類似的結果。郭小虎等[12]研究表明,三峽工程蓄水后預計荊江三口分流能力將基本維持目前的格局,則三口分沙比也基本變化不大。總的來說,由于三峽工程截留使上游來沙減少,且三口分沙比不變或減少,使洞庭湖泥沙淤積速度放緩,對短期內增強洞庭湖區調蓄空間、延長洞庭湖壽命有利。

1.2 對洞庭湖水位、水量的影響

洞庭湖水位受到長江和流域內四水的共同影響,在江湖關系上既有長江分流入湖的作用,又有出口江湖相互頂托的作用。長江與洞庭湖以荊江三口分流和江湖匯流口(城陵磯)為紐帶形成一個龐大復雜的江湖關系系統。系統任何一個要素發生變化,其他子系統均會做出相應的調整和變化。由于江湖具有自動調節作用,三峽水庫蓄水前,長江中下游江湖水沙關系基本上處于相對平衡階段[13]。三峽工程建成后,水庫調節改變下泄流量,直接影響著洞庭湖水系相互作用的水文過程。

長江水位的變化取決于大壩截留、釋放的水量和水流的季節性變化。水位受影響最大的是靠近三峽的河段,最大影響是下游河段的5倍。在下游河段,由于支流流入的混合作用,三峽對水位影響逐漸降低,而洞庭湖是長江三峽下游的第一個吞吐型湖泊,對于調節和緩沖長江上游水量和水位起著重要的作用,必然對自身有著不可忽視的影響[14]。自2003年三峽工程開始實驗性蓄水以來,洞庭湖發生了秋季枯水提前、持續時間增長的現象,多次出現接近歷史同期最低水位[15]。

黃群等[16]通過BP神經網絡對城陵磯水位進行了模擬,還原了在沒有三峽工程情況下2006年和2009年洞庭湖水位,并和1990s年代的對比,發現城陵磯水位有一定波動,但差別不大。而2006年三峽蓄水使城陵磯水位平均下降2.03 m,最大降幅3.30 m,2009年蓄水使城陵磯水位平均下降2.11 m,最大降幅3.12 m。史璇等[17]研究得出,2003年三峽工程蓄水運行后,洞庭湖水位的主要變化趨勢有：水位年內變化趨緩,枯水期水位明顯提升,豐水期水位有所下降,9—10月水位消落速度加快等,徑流年內分配區域均勻化。而李景保[18]等運用洞庭湖區與長江干流相關控制站1951—2010年實測水文數據,在分析江湖水力關系的基礎上,從不同時間尺度分析江湖水體交換能力的演變特征及其對三峽水庫運行的響應,江湖水體交換能力在時間尺度上的演變規律表現為：7—9月長江三口對洞庭湖補給能力較強,1—3月洞庭湖對長江的補給能力較強；1951—1958年、1959—1968年長江三口對洞庭湖的補給能力較強,而2003—2010年洞庭湖對長江的補給能力增強；三峽水庫運行后無論是典型年還是水庫不同調度方式運行期,都表現為三口分流量減少,長江三口對洞庭湖的補給能力減弱,而因四水入湖水量占絕對優勢,湖泊對長江的補給能力明顯增強。

Zhang等[19]收集了大量三峽和湖區的水文和水力數據,根據實測數據分析和采用GAMs(generalized additive models)模型模擬均證實了三峽工程蓄水運行造成平均5%的長江來水量損失,可能是由于地下的滲漏或者是其它未知的過程造成的。長江流量和水位的變化能改變洞庭湖湖水流入長江的阻滯力,從而影響湖水水位、儲存水量和湖水季節性波動。當6—9月湖區效應較強(即洞庭湖區域降雨較多,四水來水較多),湖水水位較高,根據三峽水庫調度運行方案,6—9月保持一定的出庫流量,水庫蓄水較少,阻滯系數較大,對洞庭湖水位影響降低。9月下旬到11月,三峽開始蓄水,長江水位降低,阻滯系數變小,洞庭湖向長江補水,以平衡長江水位與洞庭湖之間水位差,水位顯著下降[20]。10月,三峽蓄水使東洞庭湖水位下降2 m左右,進入枯水期時間提前了約1個月,這種影響隨著洞庭湖入江口下切,將進一步深化[21]。Dai等[22]用2007年的數據研究三峽水庫在洪水季節減少了長江流量,而在干旱的季節增加了流量。三峽工程蓄水導致下泄流量在枯水期發生較大程度的調整,據實測資料表明：10月、11月城陵磯水位呈明顯的遞減趨勢,主要是因為三峽水庫10月、11月汛后蓄水引起,12月—翌年3月無明顯變化,4月、5月呈減小趨勢[23]。總之,三峽在枯水期增加下泄流量,洪水期減少下泄流量。枯水期,由于三峽增泄流量,洞庭湖的水位將比三峽運行前抬升；豐水期,由于三峽減泄流量,洞庭湖的水位將比三峽運行前降低,對洞庭湖水位變化的影響不容忽視。

2 三峽工程對洞庭湖水質的影響

20世紀末開展的洞庭湖水質污染調查和監測評價成果表明,洞庭湖水域本底總體水質尚好,水質多在Ⅱ類和Ⅲ類之間,基本處于清潔和輕度污染狀態。但進入21世紀之后,湖區多數水域已受到氮、磷等污染,全湖基本處于中度富營養化,且水質呈惡化的趨勢[24]。隨著人類活動影響的深入,尤其是三峽等重大水利工程的影響,對長江中下游水環境問題產生的影響不容小覷。

3 三峽工程對洞庭湖濕地的影響

洞庭湖具有獨特的地理環境,每年洪水季節大量泥沙入湖淤積,形成了我國以敞水帶、季節性淹水帶、滯水低地為主的最大湖泊濕地景觀,共有面積約85.78萬hm2[34- 35]。洞庭湖主要植被類型包括水生植被、草甸、沼澤植被和常綠闊葉林植被,面積較大的濕生群落類型有虉草(Phalarisarundinacea)、野胡蘿卜(Daucuscarota)、辣蓼(Polygonumhydropiper)、蔞蒿(Artemisiaselengensis)、苔草(Carexsp.)、荻(Miscanthussacchariflorus)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、旱柳(Salixmatsudana)、美洲黑楊(Populusdeltoides)等,其分布規律為由岸邊向湖心逐漸傾斜,植物隨湖水深度形成不同的植物群落。植被從空間格局上呈現明顯的帶狀分布特點,由水及陸的總趨勢為：沉水植物群落—虉草群落—苔草群落—辣蓼群落+蔞蒿+苔草群落—蘆葦群落—美洲黑楊或旱柳群落[36]。

三峽工程運行后對洞庭湖區濕地生態的影響有兩種情況,一種是由于年內水庫下泄量變化導致洞庭湖水位和地下水位變化對濕地生態系統的影響；另一種情況是洞庭湖泥沙變化引起濕地生態系統的演替[37]。

3.1 水位波動對濕地的影響

水位是湖泊儲水量變化的量度,是控制湖泊生態環境系統的重要因素[38],水位改變將影響濕地植被覆蓋度和物種組成,最終產生群落演替[39]。長期的高水位和低水位以及非周期性的水位季節變動會破壞水生植被長期以來對水位周期性變化所產生的適應性,從而影響植被的正常生長、繁衍和演替[40]。影響機理主要表現為兩方面：(1)直接影響,表現在對水生生物生長及對種群間競爭關系的影響；(2)間接影響,由于水位變化導致了水體中的理化條件,如透明度、濁度、鹽度、pH、懸浮與沉降以及溶解氧(DO)等發生變化。Keddy等[41]提出了物種分布的離心組織模型,認為當植物種對于水位的選擇趨勢一致時,最具競爭力的物種處于最佳水位范圍,其他物種按照競爭力大小,以此水位為中心呈梯度分布。對那些以水生植被為食的生物產生了影響,進而間接地減小或增大了水生植被啃食的壓力,改變了水生植被的時空分布[42]。

三峽工程的調蓄作用使洞庭湖年內水位波動幅度減小,主要有利于較低高程的蘆葦生長,生物量增大,而在較高高程的蘆葦由于得不到充足的水分,生物量相對減少,逐漸被防護林代替。2011年5月湖泊水面積不足同期的45%,東洞庭湖超過1000 hm2的濕地全部干旱[43]。三峽工程的運行不同程度上降低了洞庭湖的水力梯度,尤其是4—5月對分布于東洞庭湖的苔草草甸和西洞庭湖的蘆葦產生了不利影響[4]。從長遠來看,三峽工程的運行改變了原來自然狀態下的水沙條件,使對壩下游河床的沖刷加重,降低了下游河道的水位,洞庭湖的面積、水量及平均水深都相應地發生了改變,再加上不同高層區植物群落對水位變化的敏感程度不同,將使優勢品種——蘆葦和湖草群落生物量不斷增加,搶占沉水植物的生存空間,有利于楊樹等高程區耐水能力較差植物生長繁殖,入侵新生境,打破原有植物群落演替模式,從而打破現有植被格局發生正向演替[44]。由于河道沉積物降低、持續的河道侵蝕和三峽流量的調節,反過來降低長江的水位,進一步影響周圍岸邊帶環境和生態系統的完整性[45]。濕地生態系統的穩定性很大程度上取決于其水源的穩定性。靜水濕地或連續深水濕地的生產力很低,流動條件可以提高濕地初級生產力,很大程度影響著養分循環和養分的有效性[46]。洞庭湖為吞吐型湖泊,湖面存在較大的坡降[47]。周期性水位波動以高水位和低水位的反復交替出現為特征對整個濕地的植被組成及分布有決定性作用,高水位的淹沒使濕地原有優勢物種大量死亡,當水位消退后,多種物種得到了萌發、生長的空間,對于木本植物而言,因為其生命周期較長,在短暫的退水期間不易重新建群,容易為短生命史的草本植物取代,所以水位的周期波動形成了大面積的草本濕地群落,維持了濕地豐富的物種多樣性[48]。

3.2 泥沙淤積對濕地生態演化的影響

所謂濕地演替是指同一地段上一種濕地類型被另一種不同濕地類型替換的過程[49]。泥沙淤積是導致植被演替的重要原因之一[50],泥沙淤積常造成土壤容重、含水量和金屬元素含量的增加,而使有機質、通氣性及溫度降低等[51],深刻影響濕地植物生存的土壤環境而影響植物的萌發、出生和生長,并最終影響植被更替。同時,泥沙淤積的速度和方式決定了通江湖泊濕地演替的趨勢和方向。當洞庭湖泥沙淤積慢時,模式是水生植物—苔草—蘆葦—木本植物；淤積較快的模式為水生植物—虉草—蘆葦—木本植物；淤積快的模式為水生植物—雞婆柳—蘆葦—木本植物。謝永宏等[36]研究表明,洞庭湖在今后相當長的一段時間里,盡管入湖泥沙量在減少,但輸出的泥沙仍將小于入湖來沙,全湖仍處于淤積狀態,但速度趨緩。來紅州等[52]研究發現洞庭湖盆地自身的構造沉降在一定程度抵消了湖盆的泥沙淤積,但仍小于淤積速率。三峽工程建設后,淤積速度減緩,洞庭湖濕地植物群落將主要以慢速方式演替,即群落演替的主要模式為：水生植物—虉草或苔草—蘆葦—木本植物。

4 結論與展望

目前國內外關于三峽工程對洞庭湖影響的研究很多,取得了一定的成果。主要集中在三峽工程對洞庭湖水文、水質、泥沙淤積以及生態環境影響等方面(表1)。但是由于三峽工程運行時間短、研究方法還不夠成熟等,不同學者得出了不同的結論,甚至相反的結論。因此,隨著三峽水庫的持續運行,對下游河湖交互作用的研究需要進一步深入下去。展望未來,三峽工程運行與洞庭湖的關系研究主要應集中在以下幾個方面：

(1)受三峽工程截留泥沙的影響,流入洞庭湖的泥沙比建壩之前大大減少。但三峽水庫的運行并不是長江下游泥沙減少的唯一原因,其他因素還包括其它水庫的修建、上游水土保持工程等。由于長江流域面積巨大、流域地貌過程復雜,以及對洞庭湖與長江水沙交互關系上認識還不夠成熟,泥沙淤積機理等研究理論還未形成科學理論。因此,長江-洞庭湖泥沙交互關系還需進一步深入研究。

(2)三峽工程的建設大大地改變了長江與洞庭湖的江湖關系,使洞庭湖的水位變化趨勢更加復雜,但還有其他因素也會對洞庭湖水位造成影響,如湘、資、沅、澧四水入湖量,全球與區域氣候變化等。因此,如何耦合河流水沙變化、氣候變化和其他人類活動驅動因素等對江湖關系的影響是今后研究的一個重點與難點。

(3)三峽工程運行后,洞庭湖濕地的土壤、水文、動植物等生態過程發生了改變,但由于洞庭湖空間尺度的巨大,目前仍處于本底不清、過程不明。而且濕地演變是一個相對緩慢的過程,對外界條件變化的響應也有一個長期的過程,雖然三峽工程蓄水運行后洞庭湖濕地演化進程改變明顯,但影響濕地演變因素復雜,譬如濕地圍墾、荊江裁彎等,某些結論與影響還存在不少爭議,確定其影響還需要開展更長時期的觀測與更為系統的研究。

(4)考慮到關于三峽工程對洞庭湖影響的理論研究與實際情況存在較大誤差以及世界河流筑壩的經驗,加強三峽工程運用后對下游河流、湖泊的及時監測和研究非常必要,這樣方能盡可能為決策提供理論支撐,加強改進措施,減少三峽工程對洞庭湖及其它下游湖泊帶來的不利影響。

表1 三峽工程對洞庭湖水文、水質及濕地植被的時間段影響

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Effects of three gorges dam project on dongting lake wetlands

HUANG Wei1,2, WANG Weidong1,*

1KeyLaboratoryofDrinkingWaterScienceandTechnology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

The Three Gorges Dam Project (TGP) on the Yangtze River is the world′s largest hydropower complex project. Dongting Lake is the first large lake downstream of the TGP, and substantial changes have been noted in the hydrological regimes, water quality, and wetland environments since the TGP began operation. This review summarizes the influence of the TGP on Dongting Lake based on the reservoir dispatch scheme, interaction between the river and lake, and vegetation distribution patterns of lake wetlands. The TGP reduced the sediment discharge from the Yangtze River to Dongting Lake and slowed the sediment deposition rate. This was beneficial for the lake in the short term because it increased water regulation space and extended the life of Dongting Lake. The TGP reduced water inflow from upstream and changed the variation pattern in water level. The TGP exerted direct and indirect effects on water quality of Dongting Lake. There are still controversies regarding water quality impacts of the TGP operation on Dongting Lake, and the TGP has exacerbated pollution in some regions. Reduced water level variation and sedimentation have jointly changed the process of vegetation succession in Dongting Lake. The succession rate becomes slow, and the vegetation succession sequence is aquatic plants,PhalarisarundinaceaorCarexsp.,Phragmitesaustralis, and ligneous plants. Trends and directions of future research on these subjects are discussed. This study will provide a reference for further studies on the relationships between Dongting Lake and the TGP.

Yangtze River; Three Gorges Dam Project; Dongting Lake; relationship of river and lake; sedimentation; water level fluctuation; water quality; vegetation succession

國家重點基礎研究發展計劃(973)項目(2009CB421103)；國家水體污染控制與治理科技重大專項課題(2014ZX07405-003)

2015- 03- 30;

日期:2016- 01- 22

10.5846/stxb201503300611

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wdwangh@yahoo.com

黃維, 王為東.三峽工程運行后對洞庭湖濕地的影響.生態學報,2016,36(20):6345- 6352.

Huang W, Wang W D.Effects of three gorges dam project on dongting lake wetlands.Acta Ecologica Sinica,2016,36(20):6345- 6352.