一、数据来源和计算方法
1数据来源
洞庭湖１９７４、１９８８和１９９８年的水位－面积－容积关系数据来源于姜家虎等［１６］，水文数据来源于湖南省水文局。以湘潭水文站、桃江水文站、桃源水文站、津市水文站代表湖南“四水”（湘、资、沅、澧）输入月流量；以松滋口、太平口和藕池口代表荆江三口月输入流量；以城陵矶站代表洞庭湖月输出流量和月平均水位。洞庭湖为历史性泥沙淤积严重的湖泊，湖盆结构都会随淤积而变化，因此面积、容积也相应发生变化。同时，洞庭湖区在１９９８年实施了大面积退田还湖工程，湖泊面积和容积也发生了较大变化，因此采用１９７４～１９８７、１９８８～１９９７和１９９８～２００７年的水文数据分别对应于１９７４、１９８８和１９９８年的水位－面积－容积关系进行不同时期最小生态需水量的计算。由于洞庭湖存在明显的周期性水文变化特征，湖南“四水”的洪水期为４～９月，而长江上游的洪水期为５～１０月，且洪水期洞庭湖不存在最小生态需水问题，讨论该湖的最小生态需水量主要在枯水期［１６］，因此本研究采用的月流量数据为每年的１～３月和１１～１２月。
2洞庭湖生态需水模型及其计算方法
最小生态水位采用湿地需水量、蓄水量变化率与湿地水位关系的突变点来确定，该突变点指湿地水面面积变化率最大值所对应的水位，具体方法参见戴向前等［１１］和杨柳等［１２］。根据前人有关洞庭湖水位、水面面积和蓄水量等研究数据，进行库容调节计算，其中单位水位面积增加率（△面积）或单位水位容积增加率（△容积）为水位每增加１ｍ时的面积或容积增加率，进而计算湿地水面面积变化率（△面积／△容积）与水位的关系曲线，根据突变点确定最小生态水位。同时，前人大量研究表明，城陵矶水位对整个洞庭湖的面积、容积等具有很好的指示作用，故采用城陵矶水位代表洞庭湖水位。根据洞庭湖的水系组成特点和湿地所具有的共同水文学特征，可得到洞庭湖生态需水计算模型，即入湖生态需水包括荆江三口入湖流量、湖南四水入湖流量和湖区产流；出湖生态需水包括蒸发量、蒸腾量、渗漏量和城陵矶出湖流量（图２）。谭晓明［１７］研究表明，洞庭湖区多年降雨量、蒸发量和生产生活用水量平衡换算为枯水期的产流约为１０ｍ３／ｓ，仅为１９９８～２００７年三口、四水枯水期总流量的０．２９％，可忽略不计。同时，自然生物耗水相对于蒸发和渗漏也可忽略不计［１７］。洞庭湖年平均耗水量为２．６８×１０８ｍ３（湖底渗漏量＋湖面净蒸发量）［１８］，换算成流量只有８．５０×１０８ｍ３／ｓ，不足三口、四水枯水期总流量的０．３％，因此也可以忽略不计。因此，洞庭湖生态需水计算模型可简化３个部分：荆江三口和湖南四水入湖流量、湖泊蓄水量和城陵矶出湖流量，可用如下函数进行表示［９］：Ｗｍｉｎ＝Ｆ（Ｖｒｓ，△Ｖ，Ｖ′ｒｓ，ξ）式中：Ｗｍｉｎ为时段内的湖泊最小生态需水量（ｍ３）；Ｖｒｓ为时段内荆江三口和湖南四水入湖径流量（ｍ３）；△Ｖ为时段前湖泊蓄水量（ｍ３）；Ｖ′ｒｓ为时段内城陵矶出湖径流量（ｍ３）；ξ为修正常数（ｍ３）。这与洞庭湖的水文过程研究基本是一致的，即湖泊蓄水量或水位主要依靠入湖水量（三口、四水）和出湖水量（城陵矶）的动态平衡决定。一般洪水期为入湖水量大于出湖水量，而枯水期恰恰相反。因此，洞庭湖作为典型吞吐型湖泊，其生态需水应由入湖生态需水、湖泊生态蓄水和出湖生态需水３部分组成。在本研究中，首先通过洞庭湖的水位与蓄水量关系的计算得到最小生态水位和最小生态蓄水量，在此基础上依据城陵矶站枯水季（１～３月，１１～１２月）月水位与流量的回归分析计算得到出湖生态需水量，即维持洞庭湖最小生态水位的出湖流量；根据入湖流量和出湖流量的回归分析计算入湖生态需水量，即维持出湖生态需水的入湖流量。
二、研究结果
1最小生态水位和蓄水量
从图３可以看出，１９７４、１９８８和１９９８年湿地水面面积变化率（△面积／△容积）随水位升高呈“∧”型变化，但不同年份存在差异。１９７４和１９８８年的湿地水面面积变化率都在２４．０ｍ达到最大值，分别为５３．６和５８．４ｋｍ２／１０８ｍ３，而１９９８年的在２４．６ｍ水位时达到最大值（５９ｋｍ２／１０８ｍ３）。因此，洞庭湖在１９７４和１９８８年的最小生态水位为２４．０ｍ，１９９８年的为２４．６ｍ。根据不同年份水位－容积关系模拟计算，得到１９７４、１９８８和１９９８年最小湖泊蓄水量分别为２１．０６×１０８、１８．０４×１０８和１８．８０×１０８ｍ３。可见，洞庭湖最小生态水位从１９７４年到１９９８年呈增加趋势，而最小湖泊蓄水量呈先减少后增加趋势。
2最小出湖生态需水
模拟分析表明，城陵矶站在枯水季节各月的输出流量与水位在１９７４～１９８７、１９８８～１９９７和１９９８～２００７年均呈显著的幂函数关系（ｐ＜０．０１），Ｒ２分别为０．６２３０、０．５８８４和０．４９８２（图４），以不同年段的最低生态水位代入公式计算得平均值，按９５％的保证率水平计算得到变化区间。结果表明，１９７４～１９８７年的最小出湖生态需水的平均值、变化区间分别为３３９６、３０９４～３６９８ｍ３／ｓ；１９８８～１９９７年的平均值、变化区间值分别为３３７９、２９７７～３７８１ｍ３／ｓ；１９９８～２００７年的平均值、变化区间值分别为４７１７、４１８４～５２５１ｍ３／ｓ。可见，从１９７４～１９８７和１９８８～１９９７年的最小出湖生态需水并无明显差异，但在１９９８～２００７年的最小出湖生态需水明显提高。
3最小入湖生态需水
模拟分析表明，１９７４～１９８７、１９８８～１９９７和１９９８～２００７年在枯水季各月的输入流量与输出流量存在显著的二次函数或线性关系，其Ｒ２分别为０．９２１２、０．９３７７和０．９５１４（图５），说明洞庭湖枯水季的出湖流量与入湖流量存在极其密切的关系。以入湖－出湖流量关系为计算依据，通过最小出湖生态需水量计算得到最小入湖生态需水量的平均值和置信区间。结果表明，１９７４～１９８７年的最小入湖生态需水量的平均值、置信区间值分别为２６５７、２４３６～２８７９ｍ３／ｓ；１９８８～１９９７年的平均值、置信区间值分别为２７０４、２３９６～３０６６ｍ３／ｓ；１９９８～２００７年的平均值、置信区间值分别为３７４５、３３１１～４１８０ｍ３／ｓ。可见，１９７４～１９８７年和１９８８～１９９７年的最小入湖生态需水量并无明显变化，但１９９８～２００７年明显提高。
三、讨论
本研究结果表明：１９７４～１９９８年洞庭湖最小生态水位呈增加趋势，而最小湖泊蓄水量呈先减少后增加趋势。同时，１９７４～１９８７和１９８８～１９９７年的最小入湖和出湖需水量并无明显差异，但１９９８～２００７年均明显增加。考虑到洞庭湖作为典型通江湖泊，其最小生态水位和蓄水量主要受湖盆结构的影响，而水位和蓄水量的维持又受入湖流量、出湖流量以及江湖关系的影响。因此，影响洞庭湖最小生态需水的因素是比较复杂的，包括间接或直接改变湖盆结构、入湖流量、出湖流量等各个环境要素或人类活动。泥沙淤积是影响洞庭湖湖盆结构最重要的因素。１９５１～２００８年，湖南“四水”累积输入泥沙１６．３×１０８ｔ，平均０．２８×１０８ｔ／ａ；荆江“三口”输入泥沙７０．９×１０８ｔ，平均１．２２×１０８ｔ／ａ；去除城陵矶出口排出的泥沙总量２３．２３×１０８ｔ后，沉积总量达６４．０１×１０８ｔ，平均１．１×１０８ｔ／ａ［１９］。即使三峡工程运行后来自荆江“三口”的泥沙输入量大幅减少，但洞庭湖依然以泥沙沉积为主［２０］。大量的泥沙淤积不断改变洞庭湖湖盆结构，致使城陵矶水位从１９８０年以来一般枯水位（流量小于３０００ｍ３／ｓ）时，水位较１９８０年以前抬高１．２～１．８ｍ；在中高水位（流量为２００００～４００００ｍ３／ｓ）时，水位抬高在１．８～２．５ｍ［２１］。因此，在湖盆不断淤高的情况下，即使相同的最小生态水位下，１９８８年的最小生态蓄水量比１９７４年的明显下降。同时，不断淤积的结果也将影响到洞庭湖水面和洲滩面积的比值。洞庭湖洲滩面积自２０世纪８０年代以来一直处于增长状态，而水域面积不断缩小［２２］，理论上最终需通过最小生态水位的提高才能维持合理的洲滩与水域面积比例，这可能是１９９８年的最小生态水位比１９７４和１９８８年的提高了０．６ｍ，而最小生态蓄水量依然比１９７４年的少２．２６×１０８ｍ３的主要原因。入湖和出湖流量的动态平衡是维持洞庭湖生态水位的必要条件。然而，由于历史上长期的人为活动干扰，尤其是长江中上游大型水利工程（如荆江裁弯、葛洲坝、三峡水库等）的实施，极大的改变了荆江与洞庭湖的江湖关系，进而打破了入湖和出湖流量的动态平衡。主要体现在两个方面：一是荆江“三口”入湖年径流量长期以来持续减少，断流时间（主要在枯水季）不断延长［２３］。如沙道观在２０世纪５０年代和６０年代无断流现象，但在２００３～２００７年断流时间达到了２１９ｄ／ａ；管家铺的断流时间由１９５６～１９６６年的１７ｄ／ａ增加为２０３ｄ／ａ。三口断流时间的持续增加，使洞庭湖在枯水季的最主要水源来自于湖南四水，尤其在１～３月和１２月，９４％以上的来水靠四水补充；二是荆江河段一直处于冲刷状态，河床不断冲深下切［２４］，而洞庭湖却在不断淤高，致使水位落差增加，造成出湖流量明显增加才能维持城陵矶相同水位［２５］。此外，由于降水量偏低导致的流域径流量减少也是导致入湖流量减少的重要原因之一［３］。本研究表明，洞庭湖出湖流量和入湖流量存在明显的二次或线性关系，也就是说，理论上需要更大的入湖流量才能维持较高的出湖流量。同时，１９９８年后最小生态水位的增加也进一步增加了入湖和出湖流量的需求。以上各种因素综合作用的结果最终导致１９９８～２００７年的最小入湖和出湖生态需水量平均值分别比１９７４～１９８７年的增加了４０．９％和３８．９％。不可否认，水的时空分布是影响湿地分布、演替、生物多样性等最重要的环境要素，尤其在通江湖泊、洪泛平原等具有明显周期性水环境变化的生态系统中［２６］。因此，洞庭湖湿地生态恢复最重要的对策是对水环境的恢复。从３个时间段各个月份的平均水位来看（表１），１９７４～１９８７年主要是１～３月和１２月不能满足最低生态水位需求（２４ｍ），１９８８～１９９７年主要是１～２月和１２月不能满足（２４ｍ），１９９８～２００７年与１９７４～１９８７年是一致的，主要是１～３月和１２月不能满足（２４．６ｍ）。以上结果表明，洞庭湖需在１～３月和１２月进行补水，才能维持其最小生态水位和维护生态系统健康。基于以上分析，可从以下方面改善洞庭湖的生态需水需求。第一，加大流域中上游水土保持工程，减少泥沙淤积。三峡工程运行后，由长江进入洞庭湖的泥沙大幅减少，四水流域也有所减少，但湖泊仍以沉积为主［２０］，需进一步减少泥沙输入。遥感监测表明，２０世纪９０年代末湖南省水土流失总面积为４０３９３ｋｍ２，比８０年代末减少了６７００ｋｍ２，但形势依然不容乐观，且水土流失现象有向“四水”上游扩张的趋势。尽管湖南省森林覆盖率由１９８３年的４０．１８％提高为２００７年的５１．６％，林业用地总面积达１．２８×１０５ｋｍ２，但湖南水土流失情况仍不容乐观［２５］，需进一步加大水土保持工程建设力度。第二，充分调动流域大中型水库的防洪兴利功能，对洞庭湖枯季入湖流量进行补给。至２００８年，湖南省１４个地州市共有大中小型水库１１４６６座，约占全国水库总数的１／９，总库容为３９２．６×１０８ｍ３［２７］，占多年平均年径流的２３．５％。这一有利的水利条件为洞庭湖枯水季的补水提供了较好条件，如２００３、２００７～２０１０年枯水季有较长时间主要依靠湖南最大的东江水库补水才基本保证湘江流域的生产和生活用水需求，同时对洞庭湖湿地缺水的缓解起到了重要作用。可见，通过蓄洪补枯、联合调度等方式充分发挥大中型水库防洪兴利功能，增加枯水季的入湖流量，是满足洞庭湖最小生态需水的重要途径之一。第三，开展荆江三口分流河道清淤，增加枯水季长江水入湖流量。三口分流河道除新江口断面相对稳定，其他控制断面河床均呈现单向淤积，１９６６～１９９５年，沙道观水文断面河床平均淤积厚度约１．６ｍ，弥陀寺淤厚１．５ｍ，康家岗和管家铺两水文断面淤厚约４．６ｍ，尾闾河段淤积厚度约为１～２ｍ，局部淤积厚度达４ｍ。三口分流河道的累积淤积，导致同水位情况下过流能力降低，从而影响三口的分流分沙［２３］。因此，通过三口分流河道清淤可在枯水季增加长江水入湖流量，可部分满足洞庭湖最小生态需水需求。
作者：谢永宏 李峰 陈心胜 单位：中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室 洞庭湖湿地生态观测研究站