徐 琪，瞿毅然，朱博渊，柴元方
（1.长沙理工大学水利与环境工程学院，湖南 长沙 410114；
2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114；
3.伦敦大学学院巴特莱特学院，伦敦 WC1E 6BT；
4.北京师范大学地理科学学部，北京 100875）
洞庭湖位于长江南岸，西北承荆江三口分流分沙，西南接湘、资、沅、澧四水入湖，从东北城陵矶汇入长江［1-4］，受人类活动和自然条件影响，洞庭湖水面面积逐渐减小，江湖关系随之发生变化［2］
1956-1980年洞庭湖因湖区围垦及泥沙淤积，湖容损失严重［5，6］，围垦是洞庭湖萎缩的主要原因［7］。湖区围垦主要集中在1980年以前，1980年以后未出现大面积围垦，洞庭湖水面面积趋于稳定，至今仅减少约5 km2［5］。洞庭湖水沙大部分由荆江三口汇入［8，9］，1956年以来，洞庭湖泥沙淤积量持续减小，特别是三峡水库运用后，水库拦沙作用导致荆江河段含沙量大幅减少，导致三口分入洞庭湖区的沙量显著减少［2，10，11］，同时西南四水流域水库运用也造成四水入湖沙量显著减少［12］，而城陵矶出湖沙量变化幅度较小，导致排沙比明显增大［13］，使得洞庭湖淤积速率减缓，萎缩速率大幅缓解。洞庭湖盆处于持续沉降状态，构造沉降运动一定程度抵消了湖内泥沙淤积，抑制了洞庭湖萎缩趋势［14］。
三峡水库运用前，对于洞庭湖演变趋势的预测存在两种观点：一种认为受泥沙淤积和围垦影响，洞庭湖将会持续萎缩［15，16］；
另一种则认为湖盆沉降量大于泥沙淤积量，洞庭湖将继续加深扩容［16］。三峡水库运用后洞庭湖入湖沙量大幅减小，2008-2016年出湖年输沙量大于入湖年输沙量［17］，2003-2011年湖区平均深度增加为10.9 cm［8］，根据湖南省洞庭湖区采沙规划报告（2013-2017），湖区年度控制开采量为2 820 万m3［8］，也会减少湖区局部区域的淤积。
洞庭湖容变化受湖区围垦、泥沙淤积、湖盆沉降、采沙等因素影响［7，8］，目前对洞庭湖湖容变化历史过程研究已达成基本共识，但缺乏对各影响因素的定量识别。本文在收集洞庭湖水系水沙资料的基础上，关注湖容变化的各驱动因素，对各因素贡献比例加以识别，有助于预测洞庭湖未来冲淤趋势。
1.1 研究区域
洞庭湖位于长江中游荆江段南岸，是长江干流主要分流调蓄湖泊［1，2，18，19］。洞庭湖西北接长江上游来水，西南纳湘、资、沅、澧四水［1，2，20］。南起湘、资、沅、澧四水入湖口（湘潭、桃江、桃源、石门），北邻长江中游枝城至螺山段，东西长约300 km，南北宽约360 km。洞庭湖水沙源自荆江三口和湖南四水，来沙主要源自荆江三口，来水主要源自四水，1956-2019年三口多年平均入湖沙量占总入湖沙量的81.2%，四水多年平均入湖水量占总入湖水量的67%。洞庭湖可分为东洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖。洞庭湖水沙汇合于东洞庭湖后，再由城陵矶注入长江。南洞庭湖介于东、西洞庭湖之间，是东、西两湖的过渡段；
西洞庭湖由目平湖及七里湖组成（图1）。
图1 洞庭湖位置及组成示意Fig.1 Geographical location of Dongting lake and its plan view
1.2 数据来源
本文所用数据为长江干流和洞庭湖区主要水文站1956-2019年入湖水量及输沙量系列，资料来源于长江水利委员会和湖南省洞庭湖水利事务中心。洞庭湖水面面积、洞庭湖围垦面积及洞庭湖沉降速率等数据来源于文献［7］。
1956-2019年洞庭湖及各湖区水面面积变化过程见图2。
图2 洞庭湖及各湖区水面面积变化过程Fig.2 Water-surface area variation of Dongting lake and its constituent lakes
1956-1980年洞庭湖进行大规模围垦［7］，加上泥沙淤积作用，使洞庭湖水面面积减少1 242.49 km2。1980年水利部召开的长江中下游防洪座谈会中，作出停止围垦的决定，使得1980-2019年洞庭湖水面面积仅减少5.10 km2，2003年以后洞庭湖水面面积稳定在2 702 km2左右［7］。
其中东洞庭湖萎缩最为严重，1956-1980年水面面积减小446.75 km2，1980年以后东洞庭湖停止萎缩，水面面积稳定在1 307 km2左右。南洞庭湖萎缩也主要发生在1956-1980年，水面面积减小274.45 km2。目平湖萎缩程度仅次于东洞庭湖，水面面积减小519.69 km2，1983年以后停止萎缩。七里湖水面面积变化最小，经历了先扩张后萎缩的过程，1956-1968年由64.84 km2增加到92.22 km2，后因为围垦，水面面积于1974年恢复到66.40 km2。
3.1 驱动因素
3.1.1 人类活动
（1）湖区围垦。1956-1980年湖区围垦面积与洞庭湖水面面积萎缩值相近，湖区围垦为此时段洞庭湖萎缩的主要原因，1980年以后湖区无大面积围垦，洞庭湖水面面积趋于稳定。
1956-1980年东洞庭湖围垦面积最大，达488.38 km2，西洞庭湖和南洞庭湖相当，围垦面积分别为328.01 km2和335.22 km2。堤垸围垦造成各湖区相应萎缩，1956-1980年东洞庭湖水面面积减小446.75 km2，西洞庭湖水面面积减小521.29 km2，南洞庭湖水面面积减小274.45 km2［7］。
（2）湖区采沙。洞庭湖采沙使洞庭湖泥沙淤积量减少，随着相关采沙规划的制定，2003年以后洞庭湖水系开展采沙工作，缓解了洞庭湖局部区域的淤积，利于洞庭湖湖容增大。近年来中央环保督查、地方政府和管理部门的监督与管理加强，湖南省制定了湘资沅澧干流及洞庭湖河道新一轮（2023-2027年）的采沙规划［21］，根据规划要求，未来几年内洞庭湖水系年采沙量需维持在1.9亿t/a。
3.1.2 泥沙淤积
图3显示，荆江三口入湖沙量随着入湖水量的增大而增大，相关关系较好。三峡水库蓄水前，相同入湖水量下各时段输沙量变化不大；
三峡水库运行后，入湖水量增大时，入湖沙量的增幅明显比三峡水库运用前小，年均值维持在0.25 亿t/a左右。
图3 荆江三口年入湖水量和沙量相关关系Fig.3 Correlation between annual water volume and sediment load at the three outlets along the Jingjiang reach
受下荆江裁弯、葛洲坝运用和三峡水库运用等人类活动影响，荆江三口进入洞庭湖的沙量大幅减少［7，8］。1956-2002年洞庭湖泥沙淤积速率为0.548～1.000 亿m3/a，2003-2019年洞庭湖泥沙淤积速率降至360 万m3/a。2003-2019年与1956-2002年相比，入湖沙量与出湖沙量均大幅减少，淤积量同步减少，淤积率从75%左右降至14%（表1）。
表1 洞庭湖多年平均入出湖沙量统计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、澧水来水来沙。1956-2002年西洞庭湖多年平均出湖沙量为4 464 万t，占入湖沙量55%，淤积在西洞庭湖与洪道内的泥沙占入湖沙量45%（表2），泥沙淤积速率为0.166～0.271 亿m3/a。2003-2010年淤积在西洞庭湖与洪道内的沙量为164 万t，占入湖沙量13.8%，泥沙淤积速率为0.01 亿m3/a。2003-2010年与1956-2002年相比，淤积率从45%左右降至14%。
表2 西洞庭湖多年平均入出湖沙量统计Tab.2 Statistic on multi-year average sediment input and output of West Dongting lake
南洞庭湖水沙主要来源为南咀及藕池河，受人类活动影响，来沙量相应减少［7］。1956-2002年东、南洞庭湖泥沙淤积速率为0.25～0.66 亿m3/a，2003年三峡水库运用后泥沙淤积速率降至0.75×107m3/a。2003-2010年与1956-2002年相比，淤积率从70%左右降至38%（表3）。东、南洞庭湖泥沙淤积速率较大的原因是东、南洞庭湖更接近湖口，受长江顶托影响显著。随着城螺河段的水情变化，湖口水位抬高，对洞庭湖出流顶托作用加剧，致使水流流速减缓，水流挟沙能力降低，东、南洞庭湖泥沙淤积趋于严重［8］。
表3 东、南洞庭湖多年平均入出湖沙量统计Tab.3 Statistic on multi-year average sediment input and output of East and South Dongting lakes
3.1.3 湖盆沉降
据长江水利委员会1925-1953年期间水准测量结果，湘阴、岳阳、华容、洪湖、慈利、石首、江陵、枝江各板块沉降速率分别为8.91、8.7、11.4、6.42、10、11.57、11.78、12.14 mm/a。长江水利委员会1950年、1957年、1960年Ⅱ、Ⅲ号水准测量发现洞庭湖处于下沉时期，平均速率为3 mm/a［22］。广州地震大队1958-1972年在洞庭湖南缘进行测量结果表明，湖盆南缘缓慢上升，长沙、宁乡、沧水铺、益阳、石板滩、常德、陬市、热水坑各板块的平均上升速率为1.75 mm/a。
湖盆沉降会使洲滩底面和各水位之间的高程差增大，从而与泥沙淤积对湖容的影响存在抵消效应［23］。洞庭盆地目前仍处于缓慢的构造沉降之中，计算得到洞庭湖平均沉降速率约3 mm/a（图4）。
图4 洞庭湖地块沉降与上升区域分布Fig.4 Distribution of tectonic subsidence and rise subareas within Dongting lake
3.2 贡献识别
3.2.1 湖区围垦
洞庭湖1956-1980年围垦面积见表4，各湖区1956-1980年水面面积变化见表5。
表4 各湖区堤垸围垦情况Tab.4 Embankment reclamation in the constituent lakes
表5 各湖区1956-1980年水面面积变化统计km2Tab.5 Statistic on water-surface area variation of the constituent lakes during 1956-1980
3.2.2 泥沙淤积
泥沙淤积速率可根据输沙平衡计算如下：
式中：V泥沙代表湖区多年平均泥沙淤积速率，正值表示淤积、负值表示冲刷，m3/a；
SSD三口、SSD四水和SSD城陵矶分别代表三口分沙量、四水来沙量和城陵矶汇沙量，t/a；
V三口河道代表三口河道多年平均淤积速率，正值表示淤积、负值表示冲刷，m3/a；
ρ泥沙代表泥沙干密度，t/m3；
T代表时间跨度，a。计算结果见表6。
表6 洞庭湖区泥沙淤积速率计算结果亿m3/aTab.6 Calculation result of sedimentation rate within Dongting lake
3.2.3 湖盆沉降
湖盆沉降速率计算如下：
式中：V沉降为以容积为单位的湖盆多年平均沉降速率，m3/a；
TCR为以厚度为单位的湖盆多年平均沉降速率，m/a；
A为相应水面下的湖盆面积，m2。洞庭湖沉降速率见表7。
表7 1956-2019年洞庭湖区沉降速率万m3/aTab.7 Subsidence rate within Dongting lake during 1956-2019
3.2.4 各因素贡献比例
以导致洞庭湖湖容或水面面积增大为正贡献，研究的洞庭湖湖容为洞庭湖最大湖容。1956-1980年由于大面积围垦导致洞庭湖水面面积减小［5，6］，此时泥沙淤积速率大于湖盆沉降速率，洞庭湖湖容与水面面积同步减小。由于资料受限，无早期湖容资料，该时期以各因素对洞庭湖水面面积变化的贡献比例进行分析。采用分离变量法定量区分各驱动因素的贡献，即先推求湖容（或水面面积）的总变化，再根据实际资料计算部分驱动因素造成的变化，最后从总变化中扣除以上驱动因素的贡献量，得到剩余驱动因素的贡献量。
1956-1980年洞庭湖水面面积变化驱动因素为湖区围垦、泥沙淤积和湖盆沉降，各因素贡献比例计算如下：
式中：P泥沙为1956-1980年泥沙淤积贡献比例，%；
P围垦为湖区围垦贡献比例，%；
P沉降为湖盆沉降贡献比例，%；
ΔS围垦为湖区围垦面积变化，km2；
ΔS为洞庭湖水面面积变化，km2；
ΔSʹ为泥沙淤积与湖盆沉降共同造成的洞庭湖水面面积变化，km2；
Vʹ为泥沙淤积与湖盆沉降作用相互抵消后的净变化速率，m3/a；
V泥沙为湖区多年平均泥沙淤积速率，m3/a；
V沉降为以容积为单位的湖盆多年平均沉降速率，m3/a。
通过式（3）结合表4、表5 求得P围垦=-92.7%；
通过式（1）、（2）、（4）～（7）结合表4～表7求得P泥沙=-13.2%、P沉降=5.9%。
1956-1980年湖区围垦对湖容减少的贡献比例最大，随着湖区围垦的进行，此阶段洞庭湖湖容表现为持续减小态势。
1981-2002年湖容变化驱动因素为泥沙淤积、湖盆沉降，表达式计算如下：
式中：P′泥沙为1981-2002年泥沙淤积贡献比例，%；
P′沉降为1981-2002年湖盆沉降贡献比例，%；
V湖容为1981-2002年湖容多年平均变化速率，m3/a。
通过式（8）、式（9）结合表6 求得P′泥沙=-107.6%；
通过式（8）、式（10）结合表7求得P′沉降=7.6%。
1980年以后，洞庭湖未出现大面积围垦，影响湖容的主要因素为泥沙淤积与湖盆沉降，1980-2002年泥沙淤积速率远大于湖盆沉降速率，故湖容逐渐减小。但由于此阶段泥沙淤积速率逐渐减小，湖容减小速率减缓。
当前，全洞庭湖地形测量资料最新年份为2011年（长江水利委员会水文局1995年、2003年和2011年全洞庭湖区实测地形资料［8］），受资料限制，2003-2019年湖容变化近似用湖底高程变化与洞庭湖水面面积的乘积表达（洞庭湖冲淤主要集中在湖盆底部，洞庭湖水面面积可近似看作为湖盆面积的投影）。2003-2019年湖容年均变化用2003-2011年资料体现。
2003-2019年湖容变化的驱动因素为泥沙淤积、湖盆沉降及采沙，其定量关系如下：
式中：P′泥沙为2003-2019年泥沙淤积贡献比例，%；
P′沉降为2003-2019年湖盆沉降贡献比例，%；
P′采沙为2003-2019年湖区采沙贡献比例，%；
V湖容为2003-2019年湖容多年平均变化速率，m3/a。
三峡水库蓄水后2003-2011年湖区平均深度增加10.9 cm［8］，年均深度增加1.21 cm/a，即湖容变化为0.327 万m3/a，通过式（11）～式（14）结合表6、表7求得P′泥沙=-11%，P′沉降=24.8%，P′采沙=86.2%。
通过三峡水库蓄水后各因素贡献可以看出湖区采沙量与湖盆沉降两种利于湖容增大的因素贡献远大于泥沙淤积带来的影响，随着洞庭湖采沙规划的实施，洞庭湖将呈现出扩容趋势。
（1）洞庭湖湖容变化主要受围垦、泥沙淤积、湖盆沉降和采沙影响。1956-1980年洞庭湖水面面积萎缩1 242.49 km2，控导因素为湖区围垦；
1981-2002年，洞庭湖停止围垦，淤积速率大于沉降速率，洞庭湖继续萎缩；
2003年三峡水库运用后，湖区淤积量陡崖式下降，泥沙淤积速率小于沉降速率，加上采沙规划的实施，洞庭湖呈现为扩容态势。
（2）1956-1980年湖区围垦、泥沙淤积和湖盆沉降对洞庭湖湖容增大的贡献比例分别为-92.7%、-13.2%和5.9%。1981-2019年湖容整体为减小，1981-2002年泥沙淤积、湖盆沉降的贡献比例分别为-107.6%和7.6%，2003-2019年泥沙淤积、湖盆沉降及湖区采沙的贡献比例分别为-11%，24.8%和86.2%。
（3）三峡水库蓄水后，洞庭湖水系采沙成为湖容变化的控导因素，在2023-2027年采沙规划的实施及湖盆的持续沉降共同作用下，洞庭湖将继续呈现出扩张趋势。
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