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基于历史地图和多源遥感数据的近百年来洞庭湖区江湖格局演化

余姝辰  
【摘要】:湖泊是全球环境变化的敏感区域和典型地区,内陆湖泊被视为流域环境变化和气候变异的指示器。历史上,洞庭湖“浩浩荡荡,横无际涯”,居我国“五湖”之首。但是,近百年来,伴随全球气候变化、围湖垦殖、泥沙淤积以及荆江河道的裁弯取直和葛洲坝、三峡等水利工程的修建,洞庭湖面积逐渐减小,江湖关系发生了多次调整,改变着江湖蓄泄能力、河湖生态系统的完整性与稳定性、水生生物多样性、湿地功能以及水资源的开发与保护。关于洞庭湖区江湖格局演变,前人开展了大量研究。中外文献都有这样的表述:“洞庭湖萎缩严重,其面积由清末的6000km~2减少至1978年的2691km~2”或“建国初期洞庭湖的面积为4350km~2”等等。然而十分遗憾,在大量原始文献与相关研究成果中,无法找到其所依据的文献出处。即使2006年《湖南省水文志》发布的洞庭湖7个时段面积数据,也鲜见资料来源表述。因此,所谓“洞庭湖严重萎缩”这一公认的客观事实,但各时段的萎缩数据的源头似乎是个悬案,或者说现有研究对洞庭湖时空演变的认识并不完整。基于此,本文以洞庭湖区通江湖泊、垸内湖泊、湖泊洲滩以及通江河道为研究对象,基于遥感技术、测绘地理信息技术和水力学、地貌学、湖泊沉积学等学科理论,通过挖掘清朝末期、民国时期、建国初期以及上世纪60年代以来的海量基础地理资料和卫星遥感数据,采用遥感解译、地图分析、历史对比、数理统计等方法,开展洞庭湖区江湖格局演化研究,原创性地反演近百年来特别是三峡水库运行以来洞庭湖时空演变历程,揭示不同因素对江湖演变的作用机理,预测未来演变趋势,为后三峡时代调整治湖思路和湖区国土空间生态保护修护提供依据。主要研究结论如下:1、清末以来,通江湖泊面积经历了1896—1949年明显萎缩、1950年代陡崖式萎缩、1960—1970年代快速萎缩和1980年代以来基本稳定等四个时序变化阶段,湖泊面积从1896年的5216.37km~2减少到2019年的2702.74 km~2,萎缩率48.19%。空间演变上,主要表现为大通湖的封闭析出、南洞庭湖的南迁与湖垸置换、西洞庭湖的局部残存、东洞庭湖的三面合围以及1998年洪灾后的有限“扩张”,洞庭湖的形状向逐渐紧凑、逐步规则的方向演化,湖泊岸线越来越平直。洞庭湖演变主要受地壳沉降、水沙冲淤和人类活动等三大因素影响,民国中期以来洞庭湖区围湖垦殖2150.83km~2,这是引起洞庭湖萎缩的直接原因,但未来洞庭湖的演变趋势主要受制于三峡水库的下泄水沙,预测2150年之前不会消亡。2、民国中期以来,垸内湖泊经历了1938—1958年的快速增加、1959—1978年代的快速萎缩和1978年以来的持续增加等三个时序变化阶段,内湖数量和面积分别由1938年的640个、994.33km~2增加到2018年1057个、1578.33km~2。不同特征的内湖变化情况不同:规模上,≥1km~2的内湖面积占内湖总面积的80%以上,其变化决定了湖区内湖的总体变化趋势与变化程度;成因类型上,残留型内湖的面积明显大于水库型内湖和哑河型内湖,其面积占内湖总面积的70%以上;区域分布上,原圩区内湖面积由1938年的994.33km~2萎缩至1978年的635.68km~2,再扩大至2018年的1041.91km~2,新圩区内湖面积在1938—1958年快速增加至551.08km~2,1958年后与原圩区同步增减。3、民国中期以来,洞庭湖洲滩经历了1938-1948年的明显扩张、1948-1958年的洲滩缩减、1958-1998年的显著扩张和1998-2018年的缓慢萎缩等四个时序变化阶段,枯水期洲滩面积由1938年的1622.17 km~2扩大到2018年的1962.28km~2,加上被围垦的高位洲滩980.96km~2,洲滩面积净增1321.07 km~2。1994年三峡水库动工以来,洞庭湖年均洲滩面积由三峡水库运行前的1634.28km~2扩张到运行后的1845.60km~2,三峡水库在枯水期对下游调节补水,没有通过增加洞庭湖的水量而使洲滩面积减小。引起洲滩变化的原因有洲滩垦殖、出入泥沙变化和湖砂开采。民国中期以来,湖区围湖垦殖中利用高位洲滩1025.31km~2,占用湖泊水域1125.51km~2;1951年以来,淤积于洞庭湖的泥沙使洞庭湖湖底平均抬高0.85m;2010年以来,洞庭湖泥沙入不敷出,更因湖砂大量开采,使得近年来洞庭湖洲滩局部萎缩。4、荆江河段近现代河道横向摆动频繁,空间上呈现20—32 km的古河道平面摆动带,形态上分为沿主泓线侧向渐变式摆动和河道突变迁徙两种类型,演变模式有凸岸淤积推进—凹岸崩坍后退型、凸岸撇弯切滩—弯顶消减型和心滩漂移并岸—凹岸串沟过流型。洞庭湖区松滋、虎渡、藕池和调弦河等通江河道流域面积9659.26km~2。民国中期以来,自然通江水系明显减少,数量和长度分别由1938年的825条、3287.75km减少至2018年的264条、2364.79km;人工通江水系明显增加,数量和长度分别由1938年的31条、104.89km增加至2018年的290条、1370.66km。随着湖区围湖造田、蓄洪垦殖等工程的实施,荆南四河的水系连通环度、节点连接率和水系连通度均呈减小趋势,自然通江水系的发育程度逐渐降低,人工通江水系大幅增加。湖区实施通江河道整治和通江沟渠修建,提高了松滋、虎渡、藕池三河支流对通江径流的调节作用,但华容河流域支流水系结构堪忧。


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