洞庭湖近30年水环境演变态势及影响因素研究

王丽婧， 田泽斌， 李莹杰， 陈建湘， 李利强， 汪 星， 赵艳民， 郑丙辉*

1.中国环境科学研究院长江经济带生态环境研究中心， 北京 100012

2.中国环境科学研究院， 湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室， 北京 100012

3.水利部长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局， 湖北 武汉 430012

4.湖南省洞庭湖生态环境监测中心， 湖南 岳阳 414000

5.中国环境科学研究院， 国家环境保护河口与海岸带环境重点实验室， 北京 100012

洞庭湖位于湖南省北部，平水期湖泊面积 2 625 km2，总容积174×108m3，流域面积25.72×104km2[1]. 洞庭湖是我国第二大淡水湖泊，同时也是世界自然基金会划定的全球重要生态区、国际重要湿地，承担着调蓄滞洪、生物多样性保护、水资源供给、气候调节等多种生态功能，是保障长江中下游水生态安全不可缺少的屏障[2]. 洞庭湖承纳湘、资、沅、澧“四水”，吞吐长江[3-4]，形成涨水为湖、落水为河的独特景观，是世界上典型的吞吐调蓄型湖泊，也是长江中游重要通江湖泊[5-7]. 洞庭湖由于水体更新速率快、水交换能力强、湖区流速快，使得营养盐分布、输移及循环过程对湖泊水动力条件变化极为敏感[4].

近30年来，在流域社会经济发展与资源开发利用的胁迫与压力之下，洞庭湖水资源短缺、季节性干旱、水质恶化、富营养化程度加剧等方面问题已逐步显现，这些给湖泊水生态环境健康及流域持续发展造成严重威胁，引起了广泛关注[8-9]. 事实上，洞庭湖由于与长江联通的特性，湖体水环境状况不仅受长江“三口”(外流域)、“四水”来水(本地湖泊流域)的复合影响，亦受到湖周及湖体内人为活动的干扰，形成复杂的“长江—湖泊、河流—湖泊、人类活动—湖泊”相互作用关系[10-11]. 然而，尽管针对洞庭湖水环境问题开展了诸多研究[12-16]，但已有研究更多关注洞庭湖入湖水沙情势、湖体水质参数的波动变化，缺乏从长江全流域视角、湖泊流域来水到湖体的深度关联和联动分析，特别是水环境演变的原因解析不够深入，亦未结合通江湖泊独特的水文背景加以剖析，然而这正是洞庭湖水环境保护治理亟需解决的关键问题[17-20]. 因此，有必要系统分析洞庭湖水环境演变过程及其影响因素，从而提出有效的通江湖泊水环境安全保障策略.

据此，该研究基于国家环境保护洞庭湖野外观测站的监测数据及前期相关科研工作，综合性阐述了洞庭湖流域水文、水质及水生态的长期演变趋势，剖析了长江流域、湖泊流域和湖周人类活动多重因素影响下洞庭湖水环境演变的主要原因，提出了相关的管控对策建议，以期为新时期以洞庭湖为代表的通江湖泊水环境安全保障提供决策参考.

1 洞庭湖水文情势演变趋势

洞庭湖的径流和泥沙主要来自长江松滋口、太平口、藕池口“三口”以及湘、资、沅、澧“四水”. 受气候条件变化、三峡水库及流域内一系列水利工程的开发建设及蓄水调节的影响，洞庭湖与长江、本地流域的“江湖”“河湖”水沙交换关系发生调整，导致其径流、泥沙过程改变，湖体水位和冲淤格局随之出现了一些不容忽视的改变甚至是趋势性变化，主要表现在：入湖径流量减少，径流过程改变；入湖泥沙锐减，水沙关系突变；水位降低，枯水期提前，秋旱加剧；由淤转冲，输沙格局改变[21-23].

1.1 入湖水量与湖泊水位变化

洞庭湖来水以“四水”来水为主，“三口”来水为辅，区间来水占比较小(见表1). 受降水周期性变化的影响，2000年后长江上游、洞庭湖流域均进入少雨期. 在降水减少的背景下，长江“三口”、洞庭湖本地流域径流量均呈现下降趋势[25]. 2003年三峡工程蓄水运行后，长江“三口”分流量减少的更为明显，断流天数增加，但分流能力保持稳定. 与1996—2002年相比，长江“三口”分流量减少了28%，主要集中在5—11月，1—4月(枯水期)基本持平，其径流过程发生改变.

表1 洞庭湖年均来水量统计[24]

洞庭湖水文情势受长江来流和本地流域径流的共同影响，表现出强烈的季节性变化特征[26]. 长江来流和本地流域径流的改变通过影响“江湖”“河湖”作用关系，进而影响洞庭湖的水位涨落过程. 其中，水位上涨过程主要是受本地流域径流的控制，退水过程主要受长江来流的制约. 2003年三峡蓄水后，伴随入湖径流量的减少，洞庭湖年均水位总体呈降低趋势，但年内变化有所差异. 枯水期全湖水位均有所抬升，其中东洞庭湖升幅最大，三峡工程的枯水期补水效应初显. 汛期湖泊最高水位降低，三峡工程的拦洪削峰作用明显，可有效降低洪水风险. 然而，在三峡水库汛后蓄水期(9—11月)，受调度影响，一方面长江来流的减少导致湖泊水位明显偏低，尤以10月降幅最大；另一方面长江干流水位降低的拉空效应加速了湖泊出流，二者综合作用下洞庭湖出现枯水期提前、枯水期延长、秋旱加剧的现象[27].

1.2 入湖泥沙与湖泊冲淤变化

洞庭湖来沙以“三口”来沙为主，“四水”来沙为辅，区间来沙所占比例较小(见表2). 2003年三峡水库蓄水后，在水库泥沙高淤积率和低排沙比影响下，相比于长江“三口”分流量的减少，其分沙量减少的更为明显，水沙关系发生突变[28]. 相比之，本地流域亦有所降低，但降低程度远低于长江“三口”. 由此，洞庭湖入湖泥沙组成发生变化，长江“三口”输沙比例由79.6%降至54.9%，本地流域比例增加，但长江“三口”输沙量占入湖总沙量的绝对优势仍未发生根本性改变. 三峡水库的运行亦改变了其入湖输沙的年内分配过程，枯水期输沙几乎为零，丰水期(5—9月)输沙量亦大幅减少，致使洞庭湖提前1个月进入枯沙水平.

表2 洞庭湖年均来沙量统计[24]

伴随着三峡水库蓄水运行及湖泊本地流域上游水利工程的实施，2003年以来长江“三口”输沙量锐减，上游“四水”输沙量亦在减少，使得洞庭湖总入湖沙量减少，而出湖沙量近几年却有增加的现象. 受此影响，洞庭湖泥沙沉积量呈减小趋势，特别是2006年以后，入湖沙量明显小于出湖沙量，湖泊由淤积状态逐步过渡为冲刷状态. 从这一角度看，入湖沙量减少导致的洞庭湖冲淤模式的改变对维系湖泊调蓄功能、延长湖泊寿命具有正向效应. 然而，由于长江“三口”“四水”来流输沙量的减少，洞庭湖湖体含沙量大幅减少[29]，透明度增加，加剧了湖体的富营养化风险.

2 洞庭湖水质演变趋势

2.1 水质类别演变趋势

近30年来洞庭湖GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅰ～Ⅲ类水质占比下降趋势明显，洞庭湖由Ⅲ类水质为主逐渐下降为Ⅳ类水质为主(见图1). 根据《长江三峡工程生态与环境监测公报》[30]，影响洞庭湖水质类别的主要污染物为TN和TP.

注： Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类、劣Ⅴ类均为GB 3838—2002《地表水环境质量标准》水质标准.

图1 1990—2018年洞庭湖水质类别
Fig.1 Water quality categories in Dongting Lake from 1990 to 2018

图2 1997—2018年洞庭湖ρ(TN)变化Fig.2 Change of total nitrogen concentration in Dongting Lake from 1997 to 2018

2.2 关键水质指标ρ(TN)演变趋势

由图2可见，近30年洞庭湖ρ(TN)演变过程经历4个阶段，即1997—2002年持续增加、2003—2008年相对稳定、2009—2014年显著增长、2015—2018年明显下降，其平均值变化范围分别为1.09～1.51、1.05～1.57、1.68～2.02、1.68～1.93 mgL. 空间上3个湖区TN污染程度依次为东洞庭湖>南洞庭湖>西洞庭湖，平均值分别为1.74、1.54、1.34 mgL. 时间上枯水期ρ(TN)高于丰水期，3个湖区月均变化范围分别为1.28～2.01、1.00～1.78、0.93～1.53 mgL. 研究发现，洞庭湖“四水”和“三口”入湖河流的空间位置、水量和水质的季节性差异是ρ(TN)空间分布、年内波动变化的主导因素，湖区流态、流速等水动力条件的时空差异是次要驱动因素. 近30年来流域内TN污染逐渐加重，与人类活动造成的点源、面源负荷增加密切相关(见图3). 然而，不同阶段的作用机制有所不同：过量的生活污水、工业废水是1997—2002年ρ(TN)持续增加(增幅为9.5%～40%)的主要原因；污染控制政策的实施是2003—2008年ρ(TN)相对稳定(增幅为2.5%～7.7%)的直接原因；农业化肥过度施用、利用率低，入湖水量减少是2009—2014年ρ(TN)显著增长的主要原因〔化肥使用量与ρ(TN)的相关性系数R为0.857〕，洞庭湖生态环境综合治理措施的实施是2015—2018年ρ(TN)明显降低的主控因素[31].

图3 洞庭湖流域社会经济及化肥施用情况[16]Fig.3 Socio-economic situation and fertilizer application in Dongting Lake Basin[16]

2.3 关键水质指标ρ(TP)演变趋势

近30年洞庭湖长江“三口”入湖ρ(TP)显著降低，“四水”入湖ρ(TP)显著增加；湖区除南嘴断面ρ(TP)明显降低外，其余断面ρ(TP)有不同程度增加.ρ(TP)空间格局呈现阶段性迁移改变，主要污染区域由西向东迁移(见图4)，挖沙活动密集的扁山附近水域出现高污染点位. 颗粒态磷含量大幅降低，其占TP百分含量的空间格局从1996年的由西到东递减变为2015年的由西到东递增. 悬浮颗粒物是颗粒态磷在流域内迁移转化的主要载体，二者有显著的线性关系(R2=0.783). 三峡水库蓄水后，长江“三口”来沙量及TP通量减少(“江湖”作用关系)、沅江TP通量增加(“河湖”作用关系)，以及扁山水域采砂活动加剧导致的泥沙再悬浮(“人湖”作用关系)是ρ(TP)及其形态空间格局阶段性迁移改变的主导因素. 尽管三峡水库运行背景下长江“三口”来沙量的减少导致西洞庭湖南嘴ρ(SS)和ρ(TP)均下降，但其影响范围及影响程度有限. 西洞庭湖出湖ρ(TP)受沅江TP输入改变的影响更为显著，而长江“三口”、澧水负荷输入对其影响不明显[7]. 2008年后，东洞庭湖扁山水域频繁采砂、船舶运输密集通过促进沉积物再悬浮是导致其ρ(SS)和ρ(TP)增加的重要因素[32].

图4 1996—2018年洞庭湖ρ(TP)变化Fig.4 Change of total phosphorus concentration in Dongting Lake from 1996 to 2018

注： 未收集到2002年洞庭湖TLI数据.

图5 1991—2018年洞庭湖TLI变化
Fig.5 Changes of TLI index in Dongting Lake from 1991 to 2018

3 洞庭湖富营养化演变趋势

洞庭湖流域“江湖”“河湖”“人湖”关系的改变引起了湖泊水文水动力特征、泥沙输移和生境条件的变化，从而影响洞庭湖水质时空分布及富营养化状态. 伴随之，水华暴发风险也有所增大[33].

洞庭湖全湖TLI(综合营养状态指数)近30年呈上升趋势，且2003年三峡蓄水后，营养状态较蓄水前有较大幅度提高(见图5). 从年内分布来看，相比三峡蓄水前，3月、12月TLI增幅最高(40%)，1月、6月、9月次之. 从空间分布上，南、西洞庭湖总体属于中营养水平；自2003年始，东洞庭湖TLI高于南、西洞庭湖，且2008后达到轻度富营养水平；2013—2018年，TLI和ρ(Chla)的高值区均出现在东洞庭湖，尤其是大小西湖水域.

图6 1988—2018年洞庭湖浮游植物数量变化Fig.6 Changes of phytoplankton in Dongting Lake from 1988 to 2018

如图6所示，近30年洞庭湖浮游植物数量呈波动上升趋势. 浮游植物优势种群由隐藻和硅藻(1988—1991年)转变为硅藻和绿藻(1992—2018年). 特别是，2008年以后洞庭湖硅藻(中-富营养型代表种)比例下降，蓝藻(富营养型代表种)比例迅速上升，局部水域(大小西湖)出现蓝藻为优势种群的现象. 洞庭湖浮游植物群落结构呈现向富营养型演替的趋势. 值得注意的是，2008年开始洞庭湖浮游植物数量急剧上升，尤以东洞庭湖数量最高，达13.7×105L-1，远高于20世纪90年代初的水平(0.9×104～2.45×104L-1). 伴随之，2008年6—9月，东洞庭湖自然保护区大小西湖及附近连通水域首次出现水华. 随后2009—2018年，该区域同期连续发生水华，特别是2013年9月，水华面积达400 km2，近东洞庭湖13水域，优势种为微囊藻.

究其原因，影响湖泊水体水华(藻类异常增长聚集)发生的环境因子很多，主要包括营养盐浓度、温度、水动力条件(如流速)及水下光照条件(如影响光学衰减系数的悬浮物浓度或透明度)[34]. 一般来说，水华形成的四要素包括充足的营养盐、合适的光照、适宜的水温和缓慢的水流. 在营养水平较高〔ρ(TN)>0.2 mgL、ρ(TP)>0.02 mgL〕[35]的水体中，营养盐对藻类的限制作用会减弱，其他因素(如水下光照条件、水温、水动力条件)会影响藻类的光合作用. 洞庭湖水体氮磷含量较高，为浮游植物生长提供了充足的营养. 洞庭湖处于亚热带季风气候区，日照充足、太阳辐射强烈，为水华的暴发发提供了适宜的光照和水温条件[36]. 但长期以来，洞庭湖并未出现明显的富营养化现象，一直处于中营养水平，其原因可能在于，洞庭湖属过水型湖泊，年径流量大，湖水泥沙含量高，水循环周期短(仅为18.2 d)，这一独特水文情势使氮磷等滞留系数小，对富营养化发展有一定的抑制作用[37]. 三峡工程运行后，伴随着“江湖”关系的调整、入湖水量的减少和湖体流速减缓，湖泊水力停留时间增大(如4—10月洞庭湖全湖增加了2.3～4.1 d)，水体悬浮物含量降低，透明度增大，一些狭窄、水交换不畅的水域连通性变差加剧了营养盐富集，上述变化使得局部水域水动力条件和水下光照条件更加有利于藻类生长，藻类数量与多样性相应出现增长趋势，水华暴发风险增加，尤其是流速较低的东洞庭湖湖滩区(其为水华发生的敏感区域).

4 讨论

当前，洞庭湖流域水体氮磷污染较重，水体富营养化形势严峻，湖泊生态系统呈现退化趋势. 尽管政府采取大量的措施控制水质污染，富营养化趋势仍未得到遏制，引起了广泛关注[8-9]. 近年来，随着流域内人类活动的加剧及水利工程的建设，洞庭湖流域内“江湖”“河湖”“人湖”关系发生改变[12,38]. 特别地，2003年三峡工程蓄水后，作为长江干流-洞庭湖的交换界面，长江“三口”所输入的水文、泥沙、物质通量已然发生变化[13-14]. 随之而来，洞庭湖的水文情势、水质状况及生境条件的一系列响应，衍生出一些生态环境问题. 随着三峡工程逐步转入正常化运营，长江上游梯级水电开发及洞庭湖生态经济区建设将使洞庭湖水环境保护面临更为复杂和严峻的形势[15-16].

4.1 长江来水的影响(“江湖”作用)

受气候与人类活动的综合影响，洞庭湖与长江的江湖关系已进行多次调整，特别是2003年三峡水库蓄水后，改变了长江下游天然的径流和泥沙输送过程[39]，江湖关系进入新一轮的调整. 在江湖关系变化的背景下，长江“三口”入湖年径流量、年输沙量分别减少了28%、82%，分沙量的降低程度明显高于分流量. 三峡水库调度运行亦改变了入湖径流、泥沙的年内分配过程. 长江“三口”分流量减少主要集中在5—11月，1—4月(枯水期)基本持平；长江“三口”分沙量各月均有明显减少，枯水期(1—4月)几乎为零，丰水期(5—9月)输沙量亦大幅减少. 三峡水库调节造成的长江“三口”入湖水沙节律的变化，一方面改变了洞庭湖的水情和输沙格局，另一方面改变了洞庭湖营养盐的输送通量及形态组成. 洞庭湖出现枯水期水位抬升、汛期洪水位降低、减缓淤积的正向效应，亦出现枯水期提前和延长、秋旱加剧、含沙量减少、透明度增加的现象[40-41]. 尽管三峡运行背景下长江“三口”来水来沙量、总磷(尤其是颗粒态磷)通量减少，导致其直接汇入的西洞庭湖ρ(TP)下降，磷的形态组分由颗粒态磷为主转变为浮游植物可以直接吸收利用的溶解态磷为主[42-44]，但其对西洞庭湖南部及其他湖区的影响程度有限. 此外，“三口”来水来沙量减少也使洞庭湖水体透明度增大、水体滞留时间延长，为藻类生长创造有利条件，在一定程度上增加了湖泊富营养化和水华风险[42-47].

4.2 流域“四水”的影响(“河湖”作用)

洞庭湖本地流域湘、资、沅、澧“四水”水系内一系列水利工程的开发建设和社会经济的发展，促进了“河湖”关系的调整，给洞庭湖带来了巨大的环境压力[48]. “河湖”水沙关系的改变，导致洞庭湖经由“四水”入湖的年径流量、输沙量分别降低了7%、41%，进一步加剧了洞庭湖水资源短缺和干旱问题，也减缓了洞庭湖泥沙淤积. 洞庭湖入湖径流量的减少受控于长江“三口”分流量的减少，本地流域变化不大；输沙量的减少是长江“三口”与本地流域共同减少的结果，但以长江“三口”减少为主. 伴随三峡蓄水引起的长江“三口”分流分沙的衰减，洞庭湖入湖水沙组成发生变化，本地流域比例增加，但长江“三口”输沙量占入湖总沙量的绝对优势仍未发生根本性改变. 在水质层面，近30年来洞庭湖TN污染逐渐加重与本地流域内(尤其湘江)人类活动造成的点、面源负荷增加密切相关[49]. 对TP来说，“四水”入湖TP通量逐年攀升，致使洞庭湖西湖区南部水域、南湖区ρ(TP)升高. 本地流域氮磷入湖负荷的增加进一步加剧了洞庭湖水质污染问题，增加了洞庭湖富营养化风险，加剧了湖泊生态功能的退化. 此外，值得关注的是，我国“河湖”水质评价考核标准的不衔接导致了“河湖”关系管理上的缺位，也是湖体氮磷居高不下的重要原因. 当前，河流水体TN指标不参加河流水质考核评价，河流水体TP的GB 3838—2002 Ⅲ类标准限值相当于湖泊水体TP的GB 3838—2002 Ⅴ类标准限值，致使河流长年输送高氮磷水体入湖却未能得以控制〔湘江入湖ρ(TN)多年均值为2.21 mgL，对湖泊而言为劣Ⅴ类〕.

4.3 人类活动的影响(“人湖”作用)

洞庭湖湖体及湖周的人类活动作用亦是湖泊水环境不容忽视的重要影响因素[50]. 洞庭湖环湖覆盖湖南省岳阳市、益阳市、常德市范围内20个县(市)，区域内人类活动频繁，产污高治污低导致大量污染物直接或间接排放到洞庭湖，已成为洞庭湖水质氮磷超标的重要影响因素. 洞庭湖污染负荷估算结果显示，每年输入洞庭湖的TN、TP负荷分别为 670 132.41、41 103.85 t，其中，分别有24.68%的TN和44.84%的TP负荷来自于湖周输入[51]. 在湖周输入的污染源中，面源输入占据较大比例，点源输入相对较少，而面源中又以畜禽养殖贡献最大(见图7). 大量的负荷输入亦在一定程度上增加了洞庭湖水体氮磷含量. 尽管近年来湖南省政府大力推动洞庭湖生态环境综合治理并取得积极成效，近3年洞庭湖水质已趋稳向好，但水环境质量尚未得到根本性改善、富营养化趋势仍未得到遏制[30]，其水生态健康状况令人堪忧，值得有关部门重视. 另外，虽然三峡及洞庭湖流域内诸多水利工程的建设运行导致洞庭湖入湖沙量大幅减少，但出湖沙量却呈增加趋势，并且2006年后洞庭湖出湖沙量明显高于入湖沙量，这在很大程度上与湖区频繁的采砂活动有关. 采砂活动的加剧促进沉积物再悬浮，导致水体中悬浮泥沙含量增加，一方面增加了出湖沙量，促进含磷泥沙向下游输移，但另一方面会导致水体中ρ(TP)增加，加大水质超标风险.

5 结论与建议

a) 近30年来洞庭湖的水文情势、水质和营养程度变化趋势表明，洞庭湖水生态环境已经发生明显改变，逐渐向着恶化或不良的方向发展. 洞庭湖入湖水沙量大幅减少、污染负荷明显增加，导致湖泊出现以水位降低、枯水期提前、秋旱加剧为代表的水资源短缺现象，以及以氮磷污染加重、富营养化程度加剧、局部水域蓝藻水华暴发为代表的水质恶化现象，水生态安全状况堪忧.

b) 为保障洞庭湖水环境安全，提出三点建议：①对应“江湖”关系变化主导的低枯水位等问题，应以水资源调控为核心，进一步探索推进三峡水库及上游、湖泊流域上游水库的联合生态调度，保障湖泊生态流量. ②对应“河湖”关系失衡主导的水质恶化问题，应以水污染防治为核心，重点强化入湖河流及环湖区域污染控制，探索推进“河湖”统筹衔接的氮磷水质指标考核与管理模式，保障湖泊水环境质量. ③对应“人湖”关系失控主导的生态破坏等问题，应以监督管理为核心，划定并坚守生态红线，保障生态空间.

c) 当前，在长江经济带“共抓大保护、不搞大开发”的新形势下，国家对三峡工程正常运营期的科学调度管理、洞庭湖水生态环境改善提出了更高的要求. 受数据质量、时空匹配性和研究水平限制，该研究还存在一些不足，后续需要更深入的探讨和论证. 未来可尝试从不同时空尺度上，建立“江湖”“河湖”“人湖”关系变化综合影响下的响应模型，进一步定量化解析洞庭湖不同区域、不同阶段水环境演变的影响因素，为“江、河、人、湖”和谐发展提供科学参考.