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姜端午, 黄树春, 张苑平, 余德清. 基于地质环境遥感调查与监测数据探讨洞庭湖演变规律[J]. 国土资源遥感, 2010,22(s1): 124-129
JIANG Duan-wu, HUANG Shu-chun, ZHANG Yuan-ping, YU De-qing. A Discussion on the Evolution of the Dongting Lake Based on Geo-environmental Remote Sensing Investigation and Monitoring Data[J]. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES,2010,22(s1): 124-129  
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基于地质环境遥感调查与监测数据探讨洞庭湖演变规律
姜端午, 黄树春, 张苑平, 余德清
湖南省地质环境监测总站,长沙 410007

第一作者简介: 姜端午(1963-),男,教授级高工,主要从事遥感地质环境应用研究。

收稿日期: 2010-04-21
基金: 中国地质调查局地质调查项目“长江流域基础地质遥感调查与监测”(编号: 1212010911081)
摘要

20世纪70年代、2000年和2007年3期地质环境遥感调查与监测结果表明: 洞庭湖地区存在新构造活动,断陷盆地仍处于构造沉降期。三峡水库蓄水以前,泥沙淤积严重,湖泊快速变小,自然湿地变少,人工湿地增多; 三峡水库蓄水以后,湖泊岸带变化小,自然湿地和人工湿地变化不大,洲滩发育出现分化; 周边及上游水土流失、荒漠化状况不断好转。三峡水库运行后,由于入湖泥沙、水量减少,东洞庭湖将延续淤积变小趋势,但速度有所放缓; 南洞庭湖将冲刷加深但面积不会变小; 目平湖将延续原有冲淤状况,淤积继续增高,但速度有所放缓。洞庭湖的环境问题将不再是洪水和泥沙淤积,而是枯水期水位降低和地下水水位降低,以及由此引起的干旱、农业鼠害、排污能力降低等其他环境问题。

关键词: 洞庭湖; 地质环境; 遥感监测
中图分类号:TP79 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2010)增刊-0124-06
A Discussion on the Evolution of the Dongting Lake Based on Geo-environmental Remote Sensing Investigation and Monitoring Data
JIANG Duan-wu, HUANG Shu-chun, ZHANG Yuan-ping, YU De-qing
General Geological Environmental Monitoring Station of Hunan Province, Changsha 410007, China
Abstract

The results of geological environment remote sensing investigation and monitoring in the 1970’s, 2000 and 2007 show that new-tectonic activities do exist in Dongting Lake area, the rift basin is still in the tectonic subsidence phase, and the changes of the geological environment in Dongting Lake area before and after the storage of water in the Three Gorges Reservoir are obvious. All this indicates the evolution regularity of erosion and deposition in the Dongting Lake, that is, the East Dongting Lake will continue to become smaller, but the speed will slow down;the South Dongting Lake will experience deepened scouring, but the area will not become smaller; and the Muping Lake will remain in the original scour state and continue to suffer silting up, but the speed will slow down. The environmental problem in the Dongting Lake will become the problem of lower water level and decreased ground water level in dry season instead of the floods and siltation.

Keyword: Dongting Lake; Geological environment; Remote sensing monitoring
0 引言

长江流域基础地质环境遥感调查与监测, 利用1975~2007年3期卫星遥感数据和现代遥感图像处理技术, 开展长江流域1:25万比例尺第四纪地质、地貌、河流湖泊、湿地、水土流失、荒漠化及城市扩展等专题遥感调查与监测, 编制了系列成果图件。通过调查长江流域地貌与第四纪地质、生态地质环境及其变迁, 总结地质环境变化规律, 为有关部门制定区域生态地质环境保护和整治规划提供科学依据。

洞庭湖地区是长江流域生态脆弱区之一。为了研究洞庭湖(特别是三峡水库运行以后)演变规律, 选择三峡水库运行前后3个时段的卫星遥感数据, 开展1:5万地质环境和生态环境遥感调查与监测; 通过遥感图像处理、遥感解译与编图、野外调查和综合分析等方法, 对洞庭湖演变规律进行探讨。

1 遥感数据与图像处理
1.1 遥感数据

三峡水库运行前的2期遥感数据采用1975~1978年获取的MSS卫星数据和2000年前后获取的TM或ETM卫星数据, 空间分辨率分别为30 m和79 m。

三峡水库运行中、后的遥感数据有3种, 其中, 目平湖地区, 即112° 30'E以西(3° 分带第37带)大部分地区采用2005年1月获取的黑白航空遥感影像, 空间分辨率为1.0 m, 重采样至2.5 m; 少部分地区采用2005年10月8日获取的印度卫星P5全色与P6多光谱融合数据, 空间分辨率为2.5 m。东洞庭湖和南洞庭湖地区, 即112° 30'E以东(3° 分带第38带)采用2007年5月3日获取的ALOS多光谱与全色融合数据, 空间分辨率为2.5 m(参见表1)。

表1 三期遥感数据及其时相

遥感图像采用高斯克吕格投影, 北京54坐标系, 投影带为6° 分带第19带。

1.2 图像处理

通过对遥感数据进行几何配准、正射纠正、数字镶嵌、彩色合成和光谱增强等图像处理, 使多期图像坐标统一, 色彩丰富, 纹理清晰。

2 遥感调查与监测结果分析
2.1 地质环境特征分析

2.1.1 洞庭湖地质历史

影响洞庭湖的第一次大规模地壳运动发生在11亿a左右的“ 武陵运动” 。该运动使湖南形成了一系列隆起带和拗陷带, 洞庭湖区就处在隆起带中; 之后除局部拗陷外, 大部隆起, 直到距今5亿a左右发生的又一次大规模地壳运动, 即“ 加里东运动” 。加里东运动使包括洞庭湖区在内的横跨湘、鄂、赣、浙的长江南岸一带整体隆升成陆。此一隆升区就是地质学上著名的“ 江南古陆” , 其湖南段称“ 洞庭古陆” 或“ 幕阜— 雪峰” 古陆。到距今1.5亿a左右发生的“ 燕山运动” 使“ 江南古陆” 在这个地段断陷下沉, 结束了洞庭古陆的历史而形成了洞庭盆地。由于盆地四周都发育断裂, 故洞庭盆地是一断陷盆地, 洞庭湖是洞庭湖断陷盆地中的汇水洼地, 到现在则是被大堤圈围的部分, 不再完全是盆地中的洼地, 因为一些洼地被围垦为垸田, 出现了“ 垸低湖高” 和“ 悬湖” 。

燕山运动之后, 洞庭湖区是一个内陆山间湖泊, 由现在所见白垩纪至新近纪红色碎屑沉积岩地层分布范围推测, 当时的洞庭湖范围西起石门、澧县、桃源, 东至岳阳、汨罗、湘阴, 北达安乡、南县, 南抵益阳、宁乡, 几乎与洞庭断陷盆地范围一致。从那以后, 虽然仍处于构造沉降中, 但洞庭湖再无如此大的范围。

从距今约3800万a左右的古近纪始新世起, 发生了被称为喜马拉雅的地壳运动(又称新构造运动)。这次运动一直延续至今, 它使洞庭湖区仍处于整体沉降状态, 并逐渐塑造洞庭湖区直到现在所见的地貌。

2.1.2 洞庭湖地质环境

洞庭湖应属构造湖, 同时具有堰塞湖的某些性状, 是淡水湖, 也是排水湖。对这一类湖泊由什么来决定它的存亡?按板块构造理论, 中国大陆的西部由印度板块与亚洲板块碰接造成青藏高原的强烈隆升, 东部由太平洋板块向亚洲板块和菲律宾板块俯冲造成边缘海和沿海山地的隆升。在两个隆升区之间必然是拗陷下降区, 故我国一些著名的地质大师如李四光、陈国达等将中国东部或亚洲东部自东向西划分为第一构造沉降带、第一构造隆起带, 第二构造沉降带和第二构造隆起带[1]。

第二构造沉降带自然就是亚洲板块西受印度板块、东受太平洋板块和菲律宾板块夹击的沉降拗陷地段, 这正是洞庭湖区所处地段。因此, 只要板块运动不停止, 洞庭湖区的沉陷、拗陷就不会终止[2]。

2.2 河湖湿地演变分析

2.2.1 湖泊演变分析

通过对3期湖泊现状(指卫星图像显示出的湖泊水域范围或面积)遥感调查与监测发现: 三峡水库运行以前的25 a, 洞庭湖面积减少了387.62 km2, 年均减少15.50 km2, 并且三湖均淤积变小[3]; 三峡水库运行以后的5 a, 洞庭湖面积减少了19.84 km2, 年均减少3.97 km2, 但三湖冲淤变化出现了分化。东洞庭湖继续变小, 但速率由年均减少7.48 km2, 降至4.31 km2/a; 南洞庭湖由淤积转变为冲刷, 由年均减少6.46 km2, 变为年均增加0.35 km2; 目平湖面积变化不大(表2)。

表2 洞庭湖湖泊面积变化遥感调查结果(km2)

比较东洞庭湖的3期遥感图像可知: 东洞庭湖在三峡水库运行前岸带变化大、湖泊面积萎缩快、洲滩沼泽湿地扩张快(图1(a)~(b)); 三峡水库运行后岸带变化不大, 洲滩沼泽湿地扩张较慢, 但从洲滩面积变大可以看出仍有扩展(图1(c))。

比较南洞庭湖的3期遥感图像可知: 南洞庭湖在三峡水库运行前岸带变化大、湖泊面积萎缩快、洲滩沼泽湿地扩张快(图2(a)~(b)); 三峡水库运行后岸带变化不大, 洲滩沼泽湿地基本没有扩张, 甚至冲刷变小, 使湖泊面积变大(图2(c))。

图1 东洞庭湖3期演变卫星图像对比

图2 南洞庭湖3期演变卫星图像对比

2.2.2 湿地演变分析

洞庭湖湿地类型主要包括河流湿地(其中河流指卫星图像显示出的河流水域范围或面积)、湖泊湿地、沼泽湿地和人工湿地等4类(表3)。

表3 洞庭湖地区湿地面积变化统计(km2)

遥感调查与监测结果(表3)表明: 洞庭湖地区在三峡水库运行前25 a, 河流面积减少20.88 km2, 年均减少0.84 km2; 运行后5 a, 河流面积增加27.57 km2, 年均增加1.10 km2。泛洪平原湿地运行前后均有增加, 但增加速度放缓。永久性淡水湖面积均有减少, 但减少速度降低。季节性淡水湖面积变化不大。沼泽湿地面积均有增加, 但增加速度降低。库塘运行前增加较多, 运行后略有增加。引水渠道基本未变。水产养殖场运行前急剧增长, 运行后略有减少。

总体而言, 三峡水库运行前湿地大幅增加, 增加的原因主要是人工湿地大幅增加, 其次是泛洪平原湿地略有增加; 三峡水库运行后湿地小幅减少, 减少的原因主要是永久性湖泊面积减少, 其次是部分水产养殖场恢复为耕地。

2.2.3 河湖岸带变迁及崩岸解译结果与分析

解译结果与对比分析认为: 三峡水库运行前、后, 河湖岸带变化总体变化不大; 人工岸线变化不大或基本没有变化; 自然岸线大部分地区变化不大, 局部地段有一定变化, 主要表现为河流侧蚀作用加大、岸线后退、局部地段发生崩岸。泥沙淤积状况出现分化, 一些地区表现为洲滩、边滩扩大或增厚, 淤积加剧; 另一些地区表现为洲滩、边滩缩小或降低, 冲刷加剧。洞庭湖区河湖岸带变迁及崩岸状况大体规律如下:

(1)长江下荆江河段(君山农场北部— 薛潭)。该河段岸线有后退现象, 反映侧蚀作用加剧; 在薛潭南部有崩岸隐患。

(2)东洞庭湖区。总体情况是淤积仍在继续, 局部侧蚀加剧。从南到北有如下变化趋势:

东部的新墙河三角洲有增厚趋势; 西部漂尾洲东、西两侧洲滩有扩大的趋势, 藕池河东支河流继续延长, 入湖口继续由南东转向南, 甚至朝向南西, 河流加长, 淤积加大。华容河三角洲基本稳定, 没有变化; 君山以下沿岸有侧蚀加剧现象; 大湾洲滩有扩大和增厚趋势。

(3)南洞庭湖区。南洞庭湖从东到西冲淤状况呈现3种不同的变化趋势: 东部侧蚀、冲刷加剧; 中部淤积加剧; 西部冲刷加剧。具体表现如下:

东部湘江入口以下青潭一带, 洲滩变小, 有萎缩趋势; 中部资水入口湘滨院北部一带边滩有淤积加厚的趋势, 资水入湖段(沙头镇— 和平一带)侧蚀作用加剧, 有4处崩岸隐患; 西部赤山岛以东沅江市— 民主垸一带洲滩变小, 有冲刷加剧的趋势。

(4)目平湖区。遥感图像显示, 目平湖及其上游的澧水洪道变化不大。

2.2.4 三口洪道泥沙淤积分析

三口(松滋口、太平口、藕池口)及其洪道(松滋河、虎度河、藕池河、沱江)长期以来一直处于不同程度的淤积过程中。遥感监测及现场调查发现, 老的淤积已使河床大幅萎缩, 而且老的洲滩植被丛生, 洲体固结稳定。更为严重的是, 长江三峡水库蓄水运行后, 洪道不仅没有发生原来预测的冲刷现象, 反而出现了新的较大淤积。长期持续淤积, 导致河床大幅萎缩, 分流递减过程明显。

藕池口及藕池河洲滩、边滩不断淤积、稳固, 河道变窄, 洲滩被开发利用(图3(a)~(b)); 尤其是在三峡水库运行以后, 藕池口淤积增高更加严重, 几乎堵塞, 河道也明显淤塞变窄; 藕池口的分流能力大大降低, 藕池河水流大大减少(图3(c))。

图3 藕池口及藕池河3期演变卫星遥感图像对比

松池口及松池河洲滩、边滩不断淤积、稳固, 河道变窄, 洲滩被开发利用(图4(a)~(b)); 尤其是在三峡水库运行以后, 松池口淤积增高更加严重, 河道也明显淤塞变窄, 局部地段几乎堵塞; 松池口的分流能力大大降低, 松池河水流大大减少(图4(c))。

图4 松弛口及松弛河3期演变卫星遥感图像对比

太平口及虎渡河洲滩、边滩不断淤积、稳固, 河道变窄, 洲滩被开发利用(图5(a)~(b)); 尤其是在三峡水库运行以后, 太平口淤积增高更加严重, 河道也明显淤塞变窄; 太平口的分流能力大大降低, 虎渡河水流大大减少(图5(c))。

图5 太平口及虎渡河3期演变卫星遥感图像对比

2.3 水土流失遥感调查与监测

20世纪80年代~2000年前后水土流失遥感调查与监测表明, 全流域以及洞庭湖流域水土流失状况得到了极大的改善。

2.3.1 长江流域水土流失状况

从流失面积和流失程度两个方面进行对比分析, 全流域在20世纪80年代流失总面积为902 005.32 km2, 占全流域面积的50.49%; 2000年前后流失为631 698.21 km2, 占全流域面积的35.36%, 近15 a间水土流失面积减少了270 388.44 km2, 水土流失程度降低了15.13%。

轻度流失面积近15 a来减少最多, 从20世纪80年代的439 429.77 km2到2000年前后的294 575.09 km2, 减少了144 854.68 km2; 水土流失程度由24.59%到16.48%, 下降了8.11%。

中度流失面积由20世纪80年代的282 283.92 km2到2000年前后的214 069.5 km2, 减少了68 214.42 km2; 水土流失程度由15.79%到11.98%, 下降了3.81%。

强度和极强度流失面积近15a来分别下降37 991.2 km2和19 328.12 km2, 相对应的流失程度分别降低了2.12%和1.09%。

2.3.2 洞庭湖流域水土流失状况

洞庭湖流域总面积为262 135.23 km2, 水土流失面积从1984年的113 221.06 km2减少到2000年前后的54 718.54 km2, 减少了58 502.52 km2, 减少原流失面积的51.67%(参见表4)。

表4 1984~2000年前后洞庭湖流域水土流失面积变化情况(km2)
3 地下水监测数据分析

根据湖南省地质环境监测总站对洞庭湖东岸7个观测点获取的1998~2008年地下水动态观测数据可以看出, 2003年以后, 岳阳滨湖、嘛塘一带潜水位总体下降趋势明显, 枯水期水位也十分显著(表5和图6); 而长江边的岳阳市君山自来水公司地下水位则明显上升。

表5 洞庭湖东岸地下水动态监测情况分析

图6 4306020003(岳阳市湖滨)监测点地下水动态曲线

以上分析表明, 三峡水库运行后, 长江河道水量减少不明显, 但进入洞庭湖的水量明显减少, 导致近洞庭湖地区潜水位下降, 尤其是枯水期水位下降显著。由此, 将导致该地区新的生态环境问题可能发生。

4 结论

(1)洞庭湖地区处于构造沉降带(据长江水利委员会重复水准测量, 构造沉降速率为8~10 mm/a), 新构造活动与地壳运动规律没有改变。

(2)三峡水库运行前, 由于洪水泛滥、泥沙淤积, 湖泊、河流面积急剧萎缩, 人工湿地和洲滩沼泽湿地明显增大。泥沙淤积和洪涝灾害是本地区主要生态地质环境问题。

(3)三峡水库运行后, 洞庭湖地区湿地略有减少, 主要是湖泊湿地和人工湿地减少, 但减少速率明显变缓; 河流湿地有所增加。洞庭湖的冲淤演变规律发生改变, 东洞庭湖将延续淤积变小趋势, 但淤积速率明显变小; 南洞庭湖东部将冲刷加深、面积不会变小, 中部将淤积变窄, 西部将冲刷加深、面积不会变小, 水面会有所增大; 目平湖将继续淤积增高, 但速度有所放缓。

(4)三峡工程使荆江河段、江汉平原和洞庭湖区的防洪能力进一步提高, 在不运用分蓄洪区的情况下, 使荆江河段由目前仅防御10 a一遇的洪水提高到可防御100 a一遇的洪水。三峡工程大量减少洪水与泥沙进入洞庭湖, 可延长洞庭湖的寿命, 为洞庭湖接纳四水洪水或长江洪水创造有利条件。

(5)三峡水库运行后, 三口(藕池口、松池口、太平口)来水来沙大大减少。洞庭湖周边潜水位降低。长江流域和洞庭湖流域水土流失状况明显好转。洞庭湖的环境问题将不再是洪水和泥沙淤积, 而是枯水期水位降低和地下水水位降低的问题, 以及由此造成的干旱、农业鼠害、排污能力降低等其他环境问题。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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