极端干旱与河湖水量调度失衡胁迫下湿地生态保育研究
(1. 同济大学土木工程学院, 上海 200092
2. 湖南省水利水电科学研究院, 长沙 410007. )
摘要: 极端干旱天气是导致水资源短缺最重要、最直接的原因, 河湖水量调度失衡无法缓解水资源紧缺的供需矛盾。在极端干旱和人为活动因素双重胁迫下, 河湖湿地生态系统严重受损, 湿地退化明显加剧。2022年极端干旱给长江中下游及洞庭湖、鄱阳湖等湿地生态造成了巨大影响。为了探讨这一迫切需要解决的重大难题, 本文以洞庭湖和长江相关河系的依存关系为研究对象, 通过广泛的资料收集、现场调研和理论分析, 在研究极端干旱气候特征与流域水文响应关系的基础上, 聚焦江湖水量调度管理与湿地生态风险管控两大科学问题, 探讨气候变化和人类活动下河湖水文要素变异特性, 提出生态环境优先保护和发展战略, 构建流域湿地生境与水资源保护治理新格局, 实现以目标管理为导向, 倒逼水量调度, 创新调控手段和技术方法, 优化河湖水量调度管理模式, 增强水资源调蓄能力, 为水资源利用与湿地生态保育的协同发展提供重要的理论价值。
DOI: 10.48014/fcws.20240126001
引用格式: 周念清, 郭梦申, 蔡奕, 等. 极端干旱与河湖水量调度失衡胁迫下湿地生态保育研究[J]. 中国水科学前沿, 2024, 2(3): 23-34.
文章类型: 综 述
收稿日期: 2024-01-26
接收日期: 2024-05-23
出版日期: 2024-09-28
0 引言
2022年的极端干旱天气对湖南、湖北、江西和贵州等地造成了严重的旱灾，导致水资源短缺，对人们的生产生活造成了巨大挑战，还导致许多河流断流、湖泊干涸，严重破坏了生态环境，尤其是长江沿岸的洞庭湖和鄱阳湖湿地生态系统，受损更为明显。因此，很有必要开展应对极端干旱天气造成湿地生态环境破坏的应对策略研究。
湿地是生态系统的重要组成部分，位于陆地生态系统和水生生态系统的过渡带，兼具二者的属性和特征，是自然界生物地球化学作用最复杂、最活跃的区域。湿地在净化水质、调节洪水、维持生物多样性和调节气候等方面发挥着重要作用，被誉为“地球之肾”和“物种基因库”[1-3]。然而，进入21世纪以来，全球气候变化加剧，极端干旱天气频发，对湿地生态系统的结构和功能产生了显著影响。极端干旱天气不仅对湿地水资源、水环境、水生态和生物多样性造成多种不利影响，还对社会经济的可持续发展构成重要制约。长期以来，随着我国城市化进程的加快，工农业生产和人类活动对湿地生态系统的干扰愈发严重，很大程度上已迫使湿地退化加速和生态功能丧失。许多大型水利枢纽工程的修建，造成的影响也愈发显现。尽管这些水利工程在防洪、航运、发电、灌溉和供水等方面发挥了重要作用，创造了巨大的经济效益，但也对湿地生态系统产生了重大影响。表现比较突出的如洞庭湖这样河湖相连的湖泊生态系统，明显出现了湖泊水域面积锐减、湿地面积萎缩和栖息地受损等问题。因此，在极端干旱气候条件和水利工程水量调度失衡的双重影响下，湿地生态系统的严重退化问题亟须研究和解决。
我国大力倡导“人与自然和谐共生”的发展理念，明确提出“提升生态系统多样性、稳定性、持续性，加快实施重要生态系统保护和修复重大工程，实施生物多样性保护重大工程，推行草原森林河流湖泊湿地休养生息”，为生态环境保护指明了方向。2022年10月19日，自然资源部、国家林业和草原局联合印发了《全国湿地保护规划(2022—2030年)》，积极推进湿地保护工作，提出到2025年我国湿地保护率要达到55%的目标，这充分说明了国家对湿地保护与修复工作的重视。为了实现这一目标，必须重视从机理方面进行研究，准确研判气候变化和人类活动对湿地生态系统结构和功能造成的影响。
本文重点研究洞庭湖湿地生态系统，基于广泛的资料收集和现场调研，研究极端干旱和河湖水量调度失衡双重胁迫下湿地生态系统的响应机制，提出湿地生态系统保护和修复目标，重构实现湿地生态良性发展的路径和方法，对于实现人与自然和谐共生以及社会经济高质量发展具有重要的现实意义。
1 极端干旱对湿地生态系统的影响
1.1 极端干旱的特征
极端干旱的特征主要体现在以下三个方面:(1)降水稀少，不足以满足植物的正常生长和水资源的需求;(2)高温干燥，水分迅速蒸发导致土壤和植被出现缺水问题;(3)地表水资源匮乏，河流、湖泊和地下水资源有限，导致供水困难。极端干旱事件具有随机性和突发性，同时也具有地区性、局域性或全域性的特点。通常所述的干旱主要包括水文干旱、农业干旱和气象干旱，其中气象干旱因降水量的减少，具有出现频率高、持续时间长、波及范围广的特点，易导致水文干旱和农业干旱。
极端天气既有干旱也有强降雨，大多数研究者认为极端天气的产生主要是由于人类活动排放大量的温室气体导致全球气温上升，显著改变了大气循环格局，致使干旱和强降雨等发生的强度和出现的频率持续增加[4-6]。许多气象专家使用大气循环模型进行预测研究，结果显示，未来全球降水变异幅度将会增加，年际间降水总量的变化、极端干旱事件和强降雨事件发生的频率也会随之增加[7,8]。其中，极端干旱事件因作用强度大、影响范围广、可预测性低，已成为影响全球生态系统安全最主要的生态影响因子[9,10]，需要重点加强气象要素的监测和干旱灾害预测预警工作。
1.2 湿地生态对极端干旱的响应
湿地生态系统对极端干旱的反应非常敏感，气象水文因子的变化直接影响植物的生长状况，特别是对地面上植物生物量的影响尤为显著，具体表现为湿地生态格局的演化。过去对湿地的研究主要集中在水文条件变化、水环境治理效果以及生态功能演变。由于湿地所处的地理空间位置特殊，具有独特的水文、土壤与生物特征[11,12]，因此需要利用气象学、水文学、地质学、土壤学、生态学等学科知识进行综合研究。湿地生态系统的水量调蓄功能能够直接降低下游的洪水压力，一旦遭遇干旱天气，湿地将逐渐释放水量补给河流或通过下渗补给地下水，从而有效缓解河流在枯水期间的缺水或断流问题，对涵养水源、保育生态起到一定的缓冲作用。此外，在改善生态环境方面，湿地通过吸附和生物的新陈代谢作用吸收水体中的氮、磷等营养元素，促进植物生长增强初级生产能力[13,14]，净化水体达到改善水质的目的。然而，如果遭遇干旱天气，水循环途径受阻、携带的营养物质被切断，势必造成植被生态的萎缩甚至死亡，初级生产力水平显著下降，严重影响湿地生态的良性发展。此外，湿地作为生物多样性生存的重要环境，极端干旱会导致湿地功能丧失，严重影响生物种群的正常繁殖与生长[15]。
越来越多的证据表明，极端干旱事件不仅会对植物生长发育、生理特性、生物地球化学循环过程、生态系统结构和功能以及生物多样性等方面产生重大影响[16,17]，还会破坏现有生态系统中碳的平衡，导致碳流失、碳亏损等现象[18,19]，从而引起生态系统结构和功能的失调，特别是湿地生态系统中“碳源”和“碳汇”的重大转化[20-22]。湿地“碳源”会加大甲烷气体排放量，进一步促进或加剧极端气候事件发生的强度和频率[23]。湖泊作为一个完整、开放的自然生态系统，在极端干旱天气的影响下，地表水和地下水位持续下降，不可避免地导致生态系统的严重退化现象[24,25]。同时，干旱作为一种驱动力，极易造成水量亏缺和水文条件改变，进而对湿地生态系统产生胁迫[26]，致使植物根系因无法正常吸收到水分导致植被枯萎甚至死亡。因此，一旦遭遇长时间极端干旱事件，湿地生态系统极易对外界环境产生负反馈效应。
极端干旱事件会对湿地生态系统功能产生不利影响，并且随着干旱时间的持续，可能会对生态系统造成更加严重且无法恢复的破坏[27]，可能导致区域生态系统碳储量减少[7,10,28]，湿地面积减小[29]以及湿地物种的消失[30]。以往的研究主要侧重于草原及荒漠生态系统，李明峰等[31]对温带草地生态系统CO2、CH4、N2O通量在极端干旱条件下的影响进行研究，揭示了草原碳排放的一些规律;李新荣等[32]研究了阿拉善高原灌木种的丰富度和多度格局对环境因子变化的响应，发现与湿地生态系统存在明显的差异;张继义等[33]针对短期极端干旱事件干扰后退化沙质草地群落的恢复力稳定性进行测度与对比分析;刘殿君等[34]研究了极端干旱区增雨对泡泡刺群落土壤碳排放的影响，发现与其他群落相比各有特点;木巴热克等[35]对极端干旱环境下胡杨木质部的水力特征进行了专门研究。这些极端干旱条件下有关生态系统的研究对于探索湿地生态环境具有重要的启示作用，然而，湿地在极端干旱状况下开展现场和室内模拟试验研究相对较少。
在当前全球气候变化的背景下，分析极端干旱事件对湿地水资源、水环境和生物多样性的影响，了解湿地生态系统的结构、功能和过程对极端干旱条件的响应，探索湿地生态系统的演变规律，对于保护湿地生态安全具有重要的科学意义。因此，通过系统的试验研究，有望得出具有普适性的结论，为保护湿地生态安全提供科学依据。
2 河湖水量调度与湿地生态格局演化
近年来，随着社会经济的快速发展，高强度水利工程建设加速了湿地水文过程和河湖生态格局的演变，湿地生态系统的稳定性遭到一定程度的破坏，生态功能进一步退化，严重影响湿地区域的水安全和经济发展。
2.1 水利工程对河湖径流的影响
近年来，在全球气候变暖的大背景下，三峡大坝及长江上游梯级水利工程的运行极大地改变了与之相连的湖泊湿地天然水文条件，引发了河湖关系的变迁[36]。与长江相连的洞庭湖，接纳了湘江、资江、沅水和澧水4条江河汇入，在这4条水系上共建有30座中小型水库。鄱阳湖在赣江、抚河、信江、饶河、修水等5大河流上共建设了27座水库，这些水利工程的修建也显著改变了河湖关系[37]。
目前，在江湖关系和河湖关系发生改变的情景下，中国两大淡水湖洞庭湖和鄱阳湖面临的问题主要包括:入湖水量和泥沙量减少、枯水期提前和延长、干旱加剧、水质恶化等。在过去的近60年中，从长江流入洞庭湖的年径流量呈现长期下降趋势，三峡水库建成运行后这一趋势更加明显。与三峡大坝蓄水前(1960—2002年)相比，蓄水后(2003—2014年)平均径流量减少了40%以上，洞庭湖至长江的径流分流比从19%降至11%，湖面面积也呈显著减小[38]。水利工程的调蓄作用加强，径流发生均衡化，势必造成丰水期水不丰、枯水期水更枯的局面。
2.2 河湖水位对湖泊湿地生态的影响
三峡水库的调节对洞庭湖水资源平衡的影响巨大，导致过去几十年洞庭湖干旱频发[39]。高耶等[40]基于1979—2016年间的遥感数据，研究了洞庭湖区近40年水域面积变化及影响因素，发现内湖面积相对稳定，丰水期面积有增加的趋势，枯水期面积萎缩，湖泊面积变化主要受到降水、蒸发等自然气象因子和退田还湖、生产生活供水、防洪等人为因子的控制，同时三峡工程的运行也对其产生了较大影响。
自2000年以来，洞庭湖流域降雨量减少，入湖河流径流量也呈下降趋势，特别是在2003年三峡工程建成蓄水后，长江入湖口(松滋口、太平口、藕池口)分流量锐减，洞庭湖年均水位呈下降趋势[41]。三峡工程汛期后的蓄水减少了长江干流流量和入湖水量，同时增加出流量，导致洞庭湖的枯水期提前和延长、干旱加剧。Huang等[42]利用神经网络模型研究三峡工程运行对洞庭湖秋季干旱的影响，结果表明三峡水库蓄水使湿地暴露时间提前，造成洞庭湖秋季干旱时间延长约30%。2022年8月，洞庭湖遭遇极端干旱天气，水位较同期降低4.85~6.13m，城陵矶站水位甚至低于枯水位24.5m，较往年提前80多天进入枯水期。
位于洞庭湖下游的鄱阳湖同样受到很大影响。许继军和陈进[43]研究表明，三峡水库汛期后的蓄水导致鄱阳湖湖口水位降低0.4~1.6m，湖区水位下降0.3~1.2m，枯水期提前使湖区干旱加剧。Zhang等[44]探讨了三峡大坝运行对鄱阳湖水位变化的影响，发现大坝蓄水导致鄱阳湖水位明显下降，干旱持续时间延长，湖泊水位变幅明显降低。吕婷婷等[45]依据鄱阳湖湿地湖口、星子、都昌、棠荫和康山5个水文站长序列水文资料，分析了三峡工程运行前后鄱阳湖水位的变化特征，发现三峡水库蓄水后湖区年最高水位、最低水位和平均水位均呈下降趋势，枯水期提前，枯水时间延长约41天。
无论是洞庭湖还是鄱阳湖，长江上游水库大坝的修建以及河流上水库的建设，都导致了湖泊枯水期持续时间延长，尤其是极端干旱年份表现尤为突出。湖泊湿地生态系统没有正常的水位维持，且长时间得不到水分的补给，必然造成生态系统的退化。
2.3 河湖水量调度失衡对湿地生态的影响
三峡工程及上游水库大坝建设，除发电外，防洪和水量调蓄也是其重要职能，这对于长江中下游河湖的水量调度和水位调控至关重要。三峡工程运行显著改变了洞庭湖的水文情势，进而影响河流和湖泊湿地的植被格局和微生物群落分布。Xie和Yang等[46,47]分别对三峡工程运行前后洞庭湖湿地的植被覆盖面积变化进行了分析，发现湖水位下降和水域面积减小导致植被覆盖面积增加。李峰等[48]发现三峡工程运行使洞庭湖湖草群落面积减少，芦苇(荻)和林地群落面积增加。Wu等[49]研究了三峡工程影响下洞庭湖枯水期提前对微生物群落的影响，结果表明枯水期提前时间越早，土壤微生物量增加越明显，群落结构也发生了显著变化。
三峡工程运行后，长江中游湿地地表水和地下水水质状况恶化，湖泊富营养化指数上升，近年来东洞庭湖水华现象频繁发生，这与河湖水量调度失衡密切相关。洞庭湖区内的河湖水量调度复杂且具有不确定性。由于早期洞庭湖治理建设了大大小小的堤垸226个，水系非常复杂，水信息采集不完善，在实际应用中，利用水量调度模型往往存在问题，致使调控比较困难。近些年洞庭湖区经常遭遇干旱天气，同时受到长江的制约，容易形成“内困外扰”的格局。水量调度无法满足湖区湿地生态需求，必然造成生态系统功能下降，湿地退化，洞庭湖将逐步向“湖泊河道化，河道洲滩化，洲滩陆地化”的趋势演变，调蓄能力减弱，生境退化，固碳功能降低，严重威胁区域可持续发展。
3 湿地生态修复技术研究
湿地生态修复基于生态学基本原理，以生物修复为核心，结合物理、化学修复以及工程技术措施，通过优化整合，对受损生态系统和环境进行修复，旨在维持生态稳定性和生态可塑性，达到水环境治理和生态健康发展的目的。
3.1 水体污染问题
根据《长江三峡工程生态与环境监测公报》[50]，洞庭湖区不仅湿地生态环境受损严重，还存在水质超标的问题，主要污染物为总氮(TN)和总磷(TP)，这与洞庭湖泥沙量减少密切相关。三峡工程拦蓄了大量泥沙，导致洞庭湖泥沙量下降，加之湖区大量采沙，人为扰动使湖区沉积的淤泥层变薄，降低了泥沙颗粒对氨氮和磷酸盐吸附能力，同时湖区人为活动导致的氮磷污染负荷却逐年增加，最终引发洞庭湖TN和TP污染。此外，三峡工程改变了江湖关系，入湖水量减少、湖水流速减缓、水力停留时间延长和水文连通性减弱，这些因素均导致氮磷污染物的累积，增加了洞庭湖水体富营养化的风险[51]。Geng等[52]结合Mann-Kendall检验方法和自组织映射神经网络模型(SOM)分析了三峡大坝建成前后洞庭湖水质变化趋势，发现TN和TP对洞庭湖水质造成较高的生态风险，三峡工程运行后污染负荷加大和水文条件变化使洞庭湖水质趋于恶化。Ding等[53]研究发现三峡大坝运行后鄱阳湖的水文状况也存在类似问题，湖泊蓄水量和养分输入量的变化是影响湖泊营养状况的主要因素。
为了防止洞庭湖区水环境质量的进一步恶化，需要采取多种措施。不仅要从源头治理氮磷污染(如生活污水和农业面源污染)，还要加强外部协同，如限制湖区上游的磷矿开采等。此外，通过水系连通措施，增强水量调度，实施生态修复，减轻污染负荷，增强生态系统的吸收转化能力，使之逐步向良性方向发展。
3.2 生态修复技术
湿地生态修复技术主要针对因自然因素和人类活动破坏的湿地系统进行恢复和重建，使其重新发挥原有的生态服务功能[54]。目前，湿地生态系统修复的技术方法较多，主要归纳为三大类:物理修复、化学修复、生物-生态修复技术。
物理修复技术主要利用物理工程手段改善湿地环境条件，常见的方法包括疏浚、底层曝气、絮凝沉降等，多应用于湖泊湿地生态修复[55]。化学修复技术则利用化学原理通过投放化学试剂控制湿地水体富营养化，但实施成本较高，且容易造成二次污染。生物-生态修复技术通过改善植物、动物和微生物的生境调整湿地系统的结构和功能，从而达到退化湿地生态系统修复的目的。
生物-生态修复技术有许多成功案例，邓正苗等[56]系统归纳总结了洞庭湖湿地生态修复技术，并提出了洞庭湖流域的湿地生态修复模式;杨胜苏和刘卫柏[57]基于恢复生态学理论，分析了洞庭湖区的生态问题，厘清了生态退化过程和机制，提出了生态恢复策略，恢复重构自然景观;Zhao等[58]基于生态修复项目的成本和收益构建了生态系统优先恢复区的框架，并在洞庭湖生态经济区得到了良好应用;朱江和林小莉[59]针对南洞庭湖湿地面临的突出生态环境问题，提出了如何重构南洞庭湖大湿地系统，以提高水体自净能力，避免湖泊富营养化。
尽管国家在洞庭湖研究和治理工作上投入了大量人力、物力和财力，但成效仍不尽人意。其主要原因在于多种治理手段和方法的协同不足，因此需要加大技术研发力度，提出切实可行的方案进行科学施策，促进湿地生态系统的健康发展。
4 湖泊湿地生态格局重构的思考
洞庭湖与长江紧密相连，是三峡水库下游首个大型吞吐型湖泊。三峡大坝建成后，长江的泥沙输送量显著下降，河槽受到冲刷，河床下切严重，长江水位随之降低，洞庭湖与长江的河湖补排关系发生了重大改变，加之极端干旱天气影响，来水量大幅减少，增加了水库调蓄与调度的难度，因此，研究水文对气候变化的响应以及湿地生态系统的重构问题具有重要意义。
4.1 需要重点研究和解决的关键问题
围绕洞庭湖湿地生态安全问题，开展河湖水量调度、水体交换与湿地生态系统演化规律研究，科学实施河湖湿地生态保育，制定系统化的应对策略时，需要重点解决湿地生态系统重构中存在的关键科学问题。
研究区域性生态环境演化问题应从流域整体视角出发，系统分析从区域尺度的极端干旱到流域尺度的水资源管理，再到水量科学调配的特点。解决湿地生态安全格局的重构问题是首要科学问题。具体包括如何确定并量化影响河湖湿地生态系统的水文特征要素、参数阈值范围，建立河湖生态系统与水量之间的调控关系，适配促进湿地生态良性发展的最优水文条件，尤其是地表-地下水与湿地格局协同演变规律以及湿地生态安全的特征水文节律等。
重点关注人与自然、自然与社会的相互作用关系，从二元水循环理论出发，分析自然过程(降水—蒸发—入渗—径流)与社会过程(缺水—取水—用水—排水)的二元结构关系，剖析自然功能(环境净化)和社会功能(生态破坏)之间的矛盾，强化自然功能(环境和生态)与社会功能(经济社会发展)的和谐统一。坚持目标管理导向，在来水量逐渐减少的条件下，实现水—土—生耦合协同，恢复湿地生态系统功能问题是第二个重点科学问题。其中包括如何实现流域尺度的来水量安全保障、水资源高效利用以及与河湖水量合理调度之间的关系。
4.2 研究取得的最新进展
图1显示了利用遥感影像提取的2020年8月7日与2022年8月5日洞庭湖区水域面积分布图。同样是丰水期，2022年夏季由于极端干旱水面面积急剧缩小，湖泊河道化趋势明显，湿地生态环境严重受损。现场监测资料显示，枯水期洞庭湖区水位下降，洲滩过度发育和抬高，水生态空间缩窄。2021年12月27日城陵矶水文站水位降低至20.04m，水面面积仅504km2，水量仅有6.4亿m3，分别为高洪水位时湖泊面积(2625km2)的1/5、容积(167亿m3)的1/25。
图1 洞庭湖水域面积
(a:2020年8月7日，b:2022年8月5日)
Fig.1 Water area of Dongting Lake
(a:August 7，2020;b:August 7，2022)
利用Landsat遥感影像采用CART决策树分类算法提取洞庭湖湿地植被信息，研究1991—2022年湿地景观格局时空分异规律。图2选取了有代表性年份的时空变化特征，可以看到湿地景观存在显著的空间分布格局，水域和泥滩、芦苇和苔草构成3种典型类型景观，水域和泥滩地形成了洞庭湖湿地的廊道，林地零星分布在西洞庭湖和南洞庭湖区域。
图2 洞庭湖湿地景观时空变化特征
Fig.2 The spatiotemporal variation characteristics of Dongting Lake wetland landscape
湿地不同景观类型的面积也在不断改变，如图3所示。水域和泥滩面积的多年均值为1094.92km2，1991—2022年呈现先减少后增加的趋势。三峡大坝的建设使得水域和泥滩面积分别骤减9.12%和5.64%，之后湿地景观以泥滩向水域转化为主。植被面积的多年均值为1837.88km2，主要植被景观类型是苔草、芦苇和林地，多年来平均占洞庭湖面积的22.63%、28.41%和5.40%。芦苇面积在1991—2010年由926.50km2稳定增加至1285.18km2，之后逐年减少至854.54km2;苔草的面积变化与芦苇相反，经历了先减少后增加的过程。林地面积在1991—2016年逐渐增加，但在2014年之后快速减少了6.43%。
图3 洞庭湖湿地景观面积变化趋势
Fig.3 The trend of landscape area changes in Dongting Lake wetland
三峡大坝的蓄水对洞庭湖的水位变化产生了显著影响。例如，三峡水库蓄水期间，2006年城陵矶水位平均下降2.03m，2009年平均下降2.11m。根据近3年城陵矶水文站的监测资料，如图4所示，2023年1份平均水位为19.28m，比2021年1月平均水位(21.54m)低2.16m;2023年8月丰水期平均水位25.59m，比2020年7月丰水期水位(33.87m)低8.28m。三峡大坝蓄水导致洞庭湖区中低位洲滩提前出露，淹水历时缩短，湖草分布范围向下延伸。此外，三峡水库建设改变了洞庭湖的泥沙情势，自2003年蓄水以来，洞庭湖入湖泥沙量持续减少，2006年以后湖区泥沙淤积量呈负值，湖盆处于冲刷状态，加速了洞庭湖湿地景观格局的显著变化。
图4 洞庭湖城陵矶水文站平均水位变化
Fig.4 Average water level changes at Chenglingji Hydrological Station in Dongting Lake
地表水位的下降必然引起地下水位的下降，尤其是在极端干旱天气的影响下。根据洞庭湖湘阴湿地试验场地下水监测资料，枯水期监测井ZK-3和ZK-7的地下水位在2024年1月比2022年1月下降了超过3.50m，如图5所示。地下水位的持续下降是致使湿地生态系统的格局被迫改变的根本原因，严重影响了湖泊湿地生态系统的重构。
图5 湖区湘阴试验站湿地地下水监测孔水位变化
Fig.5 Changes in water level of wetland groundwater monitoring holes at Xiangyin Experimental Station in Lake District
湘阴湿地试验场地下水水质资料表明，2021年10月至2022年2月，地下水中总有机碳(TOC)、TN和TP的均值分别为1.59mg/L、4.19mg/L和0.5mg/L，地表水中各组分均值分别为0.99mg/L、3.09mg/L和1.32mg/L。地表水中C和N的时间变化与地下水中的变化趋势大致相同，即TOC和TN呈间歇性变化，但变化幅度不同，TP的变化并不明显，仅在12月显著高于其他月份[60]。利用2022年9月至2023年8月水质监测资料，根据水质评价标准对当地的地表水和地下水进行水质评价，如图6所示。33.3%的地表水样达到Ⅳ类水;41.2%的地下水样达到Ⅲ类水质，21.2%属于Ⅳ类水，37.6%为Ⅴ类水。影响研究区地表水水质的主要参数是TN和TP，地下水中TN、
和TP是主要的超标因子。
图6 地表水和地下水水质评价结果
Fig.6 Surface water and groundwater quality evaluation results
4.3 湿地重构应对策略
近年来，中国对湿地生态系统重构的研究聚焦于湿地动植物群落类型、湿地结构及湿地功能3个方面。管桂玲等[61]以长江中下游典型江滩湿地—绿水湾湿地为例，采用湿地基底恢复、湿地水文水质恢复和湿地生态系统结构恢复3项关键技术进行湿地生态系统重构，并提出具体的技术方案。杨胜苏和刘卫柏[57]针对洞庭湖区的生态问题，创新性地提出生态水体重构、生态地质地貌重建及生态景观重现的生态恢复策略。
通过对极端干旱导致的长江来水量减少的自然因素和人为活动致使河湖湿地生态环境退化的因果关系和模式的分析，发现三峡大坝的修建导致长江河床的下切、水位下降和洞庭湖的淤积多重因素是洞庭湖库容锐减、生态环境恶化的根本原因。
从水文地质学角度分析，在大流域分水岭附近的干支流修建水库大坝，汛期蓄水防洪使水位大幅度抬升，地下水分水岭发生迁移并向外流域补给，减少本流域来水量和径流量，这一现象值得深入研究和探讨。为了构建洞庭湖湿地生态系统保育与水文系统的优化模式，增强洞庭湖的调蓄功能，改善洞庭湖的水动力条件，在城陵矶建设水利枢纽工程是保护洞庭湖生态环境的最佳战略对策。
针对洞庭湖区湿地水生态环境污染问题，2018—2020年在湖区内的大通湖开展了首批流域水环境综合治理试点，针对TP存量过多、农业面源污染、人居环境较差等问题，提出了流域控源减污、优化农业产业结构、整治乡村人居环境以及构建治理长效机制等对策和建议[62]。
作为洞庭湖区湿地生态恢复的核心[63]，生态水体的重构应尊重自然规律，重点改善江湖关系，全面提升防洪减灾能力，强化生态修复保护，重建一个能够在短时期内恢复和提升洞庭湖水体自净能力的水生态环境。
5 未来研究的方向
根据现有研究成果客观分析了湖泊湿地生态环境在当前和今后相当长一段时期内所面临的关键问题。未来的研究主要从以下4个方面展开，涉及水文、水文地质、生态和环境等相关学科领域。
(1)极端干旱气象要素变异与流域水文响应关键问题研究。研究区域和流域尺度极端干旱气象要素变异特征，分析流域水文变异对气候要素变异响应的影响机制，构建流域尺度水文要素与气象要素信息互馈模式。
(2)人类工程活动导致流域来水量减少相关问题研究。研究特大型水库兴建与地下水分水岭迁移对流域来水量减少的重大影响，分析水库输沙减少对河道下切及跨流域调水对流域河口水量的影响，探讨河道下切与流域河口流量减少导致溯源侵蚀的危害，探索人类干预自然以及自然对人类负反馈问题，促进人与自然的和谐发展。
(3)流域水库调蓄与调度、河湖水量交换与湿地生态系统演化基础理论研究。研究特枯干旱年的调蓄潜力与水量调度失衡问题，分析地表水和地下水位持续下降对湿地生态系统退化的影响，探讨河湖水量调度失衡与生态系统功能退化等相关关系问题，构建流域大系统分解与区域河湖协调的水生态优化管理模型。
(4)河湖湿地生态保育系统规划策略与战略实施对策研究。研究无效洪水资源截留与调蓄潜力、流域水资源优化配置和调度管理问题，建立维系河湖生态系统水量、水位和水质等影响因素时空最佳适配性格局，探讨河湖水体吞吐兴建水库实施水资源优化配置、综合利用与管理可行性，实施河湖湿地受损生态系统功能恢复与重建、维护生态系统健康永续发展。
利益冲突: 作者声明无利益冲突。
[①] *通讯作者 Corresponding author:周念清，nq.zhou@tongji.edu.cn
收稿日期:2024-01-26; 录用日期:2024-05-23; 发表日期:2024-09-28
基金项目:国家自然科学基金战略研究项目(42242202)和国家自然科学基金(42272291，42077176)资助.
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Abstract: Extreme dry weather is the most important and direct cause of water shortage. The imbalance of water regulation of rivers and lakes cannot alleviate the contradiction between supply and demand of water resources. Under the dual stress of extreme drought and human activities, the river lake wetland ecosystem was seriously damaged and the wetland degradation was significantly intensified. The extreme drought in 2022 has made a huge impact on the middle and lower reaches of the Yangtze River including the wetland ecology of the related lakes such as the Dongting Lake and the Poyang Lake. In order to find out solutions of solving such major problem, this paper, takeing the dependency relationship between the Dongting Lake and the related water systems of the Yangtze River as the research object, through extensive data collection, field survey and theoretical analysis based on the study of the relationship between extreme drought climate characteristics and watershed hydrological response, focuses on the two major scientific issues of water regulation management and wetland ecological risk management and control, and explores the variation characteristics of river and lake hydrological elements under climate change and human activities. Finally, the priority protection and development strategy of ecological environment is proposed and a new governance pattern for wetland habitat and water resource protection in river basin is constructed to realize the goal-oriented management, reverse water dispatch, innovate regulation means and technical methods, optimize the water regulation and management mode of rivers and lakes, and to enhance the water resource regulation and storage capacity. This paper will provide important theoretical value for the coordinated development of water resource utilization and wetland ecological conservation.
Keywords: Extreme drought, rivers and lakes, water dispatch, wetland, ecological conservation
DOI: 10.48014/fcws.20240126001
Citation: ZHOU Nianqing, GUO Mengshen, CAI Yi, et al. Research on wetland ecological conservation under extreme drought and unbalanced water management of rivers and lakes[J]. Frontiers of Chinese Water Sciences, 2024, 2(3): 23-34