（环境科学专业论文）洞庭湖aquatox模拟与生态功能分区.pdf

塑璧塑垒呈! 垒! 塞至堡丝：塞耋黧譬竺釜 a b s t r a c t d o n g t i n gl a k ei sl o a c a t e do nt h es o u t ho fm i d d l er e a c h e so fy a n g t z er i v e r , w h i c h f u l f i l lm a n yi m p o r t a n te c o l o g i c a ls e r v i c ef u n c t i o n s ，s u c ha s ；w a t e rr e t e n t i o n ，f l o o d c o n t r o la n ds t o r a g e ，b i o d i v e r s i t yp r o t e c t i o na n dh u m a ne c o n o m i cu t i l i z a t i o no n d e v e l o p i n ga g r i c u l t u r e ，w h i c ha c t sa sa ni m p o r t a n tr o l e o nw a t e r s h e de c o l o g i c a l c o n s e r v a t i o na n dw a t e re q u i l i b r i u m e c o s y s t e m - b a s e dd o n g t i n gl a k ew a t e r s h e d m a n a g e m e n ti sn a m e l yt os t r e n g t h e ns u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tc a p a b i l i t y , a n dt h u si ti s i m p o r t a n tt oa n a l y z et h er e l a t i o nb e t w e e nd o n g t i n gl a k ea n di t sb r a n c h e s d i v i d et h e w a t e r s h e do fd o n g t i n gl a k ei n t od e f f e r e n ta r e ab a s eo ne c o s y s t e mf u n c t i o no fe a c h a r e a a c c o r d i n gt h et y p eo fe c o s y s t e ma n de c o l o g i c a ln i c h eo fd i f f e r e n tr e g i o n s ，a n d b r o u g h tf o r t hp r o p e rm e a s u r e sf o re a c hr e g i o n t h i sr e s e a r c ht o o km u p i n gl a k e t h em a i np a r to fw e s td o n g t i n gl a k ea sa n e x a m p l e ，s i m u l a t e di t sa q u a t i ce c o s y s t e m ，b y t h ea n a l y t i c a lt o o l so fa q u a t o x m o d e l ， w h i c hc o m b i n e sh y d r o d y n a m i cm o d e l ，w a t e rq u a l i t ym o d e l ，a n de c o l o g i c a lm o d e l ， w i t hm o r e c o m p l e t ee c o s y s t e mr e p r e s e n t a t i o n a n dm o r er e a l i s t i cs i m u l a t i o n c o m p e t e n c e ，s t u d i e dt h ee u t r o p h i ca n da q u a t i ce c o l o g i c a lp r o c e s s ，e x p l i c i t e dt h e r e l a t i o na m o n gt h ec o m p a r t m e n to ft h em u p i n gl a k ee c o s y s t e ma n de a c hd r i v i n g f a c t o r ， t h ee c o ”f u n c t i o nr e g i o n so fd o n g t i n gl a k ea r e ai n c l u d e s4r e g i o n s ：w a t e rb o d y e c o l o g i c a ll a n d s c a p ef u n c t i o na r e ，l a k ew e t l a n dc o n s e r v a t i o na r e a ，w e t l a n dr e s t o r a t i o n a r e a ，a n dp e r i p h e r a la r e af o re c o n o m i cd e v e l o p m e n t + f r o mt h ev i e wo fs u p e r v i s i n g d o n g t i n gl a k eb a s e do nt h ew h o l ew a t e r s h e da r e a ，t h ee c o f u n c t i o nr e g i o n so f o u t s i d ep e r i p h e r a ld o n g t i n gl a k ea r e a w e r ed i v i d e d t a k ec h a n g s h ac i t yf o re x a m p l e ， a c c o r d i n gt ot h eh e t e r o g e n e i t ya m o n ge c o l o g i c a lf u n c t i o nu n i t sa n dt h es i m i l a r i t yo f i n t e r i o ru n i t s ，d i v i d e dc h a n g s h ac i t yi n t o5e c o l o g i c a lf u n c t i o nr e g i o n so nt h ep l a t f o r m o fa r c m a p i n f os o f t w a r e ，w i t hu t i l i z i n gl a n d s a tt m e t mr e m o t es e n s i n gi m a g e i n t e r p r e t e d ，1 ：2 5 0 0 0 0d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ，s o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n td a t a ， p o p u l a t i o no fc h a n g s h ac i t y f o rt h es a k e o fc o n s e r v a t i o na n dr a t i o n a lu s i n gt h e r e s o u r c eo fd o n g t i n gl a k e ，t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h ec h a r a c t e ro fe a c hr e g i o n k e yw o r d s ：g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ；r e m o t es e n s i n g ；a q u a t o xm o d e l ； e c o l o g i c a lf u n c t i o nr e g i o n a l i z a t i o n ；s p a t i a lh e t e r o g e n e i t y 插图索引 图1 1a q u a t o x 描述生态系统概念模型 图1 2 洞庭潮a q u a t o x 模拟与生态功能分医路线 图2 118 2 5 每洞庭湖示意图 图2 219 1 4 年洞庭湖豕意图 图2 319 4 9 年涧庭湖示意图 图2 419 6 9 年洞庭湖示意图 围3 1 演庭湖区遥感影像蚕 图3 ，2 双线性内插 潮3 3 洞庭潮嚣土地利用现状豳， 图4 1 湖泊热分层 图4 2a q u a t o x 模拟豳着藻类 图4 3a q u a t o x 的碎屑厢 图4 。4 氮的熏矿化 4 5 洞庭湖1 9 9 1 2 0 0 2 年蘸浓度变化 4 6 洞庭湖19 9 1 2 0 0 2 年磷浓度变化 4 7 目平湖温度与光照 4 8 目平湖风负荷 4 9 目平湖总悬浮物与透弱度 4 1 0 目平湖d o 与b o ds 4 1 i 目平湖藻类模拟 4 12 目平湖碎屑模拟 4 13 目平湖微型动物模拟 4 1 4 氮动态变亿模拟 4 15 目平潮氮的分布形式模拟 4 。1 6 磷动惑变化搂拟。 4 1 7 磷物质分布模拟 4 18 氨氮浓度不确定性分析 4 1 9 硝酸盐浓度不确定性分析 4 2 0 总可溶性磷浓度不确定性分析 5 1 经济发展水平分区 5 2 生态适窘度分区 v i l l o 4 m m m 湾 硝 如 娟 舵 舛 甜 观 甜 “ 嘶 卯 静 加 他 粥 ” 蹦 匿图蓬图堑图图图图匿图蚕图图图匿匿图 鎏薹塑! 竺竺! 丝兰堡型：兰童塑篁竺篁 圈5 ，3 生态系统服务功能分区 图5 4 生卷功能分区 8 5 8 5 附表索引 表3 1 洞庭湖区遥感数据时相 表3 2t m 的瓦。和& 。值 表4 1 入流、出流计算 表4 2 各出流量范围的相关流速因子 表4 ，3 植物主要蓑算处瑾方法一 表4 4 动物主要差异处理方法 表4 + 50 呼i 驳率值 表4 6 洞庭湖各区域水体筇平均营养监测指标 表4 7 营养相互作用关系。 表5 1 森林资源遥感调查分类简表 表5 2 生态适宜度评价因子分级标准及权熏 表5 3 生态系统服务功能评价因予分级标准及权重 x l8 1 9 3 4 3 5 3 8 3 9 4 2 5 9 6 6 8 2 8 3 8 4 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导f 独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特羽加以标注引用的漆容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的磺究做赛重要贡献的个人和集体，均已在文中敬明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：学t 心、蝇 日期：2 0 0 6 年5 月14 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向圈家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借蚓。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位沦文属于 1 、保密臼，在年解密后透用本授权书。 2 、不保密吖 ( 请在以上相应方框内亨丁“、”) 作者签名： 导师签名： 零 电鹭 嘞础哆 鑫期：2 0 0 6 年5 月1 4 强 日期： 沙萨掌月，6 ，日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 问题的提出与研究意义 湖泊生态功能区建设，是实现湖泊湿地从资源依实体对象的保护，向湖泊湿 地通过结构保护以达到生态功能性保护的战略转变，从资源型直接利用，向功能 型间接利用的战略转变，从维系更大空间尺度的总体生态平衡，保护区域乃至国 家的生态安全，是实现经济发展局部服从整体、眼前服从长远的可持续发展战略 的重要措施和手段。 生态分区经历了从自然分区到功能分区的发展，区划对象也从以自然要素发 展到以“生态系统”为基础。1 9 5 9 年完成了中国自然地理区划草案，1 9 6 1 年完 成了中国自然区划初稿，1 9 7 9 年任美愕等在前人研究基础上进一步完善了中 国自然区划方案，1 9 8 3 年赵松乔编著的中国自然地理总论提出了一个综合自 然地理区划的新方案，1 9 8 8 年侯学煌完成了中国农业生态区划。由于自然区划、 农业区划、植被区划、生态区划等还不能真正反映生态系统的功能差异，其结果 不能直接用于生态保护与建设以及合理确定生产力布局等实践中，而生态功能分 区研究恰好满足了这一迫切要求。2 0 0 0 年傅博杰【2 】等充分研究了我国生态地域、生 态服务功能、生态资产、生态敏感性和人类活动对生态环境的胁迫等要素的特点 和规律，将我国生态环境划分为3 个生态大区、1 3 个生态地区和5 7 个生态区，揭示 了我国不同生态区域单元的生态环境问题及其形成机制，并为我国继自然区划、 农业区划之后的生态功能分区研究奠定一定的基础。同时，各尺度类型与等级结 构的生态功能分区研究也有所进展【3 - - 6 1 。 生态功能分区是我国正在开展的一项关于资源与环境管理的重大基础性工 作，生态功能分区的理论和方法是当前生态学、环境科学、地理学等学科面临的 一项新的热点课题。生态功能分区不仅是以自然要素或自然系统的地带性分异为 基础，更需要以对象的整体、全方位、多元化保护战略思想为基础，充分考虑人 文活动对生态系统提供福利的可持续能力的影响，而这又依赖于人类的价值选择， 因此生态功能区划单元是赋予了人类价值观的。从流域观点考虑问题，以流域为 单元进行生态功能区划分和管理的研究尚处于起步阶段，流域内某一部分系统出 现问题，会影响到其他部分，这就要求进行湖区生态功能分区时，充分考虑该流 域整个汇水范围的生态质量和功能，着重考虑其水系区域的生态功能分区，而且， 由于水域大系统中各子系统的相互关联与相互影响，对水体的生态质量和生态过 程也要有充分研究【7 1 。洞庭湖为一典型的湖泊湿地生态类型，受到了国际有关组织 和我鼹政府及有关部门的高度惹视，势已相应建立了糟干个自然保护嚣，但由子 洞庭湖生态功熊区结构复杂，人类活动强烈，肖必要转变保护策略，并加强管理 和保护。本研究以洞庭濑区域遥感调查为基础，对洞庭湖区的嫩态环境质量进行 遥感调查，得到洞庭潮区域的壤、植被等信息；以谣洞庭湖主体日平湖为 例，采用美国环境保护局( e p a ) 2 0 0 5 年1 2 月发布的a q u a t o x ( v 2 1 ) 模型进行水艇 态过程模拟，分析了潍泊水生态系统备组成部分之闻浆关系和驱动过程；对洞庭 潮湿地与环湖区，通过对2 0 0 2 年洞庭湖区t m e t m 遥感影像解译，得到湖区的土 遣零j 粥、檀被等信息，采翔自上蔼下的等级牲分嚣方法将其分为4 个秘级生态功缝 区：水域生态景观功能区、湖泊湿地保护区、退田还湖湿地恢复区和环湖生态经 济区；并从洞庭潮流域管理角度，以长沙市为侧，对洞庭潮区外围地带进行了生 态功能分区，研究适合干洞庭湖流域的生态系统功能分区方法和指标体系，明确 生态质量、生态环境问题和服务功能重要性空间分异规律，从对洞庭湖的保护和 资源嗣用角度，指出该区的功能、保护髫标与发展方向。 洞庭湖生态功能分区在分析评价区域生态环境特征与生态系统服务功能重要 性空阔分异援律基础上进行区域生态功能分区，弱确备玺态区麴生态缀务功能及 对区域社会经济发展的作用，对于科学制定生态环境保护与建设规划、改善生态 系统管理和科学决策、维护区域生态安全及促进滏嚣经济社会w 持续发鼹具有1 分重要的意义。 1 2 鞣究内容与技术路线 本研究选择位居长江中游荆江段南岸、生态系统复杂多样、对长江中游地区 经济和资源支持具有特殊重要往、对长江中下游地区的防洪安龛和江湖水域生态 系统的总体平衡有关键作用的洞庭湖区作为研究对象，旨在探索适宜予淡水湖泊 区域的生态功能分区掇标体系耧研究方法。研究中将熏点关注和探索潮泊永生态 过程，以及湖医生态适宜性与缴态功能价值空间分异的实现方法等。本研究拟采 取遥感数据、承生态a q u a t o x 模型、地理信惠系统及奎翔模拟等方法与技术， 通过对洞庭湖生态系统现状的模拟与评估，进行生态功能分区，以期为实施和改 进湖泊生态系统管理，推动社会经济可持续发旋，促遴生态学理论与应用的发艇 提供一定的帮助。 1 2 1 洞庭湖区生态环境遥感综合调查 洞庭湖区嫩态环境遥感调查系统研究了区域内各种地质环境组合特征，查明 澜庭溯区区域性遣质环境闫题，为洞庭湖生态功能分区提供基礁牲资辩，为科学 指导洞庭湖区嗽态环境建设与缀济发展提供依据。 针对洞庭湖区第四系地层、断裂构造、土壤类型、地貌类型、土地利用现状、 硕士学位论文 土壤退化、水系分布、植被分布等，进行了湖区1 ：2 5 万遥感专题图的解译，目的 是了解该区生态环境现状，以及影响和制约洞庭湖区工农业生产及地区经济可持 续发展的主要控制因素和潜在危险，为洞庭湖区生态功能分区提供基础资料，促 进湖区工农业生产和经济发展。 1 2 2 洞庭湖a q u a t o x 水生态模拟 保护洞庭湖水体水质与生态景观的一个最大挑战是充分理解湖泊生态环境的 化学、物理、生物之间的关系。生态系统是复杂的，具有季节变化、年际变化、 各物种间的相互作用，许多水体的生物群落遭到损伤，但是由于面对的环境胁迫 因素众多，其原因不明显。很难预测水生群落在污染物或环境条件发生变化时将 如何响应，特别是模型在一时间只能模拟一个胁迫因素，复杂模拟模型应运而生。 图t 1a q u a t o x 描述生态系统概念模型 美国环境保护局( e p a ) 2 0 0 5 年1 2 月发布的淡水生态系统模拟模型a q u a t o x ( v 2 1 ) ，可以预测多种污染物，如营养物、有机化学物的归宿，以及他们对生态系 统的影响，包括鱼类、无脊椎动物、水生植物。a q u a t o x 是一个基于p c 的生态 系统模型，可以预测营养物、有机化学物在水体中的演变，以及对常驻生物的直 接或间接影响。大多数水质模型只能预测污染物在水体中的浓度，不能表征污染 物对有机物的影响。a q u a t o x 模拟多个环境胁迫因素( 包括营养物、有机负荷、 化学物、温度) 以及它们对藻类、大型植物、无脊椎动物、鱼类群落的影响，因此， a q u a t o x 可以帮助识别和理解水质、物理环境、水生物之间的关系。a q u a t o x 可以描述不同的水生生态系统，包括垂直分层湖泊、水库、池塘、河流，如图1 1 所示。选取西洞庭湖主体目平湖为对象进行a q u a t o x 水生态模拟，研究水 体富营养状况、动植物区系、生物量分布等，以及生态系统各部分之间的联系。 翌璧塑型：暨塞型皇当查塑蹩竺量 1 2 。3g i s 技术支持下生态功能分区研究 生态功能分区蔫眼于生态系统的时空异质性，研究区域中由等级系统构成的 空间镶嵌的生态单元结构格局，并通过分区划片揭示出环境功能区在形成、演变、 本底、容最( 或承载力) 、脆弱性和保护方向等方面的差舁性，其基础是规划前期的 生态环境调查和生态环境质量评价工作。其内容包括：经济发展水平分区、生态 环境现状评价、生态服务功能重要性评价以及生态功能分区方案和对各生态功能 区概述。 图1 2 洞庭潮a q u a t o x 横报与生态功蘸分匹路线 本研究基于( 3 i s 的空闻类型分析模型，依据来自遥感数据和其他原位基础数 据源的生物物理参数，这魑参数描绘了生态系统控制因子，包括气候、植被、土 壤、地形和时间的空间变化，进行生态功能评价与分区。同时为了得出生态区域 4 礤士学位论文 结果，对这些生物物臻参数进李于了评估，模型定义的生态单元有层次结构、彼此 相邻鼠唯一。每个区域的唯一特性可以通过使用空间叠置法和从g i s 数据库中共 同记录的信息层进行赢询操作来总结。 1 2 4 方法与技术路线 g i s 的查询、管理、分橱功能和剩用多层空闻数据描述环境的特征，为环境监 测和资源管理提供了方便。各种g i s 相容的数字自然资源和环境数据库的开发，为 g i s 的空间分析功能提供了极大的方便。遥感系统，特别是甚高分辨率雷达 ( a v h r r ) ，为开发生物物理数据库提供了重要环境数据源l s j ，这些数攒以数字形 式存在，覆盏大片区域，具备多光谱、多时段观察能力、高重访频率。随着美图 匿家航空及太空慧署对地观察谤刘( n a s a - - m t p e ) 的执行和新传感系统( 魏中分 辨率成像光谱仪m o d i s ) 的应用可望提供较好的空间和光谱分辨率，大鬃遥感数据 霹翔予区域尺度豹频繁环境鼓溺与分拆。尽管许多研究人员已承认遥感数据弱予 生态分区研究的可能性【9 】，肖人已经使用遥感图像作为生态区域制图参考12 1 ， 但用遥感数据秘g i s 数据库结岔用于生态分区豹方法还不完善 1 3 1 。本研究采用多波 段l a n d s a tt m 、e t m 遥感数据和d e m 数据，弗利用g p s 快速定位和获取数据准确 的能力，为g i s 采集、更新或修正数据，进行洞庭湖区生态功熊分区，其技术路线 如图1 2 所示。 l 。3 国内终研究现状 1 3 1 水生态模拟模型综述 湖泊生态模型研究起步予1 9 6 0 年代，经历了从单滕、单室、单成分、零维的 简单模型到多层、多室、多成分、三维的复杂模型的发展历程，根据复杂性特征可 分为简单豹圈翔模型、褥革豹营养物平餐模型、复杂斡承质一生态一水动力综合 模型和生态结构动力学模型【l4 1 ，并逐渐用于湖泊污染控制和湖泊生态系统的管理 中。湖泊生态摸型研究主要针对塞营养化现象，研究豹要素相对比较集中( 如，p 的循环和浮游植物生长变化等) ，未能涵盖湖泊生态系统动力学的全部，但在一定 程度上反映了湖泊生态系统的动力学变化，且可为全面深入地模拟湖泊豹生态系 统动力学特征奠定基础【1 5 l 。 在1 9 6 0 年代一些简单模型的研究綦础上，1 9 7 0 年代中期后的湖泊生态模型开 始转入对湖泊生态系统动力学交化的撼示上韭椰，尽管研究的目的还主要是为富营 养化服务，但模型关注的对象已超越了对生源要素的模拟，用多层、多室、多成 分的复杂模型来模拟港澹中的物理、纯学、生物、生态和水动力等重要过程【”】。 典型的有j o r g e n s e n 建立的丹麦g l u m s a 湖擞态模裂以及c l e a n e r ( 1 9 7 6 ) o s l 、 l a v s o e ( 1 9 7 8 ) 拳1 3 d w f g a s ( 1 9 8 6 ) 摸型 坤】等。结构动力学摸型【2 0 1 是1 9 8 0 年代螽湖泊 洞庭湖a q u a t o x 模拟与生态功能分区 生态动力学模型的发展趋势，主要是使用连续变化的参数和目标函数来菠殃生物 成分对外界环境变化的适应能力。e x e r g y 是目前生态模理中应用最广的豳标函数， 已用于多个湖泊生态系统【2 “2 2 】。 1 9 8 0 年代后，中国开始开展湖泊的生态一水质一水动力模型研究【2 引，主要集 中在滇池1 2 4 1 、太湖2 6 1 、巢湖1 2 7 】和东湖1 2 8 】等。 用于模拟湖泊生态动力学变化的模型软件有：w a s p 、c e q u a l i c m 、 a q u a t o x 、p a m o l a r e 、c a e d y m 等，主要用来对物质流动和生态系统结构变 毒匕进符模拟。c e q u a l 是一维摸塑，雳来模拟混会良好豹海| | 与湖泊瑟”。 w a s p ( w a t e rq u a l i t y a n a l y s i ss i m u l a t i o np r o g r a m l 由e p a 开发，是一个用于模拟地 表水中污染物运移和转化豹通璃模型橙架，可用子一维、二维、三维的水质模拟 问题，适用予池塘+ 湖泊、水阵、河流、河口和沿海水域。但是它对生态系统中 生物组分的考虑不足。p a m o l a r e ( p l a n n i n ga n dm a n a g e m e n t o fl a k e sa n d r e s e r v o i r sf o c u s i n go ne u t r o p h i c a t i o n ) i tu n e p 邋际环境技术中心和国际湖沼环境 委员会联合资助开发，根据所研究对象的不同，可以选择使用4 种不同类型的模 型 3 0 l ：v o l l e n w e i d e r 模型，l 层潮泊模型含4 个静森参数，2 层潮泊模型， 结构动态模溅，适用于不同的湖泊。c a e d y m ( c o m p u t a t i o n a l a q u a t i c e c o s y s t e m d y n a m i c sm o d e l ) 是由u n i v e r s i t yo fw e s t e r na u s t r a l i a 的c w r ( c e n t r ef o rw a t e r r e s e a r c h ) 开发，它是一个通用的生态模型，可方便地同一些水动力学模型进行结 合j ，适用予多种不弱类型的水体，尤其是底泥释敖薰比重大熬湖泊。此外，对 于湖泊生态系统中的能流问题，可用e c o p a t h 模型模拟。 1 3 2 洞庭湖水生态模拟 对洞庭湖的生态模拟研究仪限于根据底栖幼物、水生植物、浮游植物等进行 水质评价阻1 ，戴友芝等1 9 9 5 年拮水、平农、丰水期对澜庭湖设6 个断面进行采样， 根据底栖动物种类及数量各断面左、中、右或左、右采样点监测的平均值确定底 栖动物相组成、常见种及其分布，并计算出t r e n t 生物指数、c h a n d l e r 生物类群溅 分数、g o o d n i g h t w h i t l e y 指数和s h a n n o n - w e i n e r 多样憔指数等。各断面生物指数 均取其在不同水期( 枯、平、丰) 的平均值。根据拟定的标准，将上述4 种生物指数 按内撬法换算成污染分指数，然螽祠舔混合燕投模式算出各采祥断蠢的综合生物 污染指数，并结合水质理化指标监测数据，对洞庭湖水质作出综合性评价。并运 用m o r i s i t a 指数公式诗冀个体散布指数，定量搐述底栖动物常览种的空闼分泰型 式【3 ”。简永兴等借助g p s 定位对洞庭潮水生植物进行定点多次调查，并使用o l s 软件求算各群熬褒块赝占百分比与分布颟积，备群丛设爨样方，计算s i m p s o n 多 样性指数和s h a n n o n - w i e n e r 多样性指数。比较研究了洞庭潮区华容县东湖、益阳 市大通湖和岳阳市郊南湖水生植物多样性的现状，讨论了3 0 年来3 个湖泊水生檀 物多样性丧失躬情况及与其所受人为干扰豹关系p 钠。研究集中子对洞庭濒的洪调 洪能力的评估数学模拟【3 5 3 6 1 ，如利用遥感数据源，分析洞庭湖区域的水位一面积、 水位一容积的关系，建立洞庭湖区域攀洪调节关系p ；或对洞庭潮流域范围的水 过程进行模拟，研究不同降水条件下，发生的洪水永佼变化，总结洞庭湖流域成 洪成灾特点，在洪水发生时进行洪水实时预澳1 1 3 引。以及三峡工程对洞庭湖水位f 3 9 1 、 永环境容量f 4 刺、洲滩两积h 、防洪和气候生态环境静彰翡【4 2 1 ，李义天等献永沙运 动的连续方程和槽蓄方程出发，建立了能反映水沙基本规律，内部节点物理意义 清楚的河瓣神经网络模型。慰长江中游承沙运动宏蕊规律避露模拟，接述客观水 沙输移规律。较好的反映了四水不同的来水来沙过程对洞庭湖区水沙运动变化的 影响以及荆江与洞庭湖关系1 4 3 。 1 3 3 生态功能分区 最近凡年，科学家逐滚意识到必须采耀生态系统於观点进露垮境资源的研究、 清查与管理。资源的品质、资源之间的相互联系及人类对资源的影响在不同地区、 不同时间有缀火不冠。有一些公认的区域【4 4 】在环境变源组成、生态系统、以及人 类影响方面具有相似性，被称为生态区域，如何定义生态区域对生态风险评价很 关键，需考虑区域承载力、恢复力、以及可达到的生态系统质最【4 5 】。 虽然对生态区域的存在有普遍共识，但是由于对生态系统的理解不间、生态 区域效用不同、以及人类适应性不同，对怎样定义这些生态区域有很多争论【4 ”。 意觅较为一致的定义是：生态区域由考虑到生态系统生物与环境相互作用、柜对 均质的区域组成。r o w e 47 】认为生态区域应包括生物( 包括人) 所占据的空间数量与 质量，这意味藿生物纛论群体或今俸，和它翻爨占据的空闺都不是系统豹中心。 整体的每一个部分，谯时间和空间上有不同的类型，这更为全局的定义更为人 历接受f 4 钔。 定量生态分区是形成对生态系统清晰理解的障碍。g r i g g 认为有效的生态分隰 应定量、客观，并假定确定的生态过程决定一定尺度的地理空间类型，他指出这 种定鳖的分区原则对欧湘和俄岁斯的墩态分区允为适合，而主观的方式更适于鹾 欧和北美1 4 ，但是现在纯粹用定量技术进行生态分区几乎不成功。l e v i n 认为，生 态学的中心翔嚣是类黧与尺度闷题。他强谣要在时闯和空间雏瑗解生态系统类黧 以及生态系统类型的原因和结果，必须采取合适的方式量化这熄类型。l e v i n 所提 到的类塑无疑是撵生态系统豹区域经，或者各静尺度的生态区域。然面，只套焱 对生态系统、生态系统组成单元和人类千扰进行足够的、互补的、定性的地理研 究，这种研究才是有意义的1 5 仉。 生态分区研究一煮具有挑战性且存在争议，基于假设在不同区域有不同生物 ( 包括人类) 承载能力的嫩态方法进行有效生态分区的观点，后来被归结为环境决定 7 洞庭湖a q u a t o x 模拟与生淼功能分区 论，傻这秘蕊点使人们对生态系统有了更深的理解。在生态分送中结合人文和科 学，仍然存在阻力阶5 2 , 5 3 1 。 随着人们对生态系统的使用价值和价值的认识加深，并运用货币化手段对人 类活动的费用和效益进行有效的度量，对生态系统效益进行价值评价f 5 4 1 。皮红裁 5 5 1 根据洞庭湖澡地生态系统服务功能价值的主要类型【5 6 】，将洞庭湖湿地生态服务 功能价值划分为3 类：直接使用价值( 初级原材料生产功能、潍业生产功能、农 业生产功能，文化旅游休闲功能，蓄供水功能) ；间接使用价值( 调节气候功能， 维护生物多样瞧功能，净纯求蔟功髓，调蓄洪水功能) ；非使羽价值( 保护野生动 物功能) 。采用的评价方法为：服务功能、初级原材料生产、农业生产、濑业生产、 文化旅游体阉、蓄供水、保护野生动物，采用市场价德法；生物多样蛙采壤机会 成本法；净化水质采用影子工程法；调节气候采用碳税法和造林成本法；调蓄洪 水采用替代费用法。 生态服务功能价慎评价方法存有许多缺限，如不能准确地对生态系统服务功 能的躲体性做出准确评价，评价模式简单，不能全面考虑，从而无法对生态服务 功能掇磷定价。 对洞庭湖区生态功能分区的研究发展缓慢，邓集余根据土壤的元素或氧化物 含量，慰洞庭潮地区的地球恁学土壤质量进弦了优、劣分区吲。姜加虎网根据洞 庭湖区不同湿地类型以及湿地不同区域的生态位，将洞庭湖生态功能保护区划分 为3 犬类，依据生态服务功能的保护对象、保护方式，以及监翳管理形式、利熙 途径划分子区。湖泊湿地调洪地保护区( 湖滨滩地保护区：湿地景观与生物多样 性保护送) ，退田还湖调洪功能恢复区( 双退堤垸湿地生态恢复区；单退堤垸生淼 移民区) ，环湖生态缀济区( 生态产业发展区；内游生态利用与恢复区) 。 第2 章洞庭湖区域生态环境概况 2 1 自然地理概况 ( 1 ) 地理位置 洞庭湖区位于长江中游荆江南岸，跨湘、鄂两省。包括荆江河段以南，湘、资、 沅、澧四水控制站以下的广大平原、湖泊水网区。湖南省境内辖常德、益阳、岳 阳、长沙、湘潭、株洲等六市的3 3 个县( 市、区、场) ，湖北省境内辖荆州地区松 滋市部分、公安县和石首市。洞庭湖北接藕池、松滋、太平三口( 调弦口于1 9 5 8 年堵闭】入湖洪水，西南有湘江、蛊江、沅水、澧水四水汇入，湖区周边有泪罗江、 新墙河、沩水等中小河流直接入湖，经湖泊调蓄后，由城陵矶注入长江，构成复 杂的江湖关系。洞庭湖现有天然湖泊面积2 6 2 5k m 2 ，加上与天然湖泊相通的洪道 面积1 4 1 8k i n 2 ，共有4 0 4 3k m 2 ，是我国面积第二大的淡水湖泊。湖体呈水网分布， 目前主体已分化为西洞庭湖( 目平湖为主体) 、南洞庭湖和东洞庭湖三个不同湖区。 ( 2 ) 自然地理环境 洞庭湖区东部地带属于湘东山丘区的西缘，南部属湘中丘陵区，西部属湘西北 山原山地区的东缘。中部北部为洞庭湖冲积平原区，海拔在5 0 m 以下，地势平坦 开阔；四周为低山丘陵所围绕，海拔在1 0 0 m 以下，丘岗起伏，冲垄交错；外围东 西两侧的边缘山地，海拔在5 0 0 m 左右。 ( 3 ) 人口与社会经济 洞庭湖区俗称“鱼米之乡”，是我国重要的商品粮、棉、油和水产品生产基地， 目前有1 1 个商品粮基地县，4 个水产品基地县，农产品商品率在6 0 以上。2 0 0 3 年洞庭湖区总人口1 5 1 0 3 万人，其中乡村人口1 2 3 6 7 万人。地区生产总值为 1 3 6 3 5 7 亿元。粮、棉、油、麻和水产品产量依次为6 7 1 8 6 万吨、1 6 3 0 万吨、4 8 1 3 万吨、7 9 4 8 万吨。发达的农业为湖区工业发展提供了较为丰富的资源，湖区工业 以石油、化工、食品、纺织和造纸等为主导。水患市制约湖区社会经济发展的主 要矛盾。由于泥沙淤积和人工围垦，洞庭湖不断萎缩，调蓄滞洪功能下降，引发 江湖水位不断升高，最高洪水位被不断突破，威胁农业生产的稳定，影响第二、 第三产业在湖区的布局，不利于产业的均衡发展。 2 2 生态环境演变 2 2 生态环境演变 洞鑫湖a q u a t o x 模拟与生态功能分区 关子洞庭潮豹成嚣和演变的研究很多，看法也缀多。有的认为是构造湖，有 的认为是古云梦泽的残留湖，也有的认为是人为引起的长江的伴生湖，苏成等【5 9 】 人根据洞庭湖区的地质地貌、环境变迁、人类活动等的研究分柝认为洞庭潮是出 构造运动奠定基本格简，又叠加了江河作用以及人类活动的多豳素的混成湖。 ( 1 ) 洞庭湖形成初期洞庭湖发育于晚更新世末至全新世初的河湖切割平原， 全球气候温暖，中全新世翠中麓，湘、资、沅、澄因水汇聚洞庭濒盆地，壅塞成 大湖。中全新世晚期，气候温暖偏干，四水复含三角洲迅速向湖区推进，前期浩 激大湖已被分割成若干个小潮。商周至秦汉，气候温暖多泵，洞庭湖因承复会三 角洲平原的分流河道排水不畅，河间洼地发育众多湖泊和沼泽【删。长江洪水经云 梦泽调誊后下汉口，汪患甚少。 图2 118 2 5 年洞庭湖示意图 图2 219 1 4 年洞庭湖示意豳 飘2 31 9 4 9 年调庭湖示意图 图2 41 9 6 9 年濒瘫湖示意豳 1 0 硕士学位论文 ( 2 ) 洞庭潮逐步扩大与荆江大堤形成期 魏晋至明代，由于长江及汉水挟带大 量泥沙进入云梦泽，云梦泽逐渐淤积，演变成大面积的洲滩及星罗棋布的小湖群。 洪水发生逐渐频繁，太平、调弦口大燕洪水入湖，洞庭湖不断扩大。至公元1 5 4 2 年，形成统一的荆江大堤河江汉平原。 ( 3 ) 相对稳定时期荆江大堤形成后，江水不再分流向江汉平原，荆江河段水 位逐渐抬升，江水改道南侵入洞庭濮，使洞庭湖逐年扩大，1 8 2 5 年达到6 0 0 0k m 2 ， 如图2 1 所示。上下荆江泄量大体一致，江湖关系相对稳定。 ( 4 ) 逐步衰亡期1 8 6 0 年、1 8 7 0 年，藕港、松滋耀继溃目，四日鬻流局嚣形成， 同时挟带大量泥沙入湖淤积。洞庭湖逐步衰减，湖区洲滩迅速扩展，如图2 2 所示。 至1 9 4 9 年洞庭湖面积减少到4 3 5 0 k m 2 ，如图2 3 赝示。 ( 5 ) 近期1 9 6 7 年，湖北境内通江湖泊被围堵，与江隔绝，失去了调蓄长| 江洪 水的功能。洞庭湖水丽再次减少至u j 2 9 4 3 k m 2 ，如图2 4 所示。洞庭潮来水量大而泄 量有限，水患频繁。1 9 6 7 年一1 9 7 2 年下荆江中洲子、，t 车湾人工裁弯取矗，沙滩 子发生自然裁弯。裁弯后流程缩短，比降加大，河床发生溯源冲刷，使上游同来 流量下沿程术位发生不同程度的降低。_ 蠢城陵矾一螺由河段不断淤积使城陵矾附 近水位逐年抬高，洞庭湖泥沙不断淤积，湖容减少，泄洪道淤寨，1 9 9 8 年湖区特 大洪水质，进行豹平垸行洪、邋田还潮、移民建镇工稷实施嚣，溷庭潮共计还潮 面积可达7 7 8 k m 2 ，可增加蓄水容积3 4 8 亿m 3 。 2 3 主要生态环境阁题 2 3 1 水质污染 由于地理位置的特殊性，受江湖关系制约，洞庭湖水多为过境客水。其主要 使用功能有养殖、饮用水源、游泳以及人体非赢接接触豹旅游居住环境、农业灌 溉等a 现在由于水体污染，这些功能的使用价值正在不同程度地降低，已不适宜 作为饮用水源和游泳用水，对养殖、厝住、旅游、农业灌溉等功能尚可接受。 根据湖南省洞庭潮环境傈护监测站1 9 9 1 2 0 0 0 年洞庭湖水环境质量监测年 报数据，洞庭湖水真色变化范围在9 2 3 标号之间，1 0 年平均值为1 4 。水温年 际变化幅度为1 6 3 1 9 8 。c ，1 0 年平均值为1 8 4 。c 。透明度最离可达o 7 m ，最低 为0 0 5 m ，最低值出现在长江入湖河道，主要是泥沙造成。湖水电导率攀节性变化 太，在1 3 5 3 7 4 之闯，丰永期 平水期 枯水期。永俸憨浮物以来水泥沙为主，褒 1 1 8 1 1 8 5 7 m g 1 之间，平均值2 0 5 4 m g 1 。 洞庭潮水c o d m 。测值变化在1 7 2 6 7 1 m g 1 之间，均值为2 8 1 m g l ，洞庭湖 水氮含量以无机氮为主，占总氮含量的9 0 4 。总氮变化在o 6 7 1 9 4 m g 1 之间， 平均德为1 1 6 r a g 1 ，总氮与硝态氮、氨氮3 种形态氮变化趋势v 一致，年际变化呈 涧庭湖a q u a t o x 模拟与生态功能分区 波浪式上扬。洞庭湖水总磷含量变幅为0 0 4 8 0 9 4 9 m g 1 ，平均值为o 0 3 3 m g l ， 年际问总磷含量变化不大，最高值在2 0 0 0 年，表明总磷的含量有加大趋势。 洞庭湖水p h 值在7 4 1 8 2 0 之间，1 0 年平均值为7 6 8 ，处于综合平衡状态。 溶解氧变化在5 3 0 1 1 6 0 之间，1 0 年较为一致。近1 0 年，洞庭湖大肠菌群在2 3 0 2 3 8 0 0 个1 之间，细菌总数在5 5 6 7 0 个菌落m l 之间。 据湖南省洞庭湖环境保护监测站的调查，洞庭湖区现有工业污染源1 8 0 3 个， 其中重大污染源1 4 1 个。湖区年排废水3 6 1 9 1 0 8 m 3 以上，尤其是化工、造纸、印 染、食品等废水直排入湖，污染湖泊水体。湖区农药施用量近2 万吨，还有沤制 黄红麻废水、投放铬渣和五氯酚钠等血防药物等均给洞庭湖造成严重污染。 洞庭湖水体处于中一富营养状态，营养程度年际变化有从弱走强的趋势，表 明洞庭湖水体有富营养化的潜在威胁。洞庭湖十年水质综合指数为0 4 3 0 1 ，属轻 度污染；主要的污染指标为t n 、t p 、c o d m 。：营养类型为中富、富营养型两种。 生态移民和三峡工程对洞庭湖水质影响不大，但对局部水域富营养化进程有加大 的趋势f 6 ”。洞庭湖的氮、磷来源中以面源污染为主，其中河道入湖与生活污染占 的比例最大，二者占总量的9 5 以上。入湖河道中氮、磷来源最多的是长江三口 和湘江，二者占入湖河道营养盐输入的7 0 ，其中由长江三口输入的限制性营养 盐总磷占到入湖河道总量的6 0 以上，占入湖总磷量的2 3 【6 3 1 。 张建波等根据2 0 0 0 年在不同水期对洞庭湖底栖动物种类和数量分布，计算出 s h a n o n w e i n e r 多样性指数。对洞庭湖水质作出了综合性评价。结果表明，目前 洞庭湖整体水质受到轻度污染，其中西洞庭湖水质较差，南洞庭湖与东洞庭湖水 质相对较好1 6 4 。 洞庭湖水环境污染有如下特征【65 】：洞庭湖水质污染逐渐加重，以氮磷污染 为主，生活污染较突出。整体水质污染和富营养化程度较轻，但污染程度地域 差异较大。以水域而论，水质污染程度由重至轻为：长江三口水系 西洞庭湖