周白兰，邓 杨，张 云，钟荣华

(云南大学 国际河流与生态安全研究院，云南 昆明 650500)

水库消落带（Water Level Fluctuating Zone，WLFZ）是指蓄水调节导致水库水位周期性变化，在水库岸边产生的周期性出现的一个水陆生态系统的交叉地区，一般特指水库最低水位线与最高水位线之间的地貌单元[1-3].消落带作为陆地生态系统和水体生态系统交替作用区，同时具备着双重特性[4]，是沉积物、有机质、肥料及杀虫剂等物质流入周围水体的最后一个生态屏障，对周围水体生态系统和陆地自然生态系统都起着廊道、过滤等重要功能[5-6]，同时对生物多样性保护、生态安全和生态服务等方面有较大影响[7].消落带因受库水周期性的淹没浸泡和水位涨落形成的侵蚀与风化影响，其原有岸坡植被消亡殆尽，土壤理化性质明显改变，进而产生一系列的生态环境问题[8-9].

金沙江流域是长江的上游，流域面积约5.0×105km2.位于云南、四川两省的金沙江下游河道（自攀枝花市至宜宾市），全长782 km，落差729 m.该河段边坡陡峭，河流湍急，水量充足而稳定，落差大而集中，因此建设大型的梯级水电站在发电方面具有很大发展潜力，在西南地区甚至全国都占有非常重要的战略地位，是国家规划的“西电东送”的主要供电基地[10-11].为了充分利用金沙江流域丰富的水能资源，目前已在金沙江下游规划兴建乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝4 个巨型梯级电站，并且皆已建成投产，总装机容量高达46 460 MW，相当于2 个三峡工程[12].

4 大梯级电站的蓄水运行必将形成大面积水库消落带.目前，有关消落带的研究大多集中在三峡库区消落带，关于金沙江下游库区消落带受到的关注较少，近几年才有相关研究报道，并主要围绕消落带植被调查及生态恢复方面.例如，刘金珍等[13]将乌东德水库坝前段消落带分为18 种生态类型，根据不同的生态类型，提出了4 种生态修复模式，并选择了10 种植物作为生态修复物种.江维薇等[14]研究了金沙江水库消落带优势植物的生态适应性、种间内在联系以及群落演替现状.孙龙等[15]调查了2019 年和2021 年向家坝和溪洛渡库区消落带植被，对此采取不同的植被恢复策略.消落带在不同地区其气候、水热状况、地形地貌等都有显著差异，对消落带植被分布和生态恢复有明显影响[16].然而，现阶段对金沙江下游水库消落带的空间范围及分布特征却少有研究和报道.基于以上背景，本研究选取金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝4 大梯级水库，通过对库区高精度的遥感影像解译和地形图提取，获取了各水库消落带面积并对其空间分布特征加以分析，以期对客观认识金沙江下游梯级水库消落带的空间分布状况提供重要参考.同时，研究结果可为金沙江下游水库消落带的生态问题、环境变化、土壤改变、地质灾害等相关研究工作提供基础数据支撑，并为电站管理部门对库区的安全运行管控和相关部门制定消落带生态恢复和环境治理计划措施提供依据.

1 研究区概况

金沙江下游水能资源极为丰富，依次规划开发有乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝4 个巨型梯级水电站.水电站首要任务是发电，除满足沿岸需求外，还是“西电东送”的骨干电源点，同时兼有防洪、拦沙、改善下游航道条件等综合效益.4 个库区范围共涉及云南省楚雄彝族自治州、昆明市、曲靖市、昭通市和四川省凉山彝族自治州、攀枝花市、宜宾市共7 个州（市）22 个县（区）（图1）.

图1 乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝水电站位置示意图Fig.1 Location of Wudongde,Baihetan,Xiluodu and Xiangjiaba hydropower stations

乌东德水电站是金沙江下游梯级水电站的第1 级，坝址位于云南省昆明市禄劝县和四川省会东县交界处；白鹤滩水电站是金沙江下游梯级水电站的第2 级，是世界第二大水电站，仅次于三峡水电站，坝址位于云南省巧家县和四川省宁南县交界的金沙江峡谷上，上距乌东德坝址182.5 km，下距溪洛渡坝址195 km；溪洛渡水电站是金沙江下游梯级水电站的第3 级，坝址位于云南省永善县和四川省雷波县交界的金沙江干流河道上；向家坝水电站是金沙江下游梯级水电站的最后一级，坝址位于云南省水富市和四川省宜宾市交界的金沙江河道上.金沙江下游4 个库区基本信息见表S1（详见支撑信息附录）.

2 研究方法

2.1 数据来源本文应用的基础数据来源于日本对地观测卫星ALOS（Advanced Land Observing Satellite）卫星相控阵型L 波段合成孔径雷达（PALSAR）生产的高程数据（https://search.asf.alaska.edu/），空间分辨率为12.5 m.通过ArcGIS 软件的水文分析、空间分析等工具，提取出金沙江乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝4 个水电站所在库区的分布范围，并结合野外调查考证，明确消落带的空间范围.

2.2 消落带空间分布特征提取根据各水库的调度运行情况，可知在金沙江乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝4 个水电站完全运行后，将分别在各自库区形成涨落幅度最高可达30 m（945～975 m）、60 m（825～765 m）、60 m（540～600 m）和10 m（370～380 m）的水位波动区.因此，基于水位高程以及水位落差分析消落带面积，并整合到一起，从消落带干支流、不同县域、不同水位高程和不同坡度分布面积分析消落带的空间分布特征.

2.2.1 消落带的面积提取 使用ArcGIS 软件重分类、栅格转面和裁剪等工具，分别对每个水库最高水位线和最低水位线作为边界栅格进行切割，初步获取各水库正常蓄水水位波动带.然后结合对4大梯级水库野外调研考证，进一步明确各水库的水位波动范围，进而确定各水库消落带边界.将确定的各水库消落带栅格边界数据矢量化，计算4 个水库的消落带面积.

2.2.2 干支流消落带的面积分布 对经过ArcGIS软件水文分析后得到的金沙江流域水系图进行河流分级，并以此提取出干流和支流的流域矢量数据，叠加金沙江消落带空间分布栅格数据，统计分析获取干支流的消落带面积.

2.2.3 不同县域消落带的面积分布 以上述提取的金沙江消落带栅格数据叠加行政区划图，并进行分区统计，得到不同县域消落带面积.

2.2.4 不同水位高程消落带的面积分布 利用消落带最高和最低水位线高作为边界进行切割，按照每10 m 间隔分级，分别计算消落带不同高程范围内的消落带面积.

2.2.5 不同坡度消落带的面积分布 根据坡度划分标准以及金沙江流域的地质地貌特征，将金沙江下游库区消落带的坡度划分为5 个等级：坡度＜15°，[15°～25°），[25°～35°），[35°～45°）及坡度＞45°.利用ArcGIS 软件空间分析工具，结合金沙江12.5 m 分辨率的高程数据，提取消落带坡度图，将坡度图按以上划分标准进行重分类，再叠加金沙江库区消落带面积数据进行统计，得出4 个库区消落带不同坡度的面积统计值.

3 结果与分析

3.1 4 大梯级水库干、支流消落带面积分布利用ArcGIS 软件对金沙江下游水库12.5 m 分辨率的AlosDEM 栅格提取，并结合野外调查考证，得到金沙江4 个水库消落带总表面积231.02 km2，总投影面积为202.88 km2.其中，干流表面积142.12 km2，支流表面积88.90 km2.在金沙江4 个梯级水库流域范围内，主要支流有普隆河、龙川江、黑水河、小江、普渡河等.支流中消落带表面积最大的是白鹤滩库区的黑水河，消落带表面积为18.78 km2，其次是白鹤滩库区的小江，消落带表面积为11.78 km2.

3.2 不同县域行政区消落带面积分布4 大梯级水库的消落带总共涉及云南省楚雄彝族自治州、昆明市、曲靖市、昭通市和四川省凉山彝族自治州、攀枝花市、宜宾市共7 个州（市）22 个县（区）.4 个库区内各县（区）消落带面积统计见表S2（详见支撑信息附录）.白鹤滩、溪洛渡、乌东德和向家坝消落带表面积分别为96.62、65.60、56.29 km2和12.51 km2.凉山彝族自治州会理、会东、宁南、布拖、金阳、美姑、雷波7 个县在4 个库区范围内，其消落带表面积之和为86.68 km2，占库区消落带总面积的37.52%.其中，会东和宁南两县的消落带表面积为46.30 km2，占白鹤滩库区消落带面积的44.83%.昭通市境内的消落带主要分布于巧家县和永善县，其表面积达59.73 km2，大部分位于白鹤滩和溪洛渡库区内.乌东德库区消落带主要分布在仁和区（10.69 km2）、会理县（14.04 km2）和元谋县（15.64 km2），共占总面积的17.48%.向家坝库区消落带则在屏山县（5.41 km2）和绥江县（3.91 km2）分布较多.

3.3 不同水位高程消落带面积分布消落带不同水位高程承受淹水时间、频率的程度差异，反映其植被所受淹水胁迫强度[17]，所以高程是影响消落带土壤氮、磷等元素分布及植物多样性的关键因子之一[18-19].乌东德水库的水位落差高达30 m，白鹤滩水库与溪洛渡水库的水位落差均高达60 m，因此本文选取这3 个水库分析不同水位高程消落带面积分布.根据乌东德水库正常调度运行方案可知，乌东德水库在1 个运行年周期内，水位的涨落波动范围为945～975 m.利用消落带最高水位线（945 m）和最低水位线（975 m）作为边界进行切割，并按照每10 m 间隔[945，955）、[955，965）、[965，975）计算不同高程范围的消落带表面积.由图2（a）可知，乌东德库区3 个高程范围内的消落带表面积呈增长的趋势，海拔[965，975）m 的高程范围消落带的表面积最多（19.56 km2）.

图2 乌东德、白鹤滩和溪洛渡库区消落带高程分布Fig.2 Distribution of WLFZ with different elevations in the Wudongde,Baihetan and Xiluodu Reservoirs

白鹤滩水库在1 个运行年周期内，水位的涨落波动范围在765～825 m 之间.利用消落带最高水位线（825 m）和最低水位线（765 m）作为边界进行切割，并按照每10 m 间隔[765，775）、[775，785）、[785，795）、[795，805）、[805，815）、[815，825）m 共6 个分级，分别计算不同高程范围的消落带表面积.由图2（b）可知，以10 m 高程为间隔的消落带面积呈平缓的趋势，在6 个高程范围内分布均匀，其表面积均在15 km2左右.海拔765～775 m 的高程范围消落带的表面积最少（14.98 km2）.

溪洛渡水库的水位涨落波动范围在540～600 m 之间.利用消落带最高水位线（540 m）和最低水位线（600 m）作为边界进行切割，并按照每10 m 间隔[540，550）、[550，560）、[560，570）、[570，580）、[580，590）、[590，600）m 共6 个分级，分别计算不同高程范围的消落带表面积.由图2（c）可知，溪洛渡水库消落带表面积在6 个高程范围内分布更为均匀，其面积均在11 km2左右.金沙江下游河道多为峡谷地貌，两侧皆为陡峭的高山，因此消落带在不同水位高程分布面积较为一致.

3.4 不同坡度消落带面积分布消落带坡度不仅决定消落带面积大小，还影响其库岸坡体稳定及坡面生境.孙龙等[15]将金沙江下游向家坝和溪洛渡水库的消落带主要分为硬岩型、软岩型、松软堆积型3 种类型以及这3 种类型的复合型.这些类型有明显的坡度特征，硬岩型消落带地形陡峭，坡度一般在30°以上；软岩型消落带坡度较缓，地形呈阶梯状；松软堆积型消落带则是坡度平缓的河滩和阶地，消落带植物主要分布在这一类型.在水库建成蓄水后，不可避免地会发生泥沙沉积，而坡度越大越不利于泥沙沉积.经过实验证明，三峡水库消落带坡度与泥沙沉积强度间呈负相关关系[20].在生态修复原则上，坡度的大小决定是否进行生态修复.根据乌东德库区坡度分布特点，坡度＜40°时可采取人工植树种草的生态修复方式，而对于坡度＞40°的区域则禁止植树种草，采取封禁管护的保留模式进行生态修复[13].植被覆盖率也与消落带坡度有明显的趋势关系.研究表明，植被覆盖率随着坡度增大先增大后减小，不同坡度梯级具有不同的优势物种[21].因此，有必要对消落带坡度进行分析.

乌东德、白鹤滩和向家坝水库不同坡度的消落带表面积分布均随坡度增加而减少，而溪洛渡水库消落带主要分布在坡度15°～35°（图3）.金沙江4 个库区流域消落带分布共涉及22 个县（区），其不同坡度表面积见表S3（详见支撑信息附录）.4 个库区范围内，坡度＜45°的消落带表面积为215.86 km2，占消落带总面积的93.44%，其中坡度＜15°的平缓坡消落带表面积（76.68 km2）最大，约占总面积的33%，且其主要分布在巧家县和元谋县.坡度15°～35°之间的斜坡、陡坡分布的消落带表面积约占总面积的一半（108.15 km2）.坡度＞35°的急陡坡、急坡、险坡分布的消落带表面积占比不到20%，且大部分分布在巧家县、永善县和雷波县.在对消落带进行生态修复时，建议地方政府不同坡度应选取不同的植物.以乌东德库区为例，高程在945～960 m、坡度＜40°的土质型或岩质型土壤以及高程960 m以上、坡度为25°～40°的岩质型土壤可种植狗牙根（Cynodon dactyton）、香根草（Vetiveria zizanioides）等耐淹草本植被防止水土流失；高程在960～970 m、坡度＜40°的土质型土壤以及高程在960 m 以上、坡度＜25°的岩质型土壤则适宜种植黄荆（Vitex negundo）、小桐子（Jatropha carcas）等耐淹灌草植被[13].

图3 4 个库区消落带坡度分布趋势图Fig.3 Distribution of WLFZ with different slope gradients in the four reservoirs

在不同坡度上，金沙江梯级水库、澜沧江小湾与糯扎渡水库、三峡水库三者消落带面积都随坡度增加而减少，在平缓坡段分布最多[22-24].三峡库区因地处平行岭谷地貌区，坡度＜15°坡段的消落带面积占总面积60.90%.但是，金沙江梯级库区大都出自高山峡谷地貌区，山高坡陡，坡度＜15°的平缓坡消落带面积仅占总面积的33%左右，这使得金沙江梯级水库尽管水位波动大，但在成陆期间消落带出露的土地面积远比三峡库区要小.

4 结论

（1）金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝4 个梯级水库消落带总表面积为231.02 km2，投影面积为202.88 km2.其中，干流表面积为142.12 km2，支流表面积为88.90 km2.不同库区消落带表面积分别为白鹤滩（96.62 km2）＞溪洛渡（65.60 km2）＞乌东德（56.29 km2）＞向家坝（12.51 km2）；

（2）金沙江下游4 大梯级水库消落带面积分布共涉及云南省和四川省共7 个州（市）22 个县（区）.其中，巧家县消落带表面积最大（36.23 km2），占库区消落带总面积的15.58%，其次是会东县（24.94 km2）和永善县（22.90 km2）.

（3）在海拔梯度上，乌东德水库消落带分布面积随海拔增高而增加，白鹤滩水库与溪洛渡水库消落带面积在不同高程分级上分布均匀.

（4）在不同坡度上，乌东德、白鹤滩和向家坝水库不同坡度的消落带表面积分布均随坡度增加而减少.溪洛渡水库消落带主要分布在坡度15°～35°.4 个库区坡度＜45°的消落带表面积为215.86 km2，占消落带总面积的93.44%.其中坡度＜15°的平缓坡消落带表面积最大（76.68 km2），约占总面积的33%；坡度15°～35°之间的斜坡、陡坡分布的消落带表面积约占总面积的一半（108.15 km2）.坡度35°以上的急陡坡、急坡、险坡分布的消落带表面积占比不到20%.

金沙江下游四大梯级水库消落带形成后，将引发一系列生态环境问题，比如植被消亡，景观多样性降低，土壤侵蚀剧烈，泥沙淤积严重，崩塌、滑坡等地质灾害频发，污染物滞留等.今后，建议加强该区域消落带形成后生态环境演变研究，以期为库区生态恢复和社会经济发展提供支撑.