水沙變化下松滋口大湖口河段健康評價(jià)及影響分析

常留紅， 覃瓶山， 鄭景琦， 劉曉群， 孫文碩， 湯 薇, 郭 洋

(1.長沙理工大學(xué) 水利與環(huán)境工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114； 2.湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；3.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙 410114)

1 研究背景

20世紀(jì)80年代，歐洲和北美的許多國家開始加強(qiáng)對河流的環(huán)境評價(jià)[1]，并逐漸發(fā)展出了適合本國的河流健康評價(jià)方法[2]。在董哲仁[3]于2003年提出生態(tài)水工學(xué)并率先全面闡述了河流健康的內(nèi)涵與基本概念后[1]，伴隨著國內(nèi)生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進(jìn)，河流健康問題已成為國內(nèi)學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

部分學(xué)者對河流健康評價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行了深入研究，如劉娟等[4]基于汾河流域監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建了流域生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)體系；沈顏奕等[5]針對城市湖泊的特征，提出城市湖泊健康的內(nèi)涵，從而建立評價(jià)指標(biāo)體系，評價(jià)了城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康；黃偉等[6]針對國內(nèi)河流功能性指標(biāo)關(guān)注度不高的現(xiàn)狀，研究了河流健康功能性指標(biāo)及其應(yīng)用；中國水利水電科學(xué)研究院制定了《全國河流健康評估指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)與方法》及《全國湖泊健康評估指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)與方法》，并結(jié)合評估試點(diǎn)，完成了指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)與方法的驗(yàn)證工作[7]；Liu等[8]考慮到河流的多樣性、生態(tài)系統(tǒng)和功能服務(wù)的復(fù)雜性，為3種不同類型的河流(城市河流、生態(tài)保護(hù)區(qū)河流和普通河流)分別提出了一套指標(biāo)分配標(biāo)準(zhǔn)；Wei等[9]在綜合分析河流健康內(nèi)涵、評價(jià)方法和指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步增加指標(biāo)、修正指標(biāo)權(quán)重，特別是修訂了國家生態(tài)功能區(qū)劃中各區(qū)域的生態(tài)健康和功能健康權(quán)重，對河流健康評價(jià)體系進(jìn)行了完善。

同時(shí)，相關(guān)學(xué)者在上述河流健康評價(jià)指標(biāo)體系研究的基礎(chǔ)上，基于大型底棲動(dòng)物完整性指數(shù)[10-16]、協(xié)調(diào)發(fā)展度模型[17-18]、模糊可變模型[19-20]、生態(tài)流量[21]、投影尋蹤-可拓集合理論[22]、延拓盲數(shù)-網(wǎng)絡(luò)分析理論[23]等對眾多河流開展了河流健康評估，取得了豐碩的成果，極大地豐富了河流健康評價(jià)的應(yīng)用與實(shí)踐，使得河流健康評價(jià)成為了河流管理的有效評估工具。

隨著長江上游水庫群的修建，大量泥沙被攔截，洞庭湖入湖水沙減少，打破了原有的以淤積為主的模式[24]，改變了河流水沙系統(tǒng)內(nèi)部原有的變化規(guī)律，引起了下游河流的水沙變化，對河湖健康造成了一定的影響。而大湖口河作為松滋口東支源源不斷地向洞庭湖輸送水沙，是洞庭湖流域的典型沖刷性河段。長江上游水庫群的修建，使得大湖口河的水沙過程發(fā)生了變化[25]。因此，研究大湖口河的水沙變化，了解其健康狀況，分析當(dāng)前水沙條件下的健康變化趨勢，對于了解新水沙變化條件下洞庭湖流域河流健康問題具有重要意義。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

大湖口河全長42 km，位于東經(jīng)111.93°～112.13°、北緯29.47°～30.07°之間，在湖南省常德市安鄉(xiāng)縣境內(nèi)，從余家港流至小望角，作為“荊江三口”中松滋口的分支，是長江水入洞庭湖的重要通道。受亞熱帶季風(fēng)氣候的影響，該區(qū)域冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，年平均氣溫在16.4～17.1 °C之間，汛期為4-10月，多年平均降雨量一般在1 300～1 400 mm之間，具有較優(yōu)越的雨水資源，但降雨時(shí)空分配不均。大湖口河地理位置見圖1。

圖1 大湖口河地理位置

2.2 數(shù)據(jù)來源及水沙變化分析

大湖口水文站位于湖南省常德市安鄉(xiāng)縣大湖口村，為控制大湖口河入湖水情的基本站，現(xiàn)有水位、流量、單位含沙量等水文測驗(yàn)項(xiàng)目。根據(jù)1991-2017年大湖口水文站實(shí)測年均徑流量及輸沙量水文數(shù)據(jù)，運(yùn)用5 a滑動(dòng)平均法對大湖口河水沙變化年際趨勢性進(jìn)行分析，同時(shí)采用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、累計(jì)距平法等對大湖口河突變點(diǎn)進(jìn)行分析。

1991-2017年大湖口河年平均徑流量為120.3×108m3，年平均輸沙量為458.2×104t，該研究時(shí)段大湖口河徑流量和輸沙量的年際變化曲線如圖2所示。

由圖2(a)可見，大湖口河1998年徑流量最大，為181.1×108m3，2006年徑流量最小，為62.9×108m3，年徑流量最大值與最小值之比為2.88。在研究時(shí)段內(nèi)大湖口河徑流量總體呈減小趨勢，結(jié)合徑流量5 a滑動(dòng)平均曲線可以看出，其徑流量變化大致可分為3個(gè)階段：1991-2001年徑流量呈波動(dòng)增大趨勢；2001-2006年呈緩慢減小趨勢，2006-2017年再呈現(xiàn)波動(dòng)增大趨勢。由5 a滑動(dòng)平均及變化趨勢線總體來看，研究時(shí)段內(nèi)大湖口河徑流量變化幅度并不顯著。

由圖2(b)可見，由于受長江上游水庫群的影響，研究時(shí)段內(nèi)大湖口河年輸沙量大幅減少，其中1991年輸沙量最大，為1 287.6×104t，2015年輸沙量最小，為19.3×104t，輸沙量最大值與最小值之比高達(dá)66.72，年際差異十分顯著。由輸沙量5 a滑動(dòng)平均曲線可知，輸沙量在1991-1995年經(jīng)歷了先減少后增大的過程，1996-2005年減少幅度十分明顯，2005-2017年又呈相對緩慢的波動(dòng)下降趨勢。與徑流量相比大湖口輸沙量年際差異及減少趨勢更為突出。為了進(jìn)一步分析水沙變化規(guī)律，需繼續(xù)進(jìn)行突變分析。

圖3為1991-2017年大湖口河徑流量和輸沙量Mann-Kendall(M-K)突變檢驗(yàn)及累計(jì)距平突變檢驗(yàn)圖。在M-K突變檢驗(yàn)中，正序列統(tǒng)計(jì)量用UF表示，逆序列統(tǒng)計(jì)量用UB表示，當(dāng)序列呈現(xiàn)出上升的趨勢時(shí)，UF大于0；當(dāng)序列呈下降趨勢時(shí)，UF小于0。突變點(diǎn)可能是UF和UB曲線位于置信區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)。而累計(jì)距平突變檢驗(yàn)根據(jù)拐點(diǎn)出現(xiàn)的位置來判斷突變發(fā)生的時(shí)間。

圖2 1991-2017年大湖口河水沙年際變化

圖3 1991-2017年大湖口河徑流量和輸沙量突變檢驗(yàn)

由圖3可見，M-K分析及累計(jì)距平分析得出徑流量突變點(diǎn)主要是1997及2006年。根據(jù)水文資料可知，大湖口河1997年前后有大洪水發(fā)生。因此，1997年之前的突變是河流大洪水所致，不在此次分析范圍內(nèi)。從而確定徑流突變點(diǎn)為1997和2006年。M-K分析及累計(jì)距平分析得出的輸沙量突變點(diǎn)均為2003年，因此大湖口河輸沙量突變點(diǎn)確定為2003年。

大湖口河的徑流量突變點(diǎn)為1997、2006年，以突變點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)，將研究期大湖口河的徑流量劃分為1991-1997年、1998-2006年、2007-2017年3個(gè)階段。與第1階段(1991-1997年)相比，大湖口河在1998-2006年年均徑流量增加了7.25%，在2007-2017年減少了4%，其上下波動(dòng)不足10%，3個(gè)階段的徑流量變化并不明顯。大湖口河的輸沙量突變點(diǎn)為2003年，根據(jù)輸沙量突變年份可將大湖口河輸沙劃分為1991-2003年、2004-2017年兩個(gè)階段。與第1階段(1991-2003年)相比，大湖口河年均輸沙量在2004-2017年減少了84.7%，輸沙量經(jīng)歷了從豐到枯到特枯的轉(zhuǎn)變歷程。1991年輸沙量為1287.6×104t是2017年輸沙量的41倍，可見大湖口河輸沙量變化劇烈。

大湖口河水沙年際變化顯示其徑流量年際變化微弱、輸沙量呈現(xiàn)急劇減少的趨勢。徑流突變發(fā)生在1997和2006年，輸沙量突變發(fā)生在2003年，與上游水庫的修建和運(yùn)行時(shí)間較為吻合，說明水庫的修建與水沙變化存在相關(guān)性。上游水庫截流，清水下泄，使得下游河床沖刷嚴(yán)重，長江中下游出現(xiàn)大量的沖刷性河段，形成新的水沙條件，對河湖健康產(chǎn)生了一系列的影響。

2.3 大湖口河健康評價(jià)體系

新水沙條件下沙量驟減，使得水流的挾沙能力增大，加劇了大湖口河兩岸的沖刷，進(jìn)而引發(fā)岸體滑坡，同時(shí)其魚類資源數(shù)量和水質(zhì)也有所下降。種種跡象表明大湖口河河流健康受到影響，需要建立基于水沙過程的大湖口河健康評價(jià)體系，分析新水沙條件下大湖口河的健康狀況，并提出相應(yīng)的整改措施。

2.3.1 評價(jià)指標(biāo)體系 河流健康不僅涉及河槽本身及其水體，還包括河流系統(tǒng)中的生物和非生物，因此河流健康評價(jià)體系應(yīng)該包含3個(gè)方面：物理形態(tài)、生態(tài)環(huán)境及社會(huì)服務(wù)[26]?；谒尺^程，根據(jù)大湖口河的實(shí)際情況及監(jiān)測數(shù)據(jù)，從大湖口河的物理形態(tài)、生態(tài)環(huán)境、社會(huì)服務(wù)中選取了8項(xiàng)指標(biāo)，將其分為準(zhǔn)則層、目標(biāo)層及指標(biāo)層建立大湖口河健康評價(jià)指標(biāo)體系，如圖4所示。

圖4 大湖口河健康評價(jià)體系

2.3.2 評價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法 參照《河湖健康評估技術(shù)導(dǎo)則》(SL/T 793—2020)[27]，對大湖口河物理形態(tài)、生態(tài)環(huán)境、社會(huì)服務(wù)3個(gè)方面的8項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行打分計(jì)算，各指標(biāo)計(jì)算說明如表1所示。

表1 大湖口河健康評價(jià)體系各指標(biāo)計(jì)算方法說明

2.3.3 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重 基于層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)計(jì)算評價(jià)指標(biāo)權(quán)重，其基本步驟如下。

(1)構(gòu)造判斷矩陣。以要素Ai作為判斷準(zhǔn)則對同層的各個(gè)要素Bi進(jìn)行量化標(biāo)度比較，構(gòu)成判斷矩陣B(B=(bij)n×n)。

(2)計(jì)算權(quán)向量。由矩陣B求最大特征值λmax和相應(yīng)的特征向量W，再將特征向量W通過歸一化處理得到權(quán)向量。

(3)一致性檢驗(yàn)。判斷矩陣一致性檢驗(yàn)計(jì)算：

(1)

(2)

式中：CR為進(jìn)行一致性判斷的指標(biāo)，當(dāng)CR>0.1時(shí)，判斷矩陣不符合一致性要求；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，可通過查閱隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值表確定；CI為判斷矩陣的一致性指標(biāo)；λmax為判斷矩陣的最大特征值；n為成對因子比較的個(gè)數(shù)。

根據(jù)AHP法及專家打分結(jié)果，對大湖口河健康評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

2.3.4 綜合健康評價(jià) 指標(biāo)層各項(xiàng)指標(biāo)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考《河湖健康評估技術(shù)導(dǎo)則》(SL/T 793—2020)[27]中的相關(guān)規(guī)定，具體各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算賦分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

根據(jù)綜合健康指數(shù)HI對河湖健康進(jìn)行分級，共分為5級：健康、亞健康、中等、亞病態(tài)、病態(tài)，評價(jià)分級說明表見表4。

表2 大湖口河健康評價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

表3 各指標(biāo)計(jì)算賦分標(biāo)準(zhǔn)

表4 河湖綜合健康等級及相應(yīng)的健康指數(shù)賦分范圍

3 結(jié)果與分析

根據(jù)各指標(biāo)計(jì)算方法結(jié)合大湖口河實(shí)測數(shù)據(jù)分別對指標(biāo)賦分，確定指標(biāo)對應(yīng)的健康等級，并基于各指標(biāo)的權(quán)重，分別計(jì)算準(zhǔn)則層元素即物理形態(tài)、生態(tài)環(huán)境以及社會(huì)服務(wù)的得分結(jié)果，確定相應(yīng)的健康等級。最后依各準(zhǔn)則層元素的權(quán)重，綜合得出大湖口河的健康評價(jià)得分結(jié)果及健康等級。對大湖口河8項(xiàng)指標(biāo)分別進(jìn)行評分計(jì)算，按照表1所列方法計(jì)算的單項(xiàng)指標(biāo)評分及相應(yīng)的健康等級如表5所示，大湖口河健康評價(jià)綜合得分及健康等級評價(jià)結(jié)果見表6。

表5 單項(xiàng)指標(biāo)評分及相應(yīng)的健康等級

表6 大湖口河健康評價(jià)綜合得分及健康等級

表6中的評價(jià)結(jié)果表明，大湖口河的物理形態(tài)及生態(tài)環(huán)境均處于中等健康水平，社會(huì)服務(wù)處于亞健康狀態(tài)，綜合健康處于中等水平。大湖口河社會(huì)服務(wù)功能處于亞健康狀態(tài)，主要體現(xiàn)在供水及通航保證率較低，其原因在于大湖口河來水量減少，斷流天數(shù)增加，達(dá)不到相應(yīng)的流量及水位，必然引起供水和通航問題。大湖口河物理形態(tài)及生態(tài)環(huán)境處于中等健康水平，一方面是因?yàn)閬砩沉繙p少，使得水流挾沙能力增強(qiáng)，加劇了對河流兩岸的沖刷，造成河道侵蝕下切。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在三峽水利樞紐工程下閘蓄水后的2003-2011年間，長江“三口”洪道總沖刷量為0.752×108m3，并且松滋河的沖刷量占總沖刷量的59%，出現(xiàn)了大量的崩岸堤段，河流穩(wěn)定性降低。另一方面水位下降使得河流的斷流天數(shù)增加。2008-2010年三峽水庫進(jìn)行175 m水位試驗(yàn)性蓄水以來，10月上旬大湖口河開始斷流，一直持續(xù)到第2年的3、4月份，年平均斷流天數(shù)達(dá)190 d，河流生態(tài)流量滿足程度僅有23.3%，魚類等生物生境受到影響，魚類資源相應(yīng)減少。綜上所述，大湖口河的綜合健康問題已日益凸顯。

4 討 論

長江上游水庫群修建后，清水下泄造成河岸沖刷加劇，使得大湖口河段崩岸堤段明顯增多，防洪形勢日益嚴(yán)峻。隨著水量減少和水位下降，大湖口河生態(tài)流量滿足程度僅有23.3%，達(dá)不到生物環(huán)境所需水位。段學(xué)花[29]研究指出，侵蝕下切型河流動(dòng)物密度和物種豐度較低，生態(tài)條件一般，究其原因在于長期的沖刷使得有機(jī)質(zhì)浮泥難以沉積，沉水植物生境遭到破壞，以有機(jī)質(zhì)浮泥為食的底棲生物生存艱難，只有抓附力較強(qiáng)或者適應(yīng)該環(huán)境的底棲生物才能生存，迫使以底棲生物為食的魚類因索餌場的改變而遷移，在一定程度上影響了水生生物的多樣性。因此在現(xiàn)有的條件下，大湖口河健康水平會(huì)呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢。

大湖口河健康狀況在一定程度上受到水沙條件變化的影響，其健康狀況處于中等水平，顯然超過了河流自我調(diào)節(jié)的范圍，與熊劍等[30]對洞庭湖近20年來生態(tài)系統(tǒng)健康狀況明顯惡化的研究結(jié)論一致。在物理形態(tài)方面，大湖口河河岸遭受沖刷，崩岸頻發(fā)，必須通過護(hù)岸護(hù)坡等工程措施對河岸加以保護(hù)；在生態(tài)環(huán)境方面，大湖口河河床沖刷劇烈，影響濕地正常的沖淤平衡，需要加強(qiáng)大湖口河生態(tài)濕地保護(hù)；在社會(huì)服務(wù)方面，亟需加強(qiáng)堤防建設(shè)，提高防洪能力。通過采用工程及非工程措施使大湖口河的物理形態(tài)、生態(tài)環(huán)境及社會(huì)服務(wù)向著健康的方面發(fā)展，使大湖口河達(dá)到健康標(biāo)準(zhǔn)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過分析水沙變化，研究了當(dāng)前水沙條件下大湖口河的健康狀況，對于了解新水沙變化條件下洞庭湖流域河流健康問題具有重要的參考意義。

5 結(jié) 論

通過對洞庭湖流域典型河段大湖口河1991-2017年水沙變化趨勢及突變分析，建立了基于水沙過程的大湖口河健康評價(jià)模型，對大湖口河的健康狀況進(jìn)行了評價(jià)并分析了變化趨勢。主要結(jié)論如下：

(1)1991-2017年大湖口河徑流量年際變化較小，但年際輸沙量變化劇烈，特別是2003年之后輸沙量明顯減少，最大輸沙量為最小輸沙量的66.72倍；輸沙量發(fā)生突變的年份為2003年，與上游水庫群的建設(shè)與運(yùn)行呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性。

(2)基于大湖口河物理形態(tài)、生態(tài)環(huán)境及社會(huì)服務(wù)3方面的實(shí)測資料，選取水沙過程的8項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)，建立了大湖口河健康評價(jià)模型。評價(jià)結(jié)果表明，大湖口河社會(huì)服務(wù)處于亞健康狀態(tài)，物理形態(tài)、生態(tài)環(huán)境及綜合健康均處于中等健康水平?？梢?，水沙變化一定程度上引起了大湖口河健康水平的變化。

(3)在新水沙條件下，大湖口河健康水平將呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，因此需要采取必要的措施加強(qiáng)河湖健康保護(hù)。