長(zhǎng)江荊江三口環(huán)境流變化研究

王鴻翔，李萌萌，馬志軍，郭文獻(xiàn)

(1.華北水利水電大學(xué)，河南鄭州450011；2.濮陽(yáng)縣環(huán)境保護(hù)局，河南濮陽(yáng)457000)

0 引 言

隨著人口的增加和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，河流受到各種形式人類活動(dòng)的干擾，使得河流天然水文情勢(shì)發(fā)生改變[1]。水文情勢(shì)決定并影響著河流生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、能量過程、物理?xiàng)⒌貭顩r和生物相互作用等[2]，水文情勢(shì)的改變?cè)诓煌瑫r(shí)空尺度上改變棲息地條件，從而影響物種的分布和豐度，進(jìn)而影響生物群落的組成和多樣性[3- 4]。因此，人類干擾對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)造成了不同程度的負(fù)面影響[5]。多年以來，長(zhǎng)江荊江三口由于受下荊江裁彎、上游葛洲壩和三峽水利樞紐的興建等自然和人類活動(dòng)的重大影響，分流入湖的水資源量急劇減少、斷流時(shí)間逐漸增長(zhǎng)，河道急劇淤積萎縮，水系中的水生動(dòng)植物大量消亡，帶來湖區(qū)水資源、水生態(tài)、水環(huán)境與防洪等問題[6]。

為了減緩人為干擾對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)影響，各國(guó)專家學(xué)者開展了大量相關(guān)研究。其中，環(huán)境流研究是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。環(huán)境流計(jì)算方法概括為水文法、水力學(xué)法、生境模擬法以及整體分析法，水文法則是最為常用的方法[7]。這些方法也有許多不足之處，主要是沒有涉及水文變化-生態(tài)響應(yīng)機(jī)理，所以其科學(xué)性受到質(zhì)疑[7- 8]。環(huán)境流研究在水庫(kù)泄洪調(diào)控、水量生態(tài)調(diào)度等水資源管理配置中有著實(shí)用的意義。其中，薛聯(lián)青等[9]根據(jù)水庫(kù)調(diào)度和分水閘引水月均流量資料，利用水文改變指標(biāo)基本分析方法，分析了塔里木灌區(qū)引水前后環(huán)境流變化的影響，并對(duì)塔河干流提出了水資源調(diào)度措施；劉曉燕等[7]結(jié)合黃河特點(diǎn)，分析了下游和內(nèi)蒙古河段河槽塑造的機(jī)理，給出了現(xiàn)階段可基本實(shí)現(xiàn)黃河自然功能和社會(huì)功能均衡發(fā)揮的各河段環(huán)境流建議；郭文獻(xiàn)等[10]以宜昌站作為分析對(duì)象，主要從維持天然河道內(nèi)環(huán)境流量和有利于生物產(chǎn)卵繁殖的角度，確定了三峽水庫(kù)生態(tài)調(diào)度目標(biāo)；王家全等[11]以燕山水庫(kù)為例，根據(jù)水文指標(biāo)變化范圍法，分析并選出了整體效益最優(yōu)的生態(tài)調(diào)度方案。

表1 環(huán)境流指標(biāo)及其生態(tài)學(xué)意義

本研究從保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)健康出發(fā)[12]，選取荊江三口主要水文站的逐日流量，依據(jù)各水文站點(diǎn)的突變點(diǎn)分為兩個(gè)變動(dòng)水文序列，分析水文突變前后主要河湖環(huán)境流量組成及評(píng)價(jià)指標(biāo)變化情況。因此本文根據(jù)長(zhǎng)江荊江三口(虎渡口、藕池口、松滋口)主要水文站1955年～2016年日均流量資料，通過Mann-Kendall法、累積距平法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)法突變檢驗(yàn)劃分有效徑流數(shù)據(jù)，應(yīng)用IHA軟件全面分析了環(huán)境流指標(biāo)的變化。

1 環(huán)境流組成界定

環(huán)境流是指存在競(jìng)爭(zhēng)性水利用方式的條件下， 水流得到調(diào)控的河流、濕地和沿海區(qū)域所提供的維持生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)效益的一定流量的水流[13]。其最初目的是為了維護(hù)河流的 生態(tài)健康，環(huán)境流的核心科學(xué)問題是構(gòu)建水文情勢(shì)變化與生態(tài)響應(yīng)的定量關(guān)系模型[8]。基于河流水文過程線可分為一系列與生態(tài)有關(guān)的水位圖模式這一新的生態(tài)假設(shè)，河流流量過程被劃分為枯水流量、特枯流量、高流量脈沖、小洪水和大洪水5種流量模式，即環(huán)境流組成(EFC)的5種流量事件[14-15]。5種流量事件形式可劃分為34個(gè)環(huán)境流指標(biāo)參數(shù)，EFC的各個(gè)流量事件形式均涉及不同的生態(tài)影響(見表1)，河流生物體的生命與這些事件的發(fā)生時(shí)間、頻率、量、持續(xù)時(shí)間及它們之間的變化率緊密相關(guān)[16]。

2 數(shù)據(jù)來源和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

荊江是由長(zhǎng)江枝城至城陵磯組成的河段[16]。洞庭湖位于長(zhǎng)江干流荊江南岸，洞庭湖北有松滋口、虎渡口、藕池口和調(diào)弦口(1958年冬封堵)分泄長(zhǎng)江來水來沙，經(jīng)洞庭湖調(diào)蓄后由城陵磯注入長(zhǎng)江，形成復(fù)雜的江湖關(guān)系[17]。其水文特征可視為干流江段進(jìn)入洞庭湖區(qū)域內(nèi)的代表流量，能夠較好的反映洞庭湖的來水情況。因此，本文環(huán)境流指標(biāo)研究主要選取了長(zhǎng)江荊江三口(虎渡口、藕池口、松滋口)3個(gè)水文站的1955年～2016年的日流量數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

(1)突變性檢驗(yàn)方法。本研究主要采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法[18-20]、累積距平法[20-21]和滑動(dòng)T檢驗(yàn)法[22]，對(duì)屏山水文站進(jìn)行趨勢(shì)性和突變性檢驗(yàn)，方法具體計(jì)算過程見參考文獻(xiàn)[18-22]。

表2 不同水流模式閾值參數(shù)劃分方法[23]

(2)環(huán)境水流組成判別方法。Richter等提出一套環(huán)境水流組成的判別算法，它將輸入后的時(shí)間徑流序列劃分為高流量日和低流量日兩類水文日；在此基礎(chǔ)上，通過相關(guān)閾值的參數(shù)的設(shè)置劃分環(huán)境水流事件(見表2)。

環(huán)境水流指標(biāo)說明：特枯流量、高脈沖流量、小洪水和大洪水四種流量事件中的上升率(或下降率)指的是相應(yīng)流量事件中第二日流量值相較于第一日流量值的上升(或下降)百分比。即

P={(Q2-Q)/Q1}×100%

(1)

式中，P為流量事件的上升率(或下降率)，%；Q1為第一日流量，m3/s；Q2為流量事件的第二日流量，m3/s；當(dāng)P為正值時(shí)為上升率，當(dāng)P為負(fù)值時(shí)為下降率。

對(duì)荊江三口3個(gè)水文站的日徑流突變前后2個(gè)水文序列徑流突變前后的中值、離散系數(shù)和偏差系數(shù)進(jìn)行了環(huán)境流指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析。其中，中值反映計(jì)算時(shí)段流量的一般水平，對(duì)流量序列進(jìn)行由小到大排序后，取第50百分位數(shù)值作為中值參數(shù)。離散系數(shù)反映與均值的偏離的程度，計(jì)算式為

CD=(H-L)/M

(2)

式中，H為突變前后水文序列的第75百分位數(shù)，m3/s；L為突變前后水文序列的第25百分位數(shù)，m3/s；M為突變前后水文序列的的第50百分位數(shù)。偏差系數(shù)則是指突變前后各指標(biāo)數(shù)值相對(duì)于蓄水前各指標(biāo)數(shù)值的偏差。

2.3 計(jì)算步驟

(1)對(duì)研究區(qū)域水文數(shù)據(jù)進(jìn)行突變分析，將水文站逐日流量水文序列分為干擾前和干擾后兩個(gè)變動(dòng)水文序列。

(2)采用IHA-RVA軟件，對(duì)水文站逐日流量水文序列分階段統(tǒng)計(jì)34個(gè)環(huán)境流指標(biāo)，包括干擾前后的中值、離散系數(shù)和偏差系數(shù)。

(3)對(duì)比干擾前后各環(huán)境流指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分析干擾前后荊江三口(虎渡口、藕池口、松滋口)環(huán)境流指標(biāo)的變化情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 年均流量趨勢(shì)檢驗(yàn)

為揭示荊江三口流域年均流量的變化趨勢(shì)，點(diǎn)繪出虎渡口、藕池口、松滋口三口1955年～2016年的年均流量(見圖1)。

圖1 荊江三口年均流量趨勢(shì)

由圖1可以看出，三口河系除了1959年、1964年和1998年、2006年(1959年和2006年為枯水年，1964年和1998為特大洪水年)年均流量出現(xiàn)較大波動(dòng)外，總體上年均流量呈下降趨勢(shì)。其中，藕池口下降趨勢(shì)相對(duì)太平口和松滋口更為明顯。

3.2 年均流量突變性檢驗(yàn)

根據(jù)表1中M-K檢驗(yàn)法、累計(jì)距平法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)法3種方法，檢驗(yàn)3個(gè)水文站的徑流時(shí)間的突變點(diǎn)(見表3)。為研究方便，本文以1980年為荊江三口3個(gè)水文站的年均徑流突變年份。

表3 荊江三口年均流量突變統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表4 荊江三口各月枯水流量 m3/s

3.3 荊江三口環(huán)境水流指標(biāo)分析

長(zhǎng)江荊江三口太平口(彌陀寺)、藕池口(康家崗、管家鋪)和松滋口(新江口、沙道觀)5個(gè)水文站1955年～2016年逐日流量資料，以1981年為水文突變點(diǎn)劃分為1955年～1980年和1981年～2016年2個(gè)不同時(shí)間序列，運(yùn)用IHA-RVA計(jì)算軟件，對(duì)荊江三口環(huán)境流指標(biāo)進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見表4。

3.3.1虎渡口

從不同流量事件的分布情況來看，突變后小洪水事件的發(fā)生次數(shù)顯著減少，特枯流量出現(xiàn)事件和大洪水事件更加集中，1999年之后特枯流量事件和大洪水事件完全消失，高流量脈沖出現(xiàn)事件間隔有所增加且量值有所減少。流量過程全部劃入小洪水事件、高流量脈沖事件和枯水流量事件的模式，表明流量的變化范圍變窄，環(huán)境流組成有單一化的趨勢(shì)。

從環(huán)境流指標(biāo)的中值變化來看(見表4)，枯水流量事件的變化最大，受干擾后各月枯水流量都有顯著減少，尤其是10月到次年5月；特枯流量和大洪水事件的歷時(shí)加長(zhǎng)，而高流量脈沖和小洪水事件的歷時(shí)縮短；特枯流量事件的極小值出現(xiàn)時(shí)間明顯推后；特枯流量事件的極小值出現(xiàn)次數(shù)明顯增加，小洪水和大洪水事件的極大值出現(xiàn)次數(shù)顯著減少；高流量脈沖和大洪水事件的上升率、下降率和小洪水事件的上升率都明顯減少。受影響較大的環(huán)境流指標(biāo)包括1月、2月、3月、11月、12月的枯水流量、特枯流量事件的極小值出現(xiàn)次數(shù)、出現(xiàn)時(shí)間，大、小洪水極大值出現(xiàn)次數(shù)和大洪水的上升率等10個(gè)指標(biāo)。受影響較大的流量事件包括枯水流量事件和特枯流量事件。

3.3.2藕池口

從不同流量事件的分布情況來看，1969年之后特枯流量事件、高流量脈沖事件和小洪水事件完全消失，尤其在1993年以后，高流量脈沖出現(xiàn)時(shí)間間隔時(shí)間增長(zhǎng)且量級(jí)逐漸減少。流量過程全部劃入高流量脈沖事件和枯水流量事件的模式，表明流量的變化范圍變窄，環(huán)境流組成有單一化的趨勢(shì)。

從環(huán)境流指標(biāo)的中值變化來看(見表4)，大洪水和小洪水事件的變化最大，受干擾后兩個(gè)事件的流量過程完全消失；1月～3月為枯水期，受干擾后河流斷流，其他月份枯水流量均有所減少，其中12月份流量減少偏離度最大，達(dá)到96.74%。特枯流量事件的平均歷時(shí)略顯加長(zhǎng)，而高流量脈沖事件的平均歷時(shí)有所縮短；特枯流量事件出現(xiàn)時(shí)間明顯增長(zhǎng)；特枯流量事件的極小值出現(xiàn)次數(shù)明顯增多，而高流量脈沖事件的極大值出現(xiàn)次數(shù)有所減少；高流量脈沖事件的上升率和下降率都有所減少(見表5)。受影響較大的環(huán)境流指標(biāo)包括4月、5月、6月、10月、11月、12月的枯水流量，特枯流量事件的極小值出現(xiàn)次數(shù)和出現(xiàn)時(shí)間8個(gè)指標(biāo)。受影響較大的流量事件包括枯水流量事件、大洪水事件和小洪水事件。

表5 荊江三口環(huán)境流指標(biāo)計(jì)算

3.3.3松滋口

從不同流量事件的分布情況來看，突變后小洪水事件減少，特枯流量事件和大洪水事件出現(xiàn)時(shí)間間隔時(shí)間增長(zhǎng)且量值有所增加，高流量脈沖事件發(fā)生的頻率有所減少，1990年以后，特枯流量事件和大洪水事件完全消失，小洪水事件更加集中。流量過程全部劃入枯水流量事件、小洪水事件和高流量脈沖事件的模式，表明流量的變化范圍變窄，環(huán)境流組成有單一化的趨勢(shì)。

從環(huán)境流指標(biāo)的中值變化來看(見表4、5)，枯水流量事件的量值在1月、3月、4月、5月、10月、11月、12月明顯下降，在其他月份略有下降；特枯流量事件的極小值出現(xiàn)次數(shù)顯著增加，而大洪水和小洪水事件的極大值出現(xiàn)次數(shù)明顯減少；高流量脈沖事件的平均歷時(shí)略顯增長(zhǎng)，大、小洪水事件的平均歷時(shí)都明顯縮短；大洪水和小洪水事件的極大值出現(xiàn)次數(shù)明顯減少；大洪水事件的出現(xiàn)時(shí)間有所增加；小洪水事件的下降率明顯增加，而小洪水事件的上升率和大洪水事件上升率和下降率都明顯減少。受影響較大的環(huán)境流指標(biāo)包括1月、3月、4月、5月、10月、11月、12月的枯水流量，特枯流量事件的出現(xiàn)次數(shù)、小洪水事件的出現(xiàn)次數(shù)、上升率、下降率，大洪水事件的歷時(shí)、上升率、下降率等13個(gè)指標(biāo)。受影響較大的流量事件包括枯水流量事件、小洪水事件、大洪水事件。

4 結(jié) 論

(1)荊江三口(虎渡口、藕池口以及松滋口)的年均流量均呈顯著下降趨勢(shì)，突變年份為1980年，表明1980年后江湖關(guān)系變化對(duì)荊江三口年均流量有直接影響。

(2)荊江三口3個(gè)水文站的環(huán)境流組成在人類活動(dòng)干擾前后呈不同程度的變化。總體而言，流量的變化范圍變窄，環(huán)境流組成有單一化的趨勢(shì)，各水文站的流量事件以枯水流量事件和高流量脈沖事件為主；人類活動(dòng)對(duì)枯水流量事件、大洪水事件和小洪水事件較為顯著，主要表現(xiàn)在：大洪水和小洪水事件的完全消失，各月枯水流量值都有明顯較少；受影響較大的環(huán)境流指標(biāo)主要集中在1月、3月、4月、5月、10月、11月、12月的枯水流量，特枯流量事件的出現(xiàn)次數(shù)及出現(xiàn)時(shí)間，大、小洪水事件的極大值出現(xiàn)次數(shù)、上升率、下降率。