李景保,李雅婷,蔣文杰

(1.湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，中國 長沙 410081;2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 中國 上海 200092;3. 黔陽一中，中國 懷化 418200)

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三峽水庫運(yùn)行對長江荊南三口生態(tài)系統(tǒng)健康的影響

李景保1,李雅婷2*,蔣文杰3

(1.湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，中國 長沙 410081;2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 中國 上海 200092;3. 黔陽一中，中國 懷化 418200)

根據(jù)荊南三口河系五個代表性水文監(jiān)測站1981—2015年的水文資料，運(yùn)用層次分析法對水沙、水質(zhì)和生物多樣性3個方面的7個指標(biāo)建立指標(biāo)體系，并得出權(quán)重.根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)對每個指標(biāo)進(jìn)行評分，加權(quán)相加得到總分值對三峽水庫影響下的荊南三口河系生態(tài)系統(tǒng)健康程度進(jìn)行綜合評價.結(jié)果表明：(1)河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)與水沙特性息息相關(guān), 因此三峽水庫對荊南三口河流生態(tài)系統(tǒng)健康的影響主要體現(xiàn)在水沙、水溫、水質(zhì)和生物多樣性等方面；(2)三峽水庫運(yùn)行前荊南三口河流生態(tài)系統(tǒng)健康程度為“健康”程度，且各個指標(biāo)都基本達(dá)到健康河流標(biāo)準(zhǔn)；(3)三峽水庫運(yùn)行后荊南三口河流生態(tài)系統(tǒng)健康程度為“亞健康”程度，相較于三峽水庫運(yùn)行前，各指標(biāo)的分值下降較大.研究三峽水庫對三口河流生態(tài)系統(tǒng)健康影響，對優(yōu)化三峽水庫調(diào)度方案和維護(hù)荊南三口河系生態(tài)健康具有重要的意義.

河流生態(tài)系統(tǒng)；荊南三口河系；健康評價；層次分析法

早在19世紀(jì)末，歐洲部分國家便開始針對河流的水質(zhì)評價河流健康狀態(tài)[1].直到20世紀(jì)80年代，認(rèn)識到岸邊的植被狀況、水流情況、生物多樣性等才開展評價河流健康的重要因素[2].河流健康的評價開始由水質(zhì)的評價轉(zhuǎn)向?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)的評價.目前，西方發(fā)達(dá)國家主要運(yùn)用指標(biāo)體系法來有效地評價河流生態(tài)系統(tǒng)的健康[3].20世紀(jì)90年代，李國英提出4個主要標(biāo)志來體現(xiàn)“維持黃河健康生命”的治河理念[4].2005年，長江水利局根據(jù)蔡其華提出的指標(biāo)體系并將其完善，正式出臺了健康長江指標(biāo)體系，設(shè)置了18個分指標(biāo)[5-6].隨著眾多水庫的相繼修建與運(yùn)行，人們逐漸認(rèn)識到階梯水庫是影響河流生態(tài)系統(tǒng)健康的重要原因，因此，國內(nèi)許多學(xué)者展開了有關(guān)水庫影響下的河流生態(tài)系統(tǒng)健康研究，從多個不同層面進(jìn)行了定量評價[7-8].長江三峽水庫是世界最大的水電站，而荊南三口河系連通長江，三峽水庫運(yùn)行必然對三口河系生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響.因此，本文從水文、水質(zhì)和生物多樣性等方面篩選表征河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的指標(biāo)體系，利用層次分析法評價三峽水庫運(yùn)行前后三口河系生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)，為優(yōu)化三峽水庫生態(tài)調(diào)水方案及保護(hù)三口河系生態(tài)系統(tǒng)提供理論依據(jù).

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來源

長江荊南三口河系包括松滋河、虎渡河和藕池河.本文采集新江口、沙道觀(松滋河)、彌陀寺(虎渡河)、康家崗、管家鋪(藕池河)5個水文控制斷面1981—2014年徑流量、輸沙量、水質(zhì)、生物等作為評判三峽水庫運(yùn)行對荊南三口河系生態(tài)系統(tǒng)健康影響的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).其中逐年逐月徑流實(shí)測數(shù)據(jù)來源于湖南省水文水資源勘測網(wǎng)、湖北省江河水情報表、湖南省水情日報表，逐年逐月輸沙量來源于長江泥沙公報，水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于湖南省環(huán)境保護(hù)廳, 生物指標(biāo)原始數(shù)據(jù)來源于湖南省洞庭湖環(huán)境監(jiān)測中心和相關(guān)參考文獻(xiàn)[9～11].為了便于比較分析，將1981—2014年劃分為兩個時段：三峽水庫運(yùn)行前(1981—2002年)，后(2003—2014年).并分別統(tǒng)計這兩個時段荊南三口河系的月徑流量(表1)、年均輸沙量總量(表2)和水質(zhì)(表3).

表1 三峽水庫運(yùn)行前后荊南三口河系月均徑流量(單位：徑流量108 m3)

表2 三峽水庫運(yùn)行前后荊南三口河系年均輸沙總量(單位：輸沙量104 t)

表3 三峽水庫運(yùn)行前后荊南三口河系水質(zhì)

2 荊南三口河系生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價

2.1 表征河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)指標(biāo)體系的構(gòu)建

一般而言，表征河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的指標(biāo)采用水質(zhì)理化參數(shù)、水文情勢、生物指標(biāo)以及河岸環(huán)境和連通性狀況，其中水質(zhì)理化參數(shù)包括水溫、DO、pH、礦化度、電導(dǎo)率、氮磷總量和透明度等要素；水文情勢包括流量、流速、頻率、水位、含沙量等要素；生物指標(biāo)中包括底棲動物、微生物、魚類和浮游動植物等要素；河岸環(huán)境和連通性包括河道形態(tài)、堤岸穩(wěn)定性、植被多樣性、人類活動強(qiáng)度、河流周邊土地利用類型以及水系結(jié)構(gòu)和水力連通性.三峽水庫運(yùn)行后對下游河流流量進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而改變河道的流量和泥沙的分配狀況[12]，同時也會改變下游河道的水質(zhì)狀況，水溫、水質(zhì)狀況，進(jìn)而直接導(dǎo)致動植物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化.基于三峽水庫運(yùn)行下的荊南三口河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)與生態(tài)、物理、化學(xué)之間的作用機(jī)理，以及資料的可取性，運(yùn)用層次分析法[13]的軟件Yaahp[14]構(gòu)建荊南三口河系生態(tài)健康評價指標(biāo)體系.即以維持河流生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)層.以水文情勢(B1)、水質(zhì)狀況(B2)和生物指標(biāo)(B3)構(gòu)成準(zhǔn)則層.指標(biāo)層由水文情勢下的流量過程變異程度(C1)以及輸沙量(C2)，水質(zhì)狀況下的水溫變異狀況(C3)、DO水質(zhì)(C4)以及氮磷總量變化(C5)，生物指標(biāo)下的藻類植物多樣性(C6)和魚類多樣性(C7)組成.

2.2 河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)值權(quán)重

基于層次分析法，利用Yaahp軟件首先將一級指標(biāo)兩兩比較，從“絕對重要”、“十分重要”、比較重要”、“稍微重要”和“同樣重要”中選擇來獲得一級指標(biāo)的判斷矩陣，并由此算出各個一級指標(biāo)的權(quán)重(表4).由軟件自動算出一致性比例為0.082 5<0.1，所以判斷矩陣具有滿意的一致性，這表明由此算出來的各項指標(biāo)值權(quán)重是合理的.然后，再運(yùn)用同樣的方法算出一級指標(biāo)下的二級指標(biāo)值的權(quán)重，于是得到各級指標(biāo)值的權(quán)重值(表5)，且一致性比例都在0.1以下.

表4 河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況A的判斷矩陣

表5 指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果

2.3 河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的評價標(biāo)準(zhǔn)

為了便于定量評價，將河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況分為五個程度，其總分為100分，各等級的分值為表6所示.

表6 健康程度賦分標(biāo)準(zhǔn)

本文對準(zhǔn)則層下的水文情勢B1、水質(zhì)狀況B2和生物狀況B3進(jìn)行綜合評測，即將荊南三口河系生態(tài)系統(tǒng)健康程度賦分為：REI=HDr×0.626 7+WQr×0.279 7+AFr×0.093 6，其中，REI為生態(tài)系統(tǒng)健康程度賦分；HDr為水文情勢B1的賦分；WQr為水質(zhì)狀況B2的賦分；AFr為生物指標(biāo)B3的賦分.

2.3.1 水文情勢的影響程度 流量過程變異程度C1是指在現(xiàn)狀開發(fā)的條件下，荊南三口河系在評估年內(nèi)實(shí)測月徑流量過程與天然月徑流過程的差異[8]，并根據(jù)FD的計算結(jié)果來賦分(表7). 變異程度的計算公式為：

表7 流量變異程度賦分標(biāo)準(zhǔn)

據(jù)統(tǒng)計，荊南三口河系在自然狀態(tài)下總輸沙量一般在(3000～6000)×104t之間波動，于是根據(jù)年輸沙總量的范圍來賦予分值(表8).

表8 輸沙量賦分標(biāo)準(zhǔn)

2.3.3 生物指標(biāo) 用藻類植物與魚類按照種類的多少、分級描述來賦予分值(表9), 以在較大程度上反映三峽水庫運(yùn)行后對荊南三囗河系生態(tài)系統(tǒng)健康的影響

表9 生物指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)

2.4 三峽水庫運(yùn)行前荊南三口河系生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)

三峽水庫運(yùn)行前荊南三口河系生態(tài)系統(tǒng)健康水平評價指標(biāo)賦分結(jié)果如圖1所示，經(jīng)過加權(quán)計算得到生態(tài)系統(tǒng)健康程度賦分為66.65，其等級為健康.每個指標(biāo)的分值基本都在50分以上，表明各項指標(biāo)基本上均符合健康河流的標(biāo)準(zhǔn).其中有3項指標(biāo)的評分已經(jīng)達(dá)到很健康狀態(tài)，分別是水溫、DO和魚類多樣性；有2項指標(biāo)達(dá)到健康狀態(tài)，分別是輸沙量和藻類植物多樣性；還有2項指標(biāo)處于亞健康狀態(tài)，分別是流量和氮磷總量.在這些指標(biāo)中得分最低的是流量變異程度，因為河流的徑流流量在很大程度上具有不確定性、非線性和隨機(jī)性，另外，對于C1指標(biāo)的計算是選取三峽水庫運(yùn)行前的幾年數(shù)據(jù)，也會有誤差存在，導(dǎo)致結(jié)果偏低.還有C5指標(biāo)氮磷總量也處在亞健康的狀態(tài).

圖1 三峽水庫運(yùn)行前荊南三口河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)賦分結(jié)果Fig.1 River health assessment index scores for the rivers in Jangnan three river before operation of the Gorges Reservoirs

2.5 三峽水庫運(yùn)行后荊南三口河系生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價

三峽水庫運(yùn)行后荊南三口河系生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)值結(jié)果如圖2所示，將所有指標(biāo)加權(quán)相加后得到該河系生態(tài)系統(tǒng)健康程度賦分為51.66，其等級屬于亞健康狀態(tài).主要表現(xiàn)在三峽水庫運(yùn)行后該河系生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)分值呈整體下降趨勢，且分值相差值較大，其中,有3項指標(biāo)達(dá)到健康的程度，但也有3項指標(biāo)屬亞健康狀態(tài)，甚至C5氮磷總量的分值為最差的一項，其健康狀態(tài)屬差的等級.

圖2 三峽水庫運(yùn)行后荊南三口河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)賦分結(jié)果Fig.2 River health assessment index scores for the rivers in Jangnan three river after operation of the Gorges Reservoirs

3 結(jié)論與討論

通過對比分析三峽水庫運(yùn)行前后荊南三口河系生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的評價結(jié)果，三峽水庫運(yùn)行后, 表征荊南三口河系生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的水文情勢、水質(zhì)以及生物多樣性等方面的指標(biāo)值均有不同程度的下降.

三峽水庫運(yùn)行后荊南三口河系生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)評價的總分值比三峽水庫運(yùn)行前低了15%，以健康水平而言，較三峽水庫運(yùn)行前下降了一個等級.得分中分差較大的指標(biāo)主要是輸沙量、水溫、藻類植物多樣性和魚類多樣性.其中藻類植物多樣性與魚類多樣性的分?jǐn)?shù)差值最大，說明三峽水庫運(yùn)行對生物多樣性的影響更為明顯.另一方面，水文情勢與水質(zhì)的改變也使生物環(huán)境受到影響，從而影響生物多樣性.從指標(biāo)值上看，三峽水庫運(yùn)行前，在表征該河系生態(tài)系統(tǒng)健康的7項評價指標(biāo)中，有3項指標(biāo)達(dá)到很健康的標(biāo)準(zhǔn)、兩項達(dá)到健康的標(biāo)準(zhǔn)和兩項指標(biāo)處于亞健康狀態(tài).而三峽水庫運(yùn)行后，無一項指標(biāo)達(dá)到很健康的標(biāo)準(zhǔn)，僅3項指標(biāo)達(dá)到健康標(biāo)準(zhǔn)，3項指標(biāo)處于亞健康狀態(tài)，還有一項指標(biāo)處在差的狀態(tài).

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(編輯 HWJ)

Impacts of the Operation of the Three Gorges Reservoirs on the Ecosystem Health of the Three Outlets

LIJing-bao1,LIYa-ting2*,JIANGWen-jie3

( 1.College of Resource and Environmental Science, Hunan Normal University, Changsha 410081, China;2.College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;3.Qianyang No.1 High School, Huaihua 418200, China

In this work, an evaluation index and its weight are constructed by analytic hierarchy process (AHP), according to the hydrological data from five representative hydrological monitoring stations of the Three Outlets river system from 1981 to 2015. Our evaluation system includes three kinds of index (water and sediment, water quality and biodiversity) and seven indicators. The ecosystem health of the Three Outlets under the impacts of the operation of the Three Gorges Reservoirs is assessed comprehensively. Our results show that the ecosystem health is closely related with the characters of water and sediment. So the impact of the Three Gorges Reservoirs on the ecosystem health is mainly embodied with water and sediment, water temperature, water quality and biodiversity. Before the operation of the Three Gorges Reservoirs, the ecosystem of the Three Outlets was healthy and all indexes were near standard. After the operation of the Three Gorges Reservoirs, the ecosystem of the Three Outlets has been sub-health and all indexes decreased significantly. This study should be of great significance to optimize the operation plan of the Three Gorges Reservoirs and to maintain the ecological health of the Three Outslets.

river ecosystem; the Three Outlets river system; health evaluation; AHP

10.7612/j.issn.1000-2537.2016.06.003

2016-07-25

國家自然科學(xué)基金資助項目(41571100); 湖南省重點(diǎn)學(xué)科(地理學(xué))建設(shè)項目

X171

A

1000-2537(2016)06-0015-05

*通訊作者,E-mail：lyt951130@163.com