水沙变化下松滋口大湖口河段健康评价及影响分析

常留红， 覃瓶山， 郑景琦， 刘晓群， 孙文硕， 汤 薇, 郭 洋

(1.长沙理工大学 水利与环境工程学院， 湖南 长沙 410114； 2.湖南省水利水电科学研究院，湖南 长沙 410007；3.洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室， 湖南 长沙 410114)

1 研究背景

20世纪80年代，欧洲和北美的许多国家开始加强对河流的环境评价[1]，并逐渐发展出了适合本国的河流健康评价方法[2]。在董哲仁[3]于2003年提出生态水工学并率先全面阐述了河流健康的内涵与基本概念后[1]，伴随着国内生态文明建设的不断推进，河流健康问题已成为国内学者的研究热点。

部分学者对河流健康评价指标体系进行了深入研究，如刘娟等[4]基于汾河流域监测数据，构建了流域生态系统健康指标体系；沈颜奕等[5]针对城市湖泊的特征，提出城市湖泊健康的内涵，从而建立评价指标体系，评价了城市湖泊生态系统的健康；黄伟等[6]针对国内河流功能性指标关注度不高的现状，研究了河流健康功能性指标及其应用；中国水利水电科学研究院制定了《全国河流健康评估指标、标准与方法》及《全国湖泊健康评估指标、标准与方法》，并结合评估试点，完成了指标、标准与方法的验证工作[7]；Liu等[8]考虑到河流的多样性、生态系统和功能服务的复杂性，为3种不同类型的河流(城市河流、生态保护区河流和普通河流)分别提出了一套指标分配标准；Wei等[9]在综合分析河流健康内涵、评价方法和指标体系的基础上，通过进一步增加指标、修正指标权重，特别是修订了国家生态功能区划中各区域的生态健康和功能健康权重，对河流健康评价体系进行了完善。

同时，相关学者在上述河流健康评价指标体系研究的基础上，基于大型底栖动物完整性指数[10-16]、协调发展度模型[17-18]、模糊可变模型[19-20]、生态流量[21]、投影寻踪-可拓集合理论[22]、延拓盲数-网络分析理论[23]等对众多河流开展了河流健康评估，取得了丰硕的成果，极大地丰富了河流健康评价的应用与实践，使得河流健康评价成为了河流管理的有效评估工具。

随着长江上游水库群的修建，大量泥沙被拦截，洞庭湖入湖水沙减少，打破了原有的以淤积为主的模式[24]，改变了河流水沙系统内部原有的变化规律，引起了下游河流的水沙变化，对河湖健康造成了一定的影响。而大湖口河作为松滋口东支源源不断地向洞庭湖输送水沙，是洞庭湖流域的典型冲刷性河段。长江上游水库群的修建，使得大湖口河的水沙过程发生了变化[25]。因此，研究大湖口河的水沙变化，了解其健康状况，分析当前水沙条件下的健康变化趋势，对于了解新水沙变化条件下洞庭湖流域河流健康问题具有重要意义。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区域概况

大湖口河全长42 km，位于东经111.93°～112.13°、北纬29.47°～30.07°之间，在湖南省常德市安乡县境内，从余家港流至小望角，作为“荆江三口”中松滋口的分支，是长江水入洞庭湖的重要通道。受亚热带季风气候的影响，该区域冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，年平均气温在16.4～17.1 °C之间，汛期为4-10月，多年平均降雨量一般在1 300～1 400 mm之间，具有较优越的雨水资源，但降雨时空分配不均。大湖口河地理位置见图1。

图1 大湖口河地理位置

2.2 数据来源及水沙变化分析

大湖口水文站位于湖南省常德市安乡县大湖口村，为控制大湖口河入湖水情的基本站，现有水位、流量、单位含沙量等水文测验项目。根据1991-2017年大湖口水文站实测年均径流量及输沙量水文数据，运用5 a滑动平均法对大湖口河水沙变化年际趋势性进行分析，同时采用Mann-Kendall突变检验、累计距平法等对大湖口河突变点进行分析。

1991-2017年大湖口河年平均径流量为120.3×108m3，年平均输沙量为458.2×104t，该研究时段大湖口河径流量和输沙量的年际变化曲线如图2所示。

由图2(a)可见，大湖口河1998年径流量最大，为181.1×108m3，2006年径流量最小，为62.9×108m3，年径流量最大值与最小值之比为2.88。在研究时段内大湖口河径流量总体呈减小趋势，结合径流量5 a滑动平均曲线可以看出，其径流量变化大致可分为3个阶段：1991-2001年径流量呈波动增大趋势；2001-2006年呈缓慢减小趋势，2006-2017年再呈现波动增大趋势。由5 a滑动平均及变化趋势线总体来看，研究时段内大湖口河径流量变化幅度并不显著。

由图2(b)可见，由于受长江上游水库群的影响，研究时段内大湖口河年输沙量大幅减少，其中1991年输沙量最大，为1 287.6×104t，2015年输沙量最小，为19.3×104t，输沙量最大值与最小值之比高达66.72，年际差异十分显著。由输沙量5 a滑动平均曲线可知，输沙量在1991-1995年经历了先减少后增大的过程，1996-2005年减少幅度十分明显，2005-2017年又呈相对缓慢的波动下降趋势。与径流量相比大湖口输沙量年际差异及减少趋势更为突出。为了进一步分析水沙变化规律，需继续进行突变分析。

图3为1991-2017年大湖口河径流量和输沙量Mann-Kendall(M-K)突变检验及累计距平突变检验图。在M-K突变检验中，正序列统计量用UF表示，逆序列统计量用UB表示，当序列呈现出上升的趋势时，UF大于0；当序列呈下降趋势时，UF小于0。突变点可能是UF和UB曲线位于置信区间内的交点。而累计距平突变检验根据拐点出现的位置来判断突变发生的时间。

图2 1991-2017年大湖口河水沙年际变化

图3 1991-2017年大湖口河径流量和输沙量突变检验

由图3可见，M-K分析及累计距平分析得出径流量突变点主要是1997及2006年。根据水文资料可知，大湖口河1997年前后有大洪水发生。因此，1997年之前的突变是河流大洪水所致，不在此次分析范围内。从而确定径流突变点为1997和2006年。M-K分析及累计距平分析得出的输沙量突变点均为2003年，因此大湖口河输沙量突变点确定为2003年。

大湖口河的径流量突变点为1997、2006年，以突变点为节点，将研究期大湖口河的径流量划分为1991-1997年、1998-2006年、2007-2017年3个阶段。与第1阶段(1991-1997年)相比，大湖口河在1998-2006年年均径流量增加了7.25%，在2007-2017年减少了4%，其上下波动不足10%，3个阶段的径流量变化并不明显。大湖口河的输沙量突变点为2003年，根据输沙量突变年份可将大湖口河输沙划分为1991-2003年、2004-2017年两个阶段。与第1阶段(1991-2003年)相比，大湖口河年均输沙量在2004-2017年减少了84.7%，输沙量经历了从丰到枯到特枯的转变历程。1991年输沙量为1287.6×104t是2017年输沙量的41倍，可见大湖口河输沙量变化剧烈。

大湖口河水沙年际变化显示其径流量年际变化微弱、输沙量呈现急剧减少的趋势。径流突变发生在1997和2006年，输沙量突变发生在2003年，与上游水库的修建和运行时间较为吻合，说明水库的修建与水沙变化存在相关性。上游水库截流，清水下泄，使得下游河床冲刷严重，长江中下游出现大量的冲刷性河段，形成新的水沙条件，对河湖健康产生了一系列的影响。

2.3 大湖口河健康评价体系

新水沙条件下沙量骤减，使得水流的挟沙能力增大，加剧了大湖口河两岸的冲刷，进而引发岸体滑坡，同时其鱼类资源数量和水质也有所下降。种种迹象表明大湖口河河流健康受到影响，需要建立基于水沙过程的大湖口河健康评价体系，分析新水沙条件下大湖口河的健康状况，并提出相应的整改措施。

2.3.1 评价指标体系 河流健康不仅涉及河槽本身及其水体，还包括河流系统中的生物和非生物，因此河流健康评价体系应该包含3个方面：物理形态、生态环境及社会服务[26]。基于水沙过程，根据大湖口河的实际情况及监测数据，从大湖口河的物理形态、生态环境、社会服务中选取了8项指标，将其分为准则层、目标层及指标层建立大湖口河健康评价指标体系，如图4所示。

图4 大湖口河健康评价体系

2.3.2 评价指标计算方法 参照《河湖健康评估技术导则》(SL/T 793—2020)[27]，对大湖口河物理形态、生态环境、社会服务3个方面的8项评价指标进行打分计算，各指标计算说明如表1所示。

表1 大湖口河健康评价体系各指标计算方法说明

2.3.3 评价指标权重 基于层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)计算评价指标权重，其基本步骤如下。

(1)构造判断矩阵。以要素Ai作为判断准则对同层的各个要素Bi进行量化标度比较，构成判断矩阵B(B=(bij)n×n)。

(2)计算权向量。由矩阵B求最大特征值λmax和相应的特征向量W，再将特征向量W通过归一化处理得到权向量。

(3)一致性检验。判断矩阵一致性检验计算：

(1)

(2)

式中：CR为进行一致性判断的指标，当CR>0.1时，判断矩阵不符合一致性要求；RI为随机一致性指标，可通过查阅随机一致性指标RI值表确定；CI为判断矩阵的一致性指标；λmax为判断矩阵的最大特征值；n为成对因子比较的个数。

根据AHP法及专家打分结果，对大湖口河健康评价指标的权重进行计算，结果如表2所示。

2.3.4 综合健康评价 指标层各项指标评价标准参考《河湖健康评估技术导则》(SL/T 793—2020)[27]中的相关规定，具体各项指标的计算赋分标准见表3。

根据综合健康指数HI对河湖健康进行分级，共分为5级：健康、亚健康、中等、亚病态、病态，评价分级说明表见表4。

表2 大湖口河健康评价指标权重计算结果

表3 各指标计算赋分标准

表4 河湖综合健康等级及相应的健康指数赋分范围

3 结果与分析

根据各指标计算方法结合大湖口河实测数据分别对指标赋分，确定指标对应的健康等级，并基于各指标的权重，分别计算准则层元素即物理形态、生态环境以及社会服务的得分结果，确定相应的健康等级。最后依各准则层元素的权重，综合得出大湖口河的健康评价得分结果及健康等级。对大湖口河8项指标分别进行评分计算，按照表1所列方法计算的单项指标评分及相应的健康等级如表5所示，大湖口河健康评价综合得分及健康等级评价结果见表6。

表5 单项指标评分及相应的健康等级

表6 大湖口河健康评价综合得分及健康等级

表6中的评价结果表明，大湖口河的物理形态及生态环境均处于中等健康水平，社会服务处于亚健康状态，综合健康处于中等水平。大湖口河社会服务功能处于亚健康状态，主要体现在供水及通航保证率较低，其原因在于大湖口河来水量减少，断流天数增加，达不到相应的流量及水位，必然引起供水和通航问题。大湖口河物理形态及生态环境处于中等健康水平，一方面是因为来沙量减少，使得水流挟沙能力增强，加剧了对河流两岸的冲刷，造成河道侵蚀下切。据统计，在三峡水利枢纽工程下闸蓄水后的2003-2011年间，长江“三口”洪道总冲刷量为0.752×108m3，并且松滋河的冲刷量占总冲刷量的59%，出现了大量的崩岸堤段，河流稳定性降低。另一方面水位下降使得河流的断流天数增加。2008-2010年三峡水库进行175 m水位试验性蓄水以来，10月上旬大湖口河开始断流，一直持续到第2年的3、4月份，年平均断流天数达190 d，河流生态流量满足程度仅有23.3%，鱼类等生物生境受到影响，鱼类资源相应减少。综上所述，大湖口河的综合健康问题已日益凸显。

4 讨 论

长江上游水库群修建后，清水下泄造成河岸冲刷加剧，使得大湖口河段崩岸堤段明显增多，防洪形势日益严峻。随着水量减少和水位下降，大湖口河生态流量满足程度仅有23.3%，达不到生物环境所需水位。段学花[29]研究指出，侵蚀下切型河流动物密度和物种丰度较低，生态条件一般，究其原因在于长期的冲刷使得有机质浮泥难以沉积，沉水植物生境遭到破坏，以有机质浮泥为食的底栖生物生存艰难，只有抓附力较强或者适应该环境的底栖生物才能生存，迫使以底栖生物为食的鱼类因索饵场的改变而迁移，在一定程度上影响了水生生物的多样性。因此在现有的条件下，大湖口河健康水平会呈现持续下降的趋势。

大湖口河健康状况在一定程度上受到水沙条件变化的影响，其健康状况处于中等水平，显然超过了河流自我调节的范围，与熊剑等[30]对洞庭湖近20年来生态系统健康状况明显恶化的研究结论一致。在物理形态方面，大湖口河河岸遭受冲刷，崩岸频发，必须通过护岸护坡等工程措施对河岸加以保护；在生态环境方面，大湖口河河床冲刷剧烈，影响湿地正常的冲淤平衡，需要加强大湖口河生态湿地保护；在社会服务方面，亟需加强堤防建设，提高防洪能力。通过采用工程及非工程措施使大湖口河的物理形态、生态环境及社会服务向着健康的方面发展，使大湖口河达到健康标准。本文在前人研究的基础上，通过分析水沙变化，研究了当前水沙条件下大湖口河的健康状况，对于了解新水沙变化条件下洞庭湖流域河流健康问题具有重要的参考意义。

5 结 论

通过对洞庭湖流域典型河段大湖口河1991-2017年水沙变化趋势及突变分析，建立了基于水沙过程的大湖口河健康评价模型，对大湖口河的健康状况进行了评价并分析了变化趋势。主要结论如下：

(1)1991-2017年大湖口河径流量年际变化较小，但年际输沙量变化剧烈，特别是2003年之后输沙量明显减少，最大输沙量为最小输沙量的66.72倍；输沙量发生突变的年份为2003年，与上游水库群的建设与运行呈现明显的相关性。

(2)基于大湖口河物理形态、生态环境及社会服务3方面的实测资料，选取水沙过程的8项评价指标，建立了大湖口河健康评价模型。评价结果表明，大湖口河社会服务处于亚健康状态，物理形态、生态环境及综合健康均处于中等健康水平。可见，水沙变化一定程度上引起了大湖口河健康水平的变化。

(3)在新水沙条件下，大湖口河健康水平将呈现持续下降的趋势，因此需要采取必要的措施加强河湖健康保护。