三峡水库运行对长江荆南三口生态系统健康的影响

李景保,李雅婷,蒋文杰

(1.湖南师范大学资源与环境科学学院，中国 长沙 410081;2.同济大学环境科学与工程学院 中国 上海 200092;3. 黔阳一中，中国 怀化 418200)



三峡水库运行对长江荆南三口生态系统健康的影响

李景保1,李雅婷2*,蒋文杰3

(1.湖南师范大学资源与环境科学学院，中国 长沙 410081;2.同济大学环境科学与工程学院 中国 上海 200092;3. 黔阳一中，中国 怀化 418200)

根据荆南三口河系五个代表性水文监测站1981—2015年的水文资料，运用层次分析法对水沙、水质和生物多样性3个方面的7个指标建立指标体系，并得出权重.根据评价标准对每个指标进行评分，加权相加得到总分值对三峡水库影响下的荆南三口河系生态系统健康程度进行综合评价.结果表明：(1)河流生态系统健康状态与水沙特性息息相关, 因此三峡水库对荆南三口河流生态系统健康的影响主要体现在水沙、水温、水质和生物多样性等方面；(2)三峡水库运行前荆南三口河流生态系统健康程度为“健康”程度，且各个指标都基本达到健康河流标准；(3)三峡水库运行后荆南三口河流生态系统健康程度为“亚健康”程度，相较于三峡水库运行前，各指标的分值下降较大.研究三峡水库对三口河流生态系统健康影响，对优化三峡水库调度方案和维护荆南三口河系生态健康具有重要的意义.

河流生态系统；荆南三口河系；健康评价；层次分析法

早在19世纪末，欧洲部分国家便开始针对河流的水质评价河流健康状态[1].直到20世纪80年代，认识到岸边的植被状况、水流情况、生物多样性等才开展评价河流健康的重要因素[2].河流健康的评价开始由水质的评价转向对生态系统的评价.目前，西方发达国家主要运用指标体系法来有效地评价河流生态系统的健康[3].20世纪90年代，李国英提出4个主要标志来体现“维持黄河健康生命”的治河理念[4].2005年，长江水利局根据蔡其华提出的指标体系并将其完善，正式出台了健康长江指标体系，设置了18个分指标[5-6].随着众多水库的相继修建与运行，人们逐渐认识到阶梯水库是影响河流生态系统健康的重要原因，因此，国内许多学者展开了有关水库影响下的河流生态系统健康研究，从多个不同层面进行了定量评价[7-8].长江三峡水库是世界最大的水电站，而荆南三口河系连通长江，三峡水库运行必然对三口河系生态系统产生影响.因此，本文从水文、水质和生物多样性等方面筛选表征河流生态系统健康状态的指标体系，利用层次分析法评价三峡水库运行前后三口河系生态系统健康状态，为优化三峡水库生态调水方案及保护三口河系生态系统提供理论依据.

1 研究区域和数据来源

长江荆南三口河系包括松滋河、虎渡河和藕池河.本文采集新江口、沙道观(松滋河)、弥陀寺(虎渡河)、康家岗、管家铺(藕池河)5个水文控制断面1981—2014年径流量、输沙量、水质、生物等作为评判三峡水库运行对荆南三口河系生态系统健康影响的基础数据.其中逐年逐月径流实测数据来源于湖南省水文水资源勘测网、湖北省江河水情报表、湖南省水情日报表，逐年逐月输沙量来源于长江泥沙公报，水质监测数据来源于湖南省环境保护厅, 生物指标原始数据来源于湖南省洞庭湖环境监测中心和相关参考文献[9～11].为了便于比较分析，将1981—2014年划分为两个时段：三峡水库运行前(1981—2002年)，后(2003—2014年).并分别统计这两个时段荆南三口河系的月径流量(表1)、年均输沙量总量(表2)和水质(表3).

表1 三峡水库运行前后荆南三口河系月均径流量(单位：径流量108 m3)

表2 三峡水库运行前后荆南三口河系年均输沙总量(单位：输沙量104 t)

表3 三峡水库运行前后荆南三口河系水质

2 荆南三口河系生态系统健康综合评价

2.1 表征河流生态系统健康状态指标体系的构建

一般而言，表征河流生态系统健康状况的指标采用水质理化参数、水文情势、生物指标以及河岸环境和连通性状况，其中水质理化参数包括水温、DO、pH、矿化度、电导率、氮磷总量和透明度等要素；水文情势包括流量、流速、频率、水位、含沙量等要素；生物指标中包括底栖动物、微生物、鱼类和浮游动植物等要素；河岸环境和连通性包括河道形态、堤岸稳定性、植被多样性、人类活动强度、河流周边土地利用类型以及水系结构和水力连通性.三峡水库运行后对下游河流流量进行调控，进而改变河道的流量和泥沙的分配状况[12]，同时也会改变下游河道的水质状况，水温、水质状况，进而直接导致动植物的群落结构发生变化.基于三峡水库运行下的荆南三口河流生态系统健康状态与生态、物理、化学之间的作用机理，以及资料的可取性，运用层次分析法[13]的软件Yaahp[14]构建荆南三口河系生态健康评价指标体系.即以维持河流生态系统的可持续发展为目标层.以水文情势(B1)、水质状况(B2)和生物指标(B3)构成准则层.指标层由水文情势下的流量过程变异程度(C1)以及输沙量(C2)，水质状况下的水温变异状况(C3)、DO水质(C4)以及氮磷总量变化(C5)，生物指标下的藻类植物多样性(C6)和鱼类多样性(C7)组成.

2.2 河流生态系统健康评价指标值权重

基于层次分析法，利用Yaahp软件首先将一级指标两两比较，从“绝对重要”、“十分重要”、比较重要”、“稍微重要”和“同样重要”中选择来获得一级指标的判断矩阵，并由此算出各个一级指标的权重(表4).由软件自动算出一致性比例为0.082 5<0.1，所以判断矩阵具有满意的一致性，这表明由此算出来的各项指标值权重是合理的.然后，再运用同样的方法算出一级指标下的二级指标值的权重，于是得到各级指标值的权重值(表5)，且一致性比例都在0.1以下.

表4 河流生态系统健康状况A的判断矩阵

表5 指标权重计算结果

2.3 河流生态系统健康状态的评价标准

为了便于定量评价，将河流生态系统健康状况分为五个程度，其总分为100分，各等级的分值为表6所示.

表6 健康程度赋分标准

本文对准则层下的水文情势B1、水质状况B2和生物状况B3进行综合评测，即将荆南三口河系生态系统健康程度赋分为：REI=HDr×0.626 7+WQr×0.279 7+AFr×0.093 6，其中，REI为生态系统健康程度赋分；HDr为水文情势B1的赋分；WQr为水质状况B2的赋分；AFr为生物指标B3的赋分.

2.3.1 水文情势的影响程度 流量过程变异程度C1是指在现状开发的条件下，荆南三口河系在评估年内实测月径流量过程与天然月径流过程的差异[8]，并根据FD的计算结果来赋分(表7). 变异程度的计算公式为：

表7 流量变异程度赋分标准

据统计，荆南三口河系在自然状态下总输沙量一般在(3000～6000)×104t之间波动，于是根据年输沙总量的范围来赋予分值(表8).

表8 输沙量赋分标准

2.3.3 生物指标 用藻类植物与鱼类按照种类的多少、分级描述来赋予分值(表9), 以在较大程度上反映三峡水库运行后对荆南三囗河系生态系统健康的影响

表9 生物指标的评价标准

2.4 三峡水库运行前荆南三口河系生态系统健康状态

三峡水库运行前荆南三口河系生态系统健康水平评价指标赋分结果如图1所示，经过加权计算得到生态系统健康程度赋分为66.65，其等级为健康.每个指标的分值基本都在50分以上，表明各项指标基本上均符合健康河流的标准.其中有3项指标的评分已经达到很健康状态，分别是水温、DO和鱼类多样性；有2项指标达到健康状态，分别是输沙量和藻类植物多样性；还有2项指标处于亚健康状态，分别是流量和氮磷总量.在这些指标中得分最低的是流量变异程度，因为河流的径流流量在很大程度上具有不确定性、非线性和随机性，另外，对于C1指标的计算是选取三峡水库运行前的几年数据，也会有误差存在，导致结果偏低.还有C5指标氮磷总量也处在亚健康的状态.

图1 三峡水库运行前荆南三口河流生态系统健康评价指标赋分结果Fig.1 River health assessment index scores for the rivers in Jangnan three river before operation of the Gorges Reservoirs

2.5 三峡水库运行后荆南三口河系生态系统健康综合评价

三峡水库运行后荆南三口河系生态系统健康评价指标值结果如图2所示，将所有指标加权相加后得到该河系生态系统健康程度赋分为51.66，其等级属于亚健康状态.主要表现在三峡水库运行后该河系生态系统健康指标分值呈整体下降趋势，且分值相差值较大，其中,有3项指标达到健康的程度，但也有3项指标属亚健康状态，甚至C5氮磷总量的分值为最差的一项，其健康状态属差的等级.

图2 三峡水库运行后荆南三口河流生态系统健康评价指标赋分结果Fig.2 River health assessment index scores for the rivers in Jangnan three river after operation of the Gorges Reservoirs

3 结论与讨论

通过对比分析三峡水库运行前后荆南三口河系生态系统健康状态的评价结果，三峡水库运行后, 表征荆南三口河系生态系统健康状况的水文情势、水质以及生物多样性等方面的指标值均有不同程度的下降.

三峡水库运行后荆南三口河系生态系统健康状态评价的总分值比三峡水库运行前低了15%，以健康水平而言，较三峡水库运行前下降了一个等级.得分中分差较大的指标主要是输沙量、水温、藻类植物多样性和鱼类多样性.其中藻类植物多样性与鱼类多样性的分数差值最大，说明三峡水库运行对生物多样性的影响更为明显.另一方面，水文情势与水质的改变也使生物环境受到影响，从而影响生物多样性.从指标值上看，三峡水库运行前，在表征该河系生态系统健康的7项评价指标中，有3项指标达到很健康的标准、两项达到健康的标准和两项指标处于亚健康状态.而三峡水库运行后，无一项指标达到很健康的标准，仅3项指标达到健康标准，3项指标处于亚健康状态，还有一项指标处在差的状态.

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[6] 蔡其华.维护健康长江促进人水和谐[J].中国水利, 2005(8):7-9.

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(编辑 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

国家自然科学基金资助项目(41571100); 湖南省重点学科(地理学)建设项目

X171

A

1000-2537(2016)06-0015-05

*通讯作者,E-mail：lyt951130@163.com