长江荆江三口环境流变化研究

王鸿翔，李萌萌，马志军，郭文献

(1.华北水利水电大学，河南郑州450011；2.濮阳县环境保护局，河南濮阳457000)

0 引 言

随着人口的增加和社会经济的发展，河流受到各种形式人类活动的干扰，使得河流天然水文情势发生改变[1]。水文情势决定并影响着河流生态系统物质循环、能量过程、物理栖息地状况和生物相互作用等[2]，水文情势的改变在不同时空尺度上改变栖息地条件，从而影响物种的分布和丰度，进而影响生物群落的组成和多样性[3- 4]。因此，人类干扰对河流生态系统造成了不同程度的负面影响[5]。多年以来，长江荆江三口由于受下荆江裁弯、上游葛洲坝和三峡水利枢纽的兴建等自然和人类活动的重大影响，分流入湖的水资源量急剧减少、断流时间逐渐增长，河道急剧淤积萎缩，水系中的水生动植物大量消亡，带来湖区水资源、水生态、水环境与防洪等问题[6]。

为了减缓人为干扰对河流生态系统影响，各国专家学者开展了大量相关研究。其中，环境流研究是当前研究热点。环境流计算方法概括为水文法、水力学法、生境模拟法以及整体分析法，水文法则是最为常用的方法[7]。这些方法也有许多不足之处，主要是没有涉及水文变化-生态响应机理，所以其科学性受到质疑[7- 8]。环境流研究在水库泄洪调控、水量生态调度等水资源管理配置中有着实用的意义。其中，薛联青等[9]根据水库调度和分水闸引水月均流量资料，利用水文改变指标基本分析方法，分析了塔里木灌区引水前后环境流变化的影响，并对塔河干流提出了水资源调度措施；刘晓燕等[7]结合黄河特点，分析了下游和内蒙古河段河槽塑造的机理，给出了现阶段可基本实现黄河自然功能和社会功能均衡发挥的各河段环境流建议；郭文献等[10]以宜昌站作为分析对象，主要从维持天然河道内环境流量和有利于生物产卵繁殖的角度，确定了三峡水库生态调度目标；王家全等[11]以燕山水库为例，根据水文指标变化范围法，分析并选出了整体效益最优的生态调度方案。

表1 环境流指标及其生态学意义

本研究从保护河流生态系统健康出发[12]，选取荆江三口主要水文站的逐日流量，依据各水文站点的突变点分为两个变动水文序列，分析水文突变前后主要河湖环境流量组成及评价指标变化情况。因此本文根据长江荆江三口(虎渡口、藕池口、松滋口)主要水文站1955年～2016年日均流量资料，通过Mann-Kendall法、累积距平法、滑动T检验法突变检验划分有效径流数据，应用IHA软件全面分析了环境流指标的变化。

1 环境流组成界定

环境流是指存在竞争性水利用方式的条件下， 水流得到调控的河流、湿地和沿海区域所提供的维持生态系统和生态系统效益的一定流量的水流[13]。其最初目的是为了维护河流的 生态健康，环境流的核心科学问题是构建水文情势变化与生态响应的定量关系模型[8]。基于河流水文过程线可分为一系列与生态有关的水位图模式这一新的生态假设，河流流量过程被划分为枯水流量、特枯流量、高流量脉冲、小洪水和大洪水5种流量模式，即环境流组成(EFC)的5种流量事件[14-15]。5种流量事件形式可划分为34个环境流指标参数，EFC的各个流量事件形式均涉及不同的生态影响(见表1)，河流生物体的生命与这些事件的发生时间、频率、量、持续时间及它们之间的变化率紧密相关[16]。

2 数据来源和方法

2.1 数据来源

荆江是由长江枝城至城陵矶组成的河段[16]。洞庭湖位于长江干流荆江南岸，洞庭湖北有松滋口、虎渡口、藕池口和调弦口(1958年冬封堵)分泄长江来水来沙，经洞庭湖调蓄后由城陵矶注入长江，形成复杂的江湖关系[17]。其水文特征可视为干流江段进入洞庭湖区域内的代表流量，能够较好的反映洞庭湖的来水情况。因此，本文环境流指标研究主要选取了长江荆江三口(虎渡口、藕池口、松滋口)3个水文站的1955年～2016年的日流量数据。

2.2 研究方法

(1)突变性检验方法。本研究主要采用Mann-Kendall检验法[18-20]、累积距平法[20-21]和滑动T检验法[22]，对屏山水文站进行趋势性和突变性检验，方法具体计算过程见参考文献[18-22]。

表2 不同水流模式阈值参数划分方法[23]

(2)环境水流组成判别方法。Richter等提出一套环境水流组成的判别算法，它将输入后的时间径流序列划分为高流量日和低流量日两类水文日；在此基础上，通过相关阈值的参数的设置划分环境水流事件(见表2)。

环境水流指标说明：特枯流量、高脉冲流量、小洪水和大洪水四种流量事件中的上升率(或下降率)指的是相应流量事件中第二日流量值相较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为流量事件的上升率(或下降率)，%；Q1为第一日流量，m3/s；Q2为流量事件的第二日流量，m3/s；当P为正值时为上升率，当P为负值时为下降率。

对荆江三口3个水文站的日径流突变前后2个水文序列径流突变前后的中值、离散系数和偏差系数进行了环境流指标统计分析。其中，中值反映计算时段流量的一般水平，对流量序列进行由小到大排序后，取第50百分位数值作为中值参数。离散系数反映与均值的偏离的程度，计算式为

CD=(H-L)/M

(2)

式中，H为突变前后水文序列的第75百分位数，m3/s；L为突变前后水文序列的第25百分位数，m3/s；M为突变前后水文序列的的第50百分位数。偏差系数则是指突变前后各指标数值相对于蓄水前各指标数值的偏差。

2.3 计算步骤

(1)对研究区域水文数据进行突变分析，将水文站逐日流量水文序列分为干扰前和干扰后两个变动水文序列。

(2)采用IHA-RVA软件，对水文站逐日流量水文序列分阶段统计34个环境流指标，包括干扰前后的中值、离散系数和偏差系数。

(3)对比干扰前后各环境流指标的统计结果，分析干扰前后荆江三口(虎渡口、藕池口、松滋口)环境流指标的变化情况。

3 结果与讨论

3.1 年均流量趋势检验

为揭示荆江三口流域年均流量的变化趋势，点绘出虎渡口、藕池口、松滋口三口1955年～2016年的年均流量(见图1)。

图1 荆江三口年均流量趋势

由图1可以看出，三口河系除了1959年、1964年和1998年、2006年(1959年和2006年为枯水年，1964年和1998为特大洪水年)年均流量出现较大波动外，总体上年均流量呈下降趋势。其中，藕池口下降趋势相对太平口和松滋口更为明显。

3.2 年均流量突变性检验

根据表1中M-K检验法、累计距平法、滑动T检验法3种方法，检验3个水文站的径流时间的突变点(见表3)。为研究方便，本文以1980年为荆江三口3个水文站的年均径流突变年份。

表3 荆江三口年均流量突变统计结果

表4 荆江三口各月枯水流量 m3/s

3.3 荆江三口环境水流指标分析

长江荆江三口太平口(弥陀寺)、藕池口(康家岗、管家铺)和松滋口(新江口、沙道观)5个水文站1955年～2016年逐日流量资料，以1981年为水文突变点划分为1955年～1980年和1981年～2016年2个不同时间序列，运用IHA-RVA计算软件，对荆江三口环境流指标进行分析，计算结果见表4。

3.3.1虎渡口

从不同流量事件的分布情况来看，突变后小洪水事件的发生次数显著减少，特枯流量出现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，高流量脉冲出现事件间隔有所增加且量值有所减少。流量过程全部划入小洪水事件、高流量脉冲事件和枯水流量事件的模式，表明流量的变化范围变窄，环境流组成有单一化的趋势。

从环境流指标的中值变化来看(见表4)，枯水流量事件的变化最大，受干扰后各月枯水流量都有显著减少，尤其是10月到次年5月；特枯流量和大洪水事件的历时加长，而高流量脉冲和小洪水事件的历时缩短；特枯流量事件的极小值出现时间明显推后；特枯流量事件的极小值出现次数明显增加，小洪水和大洪水事件的极大值出现次数显著减少；高流量脉冲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显减少。受影响较大的环境流指标包括1月、2月、3月、11月、12月的枯水流量、特枯流量事件的极小值出现次数、出现时间，大、小洪水极大值出现次数和大洪水的上升率等10个指标。受影响较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

从不同流量事件的分布情况来看，1969年之后特枯流量事件、高流量脉冲事件和小洪水事件完全消失，尤其在1993年以后，高流量脉冲出现时间间隔时间增长且量级逐渐减少。流量过程全部划入高流量脉冲事件和枯水流量事件的模式，表明流量的变化范围变窄，环境流组成有单一化的趋势。

从环境流指标的中值变化来看(见表4)，大洪水和小洪水事件的变化最大，受干扰后两个事件的流量过程完全消失；1月～3月为枯水期，受干扰后河流断流，其他月份枯水流量均有所减少，其中12月份流量减少偏离度最大，达到96.74%。特枯流量事件的平均历时略显加长，而高流量脉冲事件的平均历时有所缩短；特枯流量事件出现时间明显增长；特枯流量事件的极小值出现次数明显增多，而高流量脉冲事件的极大值出现次数有所减少；高流量脉冲事件的上升率和下降率都有所减少(见表5)。受影响较大的环境流指标包括4月、5月、6月、10月、11月、12月的枯水流量，特枯流量事件的极小值出现次数和出现时间8个指标。受影响较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 荆江三口环境流指标计算

3.3.3松滋口

从不同流量事件的分布情况来看，突变后小洪水事件减少，特枯流量事件和大洪水事件出现时间间隔时间增长且量值有所增加，高流量脉冲事件发生的频率有所减少，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。流量过程全部划入枯水流量事件、小洪水事件和高流量脉冲事件的模式，表明流量的变化范围变窄，环境流组成有单一化的趋势。

从环境流指标的中值变化来看(见表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月明显下降，在其他月份略有下降；特枯流量事件的极小值出现次数显著增加，而大洪水和小洪水事件的极大值出现次数明显减少；高流量脉冲事件的平均历时略显增长，大、小洪水事件的平均历时都明显缩短；大洪水和小洪水事件的极大值出现次数明显减少；大洪水事件的出现时间有所增加；小洪水事件的下降率明显增加，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显减少。受影响较大的环境流指标包括1月、3月、4月、5月、10月、11月、12月的枯水流量，特枯流量事件的出现次数、小洪水事件的出现次数、上升率、下降率，大洪水事件的历时、上升率、下降率等13个指标。受影响较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 结 论

(1)荆江三口(虎渡口、藕池口以及松滋口)的年均流量均呈显著下降趋势，突变年份为1980年，表明1980年后江湖关系变化对荆江三口年均流量有直接影响。

(2)荆江三口3个水文站的环境流组成在人类活动干扰前后呈不同程度的变化。总体而言，流量的变化范围变窄，环境流组成有单一化的趋势，各水文站的流量事件以枯水流量事件和高流量脉冲事件为主；人类活动对枯水流量事件、大洪水事件和小洪水事件较为显著，主要表现在：大洪水和小洪水事件的完全消失，各月枯水流量值都有明显较少；受影响较大的环境流指标主要集中在1月、3月、4月、5月、10月、11月、12月的枯水流量，特枯流量事件的出现次数及出现时间，大、小洪水事件的极大值出现次数、上升率、下降率。