曹圣潔，夏 瑞，張 遠(yuǎn)，李正炎，任逸軒，塔 拉

1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院水環(huán)境研究所，北京 100012 3.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110036

作為世界上最大的跨流域調(diào)水工程，南水北調(diào)中線工程(簡稱“中線工程”)自2014年12月12日正式通水以來，在很大程度上緩解了我國北方的缺水問題，是實現(xiàn)我國水資源優(yōu)化配置和經(jīng)濟發(fā)展的重要戰(zhàn)略性民生工程. 然而，如此規(guī)模宏大的水利工程在為供水地區(qū)帶來經(jīng)濟生產(chǎn)力的同時，也在一定程度上伴隨著對調(diào)水區(qū)下游生態(tài)系統(tǒng)的影響[1-5]. 近年來，國家領(lǐng)導(dǎo)人高度重視長江經(jīng)濟帶水生態(tài)保護修復(fù)工作，漢江作為長江的最大支流，中線工程開通后對漢江下游水生態(tài)環(huán)境的影響成為我國環(huán)保和水利部門的重點關(guān)注. 漢江在近20年內(nèi)多次暴發(fā)不同程度的硅藻水華事件，嚴(yán)重影響著沿江居民的飲用水安全狀況[6-7]，尤其是2014年中線工程正式開通后，漢江下游武漢段已連續(xù)3年發(fā)生水華事件. 如何維系上游丹江口水庫調(diào)水良好運行與下游河流生態(tài)健康的關(guān)系，不僅是國家河流生態(tài)健康管理的重要需求，也是當(dāng)前國際上水文與生態(tài)交叉學(xué)科亟待解決的難題.

國外水利工程建設(shè)和投入相對較早，對水利工程的相關(guān)研究較多. 大量研究[8-11]表明，大型水利工程在建設(shè)、運行及移除過程中會對下游河流產(chǎn)生較大的物理和生態(tài)變化影響，并且比一般中小型水利工程的影響效應(yīng)持續(xù)的時間更長. Matos等[12]基于歷史數(shù)據(jù)分析了水利工程建設(shè)對非洲南部贊比西河水文情勢的影響，發(fā)現(xiàn)水庫下泄流量的改變對下游水環(huán)境要素存在較大的季節(jié)波動影響，導(dǎo)致河流生境發(fā)生顯著改變；Bonacci等[13]針對意大利德瓦拉河近30年的水文情勢開展研究，闡明了水庫的修建和運行對河流下游水位、流量及輸沙量的影響，從而引起流域多個支流磷負(fù)荷改變. 全球有超過一半的大型河流正遭受著高強度人類活動的干擾，河流水生態(tài)系統(tǒng)退化不再是單純的河道內(nèi)生態(tài)演變過程，而是水資源開發(fā)和水利工程建設(shè)影響下的復(fù)合水生態(tài)環(huán)境問題[14-15]. 由于國外人口數(shù)量和資源環(huán)境壓力沒有我國所面臨的形勢嚴(yán)峻，其水利工程遠(yuǎn)不及我國的南水北調(diào)、三峽和葛洲壩工程等規(guī)模巨大，因而在工程對河流水生態(tài)環(huán)境影響的案例、后果與對策上的研究相對較少[16].

近年來，許多國內(nèi)專家學(xué)者針對中線工程對漢江中下游的影響從不同角度開展了研究. 李雨等[17]采用Mann-Kendall檢驗法和Spearman秩次相關(guān)檢驗法分析了中線工程調(diào)水前漢江中下游的水量變化趨勢；彭聃等[18]對中線工程調(diào)水前漢江中下游的水質(zhì)狀況及時空變化趨勢進行了分析評價；高永年等[19]基于綜合評價指標(biāo)體系方法研究了漢江下游水質(zhì)、土壤、社會、水生物和水資源等要素與上游調(diào)水的響應(yīng)關(guān)系；YANG等[20]利用GAM模型(廣義相加模型)建立漢江中下游水華藻類生物量與環(huán)境因子的關(guān)系，探討了通過調(diào)節(jié)丹江口水庫蓄水量來控制下游水華暴發(fā)的可能性；殷大聰?shù)萚21-22]基于漢江下游實測數(shù)據(jù)和室內(nèi)試驗研究了水華硅藻的生物學(xué)特性，并提出預(yù)防漢江下游水華暴發(fā)的流量閾值范圍. 然而，關(guān)于中線工程對漢江下游生態(tài)環(huán)境影響的已有研究多是基于情景假設(shè)和規(guī)劃條件下的預(yù)判，針對當(dāng)前實際調(diào)水條件下的研究成果較少. 隨著中線工程于2014年底正式運行，科學(xué)識別調(diào)水前后漢江下游水生態(tài)環(huán)境特征和響應(yīng)規(guī)律亟待深入開展.

該研究以漢江下游水華暴發(fā)最嚴(yán)重的武漢段為研究對象，選取2010—2017年調(diào)水前后漢江下游水文、氣象、水質(zhì)和水生態(tài)實測數(shù)據(jù)資料，重點圍繞中線工程調(diào)水前后漢江下游多環(huán)境要素特征和響應(yīng)規(guī)律開展研究，旨在闡明2個關(guān)鍵問題：①中線工程調(diào)水前后，漢江下游水文、氣象、水質(zhì)和藻密度發(fā)生了哪些變化？②如何科學(xué)分離并識別不同調(diào)水時期可能導(dǎo)致河流藻密度變化的關(guān)鍵影響要素及其貢獻？從而為揭示漢江下游河流水華暴發(fā)成因提供依據(jù)，為科學(xué)識別大型水利工程影響下的河流水生態(tài)環(huán)境響應(yīng)機制提供方法和手段.

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

中線工程從漢江上游的丹江口水庫引水，自流沿途供水并最終抵達(dá)京津地區(qū). 漢江(106°E～114°E、30°N～34°N)流域面積15.1×104km2，干流全長 1 577 km，上、中、下游分別為丹江口以上河段、丹江口—鐘祥河段和鐘祥—武漢河段. 其中，漢江下游干流河長約380 km，流經(jīng)天門市、潛江市、仙桃市、武漢市等地，多年平均氣溫15～17 ℃，氣候溫和濕潤，雨量較為充沛. 漢江下游流域概況如圖1所示.

圖1 漢江下游流域概況Fig.1 Overview of the downstream of Hanjiang River

研究資料包括水文、氣象、水質(zhì)和藻密度數(shù)據(jù). 水文數(shù)據(jù)選取漢江下游仙桃水文站2010—2017年流量逐日監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，分別以2010—2014年為調(diào)水前水文時間序列、以2015—2017年為調(diào)水后水文時間序列開展分析. 氣象數(shù)據(jù)從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)下載，選取漢江下游武漢市氣象站點(站位57494)2010—2017年日累計降雨量資料，其時間序列與水文資料時間序列保持一致. 水質(zhì)和藻密度數(shù)據(jù)選取漢江下游武漢市白鶴嘴、琴斷口、宗關(guān)3個主要供水水源地2010—2017年2—4月逐旬?dāng)?shù)據(jù)資料，在單因子變化特征分析中選取ρ(TP)、ρ(TN)、藻密度和ρ(Chla) 4個指標(biāo)，其時間序列與水文和氣象資料時間序列保持一致.

1.2 分析方法

1.2.1趨勢檢驗方法

Spearman秩次相關(guān)檢驗法[23]用以對各項數(shù)據(jù)資料的年際變化趨勢進行檢驗. 在置信水平α為0.95下，用|T|值(Spearman秩次相關(guān)檢驗值)來判斷各時間序列的變化趨勢是否顯著. 若|T|≥1.64，表示通過檢驗，序列變化趨勢顯著；若|T|<1.64，表示未通過檢驗，序列變化趨勢不顯著.

1.2.2相關(guān)分析方法

GAM模型用以分析調(diào)水前后影響藻密度變化的關(guān)鍵因素及關(guān)鍵因子推移變化情況,能擬合響應(yīng)變量與多個解釋變量之間的非線性關(guān)系，確定各解釋變量在方程中的重要程度[24-25]，其一般表達(dá)形式為

(1)

式中：s(μ)為響應(yīng)變量的連續(xù)函數(shù)；μ為響應(yīng)變量的期望值，該研究中μ為藻密度的對數(shù)值；a為恒定截距；fi為各解釋變量的平滑函數(shù)，描述藻密度和第i個關(guān)鍵因子xi之間的關(guān)系.

利用R語言mgcv工具包中的gam函數(shù)實現(xiàn)對GAM模型的構(gòu)建. 模型統(tǒng)計結(jié)果用P、edf、R2、Deviance explained等指標(biāo)表征.P表示相關(guān)顯著性水平，P≤0.05時，解釋變量與響應(yīng)變量相關(guān)性顯著. edf表征被估計值的自由度，edf=1時，解釋變量與響應(yīng)變量呈線性關(guān)系；edf>1時，其值越大表示非線性影響力越強.R2為回歸平方和與總離差平方和的比值，R2越大，回歸效果越顯著. Deviance explained為模型對響應(yīng)變量總體變化的貢獻率，貢獻率越大，模型的擬合效果越好.

1.2.3流量分配計算方法

漢江下游流量分配的不均勻程度通過變異系數(shù)和流量變化幅度體現(xiàn). 其中，變異系數(shù)〔見式(2)～(4)〕是反映河川流量年內(nèi)分配不均勻性的指標(biāo)，流量變化幅度〔見式(5)〕為河川月均流量最大值和最小值的比值，體現(xiàn)流量年內(nèi)變化幅度的大小.

(2)

(3)

(4)

Cm=Rmax/Rmin

(5)

2 結(jié)果與分析

2.1 漢江下游水文變化特征

從仙桃斷面流量變化趨勢(見圖2)可以看出，2010—2017年仙桃斷面年均流量整體呈下降趨勢. 中線工程調(diào)水前(2010—2014年)年均流量持續(xù)減少，并在2014年達(dá)到最低點；調(diào)水后(2015—2017年)流量有所回升，但仍低于調(diào)水前. 根據(jù)調(diào)水前后仙桃斷面多年流量特征值分析結(jié)果(見表1)，調(diào)水前多年平均流量為 1 125.3 m3/s，調(diào)水后多年平均流量為996.08 m3/s，相比調(diào)水前下降了11.5%；對調(diào)水前后逐月流量進行Spearman趨勢檢驗，發(fā)現(xiàn)調(diào)水前|T|值為4.72，大于1.64，流量呈顯著下降趨勢，調(diào)水后|T|值為0.09，小于1.64，流量上升趨勢不明顯.

圖2 仙桃斷面流量變化趨勢Fig.2 Changes of flow rate at Xiantao cross-section

表1 調(diào)水前后仙桃斷面多年流量特征值與Spearman檢驗結(jié)果

注：*表示在0.05置信水平上顯著相關(guān).

此外，枯水期(12月—翌年3月)調(diào)水后多年平均流量相比調(diào)水前下降了28.5%，流量在調(diào)水前后呈下降趨勢，調(diào)水前|T|為1.22，接近顯著水平1.64，調(diào)水后變化趨勢不顯著；豐水期(6—9月)調(diào)水后多年平均流量相比調(diào)水前下降了32.9%，調(diào)水前|T|為3.71，大于1.64，流量下降趨勢顯著，調(diào)水后變化趨勢不顯著，說明漢江下游流量在水量不同時期均呈現(xiàn)出較為顯著的下降趨勢.

調(diào)水前后仙桃斷面流量分配計算結(jié)果表明，仙桃斷面Cv(變異系數(shù))由調(diào)水前的1.66升高為調(diào)水后的2.34，Cm(流量變化幅度)由調(diào)水前的4.41升高為調(diào)水后的5.95，說明調(diào)水后流量分配不均勻性增大，流量年內(nèi)分配趨于不均勻. 綜上，調(diào)水后漢江下游水文變異程度較大，引起水文情勢變化的原因可能是人類活動的干擾.

2.2 漢江下游氣象變化特征

從武漢市降雨量變化趨勢(見圖3)可以看出，調(diào)水前后年均降雨量在全年和枯水期呈現(xiàn)上升趨勢，在豐水期有所下降. 根據(jù)調(diào)水前后多年平均降雨量分析結(jié)果(見表2)，調(diào)水后多年平均降雨量在全年和枯水期相比調(diào)水前分別上升了9.7%和24.7%，豐水期變化程度較小；降雨量Spearman檢驗結(jié)果顯示，調(diào)水前后各個時期的|T|值均小于1.64，變化趨勢不顯著. 說明漢江下游氣象變異程度較小，降雨量在調(diào)水前后呈現(xiàn)出不顯著的上升趨勢，同時期漢江下游徑流過程可能受降雨等氣候的影響較小.

圖3 武漢市降雨量變化趨勢Fig.3 Fluctuation of rainfall in Wuhan

2.3 漢江下游水質(zhì)變化特征

選擇ρ(TP) 和ρ(TN) 2個水質(zhì)因子，分析其調(diào)水前后的變化特征和規(guī)律. 從水質(zhì)因子變化趨勢(見圖4)可以看出，2010—2017年春季水華易發(fā)期間武漢市3個水源地的ρ(TP)、ρ(TN)在調(diào)水后均有不同程度的減小. Spearman檢驗結(jié)果(見表3)顯示，調(diào)水前后2個時間序列的|T|值均小于1.64，說明調(diào)水前后漢江下游ρ(TP)、ρ(TN)的下降趨勢不顯著. 對漢江下游水質(zhì)變化特征的分析結(jié)果表明，中線工程開通后漢江下游水質(zhì)狀況有所好轉(zhuǎn).

表2 調(diào)水前后武漢市多年平均降雨量變化與Spearman檢驗結(jié)果

圖4 武漢市3個水源地水質(zhì)因子變化趨勢Fig.4 Water quality changes at three water sources in Wuhan

表3 水質(zhì)及藻類因子變化與Spearman檢驗結(jié)果

注：*表示在0.05置信水平上顯著相關(guān).

2.4 漢江下游藻密度變化特征

以藻密度和ρ(Chla)作為藻類變化表征值，分析調(diào)水前后的變化特征和規(guī)律. 從藻密度變化趨勢(見圖5)可以看出，2010—2017年春季水華易發(fā)期間武漢市3個水源地的藻密度在調(diào)水前后略有降低；Spearman檢驗結(jié)果(見表3)顯示，調(diào)水前3個水源地的藻密度|T| 值均大于1.64，藻密度下降趨勢顯著，調(diào)水后|T|值均小于1.64，藻密度呈現(xiàn)不顯著的上升趨勢.

從ρ(Chla)變化趨勢(見圖5)可以看出，ρ(Chla)在調(diào)水后大幅升高. 根據(jù)藻類因子變化結(jié)果(見表3)，白鶴嘴、琴斷口、宗關(guān)的ρ(Chla)分別升高了80.5%、99.3%和96.2%；趨勢檢驗結(jié)果顯示，ρ(Chla)在調(diào)水前變化趨勢不顯著，在調(diào)水后呈顯著上升趨勢. 綜上，藻類變化特征與水質(zhì)變化特征差異較大，說明相比較水質(zhì)變化對水生態(tài)帶來的影響，漢江下游水華的發(fā)生對水文過程改變更加敏感，調(diào)水后漢江下游水生態(tài)惡化風(fēng)險仍然較高.

2.5 影響藻密度變化的關(guān)鍵因子分析

為進一步識別調(diào)水前后可能導(dǎo)致漢江下游藻密度升高的關(guān)鍵要素，以藻密度為響應(yīng)變量，利用GAM模型分析中線工程調(diào)水前后上述各水文、氣象、水質(zhì)因子與藻密度的相關(guān)性(見表4). 由表4可見：調(diào)水前，流量、ρ(TP)的P<0.05通過相關(guān)性檢驗，且R2較大，可以認(rèn)為流量和ρ(TP)是影響藻密度變化的關(guān)鍵因子；調(diào)水后，流量、ρ(TP)的P<0.05通過相關(guān)性檢驗，且R2較大，流量和ρ(TP)仍然是影響藻密度變化的關(guān)鍵因子. 其中，流量的edf大于1，與藻密度非線性相關(guān)，ρ(TP)的edf等于1，與藻密度線性相關(guān).

從表4也可以看出：調(diào)水前流量的R2最大，貢獻率為27.7%，對藻密度變化的影響貢獻最大；其次是ρ(TP)，R2為0.187，貢獻率為20.5%. 調(diào)水后流量的R2為0.496，貢獻率為65.4%，大于調(diào)水前的R2和貢獻率，說明調(diào)水后流量對藻密度變化的影響比調(diào)水前更大；調(diào)水后ρ(TP)的影響貢獻較小，且與調(diào)水前的影響程度持平. 綜上，中線工程開通后，受上游調(diào)水的影響，漢江下游流量減小對藻密度變化的影響十分明顯，而TP等營養(yǎng)鹽濃度的影響相對減弱.

圖5 武漢市3個水源地藻類變化趨勢Fig.5 Algae trends of 3 water sources in Wuhan

表4 GAM模型擬合結(jié)果

注：** 表示在0.01置信水平上顯著相關(guān)； *表示在0.05置信水平上顯著相關(guān).

3 討論

通過研究分析，漢江水生態(tài)環(huán)境演變是一個受流域高強度人類活動和區(qū)域氣候綜合影響下的復(fù)合水生態(tài)環(huán)境問題. 在全球變暖的影響下，漢江流域暖干氣候也在加強，近60年來漢江下游降雨量存在不明顯的下降趨勢[26]. 針對漢江下游仙桃流量與武漢市降雨量和丹江口水庫下泄流量的相關(guān)性開展分析(見圖6)，結(jié)果顯示，漢江下游流量與降雨量相關(guān)性不顯著，而與丹江口水庫下泄流量呈現(xiàn)顯著相關(guān)，說明漢江下游水文情勢在中線工程調(diào)水前后受到降雨等自然氣候條件影響較小，受水利工程等人類活動的影響較大. 受上游丹江口水庫調(diào)水的影響，調(diào)水后漢江下游流量在全年和枯豐期均有不同程度的減小(見表1). 2012年丹江口水庫大壩加高蓄水，為中線工程的開通做好了準(zhǔn)備，漢江下游流量在2012—2014年呈顯著下降趨勢(見圖2)，這與柏慕琛等[27]的研究結(jié)果一致；調(diào)水后在引江濟漢工程(2014年建成并運行)的影響下，流量得到一定回升，漢江下游流量年內(nèi)分配趨于不均勻，說明調(diào)水工程帶來較大的流量波動，甚至影響著下游的流量分配.

圖6 仙桃斷面流量影響因素的GAM模型分析Fig.6 GAM model analysis of factors affecting the flow rate at Xiantao cross-section

中線工程調(diào)水前后漢江下游水質(zhì)狀況良好，調(diào)水后ρ(TP)和ρ(TN)均有下降，但ρ(Chla)大幅升高(見表3)，藻密度在調(diào)水后存在上升趨勢(見圖5). 水體中藻類生長超過一定閾值會導(dǎo)致水華的暴發(fā)[28]. 通常認(rèn)為，過高的氮磷營養(yǎng)鹽濃度是導(dǎo)致藻類形成的主要因素[29-30]，而漢江下游水質(zhì)在調(diào)水后有所好轉(zhuǎn)，ρ(TP)、ρ(TN)與藻密度呈負(fù)相關(guān)，造成這一現(xiàn)象的原因可能是支流對下游營養(yǎng)物變化的影響更大[31]，2015年以后丹江庫區(qū)ρ(TP)和ρ(TN)下降[32]，調(diào)水后庫區(qū)下泄流量將對下游水體產(chǎn)生稀釋作用[20]，導(dǎo)致下游營養(yǎng)物濃度降低，而營養(yǎng)鹽負(fù)荷仍保持在較高水平，引起藻類的增殖和聚集. 除此之外，低流速下營養(yǎng)鹽對河流中硅藻生長的影響限制減弱，即使污染較低水華現(xiàn)象依然發(fā)生[33]. 2010—2017年的分析結(jié)果顯示，漢江下游流量在調(diào)水后下降，這也可能是導(dǎo)致下游水質(zhì)轉(zhuǎn)好而水華暴發(fā)頻次增加的原因.

GAM模型分析結(jié)果顯示，漢江下游降雨量與藻密度變化相關(guān)程度較低(見表4)，氣候條件的改變不是調(diào)水前后漢江下游水文情勢和藻密度變化的關(guān)鍵影響因子. 調(diào)水前后影響漢江下游藻密度變化的關(guān)鍵因子是流量和ρ(TP)，其影響貢獻依次減小，調(diào)水后流量對藻密度變化的貢獻率較調(diào)水前大幅升高(見表4)，說明受上游調(diào)水工程的影響，河道下游水文情勢減弱，致使河流呈現(xiàn)出類似湖庫的水流緩慢流動的特征，水文要素對藻密度變化的影響顯著升高[7,16]，流量等水文條件才是引起漢江下游水華發(fā)生的關(guān)鍵要素[34]. 由圖7可見，當(dāng)流量較小時，藻密度隨流量的增大而下降，當(dāng)流量較大時，河流的沖刷作用使上游浮游植物的在水體中的滯留時間減小，并被迅速帶至河道下游[20]，可能導(dǎo)致河流下游藻密度隨流量的增大而上升，呈現(xiàn)與調(diào)水前流量較大時類似的變化趨勢. 水質(zhì)因子中，ρ(TP)與藻密度在調(diào)水前后均呈線性正相關(guān)，ρ(TN)在調(diào)水前后對藻密度的影響均不大.

圖7 調(diào)水前后流量對藻密度變化的GAM模型分析Fig.7 GAM model analysis of the effects of flow rate on algal density before and after water transfer

4 結(jié)論

a) 中線工程開通前，漢江下游水量充足，調(diào)水后受丹江口水庫下泄流量減少的影響，漢江下游多年平均流量下降了11.5%，流量年內(nèi)分配趨于不均勻，流量變化幅度增大；降雨量在調(diào)水后呈現(xiàn)不顯著的上升趨勢，漢江下游氣象變異程度總體較小，相比自然氣象條件，人類活動對漢江下游徑流過程的影響更為顯著.

b) 調(diào)水后漢江下游ρ(TP)、ρ(TN)減小，ρ(Chla)和藻密度顯著上升，與中線工程開通前相比，調(diào)水后漢江下游水華暴發(fā)風(fēng)險升高，說明調(diào)水后受上游來水量減少的影響，河道內(nèi)水質(zhì)狀況雖未發(fā)生明顯惡化，但漢江下游水生態(tài)惡化風(fēng)險依然較高，漢江下游水華的發(fā)生對水文過程改變更加敏感.

c) 基于GAM模型的相關(guān)分析結(jié)果表明，調(diào)水前后影響漢江下游藻密度變化的關(guān)鍵因子是流量和ρ(TP)，調(diào)水前漢江下游流量和ρ(TP)對藻密度的貢獻率分別為27.7%和20.5%，調(diào)水后貢獻率分別為65.4%和20.5%，調(diào)水后漢江下游流量對藻密度變化的貢獻率顯著升高，說明上游調(diào)水引起的漢江下游流量減小對水華暴發(fā)的影響十分明顯，而TP等營養(yǎng)鹽濃度的影響相對減弱.