基于多要素綜合改變度的河流萎縮演變程度定量評價研究

劉兆勝

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114039)

河流萎縮演變度是河流治理規劃的重要依據。當前，隨著人類活動對河流影響程度的不斷加劇，河流均出現不同程度的萎縮演變，為提高河流治理規劃的科學依據，需要對河流萎縮演變程度進行定量評價。當前，對于河流萎縮演變度的研究逐步得到國內學者的廣泛關注，并取得一定的研究成果，但是這些研究大都基于河道形態特征進行河流萎縮度的定量評價，而河流水文特征、水生態特征也是影響河流萎縮程度的兩個重要環節，為此需要結合河流形態、水文特征、水生態特征構建綜合改變度，對河流萎縮演變程度進行綜合定量評價。

1 多要素河流綜合改變

1.1 評價指標

從河流萎縮演變的全面性、代表性、資料獲取的難易程度以及指標的實用和推廣性出發，結合河道特征、水文特征以及水生態特征三方面構建河流萎縮演變程度綜合評價指標體系。評價的指標體系見表1。

1.2 評價方法

主要采用模糊數學的概念建立綜合要素改變度。首先構建要素統計變量xi，設定其取值的范圍在[ai，bi]之間，若河流在天然時期的統計變量為xi，0，則其t時段的綜合要素統計變量為xt，0。當該指標逐步減小時，河流呈現一定的萎縮程度，若指標增加時，其河流呈現一定的發育程度。河流綜合要素改變度的計算方程為：

表1 河流萎縮演變程度評價指標體系

(1)

若該指標呈現減低變化趨勢時，河流呈現整體發育程度，增加時河流出現一定程度的萎縮變化，其綜合改變度的計算方程為：

(2)

在上述方程中，Di，t表示為綜合要素i在t時段內的綜合改變度，i表示為計算的指標；ai,bi分別表示綜合要素統計變量的最大和最小值。

當Di，t小于0時，河流呈現一定的萎縮變化程度，而大于0時，河流呈現一定的發育程度。

由于河道形態、水文特征以及水生態特征均對河流演變程度產生多方面的影響，因此對河流演變進行分析，需要引入基于以上3個要素的綜合改變度進行河流萎縮演變程度的分析。假定某一河流的萎縮演變程度有n個綜合指標要素組成，則在t時段河段的萎縮程度可采用以下方程進行表示：

(3)

結合方程(1)和方程(2)，對各時段不同要素指標i的綜合改變度Di，t進行計算，t時段河流要素綜合改變度Dt的計算方程為：

(4)

在方程(4)中，ωi表示為指標要素i在整個評價改變度指標中所占據的權重值，主要采用二元比較方法進行設定。

為對河流萎縮演變程度進行定量評價，需要對其綜合改變度進行指標的界定，設定的指標等級范圍見表2。

表2 河流綜合改變度評價標準

1.3 評價步驟

在對河流萎縮演變程度進行定量評價時，應用以下幾個步驟進行。

(1)對河道形態、水文特征、水生態分析數據進行收集和整理，對各評價指標的最大、最小值的范圍進行界定。

(2)采用方程(1)和(2)對評價指標進行綜合改變度的定量計算。

(3)從河道形態、水文特征、水生態3個方面出發，結合二元比較方法對各指標的權重值進行設定，定量分析計算不同指標的綜合改變度。

(4)對河道綜合要素指標的權重進行設定，分析計算河流萎縮演變改變度。

2 實例應用

2.1 指標的選取

(1)河道形態

河道形態綜合演變主要包括橫向和縱向演變的指標，選取的評價指標為特征水位下對應的河道過水斷面的面積、斷面形態最低點的高程、特征水位下河道行洪能力。本文的基準期即天然時期為80年代以前，各選取的典型河流的形態指標見表3。

本文結合遼寧河流演變的研究成果及其遼寧省河流實際變化特征，對河道過水斷面面積及特征水位下的過水能力的最低值設定為0，最大值主要采用基準值的2.5倍。河道斷面的最低點高程以及最大值主要采用河道地形觀測的實際數據獲取。

(2)水文特性

河道水文特征主要選用徑流、泥沙以及洪水等3項要素，即年徑流量、年河道輸沙量以及河道的最大洪峰流量。河道形態的基準期同樣選用80年代，各個時段的水文特征值見表4。

表4中年最大流量、年最大洪峰流量以及年輸沙量主要以實測年徑流系列中的最大值以及最大值作為設定的閾值。

(3)水生態

選取高錳酸鹽指數、氨氮含量和魚類物種數作為河流水生態演變指標，基準期依然采用80年代。各個時段的水生態統計指標見表5。

從表5中可看出，兩個水質指標高錳酸鹽指數和氨氮含量以水質I類和V類作為其評價閾值的上限和下限。對于河流魚類的種群數量，其最小值為0，考慮典型河道調查的魚類數量顯現較為明顯的遞減變化趨勢，結合河湖健康評價的相關標準，設定典型河段魚類數量的上限值為80年前的魚類種群的數目。

2.2 各要素改變度的計算結果

(1)水文特征改變度的計算

表3 河道形態演變指標及其閾值的設定結果

從表中可看出，小凌河上、下游相對于基準期，其改變度在-0.121～-0.454之間，水文特征屬于低度～中度的萎縮演變程度；興城河上、中、下三段的水文特征改變度相對于基準期在-0.413～0.018之間，總體屬于低度萎縮～基本穩定的演變狀態；六股河、大清河、登沙河以及碧流河的水文特征改變度總體呈現低度萎縮的演變狀態。

(2)河道形態改變度的計算

結合河道形態的特征指標，應用河道形態改變度計算方法，對河道形態特征改變度進行計算。計算結果見表7。

從表中計算結果可看出，對于河道形態演變而言，小凌河上、下游相對于基準期的改變度在-0.052～-0.543之間變化，總體呈現中度萎縮的演變狀態；興城河上、中、下游三段的河道形態改變度在-0.454～0.648之間變化，總體呈現中度發育的演變狀態；六股河、大清河、登沙河以及碧流河的河道形態改變度總體呈現低度萎縮～中等發育程度的演變狀態。

(3)河道生態要素改變度的計算

表4 河流水文特征指標及其閾值設定結果

結合河道生態的特征指標，應用水生態改變度計算方法，對河流水生態改變度進行計算。計算結果見表8。

從表中計算結果可看出，對于水生態演變而言，小凌河上、下游其相對于基準期的改變度在-0.832～0.092之間變化，水生態總體呈現低度萎縮的演變狀態；興城河上、中、下游3段的河道形態改變度在-0.105～-0.848之間變化，總體呈現中度～高度萎縮的演變狀態，可見近些年來人類活動對河流生態影響較大；六股河、大清河、登沙河以及碧流河的河道形態改變度總體呈現中度萎縮～高度萎縮的演變狀態。

2.3 綜合改變度的計算結果

在水文特征、河道形態、水生態要素改變度計算的基礎上，對河道綜合改變度進行計算，計算結果見表9。

從計算結果可看出，小凌河上、下游河道綜合改變度在-0.125～-0.657之間，總體屬于低度～中度萎縮演變的程度，而興城河上、中、下游河道綜合改變度在-0.148～-0.495之間變化，屬于低度～中度萎縮演變的程度，六股河綜合改變度在-0.427～-0.690之間變化，屬于中度萎縮的演變程度，總體上看遼東灣西部小凌河、興城河以及六股河的綜合改變度在-0.69～0.125之間，總體處于中度萎縮的演變狀態。遼東灣東部的大清河、登沙河、大清河的綜合改變度在-0.007～-0.689之間，總體屬于低度萎縮。

表5 河流生態指標選定及其閾值設定結果

表6 水文特征綜改變度計算結果

表7 河道形態特征改變度的計算結果

表8 河道水生態要素改變度的計算結果

表9 河道綜合改變度的計算結果

3 結論

(1)采用河流綜合改變度的方法可實現河流萎縮演變程度的定量分析，對于河流治理規劃設計、河長制“一河一策”方案制定等具有重要的應用和推廣價值。

(2)從各典型河段各指標改變度分析結果可看出，各河段不同時期水生態改變度明顯高于水文特征及河道形態的改變度，可見，受人類活動的影響，河流水生態萎縮演變狀態加劇。

(3)本文在河道形態中未考慮其斷面泥沙淤積變化對河流綜合演變的影響，在以后的研究中還需要加入沖淤變化指標分析其河道形態的綜合改變度。