基于多要素綜合改變度的河流萎縮演變程度定量評(píng)價(jià)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(guī)劃的重要依據(jù)。當(dāng)前，隨著人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河流影響程度的不斷加劇，河流均出現(xiàn)不同程度的萎縮演變，為提高河流治理規(guī)劃的科學(xué)依據(jù)，需要對(duì)河流萎縮演變程度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。當(dāng)前，對(duì)于河流萎縮演變度的研究逐步得到國(guó)內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)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(tài)特征進(jìn)行河流萎縮度的定量評(píng)價(jià)，而河流水文特征、水生態(tài)特征也是影響河流萎縮程度的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，為此需要結(jié)合河流形態(tài)、水文特征、水生態(tài)特征構(gòu)建綜合改變度，對(duì)河流萎縮演變程度進(jìn)行綜合定量評(píng)價(jià)。

1 多要素河流綜合改變

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

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(biāo)的實(shí)用和推廣性出發(fā)，結(jié)合河道特征、水文特征以及水生態(tài)特征三方面構(gòu)建河流萎縮演變程度綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系見(jiàn)表1。

1.2 評(píng)價(jià)方法

主要采用模糊數(shù)學(xué)的概念建立綜合要素改變度。首先構(gòu)建要素統(tǒng)計(jì)變量xi，設(shè)定其取值的范圍在[ai，bi]之間，若河流在天然時(shí)期的統(tǒng)計(jì)變量為xi，0，則其t時(shí)段的綜合要素統(tǒng)計(jì)變量為xt，0。當(dāng)該指標(biāo)逐步減小時(shí)，河流呈現(xiàn)一定的萎縮程度，若指標(biāo)增加時(shí)，其河流呈現(xiàn)一定的發(fā)育程度。河流綜合要素改變度的計(jì)算方程為：

表1 河流萎縮演變程度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(1)

若該指標(biāo)呈現(xiàn)減低變化趨勢(shì)時(shí)，河流呈現(xiàn)整體發(fā)育程度，增加時(shí)河流出現(xiàn)一定程度的萎縮變化，其綜合改變度的計(jì)算方程為：

(2)

在上述方程中，Di，t表示為綜合要素i在t時(shí)段內(nèi)的綜合改變度，i表示為計(jì)算的指標(biāo)；ai,bi分別表示綜合要素統(tǒng)計(jì)變量的最大和最小值。

當(dāng)Di，t小于0時(shí)，河流呈現(xiàn)一定的萎縮變化程度，而大于0時(shí)，河流呈現(xiàn)一定的發(fā)育程度。

由于河道形態(tài)、水文特征以及水生態(tài)特征均對(duì)河流演變程度產(chǎn)生多方面的影響，因此對(duì)河流演變進(jìn)行分析，需要引入基于以上3個(gè)要素的綜合改變度進(jìn)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(gè)綜合指標(biāo)要素組成，則在t時(shí)段河段的萎縮程度可采用以下方程進(jìn)行表示：

(3)

結(jié)合方程(1)和方程(2)，對(duì)各時(shí)段不同要素指標(biāo)i的綜合改變度Di，t進(jìn)行計(jì)算，t時(shí)段河流要素綜合改變度Dt的計(jì)算方程為：

(4)

在方程(4)中，ωi表示為指標(biāo)要素i在整個(gè)評(píng)價(jià)改變度指標(biāo)中所占據(jù)的權(quán)重值，主要采用二元比較方法進(jìn)行設(shè)定。

為對(duì)河流萎縮演變程度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，需要對(duì)其綜合改變度進(jìn)行指標(biāo)的界定，設(shè)定的指標(biāo)等級(jí)范圍見(jiàn)表2。

表2 河流綜合改變度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 評(píng)價(jià)步驟

在對(duì)河流萎縮演變程度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)用以下幾個(gè)步驟進(jìn)行。

(1)對(duì)河道形態(tài)、水文特征、水生態(tài)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的最大、最小值的范圍進(jìn)行界定。

(2)采用方程(1)和(2)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合改變度的定量計(jì)算。

(3)從河道形態(tài)、水文特征、水生態(tài)3個(gè)方面出發(fā)，結(jié)合二元比較方法對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重值進(jìn)行設(shè)定，定量分析計(jì)算不同指標(biāo)的綜合改變度。

(4)對(duì)河道綜合要素指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行設(shè)定，分析計(jì)算河流萎縮演變改變度。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 指標(biāo)的選取

(1)河道形態(tài)

河道形態(tài)綜合演變主要包括橫向和縱向演變的指標(biāo)，選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)為特征水位下對(duì)應(yīng)的河道過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e、斷面形態(tài)最低點(diǎn)的高程、特征水位下河道行洪能力。本文的基準(zhǔn)期即天然時(shí)期為80年代以前，各選取的典型河流的形態(tài)指標(biāo)見(jiàn)表3。

本文結(jié)合遼寧河流演變的研究成果及其遼寧省河流實(shí)際變化特征，對(duì)河道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e及特征水位下的過(guò)水能力的最低值設(shè)定為0，最大值主要采用基準(zhǔn)值的2.5倍。河道斷面的最低點(diǎn)高程以及最大值主要采用河道地形觀測(cè)的實(shí)際數(shù)據(jù)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(xiàng)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(tài)的基準(zhǔn)期同樣選用80年代，各個(gè)時(shí)段的水文特征值見(jiàn)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(shí)測(cè)年徑流系列中的最大值以及最大值作為設(shè)定的閾值。

(3)水生態(tài)

選取高錳酸鹽指數(shù)、氨氮含量和魚(yú)類(lèi)物種數(shù)作為河流水生態(tài)演變指標(biāo)，基準(zhǔn)期依然采用80年代。各個(gè)時(shí)段的水生態(tài)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表5。

從表5中可看出，兩個(gè)水質(zhì)指標(biāo)高錳酸鹽指數(shù)和氨氮含量以水質(zhì)I類(lèi)和V類(lèi)作為其評(píng)價(jià)閾值的上限和下限。對(duì)于河流魚(yú)類(lèi)的種群數(shù)量，其最小值為0，考慮典型河道調(diào)查的魚(yú)類(lèi)數(shù)量顯現(xiàn)較為明顯的遞減變化趨勢(shì)，結(jié)合河湖健康評(píng)價(jià)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定典型河段魚(yú)類(lèi)數(shù)量的上限值為80年前的魚(yú)類(lèi)種群的數(shù)目。

2.2 各要素改變度的計(jì)算結(jié)果

(1)水文特征改變度的計(jì)算

表3 河道形態(tài)演變指標(biāo)及其閾值的設(shè)定結(jié)果

從表中可看出，小凌河上、下游相對(duì)于基準(zhǔn)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(duì)于基準(zhǔn)期在-0.413～0.018之間，總體屬于低度萎縮～基本穩(wěn)定的演變狀態(tài)；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(xiàn)低度萎縮的演變狀態(tài)。

(2)河道形態(tài)改變度的計(jì)算

結(jié)合河道形態(tài)的特征指標(biāo)，應(yīng)用河道形態(tài)改變度計(jì)算方法，對(duì)河道形態(tài)特征改變度進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

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

(3)河道生態(tài)要素改變度的計(jì)算

表4 河流水文特征指標(biāo)及其閾值設(shè)定結(jié)果

結(jié)合河道生態(tài)的特征指標(biāo)，應(yīng)用水生態(tài)改變度計(jì)算方法，對(duì)河流水生態(tài)改變度進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

從表中計(jì)算結(jié)果可看出，對(duì)于水生態(tài)演變而言，小凌河上、下游其相對(duì)于基準(zhǔn)期的改變度在-0.832～0.092之間變化，水生態(tài)總體呈現(xiàn)低度萎縮的演變狀態(tài)；興城河上、中、下游3段的河道形態(tài)改變度在-0.105～-0.848之間變化，總體呈現(xiàn)中度～高度萎縮的演變狀態(tài)，可見(jiàn)近些年來(lái)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河流生態(tài)影響較大；六股河、大清河、登沙河以及碧流河的河道形態(tài)改變度總體呈現(xiàn)中度萎縮～高度萎縮的演變狀態(tài)。

2.3 綜合改變度的計(jì)算結(jié)果

在水文特征、河道形態(tài)、水生態(tài)要素改變度計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)河道綜合改變度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9。

從計(jì)算結(jié)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(tài)。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(tài)指標(biāo)選定及其閾值設(shè)定結(jié)果

表6 水文特征綜改變度計(jì)算結(jié)果

表7 河道形態(tài)特征改變度的計(jì)算結(jié)果

表8 河道水生態(tài)要素改變度的計(jì)算結(jié)果

表9 河道綜合改變度的計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

(1)采用河流綜合改變度的方法可實(shí)現(xiàn)河流萎縮演變程度的定量分析，對(duì)于河流治理規(guī)劃設(shè)計(jì)、河長(zhǎng)制“一河一策”方案制定等具有重要的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

(2)從各典型河段各指標(biāo)改變度分析結(jié)果可看出，各河段不同時(shí)期水生態(tài)改變度明顯高于水文特征及河道形態(tài)的改變度，可見(jiàn)，受人類(lèi)活動(dòng)的影響，河流水生態(tài)萎縮演變狀態(tài)加劇。

(3)本文在河道形態(tài)中未考慮其斷面泥沙淤積變化對(duì)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(biāo)分析其河道形態(tài)的綜合改變度。