遼河流域河流健康綜合評(píng)價(jià)

聶大鵬

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

0 引 言

水庫大壩的大規(guī)模開發(fā)建設(shè)使得河流生態(tài)功能不斷退化，水生態(tài)環(huán)境問題逐漸引起水文學(xué)者和水行政主觀部門的重視，科學(xué)評(píng)價(jià)河流健康水平對(duì)于實(shí)現(xiàn)流域可持續(xù)發(fā)展和河流生態(tài)環(huán)境保護(hù)十分必要[1-2]。

針對(duì)河流健康和生態(tài)保護(hù)問題西方一些發(fā)達(dá)國家開展了一系列研究，如Boulton等從生境、水質(zhì)、水量、生物多樣性等方面建立河流健康評(píng)價(jià)體系和評(píng)價(jià)方法。對(duì)于河流健康的評(píng)價(jià)國內(nèi)學(xué)者做了諸多研究，如董哲仁等學(xué)者河流應(yīng)具有水資源合理開發(fā)利用、維持生態(tài)平衡和系統(tǒng)完整性等功能；胡春宏、劉曉燕、彭勃、蔡其華等對(duì)黃河流域、長江流域的河流健康時(shí)空特征及其評(píng)價(jià)體系做了深入的研究，綜合考慮各方面因素提出了有效的評(píng)價(jià)方法、概述了河流健康的內(nèi)涵，但迄今仍未形成普遍適用、統(tǒng)一完善的評(píng)價(jià)體系[3-8]。因此，結(jié)合河流生態(tài)系統(tǒng)特征和經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，評(píng)價(jià)體系應(yīng)考慮河流健康完整性和流域管理目標(biāo)要求等。

大規(guī)模的水利工程開發(fā)建設(shè)活動(dòng)對(duì)遼河流域的生態(tài)環(huán)境、水環(huán)境與水文情勢等影響較為顯著，尤其是水資源的不斷減少可能引發(fā)一系列的社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境問題，持續(xù)增大的水生態(tài)環(huán)境保護(hù)壓力嚴(yán)重威脅著經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和流域生態(tài)安全。因此，本文通過全面調(diào)查遼河流域的水生態(tài)狀況、水量、水質(zhì)，根據(jù)河流特點(diǎn)和自然地理特征將其劃分為多個(gè)評(píng)價(jià)單元，考慮生態(tài)服務(wù)功能和生態(tài)完整性兩個(gè)子系統(tǒng)的各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子建立綜合評(píng)估體系。

1 流域概況

遼河流域位于我國東北地區(qū)南部，遼河干流及東、西遼河構(gòu)成遼河水系，總面積為21.9萬km2，長為1345km，年徑流量約128×108m3，主要有老哈河、少冷河、渾河、西拉木倫河、太子河、秀水河、柴河、饒陽河等。研究區(qū)為大陸性季風(fēng)氣候，年降水量為350-1100mm之間，降水量具有明顯的區(qū)域性與季節(jié)性特征，在空間上降水量自東南向西北方向呈降低趨勢；在時(shí)間上尺度上，60%以上降水集中于7、8、9月份，汛期多暴雨或強(qiáng)降雨[9-10]。

遼河流域?yàn)槲覈鴸|北地區(qū)重要的糧食生產(chǎn)區(qū)、畜牧業(yè)和重工業(yè)基地，位于遼寧省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展核心區(qū)，其生產(chǎn)總值、耕地面積和人口規(guī)模約占遼寧省的1/3。遼河干流段為大規(guī)模水利工程開發(fā)建設(shè)的影響突出河段，也是水庫大壩、水電站等重要的水利工程建設(shè)基地。遼河干流梯級(jí)水電站，裝機(jī)容量為1萬kW以上的有大伙房、觀音閣和葠窩水電站，附近支流上有柴河、南城子、二龍山和榛子嶺等水利樞紐工程。依據(jù)遼河干流河道走勢和水功能區(qū)劃，將其劃分為福德店站、招蘇臺(tái)河、柴河、清河、柳河、養(yǎng)息牧河、秀水河、六間房站、三岔河站、營口市老邊區(qū)等10個(gè)河段。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

采用實(shí)地監(jiān)測、文獻(xiàn)篩選和資料收集的方式獲取遼河干流2016-2018年福德店、大伙房、觀音閣、六間房等水文站的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，招蘇臺(tái)河、柴河、清河、柳河、養(yǎng)息牧河、秀水河等水質(zhì)斷面的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，干流水資源狀況、經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況、污染源調(diào)查、水利工程建設(shè)等數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)整理2000年以來遼河干流的浮游生物、動(dòng)植物和底棲魚類等資料。針對(duì)2018年河流自然狀況、水生物種、河流適宜性、水質(zhì)等狀況進(jìn)行實(shí)地考察，對(duì)于短缺數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充監(jiān)測，利用問卷調(diào)查或走訪的形式分析周邊居民對(duì)河流健康的滿意度。

2.2 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

針對(duì)存在水生命的河流現(xiàn)狀描述為河流健康的內(nèi)涵，社會(huì)屬性和自然屬性為河流生命他正的基本來源。所以，社會(huì)發(fā)展提供必要的服務(wù)功能以及延續(xù)和維持河流自身生命的特征為流域健康狀況的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合遼河干流區(qū)域自然社會(huì)特征和水利部頒發(fā)的河流健康評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮河流健康狀況與各類評(píng)估指標(biāo)之間的作用機(jī)理，從水文水資源、物理結(jié)構(gòu)、水生物、社會(huì)功能、水質(zhì)等子系統(tǒng)選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)，遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、可行性和合理性原則建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)各指標(biāo)權(quán)重考慮選用層次分析法確定。

2.2.1 水文水資源表征

遼河流域水資源量豐富、降雨充沛，但干流徑流量受人類活動(dòng)和大氣環(huán)流等因素影響總體呈脈動(dòng)式波動(dòng)下降趨勢；同時(shí)，由于流域內(nèi)土地利用方式的改變和大規(guī)模的水利工程建設(shè)，干流的水流速度、流量、供水量和洪水頻率等發(fā)生較大的變化，而河流生物群落構(gòu)成、河岸植被、水質(zhì)、河勢形態(tài)、洪泛區(qū)等因素均與河流的水文水資源特征緊密相連。鑒于此，本研究考慮從流量過程變異和生態(tài)流量滿足度2個(gè)角度反映流域水文水資源特征，具體如下：

1)為反映河流自然水文特征受水電開發(fā)與人為活動(dòng)的干擾引入流量過程變異程度指標(biāo)，它是表征天然和實(shí)測徑流量之間偏離大小的重要參數(shù)，其表達(dá)式為：

(1)

2)為了維持各種程度的生態(tài)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能所需要的最小流量，即為生態(tài)流量滿足度，河流生態(tài)功能選用最小生態(tài)流量莫奧數(shù)，其計(jì)算公式為：

(2)

2.2.2 物理結(jié)構(gòu)表征

河流物理自然形態(tài)屬于維持河流健康的重要條件和決定生物群落潛力的關(guān)鍵因素，在很大程度正影響著河流生物群落棲息環(huán)境、物種類型和群落機(jī)構(gòu)。流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)且人類活動(dòng)影響顯著，對(duì)河流水質(zhì)和河岸生態(tài)等情況造成較大的影響；同時(shí)，參與分析的主要因素還包括修建的大伙房、觀音閣、葠窩水電站以及周邊支流水利樞紐，以上水利樞紐可在一定程度上影響著評(píng)估河段的魚類遷徙、生態(tài)急流等過程。因此，考慮從河岸帶和河流連通組合情況2個(gè)方面反映河流的物理結(jié)構(gòu)，具體如下：

1)為了能夠綜合反映人類活動(dòng)和工程建設(shè)對(duì)植被覆蓋度、河岸帶狀況、岸坡穩(wěn)定性等影響引入河岸帶狀況評(píng)估指標(biāo)。

2)為體現(xiàn)河流縱向連續(xù)性受河閘、水庫大壩等工程修建的影響選取河流連通阻隔狀況指標(biāo)，從河道水流、物質(zhì)連通、魚類遷徙等方面賦予相應(yīng)的賦值，其表達(dá)式為：

RCr=100+min[(DAMr)i,(HATREr)j]

(3)

式中：RCr為河流阻隔現(xiàn)狀評(píng)分；(DAMr)i、(HATREr)j為評(píng)價(jià)斷面下游大壩、水閘的阻隔評(píng)分；i=1、NDam，j=1、NGate，其中NDam、NGate為下游大壩和水閘座數(shù)。

2.2.3 水質(zhì)狀況

水環(huán)境質(zhì)量在很大程度上決定著河流生態(tài)功能的發(fā)揮水平，研究河段存在多處飲水水源地，水質(zhì)等級(jí)以Ⅱ、Ⅲ類為主。目前，有機(jī)質(zhì)污染和富營養(yǎng)化為河道面臨的關(guān)鍵問題，其中CODMn、TP、NP為主要污染物；1995-2018年以來，下游河道增多次發(fā)生“水化”現(xiàn)象，重金屬富集問題在局部河段內(nèi)較為突出。因此，考慮利用重金屬、耗氧有機(jī)物、溶解氧3項(xiàng)因子評(píng)價(jià)水質(zhì)情況，具體如下：

1)根據(jù)河道水環(huán)境質(zhì)量狀況，賦予COD5、TP、CODMn和化學(xué)需氧量相應(yīng)的分值，以月平均值評(píng)價(jià)分析汛期、非汛期的河流水質(zhì)狀況。

2)結(jié)合水污染程度賦予砷、鉛、鎘、鉻、汞等指標(biāo)相應(yīng)的分值，以月平均值作為汛期和非汛期評(píng)價(jià)依據(jù)，選擇各指標(biāo)最低賦分所處的等級(jí)作為該因子評(píng)價(jià)結(jié)果。

3)依據(jù)非汛期、汛期將全年12個(gè)月平均濃度給予相應(yīng)的賦分，溶解氧指標(biāo)分值取最低賦分值。

2.2.4 水生生物狀況

利用多個(gè)生物指數(shù)綜合表征水生物學(xué)情況，結(jié)合現(xiàn)有研究資料獲取較為常用的評(píng)價(jià)因子有魚類、底棲動(dòng)物等。本文選取底棲動(dòng)物、魚類作為指示性物種，以上2個(gè)指標(biāo)的最低得分者作為最終的評(píng)價(jià)結(jié)果，具體如下：

1)根據(jù)如下計(jì)算式確定底棲動(dòng)物完整性指數(shù)，即：

(4)

式中：BIBE、BIB為河流系統(tǒng)中底棲動(dòng)物的最佳期望以及評(píng)估河段的實(shí)測指標(biāo)值；BIBr為底棲動(dòng)物完整性指標(biāo)評(píng)分。

2)采用下述公式確定魚類種類變化程度，其表達(dá)式為：

(5)

式中：FOE、FO為魚種類變化指數(shù)和調(diào)查獲取的評(píng)估河段魚種類數(shù)；FE為評(píng)估河段2000年以前的魚類種類數(shù)。

2.2.5 社會(huì)服務(wù)功能

本文從河流個(gè)性與共性的角度，結(jié)合流域內(nèi)水資源開發(fā)利用和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展情況，選取水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率、公眾滿意度、防洪工程和水資源開發(fā)率4項(xiàng)能夠綜合反映河流社會(huì)服務(wù)功能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

采用層次分析法理論和以上各子系統(tǒng)分析結(jié)果，按遞階層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含多要素、多層次評(píng)估體系。然后依據(jù)專家意見和實(shí)地調(diào)查結(jié)果，結(jié)合實(shí)際情況及相關(guān)資料獲取各因子初始值，評(píng)價(jià)體系及各因子值如表1。

表1 遼河流域河流健康狀況評(píng)估體系

2.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與指標(biāo)權(quán)重

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要取決于人類社會(huì)發(fā)展需求及河流的自然狀況，因此它屬于一個(gè)動(dòng)態(tài)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合遼河干流開發(fā)利用具體狀況，設(shè)定水環(huán)境改善、景觀質(zhì)量保證、生態(tài)多樣性恢復(fù)為河流管理的最終目標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)有研究成果關(guān)于評(píng)價(jià)等級(jí)和閾值的劃分，以1950-1960年遼河初期狀況為參照將河流健康劃分為5個(gè)等級(jí)。根據(jù)提高評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性和客觀性，減少人為主觀性影響的原則，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重利用層次分析僅決策打分計(jì)算確定如表1所示，各等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的取值范圍如表2所示。

將研究區(qū)域根據(jù)水功能區(qū)劃分為10個(gè)河段，對(duì)準(zhǔn)則層中的3項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)處理，采用算術(shù)平均法確定各河段的健康程度；之后，考慮水文水資源、物種多樣性、水環(huán)境質(zhì)量和物理結(jié)構(gòu)等綜合評(píng)價(jià)10個(gè)河段健康程度，結(jié)合各河段評(píng)價(jià)結(jié)果總體反映整個(gè)流域的生態(tài)完整性。另外，從水功能區(qū)達(dá)標(biāo)、防洪工程、開發(fā)利用、滿意度4個(gè)層面評(píng)估河流的社會(huì)服務(wù)功能，最終確定研究河段的生態(tài)完整性和社會(huì)服務(wù)功能。

根據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采用加權(quán)評(píng)分法評(píng)估河流健康水平，各評(píng)價(jià)等級(jí)下的河流健康描述及其分類標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表2 太子河流域河流健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表3 遼河干流河流健康分類描述及標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果分析

設(shè)定2018年為評(píng)估基準(zhǔn)年，依據(jù)以上評(píng)價(jià)流程綜合分析遼河干流河流健康水平，最終的賦分為68.2分，按照分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)處于2級(jí)健康狀態(tài)見表4，圖1為遼河干流各河段的生態(tài)完整性賦分結(jié)果。

表4 遼河干流河流健康狀態(tài)評(píng)價(jià)

圖1 監(jiān)測斷面的生態(tài)完整性評(píng)分

3.1 生態(tài)完整性分析

根據(jù)圖1可知，流量過程變異程度因水電站的阻隔作用處于較高水平，但遼河的流量相對(duì)較小，因此基本能夠滿足生態(tài)用水要求；準(zhǔn)則層中水文水資源指標(biāo)的賦分較高為72.5，這在另一種程度上也說明水利工程建設(shè)對(duì)自然水文過程能夠產(chǎn)生較為明顯的不利影響。

河流物理結(jié)構(gòu)最終評(píng)分為54.2，達(dá)到亞健康狀態(tài)，河岸帶較差但河流連通阻隔賦分較高，這主要與遼河干流經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)活動(dòng)頻繁和人口集中等因素相關(guān)，從而嚴(yán)重影響著河道與河岸情況。農(nóng)田耕作、采砂等活動(dòng)對(duì)中段段的影響較為突出，土壤類型以非黏性土為主；人類活動(dòng)對(duì)下游河段的林草植被影響較弱。因此，中游的河岸狀況要劣于下游河段。大伙房、觀音閣和葠窩水電站的修建，在很大程度上改變了遼河干流中下游的崩岸部位、頂沖及河勢狀況。

總體來說，遼河干流的整體評(píng)分為68.2分，根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)處于亞健康狀態(tài)，所以可認(rèn)為遼河干流生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到亞健康和健康狀態(tài)。

3.2 社會(huì)服務(wù)功能評(píng)價(jià)

結(jié)合遼河流域水資源環(huán)境公報(bào)確定遼河干流2018年水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率為75%，該河段的水質(zhì)狀況整體較好。流域內(nèi)水資源開發(fā)整體達(dá)到合理水平，水系統(tǒng)存在開發(fā)潛力，能夠?yàn)榻?jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)用水提供重要保障。

遼河流域蓄滯洪區(qū)、河道堤防和水庫大壩具有較強(qiáng)的抵御洪水能力，水利工程的防洪達(dá)標(biāo)率總體處于較高水平。水電站和水庫大壩的建成在一定程度上對(duì)河流走勢、崩岸部位、頂沖等產(chǎn)生影響。對(duì)于研究河段的社會(huì)服務(wù)功能，居民的滿意度較高，在社會(huì)服務(wù)功能層面遼河干流的評(píng)分為78.5，達(dá)到健康狀態(tài)。

3.3 敏感性分析

為準(zhǔn)確反映各評(píng)價(jià)因子的貢獻(xiàn)率大小引入AHP層次分析法，在權(quán)重計(jì)算過程中該方法易受主觀判斷的影響，對(duì)此可調(diào)整權(quán)重值分析各項(xiàng)指標(biāo)的敏感性程度。對(duì)水文水資源wHD、水質(zhì)狀況wWQ、水生生物wAL、社會(huì)服務(wù)功能wss、物理結(jié)構(gòu)wPF權(quán)重利用以上方法進(jìn)行求解，從而確定各要素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的貢獻(xiàn)程度。采用不同權(quán)重值評(píng)價(jià)河流健康水平，對(duì)比分析初始權(quán)重和不同權(quán)重方法的差異，確定各要素的敏感性大小，結(jié)果見表5。

表5 權(quán)重浮動(dòng)20%的影響程度

從表5可以看出，健康狀態(tài)賦分值在權(quán)重上、下浮動(dòng)20%時(shí)的波動(dòng)幅度較小，由此表明在各要素權(quán)重排序已確定的情況下，較小的改變各要素權(quán)重對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響較低。所以，在評(píng)估遼河流域河流健康狀態(tài)時(shí)所應(yīng)用的方法和評(píng)價(jià)要素具有較強(qiáng)的可行性和有效性。

4 結(jié) 論

1) 綜合考慮河流實(shí)際情況選取13項(xiàng)典型評(píng)價(jià)因子，遵循系統(tǒng)性、科學(xué)性和代表性等原則構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)體系。研究表明，遼河干流總體位于健康水平，生態(tài)完整性接近亞健康水平，其原因?yàn)樗こ探ㄔO(shè)可在一定程度上阻礙自然水文過程，河道走勢、崩岸部位、頂沖與河流沖刷等因素相關(guān)；遼河干流下游段的底棲動(dòng)物多樣性偏低且春季“水華”現(xiàn)象發(fā)生頻繁。

2) 河流健康隱患對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的影響具有長期性、多方位性，必須加強(qiáng)自然環(huán)境和河道生態(tài)的治理，保護(hù)生態(tài)敏感區(qū)和構(gòu)建良好的開發(fā)秩序，實(shí)現(xiàn)水生態(tài)的良性發(fā)展和水資源的合理利用。