七臺(tái)河市倭肯河流域中小河流健康評價(jià)

宮遠(yuǎn)喬，劉 瑩，李鐵男，張 檸，薛世勤，孟慶燁

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 研究地區(qū)與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

1.1 研究區(qū)概況

七臺(tái)河市倭肯河流域包括大泥鰍河、金沙河、嵐峰河、柳毛河、龍湖河、羅泉河、碾子河、茄子河、挖金別河、萬寶河、小泥鰍河、新七臺(tái)河、中鮮河、中心河等14條中小河流。倭肯河在依蘭縣城鎮(zhèn)東北側(cè)匯入松花江，是松花江右岸一級(jí)支流。七臺(tái)河市倭肯河流域地勢以東和東南較高，逐漸向西和西北傾斜。流域多年平均降水量500～550 mm，汛期主要集中在7—9月份。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文河流健康評價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)主要通過歷史資料收集、實(shí)地調(diào)查等方式獲取，于2022年6—8月對大泥鰍河、金沙河、嵐峰河等14條河流進(jìn)行外業(yè)調(diào)查工作。調(diào)查內(nèi)容包括水文、河岸帶、濕地保留率、水質(zhì)、水生生物、防洪、公眾滿意度等方面。調(diào)查內(nèi)容及方法見圖1。

圖1 七臺(tái)河市倭肯河流域中小河流調(diào)查信息

2 研究方法

2.1 評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

在參考國內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上[1-4]，根據(jù)研究區(qū)域河流特點(diǎn)和數(shù)據(jù)調(diào)查情況，從河流水文水資源、物理結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、水生生物、社會(huì)服務(wù)功能五個(gè)方面構(gòu)建河流健康評價(jià)體系，詳見表1。

表1 河流健康評價(jià)指標(biāo)體系

河流水文水資源要素是河流生態(tài)系統(tǒng)各種理化和生物過程的基礎(chǔ)，水文水資源條件改變會(huì)引起河流生態(tài)系統(tǒng)一系列變化，在國內(nèi)外寒區(qū)河流健康評價(jià)中，水文水資源是河流健康評價(jià)指標(biāo)體系重要組成部分。為全面反映河流水文狀態(tài)變化采用生態(tài)流量滿足程度指標(biāo)對水文水資源要素進(jìn)行量化。

物理結(jié)構(gòu)要素是構(gòu)成中小河流生態(tài)系統(tǒng)的物理?xiàng)l件，決定著河流生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)，其變化是人類活動(dòng)干擾的直接結(jié)果，選取縱向連通性、岸帶狀況、天然濕地保留率3個(gè)指標(biāo)表征。

水質(zhì)要素是河流生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到良好狀態(tài)的重要支撐，體現(xiàn)流經(jīng)區(qū)域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人類活動(dòng)對河流生態(tài)狀況的干擾和影響，結(jié)合北方寒冷地區(qū)河流富營養(yǎng)化較為普遍的現(xiàn)狀，選取pH、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、總磷、氨氮等21項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)計(jì)算河流上、中、下游指標(biāo)指數(shù)來反映河流水質(zhì)指標(biāo)濃度狀況。因此采用水質(zhì)優(yōu)劣程度指標(biāo)作為水質(zhì)要素的表征指標(biāo)。

水生生物要素是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，選用大型底棲無脊椎動(dòng)物生物完整性指數(shù)和魚類保有指數(shù)2個(gè)指標(biāo)表征。魚類是河流生本系統(tǒng)中的頂級(jí)生物，可很好反映寒區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，此外，利用大型底棲無脊椎動(dòng)物生物完整性指數(shù)根據(jù)不同科對污染物的耐受程度賦予不同耐污值反映底棲動(dòng)物對外界環(huán)境各種污染物的綜合而受能力。

社會(huì)服務(wù)功能要素是為滿足人類活動(dòng)的多種需求，綜合河流的自然價(jià)值與社會(huì)價(jià)值并考慮研究區(qū)域的特征，本文選用防洪指標(biāo)、公眾滿意度2個(gè)指標(biāo)表征。

2.2 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

綜合考量倭肯河流域河流狀況，將評價(jià)等級(jí)劃分為“Ⅰ級(jí)(非常健康)、Ⅱ級(jí)(健康)、Ⅲ級(jí)(亞健康)、Ⅳ級(jí)(不健康)、Ⅴ級(jí)(病態(tài))”五個(gè)等級(jí)，具體標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 河流健康評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 基于熵權(quán)法的物元分析綜合評價(jià)模型

河流健康評價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的問題，同時(shí)涉及很多指標(biāo)，運(yùn)用物元分析模型，可以更加系統(tǒng)的評價(jià)河流健康狀況[5-6]；熵權(quán)法能夠有效避免主觀因素的影響，故以其確定各指標(biāo)權(quán)重[7]，權(quán)重結(jié)果見表1。

(1)建立物元矩陣。倭肯河流域河流健康評價(jià)指標(biāo)體系共9個(gè)指標(biāo)，即9個(gè)特征，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)共5級(jí)，即可建立一個(gè)9個(gè)評價(jià)對象5維的物元矩陣R9×5。

(2)建立經(jīng)典域和節(jié)域物元矩陣。河流健康等級(jí)及其標(biāo)準(zhǔn)值范圍構(gòu)成的物元矩陣為經(jīng)典域，記作Rj。能夠表示全體河流健康等級(jí)及其標(biāo)準(zhǔn)值范圍的物元矩陣為節(jié)域，記為Rp，如式(1)所示。

(1)

式中：Rj為倭肯河流域河流健康評價(jià)的經(jīng)典域矩陣(j為評價(jià)等級(jí)，即j=1，2，3，4，5)；Ci為9個(gè)評價(jià)指標(biāo)(i為指標(biāo)數(shù)，即i=1，2，…，9)；Xji=(aji，bji)為經(jīng)典域；aji、bji分別表示各指標(biāo)對應(yīng)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)取值范圍的下限和上限。計(jì)算如式(2)所示。

(2)

式中：Rp為倭肯河流域河流健康評價(jià)的節(jié)域物元；Xpi=(api，bpi)為節(jié)域；api、bpi分別表示各指標(biāo)對應(yīng)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)全體取值范圍的下限和上限。

(3)確定關(guān)聯(lián)函數(shù)和關(guān)聯(lián)度。如式(3)所示。

(3)

式中：Kj(xi)為第i個(gè)指標(biāo)符合第j健康等級(jí)的程度；ρ(xi，Xji)和ρ(xi，Xpi)分別表示指標(biāo)值xi到經(jīng)典域Xji和節(jié)域Xpi的距離，如式(4)～式(6)所示。

ρ(xi，Xji)=|xi-0.5(aji+bji)|-0.5(bji-aji)

(4)

ρ(xi，Xpi)=|xi-0.5(api+bpi)|-0.5(bpi-api)

(5)

|Xji|=|aji-bji|

(6)

(4)熵權(quán)法確定權(quán)重。

①指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理。為消除指標(biāo)間不同量綱帶來的影響，對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行正向化處理如式(7)所示。

(7)

式中：Xij為標(biāo)準(zhǔn)化處理得到的數(shù)據(jù)值；xij為初始指標(biāo)數(shù)據(jù)；xjmax、xjmin為指標(biāo)數(shù)據(jù)中的最大值和最小值。

②比重計(jì)算，如式(8)所示。

(8)

式中：Yij為指標(biāo)的比重。

③計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值，如式(9)所示。

(9)

④計(jì)算信息熵冗余度，如式(10)所示。

dj=1-ej

(10)

⑤計(jì)算各指標(biāo)權(quán)值，如式(11)所示。

(11)

式中：n為指標(biāo)數(shù)。

(5)河流等級(jí)綜合評價(jià)，如式(12)所示。

(12)

式中：Kj(P0)為第j個(gè)評價(jià)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度；ω為9項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。若Kj=max{Kj(P0)}，則河流綜合評價(jià)等級(jí)為第j級(jí)。

據(jù)上述評價(jià)模型計(jì)算，倭肯河流域等級(jí)綜合評價(jià)結(jié)果見表3。

表3 七臺(tái)河市倭肯河流域河流健康綜合關(guān)聯(lián)度

3 結(jié)果與分析

根據(jù)上述方法計(jì)算得到大泥鰍河、金沙河等14條七臺(tái)河市倭肯河流域中小河流水文水資源、物理結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、水生生物和社會(huì)服務(wù)功能等要素的關(guān)聯(lián)度與河流健康狀況綜合關(guān)聯(lián)度，計(jì)算結(jié)果見表3與圖2。

圖2 中小河流各要素評價(jià)等級(jí)

由綜合關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果可知，大泥鰍河、碾子河、小泥鰍河處于Ⅱ級(jí)；金沙河、嵐峰河、柳毛河、龍湖河、羅泉河、挖金別河、萬寶河、新七臺(tái)河、中鮮河、中心河處于Ⅲ級(jí)；茄子河處于Ⅳ級(jí)。

由各要素的關(guān)聯(lián)度結(jié)果可知，在水文水資源方面，大泥鰍河、小泥鰍河、新七臺(tái)河處于Ⅰ級(jí)；碾子河處于Ⅱ級(jí)；金沙河、嵐峰河、柳毛河、龍湖河、羅泉河、茄子河、挖金別河、萬寶河、中鮮河、中心河處于Ⅲ級(jí)。在物理結(jié)構(gòu)方面，金沙河處于Ⅰ級(jí)；中心河處于Ⅱ級(jí)；大泥鰍河、嵐峰河、龍湖河、萬寶河、小泥鰍河、新七臺(tái)河、中鮮河處于Ⅲ級(jí)；柳毛河、羅泉河、碾子河、茄子河、挖金別河處于Ⅴ級(jí)。在水質(zhì)方面，金沙河處于Ⅰ級(jí)；小泥鰍河處于Ⅱ級(jí)；大泥鰍河、嵐峰河、柳毛河、羅泉河、碾子河、新七臺(tái)河處于Ⅲ級(jí)；龍湖河、茄子河、挖金別河、萬寶河、中鮮河、中心河處于Ⅴ級(jí)。在水生生物方面，碾子河、挖金別河處于Ⅱ級(jí)；嵐峰河、柳毛河、龍湖河、羅泉河、茄子河、萬寶河、新七臺(tái)河、中鮮河、中心河處于Ⅲ級(jí)；大泥鰍河、金沙河、小泥鰍河處于Ⅳ級(jí)。在社會(huì)服務(wù)方面，大泥鰍河、柳毛河處于Ⅰ級(jí)；羅泉河、碾子河、挖金別河、萬寶河、小泥鰍河、新七臺(tái)河、中鮮河、中心河處于Ⅱ級(jí)；龍湖河處于Ⅲ級(jí)；茄子河處于Ⅳ級(jí)；金沙河、嵐峰河處于Ⅴ級(jí)。

4 結(jié) 論

茄子河健康等級(jí)為Ⅳ級(jí)，河段在堤防工程仍有險(xiǎn)工險(xiǎn)段，未達(dá)到防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)生洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)依然存在；與茄子河干流有水力聯(lián)系的濕地開始萎縮；干流生物多樣性受損；水環(huán)境質(zhì)量不穩(wěn)定等。大泥鰍河、碾子河、小泥鰍河、金沙河、嵐峰河、柳毛河、龍湖河、羅泉河、挖金別河、萬寶河、新七臺(tái)河、中鮮河、中心河處于Ⅲ級(jí)及以上，其中龍湖河、茄子河、挖金別河、萬寶河、中鮮河、中心河等水污染嚴(yán)重，化學(xué)需氧量、氨氮等污染物平均濃度超標(biāo)，主要原因是河流生活污水、農(nóng)業(yè)污染嚴(yán)重。并可以對河流系統(tǒng)提出加強(qiáng)流域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)、加大水污染防治力度、強(qiáng)化流域水資源剛性約束、補(bǔ)齊流域防洪工程體系短板等方面的對策。

根據(jù)評價(jià)結(jié)果來看，對于不同等級(jí)的14條中小河流在以后的生態(tài)治理過程中應(yīng)各有不同的側(cè)重點(diǎn)。Ⅳ級(jí)河流加強(qiáng)流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展，強(qiáng)化流域管理保護(hù)工作，推進(jìn)流域河段濕地生態(tài)修復(fù)，加快流域水環(huán)境綜合治理；Ⅲ級(jí)及以上河流應(yīng)加大水污染防治力度，鞏固提升水環(huán)境質(zhì)量，設(shè)置親水設(shè)施，促進(jìn)人親水樂水。