水力開發(fā)河流景觀質量評價初探

吳文佑,彭金濤，劉湘春

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

中國水能資源理論蘊藏量占世界第一。截至2008年底，我國水電總裝機容量已達1.72億kW，約占技術可開發(fā)總量的32%[1]。然而水力開發(fā)，不可避免地會對區(qū)域景觀產生影響，造成植被破壞、環(huán)境污染、地質災害、河流生境破碎和水土流失等生態(tài)影響。尤其是引水式和混合式水電站引水發(fā)電以及堤壩式電站調峰運行將使壩下河段水文情勢發(fā)生變化，在枯水季節(jié)，閘下一定距離范圍內受減脫水影響尤為嚴重，河流景觀質量也受到較大影響。如何建立合理、科學的評價指標體系對水力開發(fā)河段景觀質量進行評價，確定合理的景觀生態(tài)下泄流量，充分維護自然景觀和人工景觀系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)和社會系統(tǒng)的協(xié)調統(tǒng)一，盡量減少對自然環(huán)境的破壞，真正實現(xiàn)在保護生態(tài)基礎上的有序開發(fā)，是急需要解決的問題。

2 河流景觀質量評價概述

河流生態(tài)景觀評價是一個多因子高度綜合的評價體系，在具體指標選擇上因各項目評價的側重點以及河流自身特點不同而有差異，但一般都包括河流生態(tài)景觀的幾個最基本方面。鑒于河流景觀評價的這種特點，本文采用層次分析法建立評價指標體系。

基于層次分析法的景觀質量評價在國內的一些研究中亦出現(xiàn)過，例如，張美華采用層次分析法對黃山景觀生態(tài)環(huán)境質量進行評價，其結果與客觀實際十分接近[2]；四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室以專家學派的景觀評價思想為依據(jù)，采用層次分析法建立了白水江河流景觀質量評價體系，并用于計算河流最小生態(tài)流量[3]。但在以往的研究中所反映景觀質量的指標具有一定的相對性和局限性。本課題通過對山區(qū)河流景觀特點進行歸納，綜合了生態(tài)功能和形式美學兩方面的因素，初步建立較完善的景觀質量評價體系。

景觀生態(tài)系統(tǒng)包括景觀結構和景觀過程，景觀質量通過構成景觀的形式美學要素和生態(tài)學要素綜合反映，各要素的優(yōu)劣程度同景觀質量優(yōu)劣程度的關系是正相關的，各要素對整體景觀質量的貢獻強弱主要通過權重參數(shù)反映。

生態(tài)學要素主要從區(qū)域上進行考察，包括區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的完整性、多樣性、穩(wěn)定性和受干擾程度等方面。對于河流景觀，包括水生生態(tài)與陸生生態(tài)，分別以生境條件和生物群落狀況來衡量其優(yōu)劣。形式要素主要從研究河段視覺景觀進行考察，包括兩方面，一是要素自身的色彩、質地、存在形式的品質；二是各要素處于同一布局之中的協(xié)調性。它包括人們視覺、聽覺、嗅覺等感知的各種要素。本文將之歸結為河流水體、河濱過渡帶及河谷景觀特征。水流景觀具體表現(xiàn)為一定視野范圍內河流的流動性、連貫性及良好的水色。流動性可通過流速來衡量，連貫性可通過水深及水面寬來衡量，良好的水色涉及水質、水深等，可根據(jù)透明度確定。河濱過渡帶及河谷的景觀包括景觀類型、色彩、形式組成及其布局的協(xié)調性。景觀類型包括由自然或人為活動形成的地表利用類型，主要包括植被；色彩是視野范圍內景觀效果的很重要因素，主要包括河灘、河岸綠化等；形式組成則主要體現(xiàn)為河岸及河谷的地形地貌特征，另外還包括人工建筑物；布局協(xié)調性反映在減水方面主要是濕周率的變化。

3 基于層次分析法的景觀質量評價體系

3.1 評價指標體系構建

根據(jù)以上分析，從景觀生態(tài)學要素及景觀形式美學要素兩個方面對山區(qū)水力開發(fā)河段景觀特性進行分析，應用層次分析法原理，構建水力開發(fā)河段景觀質量評價體系(見表1)。

3.2 指標取值標準

各要素可通過定性或定量的指標進行表征，這些指標本身的定量或定性描述與景觀質量優(yōu)劣程度或無相關性，針對已構建的評價指標體系，咨詢相關專家意見并查閱大量文獻資料，重點考慮指標反映景觀質量優(yōu)劣的主要方面及可劃分性，根據(jù)上述指標所反映的景觀優(yōu)劣情況進行定量或定性描述分級，制定其取值標準，詳見表2。該劃分基本表示了各指標的景觀效應，該效應可分為差、一般、好三個優(yōu)劣程度上的等級，假設優(yōu)劣程度和(1,9)范圍內的取值是線性映射關系，三個等級分別在(1, 4)、[4,6)、[6, 9)區(qū)間上取值。

濕周率、流速、平均水深指標的分級取值計算見式(1)。

(1)

式中ti——各水力參數(shù)第i等級上的劃分取值;

xi——對應在i等級上的水力參數(shù)值，各水力參數(shù)指標分級標準參照表2。

以上各水力參數(shù)，均可通過曼寧公式(2)，建立與河道流量之間的關系，當流量改變時，各水力參數(shù)隨之改變而引起景觀質量變化，從而建立景觀質量與河流流量的關系。

(2)

式中Q——表述流量;

v——流速;

n——糙率;

A——表述過流斷面面積；

R——水力半徑；

Sf——表示水力坡度，Sf取值一般和河道比降相近。

3.3 評價指標權重的確定

根據(jù)所分析指標的特點和數(shù)據(jù)的可獲取性，本研究采用層次分析法(AHP)進行指標權重的確定。運用層次分析法解決問題，大致分為4個步驟：

(1)建立層次結構模型。在深入分析所面臨的問題之后，將問題中所包含的因素劃分為不同層次，如目標層、準則層、指標層、方案層、措施層等，用框圖形式說明層次的遞階結構與因素的從屬關系，當某個層次包含的因素較多時，可將該層次進一步劃分為若干子層次。

(2)構造判斷矩陣。判斷矩陣元素的值反映了人們對各因素相對重要性(或優(yōu)劣、偏好、強度等)的認識，采用數(shù)值1～9及其倒數(shù)的標度方法。

(3)權重計算及其一致性檢驗。根據(jù)判斷矩陣A的最大特征根λmax，有：

AW=λmaxW

(3)

表1 水力開發(fā)河段景觀質量評價指標體系

表2 水力開發(fā)河段景觀質量評價指標取值標準

解得W，其中W為λmax對應的特征向量。經歸一化后即為同一層次相應因素對于上一層次某因素相對重要性的排序權值，這一過程稱為層次單排序。為了進行層次單排序或判斷矩陣的一致性檢驗，定義一致性指標CI：

(4)

式中n——判斷矩陣A的維數(shù)。

若CI=0,可判定為完全一致。CI值愈大，判斷矩陣的完全一致性愈差，一般只要求CI<0.1，認為層次單排序的結果有滿意的一致性，否則需要調整判斷矩陣的元素取值。

(4)層次總排序及其一致性檢驗。計算同一層次所有因素對于最高層(總目標)相對重要性的排序權值，稱為層次總排序。這一過程是從最高層次到最低層次逐層進行的。層次總排序的一致性檢驗，也是從高到低逐層進行的，B層次的某些因素對于Aj單排序的一致性指標為CIj，相應的一致性隨機指標為CRj，則B層次總排序隨機一致性指標為：

(5)

當RI<0.10，認為層次總排序結果具有滿意的一致性，否則需重新調整判斷矩陣的元素取值。

據(jù)所分析指標的特點和數(shù)據(jù)的可獲取性，在查閱文獻的基礎上結合專家咨詢，采用層次分析法(AHP)確定指標權重，各指標權重分配見表3。

3.4 景觀質量綜合得分與評價

將以上確定的變量層景觀質量評價指標取值以及與其對應的總權重加權計算得到景觀質量綜合評價得分，如式(6)，該得分表示所研究的某個河流斷面處的景觀質量評價取值，根據(jù)斷面處于整個研究河段中的位置及沿河流的景觀質量變化情況，可通過式(7)計算得到整個研究河段上的景觀質量評價得分。根據(jù)對岷江干流與雜谷腦河上的一些已開發(fā)河段景觀狀況實地調查與公眾評分情況，結合本文確定的景觀質量評價指標體系，將景觀質量綜合得分劃分為很差、較差、一般、較好、很好5個評價等級，以該得分劃分對河流景觀質量進行評價(見表4)。

(6)

(7)

式中Mi——i斷面或河段某一減水狀態(tài)下景觀質量值；

mkst、Mkst——上述景觀質量評價體系中對應指標的總權重和指標分級取值；

li——第i-1與i斷面之間的間距，km；

L——研究河段的長度，km。

表3 水力開發(fā)河段景觀質量評價指標體系權重分配

表4 各指標對應的景觀效應等級劃分

4 應用實例

雜谷腦河是岷江上游右岸的一級支流，流域面積4 632km2，干流全長168km，天然落差3 092m，平均比降18.4‰，河口處多年平均流量109m3/s。流域南、西、北三面高山環(huán)繞，西部及西北部以鷓鴣山、邛崍山與大渡河流域相鄰，北面以鷓鴣山支脈與岷江支流黑水河相隔，南部以邛崍山支脈為分水嶺，毗鄰岷江支流草坡河、漁子溪，流域地勢西高東低。該河段自上至下已建引水式電站有紅葉二級電站(裝機容量90MW，無調節(jié)，減水河段長11km)、理縣電站(裝機容量33MW，日調節(jié), 減水河段長5km)、甘堡(裝機容量30.5MW，無調節(jié), 減水河段長3.9km) 、薛城電站(裝機容量138MW，日調節(jié), 減水河段長14.2km) 、下莊電站(裝機容量11.71MW，無調節(jié), 減水河段長4.2km)、桑坪電站(裝機容量72MW，日調節(jié), 減水河段長6.7km)。發(fā)電時，上游來流經引水隧洞引至下游發(fā)電，非汛期不泄流。目前，雜谷腦河已存在引水式電站發(fā)電引水造成河道減脫水以及由此對沿線河道景觀、水生生態(tài)環(huán)境的不利影響。

本研究選擇雜谷腦河干流上已建的紅葉二級、理縣、甘堡、薛城電站4個減水河段進行水文測量，水文測量時間為2008年4～5月，代表了河流平水期狀態(tài)。以該時段的這4個減水河段作為景觀樣本取地，對較大范圍曝露于公路視野的14處代表斷面拍攝照片，另外隨機在沿河公路視野內的河段多處布點，攝取了大量的河流景觀圖片，作為景觀質量評價的基礎資料。通過對這些資料的歸納得到雜谷腦河景觀質量狀況有以下特點：

(1) 地形地貌：雜谷腦河山谷狹窄，曲流特征明顯，各河段均具有一定的獨特性。

(2) 植被：理縣水電站以下工程河段屬干旱河谷，植被類型是旱生稀疏墊狀灌叢、低矮灌叢或草地，為落葉植物，植被的景觀效果差；理縣水電站以上減水河段屬于非干旱河谷，植被類型為較密灌叢、林灌或次生林，絕大部分為常綠植物，植被的景觀效果一般及以上。

(3) 動植物：河道內無挺水性植物分布，魚類組成簡單，減水河段水生生物豐度為較差水平，較大支溝匯口下游、庫區(qū)等深闊水體河段為一般水平。河道外兩岸視野范圍內基本無觀賞價值高的植物分布，亦無大型珍稀特有野生動物出沒。

(4) 流域人文景觀：雜谷腦流域內有省級風景名勝區(qū)米亞羅風景名勝區(qū)、桃坪羌寨分布，但均不在紅葉二級、理縣、甘堡、薛城水電站減水河段內。

(5) 水質水色：一般情況下，水質良好，水質清澈，僅洪水期含沙量高，河流水體相對渾濁。

(6) 河道水力特征：通過水面寬及其所占天然河道比例、流速、水深表征，河段不同程度減水，部分河段完全干涸斷流，部分河段存在潛流，部分河段呈小溪狀，河床卵石大小不一，出露水面，與灘險流急的天然特征不協(xié)調。甘堡、薛城景觀效果很差，紅葉二級、薛城減水河段水力特征相對一般。

(7) 受干擾程度：地質災害頻發(fā)，河岸受損；人為活動劇烈，主要包括引水發(fā)電、電捕魚、填河造地和修路。

利用本文所建立的景觀質量評價體系，計算得到紅葉二級、理縣、甘堡、薛城4個梯級電站減水河段的代表斷面及全河段景觀綜合得分值見表5。

表5 雜谷腦河各梯級電站減水河段景觀質量綜合得分值

對于紅葉二級電站的減水河段，ZA2斷面景觀質量值為3.97，屬較差水平，其余代表斷面景觀質量均一般水平，往下游景觀質量得分有所增加；就全河段景觀質量而言，景觀質量值為4.76，為一般水平。從現(xiàn)場調查情況來看，紅葉二級水電站閘址存在繞壩滲流，ZA2處同ZA1(壩下斷面)之間幾乎無支流匯入，在ZA2斷面河岸坡地有一電站施工支洞，植被破壞較大，往下游有較大支溝畢棚溝和樸頭溝補水，一定程度上緩解了景觀受減水的影響，但整體上該河段受減水影響，河流景觀遭到破壞。因此，認為上述評價結果是合理的。

對于理縣電站的減水河段，ZA5斷面景觀質量值為4.67，屬一般水平，ZA6斷面景觀質量值為3.34，屬較差水平；就全河段景觀質量而言，景觀質量值為4.46，為一般水平。從現(xiàn)場調查情況來看，該減水河段區(qū)間匯流較小，ZA5和ZA6河道均呈減水現(xiàn)象，ZA5斷面河道狹窄，兩岸植被較好，ZA6斷面較寬，左岸河道存在大面積滑坡。因此，認為上述評價結果是合理的。

對于甘堡電站的減水河段，兩代表斷面和全河段景觀質量得分值均在(2,3)區(qū)間內，屬較差水平。從現(xiàn)場調查情況來看，該河道減水非常嚴重，壩下河道內基本無流量，河床卵石裸露，兩岸植被很差。因此，認為上述評價結果是合理的。

對于薛城電站的減水河段，除了ZA10斷面景觀質量值略低于4，景觀質量較差外，其余代表斷面和全河段景觀質量均為一般水平。從現(xiàn)場調查情況來看，該河段往下游隨著支溝入匯，河道水面寬和水域面積變大，河道減水相對不明顯，且河岸帶有一定的喬木綠化，緩解了因大幅度減水造成的景觀破壞。因此，認為上述評價結果是合理的。

5 結 語

本文應用層次分析決策方法，通過分析研究河段景觀生態(tài)特征，從景觀生態(tài)學要素及景觀形式美學要素兩個方面初步建立了雜谷腦河水力開發(fā)河段景觀質量評價指標體系，并進行各梯級景觀質量綜合評價分析。結果表明，計算所得各梯級景觀質量，基本符合河段景觀生態(tài)實際情況，是合理可行的。

限于資料、認識及研究積累不足等方面因素，在本文的方法研究中，對一些條件進行了假定或簡化處理，由于不同大小和不同地區(qū)的河流有不同的特點，各指標的相對重要性有所不同，因而難以給出統(tǒng)一的指標權重，本文給出的各指標等級劃分及評價計算方法也只反映一般情形。為此，需進一步分析研究大、中、小河流，山原區(qū)、高山峽谷區(qū)、中低山地區(qū)以及城鎮(zhèn)居民帶區(qū)河流的不同的指標權重及適宜的等級劃分標準，以滿足不同地區(qū)、不同類型水力開發(fā)河流的景觀質量評價，為進一步計算河道景觀生態(tài)需水量奠定基礎。

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