遼河流域河流健康綜合評價

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者和水行政主觀部門的重視，科學評價河流健康水平對于實現(xiàn)流域可持續(xù)發(fā)展和河流生態(tài)環(huán)境保護十分必要[1-2]。

針對河流健康和生態(tài)保護問題西方一些發(fā)達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價體系和評價方法。對于河流健康的評價國內(nèi)學者做了諸多研究，如董哲仁等學者河流應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、蔡其華等對黃河流域、長江流域的河流健康時空特征及其評價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價方法、概述了河流健康的內(nèi)涵，但迄今仍未形成普遍適用、統(tǒng)一完善的評價體系[3-8]。因此，結合河流生態(tài)系統(tǒng)特征和經(jīng)濟發(fā)展情況，評價體系應考慮河流健康完整性和流域管理目標要求等。

大規(guī)模的水利工程開發(fā)建設活動對遼河流域的生態(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)一系列的社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境問題，持續(xù)增大的水生態(tài)環(huán)境保護壓力嚴重威脅著經(jīng)濟社會可持續(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)河流特點和自然地理特征將其劃分為多個評價單元，考慮生態(tài)服務功能和生態(tài)完整性兩個子系統(tǒng)的各項評價因子建立綜合評估體系。

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，汛期多暴雨或強降雨[9-10]。

遼河流域為我國東北地區(qū)重要的糧食生產(chǎn)區(qū)、畜牧業(yè)和重工業(yè)基地，位于遼寧省社會經(jīng)濟發(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基地。遼河干流梯級水電站，裝機容量為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個河段。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

采用實地監(jiān)測、文獻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)濟發(fā)展情況、污染源調(diào)查、水利工程建設等數(shù)據(jù)，統(tǒng)計整理2000年以來遼河干流的浮游生物、動植物和底棲魚類等資料。針對2018年河流自然狀況、水生物種、河流適宜性、水質(zhì)等狀況進行實地考察，對于短缺數(shù)據(jù)進行補充監(jiān)測，利用問卷調(diào)查或走訪的形式分析周邊居民對河流健康的滿意度。

2.2 建立評價指標體系

針對存在水生命的河流現(xiàn)狀描述為河流健康的內(nèi)涵，社會屬性和自然屬性為河流生命他正的基本來源。所以，社會發(fā)展提供必要的服務功能以及延續(xù)和維持河流自身生命的特征為流域健康狀況的評判標準。本文結合遼河干流區(qū)域自然社會特征和水利部頒發(fā)的河流健康評估標準，綜合考慮河流健康狀況與各類評估指標之間的作用機理，從水文水資源、物理結構、水生物、社會功能、水質(zhì)等子系統(tǒng)選擇評價指標，遵循科學性、系統(tǒng)性、可行性和合理性原則建立評價指標體系，并對各指標權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和大氣環(huán)流等因素影響總體呈脈動式波動下降趨勢；同時，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，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)與人為活動的干擾引入流量過程變異程度指標，它是表征天然和實測徑流量之間偏離大小的重要參數(shù)，其表達式為：

(1)

2)為了維持各種程度的生態(tài)結構、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)，其計算公式為：

(2)

2.2.2 物理結構表征

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、物種類型和群落機構。流域內(nèi)經(jīng)濟較為發(fā)達且人類活動影響顯著，對河流水質(zhì)和河岸生態(tài)等情況造成較大的影響；同時，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個方面反映河流的物理結構，具體如下：

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

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，從河道水流、物質(zhì)連通、魚類遷徙等方面賦予相應的賦值，其表達式為：

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

(3)

式中：RCr為河流阻隔現(xiàn)狀評分；(DAMr)i、(HATREr)j為評價斷面下游大壩、水閘的阻隔評分；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)等級以Ⅱ、Ⅲ類為主。目前，有機質(zhì)污染和富營養(yǎng)化為河道面臨的關鍵問題，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、耗氧有機物、溶解氧3項因子評價水質(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和化學需氧量相應的分值，以月平均值評價分析汛期、非汛期的河流水質(zhì)狀況。

2)結合水污染程度賦予砷、鉛、鎘、鉻、汞等指標相應的分值，以月平均值作為汛期和非汛期評價依據(jù)，選擇各指標最低賦分所處的等級作為該因子評價結果。

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

2.2.4 水生生物狀況

利用多個生物指數(shù)綜合表征水生物學情況，結合現(xiàn)有研究資料獲取較為常用的評價因子有魚類、底棲動物等。本文選取底棲動物、魚類作為指示性物種，以上2個指標的最低得分者作為最終的評價結果，具體如下：

1)根據(jù)如下計算式確定底棲動物完整性指數(shù)，即：

(4)

式中：BIBE、BIB為河流系統(tǒng)中底棲動物的最佳期望以及評估河段的實測指標值；BIBr為底棲動物完整性指標評分。

2)采用下述公式確定魚類種類變化程度，其表達式為：

(5)

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

2.2.5 社會服務功能

本文從河流個性與共性的角度，結合流域內(nèi)水資源開發(fā)利用和經(jīng)濟社會發(fā)展情況，選取水功能區(qū)達標率、公眾滿意度、防洪工程和水資源開發(fā)率4項能夠綜合反映河流社會服務功能的評價指標。

采用層次分析法理論和以上各子系統(tǒng)分析結果，按遞階層次結構設計包含多要素、多層次評估體系。然后依據(jù)專家意見和實地調(diào)查結果，結合實際情況及相關資料獲取各因子初始值，評價體系及各因子值如表1。

表1 遼河流域河流健康狀況評估體系

2.3 評價標準與指標權重

評價標準主要取決于人類社會發(fā)展需求及河流的自然狀況，因此它屬于一個動態(tài)的相對標準。本文結合遼河干流開發(fā)利用具體狀況，設定水環(huán)境改善、景觀質(zhì)量保證、生態(tài)多樣性恢復為河流管理的最終目標，結合現(xiàn)有研究成果關于評價等級和閾值的劃分，以1950-1960年遼河初期狀況為參照將河流健康劃分為5個等級。根據(jù)提高評價結果準確性和客觀性，減少人為主觀性影響的原則，對各項指標權重利用層次分析僅決策打分計算確定如表1所示，各等級標準的取值范圍如表2所示。

將研究區(qū)域根據(jù)水功能區(qū)劃分為10個河段，對準則層中的3項指標的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分級處理，采用算術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)量和物理結構等綜合評價10個河段健康程度，結合各河段評價結果總體反映整個流域的生態(tài)完整性。另外，從水功能區(qū)達標、防洪工程、開發(fā)利用、滿意度4個層面評估河流的社會服務功能，最終確定研究河段的生態(tài)完整性和社會服務功能。

根據(jù)分級標準采用加權評分法評估河流健康水平，各評價等級下的河流健康描述及其分類標準如表3所示。

表2 太子河流域河流健康評價標準

表3 遼河干流河流健康分類描述及標準

3 結果分析

設定2018年為評估基準年，依據(jù)以上評價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，按照分級標準處于2級健康狀態(tài)見表4，圖1為遼河干流各河段的生態(tài)完整性賦分結果。

表4 遼河干流河流健康狀態(tài)評價

圖1 監(jiān)測斷面的生態(tài)完整性評分

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，但遼河的流量相對較小，因此基本能夠滿足生態(tài)用水要求；準則層中水文水資源指標的賦分較高為72.5，這在另一種程度上也說明水利工程建設對自然水文過程能夠產(chǎn)生較為明顯的不利影響。

河流物理結構最終評分為54.2，達到亞健康狀態(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)濟發(fā)展、社會活動頻繁和人口集中等因素相關，從而嚴重影響著河道與河岸情況。農(nóng)田耕作、采砂等活動對中段段的影響較為突出，土壤類型以非黏性土為主；人類活動對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，遼河干流的整體評分為68.2分，根據(jù)評價標準處于亞健康狀態(tài)，所以可認為遼河干流生態(tài)系統(tǒng)達到亞健康和健康狀態(tài)。

3.2 社會服務功能評價

結合遼河流域水資源環(huán)境公報確定遼河干流2018年水功能區(qū)達標率為75%，該河段的水質(zhì)狀況整體較好。流域內(nèi)水資源開發(fā)整體達到合理水平，水系統(tǒng)存在開發(fā)潛力，能夠為經(jīng)濟發(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的抵御洪水能力，水利工程的防洪達標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河流走勢、崩岸部位、頂沖等產(chǎn)生影響。對于研究河段的社會服務功能，居民的滿意度較高，在社會服務功能層面遼河干流的評分為78.5，達到健康狀態(tài)。

3.3 敏感性分析

為準確反映各評價因子的貢獻率大小引入AHP層次分析法，在權重計算過程中該方法易受主觀判斷的影響，對此可調(diào)整權重值分析各項指標的敏感性程度。對水文水資源wHD、水質(zhì)狀況wWQ、水生生物wAL、社會服務功能wss、物理結構wPF權重利用以上方法進行求解，從而確定各要素對評價結果的貢獻程度。采用不同權重值評價河流健康水平，對比分析初始權重和不同權重方法的差異，確定各要素的敏感性大小，結果見表5。

表5 權重浮動20%的影響程度

從表5可以看出，健康狀態(tài)賦分值在權重上、下浮動20%時的波動幅度較小，由此表明在各要素權重排序已確定的情況下，較小的改變各要素權重對評價結果的影響較低。所以，在評估遼河流域河流健康狀態(tài)時所應用的方法和評價要素具有較強的可行性和有效性。

4 結 論

1) 綜合考慮河流實際情況選取13項典型評價因子，遵循系統(tǒng)性、科學性和代表性等原則構建綜合評價體系。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，其原因為水利工程建設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；遼河干流下游段的底棲動物多樣性偏低且春季“水華”現(xiàn)象發(fā)生頻繁。

2) 河流健康隱患對當?shù)亟?jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的影響具有長期性、多方位性，必須加強自然環(huán)境和河道生態(tài)的治理，保護生態(tài)敏感區(qū)和構建良好的開發(fā)秩序，實現(xiàn)水生態(tài)的良性發(fā)展和水資源的合理利用。