王 淳

( 遼寧河庫管服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

由于頻繁和劇烈的人類活動使得我國流域內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的水土流失，急劇增加了流域的用水量[1]。江河流域來水量出現(xiàn)不同程度銳減，河流污水排放量超標(biāo)，河流、湖泊萎縮淤積嚴(yán)重，一些地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的河流水生態(tài)問題，對流域經(jīng)濟(jì)和水生態(tài)安全產(chǎn)生不同程度的影響，河流功能衰退現(xiàn)象較為嚴(yán)重[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國有包括遼河在內(nèi)的多達(dá)90多條河流曾出現(xiàn)過斷流的情況[3]。河流功能衰退主要通過河道形態(tài)特征、水文特征、水生態(tài)特征進(jìn)行綜合表述[4]。這其中河道形態(tài)指標(biāo)主要為河道過水能力橫向和縱向演變的評估，水文特征主要對河道徑流量變化的評估，而水生態(tài)指標(biāo)表示為水質(zhì)、水生生物的變化特征評估[5]。近些年來，對于河道萎縮度的分析取得一定研究成果，這些成果大都圍繞河道形態(tài)[6- 8]、水文特征[9- 12]、水生態(tài)特征[13]進(jìn)行研究，但采用的指標(biāo)單一，未能針對河道萎縮度綜合河道形態(tài)、水文、水生態(tài)特征進(jìn)行分析，存在不足。為此本文從河道形態(tài)、水文、水生態(tài)特征建立河流萎縮度綜合評估指標(biāo)，以遼寧地區(qū)典型大型河流為評估對象進(jìn)行綜合萎縮度分析。研究成果對于遼寧省大型河流保護(hù)以及其他地區(qū)河流萎縮度綜合分析方法具有重要的參考及借鑒價(jià)值。

1 河流綜合萎縮度評估方法

1.1 評估指標(biāo)

為對河道萎縮度進(jìn)行綜合評估，從全面反映河流特征形態(tài)中選取具有代表性的評價(jià)因子，此外綜合考慮指標(biāo)確定的難易程度，確定綜合評估指標(biāo)，見表1。

表1 河道萎縮度綜合評估指標(biāo)

1.2 評估方法

主要采用模糊數(shù)學(xué)模型對河流綜合萎縮度進(jìn)行評估，模型將河流綜合萎縮度表征為統(tǒng)計(jì)變量xi，假定xi在[ai，bi]進(jìn)行取值。則其在天然對比期統(tǒng)計(jì)變量為xi，0，要素統(tǒng)計(jì)量xt，0為t時(shí)段的統(tǒng)計(jì)變量。若該統(tǒng)計(jì)變量降低則表示河流出現(xiàn)萎縮，綜合萎縮度計(jì)算方程為：

(1)

若該指標(biāo)增加，則表示河流呈現(xiàn)發(fā)育狀態(tài)，其綜合萎縮度計(jì)算方程為：

(2)

在上述方程中時(shí)段t的第i個(gè)指標(biāo)的綜合萎縮度為Di，t，第i指標(biāo)的取值范圍在[ai，bi]之間，i=1，2，……n。當(dāng)計(jì)算的Di，t小于0時(shí)，則表示為河流出現(xiàn)萎縮，當(dāng)Di，t計(jì)算值大于0時(shí)，則表示為河流未出現(xiàn)萎縮狀況。為對河流萎縮度進(jìn)行綜合評估，本文對河流的不同指標(biāo)要素進(jìn)行組合，則時(shí)段t的組合評估指為：

(3)

結(jié)合方程(1)、(2)對時(shí)段t內(nèi)的第i個(gè)指標(biāo)的綜合萎縮度Di，t進(jìn)行計(jì)算，則時(shí)段t內(nèi)的綜合萎縮度Di方程為：

(4)

方程中綜合萎縮度不同指標(biāo)權(quán)重為ωi。本文對不同指標(biāo)權(quán)重主要采用二元比較法進(jìn)行確定。二元比較法各指標(biāo)相對權(quán)重見表2。

表2 二元比較法各指標(biāo)相對權(quán)重

為對河流萎縮度進(jìn)行定量綜合評估，需要對不同程度萎縮度Di進(jìn)行等級劃分，本文結(jié)合相關(guān)研究成果[14- 15]，對河流萎縮度等級進(jìn)行劃分，見表3。

表3 萎縮度評估等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.3 計(jì)算步驟

(1)首選對各河段評估指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并確定河道形態(tài)、水文特征、水生態(tài)特征指標(biāo)的閾值范圍。

(2)采用綜合萎縮度計(jì)算方程對不同指標(biāo)的改變度進(jìn)行定量測算。

(3)采用重要性語氣算子對河道形態(tài)、水文、水生態(tài)3個(gè)類別指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行設(shè)定，并對不同類別萎縮度進(jìn)行綜合值計(jì)算。

(4)對河道形態(tài)、水文、水生態(tài)3類指標(biāo)采用重要性語氣算子進(jìn)行綜合權(quán)重的確定，對不同河道綜合萎縮度進(jìn)行計(jì)算。

2 河流萎縮度綜合評估

2.1 評估河段

選取遼河、渾河、太子河、大凌河、愛河作為遼寧省典型大型河流進(jìn)行河流萎縮度的綜合評估，評估河段及數(shù)據(jù)概況見表4。

表4 研究河段及資料情況

2.2 水文要素評估結(jié)果

以1990年作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)段，認(rèn)為1990年以前遼寧省各典型河流處于天然狀況，分別對1990年以后到2017年期間以每10年作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算時(shí)段，結(jié)合各研究站點(diǎn)水文數(shù)據(jù)，對其水文特征的萎縮度進(jìn)行分析，結(jié)果見表5。

表5 水文特征指標(biāo)萎縮度評估結(jié)果

2.3 河流形態(tài)要素評估結(jié)果

結(jié)合各河段選取站點(diǎn)的河道形態(tài)要素指標(biāo)對河道形態(tài)指標(biāo)萎縮度進(jìn)行綜合評估，結(jié)果見表6。

表6 河道形態(tài)指標(biāo)萎縮度評估結(jié)果

2.4 水生態(tài)要素評估結(jié)果

從表7看出，遼河福德店—石佛寺水庫河段以及石佛寺水庫以下河道在1990—2010年河流水生態(tài)萎縮度較高，主要是因?yàn)檫@一段時(shí)期水生生物多樣指數(shù)較低，水質(zhì)指標(biāo)中氨氮指數(shù)較高，使得這階段遼河水生態(tài)萎縮度較高，而進(jìn)入2011年后隨著水生物調(diào)查指數(shù)增多，遼河總體處于中度萎縮狀況。而在遼河石佛寺水庫以下河段水生態(tài)萎縮度總體在中度～高度萎縮之間變化。渾河上中下游三個(gè)河段水生態(tài)萎縮度總體變化較為相似，在1990—2010年期間均屬于中度萎縮，而在2011—2017年渾河上游達(dá)到高度萎縮，這主要是因?yàn)樗锓N類的減少，而中下游屬于中度萎縮，主要是受河段氨氮水質(zhì)指標(biāo)影響。太子河葠窩水庫以下河段相比于基準(zhǔn)期1990年以前，1990—2000年及2000—2010年兩個(gè)階段水生態(tài)均處于低度萎縮，而進(jìn)入2011年以后，隨著太子河水質(zhì)指標(biāo)影響，使得水生態(tài)生物多樣性指數(shù)明顯減少，使得太子河葠窩水庫以下河段水生態(tài)達(dá)到高度萎縮的狀況。大凌河中下游由于人類活動的綜合影響，相比于基準(zhǔn)期水生態(tài)萎縮度有所降低，但是下游河段在2011—2017年萎縮度較高。愛河由于水量較大，水質(zhì)總體較好，因此相比于基準(zhǔn)期，其水生態(tài)萎縮度變化較為穩(wěn)定，總體在低度萎縮狀況。

表7 河道水生態(tài)指標(biāo)萎縮度評估結(jié)果

2.5 綜合萎縮度評估結(jié)果

在水文、河道形態(tài)、水生態(tài)河流萎縮度計(jì)算的基礎(chǔ)上，對各指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重的歸一化處理，以上三個(gè)要素的權(quán)重歸一化值為ω=[0.243 0.568 0.189]T，結(jié)合公式(4)對河流綜合萎縮度進(jìn)行計(jì)算，并采用表3對綜合萎縮度進(jìn)行評估，結(jié)果見表8。

表8 河流綜合萎縮度評估結(jié)果

本文提出的河流綜合萎縮度均相對于基準(zhǔn)期1990年進(jìn)行的對比，從分析結(jié)果可看出，各河流相比于1990年基準(zhǔn)期均處于萎縮狀況，其中2011—2017年以后各河流萎縮度相比于1990—2010年略高，遼河以及大凌河受到水文特征的影響萎縮度最大，渾河和愛河的萎縮度在各典型河流中最小。渾河相對比標(biāo)準(zhǔn)期1990年以前，由于大伙房水庫建設(shè)期較早，使得其萎縮度明顯低于中北部地區(qū)的大型河流。遼河從2011年以后受到人類活動和氣候變化的綜合影響，其綜合萎縮度在-0.827～-0.925之間，屬于高度萎縮，其相比于基準(zhǔn)期萎縮度增加較為明顯，因此對于遼河的綜合治理勢在必行。渾河上中下游三個(gè)河段從1990年開始萎縮度總體變化較為穩(wěn)定，這主要是因?yàn)闇喓訌?990年河道水文、形態(tài)以及水生態(tài)變化總體較為穩(wěn)定。太子河葠窩水庫以下河段綜合萎縮度從2000年的中度萎縮發(fā)展到2010年的高度萎縮，主要是受到水庫以下河段水質(zhì)變化的影響，尤其是氨氮指數(shù)的增加使得其水生態(tài)萎縮度達(dá)到高度等級。大凌河中、下游由于近些年來，尤其是2010年以后生態(tài)治理修復(fù)，使得從2011年以后綜合萎縮度總體可達(dá)到低度狀況。愛河相比于基準(zhǔn)期從低度萎縮到中度萎縮，中度萎縮變化的主導(dǎo)因素為主槽過水能力的變化。

3 河流萎縮度趨勢分析

通過對1990—2017年逐年綜合萎縮度進(jìn)行定量分析，結(jié)合Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)對不同時(shí)間段的河流萎縮度進(jìn)行趨勢分析，結(jié)果見表9。

表9 各典型河流不同時(shí)間段萎縮度趨勢分析結(jié)果

趨勢檢驗(yàn)值為正表示具有上升趨勢，為負(fù)則表示為下降趨勢，當(dāng)檢驗(yàn)值的絕對值高于0.5表示趨勢檢驗(yàn)水平可達(dá)到95%檢驗(yàn)水平，具有顯著變化趨勢。從趨勢分析結(jié)果可看出，遼河福德店—石佛寺水庫河段以及石佛寺水庫以下兩個(gè)河段的綜合萎縮度均為上升變化趨勢，且從2000年開始綜合萎縮度具有顯著上升趨勢，分析其因素在于遼河2000年以來徑流量銳減，且河流泥沙量淤積逐年增多，使得遼河同一特征水位下的主槽過水能力下降明顯，此外由于水質(zhì)變化影響，遼河水生生物調(diào)查數(shù)量從2010年以后下降十分明顯，遼河各河段在2011年以后的綜合萎縮度達(dá)到高度等級，且各時(shí)間段的萎縮度變化趨勢均為上升變化，尤其是進(jìn)入2011年以后上升趨勢十分明顯。

渾河上、中、下游河段綜合萎縮度變化趨勢有所差異，其中上游均處于上升變化趨勢，上游上升變化主要受水文特征影響。而對于中游而言，1990—2000年處于下降趨勢，而從2000年以后均處于上升變化，上升主要因?yàn)楹硬圻^水能力的降低。渾河下游從1990—2010年綜合萎縮度變化趨勢均呈現(xiàn)下降變化，其下降主要原因在于大伙房水庫修建后，降低了下游河道泥沙淤積量，擴(kuò)大了同一水位下的主河槽過水能力，使得其綜合萎縮度總體呈現(xiàn)下降變化，而進(jìn)入2011年以后由于徑流量的銳減，使得渾河下游綜合萎縮度變化趨勢總體上升，其具有較為明顯的上升變化。

太子河葠窩水庫以下河段萎縮度總體呈現(xiàn)上升變化，這主要是因?yàn)槿惛C水庫修建后，下游河道內(nèi)水文特征和河道形態(tài)指標(biāo)的萎縮使得其綜合萎縮度呈現(xiàn)上升變化。

大凌河中下游綜合萎縮度整體呈現(xiàn)下降變化趨勢，尤其是進(jìn)入2011年后由于大凌河加大了流域綜合治理，綜合萎縮度總體呈現(xiàn)下降變化。

愛河由于河道水文特征變化的影響，使得其綜合萎縮度總體呈現(xiàn)上升變化，但變化的趨勢性程度不明顯。

4 結(jié)論

(1)遼河萎縮度變化的主導(dǎo)因素為徑流量減少以及泥沙淤積量的增多，從而使得其河槽過水能力降低明顯，因此要改善遼河綜合萎縮度，需要擴(kuò)大其主槽過水能力并減少河道內(nèi)的泥沙淤積量，此外還要重點(diǎn)控制進(jìn)入遼河的氨氮污染物。

(2)渾河受大伙房水庫影響萎縮度總體變化較為穩(wěn)定，對于渾河流域治理而言，建議加寬渾河主要斷面過水面積，并加大大伙房水庫下游水量的供給。

(3)隨著葠窩水庫除險(xiǎn)加固工程的建成，太子河葠窩水庫以下河段水量和泥沙淤積量將會得到明顯改善，大凌河流域通過2010年以來綜合治理萎縮度得到明顯改善，建議加大對河流水生生物的保護(hù)。