吳文佑,彭金濤，劉湘春

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

中國水能資源理論蘊(yùn)藏量占世界第一。截至2008年底，我國水電總裝機(jī)容量已達(dá)1.72億kW，約占技術(shù)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(chǎn)生影響，造成植被破壞、環(huán)境污染、地質(zhì)災(zāi)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(diào)峰運(yùn)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(nèi)受減脫水影響尤為嚴(yán)重，河流景觀質(zhì)量也受到較大影響。如何建立合理、科學(xué)的評價(jià)指標(biāo)體系對水力開發(fā)河段景觀質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，確定合理的景觀生態(tài)下泄流量，充分維護(hù)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(diào)統(tǒng)一，盡量減少對自然環(huán)境的破壞，真正實(shí)現(xiàn)在保護(hù)生態(tài)基礎(chǔ)上的有序開發(fā)，是急需要解決的問題。

2 河流景觀質(zhì)量評價(jià)概述

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

基于層次分析法的景觀質(zhì)量評價(jià)在國內(nèi)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(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，其結(jié)果與客觀實(shí)際十分接近[2]；四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以專家學(xué)派的景觀評價(jià)思想為依據(jù)，采用層次分析法建立了白水江河流景觀質(zhì)量評價(jià)體系，并用于計(jì)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(zhì)量的指標(biāo)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(diǎn)進(jìn)行歸納，綜合了生態(tài)功能和形式美學(xué)兩方面的因素，初步建立較完善的景觀質(zhì)量評價(jià)體系。

景觀生態(tài)系統(tǒng)包括景觀結(jié)構(gòu)和景觀過程，景觀質(zhì)量通過構(gòu)成景觀的形式美學(xué)要素和生態(tài)學(xué)要素綜合反映，各要素的優(yōu)劣程度同景觀質(zhì)量優(yōu)劣程度的關(guān)系是正相關(guān)的，各要素對整體景觀質(zhì)量的貢獻(xiàn)強(qiáng)弱主要通過權(quán)重參數(shù)反映。

生態(tài)學(xué)要素主要從區(qū)域上進(jìn)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(jìn)行考察，包括兩方面，一是要素自身的色彩、質(zhì)地、存在形式的品質(zhì)；二是各要素處于同一布局之中的協(xié)調(diào)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(jié)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(nèi)河流的流動(dòng)性、連貫性及良好的水色。流動(dòng)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(zhì)、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(diào)性。景觀類型包括由自然或人為活動(dòng)形成的地表利用類型，主要包括植被；色彩是視野范圍內(nèi)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(diào)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(zhì)量評價(jià)體系

3.1 評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)以上分析，從景觀生態(tài)學(xué)要素及景觀形式美學(xué)要素兩個(gè)方面對山區(qū)水力開發(fā)河段景觀特性進(jìn)行分析，應(yīng)用層次分析法原理，構(gòu)建水力開發(fā)河段景觀質(zhì)量評價(jià)體系(見表1)。

3.2 指標(biāo)取值標(biāo)準(zhǔn)

各要素可通過定性或定量的指標(biāo)進(jìn)行表征，這些指標(biāo)本身的定量或定性描述與景觀質(zhì)量優(yōu)劣程度或無相關(guān)性，針對已構(gòu)建的評價(jià)指標(biāo)體系，咨詢相關(guān)專家意見并查閱大量文獻(xiàn)資料，重點(diǎn)考慮指標(biāo)反映景觀質(zhì)量優(yōu)劣的主要方面及可劃分性，根據(jù)上述指標(biāo)所反映的景觀優(yōu)劣情況進(jìn)行定量或定性描述分級，制定其取值標(biāo)準(zhǔn)，詳見表2。該劃分基本表示了各指標(biāo)的景觀效應(yīng)，該效應(yīng)可分為差、一般、好三個(gè)優(yōu)劣程度上的等級，假設(shè)優(yōu)劣程度和(1,9)范圍內(nèi)的取值是線性映射關(guān)系，三個(gè)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(biāo)的分級取值計(jì)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(yīng)在i等級上的水力參數(shù)值，各水力參數(shù)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系，當(dāng)流量改變時(shí)，各水力參數(shù)隨之改變而引起景觀質(zhì)量變化，從而建立景觀質(zhì)量與河流流量的關(guān)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(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)所分析指標(biāo)的特點(diǎn)和數(shù)據(jù)的可獲取性，本研究采用層次分析法(AHP)進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的確定。運(yùn)用層次分析法解決問題，大致分為4個(gè)步驟：

(1)建立層次結(jié)構(gòu)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(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層、方案層、措施層等，用框圖形式說明層次的遞階結(jié)構(gòu)與因素的從屬關(guān)系，當(dāng)某個(gè)層次包含的因素較多時(shí)，可將該層次進(jìn)一步劃分為若干子層次。

(2)構(gòu)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(qiáng)度等)的認(rèn)識，采用數(shù)值1～9及其倒數(shù)的標(biāo)度方法。

(3)權(quán)重計(jì)算及其一致性檢驗(yàn)。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(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系

表2 水力開發(fā)河段景觀質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)取值標(biāo)準(zhǔn)

解得W，其中W為λmax對應(yīng)的特征向量。經(jīng)歸一化后即為同一層次相應(yīng)因素對于上一層次某因素相對重要性的排序權(quán)值，這一過程稱為層次單排序。為了進(jìn)行層次單排序或判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)，定義一致性指標(biāo)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(rèn)為層次單排序的結(jié)果有滿意的一致性，否則需要調(diào)整判斷矩陣的元素取值。

(4)層次總排序及其一致性檢驗(yàn)。計(jì)算同一層次所有因素對于最高層(總目標(biāo))相對重要性的排序權(quán)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(jìn)行的。層次總排序的一致性檢驗(yàn)，也是從高到低逐層進(jìn)行的，B層次的某些因素對于Aj單排序的一致性指標(biāo)為CIj，相應(yīng)的一致性隨機(jī)指標(biāo)為CRj，則B層次總排序隨機(jī)一致性指標(biāo)為：

(5)

當(dāng)RI<0.10，認(rèn)為層次總排序結(jié)果具有滿意的一致性，否則需重新調(diào)整判斷矩陣的元素取值。

據(jù)所分析指標(biāo)的特點(diǎn)和數(shù)據(jù)的可獲取性，在查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合專家咨詢，采用層次分析法(AHP)確定指標(biāo)權(quán)重，各指標(biāo)權(quán)重分配見表3。

3.4 景觀質(zhì)量綜合得分與評價(jià)

將以上確定的變量層景觀質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)取值以及與其對應(yīng)的總權(quán)重加權(quán)計(jì)算得到景觀質(zhì)量綜合評價(jià)得分，如式(6)，該得分表示所研究的某個(gè)河流斷面處的景觀質(zhì)量評價(jià)取值，根據(jù)斷面處于整個(gè)研究河段中的位置及沿河流的景觀質(zhì)量變化情況，可通過式(7)計(jì)算得到整個(gè)研究河段上的景觀質(zhì)量評價(jià)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(shí)地調(diào)查與公眾評分情況，結(jié)合本文確定的景觀質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系，將景觀質(zhì)量綜合得分劃分為很差、較差、一般、較好、很好5個(gè)評價(jià)等級，以該得分劃分對河流景觀質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)(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(zhì)量值；

mkst、Mkst——上述景觀質(zhì)量評價(jià)體系中對應(yīng)指標(biāo)的總權(quán)重和指標(biāo)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(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重分配

表4 各指標(biāo)對應(yīng)的景觀效應(yīng)等級劃分

4 應(yīng)用實(shí)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(jī)容量90MW，無調(diào)節(jié)，減水河段長11km)、理縣電站(裝機(jī)容量33MW，日調(diào)節(jié), 減水河段長5km)、甘堡(裝機(jī)容量30.5MW，無調(diào)節(jié), 減水河段長3.9km) 、薛城電站(裝機(jī)容量138MW，日調(diào)節(jié), 減水河段長14.2km) 、下莊電站(裝機(jī)容量11.71MW，無調(diào)節(jié), 減水河段長4.2km)、桑坪電站(裝機(jī)容量72MW，日調(diào)節(jié), 減水河段長6.7km)。發(fā)電時(shí)，上游來流經(jīng)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(gè)減水河段進(jìn)行水文測量，水文測量時(shí)間為2008年4～5月，代表了河流平水期狀態(tài)。以該時(shí)段的這4個(gè)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(jī)在沿河公路視野內(nèi)的河段多處布點(diǎn)，攝取了大量的河流景觀圖片，作為景觀質(zhì)量評價(jià)的基礎(chǔ)資料。通過對這些資料的歸納得到雜谷腦河景觀質(zhì)量狀況有以下特點(diǎn)：

(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(dú)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(dòng)植物：河道內(nèi)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(nèi)基本無觀賞價(jià)值高的植物分布，亦無大型珍稀特有野生動(dòng)物出沒。

(4) 流域人文景觀：雜谷腦流域內(nèi)有省級風(fēng)景名勝區(qū)米亞羅風(fēng)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(nèi)。

(5) 水質(zhì)水色：一般情況下，水質(zhì)良好，水質(zhì)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(xiǎn)流急的天然特征不協(xié)調(diào)。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(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，河岸受損；人為活動(dòng)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(zhì)量評價(jià)體系，計(jì)算得到紅葉二級、理縣、甘堡、薛城4個(gè)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(zhì)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(zhì)量值為3.97，屬較差水平，其余代表斷面景觀質(zhì)量均一般水平，往下游景觀質(zhì)量得分有所增加；就全河段景觀質(zhì)量而言，景觀質(zhì)量值為4.76，為一般水平。從現(xiàn)場調(diào)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(bǔ)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(rèn)為上述評價(jià)結(jié)果是合理的。

對于理縣電站的減水河段，ZA5斷面景觀質(zhì)量值為4.67，屬一般水平，ZA6斷面景觀質(zhì)量值為3.34，屬較差水平；就全河段景觀質(zhì)量而言，景觀質(zhì)量值為4.46，為一般水平。從現(xiàn)場調(diào)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(rèn)為上述評價(jià)結(jié)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(zhì)量得分值均在(2,3)區(qū)間內(nèi)，屬較差水平。從現(xiàn)場調(diào)查情況來看，該河道減水非常嚴(yán)重，壩下河道內(nèi)基本無流量，河床卵石裸露，兩岸植被很差。因此，認(rèn)為上述評價(jià)結(jié)果是合理的。

對于薛城電站的減水河段，除了ZA10斷面景觀質(zhì)量值略低于4，景觀質(zhì)量較差外，其余代表斷面和全河段景觀質(zhì)量均為一般水平。從現(xiàn)場調(diào)查情況來看，該河段往下游隨著支溝入?yún)R，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(rèn)為上述評價(jià)結(jié)果是合理的。

5 結(jié) 語

本文應(yīng)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(xué)要素及景觀形式美學(xué)要素兩個(gè)方面初步建立了雜谷腦河水力開發(fā)河段景觀質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系，并進(jìn)行各梯級景觀質(zhì)量綜合評價(jià)分析。結(jié)果表明，計(jì)算所得各梯級景觀質(zhì)量，基本符合河段景觀生態(tài)實(shí)際情況，是合理可行的。

限于資料、認(rèn)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(jìn)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(diǎn)，各指標(biāo)的相對重要性有所不同，因而難以給出統(tǒng)一的指標(biāo)權(quán)重，本文給出的各指標(biāo)等級劃分及評價(jià)計(jì)算方法也只反映一般情形。為此，需進(jìn)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(biāo)權(quán)重及適宜的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，以滿足不同地區(qū)、不同類型水力開發(fā)河流的景觀質(zhì)量評價(jià)，為進(jìn)一步計(jì)算河道景觀生態(tài)需水量奠定基礎(chǔ)。

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