王喜芹

(遼寧省觀音閣水庫管理局有限責(zé)任公司,遼寧 本溪 117100)

1 研究背景

人類社會的文明進(jìn)步和發(fā)展與河流健康評價標(biāo)準(zhǔn)存在密切關(guān)系，并表現(xiàn)出空間上的動態(tài)變化特征。國內(nèi)外系統(tǒng)機(jī)構(gòu)分別從河岸帶狀況、形態(tài)特征、水質(zhì)、水生物種和河流水文學(xué)等5類評價指標(biāo)進(jìn)行河流的健康狀況評價，并可為流域的可持續(xù)利用管理提供一定的科學(xué)依據(jù)和理論支持。水文學(xué)者結(jié)合研究河流的基本特征分別構(gòu)建了不同的評價指標(biāo)體系，如李國英[1]等分別從河道的排洪能力、水質(zhì)類別、流量、灘地坡降比等9個方面對黃河的生態(tài)健康進(jìn)行了評價；趙彥偉[2]等以寧波市城市河流為研究對象通過分析水生物種、水質(zhì)、含水量、河岸帶和物理結(jié)構(gòu)5大特征對其生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行了評價；耿雷華[3]等以瀾滄江河流為研究對象，基于河流健康內(nèi)涵層的25個評價指標(biāo)對其進(jìn)行了生態(tài)健康的定量評價分析。隨著對河流生態(tài)健康評價的深入研究和發(fā)展，河流健康標(biāo)準(zhǔn)往往采用河岸狀況、DO水質(zhì)以及水體魚類多樣性指數(shù)等參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行表征。對河流生態(tài)健康受水庫梯級開發(fā)的作用影響研究相對較少，據(jù)此，本文首先對河道魚類、浮游生物和底棲生物對梯級開發(fā)響應(yīng)程度進(jìn)行識別，在甄別了關(guān)鍵物種的基礎(chǔ)之上，分析了其對梯級開發(fā)的生態(tài)效應(yīng)，并利用相關(guān)數(shù)據(jù)對地域性原則進(jìn)行探討，構(gòu)建了生態(tài)健康評價等級標(biāo)準(zhǔn)，并對生態(tài)健康受水庫梯級開發(fā)作用影響程度進(jìn)行科學(xué)、合理的評估分析[4- 7]。

2 生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系構(gòu)成

2.1 生態(tài)系統(tǒng)健康內(nèi)涵

人類社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水體的依賴日益增大，并導(dǎo)致水體污染、水環(huán)境惡化等問題日益嚴(yán)峻，故水體系統(tǒng)健康是以水問題的研究為主要內(nèi)容。隨著人類對水資源管理理念和認(rèn)識的加深，河流生態(tài)健康評價的核心內(nèi)容逐漸轉(zhuǎn)化為人與水系統(tǒng)的和諧相處。綜上所述，自然屬性和社會屬性的平衡河流是進(jìn)行評價的主要內(nèi)容，不僅可為河流物種生命的維持和延續(xù)提供保障，而且滿足人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展對河流生態(tài)系統(tǒng)的需求。合理的水文情形、科學(xué)的河流形態(tài)和良好的水體理化指標(biāo)和物種多樣性是保證河流生態(tài)系統(tǒng)健康的重要組成部分[8]。

2.2 水庫體積開發(fā)生態(tài)影響辨識

梯級開發(fā)對河流的生態(tài)系統(tǒng)健康影響可以體現(xiàn)在以下四個方面：河流的水文情形在河壩的上下游發(fā)生改變、河流的天然連通狀況發(fā)生變化、河道的水質(zhì)狀況產(chǎn)生改變以及對河流內(nèi)水生生物的多樣性和完整性產(chǎn)生影響作用。據(jù)此，水庫的梯級開發(fā)可產(chǎn)生多種作用影響并最終使得生態(tài)功能的逐漸退化，并且系統(tǒng)的完整性和規(guī)律性遭到嚴(yán)重的破壞，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)趨于單一，并引起河道內(nèi)生物物種多樣性下降。

2.3 河流健康評價因子甄別

水質(zhì)理化參數(shù)、河流生物指標(biāo)、河道棲息地因子和河流水文情形等參數(shù)是生態(tài)系統(tǒng)健康評價的重要指標(biāo)；河流流量、流速等水文參數(shù)因梯級開發(fā)產(chǎn)生改變，并對河流的生物群落、河岸植被、洪范區(qū)特性和水質(zhì)等產(chǎn)生影響；河流流量、流速、頻率和含沙量變化是進(jìn)行河流水文情形評價的主要指標(biāo)參數(shù)；河流水生物種的繁殖場所即為河道棲息地，其環(huán)境的狀況對河流的生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生直接的影響，主要體現(xiàn)在河道的穩(wěn)定性、連通性、河岸帶寬度、完整性、人類干擾等方面；水質(zhì)是影響水文生態(tài)系統(tǒng)的敏感性因素，水質(zhì)參數(shù)主要有水溫、有機(jī)污染物、DO、重金屬污染等。生態(tài)系統(tǒng)中水資源的循環(huán)規(guī)律因水質(zhì)惡化直接造成交換途徑降低、阻礙、能量供應(yīng)程度低和信息傳遞困難等因素影響，并最終引起生物物種多樣性水平降低。

2.4 構(gòu)建評價體系

本次研究利用層次指標(biāo)體系分析法，在詳細(xì)考慮了梯級開發(fā)對生態(tài)安全影響的主控因素的基礎(chǔ)之上構(gòu)建了用于評估生態(tài)健康系統(tǒng)的指標(biāo)體系，詳見表1。本次研究的主要目標(biāo)是促進(jìn)人與水環(huán)境的和諧相處，維護(hù)水系統(tǒng)的生態(tài)安全健康，在考慮了人類活動和自然狀態(tài)下的特征對水生態(tài)系統(tǒng)安全健康進(jìn)行評價，為可持續(xù)發(fā)展利用提供決策依據(jù)；水質(zhì)狀況、水文情形、生物指標(biāo)和物理結(jié)構(gòu)構(gòu)成了評價的準(zhǔn)則層，其中水文變異、重金屬濃度和有機(jī)物濃度等數(shù)據(jù)指標(biāo)是評價水質(zhì)狀況的主要參數(shù)，生態(tài)流量和流量變異過程是表征水文情形的重要指標(biāo)，而生物指標(biāo)參數(shù)主要包括藻類和魚類多樣性指數(shù)，河流連通阻隔物理狀況是開展河流物理結(jié)構(gòu)評價的核心內(nèi)容。

表1 河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系

本研究對準(zhǔn)則層中的各評價指標(biāo)進(jìn)行綜合計算，并得到河流綜合評價狀況賦分結(jié)果，計算公式如下：

REI=HDr×0.2+pHr×0.2+WQr×0.2+AFr×0.4

(1)

式中，REI—生態(tài)完整性賦分值；HDr、pHr、WQr、AFr—分別代表準(zhǔn)則層中水文情形、物理結(jié)構(gòu)、水質(zhì)狀況和生物指標(biāo)的賦分值。

根據(jù)各評價指標(biāo)的賦分標(biāo)準(zhǔn)，河流的生態(tài)健康程度可分為A級健康，賦分80～100分；B級亞健康，賦分60～80分；C級健康狀況一般，賦分40～60分；D級不健康，賦分10～40分；E級病態(tài)，賦分0～20分。

2.5 評價指標(biāo)體系的計算

在研究分析年限內(nèi)，通過對天然和實測月平均徑流過程進(jìn)行差異性對比分析，可對水庫梯級開發(fā)對流量過程變異程度指標(biāo)的影響作用進(jìn)行研究探討，并利用下述公式，揭示水文情形影響程度和變化規(guī)律，其計算公式如下：

(2)

根據(jù)流量變異程度計算結(jié)果，其賦分標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)FD值進(jìn)行提取，當(dāng)FD值取值范圍為0.05～0.1時，對其賦分值為75～100分；當(dāng)FD值在0.1～0.3時，對其賦分值為50～75分；當(dāng)FD值在0.3～1.5時，對其賦分值為25～50分；當(dāng)FD值為1.5～3.5時，對其賦分值為10～25；其他取值的賦分值均低于10分。

為了維持生態(tài)系統(tǒng)的不同程度結(jié)構(gòu)和功能而必須具備的河流過程即為河流生態(tài)流量，可通過選取關(guān)鍵性河流物種對滿足其最適宜流量進(jìn)行表征。生態(tài)流量保障程度可按照關(guān)鍵物種的產(chǎn)卵期及孕幼期、一般水期進(jìn)行評價，計算公式如下：

(3)

式中，qd—評估年實測月徑流量;m3/s；qt—各月推薦的最適宜流量;m3/s；m—各月徑流量相對應(yīng)的月份。

河流典型斷面的賦分依據(jù)為不同豐枯水期調(diào)節(jié)后的流量占推薦流量的比例，并以豐枯水期分值最低值為關(guān)鍵物種流量的保證程度分值，保障程度評價結(jié)果見表2。

表2 關(guān)鍵物種的生態(tài)流量保證程度賦分評價計算方法

按照阻隔分類對河段的各個閘壩分別進(jìn)行賦分，并取最小賦分值作為最終評估結(jié)果，計算公式如下：

RCr=100+min[(DAMr)i，(GATEr)j]

(4)

式中，RCr—評估河段的連通阻隔狀況賦分值；(DAMr)i—評估大壩的阻隔賦分，i—1，2，…，nDam，nDam—下游大壩座數(shù)；(GATEr)j—評估河段水閘阻隔賦分值，j—1，2，…，nGate，nGate評估河段水閘數(shù)。

本研究中，各河段的連通阻隔分布狀況賦分取值標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 河段連通阻隔分布狀況賦分取值標(biāo)準(zhǔn)

利用評估年逐月實測和多年月平均水溫變異最大值表征水溫變異程度，并采用下述計算公式：

(5)

氨氮、化學(xué)需氧量和高錳酸鹽指數(shù)參數(shù)指標(biāo)濃度對好養(yǎng)有機(jī)污染物狀況進(jìn)行評估表征；重金屬主要是以六價鉻、鉛、汞、砷等進(jìn)行表征；并以12個月的上述污染物平均濃度對比分析國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行非汛期和汛期的分析評價。

利用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)法對魚類、藻類生物多用性進(jìn)行計算分析，公式如下：

(6)

式中，D—采用Shannon-Wiener法的生物多樣性指數(shù)；N—抽樣調(diào)查范圍內(nèi)全部個體總數(shù)；ni—第i個物種的個體數(shù)量；s—物種種類數(shù)量。

賦分關(guān)系為指數(shù)為5時賦分100、4時賦分85、3時賦分65、2時賦分45、1時賦分25。

3 河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價過程

本文選取我國東北部區(qū)域具有一定代表性的河流為研究對象進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)健康評價分析。該河流已建梯級電站2座，沿河流自上而下分別用P1和P2代表，所選2個水電站主要功能以發(fā)電為主，同時具有一定的供水、航運(yùn)的作用。設(shè)定a為河流的關(guān)鍵性魚類，能夠較高的揭示水生態(tài)系統(tǒng)變化，且具備一定的短距離洄游特性，沿河流干支流方向均勻分布，以2015～2016年為水平年進(jìn)行指標(biāo)評價研究分析。

3.1 水文情勢

首先對評價壩址上、下游河段近距離的流量變異程度進(jìn)行計算分析。P2電站并網(wǎng)發(fā)電后在2015年4月～2016年5月的天然徑流和調(diào)蓄后的出庫徑流量的對比分析結(jié)果，計算FD評價指標(biāo)值為0.75。然后結(jié)合a物種的河流分布狀況，對P2電站并網(wǎng)發(fā)電后的實際運(yùn)行出庫流量和a生態(tài)需水過程進(jìn)行對比分析，評估生態(tài)流量的滿意程度。P2在評估年的4～10月的實際下泄流量占天然徑流量的比例為27.35%，1～12月的比例為24.18%。

3.2 物理結(jié)果

研究的河流規(guī)劃建設(shè)為12座電站，而當(dāng)前僅有P1和P2電站，河流對電站的開發(fā)利用程度相對較低，本研究僅對河流的實際情況進(jìn)行評估，故僅考慮P1和P2電站的實際情況進(jìn)行研究。由河流的連通阻隔現(xiàn)狀可知，當(dāng)前已建水電站梯級并無魚道，但可利用魚類增殖站降低對水體生物的影響，并使得下游泄洪流量滿足生態(tài)基流的基本要求。綜上所述，對于已建電站，典型河流的干支流連通阻隔狀況指標(biāo)賦分值均為70分。

3.3 水質(zhì)狀況

所選典型河流的兩座水電站，P1的正常蓄水位為58m，發(fā)電洞進(jìn)水口水位低于正常蓄水位25m，故存在一定的低溫水問題。而電站P2的正常蓄水位為82m發(fā)電洞口低于正常蓄水位36m其低溫水問題較為明顯。因a物種的產(chǎn)卵地位于P2下游，故P2水庫壩下端面的水文監(jiān)測指標(biāo)可表征現(xiàn)狀條件下的河流干流的水文變異狀況。最低水溫的測驗值為15.0℃，低于a的最低適宜溫度為3.5℃，最高溫度為30.1℃，高于a的適宜高溫為4.2℃，故P2電站的水溫變異程度賦值為80分；根據(jù)DO指標(biāo)檢測結(jié)果，5～10月份的濃度為6.72mg/L，賦分值為90.8分，11～次年4月濃度值為7.1mg/L，賦分值為93.6分，評估年的賦分值為90.8分；

選取氨氮、高錳酸鹽、五日生化需氧量的計算結(jié)果平均值進(jìn)行耗氧有機(jī)物污染物濃度計算，并以各評價指標(biāo)的濃度指數(shù)作為評價結(jié)果，進(jìn)行總體賦分值計算，其計算結(jié)果為86.1；選取評估河段各監(jiān)測斷面在12個月的鉛含量指標(biāo)表征重金屬污染狀況，其中鉛污染物的賦分值為98分；以水質(zhì)準(zhǔn)則層的4個評價指標(biāo)的最小值進(jìn)行干流河段的評估賦分，其賦分值為80分。

3.4 生物指標(biāo)

在評估年的河流進(jìn)行浮游植物觀察可得藻類植物共有52個屬，分別為硅藻門、甲藻門、綠藻門、藍(lán)藻門等4門6綱18目25科。其中硅藻門和藍(lán)藻門所占屬最多為21個屬，占總種類的40.0%。其余各類藻類由大到小所占比重分別為12.5%、6.0%和4.6%。結(jié)合計算平均濃度，藻類的多樣性指數(shù)計算結(jié)果為1.25，其多樣性賦分為26.1分。利用P1電站建設(shè)后所捕獲的魚類占總數(shù)的比例，進(jìn)行魚類的多樣性指數(shù)計算，其計算值為1.50，根據(jù)賦分標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則，魚類多樣性指數(shù)賦分值為30.5分；利用生物準(zhǔn)則層的2個評價指標(biāo)，并以評估指標(biāo)的最小分值為準(zhǔn)則層的賦分值，其計算值為25.2分。

3.5 總體評價

根據(jù)評價指標(biāo)體系中各準(zhǔn)則層的賦分值和權(quán)重系數(shù)，可對河流的生態(tài)完整性進(jìn)行綜合狀況的賦分計算，其綜合賦分值為42.8分，河流的健康狀況等級為“一般”。水質(zhì)和物理結(jié)構(gòu)的賦分分別為75和80分，表明河流的水質(zhì)和干流連通阻隔受已建2座梯級電站的影響作用較小；水庫梯級開發(fā)對水文改變過程的賦分值最低為21.5分，表明天然蓄水過程和水庫下泄過程對下游物種a的需水影響作用存在差異性；生態(tài)指標(biāo)賦分值為24.8分，說明生物的生存環(huán)境在一定程度上受已建水庫梯級的作用影響，并明顯改變了魚類、藻類物種的多樣性。

4 河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果分析

4.1 水文情勢變化分析

研究結(jié)果顯示，河流年際徑流變差系數(shù)和分配調(diào)節(jié)系數(shù)受水庫梯級開發(fā)作用不明顯，但年內(nèi)徑流集中程度和分配不均衡性受水庫梯級開發(fā)作用顯著，并表現(xiàn)出下降趨勢，且極小比表現(xiàn)出一定的增大趨勢，并從另一方面說明河流的梯級調(diào)節(jié)能力有限，對年際徑流量的變化作用不大，但在一定程度上可改變徑流的年內(nèi)分配，對徑流峰值具有一定的消減作用。

4.2 健康影響分析

通過對比分析水生生物監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，各監(jiān)測斷面的浮游動物類型存在較大差異，且底棲動物的種類和數(shù)量受季節(jié)性作用明顯；人類對魚類的過度捕撈活動可明顯降低魚類資源，魚類小型化發(fā)展趨勢明顯。喜好靜水和緩流的水體生物在P1和P2電站建設(shè)后，其種類和說明表現(xiàn)出增長的趨勢。工業(yè)和城鎮(zhèn)排污、人類活動以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是引起干流水質(zhì)超標(biāo)的主要因素，城鎮(zhèn)污水收集和處理措施相對落后，工業(yè)生產(chǎn)集中期和城鎮(zhèn)附近的河段，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不滿足水功能區(qū)相關(guān)要求。

4.3 響應(yīng)過程和機(jī)理

結(jié)合河流中有關(guān)水生生物物種，利用梯級開發(fā)前后的關(guān)鍵性物種a的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，水庫梯級開發(fā)可對關(guān)鍵性物種的生存活動空間產(chǎn)生明顯影響，并降低其生存范圍，水庫大壩加大了對水生物種的不利作用影響，梯級開發(fā)對a的不利作用所占比重較大，并且a物種的生長繁殖受水溫變化影響明顯。浮游生物群落受梯級開發(fā)作用影響，將由現(xiàn)有的河流型轉(zhuǎn)變成水庫性，河流將由自然段轉(zhuǎn)化為水庫區(qū)；魚類和數(shù)量產(chǎn)生直接或間接的作用影響，進(jìn)而引起水體生物物種多樣性明顯下降。

5 結(jié)語

本文基于生態(tài)學(xué)及生態(tài)系統(tǒng)健康評價理論，在詳細(xì)分析了各影響因子的基礎(chǔ)之上，利用層次分析法構(gòu)建了評價指標(biāo)體系。并運(yùn)用該評價指標(biāo)體系對典型河流梯級開發(fā)下河流健康評價表明：河流年際徑流變差系數(shù)和分配調(diào)節(jié)系數(shù)受水庫梯級開發(fā)作用不明顯，但年內(nèi)徑流集中程度和分配不均衡性受水庫梯級開發(fā)作用顯著，并表現(xiàn)出下降趨勢，且極小比表現(xiàn)出一定的增大趨勢；喜好

靜水和緩流的水體生物在P1和P2電站建設(shè)后，其種類和數(shù)量均表現(xiàn)出增長的趨勢；部分河段受到排污影響水質(zhì)超標(biāo)，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不滿足水功能區(qū)相關(guān)要求。梯級開發(fā)使得物種a的活動空間范圍不斷被大壩阻隔和壓縮，梯級開發(fā)對a的不利作用所占比重較大，并且a物種的生長繁殖受水溫變化影響明顯。

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