王喜芹

(辽宁省观音阁水库管理局有限责任公司,辽宁 本溪 117100)

1 研究背景

人类社会的文明进步和发展与河流健康评价标准存在密切关系，并表现出空间上的动态变化特征。国内外系统机构分别从河岸带状况、形态特征、水质、水生物种和河流水文学等5类评价指标进行河流的健康状况评价，并可为流域的可持续利用管理提供一定的科学依据和理论支持。水文学者结合研究河流的基本特征分别构建了不同的评价指标体系，如李国英[1]等分别从河道的排洪能力、水质类别、流量、滩地坡降比等9个方面对黄河的生态健康进行了评价；赵彦伟[2]等以宁波市城市河流为研究对象通过分析水生物种、水质、含水量、河岸带和物理结构5大特征对其生态系统健康进行了评价；耿雷华[3]等以澜沧江河流为研究对象，基于河流健康内涵层的25个评价指标对其进行了生态健康的定量评价分析。随着对河流生态健康评价的深入研究和发展，河流健康标准往往采用河岸状况、DO水质以及水体鱼类多样性指数等参数指标进行表征。对河流生态健康受水库梯级开发的作用影响研究相对较少，据此，本文首先对河道鱼类、浮游生物和底栖生物对梯级开发响应程度进行识别，在甄别了关键物种的基础之上，分析了其对梯级开发的生态效应，并利用相关数据对地域性原则进行探讨，构建了生态健康评价等级标准，并对生态健康受水库梯级开发作用影响程度进行科学、合理的评估分析[4- 7]。

2 生态系统健康评价体系构成

2.1 生态系统健康内涵

人类社会和经济发展对水体的依赖日益增大，并导致水体污染、水环境恶化等问题日益严峻，故水体系统健康是以水问题的研究为主要内容。随着人类对水资源管理理念和认识的加深，河流生态健康评价的核心内容逐渐转化为人与水系统的和谐相处。综上所述，自然属性和社会属性的平衡河流是进行评价的主要内容，不仅可为河流物种生命的维持和延续提供保障，而且满足人类经济发展对河流生态系统的需求。合理的水文情形、科学的河流形态和良好的水体理化指标和物种多样性是保证河流生态系统健康的重要组成部分[8]。

2.2 水库体积开发生态影响辨识

梯级开发对河流的生态系统健康影响可以体现在以下四个方面：河流的水文情形在河坝的上下游发生改变、河流的天然连通状况发生变化、河道的水质状况产生改变以及对河流内水生生物的多样性和完整性产生影响作用。据此，水库的梯级开发可产生多种作用影响并最终使得生态功能的逐渐退化，并且系统的完整性和规律性遭到严重的破坏，结构系统趋于单一，并引起河道内生物物种多样性下降。

2.3 河流健康评价因子甄别

水质理化参数、河流生物指标、河道栖息地因子和河流水文情形等参数是生态系统健康评价的重要指标；河流流量、流速等水文参数因梯级开发产生改变，并对河流的生物群落、河岸植被、洪范区特性和水质等产生影响；河流流量、流速、频率和含沙量变化是进行河流水文情形评价的主要指标参数；河流水生物种的繁殖场所即为河道栖息地，其环境的状况对河流的生态系统健康产生直接的影响，主要体现在河道的稳定性、连通性、河岸带宽度、完整性、人类干扰等方面；水质是影响水文生态系统的敏感性因素，水质参数主要有水温、有机污染物、DO、重金属污染等。生态系统中水资源的循环规律因水质恶化直接造成交换途径降低、阻碍、能量供应程度低和信息传递困难等因素影响，并最终引起生物物种多样性水平降低。

2.4 构建评价体系

本次研究利用层次指标体系分析法，在详细考虑了梯级开发对生态安全影响的主控因素的基础之上构建了用于评估生态健康系统的指标体系，详见表1。本次研究的主要目标是促进人与水环境的和谐相处，维护水系统的生态安全健康，在考虑了人类活动和自然状态下的特征对水生态系统安全健康进行评价，为可持续发展利用提供决策依据；水质状况、水文情形、生物指标和物理结构构成了评价的准则层，其中水文变异、重金属浓度和有机物浓度等数据指标是评价水质状况的主要参数，生态流量和流量变异过程是表征水文情形的重要指标，而生物指标参数主要包括藻类和鱼类多样性指数，河流连通阻隔物理状况是开展河流物理结构评价的核心内容。

表1 河流生态系统健康评价指标体系

本研究对准则层中的各评价指标进行综合计算，并得到河流综合评价状况赋分结果，计算公式如下：

REI=HDr×0.2+pHr×0.2+WQr×0.2+AFr×0.4

(1)

式中，REI—生态完整性赋分值；HDr、pHr、WQr、AFr—分别代表准则层中水文情形、物理结构、水质状况和生物指标的赋分值。

根据各评价指标的赋分标准，河流的生态健康程度可分为A级健康，赋分80～100分；B级亚健康，赋分60～80分；C级健康状况一般，赋分40～60分；D级不健康，赋分10～40分；E级病态，赋分0～20分。

2.5 评价指标体系的计算

在研究分析年限内，通过对天然和实测月平均径流过程进行差异性对比分析，可对水库梯级开发对流量过程变异程度指标的影响作用进行研究探讨，并利用下述公式，揭示水文情形影响程度和变化规律，其计算公式如下：

(2)

根据流量变异程度计算结果，其赋分标准可根据FD值进行提取，当FD值取值范围为0.05～0.1时，对其赋分值为75～100分；当FD值在0.1～0.3时，对其赋分值为50～75分；当FD值在0.3～1.5时，对其赋分值为25～50分；当FD值为1.5～3.5时，对其赋分值为10～25；其他取值的赋分值均低于10分。

为了维持生态系统的不同程度结构和功能而必须具备的河流过程即为河流生态流量，可通过选取关键性河流物种对满足其最适宜流量进行表征。生态流量保障程度可按照关键物种的产卵期及孕幼期、一般水期进行评价，计算公式如下：

(3)

式中，qd—评估年实测月径流量;m3/s；qt—各月推荐的最适宜流量;m3/s；m—各月径流量相对应的月份。

河流典型断面的赋分依据为不同丰枯水期调节后的流量占推荐流量的比例，并以丰枯水期分值最低值为关键物种流量的保证程度分值，保障程度评价结果见表2。

表2 关键物种的生态流量保证程度赋分评价计算方法

按照阻隔分类对河段的各个闸坝分别进行赋分，并取最小赋分值作为最终评估结果，计算公式如下：

RCr=100+min[(DAMr)i，(GATEr)j]

(4)

式中，RCr—评估河段的连通阻隔状况赋分值；(DAMr)i—评估大坝的阻隔赋分，i—1，2，…，nDam，nDam—下游大坝座数；(GATEr)j—评估河段水闸阻隔赋分值，j—1，2，…，nGate，nGate评估河段水闸数。

本研究中，各河段的连通阻隔分布状况赋分取值标准见表3。

表3 河段连通阻隔分布状况赋分取值标准

利用评估年逐月实测和多年月平均水温变异最大值表征水温变异程度，并采用下述计算公式：

(5)

氨氮、化学需氧量和高锰酸盐指数参数指标浓度对好养有机污染物状况进行评估表征；重金属主要是以六价铬、铅、汞、砷等进行表征；并以12个月的上述污染物平均浓度对比分析国家水质标准，进行非汛期和汛期的分析评价。

利用Shannon-Wiener多样性指数法对鱼类、藻类生物多用性进行计算分析，公式如下：

(6)

式中，D—采用Shannon-Wiener法的生物多样性指数；N—抽样调查范围内全部个体总数；ni—第i个物种的个体数量；s—物种种类数量。

赋分关系为指数为5时赋分100、4时赋分85、3时赋分65、2时赋分45、1时赋分25。

3 河流生态系统健康评价过程

本文选取我国东北部区域具有一定代表性的河流为研究对象进行生态系统健康评价分析。该河流已建梯级电站2座，沿河流自上而下分别用P1和P2代表，所选2个水电站主要功能以发电为主，同时具有一定的供水、航运的作用。设定a为河流的关键性鱼类，能够较高的揭示水生态系统变化，且具备一定的短距离洄游特性，沿河流干支流方向均匀分布，以2015～2016年为水平年进行指标评价研究分析。

3.1 水文情势

首先对评价坝址上、下游河段近距离的流量变异程度进行计算分析。P2电站并网发电后在2015年4月～2016年5月的天然径流和调蓄后的出库径流量的对比分析结果，计算FD评价指标值为0.75。然后结合a物种的河流分布状况，对P2电站并网发电后的实际运行出库流量和a生态需水过程进行对比分析，评估生态流量的满意程度。P2在评估年的4～10月的实际下泄流量占天然径流量的比例为27.35%，1～12月的比例为24.18%。

3.2 物理结果

研究的河流规划建设为12座电站，而当前仅有P1和P2电站，河流对电站的开发利用程度相对较低，本研究仅对河流的实际情况进行评估，故仅考虑P1和P2电站的实际情况进行研究。由河流的连通阻隔现状可知，当前已建水电站梯级并无鱼道，但可利用鱼类增殖站降低对水体生物的影响，并使得下游泄洪流量满足生态基流的基本要求。综上所述，对于已建电站，典型河流的干支流连通阻隔状况指标赋分值均为70分。

3.3 水质状况

所选典型河流的两座水电站，P1的正常蓄水位为58m，发电洞进水口水位低于正常蓄水位25m，故存在一定的低温水问题。而电站P2的正常蓄水位为82m发电洞口低于正常蓄水位36m其低温水问题较为明显。因a物种的产卵地位于P2下游，故P2水库坝下端面的水文监测指标可表征现状条件下的河流干流的水文变异状况。最低水温的测验值为15.0℃，低于a的最低适宜温度为3.5℃，最高温度为30.1℃，高于a的适宜高温为4.2℃，故P2电站的水温变异程度赋值为80分；根据DO指标检测结果，5～10月份的浓度为6.72mg/L，赋分值为90.8分，11～次年4月浓度值为7.1mg/L，赋分值为93.6分，评估年的赋分值为90.8分；

选取氨氮、高锰酸盐、五日生化需氧量的计算结果平均值进行耗氧有机物污染物浓度计算，并以各评价指标的浓度指数作为评价结果，进行总体赋分值计算，其计算结果为86.1；选取评估河段各监测断面在12个月的铅含量指标表征重金属污染状况，其中铅污染物的赋分值为98分；以水质准则层的4个评价指标的最小值进行干流河段的评估赋分，其赋分值为80分。

3.4 生物指标

在评估年的河流进行浮游植物观察可得藻类植物共有52个属，分别为硅藻门、甲藻门、绿藻门、蓝藻门等4门6纲18目25科。其中硅藻门和蓝藻门所占属最多为21个属，占总种类的40.0%。其余各类藻类由大到小所占比重分别为12.5%、6.0%和4.6%。结合计算平均浓度，藻类的多样性指数计算结果为1.25，其多样性赋分为26.1分。利用P1电站建设后所捕获的鱼类占总数的比例，进行鱼类的多样性指数计算，其计算值为1.50，根据赋分标准准则，鱼类多样性指数赋分值为30.5分；利用生物准则层的2个评价指标，并以评估指标的最小分值为准则层的赋分值，其计算值为25.2分。

3.5 总体评价

根据评价指标体系中各准则层的赋分值和权重系数，可对河流的生态完整性进行综合状况的赋分计算，其综合赋分值为42.8分，河流的健康状况等级为“一般”。水质和物理结构的赋分分别为75和80分，表明河流的水质和干流连通阻隔受已建2座梯级电站的影响作用较小；水库梯级开发对水文改变过程的赋分值最低为21.5分，表明天然蓄水过程和水库下泄过程对下游物种a的需水影响作用存在差异性；生态指标赋分值为24.8分，说明生物的生存环境在一定程度上受已建水库梯级的作用影响，并明显改变了鱼类、藻类物种的多样性。

4 河流生态系统健康评价结果分析

4.1 水文情势变化分析

研究结果显示，河流年际径流变差系数和分配调节系数受水库梯级开发作用不明显，但年内径流集中程度和分配不均衡性受水库梯级开发作用显著，并表现出下降趋势，且极小比表现出一定的增大趋势，并从另一方面说明河流的梯级调节能力有限，对年际径流量的变化作用不大，但在一定程度上可改变径流的年内分配，对径流峰值具有一定的消减作用。

4.2 健康影响分析

通过对比分析水生生物监测数据可知，各监测断面的浮游动物类型存在较大差异，且底栖动物的种类和数量受季节性作用明显；人类对鱼类的过度捕捞活动可明显降低鱼类资源，鱼类小型化发展趋势明显。喜好静水和缓流的水体生物在P1和P2电站建设后，其种类和说明表现出增长的趋势。工业和城镇排污、人类活动以及农业生产是引起干流水质超标的主要因素，城镇污水收集和处理措施相对落后，工业生产集中期和城镇附近的河段，水质标准不满足水功能区相关要求。

4.3 响应过程和机理

结合河流中有关水生生物物种，利用梯级开发前后的关键性物种a的监测数据可知，水库梯级开发可对关键性物种的生存活动空间产生明显影响，并降低其生存范围，水库大坝加大了对水生物种的不利作用影响，梯级开发对a的不利作用所占比重较大，并且a物种的生长繁殖受水温变化影响明显。浮游生物群落受梯级开发作用影响，将由现有的河流型转变成水库性，河流将由自然段转化为水库区；鱼类和数量产生直接或间接的作用影响，进而引起水体生物物种多样性明显下降。

5 结语

本文基于生态学及生态系统健康评价理论，在详细分析了各影响因子的基础之上，利用层次分析法构建了评价指标体系。并运用该评价指标体系对典型河流梯级开发下河流健康评价表明：河流年际径流变差系数和分配调节系数受水库梯级开发作用不明显，但年内径流集中程度和分配不均衡性受水库梯级开发作用显著，并表现出下降趋势，且极小比表现出一定的增大趋势；喜好

静水和缓流的水体生物在P1和P2电站建设后，其种类和数量均表现出增长的趋势；部分河段受到排污影响水质超标，水质标准不满足水功能区相关要求。梯级开发使得物种a的活动空间范围不断被大坝阻隔和压缩，梯级开发对a的不利作用所占比重较大，并且a物种的生长繁殖受水温变化影响明显。

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