吴 振

(北镇市水利发展服务中心，辽宁 北镇 121300)

0 引 言

近年来，随着经济的快速发展各行业用水量急剧增大，我国典型江河江湖均出现一定的来水量锐减情况，加之河湖枯萎淤积、污水超标排放等局部地区的水生态问题日趋突出，对流域水生态安全和经济高质量发展构成潜在威胁，河流生态服务功能退化逐渐引起广大学者的关注[1-2]。调查显示，我国曾出现过断流的大型河流多达90余条，水生态功能衰退的主要表现特征有水生态、水文、河流形态的改变[3]。其中，水生态体现在水生生物、水质变化方面，水文特征主要体现在径流量变化方面，河流形态主要体现在纵向和横向过流能力的演变。近年来，国内学者紧紧围绕水生态特征、水文特征、河流形态等研究探讨河道萎缩度，但选用的指标比较单一，未能综合考虑水生态、水文、河流形态分析河道萎缩度，现阶段尚存在一些不足[4-6]。鉴于此，文章从水生态、水文、河流形态的角度系统选择评估指标，并定量分析了辽宁地区典型河流的萎缩度现状及其变化趋势，对其他地区河流萎缩度分析及河流生态环境保护提供了一定的借鉴。

1 模糊数学模型

1.1 评价指标

为了综合评价大型河流萎缩度，遵循数据可获取性、计算简便性、代表性等原则，选择能够全面反映水生态、水文、河流形态特征的9项评价因子，如表1所示。

表1 河流萎缩度评价指标

1.2 分析方法

针对河流综合萎缩度主要利用模糊数学模型评估，以统计变量xi表征综合萎缩度，其取值区间为[ai，bi]，则t时段的统计变量和天然对比期的要素统计量为xt,0、xi,0。若河流出现萎缩表示成该统计变量的降低，则利用以下计算方程确定综合萎缩度：

(1)

若河流呈发育状态表示成该统计变量的增大，则利用以下计算方程确定综合萎缩度：

(2)

式中：Di,t为评价因子i在时段t的综合萎缩度，其中指标i的取值区间为[ai,bi]，i=1，2，……，n。按照计算结果，若Di,t<0则代表河流出现了萎缩，若Di,t>0则代表河流呈发育状态。为了综合评估河流的萎缩度，有必要组合多项评价因子，以此确定t时段的指标组合为：

Xt=[x1,t,x2,t,…,xn,t]T

(3)

评价因子i在时段t内的综合萎缩度Di,t利用公式(1)、(2)确定，然后依据计算结果按照以下方程计算时段t内所有参评因子的综合萎缩度Di：

(4)

式中：ωi为单一评价因子综合萎缩度Di,t的权重，文中利用二元比较法确定相应的权重值，二元比较准则如表2所示。

表2 权重二元比较准则

为了能够综合定量评估河流萎缩度，结合现有文献资料将综合萎缩度Di划分成多个等级，划分标准如表3所示。

表3 萎缩度等级划分标准

续表3 萎缩度等级划分标准

1.3 计算流程

步骤1：全面收集整理各河段参评因子数据，并确定水生态、水文、河流形态特征指标的取值区间。

步骤2：对各项参评因子的改变度利用综合萎缩度计算公式定量测算，对水生态、水文、河流形态所包含的所有因子权重运用重要性语气算子合理设定，并综合计算各个类别的萎缩度[7-9]。

步骤3：采用重要性语气算子合理设定水生态、水文、河流形态这3个因子的综合权重，在此基础上计算各河流的综合萎缩度。

2 河流萎缩度定量分析

2.1 河流的选择

大型河流萎缩度综合评估对象选取绕阳河、英那河、柳河、六股河、大凌河，数据信息以及评估河段概况如表4所示。

表4 数据信息与概况

2.2 水文要素分析

设标准时段为1990年，即各河流在1990年前处于天然状态，依据各站点水文数据，以每10年作为标准计算时段分别对1990-2020年期间的水文特征萎缩度进行计算，如表5所示。

表5 水文特征萎缩度评估值

从表5可以看出，从1990年起宫山咀水库以下河段以及南哨镇-宫山咀水库的水文特征萎缩度处于-0.528--0.485之间，总体处于“中等萎缩”等级，这可能与该时段主河槽径流量减少有关。六股河上、中、下游段水文特征萎缩度总体处于“中度-高度萎缩”状况，这可能与六股河洪峰量和径流量在2010年后明显少于1990年有关，特别是洪峰值同级洪量下递减程度达到20%。柳河段因径流量锐减，1990-2000年处于“中度萎缩”等级，随着2010年后径流量的逐渐增大总体达到“低度萎缩”状态。柳河中上游段也是因径流量减少，2010年后达到“中度萎缩”等级。绕阳河因上游来水量减少，1990年以后总体达到“中度-低度萎缩”状态。

2.3 河流形态要素分析

依据各站点监测的河流形态数据，以每10a作为标准计算时段分别对1990-2020年期间的河流形态指标萎缩度进行计算，如表6所示。

河流形态指标萎缩度计算过程与水文特征指标基本一致，合理设定指标权重时，主槽过水能力低于河道主槽权重，河流形态指标权重值为ω=[0.475 0.206 0.319]T，最后依据权重值ω和萎缩度评估矩阵DI,t，即可确定锦州断面2010-2020年河流形态特征指标相比于1990基准年的萎缩度为-0.662，按照等级划分标准处于“高度萎缩”。

表6 河流形态指标萎缩度评估值

从表6可以看出，大凌河总体处于“中度-高度萎缩”等级，特别是2011年后宫山咀水库以下河道以及南哨镇-宫山咀水库河段均达到“高度萎缩”，这是由于2011年后大凌河来水量不断减少而河床泥沙淤积增多，从而导致河道主槽过水能力在同一特征水位下明显减弱，河流形态特征为“高度萎缩”。六股河上、中、下游河段，其中游达到“高度萎缩”水平，主要受大伙房水库修建后河道水量不断减少，主槽过水能力明显下降。受人类活动影响六股河上游主槽过水能力减弱，相对于基准期总体达到“中度萎缩”状态，六股河下游的主槽过水能力变化不大，所以达到“低度萎缩”。柳河闹德海水库以下河段均处于“低度萎缩”水平。英那河上、中游河段形态特征萎缩度处于-0.001--0.445范围，即属于“低度-中度萎缩”之间。绕阳河的形态特征萎缩度较低，总体处于“低度萎缩”状况，这是由于该河流冲淤变化较小、含沙量较少且来水量较大，所以其河流形态变化相对较低。

2.4 水生态要素分析

根据河流形态、水文特征指标萎缩度计算结果，以每10a作为标准计算时段分别对1990-2020年期间的水生态指标萎缩度进行计算，如表7所示。

考虑到河流水生态特征主要受生物多样性指标的影响，所以设定的水生物指标权重较高，经归一化处理确定水生态指标权重为ω=[0.287 0.287 0.426]T，然后依据权重值ω和萎缩度评估矩阵DI,t，即可确定锦州断面2010-2020年水生态特征指标相比于1990基准年的萎缩度为-0.436，按照等级划分标准处于“中度萎缩”。

表7 水生态指标萎缩度评估值

从分析结果可看出，在1990-2010年宫山咀水库以下河道以及南哨镇-宫山咀水库河段的水生态萎缩度较高，这可能与该时段水质指标中氨氮指数较高、水生物种多样性指数下降等因素有关，随着2011年后水生生物多样性的增多，逐渐恢复至“中度萎缩”水平，而宫山咀水库以下河段总体处于“中度-高度萎缩”状况。六股河上、中、下游各河段变化基本相同，1990-2010年的水生态特征处于“中度萎缩”状态，2011-2020年由于上游段水生物种的减少而处于“高度萎缩”水平，中下游段受氨氮水质指标影响较大而处于“中度萎缩”等级。柳河闹德海水库以下河段于2000-2010年、1990-2000年两个时段均达到“低度萎缩”状态，2011年以后受水质指标影响，水生物钟多样性显著下降，所以该时期处于“高度萎缩”水平。受人类活动影响英那河中下游水生态萎缩度略有下降，但2011-2020年下游河段的萎缩度较大。由于水质较好、来水量总体较大，绕阳河水生态萎缩度相比于基准期变化较小，整体处于“低度萎缩”水平。

2.5 综合萎缩度评价

依据水生态、河流形态、水文特征萎缩度计算结果，经归一化处理确定各指标权重为ω=[0.245 0.568 0.187]T，利用公式(4)和表3综合评估各河流的综合萎缩度，如表8所示。

依据分析结果可知，各河流均处于不同程度的萎缩状态，与1990-2010年相比2011-2020年以后的萎缩度均有所提高，水文特征对英那河以及大凌河的综合萎缩度影响最大，在各典型河流中绕阳河、六股河的萎缩度最小。因大伙房水库建设时期较早所以其萎缩度明显低于其它河流。2011年后，大凌河受气候变化和人类活动的综合影响，其综合萎缩度处于-0.918--0.861之间达到高度萎缩等级，与1990年以前相比萎缩度明显增加，所以必须加强对大凌河的治理。从1990年，六股河上、中、下有各河段萎缩度变化相对问题，这与六股河的水生态、河流形态、水文特征变化较稳定有关。柳河闹德海水库以下河段从2000年的“中度萎缩”快速增加至2010年的“高度萎缩”，这与水库以下河段氨氮指数增加、水质明显变化等直接相关。近年来，英那河中、下游建设实施了一系列生态修复工程，故2011年后萎缩度处于低度水平。绕阳河综合萎缩度从低度增加至中度，这与河道主槽过流能力变化等因素有关。

表8 河流综合萎缩度评估值

2.6 未来变化趋势

在定量分析1990-2010年各大型河流综合萎缩度的基础上，对河流萎缩度变化趋势利用Spear man秩次开展相关检验，如表9所示。

表9 河流萎缩度变化趋势评估值

由表9可知，宫山咀水库以及南哨镇-宫山咀水库河段的综合萎缩度均表现出上升趋势，并且2000年后上升趋势更加显著，其主要原因在于2000年以后河流泥沙淤积量不断增多而径流量锐减，加之受水质变化影响水生生物多样性明显下降，主槽过水能力在同一特征水位下明显减少，所以2011年后综合萎缩度呈上升变化趋势。

六股河上、中、下有段的综合萎缩度变化存在一定差异，上游受水文特征影响呈上升变化趋势，中游呈1990-2000年下降而2000年以后上升的变化趋势，下游1990-2010年呈下降而2011年后呈上升趋势。其中，中游2000年以后上升主要与河槽过流能力减弱有关，下游1990-2000年下降主要与大伙房水库建成后增大了主槽过流能力、减少了泥沙淤积量有关，下游2011年后上升与径流量锐减有关[10-12]。

由于水文特征的变化，绕阳河的综合萎缩度表现出上升的变化趋势，但总体的趋势性变化不显著。

3 结 论

1)泥沙淤积量增多以及径流量减少为为大凌河萎缩度变化的主导因素，大大降低了河槽过水能力。所以，为改善大凌河综合萎缩度就要减少泥沙淤积量并扩大主槽过水能力，同时加强氨氮污染物入河控制。

2)受大伙房水库影响六股河的综合萎缩度变化相对稳定，对于大凌河流域建议增大大伙房水库向下游供给量，加宽断面过水面积。

3)闹德海水库加固整治工程的实施，将明显改善下游河段泥沙淤积量和水量，近些年实施一系列生态治理项目大大改善了英那河流域综合萎缩度，对此还要加强保护水生物种，维持流域物种多样性。