基于水庫(kù)梯級(jí)開(kāi)發(fā)的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究

王喜芹

(遼寧省觀音閣水庫(kù)管理局有限責(zé)任公司,遼寧 本溪 117100)

1 研究背景

人類社會(huì)的文明進(jìn)步和發(fā)展與河流健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)存在密切關(guān)系，并表現(xiàn)出空間上的動(dòng)態(tài)變化特征。國(guó)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(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行河流的健康狀況評(píng)價(jià)，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(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如李國(guó)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(gè)方面對(duì)黃河的生態(tài)健康進(jìn)行了評(píng)價(jià)；趙彥偉[2]等以寧波市城市河流為研究對(duì)象通過(guò)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(duì)其生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行了評(píng)價(jià)；耿雷華[3]等以瀾滄江河流為研究對(duì)象，基于河流健康內(nèi)涵層的25個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行了生態(tài)健康的定量評(píng)價(jià)分析。隨著對(duì)河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)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(duì)河流生態(tài)健康受水庫(kù)梯級(jí)開(kāi)發(fā)的作用影響研究相對(duì)較少，據(jù)此，本文首先對(duì)河道魚類、浮游生物和底棲生物對(duì)梯級(jí)開(kāi)發(fā)響應(yīng)程度進(jìn)行識(shí)別，在甄別了關(guān)鍵物種的基礎(chǔ)之上，分析了其對(duì)梯級(jí)開(kāi)發(fā)的生態(tài)效應(yīng)，并利用相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)地域性原則進(jìn)行探討，構(gòu)建了生態(tài)健康評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)生態(tài)健康受水庫(kù)梯級(jí)開(kāi)發(fā)作用影響程度進(jìn)行科學(xué)、合理的評(píng)估分析[4- 7]。

2 生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系構(gòu)成

2.1 生態(tài)系統(tǒng)健康內(nèi)涵

人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)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(wèn)題日益嚴(yán)峻，故水體系統(tǒng)健康是以水問(wèn)題的研究為主要內(nèi)容。隨著人類對(duì)水資源管理理念和認(rèn)識(shí)的加深，河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)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(huì)屬性的平衡河流是進(jìn)行評(píng)價(jià)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(duì)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(kù)體積開(kāi)發(fā)生態(tài)影響辨識(shí)

梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)河流的生態(tài)系統(tǒng)健康影響可以體現(xiàn)在以下四個(gè)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(duì)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(kù)的梯級(jí)開(kāi)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的重要指標(biāo)；河流流量、流速等水文參數(shù)因梯級(jí)開(kāi)發(fā)產(chǎn)生改變，并對(duì)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(píng)價(jià)的主要指標(biāo)參數(shù)；河流水生物種的繁殖場(chǎng)所即為河道棲息地，其環(huán)境的狀況對(duì)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(píng)價(jià)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(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)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(píng)估生態(tài)健康系統(tǒng)的指標(biāo)體系，詳見(jiàn)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(dòng)和自然狀態(tài)下的特征對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)安全健康進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)水質(zhì)狀況的主要參數(shù)，生態(tài)流量和流量變異過(guò)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(kāi)展河流物理結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)的核心內(nèi)容。

表1 河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

本研究對(duì)準(zhǔn)則層中的各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合計(jì)算，并得到河流綜合評(píng)價(jià)狀況賦分結(jié)果，計(jì)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(píng)價(jià)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(jí)健康，賦分80～100分；B級(jí)亞健康，賦分60～80分；C級(jí)健康狀況一般，賦分40～60分；D級(jí)不健康，賦分10～40分；E級(jí)病態(tài)，賦分0～20分。

2.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的計(jì)算

在研究分析年限內(nèi)，通過(guò)對(duì)天然和實(shí)測(cè)月平均徑流過(guò)程進(jìn)行差異性對(duì)比分析，可對(duì)水庫(kù)梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)流量過(guò)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(jì)算公式如下：

(2)

根據(jù)流量變異程度計(jì)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(shí)，對(duì)其賦分值為75～100分；當(dāng)FD值在0.1～0.3時(shí)，對(duì)其賦分值為50～75分；當(dāng)FD值在0.3～1.5時(shí)，對(duì)其賦分值為25～50分；當(dāng)FD值為1.5～3.5時(shí)，對(duì)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(guò)程即為河流生態(tài)流量，可通過(guò)選取關(guān)鍵性河流物種對(duì)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(píng)價(jià)，計(jì)算公式如下：

(3)

式中，qd—評(píng)估年實(shí)測(cè)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(duì)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(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 關(guān)鍵物種的生態(tài)流量保證程度賦分評(píng)價(jià)計(jì)算方法

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

RCr=100+min[(DAMr)i，(GATEr)j]

(4)

式中，RCr—評(píng)估河段的連通阻隔狀況賦分值；(DAMr)i—評(píng)估大壩的阻隔賦分，i—1，2，…，nDam，nDam—下游大壩座數(shù)；(GATEr)j—評(píng)估河段水閘阻隔賦分值，j—1，2，…，nGate，nGate評(píng)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(jiàn)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(píng)估年逐月實(shí)測(cè)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(jì)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(duì)好養(yǎng)有機(jī)污染物狀況進(jìn)行評(píng)估表征；重金屬主要是以六價(jià)鉻、鉛、汞、砷等進(jìn)行表征；并以12個(gè)月的上述污染物平均濃度對(duì)比分析國(guó)家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行非汛期和汛期的分析評(píng)價(jià)。

利用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)法對(duì)魚類、藻類生物多用性進(jìn)行計(jì)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(gè)體總數(shù)；ni—第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)量；s—物種種類數(shù)量。

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

3 河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)過(guò)程

本文選取我國(guó)東北部區(qū)域具有一定代表性的河流為研究對(duì)象進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)分析。該河流已建梯級(jí)電站2座，沿河流自上而下分別用P1和P2代表，所選2個(gè)水電站主要功能以發(fā)電為主，同時(shí)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(píng)價(jià)研究分析。

3.1 水文情勢(shì)

首先對(duì)評(píng)價(jià)壩址上、下游河段近距離的流量變異程度進(jìn)行計(jì)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(kù)徑流量的對(duì)比分析結(jié)果，計(jì)算FD評(píng)價(jià)指標(biāo)值為0.75。然后結(jié)合a物種的河流分布狀況，對(duì)P2電站并網(wǎng)發(fā)電后的實(shí)際運(yùn)行出庫(kù)流量和a生態(tài)需水過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估生態(tài)流量的滿意程度。P2在評(píng)估年的4～10月的實(shí)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(duì)電站的開(kāi)發(fā)利用程度相對(duì)較低，本研究?jī)H對(duì)河流的實(shí)際情況進(jìn)行評(píng)估，故僅考慮P1和P2電站的實(shí)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(jí)并無(wú)魚道，但可利用魚類增殖站降低對(duì)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(duì)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(wèn)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(wèn)題較為明顯。因a物種的產(chǎn)卵地位于P2下游，故P2水庫(kù)壩下端面的水文監(jiān)測(cè)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(cè)驗(yàn)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(cè)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(píng)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(jì)算結(jié)果平均值進(jìn)行耗氧有機(jī)物污染物濃度計(jì)算，并以各評(píng)價(jià)指標(biāo)的濃度指數(shù)作為評(píng)價(jià)結(jié)果，進(jìn)行總體賦分值計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果為86.1；選取評(píng)估河段各監(jiān)測(cè)斷面在12個(gè)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(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的最小值進(jìn)行干流河段的評(píng)估賦分，其賦分值為80分。

3.4 生物指標(biāo)

在評(píng)估年的河流進(jìn)行浮游植物觀察可得藻類植物共有52個(gè)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(gè)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(jì)算平均濃度，藻類的多樣性指數(shù)計(jì)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(jì)算，其計(jì)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(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并以評(píng)估指標(biāo)的最小分值為準(zhǔn)則層的賦分值，其計(jì)算值為25.2分。

3.5 總體評(píng)價(jià)

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各準(zhǔn)則層的賦分值和權(quán)重系數(shù)，可對(duì)河流的生態(tài)完整性進(jìn)行綜合狀況的賦分計(jì)算，其綜合賦分值為42.8分，河流的健康狀況等級(jí)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(jí)電站的影響作用較小；水庫(kù)梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)水文改變過(guò)程的賦分值最低為21.5分，表明天然蓄水過(guò)程和水庫(kù)下泄過(guò)程對(duì)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(shuō)明生物的生存環(huán)境在一定程度上受已建水庫(kù)梯級(jí)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(píng)價(jià)結(jié)果分析

4.1 水文情勢(shì)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(kù)梯級(jí)開(kāi)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(kù)梯級(jí)開(kāi)發(fā)作用顯著，并表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，且極小比表現(xiàn)出一定的增大趨勢(shì)，并從另一方面說(shuō)明河流的梯級(jí)調(diào)節(jié)能力有限，對(duì)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(duì)徑流峰值具有一定的消減作用。

4.2 健康影響分析

通過(guò)對(duì)比分析水生生物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，各監(jiān)測(cè)斷面的浮游動(dòng)物類型存在較大差異，且底棲動(dòng)物的種類和數(shù)量受季節(jié)性作用明顯；人類對(duì)魚類的過(guò)度捕撈活動(dòng)可明顯降低魚類資源，魚類小型化發(fā)展趨勢(shì)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(shuō)明表現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)。工業(yè)和城鎮(zhèn)排污、人類活動(dòng)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(duì)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(guò)程和機(jī)理

結(jié)合河流中有關(guān)水生生物物種，利用梯級(jí)開(kāi)發(fā)前后的關(guān)鍵性物種a的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，水庫(kù)梯級(jí)開(kāi)發(fā)可對(duì)關(guān)鍵性物種的生存活動(dòng)空間產(chǎn)生明顯影響，并降低其生存范圍，水庫(kù)大壩加大了對(duì)水生物種的不利作用影響，梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)a的不利作用所占比重較大，并且a物種的生長(zhǎng)繁殖受水溫變化影響明顯。浮游生物群落受梯級(jí)開(kāi)發(fā)作用影響，將由現(xiàn)有的河流型轉(zhuǎn)變成水庫(kù)性，河流將由自然段轉(zhuǎn)化為水庫(kù)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(yǔ)

本文基于生態(tài)學(xué)及生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系。并運(yùn)用該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)典型河流梯級(jí)開(kāi)發(fā)下河流健康評(píng)價(jià)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(kù)梯級(jí)開(kāi)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(kù)梯級(jí)開(kāi)發(fā)作用顯著，并表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，且極小比表現(xiàn)出一定的增大趨勢(shì)；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(zhǎng)的趨勢(shì)；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(jí)開(kāi)發(fā)使得物種a的活動(dòng)空間范圍不斷被大壩阻隔和壓縮，梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)a的不利作用所占比重較大，并且a物種的生長(zhǎng)繁殖受水溫變化影響明顯。

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