基于模糊數(shù)學(xué)模型的大型河流萎縮度定量分析

吳 振

(北鎮(zhèn)市水利發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 北鎮(zhèn) 121300)

0 引 言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展各行業(yè)用水量急劇增大，我國(guó)典型江河江湖均出現(xiàn)一定的來(lái)水量銳減情況，加之河湖枯萎淤積、污水超標(biāo)排放等局部地區(qū)的水生態(tài)問(wèn)題日趨突出，對(duì)流域水生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展構(gòu)成潛在威脅，河流生態(tài)服務(wù)功能退化逐漸引起廣大學(xué)者的關(guān)注[1-2]。調(diào)查顯示，我國(guó)曾出現(xiàn)過(guò)斷流的大型河流多達(dá)90余條，水生態(tài)功能衰退的主要表現(xiàn)特征有水生態(tài)、水文、河流形態(tài)的改變[3]。其中，水生態(tài)體現(xiàn)在水生生物、水質(zhì)變化方面，水文特征主要體現(xiàn)在徑流量變化方面，河流形態(tài)主要體現(xiàn)在縱向和橫向過(guò)流能力的演變。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者緊緊圍繞水生態(tài)特征、水文特征、河流形態(tài)等研究探討河道萎縮度，但選用的指標(biāo)比較單一，未能綜合考慮水生態(tài)、水文、河流形態(tài)分析河道萎縮度，現(xiàn)階段尚存在一些不足[4-6]。鑒于此，文章從水生態(tài)、水文、河流形態(tài)的角度系統(tǒng)選擇評(píng)估指標(biāo)，并定量分析了遼寧地區(qū)典型河流的萎縮度現(xiàn)狀及其變化趨勢(shì)，對(duì)其他地區(qū)河流萎縮度分析及河流生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供了一定的借鑒。

1 模糊數(shù)學(xué)模型

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了綜合評(píng)價(jià)大型河流萎縮度，遵循數(shù)據(jù)可獲取性、計(jì)算簡(jiǎn)便性、代表性等原則，選擇能夠全面反映水生態(tài)、水文、河流形態(tài)特征的9項(xiàng)評(píng)價(jià)因子，如表1所示。

表1 河流萎縮度評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.2 分析方法

針對(duì)河流綜合萎縮度主要利用模糊數(shù)學(xué)模型評(píng)估，以統(tǒng)計(jì)變量xi表征綜合萎縮度，其取值區(qū)間為[ai，bi]，則t時(shí)段的統(tǒng)計(jì)變量和天然對(duì)比期的要素統(tǒng)計(jì)量為xt,0、xi,0。若河流出現(xiàn)萎縮表示成該統(tǒng)計(jì)變量的降低，則利用以下計(jì)算方程確定綜合萎縮度：

(1)

若河流呈發(fā)育狀態(tài)表示成該統(tǒng)計(jì)變量的增大，則利用以下計(jì)算方程確定綜合萎縮度：

(2)

式中：Di,t為評(píng)價(jià)因子i在時(shí)段t的綜合萎縮度，其中指標(biāo)i的取值區(qū)間為[ai,bi]，i=1，2，……，n。按照計(jì)算結(jié)果，若Di,t<0則代表河流出現(xiàn)了萎縮，若Di,t>0則代表河流呈發(fā)育狀態(tài)。為了綜合評(píng)估河流的萎縮度，有必要組合多項(xiàng)評(píng)價(jià)因子，以此確定t時(shí)段的指標(biāo)組合為：

Xt=[x1,t,x2,t,…,xn,t]T

(3)

評(píng)價(jià)因子i在時(shí)段t內(nèi)的綜合萎縮度Di,t利用公式(1)、(2)確定，然后依據(jù)計(jì)算結(jié)果按照以下方程計(jì)算時(shí)段t內(nèi)所有參評(píng)因子的綜合萎縮度Di：

(4)

式中：ωi為單一評(píng)價(jià)因子綜合萎縮度Di,t的權(quán)重，文中利用二元比較法確定相應(yīng)的權(quán)重值，二元比較準(zhǔn)則如表2所示。

表2 權(quán)重二元比較準(zhǔn)則

為了能夠綜合定量評(píng)估河流萎縮度，結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)資料將綜合萎縮度Di劃分成多個(gè)等級(jí)，劃分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 萎縮度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表3 萎縮度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.3 計(jì)算流程

步驟1：全面收集整理各河段參評(píng)因子數(shù)據(jù)，并確定水生態(tài)、水文、河流形態(tài)特征指標(biāo)的取值區(qū)間。

步驟2：對(duì)各項(xiàng)參評(píng)因子的改變度利用綜合萎縮度計(jì)算公式定量測(cè)算，對(duì)水生態(tài)、水文、河流形態(tài)所包含的所有因子權(quán)重運(yùn)用重要性語(yǔ)氣算子合理設(shè)定，并綜合計(jì)算各個(gè)類別的萎縮度[7-9]。

步驟3：采用重要性語(yǔ)氣算子合理設(shè)定水生態(tài)、水文、河流形態(tài)這3個(gè)因子的綜合權(quán)重，在此基礎(chǔ)上計(jì)算各河流的綜合萎縮度。

2 河流萎縮度定量分析

2.1 河流的選擇

大型河流萎縮度綜合評(píng)估對(duì)象選取繞陽(yáng)河、英那河、柳河、六股河、大凌河，數(shù)據(jù)信息以及評(píng)估河段概況如表4所示。

表4 數(shù)據(jù)信息與概況

2.2 水文要素分析

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)段為1990年，即各河流在1990年前處于天然狀態(tài)，依據(jù)各站點(diǎn)水文數(shù)據(jù)，以每10年作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算時(shí)段分別對(duì)1990-2020年期間的水文特征萎縮度進(jìn)行計(jì)算，如表5所示。

表5 水文特征萎縮度評(píng)估值

從表5可以看出，從1990年起宮山咀水庫(kù)以下河段以及南哨鎮(zhèn)-宮山咀水庫(kù)的水文特征萎縮度處于-0.528--0.485之間，總體處于“中等萎縮”等級(jí)，這可能與該時(shí)段主河槽徑流量減少有關(guān)。六股河上、中、下游段水文特征萎縮度總體處于“中度-高度萎縮”狀況，這可能與六股河洪峰量和徑流量在2010年后明顯少于1990年有關(guān)，特別是洪峰值同級(jí)洪量下遞減程度達(dá)到20%。柳河段因徑流量銳減，1990-2000年處于“中度萎縮”等級(jí)，隨著2010年后徑流量的逐漸增大總體達(dá)到“低度萎縮”狀態(tài)。柳河中上游段也是因徑流量減少，2010年后達(dá)到“中度萎縮”等級(jí)。繞陽(yáng)河因上游來(lái)水量減少，1990年以后總體達(dá)到“中度-低度萎縮”狀態(tài)。

2.3 河流形態(tài)要素分析

依據(jù)各站點(diǎn)監(jiān)測(cè)的河流形態(tài)數(shù)據(jù)，以每10a作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算時(shí)段分別對(duì)1990-2020年期間的河流形態(tài)指標(biāo)萎縮度進(jìn)行計(jì)算，如表6所示。

河流形態(tài)指標(biāo)萎縮度計(jì)算過(guò)程與水文特征指標(biāo)基本一致，合理設(shè)定指標(biāo)權(quán)重時(shí)，主槽過(guò)水能力低于河道主槽權(quán)重，河流形態(tài)指標(biāo)權(quán)重值為ω=[0.475 0.206 0.319]T，最后依據(jù)權(quán)重值ω和萎縮度評(píng)估矩陣DI,t，即可確定錦州斷面2010-2020年河流形態(tài)特征指標(biāo)相比于1990基準(zhǔn)年的萎縮度為-0.662，按照等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)處于“高度萎縮”。

表6 河流形態(tài)指標(biāo)萎縮度評(píng)估值

從表6可以看出，大凌河總體處于“中度-高度萎縮”等級(jí)，特別是2011年后宮山咀水庫(kù)以下河道以及南哨鎮(zhèn)-宮山咀水庫(kù)河段均達(dá)到“高度萎縮”，這是由于2011年后大凌河來(lái)水量不斷減少而河床泥沙淤積增多，從而導(dǎo)致河道主槽過(guò)水能力在同一特征水位下明顯減弱，河流形態(tài)特征為“高度萎縮”。六股河上、中、下游河段，其中游達(dá)到“高度萎縮”水平，主要受大伙房水庫(kù)修建后河道水量不斷減少，主槽過(guò)水能力明顯下降。受人類活動(dòng)影響六股河上游主槽過(guò)水能力減弱，相對(duì)于基準(zhǔn)期總體達(dá)到“中度萎縮”狀態(tài)，六股河下游的主槽過(guò)水能力變化不大，所以達(dá)到“低度萎縮”。柳河鬧德海水庫(kù)以下河段均處于“低度萎縮”水平。英那河上、中游河段形態(tài)特征萎縮度處于-0.001--0.445范圍，即屬于“低度-中度萎縮”之間。繞陽(yáng)河的形態(tài)特征萎縮度較低，總體處于“低度萎縮”狀況，這是由于該河流沖淤變化較小、含沙量較少且來(lái)水量較大，所以其河流形態(tài)變化相對(duì)較低。

2.4 水生態(tài)要素分析

根據(jù)河流形態(tài)、水文特征指標(biāo)萎縮度計(jì)算結(jié)果，以每10a作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算時(shí)段分別對(duì)1990-2020年期間的水生態(tài)指標(biāo)萎縮度進(jìn)行計(jì)算，如表7所示。

考慮到河流水生態(tài)特征主要受生物多樣性指標(biāo)的影響，所以設(shè)定的水生物指標(biāo)權(quán)重較高，經(jīng)歸一化處理確定水生態(tài)指標(biāo)權(quán)重為ω=[0.287 0.287 0.426]T，然后依據(jù)權(quán)重值ω和萎縮度評(píng)估矩陣DI,t，即可確定錦州斷面2010-2020年水生態(tài)特征指標(biāo)相比于1990基準(zhǔn)年的萎縮度為-0.436，按照等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)處于“中度萎縮”。

表7 水生態(tài)指標(biāo)萎縮度評(píng)估值

從分析結(jié)果可看出，在1990-2010年宮山咀水庫(kù)以下河道以及南哨鎮(zhèn)-宮山咀水庫(kù)河段的水生態(tài)萎縮度較高，這可能與該時(shí)段水質(zhì)指標(biāo)中氨氮指數(shù)較高、水生物種多樣性指數(shù)下降等因素有關(guān)，隨著2011年后水生生物多樣性的增多，逐漸恢復(fù)至“中度萎縮”水平，而宮山咀水庫(kù)以下河段總體處于“中度-高度萎縮”狀況。六股河上、中、下游各河段變化基本相同，1990-2010年的水生態(tài)特征處于“中度萎縮”狀態(tài)，2011-2020年由于上游段水生物種的減少而處于“高度萎縮”水平，中下游段受氨氮水質(zhì)指標(biāo)影響較大而處于“中度萎縮”等級(jí)。柳河鬧德海水庫(kù)以下河段于2000-2010年、1990-2000年兩個(gè)時(shí)段均達(dá)到“低度萎縮”狀態(tài)，2011年以后受水質(zhì)指標(biāo)影響，水生物鐘多樣性顯著下降，所以該時(shí)期處于“高度萎縮”水平。受人類活動(dòng)影響英那河中下游水生態(tài)萎縮度略有下降，但2011-2020年下游河段的萎縮度較大。由于水質(zhì)較好、來(lái)水量總體較大，繞陽(yáng)河水生態(tài)萎縮度相比于基準(zhǔn)期變化較小，整體處于“低度萎縮”水平。

2.5 綜合萎縮度評(píng)價(jià)

依據(jù)水生態(tài)、河流形態(tài)、水文特征萎縮度計(jì)算結(jié)果，經(jīng)歸一化處理確定各指標(biāo)權(quán)重為ω=[0.245 0.568 0.187]T，利用公式(4)和表3綜合評(píng)估各河流的綜合萎縮度，如表8所示。

依據(jù)分析結(jié)果可知，各河流均處于不同程度的萎縮狀態(tài)，與1990-2010年相比2011-2020年以后的萎縮度均有所提高，水文特征對(duì)英那河以及大凌河的綜合萎縮度影響最大，在各典型河流中繞陽(yáng)河、六股河的萎縮度最小。因大伙房水庫(kù)建設(shè)時(shí)期較早所以其萎縮度明顯低于其它河流。2011年后，大凌河受氣候變化和人類活動(dòng)的綜合影響，其綜合萎縮度處于-0.918--0.861之間達(dá)到高度萎縮等級(jí)，與1990年以前相比萎縮度明顯增加，所以必須加強(qiáng)對(duì)大凌河的治理。從1990年，六股河上、中、下有各河段萎縮度變化相對(duì)問(wèn)題，這與六股河的水生態(tài)、河流形態(tài)、水文特征變化較穩(wěn)定有關(guān)。柳河鬧德海水庫(kù)以下河段從2000年的“中度萎縮”快速增加至2010年的“高度萎縮”，這與水庫(kù)以下河段氨氮指數(shù)增加、水質(zhì)明顯變化等直接相關(guān)。近年來(lái)，英那河中、下游建設(shè)實(shí)施了一系列生態(tài)修復(fù)工程，故2011年后萎縮度處于低度水平。繞陽(yáng)河綜合萎縮度從低度增加至中度，這與河道主槽過(guò)流能力變化等因素有關(guān)。

表8 河流綜合萎縮度評(píng)估值

2.6 未來(lái)變化趨勢(shì)

在定量分析1990-2010年各大型河流綜合萎縮度的基礎(chǔ)上，對(duì)河流萎縮度變化趨勢(shì)利用Spear man秩次開(kāi)展相關(guān)檢驗(yàn)，如表9所示。

表9 河流萎縮度變化趨勢(shì)評(píng)估值

由表9可知，宮山咀水庫(kù)以及南哨鎮(zhèn)-宮山咀水庫(kù)河段的綜合萎縮度均表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，并且2000年后上升趨勢(shì)更加顯著，其主要原因在于2000年以后河流泥沙淤積量不斷增多而徑流量銳減，加之受水質(zhì)變化影響水生生物多樣性明顯下降，主槽過(guò)水能力在同一特征水位下明顯減少，所以2011年后綜合萎縮度呈上升變化趨勢(shì)。

六股河上、中、下有段的綜合萎縮度變化存在一定差異，上游受水文特征影響呈上升變化趨勢(shì)，中游呈1990-2000年下降而2000年以后上升的變化趨勢(shì)，下游1990-2010年呈下降而2011年后呈上升趨勢(shì)。其中，中游2000年以后上升主要與河槽過(guò)流能力減弱有關(guān)，下游1990-2000年下降主要與大伙房水庫(kù)建成后增大了主槽過(guò)流能力、減少了泥沙淤積量有關(guān)，下游2011年后上升與徑流量銳減有關(guān)[10-12]。

由于水文特征的變化，繞陽(yáng)河的綜合萎縮度表現(xiàn)出上升的變化趨勢(shì)，但總體的趨勢(shì)性變化不顯著。

3 結(jié) 論

1)泥沙淤積量增多以及徑流量減少為為大凌河萎縮度變化的主導(dǎo)因素，大大降低了河槽過(guò)水能力。所以，為改善大凌河綜合萎縮度就要減少泥沙淤積量并擴(kuò)大主槽過(guò)水能力，同時(shí)加強(qiáng)氨氮污染物入河控制。

2)受大伙房水庫(kù)影響六股河的綜合萎縮度變化相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)于大凌河流域建議增大大伙房水庫(kù)向下游供給量，加寬斷面過(guò)水面積。

3)鬧德海水庫(kù)加固整治工程的實(shí)施，將明顯改善下游河段泥沙淤積量和水量，近些年實(shí)施一系列生態(tài)治理項(xiàng)目大大改善了英那河流域綜合萎縮度，對(duì)此還要加強(qiáng)保護(hù)水生物種，維持流域物種多樣性。