基于人类活动影响的大凌河流域河流演变趋势研究

张立明

（辽宁省葫芦岛水文局，辽宁 葫芦岛 125000）

基于人类活动影响的大凌河流域河流演变趋势研究

张立明

（辽宁省葫芦岛水文局，辽宁 葫芦岛 125000）

受人类活动和自然环境因素影响，河流形态、水文和水生态等方面正逐渐发生变化。对河流演变规律进行分析，探索河流的演变理论及成因，把握河流演变状态，有利于管理者对河流的保护与治理。文章以辽宁省大凌河为例，首先采用河流形态、水文和水生态作为河流演变的驱动指标；然后以代表水文站的驱动指标为基础，统计分析驱动指标的多年变化过程；最后采用模糊数学理论建立河流改变度评价模型，依次对河流形态、水文、水生态以及综合演变进行评价与分析。研究结果显示在大凌河流域的河流演变主要受河流水文特征的影响，研究成果为河流生态保护、水利工程规划与运行均具有重要的理论意义和实用价值。

河流演变；综合评价；模糊理论；人类活动；定量分析

随着人类活动和气候变化对河流自然功能的影响，河流天然来水量减少，泥沙向下游输送能力降低，河道出现持续淤积，过水断面缩小，河道泄水能力降低等系列问题，从而导致河道逐渐萎缩，河道形态、径流以及生态功能都发生不同程度的变化。部分受人类活动影响严重的河流，其生态功能已出现严重问题。河流受自然环境变化，河流形态、径流和生态环境均出现较大变化，该部分变化直接体现在河流的地质功能、水文功能和生态功能。

目前在河流形态演变研究方面，较为行之有效的方式是集合河道形态数据进行相关分析。1974年Engelund［1］采用经验弯道河床地形来分析二次流对河道形态的影响，模型较为粗糙。1981年Ikeda等［2］具有开创性的在小波幅河湾条件下通过求解偏微分方程得到河道形态运动特征。在此基础上，利用水流移床原理以及河道动力学概念的河道形态演变建模思想得到了快速发展［3-5］。在河流水文演变研究中，气候变化对河流水文功能演变影响，已成为国内外学者的研究热点，而基于SWAT模型或者改进的分布式水文模型已有较多研究［6］，并且已取得一定的研究成果，但是已有方法都是通过设定不同气候变化模式情景，运用水文模型来预测河流水文特征演变，而没有对历史水文功能演变进行定量分析［7-8］。对于河流生态功能的影响，一方面来自于自然因素，另一方面更多的是人类活动的影响。Tibby等［9］分析了澳大利亚三个湖泊15年的水质监测数据，发现气候变化和不同盐度的湖泊的水质之间有强烈的关系。河流上修筑水坝，导致库区水生和漫滩栖息地淹没，坝下渠道切割、水生动物栖息地沉积增加和河流筑堤部分漫滩破碎化［10］。王新华等［11］利用TM图像的解译数据分析了黑河流域土地利用变化，发现水域面积大幅减少导致水资源短缺、土地退化和风沙危害，最终造成巨大的生态价值损失。肖建红等［12］以澜沧江为例探讨了水电开发对河流生态功能的影响，指出水电站减弱了河流输沙和维持生物多样性服务功能减，对河流生态功能起负面影响。

受自然环境和人类活动因素影响，河流流域生态环境逐步恶化，对河流演变规律进行分析，探索河流的演变理论，有利于河流管理者深入掌握河流状态，对河流生态保护与治理提供信息和理论支撑。本文以辽宁省大凌河为例，首先选择河流形态、水文和水生态作为河流演变的驱动指标；然后以代表水文站的驱动指标为基础，统计分析驱动指标的多年变化过程；最后采用模糊数学理论建立河流改变度评价模型，并分别对河流形态、水文、水生态以及综合演变进行了评价与分析。

1 河流演变综合评价模型

河流是自然界与人类交互作用的重要场所，具有生态和社会经济的双重属性。河流作为一个复杂的系统，对河流诸多特征进行综合研究，将河流由一个“状态”转移到另一个“状态”的过程评价，即河流演变评价。目前，用以表征河流状态的指标通常有3方面，如图1所示。一为河道形态要素，即河道横断面、纵断面、过水能力等基本物理特性；二是河流的水文要素，即水量（如径流量）、极端水文事件（如洪水、断流），水沙（如输沙量）等；三是河流的水生态特征，即水质条件（如高锰酸盐、氨氮、溶解氧）、水生生物（如鱼类、底栖动物、浮游动物）等。因此，本文从河流形态结构、水文、水生态3方面出发，采用模糊数学理论建立河流改变度评价模型，对河流的演变情况进行综合分析。

图1 河流系统概化图

1.1 模糊评价模型建立

河流要素与否“演变”，及“演变”程度均无明确范围界定，是一个模糊概念［13-14］， 因此采用模糊数学理论建立“要素改变度”的概念，依此改变度来定量评价河流的演变程度。设：具有表征河流演变程度的要素统计量为 xi，，其取值范围为［ai，bi］。若其在本底时段（天然时段，被比较时段）t0的统计量为 xi，0， 时段 t的要素统计量为 xt，0， 如图2所示。若该指标降低时，河流萎缩，增加时河流发育，则其改变度可表达为公式（1）；若该指标降低时，河流发育，增加时河流萎缩，则其改变度可表达为公式（2）。

图2 要素改变度

式中，ωi-要素 i改变度在整体改变程度中的权重。研究采用二元比较法确定不同要素的权重。

为了对河流改变程度进行定性、定量综合评价，需对不同Dt对应的等级进行界定，本文采用7个等级的改变度进行评价，即高度萎缩（-1≤D＜-0.67）、中度萎缩（-0.67≤D＜-0.33）、低度萎缩（-0.33≤D＜-0.10）、基本稳定（-0.10≤D≤0.10）、 低度发育（0.10＜D≤0.33）、中度发育（0.33＜D≤0.67）和高度发育（0.67＜D≤1）。

1.2 评价指标体系构建

为综合反映河流演变特征，研究中依据以下原则确定河流演变评价指标，构建河流演变综合评价指标体系。确定指标的原则如下：（1）全面性：所选指标应全面反映河流特征；（2）代表性：所选指标应为可表征河流特征的指标中，最具代表性的因子；（3）资料易获取；（4）简单实用，易推广，可为水资源管理、河流治理提供依据。确定的河流演变评价指标体系见表1。

式中，Di，t-要素i时段t的改变度，i=1，2，…，n；ai，bi-要素 i取值范围的最大、最小值。当Di，t为负值时，河流呈萎缩状态；为正值时，河流呈发育状态。

用于表征河流演变程度的要素是多方面的，如河道物理形态、水文、水生态等。为整体反映河流演变程度，需引入综合改变度概念。设某一个河段的演变特征由n项要素的统计量构成，则t时段河段特征可用矩阵表示，如公式（3）所示。按公式（1）或（2）计算指标 i时段 t的改变度 Di，t， 则河流在时段t的综合改变度可通过公式（4）进行计算。

表1 河流演变评价指标

2 研究实例

2.1 流域概况

大凌河是辽宁省西部最大的河流，流域呈西东向，发源于葫芦岛市建昌县黑山北的水泉沟，流经朝阳、北票、义县、凌海等市县，如图3所示。全河长度为435km，全流域面积为23837km2。其中辽宁省内面积为20285km2，占全流域面积的85.1%，内蒙古自治区内面积为3075km2，占12.9%，河北省内面积为477km2，占2.0%。主要支流有大凌河西支河、老虎山河、第二牤牛河、凉水河子河等。大凌河流域地势由西北向东南，从山地、丘陵过渡到山前倾斜平原，至渤海西岸，呈阶梯式降低。上下游海拔相差较大，中上游的泥沙极易在下游平原地区淤积，河床抬高后极易引起河流的决口和改道。

图3 大凌河水系图

2.2 河流特征信息演变分析

2.2.1 河流形态特征演变

河床形态是河道物理结构的重要组成部分，河床形态的变化是河流变迁、消亡的直接表征，明晰河床形态演变规律及代表断面特定水位下的过流能力变化趋势，有助于更好理解河流生命理念及其演变、消亡过程。本文选择大凌河干流上游朝阳水文站为代表，选用1965年之后大断面资料分析河道形态演变规律。朝阳站大断面多年变化情况如图4所示，表现为2000、2010年河道主槽较之前右移，断面形态呈现变窄的趋势，中泓线有向左岸偏移的趋势，特别是迁站前表现较为明显。

图4 朝阳站大断面多年变化过程

针对代表断面不同年代特定水位下的过流能力进行分析，考虑到平水、枯水年建立的水位-流量关系与大水年差别较大，不宜用来分析河流过流能力，因此本文选取1962、1977、1984、1994、2012年大水年为代表年，分析大凌河流域的过流能力变化趋势。选取大凌河干流的朝阳和凌海两个代表水文站，建立代表站水位-流量关系曲线（其中Q为流量，Z为水位，Z0为断流水位）。特定水位条件下，朝阳和凌海代表站断面的过流能力如表3所示，101m为朝阳水文站观测资料中的较高水位，19.0m为凌海水文站观测资料中的较高水位。

由表2可知，朝阳、凌海站的断面行洪能力均呈现降低趋势，但朝阳站变化范围较小，对行洪能力影响不大；而下游凌海站过流能力呈现快速下降趋势，下降幅度较大，淤积比较严重。由此信息可以判断大凌河下游泥沙携带能力差，受顶托效应影响，导致河道断面淤积。

2.2.2 河流水文特征演变

河流水文功能演变主要受气候变化以及人类活动的影响，气候变化对河流水文功能的影响主要表现在以下两个方面：一方面，气候变化加速大气环流以及水循环过程，进而对整个流域水循环过程和河流水文功能进行影响。另一个方面，气候变化将会增加经济社会用水以及农业用水，使得河道内水量减少。本文选择干流朝阳和凌海站为代表，分析年径流趋势性变化特征，如图5所示。

表2 各水文站断面不同年代过流能力分析

图5 大凌河各站年均流量变化趋势性分析

统计各典型河流资料系列长，完整的代表站点年均流量系列，分析基准期（1979年前）、1980～2000年、2001～2011年三个时段的径流统计特征。与1979年前相比，2001～2011年大凌河年流量降低70%～80%，径流量均呈下降趋势，断流天数呈增加趋势。与1960～1979年相比，大凌河2001～2011年径流下降约60%～80%。

2.2.3 河流水质特征演变

选取大城子、朝阳、凌海三个水质站，其中大城子、朝阳站的监测系列资料为1981～2013年，凌海站的监测系列资料为2000～2013年。大凌河各水质站年际全指标水质类别和双指标水质类别如图6所示。（1）大城子站：在80年代初至80年代中期，水质类别变化幅度较大；1988～1993年水质类别维持在劣Ⅴ类；1994～2011年在Ⅲ～劣Ⅴ类之间波动；2012年之后水质出现了明显好转的趋势，2013年水质类别达到Ⅱ类标准，氨氮、汞、挥发酚是影响大城子站水质类别的主要因子。（2）朝阳站：在2002年之前的水质类别变化趋势与大城子站基本一致，氨氮、挥发酚、汞是影响该时期朝阳站水质类别的主要因子，2002年之后朝阳站水质明显趋好，2002～2013年水质类别维持在Ⅱ类。（3）凌海站：水质类别在Ⅳ～劣Ⅴ类之间波动，挥发酚、氨氮、高锰酸盐指数是主要影响因素，接纳阜新煤矿排污的细河汇入是影响凌海站的水质类别的主要原因。

2002年以后大城子、朝阳站水质类别出现较大差别的原因来自两个方面：（1）两个水质站所处地理位置差异，大城子站位于喀左县下游，接纳了市政排污，朝阳站位于朝阳市上游，且没有支流汇入，水质受人类活动影响较小；（2）由于1999年阎王鼻子水库建成后，位于下游的朝阳站水质受到阎王鼻子水库调节的影响。

2.3 河流演变评价

2.3.1 评价指标及阈值

河道形态演变包括横向、纵向演变等多方面内容，研究采用特定水位下过水面积、断面最低点高程、特定水位下河道过水能力来表征河道形态的变化特点。河道水文特性包括径流、泥沙、洪水3项内容，分别采用年均流量、年输沙量、年最大洪峰流量表征；采用高锰酸盐指数、氨氮含量及鱼类物种数作为表征水质的指标。本文基准期选择为1979年前，大凌河河道形态、水文和水质的指标及阈值，见表3。

图6 大凌河各水质站水质年际变化趋势

表3 大凌河河道形态、水文及生态指标及阈值

表征河道形态的三个指标（过水断面面积、最低点高程、过流能力）存在指标上下限阈值难于确定的问题。研究中综合专家经验及辽宁省实际特征，过水断面面积及过流能力最小值取为0，最大值取为3倍被比年份统计值；最低点高程最小、最大值取观测系列中的最小/最大值。将年均流量、年最大洪峰流量、年输沙量以观测系列中的最大、最小值作为指标上下限阈值。高锰酸盐指数及氨氮参照河湖健康评价标准取Ⅰ类水及V类水指标阈值作为最小、最大值；鱼类物种数最小值取为0，考虑到调查河段的鱼类物种数均呈减少趋势，最大值设为河段1980年之前的鱼类物种数。

2.3.2 河流演变综合评价

以1979年前时期作为基准期，分别计算1980～2011年、1980～2000年、2001～2011年各河段的河道形态、水文、水生态的改变度。研究中采用二元比较法确定权重，认为主槽过水能力较主槽过水面积略微重要，较河道最低点高程明显重要，则过水断面面积、最低点高程和过流能力的权重分别为：0.318、0.205和0.447；认为径流相较洪水略微重要，较泥沙明显重要，得到归一化指标权重分别为：0.447、0.205和0.318；认为水生物种指标（鱼类物种数）较水化学指标（高锰酸盐指数、氨氮）略微重要，得到高锰酸盐指数、氨氮和鱼类物种数的指标权重分别为：0.286、0.286和0.428。根据公式（3）和公式（4）可计算得到各评价要素的改变度，如表4所示。

表4 水文要素改变度

与基准期相比，大凌河干流1980～2011年河道形态改变度在-0.21～-0.07之间，中游基本稳定，下游低度萎缩。其中，1980～2000年改变度在-0.23～-0.03之间，中游基本稳定，下游低度萎缩；2001～2011年改变度在-0.18～-0.14之间，为低度萎缩。

大凌河1980～2011年水文要素改变度在 -0.64～-0.65之间，为中度萎缩。其中1980～2000年水文要素改变度在-0.53～-0.49之间，属中度萎缩，2001～2011年改变度在 -0.93～-0.86之间，为高度萎缩。

大凌河干流1980～2011年水生态改变度在-0.40～-0.01之间，中游低度萎缩，下游中度萎缩。其中，1980～2000年改变度在-0.40～-0.05之间，中游基本稳定，下游中度萎缩；2001～2011年改变度在 -0.42～0.11之间，中游低度发育，下游中度萎缩。

与基准期相比，大凌河1980～2011年河流综合改变度在 -0.49～-0.38之间，为中度萎缩。其中，1980～2000年改变度在 -0.42～-0.31之间，中游（阎王鼻子水库 ～白石水库）低度萎缩，下游（白石水库以下）中度萎缩；2001～2011年在-0.65～-0.50之间，均为中度萎缩。

3 结语

本文以模糊数学理论为基础，采用河道形态、水文、水生态等多因素多指标，建立综合改变度评价模型，对辽宁省大凌河流域的河流演变情况进行定量分析和评价。

随着辽西北地区的经济发展，大凌河流域从建国初人均GDP只有0.14万元增加到2011年的2.8万元，地表水开发利用率在辽宁省位居前列，2011年达到33.5%，由此可见人类活动和下垫面改变，使大凌河的径流呈明显减少趋势。大凌河1980年前水质类别为Ⅲ类，大城子站、朝阳站1980年到2000年水质类别下降为劣Ⅴ类，2000年后大城子站、朝阳站水质出现好转趋势。

整体来看，与80年代之前相比，大凌河流域1980年之后均呈现萎缩状态，其中2001～2011年萎缩程度整体略高于1980～2000年时段，水文要素为关键主导因素。

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X43

A

1672-2469（2017）10-0039-06

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.012

2017-09-07

辽宁省博士科研启动基金（20141171）

张立明（1977年-），男，高级工程师。