辽宁省典型大型河流综合萎缩度定量及演变趋势分析

王 淳

( 辽宁河库管服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110003)

由于频繁和剧烈的人类活动使得我国流域内出现严重的水土流失，急剧增加了流域的用水量[1]。江河流域来水量出现不同程度锐减，河流污水排放量超标，河流、湖泊萎缩淤积严重，一些地区出现严重的河流水生态问题，对流域经济和水生态安全产生不同程度的影响，河流功能衰退现象较为严重[2]。据统计我国有包括辽河在内的多达90多条河流曾出现过断流的情况[3]。河流功能衰退主要通过河道形态特征、水文特征、水生态特征进行综合表述[4]。这其中河道形态指标主要为河道过水能力横向和纵向演变的评估，水文特征主要对河道径流量变化的评估，而水生态指标表示为水质、水生生物的变化特征评估[5]。近些年来，对于河道萎缩度的分析取得一定研究成果，这些成果大都围绕河道形态[6- 8]、水文特征[9- 12]、水生态特征[13]进行研究，但采用的指标单一，未能针对河道萎缩度综合河道形态、水文、水生态特征进行分析，存在不足。为此本文从河道形态、水文、水生态特征建立河流萎缩度综合评估指标，以辽宁地区典型大型河流为评估对象进行综合萎缩度分析。研究成果对于辽宁省大型河流保护以及其他地区河流萎缩度综合分析方法具有重要的参考及借鉴价值。

1 河流综合萎缩度评估方法

1.1 评估指标

为对河道萎缩度进行综合评估，从全面反映河流特征形态中选取具有代表性的评价因子，此外综合考虑指标确定的难易程度，确定综合评估指标，见表1。

表1 河道萎缩度综合评估指标

1.2 评估方法

主要采用模糊数学模型对河流综合萎缩度进行评估，模型将河流综合萎缩度表征为统计变量xi，假定xi在[ai，bi]进行取值。则其在天然对比期统计变量为xi，0，要素统计量xt，0为t时段的统计变量。若该统计变量降低则表示河流出现萎缩，综合萎缩度计算方程为：

(1)

若该指标增加，则表示河流呈现发育状态，其综合萎缩度计算方程为：

(2)

在上述方程中时段t的第i个指标的综合萎缩度为Di，t，第i指标的取值范围在[ai，bi]之间，i=1，2，……n。当计算的Di，t小于0时，则表示为河流出现萎缩，当Di，t计算值大于0时，则表示为河流未出现萎缩状况。为对河流萎缩度进行综合评估，本文对河流的不同指标要素进行组合，则时段t的组合评估指为：

(3)

结合方程(1)、(2)对时段t内的第i个指标的综合萎缩度Di，t进行计算，则时段t内的综合萎缩度Di方程为：

(4)

方程中综合萎缩度不同指标权重为ωi。本文对不同指标权重主要采用二元比较法进行确定。二元比较法各指标相对权重见表2。

表2 二元比较法各指标相对权重

为对河流萎缩度进行定量综合评估，需要对不同程度萎缩度Di进行等级划分，本文结合相关研究成果[14- 15]，对河流萎缩度等级进行划分，见表3。

表3 萎缩度评估等级划分标准

1.3 计算步骤

(1)首选对各河段评估指标数据进行收集，并确定河道形态、水文特征、水生态特征指标的阈值范围。

(2)采用综合萎缩度计算方程对不同指标的改变度进行定量测算。

(3)采用重要性语气算子对河道形态、水文、水生态3个类别指标权重进行设定，并对不同类别萎缩度进行综合值计算。

(4)对河道形态、水文、水生态3类指标采用重要性语气算子进行综合权重的确定，对不同河道综合萎缩度进行计算。

2 河流萎缩度综合评估

2.1 评估河段

选取辽河、浑河、太子河、大凌河、爱河作为辽宁省典型大型河流进行河流萎缩度的综合评估，评估河段及数据概况见表4。

表4 研究河段及资料情况

2.2 水文要素评估结果

以1990年作为标准时段，认为1990年以前辽宁省各典型河流处于天然状况，分别对1990年以后到2017年期间以每10年作为一个标准计算时段，结合各研究站点水文数据，对其水文特征的萎缩度进行分析，结果见表5。

表5 水文特征指标萎缩度评估结果

2.3 河流形态要素评估结果

结合各河段选取站点的河道形态要素指标对河道形态指标萎缩度进行综合评估，结果见表6。

表6 河道形态指标萎缩度评估结果

2.4 水生态要素评估结果

从表7看出，辽河福德店—石佛寺水库河段以及石佛寺水库以下河道在1990—2010年河流水生态萎缩度较高，主要是因为这一段时期水生生物多样指数较低，水质指标中氨氮指数较高，使得这阶段辽河水生态萎缩度较高，而进入2011年后随着水生物调查指数增多，辽河总体处于中度萎缩状况。而在辽河石佛寺水库以下河段水生态萎缩度总体在中度～高度萎缩之间变化。浑河上中下游三个河段水生态萎缩度总体变化较为相似，在1990—2010年期间均属于中度萎缩，而在2011—2017年浑河上游达到高度萎缩，这主要是因为水生生物种类的减少，而中下游属于中度萎缩，主要是受河段氨氮水质指标影响。太子河葠窝水库以下河段相比于基准期1990年以前，1990—2000年及2000—2010年两个阶段水生态均处于低度萎缩，而进入2011年以后，随着太子河水质指标影响，使得水生态生物多样性指数明显减少，使得太子河葠窝水库以下河段水生态达到高度萎缩的状况。大凌河中下游由于人类活动的综合影响，相比于基准期水生态萎缩度有所降低，但是下游河段在2011—2017年萎缩度较高。爱河由于水量较大，水质总体较好，因此相比于基准期，其水生态萎缩度变化较为稳定，总体在低度萎缩状况。

表7 河道水生态指标萎缩度评估结果

2.5 综合萎缩度评估结果

在水文、河道形态、水生态河流萎缩度计算的基础上，对各指标进行权重的归一化处理，以上三个要素的权重归一化值为ω=[0.243 0.568 0.189]T，结合公式(4)对河流综合萎缩度进行计算，并采用表3对综合萎缩度进行评估，结果见表8。

表8 河流综合萎缩度评估结果

本文提出的河流综合萎缩度均相对于基准期1990年进行的对比，从分析结果可看出，各河流相比于1990年基准期均处于萎缩状况，其中2011—2017年以后各河流萎缩度相比于1990—2010年略高，辽河以及大凌河受到水文特征的影响萎缩度最大，浑河和爱河的萎缩度在各典型河流中最小。浑河相对比标准期1990年以前，由于大伙房水库建设期较早，使得其萎缩度明显低于中北部地区的大型河流。辽河从2011年以后受到人类活动和气候变化的综合影响，其综合萎缩度在-0.827～-0.925之间，属于高度萎缩，其相比于基准期萎缩度增加较为明显，因此对于辽河的综合治理势在必行。浑河上中下游三个河段从1990年开始萎缩度总体变化较为稳定，这主要是因为浑河从1990年河道水文、形态以及水生态变化总体较为稳定。太子河葠窝水库以下河段综合萎缩度从2000年的中度萎缩发展到2010年的高度萎缩，主要是受到水库以下河段水质变化的影响，尤其是氨氮指数的增加使得其水生态萎缩度达到高度等级。大凌河中、下游由于近些年来，尤其是2010年以后生态治理修复，使得从2011年以后综合萎缩度总体可达到低度状况。爱河相比于基准期从低度萎缩到中度萎缩，中度萎缩变化的主导因素为主槽过水能力的变化。

3 河流萎缩度趋势分析

通过对1990—2017年逐年综合萎缩度进行定量分析，结合Spearman秩次相关检验对不同时间段的河流萎缩度进行趋势分析，结果见表9。

表9 各典型河流不同时间段萎缩度趋势分析结果

趋势检验值为正表示具有上升趋势，为负则表示为下降趋势，当检验值的绝对值高于0.5表示趋势检验水平可达到95%检验水平，具有显著变化趋势。从趋势分析结果可看出，辽河福德店—石佛寺水库河段以及石佛寺水库以下两个河段的综合萎缩度均为上升变化趋势，且从2000年开始综合萎缩度具有显著上升趋势，分析其因素在于辽河2000年以来径流量锐减，且河流泥沙量淤积逐年增多，使得辽河同一特征水位下的主槽过水能力下降明显，此外由于水质变化影响，辽河水生生物调查数量从2010年以后下降十分明显，辽河各河段在2011年以后的综合萎缩度达到高度等级，且各时间段的萎缩度变化趋势均为上升变化，尤其是进入2011年以后上升趋势十分明显。

浑河上、中、下游河段综合萎缩度变化趋势有所差异，其中上游均处于上升变化趋势，上游上升变化主要受水文特征影响。而对于中游而言，1990—2000年处于下降趋势，而从2000年以后均处于上升变化，上升主要因为河槽过水能力的降低。浑河下游从1990—2010年综合萎缩度变化趋势均呈现下降变化，其下降主要原因在于大伙房水库修建后，降低了下游河道泥沙淤积量，扩大了同一水位下的主河槽过水能力，使得其综合萎缩度总体呈现下降变化，而进入2011年以后由于径流量的锐减，使得浑河下游综合萎缩度变化趋势总体上升，其具有较为明显的上升变化。

太子河葠窝水库以下河段萎缩度总体呈现上升变化，这主要是因为葠窝水库修建后，下游河道内水文特征和河道形态指标的萎缩使得其综合萎缩度呈现上升变化。

大凌河中下游综合萎缩度整体呈现下降变化趋势，尤其是进入2011年后由于大凌河加大了流域综合治理，综合萎缩度总体呈现下降变化。

爱河由于河道水文特征变化的影响，使得其综合萎缩度总体呈现上升变化，但变化的趋势性程度不明显。

4 结论

(1)辽河萎缩度变化的主导因素为径流量减少以及泥沙淤积量的增多，从而使得其河槽过水能力降低明显，因此要改善辽河综合萎缩度，需要扩大其主槽过水能力并减少河道内的泥沙淤积量，此外还要重点控制进入辽河的氨氮污染物。

(2)浑河受大伙房水库影响萎缩度总体变化较为稳定，对于浑河流域治理而言，建议加宽浑河主要断面过水面积，并加大大伙房水库下游水量的供给。

(3)随着葠窝水库除险加固工程的建成，太子河葠窝水库以下河段水量和泥沙淤积量将会得到明显改善，大凌河流域通过2010年以来综合治理萎缩度得到明显改善，建议加大对河流水生生物的保护。