水力开发河流景观质量评价初探

吴文佑,彭金涛，刘湘春

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

中国水能资源理论蕴藏量占世界第一。截至2008年底，我国水电总装机容量已达1.72亿kW，约占技术可开发总量的32%[1]。然而水力开发，不可避免地会对区域景观产生影响，造成植被破坏、环境污染、地质灾害、河流生境破碎和水土流失等生态影响。尤其是引水式和混合式水电站引水发电以及堤坝式电站调峰运行将使坝下河段水文情势发生变化，在枯水季节，闸下一定距离范围内受减脱水影响尤为严重，河流景观质量也受到较大影响。如何建立合理、科学的评价指标体系对水力开发河段景观质量进行评价，确定合理的景观生态下泄流量，充分维护自然景观和人工景观系统、生态系统和社会系统的协调统一，尽量减少对自然环境的破坏，真正实现在保护生态基础上的有序开发，是急需要解决的问题。

2 河流景观质量评价概述

河流生态景观评价是一个多因子高度综合的评价体系，在具体指标选择上因各项目评价的侧重点以及河流自身特点不同而有差异，但一般都包括河流生态景观的几个最基本方面。鉴于河流景观评价的这种特点，本文采用层次分析法建立评价指标体系。

基于层次分析法的景观质量评价在国内的一些研究中亦出现过，例如，张美华采用层次分析法对黄山景观生态环境质量进行评价，其结果与客观实际十分接近[2]；四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室以专家学派的景观评价思想为依据，采用层次分析法建立了白水江河流景观质量评价体系，并用于计算河流最小生态流量[3]。但在以往的研究中所反映景观质量的指标具有一定的相对性和局限性。本课题通过对山区河流景观特点进行归纳，综合了生态功能和形式美学两方面的因素，初步建立较完善的景观质量评价体系。

景观生态系统包括景观结构和景观过程，景观质量通过构成景观的形式美学要素和生态学要素综合反映，各要素的优劣程度同景观质量优劣程度的关系是正相关的，各要素对整体景观质量的贡献强弱主要通过权重参数反映。

生态学要素主要从区域上进行考察，包括区域生态系统的完整性、多样性、稳定性和受干扰程度等方面。对于河流景观，包括水生生态与陆生生态，分别以生境条件和生物群落状况来衡量其优劣。形式要素主要从研究河段视觉景观进行考察，包括两方面，一是要素自身的色彩、质地、存在形式的品质；二是各要素处于同一布局之中的协调性。它包括人们视觉、听觉、嗅觉等感知的各种要素。本文将之归结为河流水体、河滨过渡带及河谷景观特征。水流景观具体表现为一定视野范围内河流的流动性、连贯性及良好的水色。流动性可通过流速来衡量，连贯性可通过水深及水面宽来衡量，良好的水色涉及水质、水深等，可根据透明度确定。河滨过渡带及河谷的景观包括景观类型、色彩、形式组成及其布局的协调性。景观类型包括由自然或人为活动形成的地表利用类型，主要包括植被；色彩是视野范围内景观效果的很重要因素，主要包括河滩、河岸绿化等；形式组成则主要体现为河岸及河谷的地形地貌特征，另外还包括人工建筑物；布局协调性反映在减水方面主要是湿周率的变化。

3 基于层次分析法的景观质量评价体系

3.1 评价指标体系构建

根据以上分析，从景观生态学要素及景观形式美学要素两个方面对山区水力开发河段景观特性进行分析，应用层次分析法原理，构建水力开发河段景观质量评价体系(见表1)。

3.2 指标取值标准

各要素可通过定性或定量的指标进行表征，这些指标本身的定量或定性描述与景观质量优劣程度或无相关性，针对已构建的评价指标体系，咨询相关专家意见并查阅大量文献资料，重点考虑指标反映景观质量优劣的主要方面及可划分性，根据上述指标所反映的景观优劣情况进行定量或定性描述分级，制定其取值标准，详见表2。该划分基本表示了各指标的景观效应，该效应可分为差、一般、好三个优劣程度上的等级，假设优劣程度和(1,9)范围内的取值是线性映射关系，三个等级分别在(1, 4)、[4,6)、[6, 9)区间上取值。

湿周率、流速、平均水深指标的分级取值计算见式(1)。

(1)

式中ti——各水力参数第i等级上的划分取值;

xi——对应在i等级上的水力参数值，各水力参数指标分级标准参照表2。

以上各水力参数，均可通过曼宁公式(2)，建立与河道流量之间的关系，当流量改变时，各水力参数随之改变而引起景观质量变化，从而建立景观质量与河流流量的关系。

(2)

式中Q——表述流量;

v——流速;

n——糙率;

A——表述过流断面面积；

R——水力半径；

Sf——表示水力坡度，Sf取值一般和河道比降相近。

3.3 评价指标权重的确定

根据所分析指标的特点和数据的可获取性，本研究采用层次分析法(AHP)进行指标权重的确定。运用层次分析法解决问题，大致分为4个步骤：

(1)建立层次结构模型。在深入分析所面临的问题之后，将问题中所包含的因素划分为不同层次，如目标层、准则层、指标层、方案层、措施层等，用框图形式说明层次的递阶结构与因素的从属关系，当某个层次包含的因素较多时，可将该层次进一步划分为若干子层次。

(2)构造判断矩阵。判断矩阵元素的值反映了人们对各因素相对重要性(或优劣、偏好、强度等)的认识，采用数值1～9及其倒数的标度方法。

(3)权重计算及其一致性检验。根据判断矩阵A的最大特征根λmax，有：

AW=λmaxW

(3)

表1 水力开发河段景观质量评价指标体系

表2 水力开发河段景观质量评价指标取值标准

解得W，其中W为λmax对应的特征向量。经归一化后即为同一层次相应因素对于上一层次某因素相对重要性的排序权值，这一过程称为层次单排序。为了进行层次单排序或判断矩阵的一致性检验，定义一致性指标CI：

(4)

式中n——判断矩阵A的维数。

若CI=0,可判定为完全一致。CI值愈大，判断矩阵的完全一致性愈差，一般只要求CI<0.1，认为层次单排序的结果有满意的一致性，否则需要调整判断矩阵的元素取值。

(4)层次总排序及其一致性检验。计算同一层次所有因素对于最高层(总目标)相对重要性的排序权值，称为层次总排序。这一过程是从最高层次到最低层次逐层进行的。层次总排序的一致性检验，也是从高到低逐层进行的，B层次的某些因素对于Aj单排序的一致性指标为CIj，相应的一致性随机指标为CRj，则B层次总排序随机一致性指标为：

(5)

当RI<0.10，认为层次总排序结果具有满意的一致性，否则需重新调整判断矩阵的元素取值。

据所分析指标的特点和数据的可获取性，在查阅文献的基础上结合专家咨询，采用层次分析法(AHP)确定指标权重，各指标权重分配见表3。

3.4 景观质量综合得分与评价

将以上确定的变量层景观质量评价指标取值以及与其对应的总权重加权计算得到景观质量综合评价得分，如式(6)，该得分表示所研究的某个河流断面处的景观质量评价取值，根据断面处于整个研究河段中的位置及沿河流的景观质量变化情况，可通过式(7)计算得到整个研究河段上的景观质量评价得分。根据对岷江干流与杂谷脑河上的一些已开发河段景观状况实地调查与公众评分情况，结合本文确定的景观质量评价指标体系，将景观质量综合得分划分为很差、较差、一般、较好、很好5个评价等级，以该得分划分对河流景观质量进行评价(见表4)。

(6)

(7)

式中Mi——i断面或河段某一减水状态下景观质量值；

mkst、Mkst——上述景观质量评价体系中对应指标的总权重和指标分级取值；

li——第i-1与i断面之间的间距，km；

L——研究河段的长度，km。

表3 水力开发河段景观质量评价指标体系权重分配

表4 各指标对应的景观效应等级划分

4 应用实例

杂谷脑河是岷江上游右岸的一级支流，流域面积4 632km2，干流全长168km，天然落差3 092m，平均比降18.4‰，河口处多年平均流量109m3/s。流域南、西、北三面高山环绕，西部及西北部以鹧鸪山、邛崃山与大渡河流域相邻，北面以鹧鸪山支脉与岷江支流黑水河相隔，南部以邛崃山支脉为分水岭，毗邻岷江支流草坡河、渔子溪，流域地势西高东低。该河段自上至下已建引水式电站有红叶二级电站(装机容量90MW，无调节，减水河段长11km)、理县电站(装机容量33MW，日调节, 减水河段长5km)、甘堡(装机容量30.5MW，无调节, 减水河段长3.9km) 、薛城电站(装机容量138MW，日调节, 减水河段长14.2km) 、下庄电站(装机容量11.71MW，无调节, 减水河段长4.2km)、桑坪电站(装机容量72MW，日调节, 减水河段长6.7km)。发电时，上游来流经引水隧洞引至下游发电，非汛期不泄流。目前，杂谷脑河已存在引水式电站发电引水造成河道减脱水以及由此对沿线河道景观、水生生态环境的不利影响。

本研究选择杂谷脑河干流上已建的红叶二级、理县、甘堡、薛城电站4个减水河段进行水文测量，水文测量时间为2008年4～5月，代表了河流平水期状态。以该时段的这4个减水河段作为景观样本取地，对较大范围曝露于公路视野的14处代表断面拍摄照片，另外随机在沿河公路视野内的河段多处布点，摄取了大量的河流景观图片，作为景观质量评价的基础资料。通过对这些资料的归纳得到杂谷脑河景观质量状况有以下特点：

(1) 地形地貌：杂谷脑河山谷狭窄，曲流特征明显，各河段均具有一定的独特性。

(2) 植被：理县水电站以下工程河段属干旱河谷，植被类型是旱生稀疏垫状灌丛、低矮灌丛或草地，为落叶植物，植被的景观效果差；理县水电站以上减水河段属于非干旱河谷，植被类型为较密灌丛、林灌或次生林，绝大部分为常绿植物，植被的景观效果一般及以上。

(3) 动植物：河道内无挺水性植物分布，鱼类组成简单，减水河段水生生物丰度为较差水平，较大支沟汇口下游、库区等深阔水体河段为一般水平。河道外两岸视野范围内基本无观赏价值高的植物分布，亦无大型珍稀特有野生动物出没。

(4) 流域人文景观：杂谷脑流域内有省级风景名胜区米亚罗风景名胜区、桃坪羌寨分布，但均不在红叶二级、理县、甘堡、薛城水电站减水河段内。

(5) 水质水色：一般情况下，水质良好，水质清澈，仅洪水期含沙量高，河流水体相对浑浊。

(6) 河道水力特征：通过水面宽及其所占天然河道比例、流速、水深表征，河段不同程度减水，部分河段完全干涸断流，部分河段存在潜流，部分河段呈小溪状，河床卵石大小不一，出露水面，与滩险流急的天然特征不协调。甘堡、薛城景观效果很差，红叶二级、薛城减水河段水力特征相对一般。

(7) 受干扰程度：地质灾害频发，河岸受损；人为活动剧烈，主要包括引水发电、电捕鱼、填河造地和修路。

利用本文所建立的景观质量评价体系，计算得到红叶二级、理县、甘堡、薛城4个梯级电站减水河段的代表断面及全河段景观综合得分值见表5。

表5 杂谷脑河各梯级电站减水河段景观质量综合得分值

对于红叶二级电站的减水河段，ZA2断面景观质量值为3.97，属较差水平，其余代表断面景观质量均一般水平，往下游景观质量得分有所增加；就全河段景观质量而言，景观质量值为4.76，为一般水平。从现场调查情况来看，红叶二级水电站闸址存在绕坝渗流，ZA2处同ZA1(坝下断面)之间几乎无支流汇入，在ZA2断面河岸坡地有一电站施工支洞，植被破坏较大，往下游有较大支沟毕棚沟和朴头沟补水，一定程度上缓解了景观受减水的影响，但整体上该河段受减水影响，河流景观遭到破坏。因此，认为上述评价结果是合理的。

对于理县电站的减水河段，ZA5断面景观质量值为4.67，属一般水平，ZA6断面景观质量值为3.34，属较差水平；就全河段景观质量而言，景观质量值为4.46，为一般水平。从现场调查情况来看，该减水河段区间汇流较小，ZA5和ZA6河道均呈减水现象，ZA5断面河道狭窄，两岸植被较好，ZA6断面较宽，左岸河道存在大面积滑坡。因此，认为上述评价结果是合理的。

对于甘堡电站的减水河段，两代表断面和全河段景观质量得分值均在(2,3)区间内，属较差水平。从现场调查情况来看，该河道减水非常严重，坝下河道内基本无流量，河床卵石裸露，两岸植被很差。因此，认为上述评价结果是合理的。

对于薛城电站的减水河段，除了ZA10断面景观质量值略低于4，景观质量较差外，其余代表断面和全河段景观质量均为一般水平。从现场调查情况来看，该河段往下游随着支沟入汇，河道水面宽和水域面积变大，河道减水相对不明显，且河岸带有一定的乔木绿化，缓解了因大幅度减水造成的景观破坏。因此，认为上述评价结果是合理的。

5 结 语

本文应用层次分析决策方法，通过分析研究河段景观生态特征，从景观生态学要素及景观形式美学要素两个方面初步建立了杂谷脑河水力开发河段景观质量评价指标体系，并进行各梯级景观质量综合评价分析。结果表明，计算所得各梯级景观质量，基本符合河段景观生态实际情况，是合理可行的。

限于资料、认识及研究积累不足等方面因素，在本文的方法研究中，对一些条件进行了假定或简化处理，由于不同大小和不同地区的河流有不同的特点，各指标的相对重要性有所不同，因而难以给出统一的指标权重，本文给出的各指标等级划分及评价计算方法也只反映一般情形。为此，需进一步分析研究大、中、小河流，山原区、高山峡谷区、中低山地区以及城镇居民带区河流的不同的指标权重及适宜的等级划分标准，以满足不同地区、不同类型水力开发河流的景观质量评价，为进一步计算河道景观生态需水量奠定基础。

参考文献：

[1] 邴凤山.中国可再生能源发展战略研究丛书-水能卷[M].北京:中国电力出版社,2008.

[2] 张美华, 王云才，等.黄山景观生态环境的层次分析法综合评价[J].西南师范大学学报(自然科学版)，2000，25(6):704-707.

[3] 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室.白水江最小生态流量研究专题报告[R].2006.

[4] 蔡守华, 胡欣.河流健康的概念及指标体系和评价方法[J].水利水电科技进展, 2008,28(1): 23-26.

[5] 王云才.景观生态规划原理[M].北京：中国建筑工业出版社,2007.