水库健康状况综合评价的初步研究

2014-10-15任子纲高永胜

海河水利 2014年2期

任子纲，高永胜

（1.朔州市水务局，山西朔州 036002；2.浙江同济科技职业学院，浙江杭州 311231）

水是生命之源，水资源是人类得以生存和发展的基础性资源之一。水库作为水资源开发利用的主要工程形式之一，不仅是有效集控水资源、实现水资源再分配的工具，更是维护社会稳定、保障和促进社会经济持续发展的重要基础设施。随着社会经济的快速发展、人口和经济增长用水需求急剧增长，水资源的无序和低效率开发利用导致地下水枯竭、地表水水质恶化和水量减少等现象不断加剧，使人类对水库功能有了新的认识和提升。据统计，我国现有水库约8.72万座，其中8万余座兴建于20世纪五六十年代，由于当时缺乏对水库生态功能的认识，加之水库工程运行多年、日常维修养护不到位、生态恢复历史欠账太多等原因，许多水库出现程度不同的工程隐患和工程效益衰减问题。目前，这些水库虽通过除险加固在工程隐患方面有所改善，但多数水库淤泥严重、效益衰减和生态影响等问题未能从根本上得以改变。同时，由于对水库生态影响的忽视和水库生态效益的片面理解与曲解，近几年全国各地出现以水库模式为主的引蓄水生态景观工程争相上马，在加剧水资源无序开发利用的同时加重了水库对生态环境的影响，特别是这些水库由于片面追求景观效益存在工程设计防洪标准相对较低和对水库淤积、水质考虑不足等问题，如何全面评价水库的健康问题成为我们亟需解决的课题。

1 健康水库的内涵

人类筑坝建库已有上千年的历史，修建水库目的从最初单一满足灌溉需求逐步发展到防洪、灌溉、发电等多目标需求，水库成为当前最重要的水资源管理工具之一，更是水资源短缺地区经济社会发展的重要基础设施和组成部分。随着人们对水库绩效和影响后果的了解，20世纪70年代以来以生态文明为核心的人与自然和谐发展理念逐步为人们所认知并接受，人们在考虑水库满足经济社会需求的同时，逐步开始考虑水库生态系统的稳定和生物多样性等问题。近些年来，人们试图以水库生态系统健康和工程绩效等指标为基础，综合评价和判定水库的健康状况，使水库真正可持续地促进人类福利的提高，更好地促进经济社会的发展。

研究表明，水库在满足农业灌溉、生活和工业用水、发电或者控制洪水的同时，因其改变了所在河流及流域内水资源的既有权力和分配方式，继而不同程度影响着流域内社会、经济和环境原有形态，其中以生态系统的影响尤为广泛，而大型水库对生态系统的影响更多是负面的，如大西海子水库的拦截引起塔里木河下游河道断流干涸、三门峡水库泥沙淤积带来生态环境退化等。因此，评价和判定水库健康状况时，应在水库满足工程绩效和水库生态系统自动调节能力的基础上，对水库所在河流和流域生态环境的影响予以充分考虑，并将其纳入水库健康程度的评价和判定体系中。基于以上考虑，健康水库应具有以下四方面属性：①水库的安全保障，泛指水库结构和工程质量上的安全，这是水库健康的首要条件，具体体现在水库的各项工程技术指标是否达到设计要求；②水库在经济社会系统中具体的绩效体现，主要是指水库的防洪减灾、供水、发电等社会效益和经济效益，这是修建水库最终目的所在，也是人类维护水库健康目的所在；③水库生态系统的自动调节能力，主要是指水库维持淹没区和周边陆地生态系统及生物多样性的相对稳定的动态平衡能力，这是水库健康的基本体现，也是生态系统的重要特点之一；④水库对河流、流域生态环境的影响，水库作为一种物理障碍，不仅会扰乱水坝上下游物种成分的变化，甚至会使河流的上下游乃至整个流域的生态环境受到影响，这是影响流域可持续发展的重要内容之一。所以，一个健康的水库应至少具有以下几方面的特征：①具有一定的自身安全性，主要体现在水库工程结构和质量的安全性以及与水库控制流域面积相对应的防洪能力，以保证水库具有较高安全性；②具有一定的排沙能力，一方面缓解水库因泥沙淤积而造成的可利用库容不断萎缩和库区内营养盐不断累积，另一方面缓解水库因减少了泥沙和营养成分向下游输送而造成对下游河道、洪泛区及淤积区形态和生态上的影响；③具有一定的绩效，水库的防洪减灾、工农业及生活供水、发电等既定效益目标应基本实现；④水库生态系统应具有基本的自动调节能力，能够基本维持系统内生物数量和比例的相对稳定和动态平衡；⑤水库对河流、流域和水生生态系统的影响应有一定的阈值，确保河流及流域内各类生态系统的相对稳定性，避免生态系统内出现物种灭绝等不可逆转的损失发生。

2 评价指标体系的构建

2.1 评价指标选择的原则

根据我国社会发展水平和现有水库状况，遵循水库利用的可持续应满足流域经济的可持续发展要求，健康水库评价指标应在力求反映水库健康面临的共性问题基础上，明确反映出水库健康的差异性，要求评价指标具有通用性、科学性、可操作性和代表性。鉴于水库功能的多样性和影响范围的广泛性、多样性、复杂性以及水库运行时间较长的特点，着重考虑以下几个方面：①指标的系统性和层次性。健康水库要在包含社会、经济、生态等大系统的基础上，涵盖防洪、发电、灌溉、水环境等子系统，确定指标时要按不同层次和不同要素分级别、分层次确定，指标既要反映出水库整体健康水平，又要反映出水库不同方面的健康状况。②指标的动态性和静态性。健康水库评价指标及其权重的确定不是固定不变的，是与水库功能、地理位置以及水库所影响的区域经济发展等多种因素有关的，是动态变化的。但对同一座水库而言，某一阶段的健康标准应是相对明确的，评价指标及其权重也是相对确定的。③指标的流域尺度性。水库作为水资源管理的重要手段和工具，从根本上阻断了河流和改变了河流流量的空间和时间分布，在造成生态系统物理的、化学的和地貌形态的改变基础上，对生态系统的初级生产能力也产生了改变（包括对河流和临河植物和下游湿地等的影响），也改变了自然河流系统的生物化学循环，并可能影响到整条河流乃至整个流域。因此，水库健康评价工作应基于流域尺度，评价指标的选择应从流域角度考虑。

2.2 评价指标体系的构建

基于健康水库内涵，选取反映水库结构和工程安全性的安全指标，反映水库对社会、经济和生态系统支撑程度的绩效指标和反映水库对流域生态环境影响程度的影响指标3类一级指标。①水库安全指标。水库工程结构和质量的安全程度是水库实现既定功能效益的前提和基础，是衡量水库健康与否的主要因素和首要条件。水库的坝高、溢洪道泄洪能力、库容等工程技术指标可作为水库安全状况的重要评价指标。基于水库的可持续利用目标，选择与水库泥沙淤积程度有关的平均排沙比和反映水库水资源现状控制调节能力的防洪库容率两个方面进行评价。②水库绩效指标。水库绩效是维持水库健康、确保水库可持续利用的目的所在，是通过水库功能得以具体体现，一般包括社会功能、经济功能和生态功能。其中，社会功能是指水库在保障人民生命财产安全、维护社会稳定中呈现出的防洪、抗旱减灾及饮水保障等效益；经济功能是指水库的工农业供水、发电、养殖、航运以及旅游等经济效益；生态功能是指水库对库区及周围流域生态的支撑功能，是水库维持库区及周边生物种类、数量及比例相对稳定和动态平衡的能力，是生态系统具有自动调节能力的表现，可通过生物多样性、景观多样性以及生物栖息地等状况表征。③水库影响指标。水库的修建改变了自然河流水循环机理和河流泥沙运移规律，从而对河流乃至流域生态系统产生一定影响。针对因水库修建引起下游河道自净能力降低、水生生物减少等问题以及引发这些问题的原因，选择水环境容量、河口径流、生物连续性等指标。

健康水库评价指标体系及量化方法，见表1。注：（1）水库水质达到要求的平均水体体积可以水质达标时间进行换算；

表1 健康水库评价指标体系

（2）水环境容量采用文献[4]公式计算，即ρ=86.4(Ch-Ci)Q+Kci(L Q V)。

2.3 水库健康状况评价模型

（1）多目标模糊评价模型。所谓健康，本身就具有相对性，因此水库的健康与不健康存在一定的区间性，它是水库在安全、绩效和影响方面不同程度的表现形式，具有渐变性和过渡性，属于客观存在着的模糊现象的范畴。由于评价指标既要体现水库整体健康水平，又要反映水库不同方面的健康状况，指标呈多样化形式，既有多层次、多要素和分级别、分层次性，又具有不可公度性，因此采用多目标综合模糊模型评价水库健康状况。

式中：aj、bj为样本 j的级别下限值和上限值；rij为样本j指标i特征值对评价指标体系集的相对隶属度；sih为级别h指标i标准特征值对评价指标体系集的相对隶属度；wi为指标i的权重。

多目标模糊评价模型中，应先确定各指标权重和指标标准特征值。评价结果(uhj)越接近于1，说明评价对象越健康。

（2）指标权重的确定。评价指标的权重是关系到评价结果能否真实反映水库健康状况的重要因素。确定指标权重时，应深入实际调查，广泛听取各方面专家和公众意见，纵向上进行建库前后河流状况比较，横向上与条件相似水库比较并预测水库发展趋势，要考虑以下三方面因素：①水库功能的主次。依据水库在防洪、工农业供水、饮水、发电、航运诸多功能中的主次性，合理确定相应指标的权重。②地域生产力水平。不同社会发展阶段或不同经济发展区域会对健康水库内涵有不同的理解，可选择不同的评价指标或不同的指标权。③流域自然条件。我国幅员辽阔，各流域自然条件会有较大差距，水库的流域规模不同会有不同的健康受损原因，因此选择指标和确定指标权重时要充分考虑。基于上述原因，用二元对比模糊分析法逐级分层次确定指标权重。

（3）指标标准特征值的确定。水库的健康状况客观上是取决于水库结构、工程质量的安全程度和水库绩效的，但在主观上是取决于人类对水库绩效和影响的认知水平和价值取向的，不同发展阶段人的认知水平不同，对水库健康内涵会有不同的理解和要求。而健康作为一个相对概念，本身具有动态性。因此，水库健康状况评价指标的标准仅仅是综合反映当前我们在使水库可持续地促进人类福利提高的过程中着力解决已认知的河流自然特征和经济社会发展中存在的问题，是人类基于现有科学技术水平试图寻求一种人与自然和谐发展模式。在遵循社会经济可持续发展、人与自然和谐共处、共同可持续发展的原则下，将水库健康评价标准分为优、良、中、较差、极差5个级别。

对于每个指标的标准特征值，根据实际需求，可独立确定。