辽河流域河流健康综合评价

聂大鹏

(辽宁省营口水文局，辽宁 营口 115003)

0 引 言

水库大坝的大规模开发建设使得河流生态功能不断退化，水生态环境问题逐渐引起水文学者和水行政主观部门的重视，科学评价河流健康水平对于实现流域可持续发展和河流生态环境保护十分必要[1-2]。

针对河流健康和生态保护问题西方一些发达国家开展了一系列研究，如Boulton等从生境、水质、水量、生物多样性等方面建立河流健康评价体系和评价方法。对于河流健康的评价国内学者做了诸多研究，如董哲仁等学者河流应具有水资源合理开发利用、维持生态平衡和系统完整性等功能；胡春宏、刘晓燕、彭勃、蔡其华等对黄河流域、长江流域的河流健康时空特征及其评价体系做了深入的研究，综合考虑各方面因素提出了有效的评价方法、概述了河流健康的内涵，但迄今仍未形成普遍适用、统一完善的评价体系[3-8]。因此，结合河流生态系统特征和经济发展情况，评价体系应考虑河流健康完整性和流域管理目标要求等。

大规模的水利工程开发建设活动对辽河流域的生态环境、水环境与水文情势等影响较为显著，尤其是水资源的不断减少可能引发一系列的社会经济与生态环境问题，持续增大的水生态环境保护压力严重威胁着经济社会可持续发展和流域生态安全。因此，本文通过全面调查辽河流域的水生态状况、水量、水质，根据河流特点和自然地理特征将其划分为多个评价单元，考虑生态服务功能和生态完整性两个子系统的各项评价因子建立综合评估体系。

1 流域概况

辽河流域位于我国东北地区南部，辽河干流及东、西辽河构成辽河水系，总面积为21.9万km2，长为1345km，年径流量约128×108m3，主要有老哈河、少冷河、浑河、西拉木伦河、太子河、秀水河、柴河、饶阳河等。研究区为大陆性季风气候，年降水量为350-1100mm之间，降水量具有明显的区域性与季节性特征，在空间上降水量自东南向西北方向呈降低趋势；在时间上尺度上，60%以上降水集中于7、8、9月份，汛期多暴雨或强降雨[9-10]。

辽河流域为我国东北地区重要的粮食生产区、畜牧业和重工业基地，位于辽宁省社会经济发展核心区，其生产总值、耕地面积和人口规模约占辽宁省的1/3。辽河干流段为大规模水利工程开发建设的影响突出河段，也是水库大坝、水电站等重要的水利工程建设基地。辽河干流梯级水电站，装机容量为1万kW以上的有大伙房、观音阁和葠窝水电站，附近支流上有柴河、南城子、二龙山和榛子岭等水利枢纽工程。依据辽河干流河道走势和水功能区划，将其划分为福德店站、招苏台河、柴河、清河、柳河、养息牧河、秀水河、六间房站、三岔河站、营口市老边区等10个河段。

2 研究方法

2.1 数据来源

采用实地监测、文献筛选和资料收集的方式获取辽河干流2016-2018年福德店、大伙房、观音阁、六间房等水文站的历史监测数据，招苏台河、柴河、清河、柳河、养息牧河、秀水河等水质断面的历史监测数据，干流水资源状况、经济发展情况、污染源调查、水利工程建设等数据，统计整理2000年以来辽河干流的浮游生物、动植物和底栖鱼类等资料。针对2018年河流自然状况、水生物种、河流适宜性、水质等状况进行实地考察，对于短缺数据进行补充监测，利用问卷调查或走访的形式分析周边居民对河流健康的满意度。

2.2 建立评价指标体系

针对存在水生命的河流现状描述为河流健康的内涵，社会属性和自然属性为河流生命他正的基本来源。所以，社会发展提供必要的服务功能以及延续和维持河流自身生命的特征为流域健康状况的评判标准。本文结合辽河干流区域自然社会特征和水利部颁发的河流健康评估标准，综合考虑河流健康状况与各类评估指标之间的作用机理，从水文水资源、物理结构、水生物、社会功能、水质等子系统选择评价指标，遵循科学性、系统性、可行性和合理性原则建立评价指标体系，并对各指标权重考虑选用层次分析法确定。

2.2.1 水文水资源表征

辽河流域水资源量丰富、降雨充沛，但干流径流量受人类活动和大气环流等因素影响总体呈脉动式波动下降趋势；同时，由于流域内土地利用方式的改变和大规模的水利工程建设，干流的水流速度、流量、供水量和洪水频率等发生较大的变化，而河流生物群落构成、河岸植被、水质、河势形态、洪泛区等因素均与河流的水文水资源特征紧密相连。鉴于此，本研究考虑从流量过程变异和生态流量满足度2个角度反映流域水文水资源特征，具体如下：

1)为反映河流自然水文特征受水电开发与人为活动的干扰引入流量过程变异程度指标，它是表征天然和实测径流量之间偏离大小的重要参数，其表达式为：

(1)

2)为了维持各种程度的生态结构、系统功能所需要的最小流量，即为生态流量满足度，河流生态功能选用最小生态流量莫奥数，其计算公式为：

(2)

2.2.2 物理结构表征

河流物理自然形态属于维持河流健康的重要条件和决定生物群落潜力的关键因素，在很大程度正影响着河流生物群落栖息环境、物种类型和群落机构。流域内经济较为发达且人类活动影响显著，对河流水质和河岸生态等情况造成较大的影响；同时，参与分析的主要因素还包括修建的大伙房、观音阁、葠窝水电站以及周边支流水利枢纽，以上水利枢纽可在一定程度上影响着评估河段的鱼类迁徙、生态急流等过程。因此，考虑从河岸带和河流连通组合情况2个方面反映河流的物理结构，具体如下：

1)为了能够综合反映人类活动和工程建设对植被覆盖度、河岸带状况、岸坡稳定性等影响引入河岸带状况评估指标。

2)为体现河流纵向连续性受河闸、水库大坝等工程修建的影响选取河流连通阻隔状况指标，从河道水流、物质连通、鱼类迁徙等方面赋予相应的赋值，其表达式为：

RCr=100+min[(DAMr)i,(HATREr)j]

(3)

式中：RCr为河流阻隔现状评分；(DAMr)i、(HATREr)j为评价断面下游大坝、水闸的阻隔评分；i=1、NDam，j=1、NGate，其中NDam、NGate为下游大坝和水闸座数。

2.2.3 水质状况

水环境质量在很大程度上决定着河流生态功能的发挥水平，研究河段存在多处饮水水源地，水质等级以Ⅱ、Ⅲ类为主。目前，有机质污染和富营养化为河道面临的关键问题，其中CODMn、TP、NP为主要污染物；1995-2018年以来，下游河道增多次发生“水化”现象，重金属富集问题在局部河段内较为突出。因此，考虑利用重金属、耗氧有机物、溶解氧3项因子评价水质情况，具体如下：

1)根据河道水环境质量状况，赋予COD5、TP、CODMn和化学需氧量相应的分值，以月平均值评价分析汛期、非汛期的河流水质状况。

2)结合水污染程度赋予砷、铅、镉、铬、汞等指标相应的分值，以月平均值作为汛期和非汛期评价依据，选择各指标最低赋分所处的等级作为该因子评价结果。

3)依据非汛期、汛期将全年12个月平均浓度给予相应的赋分，溶解氧指标分值取最低赋分值。

2.2.4 水生生物状况

利用多个生物指数综合表征水生物学情况，结合现有研究资料获取较为常用的评价因子有鱼类、底栖动物等。本文选取底栖动物、鱼类作为指示性物种，以上2个指标的最低得分者作为最终的评价结果，具体如下：

1)根据如下计算式确定底栖动物完整性指数，即：

(4)

式中：BIBE、BIB为河流系统中底栖动物的最佳期望以及评估河段的实测指标值；BIBr为底栖动物完整性指标评分。

2)采用下述公式确定鱼类种类变化程度，其表达式为：

(5)

式中：FOE、FO为鱼种类变化指数和调查获取的评估河段鱼种类数；FE为评估河段2000年以前的鱼类种类数。

2.2.5 社会服务功能

本文从河流个性与共性的角度，结合流域内水资源开发利用和经济社会发展情况，选取水功能区达标率、公众满意度、防洪工程和水资源开发率4项能够综合反映河流社会服务功能的评价指标。

采用层次分析法理论和以上各子系统分析结果，按递阶层次结构设计包含多要素、多层次评估体系。然后依据专家意见和实地调查结果，结合实际情况及相关资料获取各因子初始值，评价体系及各因子值如表1。

表1 辽河流域河流健康状况评估体系

2.3 评价标准与指标权重

评价标准主要取决于人类社会发展需求及河流的自然状况，因此它属于一个动态的相对标准。本文结合辽河干流开发利用具体状况，设定水环境改善、景观质量保证、生态多样性恢复为河流管理的最终目标，结合现有研究成果关于评价等级和阈值的划分，以1950-1960年辽河初期状况为参照将河流健康划分为5个等级。根据提高评价结果准确性和客观性，减少人为主观性影响的原则，对各项指标权重利用层次分析仅决策打分计算确定如表1所示，各等级标准的取值范围如表2所示。

将研究区域根据水功能区划分为10个河段，对准则层中的3项指标的监测数据进行分级处理，采用算术平均法确定各河段的健康程度；之后，考虑水文水资源、物种多样性、水环境质量和物理结构等综合评价10个河段健康程度，结合各河段评价结果总体反映整个流域的生态完整性。另外，从水功能区达标、防洪工程、开发利用、满意度4个层面评估河流的社会服务功能，最终确定研究河段的生态完整性和社会服务功能。

根据分级标准采用加权评分法评估河流健康水平，各评价等级下的河流健康描述及其分类标准如表3所示。

表2 太子河流域河流健康评价标准

表3 辽河干流河流健康分类描述及标准

3 结果分析

设定2018年为评估基准年，依据以上评价流程综合分析辽河干流河流健康水平，最终的赋分为68.2分，按照分级标准处于2级健康状态见表4，图1为辽河干流各河段的生态完整性赋分结果。

表4 辽河干流河流健康状态评价

图1 监测断面的生态完整性评分

3.1 生态完整性分析

根据图1可知，流量过程变异程度因水电站的阻隔作用处于较高水平，但辽河的流量相对较小，因此基本能够满足生态用水要求；准则层中水文水资源指标的赋分较高为72.5，这在另一种程度上也说明水利工程建设对自然水文过程能够产生较为明显的不利影响。

河流物理结构最终评分为54.2，达到亚健康状态，河岸带较差但河流连通阻隔赋分较高，这主要与辽河干流经济发展、社会活动频繁和人口集中等因素相关，从而严重影响着河道与河岸情况。农田耕作、采砂等活动对中段段的影响较为突出，土壤类型以非黏性土为主；人类活动对下游河段的林草植被影响较弱。因此，中游的河岸状况要劣于下游河段。大伙房、观音阁和葠窝水电站的修建，在很大程度上改变了辽河干流中下游的崩岸部位、顶冲及河势状况。

总体来说，辽河干流的整体评分为68.2分，根据评价标准处于亚健康状态，所以可认为辽河干流生态系统达到亚健康和健康状态。

3.2 社会服务功能评价

结合辽河流域水资源环境公报确定辽河干流2018年水功能区达标率为75%，该河段的水质状况整体较好。流域内水资源开发整体达到合理水平，水系统存在开发潜力，能够为经济发展和生态用水提供重要保障。

辽河流域蓄滞洪区、河道堤防和水库大坝具有较强的抵御洪水能力，水利工程的防洪达标率总体处于较高水平。水电站和水库大坝的建成在一定程度上对河流走势、崩岸部位、顶冲等产生影响。对于研究河段的社会服务功能，居民的满意度较高，在社会服务功能层面辽河干流的评分为78.5，达到健康状态。

3.3 敏感性分析

为准确反映各评价因子的贡献率大小引入AHP层次分析法，在权重计算过程中该方法易受主观判断的影响，对此可调整权重值分析各项指标的敏感性程度。对水文水资源wHD、水质状况wWQ、水生生物wAL、社会服务功能wss、物理结构wPF权重利用以上方法进行求解，从而确定各要素对评价结果的贡献程度。采用不同权重值评价河流健康水平，对比分析初始权重和不同权重方法的差异，确定各要素的敏感性大小，结果见表5。

表5 权重浮动20%的影响程度

从表5可以看出，健康状态赋分值在权重上、下浮动20%时的波动幅度较小，由此表明在各要素权重排序已确定的情况下，较小的改变各要素权重对评价结果的影响较低。所以，在评估辽河流域河流健康状态时所应用的方法和评价要素具有较强的可行性和有效性。

4 结 论

1) 综合考虑河流实际情况选取13项典型评价因子，遵循系统性、科学性和代表性等原则构建综合评价体系。研究表明，辽河干流总体位于健康水平，生态完整性接近亚健康水平，其原因为水利工程建设可在一定程度上阻碍自然水文过程，河道走势、崩岸部位、顶冲与河流冲刷等因素相关；辽河干流下游段的底栖动物多样性偏低且春季“水华”现象发生频繁。

2) 河流健康隐患对当地经济社会持续发展和生态环境的影响具有长期性、多方位性，必须加强自然环境和河道生态的治理，保护生态敏感区和构建良好的开发秩序，实现水生态的良性发展和水资源的合理利用。