大型水库健康评价方法与应用

贺玉彬 时晓燕 史天颖 万欣 张红 刘昭伟

收稿日期：2023-11-13；接受日期：2024-01-12

基金项目：国家重点研发计划项目（2022YFC3204600）；四川省重点研发计划项目（2022YFS0474）

作者简介：贺玉彬，男，高级工程师，研究方向为流域水资源管理。E-mail：hu_qq2021@163.com

通信作者：张  红，女，助理研究员，博士，研究方向为水安全与水环境。E-mail：shity21@mails.tsinghua.edu.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章编号：1001-4179（2024） 06-0053-07

引用本文：贺玉彬，时晓燕，史天颖，等.

大型水库健康评价方法与应用：以大渡河瀑布沟水库为例

［J］.人民长江，2024，55（6）：53-59.

摘要：水电开发会影响河流水动力和水环境条件，干旱的地理环境、密集的水电工程等复杂的影响因素导致大渡河生态系统比较脆弱，水库生态系统的长期健康运行面临挑战。参考SL/T 793-2020《河湖健康评估技术导则》，基于大渡河瀑布沟水库特性增设针对性指标；融合现场监测和遥感反演技术，全面获取水库水生态数据；综合层次分析法和熵权法识别评价指标权重，构建了更具全面性和准确性的水库健康评价模型，对该水库的生态健康状况进行综合评估和退化风险诊断。结果表明：瀑布沟水库健康状况总体得分为84.16分，属于非常健康状态；水、盆、生物、功能得分分别为92.97，85.66，59.63分和98.14分，反映出瀑布沟水库整体生态健康但生物多样性有待提升的现状。研究结果可为大渡河瀑布沟水库的健康管理和生态综合整治提供科学支撑。

关  键  词：水库健康评价； 层次分析法； 熵权法； 瀑布沟水库； 大渡河

中图法分类号： X826

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.06.008

0  引 言

水电开发是当代资源开发的主流模式，在供水、发电、灌溉与防洪等方面已取得较好的经济社会效益。然而，水电开发会对河流的生态、环境等产生一定的影响［1-3］。因此，保障生态环境安全是实施流域水电开发的重要前提。作为长江支流岷江的最大支流，大渡河流域是中国重要的生态屏障，其生态环境系统结构复杂且稳定性差，是典型的生态脆弱区。水生生物作为生态系统的物质循环和能量流动的承担者，在维持流域生态系统稳定性上起着重要作用。但是，大渡河流域地形地貌复杂、自然灾害频发、生态系统敏感、密集型梯级水电工程运行扰动大。多源影响会显著扰乱水生生物生命节律，并破坏其栖息地微生境，系统食物网结构及生物多样性将难以维持，从而直接或间接地引发严重的水生态危机，流域生态系统的长期健康运行面临极大挑战。

河流水库健康状况的评价与研究能从多角度多方位深入阐释水体受干扰的程度，有助于指导水资源的合理开发与利用。各种评价方法从原理上主要可分为预测模型法和多指标评价法。预测模型法通过单一物种对河流健康状况进行评价，较多以生物群落或物理生境的评估为中心，该方法操作简便，通常用于评价指标较为简单的案例［4］。针对河湖水库的评价指标大多集中于营养状态指数、底栖动物完整性指数、鱼类完整性指数等单一指标［5-7］，无法系统性、定量化地识别整个水生态环境系统变化的好坏。

多指标评价法是利用一定的评价标准对河流的物

理、化学、生物、社会功能等指标进行打分，以总得分作为评价其健康状况的依据，能更加全面地反映河流的实际情况［8］，已在很多国家先后开展［9-13］。2020年中国发布了SL/T 793-2020《河湖健康评估技术导则》（以下简称《导则》）和《河湖健康评价指南（试行）》（以下简称《指南》）等指导性文件［14-15］。在河流健康评价方面，张祖鹏等以较为全面的评价指标开展了太湖流域河流健康评价［16］。席浩郡等选取评价指南中16个指标构建了成都市锦江流域河流健康评价体系，但该研究中生物群落仅以多样性指数为单一指标，且忽略了底泥污染的影响［17］。刘千禧等在该评价指南的基础上增加岸线植被保有指数和文化建设程度两项指标后对浙江松阴溪流域开展了河流健康评价［18］。也有相关研究针对长江航道开展了生态健康评价［19］。在湖库健康评价方面，该评价指南的应用较少。牛文龙等通过层次分析法评价了含梯级水库的河流健康状况，但评价指标中忽略了底泥污染、浮游动物、岸带植被情况等重要因素［20］。蒋爱萍等以该评价指南为依据开展了大渡河枕头坝水电站健康评价，同样也未考虑沉积物与浮游动物［21］。傅博等尽管将岸带情况纳入指标体系，但其采用布设样点的人工调查方式易受人为主观因素影响而导致结果的准确性有限［22］。总之，自《导则》和《指南》发布以来，多指标评价法仍然存在评价指标不适用或不全面，指标量化准确度不够，指标权重分配过于主观或客观等问题。

已有研究表明，岸带植被覆盖度低［21］、水生生物群落衰退［23-24］、底泥重金属含量超标［25］等是大渡河生态健康中存在的不可忽视的问题。因此针对当前研究存在的不足，本文借助多源历史数据分析水库水文情势、水质和水生物等的水环境、水生态因子变化情况，结合2023年2月及5月库区野外采样数据与Landsat 8遥感反演岸带植被情况，采用层次分析法-熵权法（AHP-EWM）综合赋权，建立了一套专门针对瀑布沟水库的定量化、规范化和流程化水生态系统健康状况评估指标体系和模型，对水库的生态健康状况进行综合评估和退化风险诊断。

1  材料与方法

1.1  研究区域

大渡河（99°42′E～103°48′E，28°15′N～33°33′N）是长江流域岷江水系的最大支流，瀑布沟水电站位于大渡河中游，四川省汉源县、石棉县和甘洛县境内，是大渡河干流水电开发的控制性工程。根据大渡河地形特点、水文条件、瀑布沟水库特征和周边环境特点，于

2023年2月和5月对瀑布沟水库-水系进行了现场监测和采样，兼顾重要水生态环境节点、河湖及干支流交汇处，共设置10个监测点位。由于5月水位下降无法前往库尾，因此没有对监测点10进行采样。监测项目包括水体监测指标27项指标，其中重点监测指标有水温、总氮TN、总磷TP、溶解氧DO、生化需氧量BOD、叶绿素a、藻密度等，以及内源底泥污染和外源污染。研究区域示意和采样点分布见图1。

1.2  研究方法

1.2.1  瀑布沟水库健康评价体系构建

本文参考《导则》，从水、盆、生物和功能4个方面，结合大渡河流域实际生态环境特征和水生态环境保护目标，建立了流域适应性生态健康评价特性指标体系。《导则》以生态良好和功能良好为目标，已经包含了众多基本指标，具有广泛的适用性。但对于瀑布沟水库健康评价，还需考虑一些具有针对性的特征指标。

近年来湖库水污染治理取得了一定的成效，湖库底泥释放引起的内源污染成为水体营养盐浓度增加的主要因素。加之瀑布沟水库建立初期周边工厂废气尾矿进入库区，以及农业面源污染的增加，底泥污染更需得到关注，因此加入底泥污染状况指标。该地区地形地貌复杂，瀑布沟水库蓄水后，过水面积和水深沿程增大，库区壅水段水体流量和流速沿程减小，入库推移质和大部分悬移质在库内落淤，总库容呈逐渐递减的变化趋势，水库淤积不仅影响水库效益的发挥，还会影响水库生态环境。因此，加入指标库容淤积损失率。另外，该地区位于中国干旱和半干旱地区，岸边多为沙质土壤和岩石，使得库区两岸植被较少，进而导致土壤侵蚀和水土流失，影响岸带稳定性，因此加入指标岸带稳定性。水生动物多样性是反映水库健康的重要指标，已有研究表明大渡河老鹰岩段水生动物生物量较低，因此在基本指标浮游植物密度、大型底栖无脊椎动物生物完整性指数和鱼类保有指数的基础上，增加浮游动物生物损失指数，以更全面地反映水库环境变化。瀑布沟水库除了水电开发，还兼有防洪、拦沙等综合效益，因此加入防洪指标。最终建立了能够反映瀑布沟水库水文、水质、水生态、岸带以及功能的瀑布沟水库健康评价体系。

1.2.2  西南地区水库健康评价指标权重

为解决层次分析法（AHP）确定权重的主观性与熵权法（EWM）赋权的绝对客观性，采用AHP-EWM综合赋权法以得到更为科学准确的权重［26］。

综合权重计算公式得到组合权重向量X为

X=（x1，x2，…，xm）T

xi=wi+aimi=1（wi+ai）  i=1，2，…，m

（1）

式中：ai为由层次分析法确定的指标i的主观权重；wi为由赋权法确定的指标i的客观权重；xi为由综合赋权法确定的指标i的综合权重；X为综合赋权法确定评价指标的权向量。

1.2.3  评价指标量化及评价标准

为了全面评价瀑布沟水库水生态系统健康现状，于2023年2月和5月对瀑布沟水库水系进行了现场监测和采样，包含重要水生态环境节点、河湖及干支流交汇处，从坝前、库中到库尾共设置了10个采样点。监测项目包括水温（WT）、酸碱度（pH）、溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、总磷（TP）、总氮（TN）、透明度（SD）、叶绿素a（Chla）、藻密度等共26项，监测及分析方法参考GB 3838-2002《地表水环境质量标准》。

浮游动物、底栖动物、鱼类等水生动物数据均来源于《大渡河瀑布沟年度报告》。其中，浮游动物生物损失指数由评估湖泊调查获得的浮游动物种类数量与以前种类数量之比。另外，通常采用大型底栖动物完整性指数来评价底栖动物情况，但由于数据获取困难且繁杂，大部分生态健康评价中会忽略该指数或仅以该指标进行评价。本次研究参考Blocksom针对河流和湖泊建立的B-IBI指标体系［27-28］，通过分布范围、判别能力和相关性分析筛选候选参数，最终确定大渡河瀑布沟水库大型底栖动物完整性评估的核心指标为总分类单元、昆虫（非摇蚊）、相对敏感类群、捕食者，分别反映了底栖动物的物种丰富度、物种多样性、耐污/敏感性、功能摄食群。

底泥污染状况采用底泥中污染物浓度与标准值之比进行评估，重点考虑底泥重金属污染。库容淤积损失率采用截至评估年总淤积损失库容占总库容的百分比表示。

库岸带植被覆盖度是反映湖库生态系统健康的一项重要指标［29］，但由于该指标数据获取的困难性，目前国内对湖库健康的评价大多未包含岸带植被覆盖度。本次研究采用遥感反演的方式量化该指标。Landsat 8遥感卫星影像数据来自地理空间数据云（Geospatial Data Cloud ），以大渡河流域评价河段两侧2 km作为库岸植被覆盖度评价范围，以云量小于30%为选取原则，最终选取了2023年2～3月、5～6月共4个不同时相的遥感卫星影像，对图像进行辐射定标、大气校准、图像剪裁的图像预处理。采用像元二分法模型对的大渡河岸带植被覆盖率进行反演估算。

根据评价指标赋分结果与权重计算得到各亚准则层（水文完整性、化学完整性、形态结构完整性、生物完整性）和准则层（水、盆、生物、功能）的赋分情况以及湖库健康状况总得分RHS，见表1。

2  结果与讨论

2.1  评价指标体系及权重

基于已建立的评价体系，得到AHP-EMW综合权重如表2所列。综合使用AHP和EMW方法赋权可以综合主观和客观赋权的优点，使得评价结果更有说服力。

2.2  评价结果

大渡河瀑布沟水库健康状态总体得分为84.16分，属于非常健康状态，多项评价指标表现良好，但还有一些指标得分较低，说明水库健康仍存在一些弊病，分级指标得分见图2。底泥污染状况为61.33分，勉强满足健康状态；岸带植被覆盖度、浮游植物密度、鱼类保有指数得分均低于60分，处于亚健康状态；浮游动物生物损失指数得分不足40分，处于不健康状态。因此，在后续恢复水库健康状态的措施中需要着重考虑生物保护与底泥污染修复。各准则层评价结果如下：（1） 瀑布沟水库“水”方面总得分92.97分，属于非常健康状态。水资源开发利用率小于20%，2009～2018年瀑布沟水库平均下泄流量小于最小生态流量库的天数仅占总运营天数的0.2%，水文完整性得

分99.10。2018年4～9月瀑布沟水库评价区域总磷和总氮浓度均明显超标，85%的水样未满足Ⅲ水质标准。但2023年库区水质已经有了明显改善，2月和5月在瀑布沟水库采样结果分析显示：冬季评价区域内Ⅰ～Ⅲ类水质比例达到95%，仅有采样点3（赵候庙附近）和采样点7（营盘山附近）的总磷浓度较高；5月所有采集的水样均满足Ⅲ类水质标准。化学完整性评价中底泥污染状况得分最不理想，根据瀑布沟水库监测数据统计显示，底泥中铜、锌、砷、汞、镉、六价铬均未超标，但铅平均浓度0.097 mg/L，相对于标准浓度0.05 mg/L明显过高。

（2） 大渡河瀑布沟水库形态结构完整性得分85.66分，属于非常健康状态。截至2021年，瀑布沟水库容淤积损失率为4.54%，岸带基本稳定，排污口布局合理且无岸线“四乱”的状况。如图3所示，由于大渡河流域干旱的气候条件以及较为贫瘠的土壤质地，大渡河库岸植被覆盖度仅为56.0%，得分61.43分。低植被覆盖度将对土壤侵蚀、水质恶化和生物多样性产生不利影响。

（3） 大渡河瀑布沟水库生物完整性得分59.63分，属于亚健康状态，表明水库的建设改变了水生生物的生境特征。2023年监测结果表明，2月大渡河瀑布沟水库评价区域共有浮游植物7门88种，平均浮游植物密度为212.6万个/L，其中以绿藻门和隐藻门为优势藻类，分别占比约42.6%和39.4%。随着春夏季节气温升高，5月瀑布沟水库平均浮游植物密度略微上升至271.3万个/L，隐藻门减少至占比4.1%，此时该区域以硅藻门和绿藻门为优势藻类，分别占比44.9%和47.0%。根据调查结果，瀑布沟水电站工程影响江段共调查到浮游动物22种，与2017年评估湖库浮游动物种类数量37种相比，得到浮游动物生物损失指数达到40.54%。采集到鱼类44种，隶属于3目9科34属。2018年监测结果显示瀑布沟水电站工程影响区有鱼类62种，计算得到鱼类保有指数71%。选取大渡河瀑布沟水库评价区域内16个底栖动物采样点，建立大型底栖动物完整性指数B-IBI评价。结果显示瀑布沟水库整体得分为2.12，处于亚健康状态，B-IBI值最高值为4，位于深溪沟坝前，最低为0.54，位于南桠河汇合口下游500 m。分级评价结果显示，大渡河瀑布沟水库16个采样点中，处于健康状态的占比31.25%，亚健康状态、一般状态和差状态各占比18.75％，极差状态占比12.5％。从位置看，大渡河瀑布沟水库评价结果为“健康”的点位主要分布在支流，占全部“健康”点位的60%。坝前、坝下的生态健康均不理想，龙头石坝下为极差，坝前为亚健康，坝下为差，说明建坝等人为活动一定程度上会导致生态退化。

（4） 瀑布沟水库“功能”方面总得分98.14分，其中防洪功能良好。对大渡河瀑布沟水库管理人员开展了满意度调查，共采访120人，其中管理者20人，水库周边从事生产活动者80人，水库旅游者20人。经计算，公众满意度指标最后得分为95.12分，说明公众对瀑布沟水库现状总体处于满意状态，并希望瀑布沟水库水质更优，水生生物更丰富，减少河湖沿线地质灾害发生。

2.3  讨论与建议

2.3.1  湖库健康评价体系的适用性与特殊性

目前尚未有大渡河瀑布沟水库健康评价的相关研究。如表3所列，将本次研究结果与大渡河相关研究对比，在水质状况良好、水生生物多样性减少、鱼类群落衰减、沉积物重金属含量高、植被退化严重等方面均具有一致性，表明本次研究在《导则》的基础上构建的瀑布沟水库健康评价体系具有较强的适用性。

《导则》中包含了水文、水质、生物、岸带和社会功能5个方面共11项基础指标。如表4所列，在构建评价指标体系时，若仅选取基本指标，即水资源开发利用率、下泄生态基流满足程度、水质优劣程度、饮用水水源地水质达标状况、营养状态、岸带植被覆盖度、河岸带人工干扰程度、浮游植物密度、大型底栖无脊椎动物生物完整性指数、鱼类保有指数、公众满意度，将存在指标片面等问题。一方面，部分指标权重过高，评价结果具有片面性。例如，基础指标评价体系中，饮用水水源地水质达标状况在化学完整性中权重占比高达54.1%，河岸带人工干扰程度权重在形态结构完整性中占比达到63.4%，公众满意度得分则完全代表了该水库的功能良好情况。另一方面，若只选取基本指标，湖库的一些问题有可能被忽视。例如，如果不加入底泥污染状况这一指标，则瀑布沟水库化学完整性得分达到95.55分，比本文建立的评价指标体系得分高出近10分，却忽视了底泥污染较为严重的问题。

对于西南地区湖库健康评价的指标体系构建，在水文和化学完整性方面，若水库周边存在工厂，底泥重金属则尤为需要得到关注。在形态结构方面，干旱与半干旱的气候特征通常会导致水库岸带植被稀疏，从而影响岸带稳定性。而库区植被覆盖情况的数据获取较为困难，鲜少有研究选取植被覆盖度指标。对于水库而言，库容是影响经济和社会效益的重要因素，因此库容淤积损失率也同样不可忽视。在生物完整性方面，水生生物作为生态系统的物质循环和能量流动的承担者，浮游植物、浮游动物、底栖动物和鱼类同样需要得到关注。

2.3.2  湖库管理建议

（1） 推动生态保护和修复。尽管瀑布沟水库健康状态得分优秀，但生态保护和恢复仍需得到重视。生物完整性方面仅得分59.63分，说明湖库生态状况受到损害，建议采取相应的生态保护和恢复措施，包括鱼类以及其他水生生物的保护与增殖等，增加生物多样性以促进湖库生态系统的健康和复原能力。

（2） 加强水质管理和监测。根据健康评价的结果，瀑布沟水质总体达到Ⅲ类水质标准，但缺乏连续监测数据，建议继续加强水质管理、环境监测和数据收集，持续保护和改善湖库水质。

（3） 重视数据全面获取。自《导则》和《指南》出台以来，水生态健康评价体系已不断完善，但缺乏各指标的数据依然是湖库评价的主要问题之一。瀑布沟水库水生态数据较为缺乏，通常只关注常规水质指标，而忽视了其他水生态要素，包括底泥污染情况、浮游动物、底栖动物和鱼类的监测数据，库岸的植被覆盖度也没有相关研究。建议增加年周期内水生态监测调研工作，推动常规理化指标监测向水生态要素多指标监测拓展，维护湖库健康发展。

3  结 论

本文针对大渡河瀑布沟水库的实地环境和生态系统现状，采用主客观赋权与分级评价指标赋分的方法，分析和构建了大渡河瀑布沟水库健康评价模型。由于全面获取数据十分困难，本研究存在获取数据时间不一致的局限性，但一些数据变化较慢，时效性强，因此本研究结论具有科学性和有效性。主要结论如下：（1） 相比于采用《导则》中的基本指标，本研究基于大渡河流域的特点增设了底泥污染状况、库容淤积损失率、岸带稳定性、浮游动作生物损失指数、防洪指标等针对性指标，使得评价结果更具全面性，可为水库管理和生态修复提供重要的科学依据。

（2） 大渡河瀑布沟水库水文和水质要素均为良好。Ⅰ～Ⅲ类水质比例达95%，但仍存在一些问题，包括底泥污染状况中重金属浓度超标、浮游植物密度偏高、浮游动物和鱼类损失较大。底栖动物完整性指数处于亚健康及以下状态占68.75%，表明水库的建设一定程度上改变了水生生物的生境特征，对生态健康造成了显著的影响。此外，瀑布沟水库虽然岸带基本稳定，但岸带植被覆盖率较低，在土壤侵蚀、水质恶化和生物多样性产方面均有不利影响。

综上，大渡河瀑布沟水库生态处于“非常健康”状态，但未来进行针对性生态环境保护的任务仍较为紧迫。持续改善瀑布沟水库水质，减少底泥污染，维护岸坡稳定，减少沿线地质灾害的发生，重点保护流域生物多样性，才能有效推动水电开发与生态保护协调发展。

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（编辑：黄文晋）

Large reservoir health evaluation method and application：case of Pubugou Reservoir in Dadu River

HE Yubin1，SHI Xiaoyan1，SHI Tianying2，WAN Xin1，ZHANG Hong2，LIU Zhaowei2

（1.Guoneng Daduhe Big Data Service Co.，Ltd.，Chengdu 610041，China;

2.State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering，Tsinghua University，Beijing100084，China）

Abstract：

Hydropower development impacts the hydrodynamics and water environment.The vulnerable ecosystem of the Dadu River is affected by factors such as the arid environment and hydropower engineering，posing great challenges to the long-term healthy operation of the reservoir ecosystem.Based on SL/T 793-2020 Technical Guidelines for River and Lake Health Assessment，we added targeted alternative indicators.By integrating historical investigation and field monitoring，as well as remote sensing，comprehensive water ecological data of Pubugou Reservoir was obtained.The analytic hierarchy process and entropy weight method were used to identify the weights of evaluation indicators and evaluate the health of the water ecological system of the Pubugou Reservoir in the Dadu River.A more comprehensive and accurate reservoir health assessment model was constructed to comprehensively evaluate the health status of the water ecosystem in the Pubugou Reservoir of the Dadu River and diagnose degradation risks.The evaluation results showed that the evaluation score of the Pubugou Reservoir was 84.16，indicating a very healthy state.The scores for “water” “basin” “biology” and “function” were 92.97，85.66，59.63，and 98.14，respectively，reflecting that the Pubugou Reservoir was ecologically healthy but was needed for improvement in biodiversity.The research can provide scientific support for the future health management and comprehensive ecological improvement of the Pubugou Reservoir in Dadu River.

Key words：

reservoir health evaluation; analytical hierarchy process; entropy weight method; Pubugou Reservoir; Dadu River