基于水庫梯級開發的河流生態系統健康評價研究

王喜芹

(遼寧省觀音閣水庫管理局有限責任公司,遼寧 本溪 117100)

1 研究背景

人類社會的文明進步和發展與河流健康評價標準存在密切關系，并表現出空間上的動態變化特征。國內外系統機構分別從河岸帶狀況、形態特征、水質、水生物種和河流水文學等5類評價指標進行河流的健康狀況評價，并可為流域的可持續利用管理提供一定的科學依據和理論支持。水文學者結合研究河流的基本特征分別構建了不同的評價指標體系，如李國英[1]等分別從河道的排洪能力、水質類別、流量、灘地坡降比等9個方面對黃河的生態健康進行了評價；趙彥偉[2]等以寧波市城市河流為研究對象通過分析水生物種、水質、含水量、河岸帶和物理結構5大特征對其生態系統健康進行了評價；耿雷華[3]等以瀾滄江河流為研究對象，基于河流健康內涵層的25個評價指標對其進行了生態健康的定量評價分析。隨著對河流生態健康評價的深入研究和發展，河流健康標準往往采用河岸狀況、DO水質以及水體魚類多樣性指數等參數指標進行表征。對河流生態健康受水庫梯級開發的作用影響研究相對較少，據此，本文首先對河道魚類、浮游生物和底棲生物對梯級開發響應程度進行識別，在甄別了關鍵物種的基礎之上，分析了其對梯級開發的生態效應，并利用相關數據對地域性原則進行探討，構建了生態健康評價等級標準，并對生態健康受水庫梯級開發作用影響程度進行科學、合理的評估分析[4- 7]。

2 生態系統健康評價體系構成

2.1 生態系統健康內涵

人類社會和經濟發展對水體的依賴日益增大，并導致水體污染、水環境惡化等問題日益嚴峻，故水體系統健康是以水問題的研究為主要內容。隨著人類對水資源管理理念和認識的加深，河流生態健康評價的核心內容逐漸轉化為人與水系統的和諧相處。綜上所述，自然屬性和社會屬性的平衡河流是進行評價的主要內容，不僅可為河流物種生命的維持和延續提供保障，而且滿足人類經濟發展對河流生態系統的需求。合理的水文情形、科學的河流形態和良好的水體理化指標和物種多樣性是保證河流生態系統健康的重要組成部分[8]。

2.2 水庫體積開發生態影響辨識

梯級開發對河流的生態系統健康影響可以體現在以下四個方面：河流的水文情形在河壩的上下游發生改變、河流的天然連通狀況發生變化、河道的水質狀況產生改變以及對河流內水生生物的多樣性和完整性產生影響作用。據此，水庫的梯級開發可產生多種作用影響并最終使得生態功能的逐漸退化，并且系統的完整性和規律性遭到嚴重的破壞，結構系統趨于單一，并引起河道內生物物種多樣性下降。

2.3 河流健康評價因子甄別

水質理化參數、河流生物指標、河道棲息地因子和河流水文情形等參數是生態系統健康評價的重要指標；河流流量、流速等水文參數因梯級開發產生改變，并對河流的生物群落、河岸植被、洪范區特性和水質等產生影響；河流流量、流速、頻率和含沙量變化是進行河流水文情形評價的主要指標參數；河流水生物種的繁殖場所即為河道棲息地，其環境的狀況對河流的生態系統健康產生直接的影響，主要體現在河道的穩定性、連通性、河岸帶寬度、完整性、人類干擾等方面；水質是影響水文生態系統的敏感性因素，水質參數主要有水溫、有機污染物、DO、重金屬污染等。生態系統中水資源的循環規律因水質惡化直接造成交換途徑降低、阻礙、能量供應程度低和信息傳遞困難等因素影響，并最終引起生物物種多樣性水平降低。

2.4 構建評價體系

本次研究利用層次指標體系分析法，在詳細考慮了梯級開發對生態安全影響的主控因素的基礎之上構建了用于評估生態健康系統的指標體系，詳見表1。本次研究的主要目標是促進人與水環境的和諧相處，維護水系統的生態安全健康，在考慮了人類活動和自然狀態下的特征對水生態系統安全健康進行評價，為可持續發展利用提供決策依據；水質狀況、水文情形、生物指標和物理結構構成了評價的準則層，其中水文變異、重金屬濃度和有機物濃度等數據指標是評價水質狀況的主要參數，生態流量和流量變異過程是表征水文情形的重要指標，而生物指標參數主要包括藻類和魚類多樣性指數，河流連通阻隔物理狀況是開展河流物理結構評價的核心內容。

表1 河流生態系統健康評價指標體系

本研究對準則層中的各評價指標進行綜合計算，并得到河流綜合評價狀況賦分結果，計算公式如下：

REI=HDr×0.2+pHr×0.2+WQr×0.2+AFr×0.4

(1)

式中，REI—生態完整性賦分值；HDr、pHr、WQr、AFr—分別代表準則層中水文情形、物理結構、水質狀況和生物指標的賦分值。

根據各評價指標的賦分標準，河流的生態健康程度可分為A級健康，賦分80～100分；B級亞健康，賦分60～80分；C級健康狀況一般，賦分40～60分；D級不健康，賦分10～40分；E級病態，賦分0～20分。

2.5 評價指標體系的計算

在研究分析年限內，通過對天然和實測月平均徑流過程進行差異性對比分析，可對水庫梯級開發對流量過程變異程度指標的影響作用進行研究探討，并利用下述公式，揭示水文情形影響程度和變化規律，其計算公式如下：

(2)

根據流量變異程度計算結果，其賦分標準可根據FD值進行提取，當FD值取值范圍為0.05～0.1時，對其賦分值為75～100分；當FD值在0.1～0.3時，對其賦分值為50～75分；當FD值在0.3～1.5時，對其賦分值為25～50分；當FD值為1.5～3.5時，對其賦分值為10～25；其他取值的賦分值均低于10分。

為了維持生態系統的不同程度結構和功能而必須具備的河流過程即為河流生態流量，可通過選取關鍵性河流物種對滿足其最適宜流量進行表征。生態流量保障程度可按照關鍵物種的產卵期及孕幼期、一般水期進行評價，計算公式如下：

(3)

式中，qd—評估年實測月徑流量;m3/s；qt—各月推薦的最適宜流量;m3/s；m—各月徑流量相對應的月份。

河流典型斷面的賦分依據為不同豐枯水期調節后的流量占推薦流量的比例，并以豐枯水期分值最低值為關鍵物種流量的保證程度分值，保障程度評價結果見表2。

表2 關鍵物種的生態流量保證程度賦分評價計算方法

按照阻隔分類對河段的各個閘壩分別進行賦分，并取最小賦分值作為最終評估結果，計算公式如下：

RCr=100+min[(DAMr)i，(GATEr)j]

(4)

式中，RCr—評估河段的連通阻隔狀況賦分值；(DAMr)i—評估大壩的阻隔賦分，i—1，2，…，nDam，nDam—下游大壩座數；(GATEr)j—評估河段水閘阻隔賦分值，j—1，2，…，nGate，nGate評估河段水閘數。

本研究中，各河段的連通阻隔分布狀況賦分取值標準見表3。

表3 河段連通阻隔分布狀況賦分取值標準

利用評估年逐月實測和多年月平均水溫變異最大值表征水溫變異程度，并采用下述計算公式：

(5)

氨氮、化學需氧量和高錳酸鹽指數參數指標濃度對好養有機污染物狀況進行評估表征；重金屬主要是以六價鉻、鉛、汞、砷等進行表征；并以12個月的上述污染物平均濃度對比分析國家水質標準，進行非汛期和汛期的分析評價。

利用Shannon-Wiener多樣性指數法對魚類、藻類生物多用性進行計算分析，公式如下：

(6)

式中，D—采用Shannon-Wiener法的生物多樣性指數；N—抽樣調查范圍內全部個體總數；ni—第i個物種的個體數量；s—物種種類數量。

賦分關系為指數為5時賦分100、4時賦分85、3時賦分65、2時賦分45、1時賦分25。

3 河流生態系統健康評價過程

本文選取我國東北部區域具有一定代表性的河流為研究對象進行生態系統健康評價分析。該河流已建梯級電站2座，沿河流自上而下分別用P1和P2代表，所選2個水電站主要功能以發電為主，同時具有一定的供水、航運的作用。設定a為河流的關鍵性魚類，能夠較高的揭示水生態系統變化，且具備一定的短距離洄游特性，沿河流干支流方向均勻分布，以2015～2016年為水平年進行指標評價研究分析。

3.1 水文情勢

首先對評價壩址上、下游河段近距離的流量變異程度進行計算分析。P2電站并網發電后在2015年4月～2016年5月的天然徑流和調蓄后的出庫徑流量的對比分析結果，計算FD評價指標值為0.75。然后結合a物種的河流分布狀況，對P2電站并網發電后的實際運行出庫流量和a生態需水過程進行對比分析，評估生態流量的滿意程度。P2在評估年的4～10月的實際下泄流量占天然徑流量的比例為27.35%，1～12月的比例為24.18%。

3.2 物理結果

研究的河流規劃建設為12座電站，而當前僅有P1和P2電站，河流對電站的開發利用程度相對較低，本研究僅對河流的實際情況進行評估，故僅考慮P1和P2電站的實際情況進行研究。由河流的連通阻隔現狀可知，當前已建水電站梯級并無魚道，但可利用魚類增殖站降低對水體生物的影響，并使得下游泄洪流量滿足生態基流的基本要求。綜上所述，對于已建電站，典型河流的干支流連通阻隔狀況指標賦分值均為70分。

3.3 水質狀況

所選典型河流的兩座水電站，P1的正常蓄水位為58m，發電洞進水口水位低于正常蓄水位25m，故存在一定的低溫水問題。而電站P2的正常蓄水位為82m發電洞口低于正常蓄水位36m其低溫水問題較為明顯。因a物種的產卵地位于P2下游，故P2水庫壩下端面的水文監測指標可表征現狀條件下的河流干流的水文變異狀況。最低水溫的測驗值為15.0℃，低于a的最低適宜溫度為3.5℃，最高溫度為30.1℃，高于a的適宜高溫為4.2℃，故P2電站的水溫變異程度賦值為80分；根據DO指標檢測結果，5～10月份的濃度為6.72mg/L，賦分值為90.8分，11～次年4月濃度值為7.1mg/L，賦分值為93.6分，評估年的賦分值為90.8分；

選取氨氮、高錳酸鹽、五日生化需氧量的計算結果平均值進行耗氧有機物污染物濃度計算，并以各評價指標的濃度指數作為評價結果，進行總體賦分值計算，其計算結果為86.1；選取評估河段各監測斷面在12個月的鉛含量指標表征重金屬污染狀況，其中鉛污染物的賦分值為98分；以水質準則層的4個評價指標的最小值進行干流河段的評估賦分，其賦分值為80分。

3.4 生物指標

在評估年的河流進行浮游植物觀察可得藻類植物共有52個屬，分別為硅藻門、甲藻門、綠藻門、藍藻門等4門6綱18目25科。其中硅藻門和藍藻門所占屬最多為21個屬，占總種類的40.0%。其余各類藻類由大到小所占比重分別為12.5%、6.0%和4.6%。結合計算平均濃度，藻類的多樣性指數計算結果為1.25，其多樣性賦分為26.1分。利用P1電站建設后所捕獲的魚類占總數的比例，進行魚類的多樣性指數計算，其計算值為1.50，根據賦分標準準則，魚類多樣性指數賦分值為30.5分；利用生物準則層的2個評價指標，并以評估指標的最小分值為準則層的賦分值，其計算值為25.2分。

3.5 總體評價

根據評價指標體系中各準則層的賦分值和權重系數，可對河流的生態完整性進行綜合狀況的賦分計算，其綜合賦分值為42.8分，河流的健康狀況等級為“一般”。水質和物理結構的賦分分別為75和80分，表明河流的水質和干流連通阻隔受已建2座梯級電站的影響作用較小；水庫梯級開發對水文改變過程的賦分值最低為21.5分，表明天然蓄水過程和水庫下泄過程對下游物種a的需水影響作用存在差異性；生態指標賦分值為24.8分，說明生物的生存環境在一定程度上受已建水庫梯級的作用影響，并明顯改變了魚類、藻類物種的多樣性。

4 河流生態系統健康評價結果分析

4.1 水文情勢變化分析

研究結果顯示，河流年際徑流變差系數和分配調節系數受水庫梯級開發作用不明顯，但年內徑流集中程度和分配不均衡性受水庫梯級開發作用顯著，并表現出下降趨勢，且極小比表現出一定的增大趨勢，并從另一方面說明河流的梯級調節能力有限，對年際徑流量的變化作用不大，但在一定程度上可改變徑流的年內分配，對徑流峰值具有一定的消減作用。

4.2 健康影響分析

通過對比分析水生生物監測數據可知，各監測斷面的浮游動物類型存在較大差異，且底棲動物的種類和數量受季節性作用明顯；人類對魚類的過度捕撈活動可明顯降低魚類資源，魚類小型化發展趨勢明顯。喜好靜水和緩流的水體生物在P1和P2電站建設后，其種類和說明表現出增長的趨勢。工業和城鎮排污、人類活動以及農業生產是引起干流水質超標的主要因素，城鎮污水收集和處理措施相對落后，工業生產集中期和城鎮附近的河段，水質標準不滿足水功能區相關要求。

4.3 響應過程和機理

結合河流中有關水生生物物種，利用梯級開發前后的關鍵性物種a的監測數據可知，水庫梯級開發可對關鍵性物種的生存活動空間產生明顯影響，并降低其生存范圍，水庫大壩加大了對水生物種的不利作用影響，梯級開發對a的不利作用所占比重較大，并且a物種的生長繁殖受水溫變化影響明顯。浮游生物群落受梯級開發作用影響，將由現有的河流型轉變成水庫性，河流將由自然段轉化為水庫區；魚類和數量產生直接或間接的作用影響，進而引起水體生物物種多樣性明顯下降。

5 結語

本文基于生態學及生態系統健康評價理論，在詳細分析了各影響因子的基礎之上，利用層次分析法構建了評價指標體系。并運用該評價指標體系對典型河流梯級開發下河流健康評價表明：河流年際徑流變差系數和分配調節系數受水庫梯級開發作用不明顯，但年內徑流集中程度和分配不均衡性受水庫梯級開發作用顯著，并表現出下降趨勢，且極小比表現出一定的增大趨勢；喜好

靜水和緩流的水體生物在P1和P2電站建設后，其種類和數量均表現出增長的趨勢；部分河段受到排污影響水質超標，水質標準不滿足水功能區相關要求。梯級開發使得物種a的活動空間范圍不斷被大壩阻隔和壓縮，梯級開發對a的不利作用所占比重較大，并且a物種的生長繁殖受水溫變化影響明顯。

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