基于模糊數學模型的大型河流萎縮度定量分析

吳 振

(北鎮市水利發展服務中心，遼寧 北鎮 121300)

0 引 言

近年來，隨著經濟的快速發展各行業用水量急劇增大，我國典型江河江湖均出現一定的來水量銳減情況，加之河湖枯萎淤積、污水超標排放等局部地區的水生態問題日趨突出，對流域水生態安全和經濟高質量發展構成潛在威脅，河流生態服務功能退化逐漸引起廣大學者的關注[1-2]。調查顯示，我國曾出現過斷流的大型河流多達90余條，水生態功能衰退的主要表現特征有水生態、水文、河流形態的改變[3]。其中，水生態體現在水生生物、水質變化方面，水文特征主要體現在徑流量變化方面，河流形態主要體現在縱向和橫向過流能力的演變。近年來，國內學者緊緊圍繞水生態特征、水文特征、河流形態等研究探討河道萎縮度，但選用的指標比較單一，未能綜合考慮水生態、水文、河流形態分析河道萎縮度，現階段尚存在一些不足[4-6]。鑒于此，文章從水生態、水文、河流形態的角度系統選擇評估指標，并定量分析了遼寧地區典型河流的萎縮度現狀及其變化趨勢，對其他地區河流萎縮度分析及河流生態環境保護提供了一定的借鑒。

1 模糊數學模型

1.1 評價指標

為了綜合評價大型河流萎縮度，遵循數據可獲取性、計算簡便性、代表性等原則，選擇能夠全面反映水生態、水文、河流形態特征的9項評價因子，如表1所示。

表1 河流萎縮度評價指標

1.2 分析方法

針對河流綜合萎縮度主要利用模糊數學模型評估，以統計變量xi表征綜合萎縮度，其取值區間為[ai，bi]，則t時段的統計變量和天然對比期的要素統計量為xt,0、xi,0。若河流出現萎縮表示成該統計變量的降低，則利用以下計算方程確定綜合萎縮度：

(1)

若河流呈發育狀態表示成該統計變量的增大，則利用以下計算方程確定綜合萎縮度：

(2)

式中：Di,t為評價因子i在時段t的綜合萎縮度，其中指標i的取值區間為[ai,bi]，i=1，2，……，n。按照計算結果，若Di,t<0則代表河流出現了萎縮，若Di,t>0則代表河流呈發育狀態。為了綜合評估河流的萎縮度，有必要組合多項評價因子，以此確定t時段的指標組合為：

Xt=[x1,t,x2,t,…,xn,t]T

(3)

評價因子i在時段t內的綜合萎縮度Di,t利用公式(1)、(2)確定，然后依據計算結果按照以下方程計算時段t內所有參評因子的綜合萎縮度Di：

(4)

式中：ωi為單一評價因子綜合萎縮度Di,t的權重，文中利用二元比較法確定相應的權重值，二元比較準則如表2所示。

表2 權重二元比較準則

為了能夠綜合定量評估河流萎縮度，結合現有文獻資料將綜合萎縮度Di劃分成多個等級，劃分標準如表3所示。

表3 萎縮度等級劃分標準

續表3 萎縮度等級劃分標準

1.3 計算流程

步驟1：全面收集整理各河段參評因子數據，并確定水生態、水文、河流形態特征指標的取值區間。

步驟2：對各項參評因子的改變度利用綜合萎縮度計算公式定量測算，對水生態、水文、河流形態所包含的所有因子權重運用重要性語氣算子合理設定，并綜合計算各個類別的萎縮度[7-9]。

步驟3：采用重要性語氣算子合理設定水生態、水文、河流形態這3個因子的綜合權重，在此基礎上計算各河流的綜合萎縮度。

2 河流萎縮度定量分析

2.1 河流的選擇

大型河流萎縮度綜合評估對象選取繞陽河、英那河、柳河、六股河、大凌河，數據信息以及評估河段概況如表4所示。

表4 數據信息與概況

2.2 水文要素分析

設標準時段為1990年，即各河流在1990年前處于天然狀態，依據各站點水文數據，以每10年作為標準計算時段分別對1990-2020年期間的水文特征萎縮度進行計算，如表5所示。

表5 水文特征萎縮度評估值

從表5可以看出，從1990年起宮山咀水庫以下河段以及南哨鎮-宮山咀水庫的水文特征萎縮度處于-0.528--0.485之間，總體處于“中等萎縮”等級，這可能與該時段主河槽徑流量減少有關。六股河上、中、下游段水文特征萎縮度總體處于“中度-高度萎縮”狀況，這可能與六股河洪峰量和徑流量在2010年后明顯少于1990年有關，特別是洪峰值同級洪量下遞減程度達到20%。柳河段因徑流量銳減，1990-2000年處于“中度萎縮”等級，隨著2010年后徑流量的逐漸增大總體達到“低度萎縮”狀態。柳河中上游段也是因徑流量減少，2010年后達到“中度萎縮”等級。繞陽河因上游來水量減少，1990年以后總體達到“中度-低度萎縮”狀態。

2.3 河流形態要素分析

依據各站點監測的河流形態數據，以每10a作為標準計算時段分別對1990-2020年期間的河流形態指標萎縮度進行計算，如表6所示。

河流形態指標萎縮度計算過程與水文特征指標基本一致，合理設定指標權重時，主槽過水能力低于河道主槽權重，河流形態指標權重值為ω=[0.475 0.206 0.319]T，最后依據權重值ω和萎縮度評估矩陣DI,t，即可確定錦州斷面2010-2020年河流形態特征指標相比于1990基準年的萎縮度為-0.662，按照等級劃分標準處于“高度萎縮”。

表6 河流形態指標萎縮度評估值

從表6可以看出，大凌河總體處于“中度-高度萎縮”等級，特別是2011年后宮山咀水庫以下河道以及南哨鎮-宮山咀水庫河段均達到“高度萎縮”，這是由于2011年后大凌河來水量不斷減少而河床泥沙淤積增多，從而導致河道主槽過水能力在同一特征水位下明顯減弱，河流形態特征為“高度萎縮”。六股河上、中、下游河段，其中游達到“高度萎縮”水平，主要受大伙房水庫修建后河道水量不斷減少，主槽過水能力明顯下降。受人類活動影響六股河上游主槽過水能力減弱，相對于基準期總體達到“中度萎縮”狀態，六股河下游的主槽過水能力變化不大，所以達到“低度萎縮”。柳河鬧德海水庫以下河段均處于“低度萎縮”水平。英那河上、中游河段形態特征萎縮度處于-0.001--0.445范圍，即屬于“低度-中度萎縮”之間。繞陽河的形態特征萎縮度較低，總體處于“低度萎縮”狀況，這是由于該河流沖淤變化較小、含沙量較少且來水量較大，所以其河流形態變化相對較低。

2.4 水生態要素分析

根據河流形態、水文特征指標萎縮度計算結果，以每10a作為標準計算時段分別對1990-2020年期間的水生態指標萎縮度進行計算，如表7所示。

考慮到河流水生態特征主要受生物多樣性指標的影響，所以設定的水生物指標權重較高，經歸一化處理確定水生態指標權重為ω=[0.287 0.287 0.426]T，然后依據權重值ω和萎縮度評估矩陣DI,t，即可確定錦州斷面2010-2020年水生態特征指標相比于1990基準年的萎縮度為-0.436，按照等級劃分標準處于“中度萎縮”。

表7 水生態指標萎縮度評估值

從分析結果可看出，在1990-2010年宮山咀水庫以下河道以及南哨鎮-宮山咀水庫河段的水生態萎縮度較高，這可能與該時段水質指標中氨氮指數較高、水生物種多樣性指數下降等因素有關，隨著2011年后水生生物多樣性的增多，逐漸恢復至“中度萎縮”水平，而宮山咀水庫以下河段總體處于“中度-高度萎縮”狀況。六股河上、中、下游各河段變化基本相同，1990-2010年的水生態特征處于“中度萎縮”狀態，2011-2020年由于上游段水生物種的減少而處于“高度萎縮”水平，中下游段受氨氮水質指標影響較大而處于“中度萎縮”等級。柳河鬧德海水庫以下河段于2000-2010年、1990-2000年兩個時段均達到“低度萎縮”狀態，2011年以后受水質指標影響，水生物鐘多樣性顯著下降，所以該時期處于“高度萎縮”水平。受人類活動影響英那河中下游水生態萎縮度略有下降，但2011-2020年下游河段的萎縮度較大。由于水質較好、來水量總體較大，繞陽河水生態萎縮度相比于基準期變化較小，整體處于“低度萎縮”水平。

2.5 綜合萎縮度評價

依據水生態、河流形態、水文特征萎縮度計算結果，經歸一化處理確定各指標權重為ω=[0.245 0.568 0.187]T，利用公式(4)和表3綜合評估各河流的綜合萎縮度，如表8所示。

依據分析結果可知，各河流均處于不同程度的萎縮狀態，與1990-2010年相比2011-2020年以后的萎縮度均有所提高，水文特征對英那河以及大凌河的綜合萎縮度影響最大，在各典型河流中繞陽河、六股河的萎縮度最小。因大伙房水庫建設時期較早所以其萎縮度明顯低于其它河流。2011年后，大凌河受氣候變化和人類活動的綜合影響，其綜合萎縮度處于-0.918--0.861之間達到高度萎縮等級，與1990年以前相比萎縮度明顯增加，所以必須加強對大凌河的治理。從1990年，六股河上、中、下有各河段萎縮度變化相對問題，這與六股河的水生態、河流形態、水文特征變化較穩定有關。柳河鬧德海水庫以下河段從2000年的“中度萎縮”快速增加至2010年的“高度萎縮”，這與水庫以下河段氨氮指數增加、水質明顯變化等直接相關。近年來，英那河中、下游建設實施了一系列生態修復工程，故2011年后萎縮度處于低度水平。繞陽河綜合萎縮度從低度增加至中度，這與河道主槽過流能力變化等因素有關。

表8 河流綜合萎縮度評估值

2.6 未來變化趨勢

在定量分析1990-2010年各大型河流綜合萎縮度的基礎上，對河流萎縮度變化趨勢利用Spear man秩次開展相關檢驗，如表9所示。

表9 河流萎縮度變化趨勢評估值

由表9可知，宮山咀水庫以及南哨鎮-宮山咀水庫河段的綜合萎縮度均表現出上升趨勢，并且2000年后上升趨勢更加顯著，其主要原因在于2000年以后河流泥沙淤積量不斷增多而徑流量銳減，加之受水質變化影響水生生物多樣性明顯下降，主槽過水能力在同一特征水位下明顯減少，所以2011年后綜合萎縮度呈上升變化趨勢。

六股河上、中、下有段的綜合萎縮度變化存在一定差異，上游受水文特征影響呈上升變化趨勢，中游呈1990-2000年下降而2000年以后上升的變化趨勢，下游1990-2010年呈下降而2011年后呈上升趨勢。其中，中游2000年以后上升主要與河槽過流能力減弱有關，下游1990-2000年下降主要與大伙房水庫建成后增大了主槽過流能力、減少了泥沙淤積量有關，下游2011年后上升與徑流量銳減有關[10-12]。

由于水文特征的變化，繞陽河的綜合萎縮度表現出上升的變化趨勢，但總體的趨勢性變化不顯著。

3 結 論

1)泥沙淤積量增多以及徑流量減少為為大凌河萎縮度變化的主導因素，大大降低了河槽過水能力。所以，為改善大凌河綜合萎縮度就要減少泥沙淤積量并擴大主槽過水能力，同時加強氨氮污染物入河控制。

2)受大伙房水庫影響六股河的綜合萎縮度變化相對穩定，對于大凌河流域建議增大大伙房水庫向下游供給量，加寬斷面過水面積。

3)鬧德海水庫加固整治工程的實施，將明顯改善下游河段泥沙淤積量和水量，近些年實施一系列生態治理項目大大改善了英那河流域綜合萎縮度，對此還要加強保護水生物種，維持流域物種多樣性。