七臺河市倭肯河流域中小河流健康評價

宮遠喬，劉 瑩，李鐵男，張 檸，薛世勤，孟慶燁

(1.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 研究地區與數據基礎

1.1 研究區概況

七臺河市倭肯河流域包括大泥鰍河、金沙河、嵐峰河、柳毛河、龍湖河、羅泉河、碾子河、茄子河、挖金別河、萬寶河、小泥鰍河、新七臺河、中鮮河、中心河等14條中小河流。倭肯河在依蘭縣城鎮東北側匯入松花江，是松花江右岸一級支流。七臺河市倭肯河流域地勢以東和東南較高，逐漸向西和西北傾斜。流域多年平均降水量500～550 mm，汛期主要集中在7—9月份。

1.2 數據來源

本文河流健康評價指標的數據主要通過歷史資料收集、實地調查等方式獲取，于2022年6—8月對大泥鰍河、金沙河、嵐峰河等14條河流進行外業調查工作。調查內容包括水文、河岸帶、濕地保留率、水質、水生生物、防洪、公眾滿意度等方面。調查內容及方法見圖1。

圖1 七臺河市倭肯河流域中小河流調查信息

2 研究方法

2.1 評價指標體系構建

在參考國內外相關研究文獻的基礎上[1-4]，根據研究區域河流特點和數據調查情況，從河流水文水資源、物理結構、水質、水生生物、社會服務功能五個方面構建河流健康評價體系，詳見表1。

表1 河流健康評價指標體系

河流水文水資源要素是河流生態系統各種理化和生物過程的基礎，水文水資源條件改變會引起河流生態系統一系列變化，在國內外寒區河流健康評價中，水文水資源是河流健康評價指標體系重要組成部分。為全面反映河流水文狀態變化采用生態流量滿足程度指標對水文水資源要素進行量化。

物理結構要素是構成中小河流生態系統的物理條件，決定著河流生態環境結構，其變化是人類活動干擾的直接結果，選取縱向連通性、岸帶狀況、天然濕地保留率3個指標表征。

水質要素是河流生態系統達到良好狀態的重要支撐，體現流經區域內社會經濟和人類活動對河流生態狀況的干擾和影響，結合北方寒冷地區河流富營養化較為普遍的現狀，選取pH、高錳酸鹽指數、化學需氧量、總磷、氨氮等21項水質指標計算河流上、中、下游指標指數來反映河流水質指標濃度狀況。因此采用水質優劣程度指標作為水質要素的表征指標。

水生生物要素是河流生態系統的重要組成部分，選用大型底棲無脊椎動物生物完整性指數和魚類保有指數2個指標表征。魚類是河流生本系統中的頂級生物，可很好反映寒區河流生態系統健康狀況，此外，利用大型底棲無脊椎動物生物完整性指數根據不同科對污染物的耐受程度賦予不同耐污值反映底棲動物對外界環境各種污染物的綜合而受能力。

社會服務功能要素是為滿足人類活動的多種需求，綜合河流的自然價值與社會價值并考慮研究區域的特征，本文選用防洪指標、公眾滿意度2個指標表征。

2.2 評價標準

綜合考量倭肯河流域河流狀況，將評價等級劃分為“Ⅰ級(非常健康)、Ⅱ級(健康)、Ⅲ級(亞健康)、Ⅳ級(不健康)、Ⅴ級(病態)”五個等級，具體標準見表2。

表2 河流健康評價標準

2.3 基于熵權法的物元分析綜合評價模型

河流健康評價是一個復雜的問題，同時涉及很多指標，運用物元分析模型，可以更加系統的評價河流健康狀況[5-6]；熵權法能夠有效避免主觀因素的影響，故以其確定各指標權重[7]，權重結果見表1。

(1)建立物元矩陣。倭肯河流域河流健康評價指標體系共9個指標，即9個特征，評價標準等級共5級，即可建立一個9個評價對象5維的物元矩陣R9×5。

(2)建立經典域和節域物元矩陣。河流健康等級及其標準值范圍構成的物元矩陣為經典域，記作Rj。能夠表示全體河流健康等級及其標準值范圍的物元矩陣為節域，記為Rp，如式(1)所示。

(1)

式中：Rj為倭肯河流域河流健康評價的經典域矩陣(j為評價等級，即j=1，2，3，4，5)；Ci為9個評價指標(i為指標數，即i=1，2，…，9)；Xji=(aji，bji)為經典域；aji、bji分別表示各指標對應等級標準取值范圍的下限和上限。計算如式(2)所示。

(2)

式中：Rp為倭肯河流域河流健康評價的節域物元；Xpi=(api，bpi)為節域；api、bpi分別表示各指標對應等級標準全體取值范圍的下限和上限。

(3)確定關聯函數和關聯度。如式(3)所示。

(3)

式中：Kj(xi)為第i個指標符合第j健康等級的程度；ρ(xi，Xji)和ρ(xi，Xpi)分別表示指標值xi到經典域Xji和節域Xpi的距離，如式(4)～式(6)所示。

ρ(xi，Xji)=|xi-0.5(aji+bji)|-0.5(bji-aji)

(4)

ρ(xi，Xpi)=|xi-0.5(api+bpi)|-0.5(bpi-api)

(5)

|Xji|=|aji-bji|

(6)

(4)熵權法確定權重。

①指標標準化處理。為消除指標間不同量綱帶來的影響，對指標數據進行正向化處理如式(7)所示。

(7)

式中：Xij為標準化處理得到的數據值；xij為初始指標數據；xjmax、xjmin為指標數據中的最大值和最小值。

②比重計算，如式(8)所示。

(8)

式中：Yij為指標的比重。

③計算第j項指標的熵值，如式(9)所示。

(9)

④計算信息熵冗余度，如式(10)所示。

dj=1-ej

(10)

⑤計算各指標權值，如式(11)所示。

(11)

式中：n為指標數。

(5)河流等級綜合評價，如式(12)所示。

(12)

式中：Kj(P0)為第j個評價等級的綜合關聯度；ω為9項指標的權重系數。若Kj=max{Kj(P0)}，則河流綜合評價等級為第j級。

據上述評價模型計算，倭肯河流域等級綜合評價結果見表3。

表3 七臺河市倭肯河流域河流健康綜合關聯度

3 結果與分析

根據上述方法計算得到大泥鰍河、金沙河等14條七臺河市倭肯河流域中小河流水文水資源、物理結構、水質、水生生物和社會服務功能等要素的關聯度與河流健康狀況綜合關聯度，計算結果見表3與圖2。

圖2 中小河流各要素評價等級

由綜合關聯度計算結果可知，大泥鰍河、碾子河、小泥鰍河處于Ⅱ級；金沙河、嵐峰河、柳毛河、龍湖河、羅泉河、挖金別河、萬寶河、新七臺河、中鮮河、中心河處于Ⅲ級；茄子河處于Ⅳ級。

由各要素的關聯度結果可知，在水文水資源方面，大泥鰍河、小泥鰍河、新七臺河處于Ⅰ級；碾子河處于Ⅱ級；金沙河、嵐峰河、柳毛河、龍湖河、羅泉河、茄子河、挖金別河、萬寶河、中鮮河、中心河處于Ⅲ級。在物理結構方面，金沙河處于Ⅰ級；中心河處于Ⅱ級；大泥鰍河、嵐峰河、龍湖河、萬寶河、小泥鰍河、新七臺河、中鮮河處于Ⅲ級；柳毛河、羅泉河、碾子河、茄子河、挖金別河處于Ⅴ級。在水質方面，金沙河處于Ⅰ級；小泥鰍河處于Ⅱ級；大泥鰍河、嵐峰河、柳毛河、羅泉河、碾子河、新七臺河處于Ⅲ級；龍湖河、茄子河、挖金別河、萬寶河、中鮮河、中心河處于Ⅴ級。在水生生物方面，碾子河、挖金別河處于Ⅱ級；嵐峰河、柳毛河、龍湖河、羅泉河、茄子河、萬寶河、新七臺河、中鮮河、中心河處于Ⅲ級；大泥鰍河、金沙河、小泥鰍河處于Ⅳ級。在社會服務方面，大泥鰍河、柳毛河處于Ⅰ級；羅泉河、碾子河、挖金別河、萬寶河、小泥鰍河、新七臺河、中鮮河、中心河處于Ⅱ級；龍湖河處于Ⅲ級；茄子河處于Ⅳ級；金沙河、嵐峰河處于Ⅴ級。

4 結 論

茄子河健康等級為Ⅳ級，河段在堤防工程仍有險工險段，未達到防洪設計標準，發生洪澇災害的風險依然存在；與茄子河干流有水力聯系的濕地開始萎縮；干流生物多樣性受損；水環境質量不穩定等。大泥鰍河、碾子河、小泥鰍河、金沙河、嵐峰河、柳毛河、龍湖河、羅泉河、挖金別河、萬寶河、新七臺河、中鮮河、中心河處于Ⅲ級及以上，其中龍湖河、茄子河、挖金別河、萬寶河、中鮮河、中心河等水污染嚴重，化學需氧量、氨氮等污染物平均濃度超標，主要原因是河流生活污水、農業污染嚴重。并可以對河流系統提出加強流域生態系統保護和修復、加大水污染防治力度、強化流域水資源剛性約束、補齊流域防洪工程體系短板等方面的對策。

根據評價結果來看，對于不同等級的14條中小河流在以后的生態治理過程中應各有不同的側重點。Ⅳ級河流加強流域生態保護和高質量發展，強化流域管理保護工作，推進流域河段濕地生態修復，加快流域水環境綜合治理；Ⅲ級及以上河流應加大水污染防治力度，鞏固提升水環境質量，設置親水設施，促進人親水樂水。