甘肃省黑河中游段河流生态系统健康评价.pdf

第9 期2023年9 月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)0 9-0 0 8 0-0 4陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.9September,2023甘肃省黑河中游段河流生态系统健康评价王娟，牛晓宇，孙亚玲（甘肃省水环境监测中心，甘肃兰州7 30 0 0 0）【摘要以黑河中游段生态系统为评估对象，利用权法和层次分析法相结合的方法，通过水文水资源、物理形态、水质状况、水生生物和社会服务功能等5 个方面进行生态系统健康综合评价。结果表明：2 0 2 0 年黑河中游段河流健康状况已处于理想状态，综合赋分8 3.42；且所有具体指标均为理想状态，除了物理形态和水生生物表现为健康以外，同时应更加关注黑河中游段河流的连通性和水生生物的群落结构和数量，以提高相应河流健康评价。该结果为黑河中游段河流生态系统保护提供了重要依据，同时也对黑河河流生态系统的进一步改善提供了参考。【关键词黑河中段；生态系统；健康；权法；层次分析法【中图分类号X703.5【文献标识码AHealth Evaluation of River Ecosystem in the Middle Reaches of Heihe River in GansuProvinceWang Juan,Niu Xiaoyu,Sun Yaling(Gansu Province Water Environmental Monitoring Center,Lanzhou 730000,Gansu)Abstract:Heihe river in Gansu province is the largest river in the Hexi region,and its ecological environment isrelatively fragile.Therefore,it is very important to study the health of the Heihe ecosystem to protect the aquatic ecosystem inthe Hexi region.Herein,we chose the middle reaches of the Heihe River as the ecosystem evaluation object,using the entropyweight method and analytic hierarchy process,the ecological system health was evaluated in five aspects including hydrologyand water resources,physical form,water quality,aquatic organisms and social service functions.The results show that thehealth status of the river in the middle reaches of the Heihe river in 2020 is already in an ideal state,with a comprehensivescore of 83.42.All specific indicators are in an ideal state,except for the physical form and aquatic organisms that are athealth state.Meanwhile,we should pay more attention to the connectivity of the river in the middle reaches of the Heihe riverand the community structure and quantity of aquatic organisms to improve the health evaluation of the corresponding river.Our results not only provide an important basis for the protection of the river ecosystem in the middle reaches of the Heiheriver but also provide a reference for the further improvement of the river ecosystem in the Heihe river.Key words:Middle reaches of the Heihe river;ecosystem;healthy;the entropy weight method;analytic hierarchyprocess澳大利亚、美国、英国等许多国家对于河流的健康评价，建立了相对成熟的调查方法与评价体系，我国也于2 0 10 年提出了河流健康评估指标、标准与方法（试点工作用)-2,用于指导全国河流健康评价试点工作，为我国河流健康评价提供重要参考 3。河流健康评价的方法繁多，但是从评价理论上讲主要分为两大类，一类是预测模型，另一类是多指标统计分析4,两种方法相比，前者主要通过单一物种的变化对河流健康状况进行比较评价，且河流的任何变化都需反映到这一物种的变化上。如果河流的健康状况受到破坏，但并未体现到这一物种的变化上，就无法反应河流健康的真实状况，而采用综合指标评价，则可以避免。因此本文从河流的水文水资源、物理形态、水质状况、水生生物和社会服务功能五个方面对甘肃省黑河中游进行调查评估，再从每个方面选取相对重要的指标，采用模糊数学与层次分析方法相结合的分收稿日期2 0 2 3-0 2-16【基金项目甘肃省水利科学试验研究及技术推广项目（甘水建管发 2 0 2 1 7 1号第5 5）；甘肃省科技计划项目（2 1ZD4FA008）【作者简介王娟（19 8 9-），女，甘肃靖远人，工程师，主要从事水质监测和河湖健康评价工作。80.第9 期2023年9 月析方法进行健康评估 5 ,进而确定其不健康的主要表征，调查导致不健康的原因，提出修复与保护的建议，保障黑河中游水生态系统健康发展。1研究区概况黑河流经青海省北部祁连山区、甘肃省河西走廊和内蒙古自治区西部阿拉善各地，流经范围介于东经9 8 10 2、北纬37 5 0 42 40 之间。黑河干流以莺落峡和正义峡为界，划分为上中下游，正义峡以上为中游，河道长2 0 4km。目标层准则层径流年际变差倾向率水文水资源生态流量河流形态岸线自然状况河流纵向连通指数物理形态河岸带宽度指数天然湿地保留率违规开发利用水域岸河流线程度健康耗氧有机污染状况水质状况水体自净能力鱼类保有指数水生生物浮游生物多样性底栖动物多样性水功能区达标指标水资源开发利用指标社会服务功能防洪指标公众满意度2.2黑河评价指标权重的确定方法2.2.1层次分析法层次分析法是由美国著名的运筹学专家Saaty首先提出的，它合理的将定性与定量的决策结合起来，按照决策者的思维和心理的规律将决策的整个过程展现出来。按照层次分析的步骤首先确定层次结构，将指标进行两两比较建立判断矩阵，通常使用9 表度法。构造的判断矩阵应该具有一致性，因此所有指标构建的判断矩阵都要进行一致性检验，只有一致性矩阵，其最大特征值所对应的特征向量归一化之后可以代表指标的排序权重。(1)构造判断矩阵设所要构造的判断矩阵为A=（a j），其中元素a,的设定，根据下表所示的9 标度法确定两两指标重要性。陕西水利Shaanxi Water Resources2研究方法2.1评估指标体系的构建黑河中游段河流健康评估指标体系采用目标层、准则层和指标层3级体系，其中目标层是反映河流健康状况的总体水平；准则层是从不同方面反映河流健康状况的属性和整体水平；指标层是根据上述原则选取17 个指标组成，定量为主，定性为辅。表1黑河健康评价指标体系表指标层分指标河床稳定性河岸稳定性岸线植被覆盖率人河湖排污口规范化建设率人河湖排污口布局合理程度河湖“四乱”状况总磷、总氮、高锰酸盐指数、溶解氧、氨氮等溶解氧浓度公众对公众河湖环境、水质水量、涉水景观等的满意程度标度135792、4、6、8倒数因素i与j比较的判断aj,则因素j与i比较的判断j=（2）根据判断矩阵来计算特征值和特征向量首先利用MATLAB软件求得判断矩阵A的最大特征入max,最大特征值对应的特征向量为u=(ui,u2,u3,Lun）,将u进行归一化处理即可求得x;=.81No.9September,2023评估数据取样调查监测位置或范围评估河段内的水文站评估河段内的水文站评估河段监测河段监测断面所在左右岸采样区评估河段评估河段评估河段评估河段评估河段评估河段评估河段监测点位所在的监测断面评估河段监测点位所在的监测断面监测河段所有监测断面取样区评估河段评估河段评估河段评估河段评估河段评估河段表2 9 度表法含义表示两个因素相比，具有同样重要性表示两个因素相比，一个因素比另一个因素稍微重要表示两个因素相比，一个因素比另一个因素明显重要表示两个因素相比，一个因素比另一个因素强烈重要表示两个因素相比，一个因素比另一个因素极端重要上述两相邻判断的中值1ui=1第9 期2023年9 月（3）一致性检验通过计算一致性检验指标来判断矩阵A的一致性，首先入max-n计算CI=，再计算一致性比率CR=n-1RI机一致性指标由表4查得，当CR0.1时，则可以称矩阵A具有一致性。表3一致性指标矩阵阶数2RI00.580.91.12 1.24 1.321.411.452.2.2炳权法熵权法是一种客观的赋权方法，再具体使用的过程中，根据各指标的数据分散性，利用信息熵计算出各个指标的熵权，再根据各指标对熵权进行修正，就可得到较为客观的指标权重。（1）根据指标体系构造水平矩阵：R=(r)(2)对水平矩阵R进行归一化处理，同质指标采用公式(1）处理，已知指标采用公式（2）：i-min(r,)T=max(r/,)-min(r,)max(r,)-r;T max(r,)-min(r)(3)计算每个指标的摘值H：mH,=-kZfi Infi=11f=，1nm=1(4)计算每个指标的熵权W：1-H,W;=一n-ZH,j-1（5）计算各个指标的权重：WW=n-2W=12.2.3综合权重的确定综合权重的确定运用简单加权求和，主观赋权法和客观赋权法各占5 0%，利用公式：9:=0.5 x;+0.5W，计算，进而得到综合权重。2.3评价指标综合评分标准河流健康评估采用分级指标评分法，逐级加权，综合评分。河流健康分为5 级（表4）：理想状况、健康、亚健康、不健康、病态，河湖健康等级，类型，颜色代码见表4。.82.陕西水利Shaanxi WaterResources等级CI1,其中RI为随2345综合健康指数计算公式为：345No.9September,2023表4河流健康评估分级表类型颜色理想状况蓝健康绿亚健康黄不健康橙病态红67赋分范围80-10060-8040-6020-400-2089(1)(2)(3)(4)(5)(6)nSi-Zq:xaj1式中：S,为综合健康指数；a,为标准化后的各指标数值；9 i为评价指标的权重。3结果与分析3.1水文水资源评估分析水文水资源状况评价为理想状态。本准则层包括径流年际变差倾向率和生态流量两个评价指标，评估河段选取的代表站为莺落峡站和高崖站，径流年际变差倾向率分别为0.0041、0.0 0 38,表明黑河张掖莺落峡一正义峡段径流呈逐年上升趋势，利于区域生态环境的改善。生态流量指标中，莺落峡段和高崖段均为汛期大于非汛期，总体生态流量满足程度好。3.2物理形态评估分析物理形态状况评价为健康。分析结果表明评估河段河流形态基本处于稳定状态，岸线植被覆盖属于高密度覆盖，岸坡植被覆盖度为邻近基本稳定，岸坡倾角属于稳定，岸坡高度变化介于次不稳定和基本稳定之间，河岸基质属于次不稳定，河道属于中度冲刷，综合分析河岸稳定性介于次不稳定和基本稳定之间。河岸带宽度指数为本次评估新增指标，评估结果接近河岸带宽度适中。评估河段影响河流连通性的水利设施均无过鱼设施，影响了鱼类的洄游、繁殖及索饵，限制了鱼类生存空间。因无湿地的最新遥感解译数据，从更新的水域面积可以看出，2 0 15 年后黑河甘肃境内水域面积出现大幅增长，间接反映出评估段天然湿地保留率也在逐年增长。2 0 19 年全国污染源普查数据显示，评估河段人河排污口规范化建设率差，布局合理程度中等。通过梳理2 0 2 0 年水利部河长制督查暗访问题清单中的“四乱 问题，虽然2 0 2 0 年12 月底均已清零，但违规开发利用水域岸线程度仍然处于较高状态。3.3水质评估分析水质状况处于理想状态。水体自净能力赋分10 0 分，说明评估河段水体自净能力好。3.4水生生物分析评估水生生物状况评价为健康状态。鱼类保有指数较低，底栖生物、浮游植物和浮游动物的多样性指数均与2 0 15 年调查分析结果接近，表明近5 年内没有明显变化，可以确定生物状况良好。综合以上黑河水体生物多样性的丰富性，生物状况良好。3.5社会服务功能分析评估社会服务功能状况评价为理想状态。通过分析2 0 2 0 年甘肃省生态环保厅提供的水功能区水质监测代表断面的监(6)第9 期2023年9 月测成果，评估河段内水功能区水质达标率为理想状态。依据2020年甘肃省水资源公报数据，评估河段水资源开发利用状况比较合理。根据2 0 2 0 年水利厅统计的已治理的城防段及农防段的规划标准及数据，评估河段防洪指标均达标。公众满意度指标为本次评估新增指标，采用问卷调查的测评方式，调查对象为评估河段沿线城镇生活居民及水利系统相目标层准则层水文水资源物理形态违规开发利用水域岸线程度河流健康耗氧有机污染物状况水质状况水体自净能力鱼类保有指数水生生物浮游生物多样性底栖动物多样性水功能区达标指标水资源开发利用指标社会服务功能防洪指标公众满意度4存在问题4.1河流纵向连通性差本次评价河段为黑河张掖莺落峡至正义峡，在2 0 4km的评估河段内共有两个影响河流连通性的设施，分别为龙首一级电站和黑河草滩庄水闸枢纽进水闸。按照评估方法每百公里有多少个阻隔设施来算，河流纵向连通指数偏低，为20.8。若是评估整条黑河干流，则河流纵向连通指数将升高，影响黑河干流连通阻隔的水利工程只有这两处。4.2鱼类保有指数偏低通过监测及调查，对比历史资料分析显示,2 0 15 年的鱼类保有指数为6 5%,2 0 2 0 年的为5 2.2%，鱼类保有指数相比上一个评价年略有下降，可能与黑河干流连通性有关，进而影响鱼类的洄游、繁殖及索饵,限制了鱼类的生殖环境(产卵场)有关。5建议5.1逐步开展水生态修复工作水利工程对河道的阻隔明显，影响河流的纵向连通性，进而影响鱼类的洄游、繁殖。建议新修的水利工程中加修鱼道，保障鱼类的生存空间，保持黑河水生生物多样性，遏制鱼类资源退化。5.2加强水生态监测，建立完整的水生态网络体系水生态监测是做好河湖生态流量保障、水利工程过鱼设施设计与建设、供水保障等水利工作的先决条件，也是研究陕西水利Shaanxi WaterResources关从业人员，调查结果为满意。3.6综合评估结论从河流的水文水资源、物理形态、水质状况、水生生物、社会服务功能五个方面对黑河中游段河流健康情况进行全面评估，黑河中游段河流健康综合赋分为8 3.4分，为理想状况。赋分结果见表5。表5 黑河张掖莺落峡一正义峡段健康赋分结果指标层权重径流年际变差倾向率0.3333生态流量0.6667河流形态0.1667岸线自然状况0.1667河岸带宽度指数0.1667河流纵向连通指数0.1667天然湿地保留率0.16660.16660.50.50.33330.33330.33330.250.250.250.25摸清自然生态水文规律，实现系统思维管水治水，做好新发展阶段水利工作的重要支撑。水利部多次要求开展水生态监测，目前甘肃省农业及其他部门均未开展此类监测，水生态监测体系不完善。建议加强水生态监测，建立完整的水生态网络体系。5.3加大宣传教育力度鼓励公众参与河流健康保护加强健康河流保护的宣传工作，努力提高民众的生态保护意识。保障人民群众对河流健康评估的知情权、参与权、表达权和监督权，充分调动全民积极性，在全社会形成一个保护河流环境、节约水资源的良好风气。1 Fryirs K.Guiding principles for assessing geomorphic river condition:application of a framework in the Bega catchment,South Coast,NewSouth Wales,Australia.CATENA,2003,53(1):17-52.2 Wilson M A,Carpenter S R.Economic valuation of freshwaterecosystem services in the United States:1971-1997.EcologicalApplications,1999,9(3):772-783.3鲍艳磊，田冰，张瑜.雄安新区河流健康评价 J.生态学报,2 0 2 1,41（15）：5 9 8 8-5 9 9 7.4唐涛，蔡庆华，刘健康，等.河流生态系统健康及其评价 J.应用生态学报,2 0 0 2,13(9):119 1-119 4.5李栋，王立权，李铁男，等.层次分析法和模糊数学模型在汤旺河健康评价中的应用 .水利科学与寒区工程，2 0 2 1,4（3：4.83No.9September,2023赋分权重1000.151007566.399020.810019.68010032.490901009210086.16得分1000.261.970.15900.270.80.394.5参考文献得分与结论83.4理想状况