閘壩對河流棲息地連通性的影響研究

孫 鵬 ，王 琳，王 晉，王 聰

(中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

0 引 言

河流棲息地是對水生生物直接或間接影響的多尺度下的物理化學(xué)條件的組合[1]。河流棲息地連通性是影響河流生態(tài)系統(tǒng)的重要因素，閘壩嚴重影響了水系的連通性[2]，使河流的流速、水深等水力學(xué)特征發(fā)生變化，改變了水系的水文學(xué)與熱力學(xué)特征[3]，并且阻礙了水生生物的運動[4,5]。因此針對閘壩對河流棲息地連通性影響的研究具有重要意義。

近年來，部分學(xué)者已經(jīng)重視了對陸地生態(tài)系統(tǒng)中棲息地連通性的研究[6-9]，然而，對于水生生態(tài)系統(tǒng)中棲息地連通性的研究相對不足。Grant等人把河流描述為一種樹枝狀的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，并且是空間格局網(wǎng)絡(luò)的一個特殊的組成部分[10]。盡管圖論已經(jīng)應(yīng)用到樹枝狀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中[11]，但Grant等人認為格狀網(wǎng)絡(luò)的連通性評價指數(shù)不能準確地表征樹枝狀網(wǎng)絡(luò)的連通性水平[10]。目前針對流域尺度下閘壩累積影響的研究并不多見，本研究以濰河流域諸城段為例，提取了1980年、1990年和2010年3個不同時期的閘壩分布圖，利用樹狀水系連通性指數(shù)的方法量化水系的縱向連通性，探討了閘壩對河流棲息地連通性的影響，并提出了拆除閘壩的優(yōu)先次序，從而為流域尺度上的河流棲息地連通性修復(fù)規(guī)劃提供科學(xué)參考。

1 樹狀水系連通性評價方法

樹狀水系連通性指數(shù)是根據(jù)閘壩的數(shù)量、可通過能力以及地理位置，定量評價水系的連通性水平。與網(wǎng)狀水系不同，樹枝狀水系中任意兩點間的路徑是唯一的，整個水系的連通性狀況主要取決于河網(wǎng)中任意兩點之間閘壩的數(shù)量、可通過能力以及河段長度。河段是指由于閘壩的存在而將河道分成的各個節(jié)段。閘壩具有相應(yīng)的可通過能力p，可通過能力是指生物體在溯流和降流兩個方向通過閘壩的能力，取決于其物理、化學(xué)、水文學(xué)特征以及生物體自身的生物學(xué)特征[2]。假定閘壩不占用實際空間，因而不會影響河網(wǎng)的總長度。假定由閘壩切割得到的每個河段內(nèi)部是完全連通的，則整個水系的連通性可視為任意兩個河段之間連通性的總和。據(jù)此，樹狀水系連通性指數(shù)DCI可采用以下公式進行計算：

式中：n為河段的數(shù)量，等于閘壩的數(shù)量加1；li與lj分別表示河段i與河段j的長度；L為河網(wǎng)的總長度；指數(shù)乘以100是為了將DCI的值調(diào)整為0～100之間，其值越高，表明連通狀況越好；cij為河段i與河段j的連通性，其值取決于河段i與河段j之間閘壩的數(shù)量以及可通過能力。假設(shè)生物體通過每個閘壩的能力是獨立的，也就是說生物體通過一個閘壩后，在任何情況下都不會影響其通過下一個閘壩的能力。如果河段i與河段j之間有M個閘壩，那么cij可用如下公式表示：

式中：pum表示生物體從下游至上游通過第m個閘壩的能力；pdm表示生物體從上游至下游通過第m個閘壩的能力。

2 實例應(yīng)用與分析

2.1 研究區(qū)概況

諸城市位于山東半島東南部，泰沂山脈與膠濰平原交界處，東與膠州、膠南毗連，南與五蓮接壤，西與莒縣、沂水為鄰，北與安丘、高密交界。東西最大橫距66.5 km，南北最大縱距72 km，總面積2 183 km2，南部山巒起伏，北部水網(wǎng)密布，素有“龍城水鄉(xiāng)”之稱[12]。

境內(nèi)河流眾多，濰河水系為境內(nèi)最大水系，主、支流呈葉脈狀分布，境內(nèi)長78 km，流域面積1 901.2 km2，占市境總面積的87%，河床上游比降為1/1 100，中游比降為1/1 700。河床最寬1 000 m，最窄250 m，最大泄洪量6 097 m3/s，多年平均地表水資源量4.59億m3[12]。近年來，由于閘壩的建設(shè)使水系的連通性發(fā)生了很大變化，河流棲息地連通性遭到嚴重破壞，給河流生態(tài)系統(tǒng)帶來很大壓力。

本研究主要探討閘壩對河流棲息地連通性的影響，選取諸城市境內(nèi)的濰河水系作為研究對象，不考慮諸城市境外河流的影響。在選取的水系范圍內(nèi)，共有蓄水量35萬m3以上的閘壩21座，見圖1。

圖1 濰河流域諸城段2010年閘壩分布情況Fig.1 The distribution of sluices and dams in the Weihe basin in the city of Zhucheng in 2010

2.2 數(shù)據(jù)與研究方法

本研究主要借助1∶320 000諸城市水系圖作為信息源，利用ArcGIS軟件進行數(shù)字化，獲取水系矢量數(shù)據(jù)，作為分析研究的基礎(chǔ)。利用ArcGIS分別測量每個河段的長度以及河網(wǎng)的總長度，進而計算整個水系的DCI指數(shù)，評價連通性水平。

2.3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

2.3.1閘壩的可通過能力對連通性的影響

以2010年閘壩分布圖為例，分別計算閘壩的可通過能力p從0增加到1的DCI指數(shù)，分析可通過能力對連通性的影響。

從圖2中可以看出，隨著閘壩可通過能力p的增加，DCI指數(shù)有逐漸增加的趨勢，并且增加的幅度越來越大。當00.8時，DCI指數(shù)有明顯增加，說明當閘壩的可通過能力p較高時，當p稍微變化，整個水系的連通性水平就會有明顯提升。根據(jù)以上分析可以看出，在修復(fù)河流連通性的過程中，可以優(yōu)先考慮可通過能力較好的閘壩，對提高整個水系的連通性水平效果更明顯。對于自然連通狀態(tài)下的河流，一旦建設(shè)閘壩，整個水系的連通性就會明顯下降，因此在工程規(guī)劃與建設(shè)過程中需要慎重考慮。

圖2 DCI隨閘壩可通過能力的變化情況Fig.2 The change of DCI with the passability of sluices and dams

2.3.2閘壩建設(shè)對連通性的影響

根據(jù)閘壩建成的時間以及地理位置，分別獲取1980年、1990年與2010年的閘壩分布圖，比較分析閘壩建設(shè)對連通性的影響。由于本部分主要研究1980-2010年間閘壩建設(shè)對連通性的影響，并且閘壩可通過能力的影響因素比較復(fù)雜，并不在研究范圍之內(nèi)，因此在以下研究中假設(shè)所有閘壩從上游至下游以及從下游至上游的可通過能力均為0.8。本研究主要探討的是閘壩對連通性的影響，因而不考慮1980-2010年間河道長度的變化。

圖3 不同時期閘壩分布圖Fig.3 The distribution of sluices and dams in different periods

從圖3可以看出，1980年、1990年及2010年閘壩數(shù)量分別為7個、17個和21個，利用樹狀水系連通性指數(shù)計算得出1980年、1990年及2010年的DCI指數(shù)分別為56.11、32.44、31.57。從1980-1990年，DCI下降了42.2%，從1990-2010年，DCI下降了2.7%。由此可以看出，閘壩建設(shè)嚴重破壞了水系的連通性，尤其對接近自然連通狀態(tài)的水系影響更為顯著。當河流中閘壩數(shù)量較少時，增加閘壩的數(shù)量會對水系的連通性產(chǎn)生較為嚴重的影響；而當閘壩的數(shù)量達到一定數(shù)量時，建設(shè)閘壩對水系連通性的影響相對較小。

2.3.3拆除閘壩的優(yōu)先次序

在現(xiàn)有閘壩的基礎(chǔ)上，分別計算拆除每個閘壩后整個水系DCI的變化情況，研究每個閘壩對整個水系連通性的影響，為河流棲息地連通性的修復(fù)提供一種參考。

從表1中可以看出，拆除不同的閘壩對水系的連通性有不同的影響，拆除閘壩q對整個水系的連通性影響最為顯著，DCI指數(shù)可增加4.37，而拆除閘壩u，DCI僅增加0.03。另外，拆除干流上的閘壩后，整個水系連通性的增量ΔDCI要明顯高于拆除支流上的閘壩，表明干流上的閘壩對水系連通性的影響要比支流上的閘壩更為嚴重。在修復(fù)河流連通性時，可以根據(jù)ΔDCI的值確定閘壩拆除的優(yōu)先次序，如q、r、h及l(fā)對水系整體連通性影響較大，可以優(yōu)先考慮拆除。

3 結(jié) 論

河流棲息地連通性是影響河流生態(tài)系統(tǒng)健康與穩(wěn)定的重要因素，對水生生物群落的形成具有至關(guān)重要的作用。閘壩的建設(shè)嚴重破壞了河流的連通性，對河流棲息地造成影響。本研究以濰河流域諸城段為例，采用樹狀水系連通性指數(shù)的方法對河流的連通性進行量化分析，探討了閘壩對河流棲息地連通性的影響，并探索性地提出了連通性修復(fù)的優(yōu)先次序，主要得到以下結(jié)論：

表1 拆除每個閘壩后DCI的變化情況Tab.1 The change of DCI after removing every sluices and dams

(1)河流的連通性隨著閘壩可通過能力p的增加有逐漸增加的趨勢，并且增加的幅度越來越大。當00.8時，DCI指數(shù)明顯增加。

(2)1980年、1990年及2010年整個水系的DCI指數(shù)分別為56.11、32.44、31.57。1980-1990年，DCI下降了42.2%，1990-2010年，DCI下降了2.7%。閘壩建設(shè)嚴重破壞了水系的連通性，尤其對接近自然連通狀態(tài)的水系影響更為顯著。

(3)根據(jù)拆除每個閘壩后整個水系連通性的增量確定閘壩拆除的優(yōu)先次序，該方法可為河流棲息地連通性的修復(fù)提供一種科學(xué)參考。

由于河流生態(tài)系統(tǒng)自身固有的復(fù)雜性，因此對河流棲息地連通性的研究尚有許多值得深入探討的地方。實際上，每個閘壩的可通過能力都不同，并且與生物體的類型、生長期等自身因素有關(guān)，這在以后的研究中需要深入探討。

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