河流形態(tài)變化的水資源管理意義

(水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012)

1 理論的平衡的河流形態(tài)

本文所指河流形態(tài)是指在不同的時間節(jié)點上河流的任意過水斷面和縱向形態(tài): 過水斷面包括水面寬和水深分布；以及縱向形態(tài)包括比降、潭-灘的分布、河床的組分和結(jié)構(gòu)、河岸的組分和結(jié)構(gòu)。河相關(guān)系是反映河流形態(tài)的一個重要指標。沖積河流通過自動調(diào)整作用，作為較長時間的平均情況來說，有可能處于相對平衡的狀態(tài)，在斷面形態(tài)和縱剖面與流域因素之間應(yīng)該存在某種定量關(guān)系，這種定量關(guān)系一般稱為河相關(guān)系[1]。河相關(guān)系寫成數(shù)學方程式為[1]：

式中B——河槽的水面寬；

h——河槽的平均水深；

J——河流的縱比降；

Q——來水量及其過程；

G0——來沙量及其過程；

D0——來沙的組成。

因此,存在一個理論上相對穩(wěn)定的河床,并且,在河相關(guān)系穩(wěn)定的情況下,假設(shè)天然來水和來沙是有規(guī)律的,那么,存在一個相對平衡的河流形態(tài),以時間為坐標有規(guī)律地變化，稱之為理論的天然河流形態(tài)。

從河相關(guān)系公式可以看出，來水量和水量過程、來沙量及來沙過程、來沙的組成會影響河流的河寬、水深和比降；在同樣的來水過程下，河流的形態(tài)反過來也會影響河流中的泥沙運動和沉積，影響河岸和河槽物質(zhì)的組成;在同樣的流域來沙條件下，河流的形態(tài)也會影響河道產(chǎn)水量和產(chǎn)流過程。水沙運動的變化是河床演變的基礎(chǔ)，河床演變會引起河流演變。

水資源開發(fā)利用如果直接改變天然河流形態(tài)，可造成即時的局地水環(huán)境影響，而從更大尺度的時間、空間看，它會比自然過程更快地影響整條河流的形態(tài)和水環(huán)境。如果用水是有規(guī)律的，而且不直接改造河床，那么天然河流形態(tài)會尋找到一個新的平衡；如果人為的河床改造是有完成時的，那么天然河流也會尋找到新的平衡。

2 河流形態(tài)的環(huán)境意義

2.1 影響水資源量

2.1.1 河流槽蓄量

河床演變會引起平均河寬、平均河深的變化，由于彎道演變成直道或者人為的裁彎取直都會影響河流的總長度，這些情況的變化都會引起河槽蓄水量的變化。河床與河岸的變化也會使河槽表面積變化，直接減弱河流蓄接雨水和匯納徑流的能力。

2.1.2 河流潭-灘變化

河床演變會引起深潭和灘地的變化。如果水流條件和水沙條件發(fā)生變化導致深潭萎縮，河道的蓄水量就會減少。來水和來沙的變化會影響河中灘地的發(fā)育，使過水遇到更大更多阻力，消耗水能和水量；如果灘地被利用或植被茂密，那么植物的蒸騰作用會增加耗水。

2.1.3 水文循環(huán)

河流中的水直接通過下滲作用補給地下水水量，補給量取決于地質(zhì)和地貌情況；而地下水流動到與地表水相通的地方也可補給地表水。所以，地表水與地下水的相互轉(zhuǎn)換在很大程度上取決于河流河床的下墊面條件。如果河流發(fā)生了演變，河床的位置改變了，會影響地表水與地下水的相互轉(zhuǎn)換，會影響地表水資源量。

2.2 影響水生態(tài)系統(tǒng)

河流的河槽、河岸、包括洪泛區(qū)是水生動物、水生植物、微生物的棲息地，河床地形、地質(zhì)及下墊面條件，河流的水文、水力學特征共同構(gòu)成了水生態(tài)環(huán)境。在這個水生環(huán)境中，物質(zhì)和能量通過食物網(wǎng)進行傳輸，并同時與外界進行交換。河岸和洪泛區(qū)的物質(zhì)組成也會影響棲息于此的生物環(huán)境。

因而，當河流形態(tài)變化、水文情勢、水力學特征變化時，水生態(tài)環(huán)境也有響應(yīng)。

2.2.1 基質(zhì)

河流基質(zhì)主要包括基巖、潭石、鵝卵石、礫石、沙、泥等，底棲生物主要生活在這里。生物表現(xiàn)出對基質(zhì)的偏好，基質(zhì)和水文要素共同影響這里的生物[2]?；|(zhì)對很多淡水魚類產(chǎn)卵都非常關(guān)鍵。水生昆蟲也選擇特定的基質(zhì)產(chǎn)卵[2]。

2.2.2 水文和水力學條件

生態(tài)學家們強調(diào)，必須考慮河川徑流的五大要素以確保河流生態(tài)系統(tǒng)的需求：河流的流量大小、出現(xiàn)頻率、持續(xù)時間、出現(xiàn)時間、增加或減少的速度都會影響河流生態(tài)系統(tǒng)[2]。水力學條件(雷諾數(shù)、平均流速、剪切流速、流速與水深的比值等)對微生境及生物的影響很大[2]。有研究發(fā)現(xiàn)底棲無脊椎動物的棲息地偏好顯示為流速的函數(shù)[2]。水位波動會抑制微生物活性，降低落葉分解速率[2]。

2.2.3 水溫

河流水溫是決定水生生物體代謝速率、空間分布及種群演替的一個重要環(huán)境因素[2]。落葉分解速率隨溫度升高而增大[2]。

2.2.4 水質(zhì)

水體pH值較低時會抑制微生物和無脊椎動物的活性，重金屬污染影響撕食者和微生物活性，這些都會影響落葉分解速率[2]。河水的離子濃度較低時，物種數(shù)目較少；許多生物類群明顯是“軟水”或“硬水”型[2]。氣體在水中的溶解度對生物也是有影響的，如魚類需要合適的溶解氧濃度，而藻類的光合作用需要CO2。

2.3 影響水質(zhì)

污染物進入水體后可以溶解態(tài)或懸浮態(tài)隨水流遷移、轉(zhuǎn)化或生物利用，也可以被懸浮顆?；虻啄辔匠恋怼：恿餍螒B(tài)的改變會極大地改變河流水、沙的平衡和狀態(tài)，影響水生物，從而影響河流水體自凈，影響地表水水質(zhì)乃至地下水水質(zhì)。

2.3.1 河流輸沙和沉積物

河流能帶動的輸沙包括懸移質(zhì)和推移質(zhì)。很多污染物附著在輸沙和沉積物中，沉積物表面有生物膜，對水體有凈化作用。

研究表明，通過各種途徑進入水體的金屬，絕大部分將迅速轉(zhuǎn)入沉積物或懸浮物中[3]。有機污染物在沉積物中也有分布：有機氯農(nóng)藥由于難以被化學降解和生物降解，故很大一部分被分配到沉積物有機質(zhì)和生物脂肪中；多氯聯(lián)苯即使在水中濃度很低時，在水生生物體內(nèi)和沉積物中的濃度仍然可以很高；多環(huán)芳烴化合物的最終歸趨可能是吸附到沉積物中，然后進行緩慢的生物降解[3]。河床沖刷將大量帶走沉積物，同時帶走污染物，并有可能將這些污染物重新釋放到水中。河床淤積將使外來污染物沉積于此，并有可能緩慢釋放于環(huán)境中，影響水質(zhì)和水生物。河床沖刷或淤積破壞原來的床底生物膜，影響水體自凈。

水體中顆粒物對一些污染物質(zhì)有吸附作用，包括物理吸附、物理—化學吸附和專屬吸附[3]。水環(huán)境中顆粒物的凝聚或絮凝是一個復雜的物理、化學和生物過程。污染物有吸附-解吸的過程，也有被沉積物釋放到水中的過程。懸移質(zhì)、推移質(zhì)、沉積物可以相互轉(zhuǎn)化。這些過程受到水力學條件、水文條件和水質(zhì)、水溫的影響，也決定著污染物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和遷移。懸浮沉積物的粒度分配、結(jié)構(gòu)組成會影響吸附和顆粒物凝聚或絮凝，從而影響水質(zhì)。

2.3.2 水生物對水質(zhì)的影響

生物降解是引起水中有機污染物分解的最重要的環(huán)境過程之一，影響生物降解的主要因素是有機物本身的化學結(jié)構(gòu)和微生物的種類，溫度、pH、溶解氧等會影響降解速率[3]。微生物利用一些有機污染物進行生長代謝時，必須使微生物適應(yīng)這種化學物質(zhì)，實驗表明，一般需要2～50d的滯后期，一旦微生物群體適應(yīng)了它，降解是相當快的[3]。微生物利用有機物進行共代謝分解時，沒有滯后期；但共代謝降解速度一般比完全馴化的生長代謝慢，直接與微生物種群的多少成正比[3]。河流河床的擾動和水、沙平衡的破壞會改變微生物的生存環(huán)境，影響微生物種群的分布，抑制微生物的活動，影響水體自凈。

一些污染物主要靠生物作用降解。如：酚類化合物的主要遷移、轉(zhuǎn)化過程是生物降解和光解[3]。

2.3.3 水文和溫度的影響

污染物進入水體首先是被水稀釋，河流流量的大小決定了污染物以及其他離子的濃度，包括pH值。這對污染物的溶解-沉淀、水解等化學過程有重要影響。污染物濃度也影響它的轉(zhuǎn)化和遷移。如：有機磷農(nóng)藥只有在水中濃度較高時才被沉積物明顯吸收[3]。水體的pH值可以影響污染物在水體中的存在形式，決定它的毒性、遷移或轉(zhuǎn)化。

流量或河床形態(tài)的改變會改變水深，水深的改變會影響水溫，水深和水域面積會影響水體的復氧能力，這對河流水體的生物以及化學自凈都是很重要的。當微生物對有機物進行缺氧分解時，分解產(chǎn)物為NH3、H2S、CH4等，將會使水質(zhì)進一步惡化[3]。水中溶解氧的濃度和pH值是影響氧化-還原環(huán)境的重要因素。而水體中氧化還原的類型、速度和平衡，在很大程度上決定了水中主要溶質(zhì)的性質(zhì)[3]。水深還影響著污染物質(zhì)的揮發(fā)速率和光解速率。水體中氧的濃度和懸移質(zhì)也影響著光解作用[3]。

水體通過物理、化學及生物方式自凈，各種作用和反應(yīng)都需要在某種特定條件下維持一定的時間，而流速是會影響這些作用，流速也決定了污染物隨水流遷移的速度。

2.4 影響地下水

河流形態(tài)的改變，會改變地表水和地下水之間的補給關(guān)系。地下水水位下降會導致地面塌陷。地下水水位上升與巖土體相互作用會導致滑坡。河床基質(zhì)的礦物組成、粒徑范圍和孔隙大小會影響由地表水向地下水輸送水汽、氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)[2]，所以河床基質(zhì)的改變會影響地下水水質(zhì)。

3 水資源開發(fā)利用對河流形態(tài)的影響

3.1 水能資源開發(fā)

水能的存在對維持河床穩(wěn)定非常重要。水能資源的開發(fā)利用會減小水流的水能，降低河流輸送泥沙的能力，破壞原來的水沙平衡，帶來泥沙淤積，有害物質(zhì)沉積，長期影響會造成河床萎縮，減少河流水資源量，引起河床邊界條件和組成物質(zhì)的改變，甚至河流演變。水能資源開發(fā)會減小流速，從而影響水文過程和改變水生態(tài)環(huán)境，影響水體自凈。對引水式電站來說，被引水河段如果保護不當，可能發(fā)生斷流，使整條河流分割，更快地發(fā)生河流演變。無論從裝機容量還是從電站數(shù)量上大規(guī)模地開發(fā)中、小水電，會帶來水文情勢和河床的極大擾動和頻繁擾動，這種情況下河床演變會來得更快，水能開發(fā)過度會導致水資源供需矛盾和行洪不暢。水能資源開發(fā)會導致入河口水能的減少，中小河流一旦在匯入大河前造成河口淤積，甚至會發(fā)生洪水倒灌。如果為建水電站而造水庫，水庫本身具有造床作用已是共識?？傊苜Y源開發(fā)會帶來河流形態(tài)演變，會影響水量、水質(zhì)和水生態(tài)系統(tǒng)。水電作為清潔可再生能源是有邊界條件的，需要科學的水資源與環(huán)境的管理為保障。此外，水能資源利用對水循環(huán)的頻繁干擾會使水文預(yù)報不準，增加抗災(zāi)減災(zāi)的難度。

如果一個流域的水電開發(fā)過度，河口區(qū)的河流形態(tài)改變會造成水量和水質(zhì)的變化；同時，在出水水能量減少的情況下，在河口處造成淤泥增加，可能造成海水入侵，不僅會造成河口地區(qū)的水和土壤污染，還會影響該地區(qū)的國民經(jīng)濟用水、航運等。而頻繁地清淤對河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的擾動也是一個挑戰(zhàn)。

3.2 灌溉用水

農(nóng)業(yè)用水量大，用水面廣，多需要采取蓄、引、提等水利工程措施，一定程度上參與了天然水文循環(huán)，這種利用方式如果是穩(wěn)定的，對河流形態(tài)改變的影響也是可以預(yù)測和加以環(huán)境保護措施的。為了提高輸水渠的渠系利用系數(shù)，大多采用不透水材料來取代土壤，使得水流的自凈能力降低，沿程土壤吸收的水分、補充包氣帶水明顯減少，即使在降水條件下，直接的地下水補給和壤中流匯流補給地下水的能力減弱，會減小河道基流。從一個小范圍看，渠系利用系數(shù)提高是節(jié)水的，但從更廣的范圍看，情況卻不一定是積極的。

3.3 河道整治

城市及其郊區(qū)的河道整治是為了河道本身的治理，如清潔、防洪等；也是為了滿足城市建設(shè)的需要，如修路、建設(shè)等。需要注意的是河流的彎道不僅增加了洪水的路徑，還能削減洪水的能量，降低其破壞性。此外，彎彎曲曲的河流有一種天然的美；清潔的河灘可以滯洪，也可以豐富水生態(tài)環(huán)境，還可以增加人水親近的范圍。所以人為地裁彎取直、與水爭地、河灘渠道化等工程措施需要考慮河流形態(tài)變化造成的水環(huán)境影響和水資源影響。

4 結(jié)論與建議

水資源利用對河流形態(tài)的影響既可以是局地小段的、短期的也可以是長期的，對整條河流甚至是流域的影響。河流形態(tài)的改變會改變河流水文條件、河流水力條件、區(qū)域水文循環(huán)，從而改變水資源量、水質(zhì)和水生態(tài)系統(tǒng)，影響洪水過程，影響河流生產(chǎn)力。此外，還會影響地下水，造成地質(zhì)災(zāi)害隱患。同時，大規(guī)模開發(fā)水能對河流的造床作用、對流域生態(tài)系統(tǒng)的擾動及對河流生產(chǎn)力的影響也需引起重視。因此，水資源開發(fā)利用需要進行河流形態(tài)影響的評估，控制對水和環(huán)境的不利影響。

[1] 錢寧,張仁,周志德.河床演變學[M].北京:科學出版社,1987:339.

[2] J.David A.Maria M.C.河流生態(tài)學[M].北京:中國水利水電出版社,2017:44-93.

[3] 戴樹桂,岳貴春,王曉蓉,等.環(huán)境化學[M].北京:高等教育出版社,1997:86-155.