城市河流蜿蜒度變化對河流生態(tài)環(huán)境影響的量化研究

于子鋮，趙進(jìn)勇，王 琦，張 晶，彭文啟，韓會玲

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北保定071001）

0 引 言

河流不能只單一的研究，需要結(jié)合其存在與演進(jìn)的大背景［1］。城市河流是自然生態(tài)系統(tǒng)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)相互聯(lián)系的重要紐帶［2］。近些年來，隨著城市化的推進(jìn)與發(fā)展，城市河流的整治往往會更加的關(guān)注行洪與資源開發(fā)利用，常常會忽略河流的生態(tài)狀況與水質(zhì)情況［3］。水流與河流的平面形態(tài)共同設(shè)定河流生態(tài)系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，影響河流生態(tài)系統(tǒng)功能［4］。渠道化、人工化等河流整治方式令河流的平面形態(tài)發(fā)生改變，從而水流運動狀態(tài)隨之改變，影響污染物在河流中的混合、擴(kuò)散、稀釋與遷移［5］。此整治方式除使河流水質(zhì)發(fā)生惡化之外，還會破壞河流內(nèi)部的地貌多樣性，致使自然河流中的主流、支流、淺灘與急流相間的格局發(fā)生變化，這種變化直接造成水中生境的退化，河流生物急劇減少或消失［6］。

近年來，許多專家在河流蜿蜒程度與河流生態(tài)環(huán)境之間關(guān)系進(jìn)行了研究。2008年張亮［7］等人，構(gòu)建以河道形態(tài)、河岸帶狀況、河床形態(tài)作為一級指標(biāo)的河流形態(tài)學(xué)評價方法，得出河流形態(tài)的綜合形態(tài)學(xué)指數(shù)與河流自凈能力呈正相關(guān)的關(guān)系。2014年，何嘉輝［8］等人選取TP、NH3-N 等特征性指標(biāo)，對河流線型與河流自凈能力的關(guān)系進(jìn)行了量化研究，得出了水質(zhì)指標(biāo)沿程消減率與河流線型蜿蜒程度呈現(xiàn)正相關(guān)。2018年，孫然好［9］等人以海河流域為例分析了不同河流生境水生生物特征的差異，揭示了魚類多樣性高的局部區(qū)域共性是河流比降大、斷流風(fēng)險低的區(qū)域，在大尺度角度分析下河流蜿蜒度對于魚類多樣性影響較小。

本文選取北京市南沙河老牛灣附近河段為研究河段，從生物棲息地與河流水質(zhì)兩個方面，利用MIKE21 與RIVER2D 模型進(jìn)行河流蜿蜒度變化對河流生態(tài)環(huán)境影響的量化研究，旨在明確河流蜿蜒程度對河流生態(tài)系統(tǒng)的重要性，從而為城市河流整治提供理論依據(jù)，同時為南沙河的規(guī)劃發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)域概況

南沙河是海淀地區(qū)重要的排洪河道，貫穿海淀新區(qū)中部，干流大約長23 km。南沙河在京包快速路西側(cè)、老牛灣附近有一段U 型彎道，河道轉(zhuǎn)彎半徑非常小。經(jīng)過現(xiàn)場踏勘與資料收集，老牛灣附近的魚類主要有鰻鱺、麥穗魚、大鱗泥鰍、鯉魚、鯽魚和草魚等魚類?；谘芯繀^(qū)域?qū)嶋H狀況與代表性和易操作性等選取原則，選擇鰻鱺與鯉魚作為指示魚類。查閱北京市相關(guān)規(guī)劃與標(biāo)準(zhǔn)，南沙河水質(zhì)類別定位為Ⅳ類水體。但在2017年的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果中，老牛灣附近河段的現(xiàn)狀水質(zhì)為劣Ⅴ類，COD、TP 嚴(yán)重超標(biāo)。因此，選取COD、TP 作為特征性指標(biāo)，用于探討蜿蜒度與河流水質(zhì)之間的關(guān)系。

2 模型建立

2.1 模型介紹

2.1.1 MIKE 21模型

MIKE21 是丹麥水力研究所研發(fā)，是一款集水動力、水質(zhì)以及波浪等多方面多功能的大型商業(yè)性軟件。在目前，其主要用于水體的（包括河流、海灣與海洋臨近岸邊的區(qū)域）水流和水環(huán)境的模擬，其中最核心最基礎(chǔ)的模塊是水動力學(xué)模塊（HD）［10］，水質(zhì)模塊需在其基礎(chǔ)上進(jìn)行搭建，水質(zhì)模型可以研究水體污染物的遷移轉(zhuǎn)化。

水質(zhì)模塊的控制方程為對流擴(kuò)散方程，具體見下式：

式中：C是污染物濃度；Dx，Dy為x與y方向上的擴(kuò)散系數(shù)。

2.1.2 RIVER2D模型

RIVER2D 由加拿大Alberta 大學(xué)研制開發(fā)，可被用來進(jìn)行水動力、魚類棲息地的模擬。RIVER2D模型進(jìn)行魚類棲息地模擬首先需要確定目標(biāo)魚類各微生境因子的適宜曲線，其次將各個影響因子適宜值按順序進(jìn)行組合分析，從而匯總分析得到目標(biāo)魚類的加權(quán)可利用的面積Weighted Usable Area ，簡稱WUA［11］。

式中：n為單元個數(shù)；Ai為計算單元的面積；CSF（Vi，Ci，Di）代表的是每一單元綜合的適宜性值；i代表的是劃分單元的個數(shù)；V、C以及D三者分別為流速、河床底質(zhì)與水深適宜度指數(shù)。

2.2 不同蜿蜒度的構(gòu)建

蜿蜒度為河段兩端點之間河流彎曲弧線長度與直線長度的比值［12］。根據(jù)蜿蜒度定義以及研究區(qū)域?qū)嶋H狀況，基于實地勘測數(shù)據(jù)，利用復(fù)制法（復(fù)制周邊散點高程）、插值法（利用MIKE 模型內(nèi)插高程）構(gòu)建6 種不同的蜿蜒度，依次為1.89（現(xiàn)狀）、1.50、1.40、1.30、1.20、1.02（規(guī)劃）。具體網(wǎng)格圖見圖2。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

圖2 不同蜿蜒度Fig.2 Different sinuosity

2.3 模型的建立

2.3.1 邊界條件與參數(shù)設(shè)定

結(jié)合實地調(diào)研與相關(guān)數(shù)據(jù)梳理，MIKE21 水動力模塊上游邊界設(shè)置為78 m3/s，下游邊界設(shè)置為35 m。河床底床摩擦力取34 m1/3/s。水質(zhì)模型在水動力模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行搭建，邊界初始條件為COD 57、TP 0.63 mg/L。River2d 模型設(shè)置的上下游邊界、底床摩擦力與MIKE水動力模型相同。

結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H狀況，在本次水質(zhì)模擬中，河流中污染物COD、TP 的降解系數(shù)分別取為0.18、0.06（1/d）左右。初始水位取35 m，COD、TP初始濃度為57、0.63 mg/L。

2.3.2 適宜性曲線的確定

適宜性曲線將魚類生長和環(huán)境因子之間關(guān)系進(jìn)行了定量化，本文參考相關(guān)專家學(xué)者文獻(xiàn)［13-19］，經(jīng)歸納分析，得出指示魚類的適宜性曲線。

圖3 流速水深適宜性曲線Fig.3 Suitability curve of velocity and depth

2.3.3 控制斷面位置

基于實地調(diào)研和相關(guān)數(shù)據(jù)，選擇彎曲段后A-A（491866，327386）、斷面出口B-B（493720，327565）作為控制斷面。不同平面形態(tài)控制斷面圖見圖4。

圖4 不同平面蜿蜒形態(tài)所選控制斷面圖Fig.4 Selected control cross-sections of meandering shapes in different planes

2.3.4 模型率定

依據(jù)2008年的《南沙河綜合整治相關(guān)規(guī)劃》，南沙河治理標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，對應(yīng)洪峰流量520 m3/s。將模型模擬水位與2016年《海淀區(qū)南沙河（上莊閘～區(qū)界）清淤治理工程》（已批復(fù)正在實施）設(shè)計水位進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)水位基本吻合，相對誤差較小，模型數(shù)據(jù)可靠。

圖5 斷面示意圖Fig.5 Sectional schematic

3 結(jié)果分析

3.1 模擬結(jié)果

3.1.1 水深分布

不同平面蜿蜒形態(tài)水深模擬結(jié)果圖見圖6。

圖6 水深分布圖（1.89～1.02）Fig.6 Water depth distribution map

由圖6 可以看出，隨著蜿蜒度的降低，水深區(qū)間也逐漸變小，由0～2.8 m 降至為0.15～2.25 m，水深多樣性呈現(xiàn)遞減趨勢。河段下游尤其是彎曲部分至出口段，隨著蜿蜒度降低，明顯可以看出水深逐漸變深，整體河段水深呈現(xiàn)均一性。

表1 斷面1～6模擬與設(shè)計水位Tab.1 Section 1～6 simulation and design water level

3.1.2 水質(zhì)

根據(jù)對不同平面蜿蜒形態(tài)的水質(zhì)情況對比，量化分析河流的蜿蜒程度對河道水質(zhì)的影響。不同平面蜿蜒形態(tài)水質(zhì)模擬結(jié)果圖見圖7～10。

由圖7～10可知，無論是COD 還是TP，兩斷面濃度都隨時間的變化呈下降趨勢。針對兩指標(biāo)下降趨勢來說，因降解率的不同，COD 降解更快一些。除蜿蜒度最小形態(tài)，其余蜿蜒度下兩個斷面的濃度變化圖都存在一個拐點，存在一個極大值。根據(jù)實際狀況推測這種情況的原因，在模型設(shè)置中，這兩個斷面默認(rèn)開始有水。由于河流的自凈，河流水質(zhì)整體呈現(xiàn)變好的趨勢。等上游來水到達(dá)此位置，河流污染物濃度會有一個小趨勢上升。無論是時間上還是空間上，蜿蜒度為1.89 的水質(zhì)情況都整體好于蜿蜒度為1.02的。

圖7 不同蜿蜒度下A-A斷面COD濃度變化Fig.7 Changes of COD concentration in A-A section under different sinuosity

圖8 不同蜿蜒度下A-A斷面TP濃度變化Fig.8 Changes of TP concentration in A-A section under different sinuosity

圖9 不同蜿蜒度下B-B斷面COD濃度變化Fig.9 Changes of COD concentration in B-B section under different sinuosity

圖10 不同蜿蜒度下B-B斷面TP濃度變化Fig.10 Changes of TP concentration in B-B section under different sinuosity

3.1.3 有效棲息地面積

不同蜿蜒度下，目標(biāo)魚類有效棲息地面積分布圖見圖11。

圖11 棲息地分布（蜿蜒度1.89～1.02）Fig.11 Habitat distribution（sinuosity 1.89～1.02）

WUA數(shù)值越大表示越適宜，由圖11 可知，棲息地的分布存在差異，但大多分布在河段開始部位與拐彎部位，蜿蜒度相鄰的形態(tài)（如1.89 與1.5、1.4 與1.3）分布差異不是太為明顯，但蜿蜒度持續(xù)降低，分布差異會較為明顯，蜿蜒度為1.02 的形態(tài)，有效棲息地面積最小，并且分布不連續(xù)。從整體來看，魚類有效棲息地面積隨著蜿蜒度的逐漸減小而減小，當(dāng)蜿蜒度為1.02時，WUA最小。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 蜿蜒度變化對河流水質(zhì)影響分析

對不同蜿蜒度下，兩斷面穩(wěn)定后的COD、TP 濃度進(jìn)行歸納梳理。趨勢圖見圖12。

圖12 不同蜿蜒度下兩斷面COD、TP濃度變化趨勢圖Fig.12 Trends of COD and TP concentrations in two sections of meandering in different planes

由圖12 知，隨著蜿蜒度的增大，兩斷面COD、TP 的濃度整體都呈一個下降的趨勢。針對蜿蜒度1.89 的河段，A-A 斷面最后COD、TP 濃度約為56.43、0.627 8 mg/L，B-B 斷面最后COD、TP 濃度約為56.27、0.627 4 mg/L；蜿蜒度為1.02 的河段，A-A 斷面最后COD、TP 濃度約為56.72、0.628 9 mg/L，B-B 斷面最后COD、TP 濃度約為56.55、0.628 2 mg/L。明顯可以看出，蜿蜒度大的河流，其自身調(diào)節(jié)能力明顯好于蜿蜒度低的河流，河道水質(zhì)狀況較好，蜿蜒程度與水質(zhì)狀況呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

3.2.2 蜿蜒度變化對魚類棲息地影響分析

將不同蜿蜒度下的有效棲息地面積數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表2。

由表2 可知，蜿蜒度為1.89 的河段有效棲息地面積占比最大，可達(dá)28.9%。之后依次減小，蜿蜒度為1.02 的WUA僅占總河段面積的11.2%，減少了15%。棲息地是魚類生存、生活的場所，WUA急劇減少勢必會對河流生態(tài)系統(tǒng)造成不可避免的損失。蜿蜒度為1.4 與1.3 的河段，WUA占比相差不大，都可達(dá)20%以上。整體上，有效棲息地面積隨著蜿蜒度的減小而減小。

表2 不同蜿蜒度下有效棲息地面積占比結(jié)果統(tǒng)計Tab.2 Statistics on the results of the proportion of effective habitats in different sinuosity

3.2.3 蜿蜒度變化對深潭淺灘影響分析

深潭、淺灘作為河流地貌中的常見單元，具有重要生態(tài)意義，有助于河流植被的良好發(fā)育和構(gòu)建多樣性的生物棲息地。基于實地調(diào)研地形數(shù)據(jù)，通過MIKE 模型進(jìn)行插值處理，利用局部高程差異法，結(jié)合模擬的水深分布，統(tǒng)計蜿蜒度1.89 和1.02河段的深潭淺灘個數(shù)變化，量化蜿蜒度變化對河流地貌單元的影響。每約200 m 取一個斷面，蜿蜒度1.89 的河段有16 個斷面，1.02的河段有11個斷面，具體圖見圖13。

圖13 河段地形及斷面選取Fig.13 Topography and cross-section selection of the river section

局部高程差異法步驟［20，21］是：①從河段上游至下游依次計算相鄰斷面最深位置的高程差B1-B2、B2-B3、B3-B4…，并且計算得出其標(biāo)準(zhǔn)差SD；②將相鄰斷面最深位置的高程差符號相同的點匯總為一個序列，計算每一個序列內(nèi)高程差的總和，記為Ei；對Ei進(jìn)行逐步累加，求出∑Ei；③依據(jù)相關(guān)公式定量判斷深潭淺灘的高差范圍最小值T。T=k SD，一般情況下取k=0.5～2.2，本文旨在研究蜿蜒度變化對地貌單元的影響，結(jié)合前人的研究，取k=1。④比較T和∑Ei的大小關(guān)系，確定深潭淺灘的個數(shù)。基于上述步驟，得到研究河段兩種形態(tài)下的相關(guān)結(jié)果，具體結(jié)果如表所示。隨著蜿蜒度的變化，深潭淺灘個數(shù)明顯變少，由10 降至4，嚴(yán)重影響河流地貌的多樣性，破壞河流生態(tài)環(huán)境。

表3 深潭淺灘統(tǒng)計Tab.3 Statistics of pool and riffle

4 結(jié) 論

城市河流兼顧行洪排澇、生態(tài)安全、景觀格局功能加強(qiáng)等需求。在城市化的進(jìn)程中，河流尤其是城市河流的發(fā)展，不能單純地從某個方面進(jìn)行考慮。隨著生態(tài)理念的逐步深入，城水融合、人水和諧逐步得到落實，以水融城、以水塑城，綜合考慮城市河流平面布局。本文量化分析了城市河流蜿蜒程度的變化與河流生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，為城市河流的綜合治理提供理論依據(jù)。統(tǒng)籌治理水安全、水環(huán)境、水生態(tài)、水資源、水文化，保障城市河流具備一定的蜿蜒性，從而提升河流水質(zhì)，保障生物多樣性，改善河流生態(tài)環(huán)境。