小水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)河段地貌單元識(shí)別與異質(zhì)性分析

于子鋮，張 晶，趙進(jìn)勇，彭文啟，丁 洋，王 琦

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水生態(tài)環(huán)境所，北京 100038）

1 研究背景

我國(guó)小水電的建設(shè)在不同歷史時(shí)期，其定位、發(fā)展導(dǎo)向和實(shí)際效用也不盡相同。從建國(guó)后至改革開(kāi)放前，我國(guó)小水電主要是為了解決無(wú)電缺電地區(qū)人民生活用電問(wèn)題；從改革開(kāi)放后到20世紀(jì)末，小水電主要解決貧困地區(qū)脫貧致富及農(nóng)村地區(qū)電氣化問(wèn)題；進(jìn)入21世紀(jì)后，小水電則主要是為緩解資源約束，改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)可再生能源利用。不同歷史時(shí)期的小水電建設(shè)在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型等方面發(fā)揮了重要作用［1］。但與此同時(shí)，部分流域、河流存在著無(wú)序、過(guò)度開(kāi)發(fā)等問(wèn)題，使河流生態(tài)系統(tǒng)遭到了嚴(yán)重的破壞。隨著生態(tài)文明理念的深入，國(guó)家和相關(guān)部門高度重視小水電的相關(guān)工作，先后印發(fā)了 《水利部關(guān)于推進(jìn)綠色小水電發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》 《關(guān)于開(kāi)展長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶小水電清理整改工作的意見(jiàn)》《關(guān)于進(jìn)一步做好小水電分類整改工作的意見(jiàn)》等。我國(guó)小水電行業(yè)發(fā)展的歷史跨度大、遺留問(wèn)題多，部分地區(qū)在理解、執(zhí)行偏差下將小水電整治變成不加區(qū)分的 “一刀切拆除”，給生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展均造成負(fù)面影響。此外，小水電對(duì)碳達(dá)峰、碳中和的貢獻(xiàn)不可或缺，小水電整治亟須正確處理好生態(tài)環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定之間的關(guān)系［2］。2021年12月，7部委發(fā)布的 《關(guān)于進(jìn)一步做好小水電分類整改工作的意見(jiàn)》中提出小水電的整改需深入細(xì)致地做好評(píng)估分類，科學(xué)開(kāi)展綜合評(píng)估，合理確定整改和修復(fù)目標(biāo)，明確了小水電退出、整改、保留的條件。

小水電建設(shè)導(dǎo)致河流棲息地受到強(qiáng)烈擾動(dòng)，破壞了河流地貌空間異質(zhì)性。河流是復(fù)雜的系統(tǒng)，非生物和生物成分在不同的時(shí)空尺度上相互作用。不同空間尺度的生態(tài)系統(tǒng)之間形成嵌套層級(jí)結(jié)構(gòu)，較小的時(shí)空層次嵌套在較大的時(shí)空尺度內(nèi)［3］。董哲仁［4］將其分為流域、河流廊道、河段、地貌單元、微棲息地5個(gè)層級(jí)，分別對(duì)應(yīng)不同的空間尺度。其中，地貌單元（100～102m）是水流和泥沙輸送過(guò)程的物理表現(xiàn)形式［3］，是河段（102～104m）的組成部分，在這個(gè)尺度內(nèi)能夠反映河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和過(guò)程［4］。地貌單元由河流不同位置的不同過(guò)程組合形成（河源區(qū)以侵蝕過(guò)程為主，下游以沉積形式為主），在任一自然河段內(nèi)，特定位置都有明顯的特征，如彎曲河道內(nèi)側(cè)一般都有深潭等。地貌單元的自然多樣性是河流棲息地適宜生存的重要決定因素，河段地形越復(fù)雜和多樣化，地貌異質(zhì)性越高［5］，提高地貌異質(zhì)性是維持生物多樣性的前提［6］。從地貌單元過(guò)程-形式關(guān)系出發(fā)，F(xiàn)ryirs等［5］將地貌單元分為河道中段的沉積、濱岸沉積單元等四類；Belletti等［3］將其分為主河槽與河漫灘單元兩大類。對(duì)河流地貌單元進(jìn)行分類，可以簡(jiǎn)化河流廊道中復(fù)雜的連續(xù)過(guò)程、減少描述河流地貌過(guò)程所需的時(shí)間與工作量［7-8］。

長(zhǎng)江流域小水電的無(wú)序開(kāi)發(fā)使部分河流出現(xiàn)減脫水現(xiàn)象［9-10］。小水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)更是加劇了棲息地的破碎化，破壞了自然生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性［11］，對(duì)底棲生物、魚類、爬行動(dòng)物與植物群落等空間分布及組成形成一定的影響［12-13］。大寧河是長(zhǎng)江的一級(jí)支流，同時(shí)又位于三峽庫(kù)區(qū)，其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)一直是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，主要包括庫(kù)區(qū)土地利用、生態(tài)環(huán)境因子、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等方面的響應(yīng)變化［14-15］。本文以大寧河巫溪段為例，依據(jù)實(shí)地調(diào)查觀測(cè)與文獻(xiàn)調(diào)研，基于地貌單元過(guò)程-形式關(guān)系，對(duì)其地貌單元進(jìn)行分類與識(shí)別，并從地貌單元尺度，探討分析小水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)河流地貌異質(zhì)性的影響，旨在從地貌角度為小水電拆除、整改、保留等分類策略以及生態(tài)修復(fù)具體措施提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)域與研究方法

2．1 研究區(qū)域 巫溪縣位于長(zhǎng)江上游地區(qū)、重慶東北部，在大巴山東段南麓。地處東經(jīng)108°44′至109°58′，北緯31°14′至31°44′之間。巫溪縣主要河流均屬長(zhǎng)江水系，包括大寧河、西溪河、柏楊河、后溪河、東溪河等。巫溪縣地形以山地為主，山地占93%，最低海拔139．4 m，最高海拔2796．8 m。起伏變化的地貌使其在水電站建設(shè)上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，因此巫溪縣內(nèi)的小水電數(shù)量眾多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2020年，巫溪縣有130座小水電，1座中型水電站，其開(kāi)發(fā)方式大都為引水式。

大寧河發(fā)源于大巴山南麓，一支為加擔(dān)灣河，源頭在巫溪縣高樓鄉(xiāng)，河長(zhǎng)約39．6 km，控制流域面積292 km2。一支為湯家壩河，源頭為巫溪縣和平鄉(xiāng)小龍洞，河長(zhǎng)約31．1 km，控制流域面積194 km2。兩源東流至中梁鄉(xiāng)龍頭嘴匯合后稱西溪河，再東流至兩河口，與東溪河匯合始稱大寧河，轉(zhuǎn)而南流至寧廠鎮(zhèn)納后溪河、至巫溪縣城下首納柏楊河，經(jīng)龍溪、大昌等地至巫山縣城注入長(zhǎng)江。河流基本屬峽谷型河道，河彎多，坡降大，平均坡降均在10%以上。西溪河干流上有2座梯級(jí)電站，分別為中梁一級(jí)電站、中梁三級(jí)電站，其中中梁二級(jí)電站未在干流上，其他還有白馬穴、關(guān)廟、崇溪溝等3座小型水電站，其擋水壩均未在干流上。大寧河干流上有1座梯子口電站，其擋水壩未在干流上，具體情況見(jiàn)表1。

表1 西溪河、大寧河干流水電站統(tǒng)計(jì)

結(jié)合2018—2021年的實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)，本次研究河段選取西溪河中梁一級(jí)大壩—大寧河巫溪境內(nèi)段，總長(zhǎng)為60．34 km。為分析大寧河地貌單元的布局與分布以及水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)地貌異質(zhì)性的影響，依據(jù)支流匯入、干流小水電空間布局（白馬穴、關(guān)廟、崇溪溝、梯子口電站附近流量變化較小，中梁二級(jí)電站未在干流上，故均未作為分段節(jié)點(diǎn)）、河流坡降等，將其分為中梁一級(jí)大壩下游—中梁一級(jí)電站、中梁一級(jí)電站—中梁二級(jí)大壩、中梁二級(jí)大壩—中梁三級(jí)大壩、中梁三級(jí)大壩—中梁三級(jí)電站、中梁三級(jí)電站—兩河口（東溪河匯入口）、兩河口—后溪河匯入口、后溪河匯入口—柏楊河匯入口、柏楊河匯入口—大寧河巫溪段境內(nèi)8個(gè)河段，分別用R1—R8描述，見(jiàn)圖1，其中，R1—R4屬于梯級(jí)開(kāi)發(fā)直接影響河段，R5—R8屬于較自然河段（流量全部下泄，干流已無(wú)擋水壩）。

圖1 研究區(qū)域圖

2．2 水文分析 基于巫溪水文站1972—2016年水文數(shù)據(jù)，利用累積距平法、滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)法對(duì)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行突變檢驗(yàn)，明確突變點(diǎn)，據(jù)此將水文序列分為變異前、變異后等不同階段，利用IHA-RVA法分析變異前后各月份平均流量（對(duì)應(yīng)IHA指標(biāo)的前12個(gè)指標(biāo)）改變程度。地貌單元由時(shí)空尺度定義與限制，水文改變程度越小，識(shí)別的地貌單元分布越具有代表性。巫溪水文站位置見(jiàn)圖1。

式中：IAi為水文改變度；Ni為變異后水文系列統(tǒng)計(jì)的水文參數(shù)值實(shí)際落在流量管理目標(biāo)范圍內(nèi)的年數(shù)；Ne變異后水文系列統(tǒng)計(jì)的水文參數(shù)值期望落在流量管理目標(biāo)范圍內(nèi)的年數(shù)；r＝50%；NT為變異后水文序列的總年數(shù)。

2．3 實(shí)地調(diào)研與測(cè)量 依據(jù)Bigmap下載高分辨率遙感數(shù)據(jù)，利用大疆精靈4 PRO無(wú)人機(jī)、華測(cè)i70 RTK、D390測(cè)深儀、LS1260B流速儀等儀器進(jìn)行空-地實(shí)地測(cè)量，獲取研究河段的遙感影像、河床地形變化、水深流速分布等數(shù)據(jù)，利用標(biāo)尺法、篩分法對(duì)底質(zhì)狀況進(jìn)行調(diào)查，依據(jù) 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》（SL42-2010）進(jìn)行底質(zhì)分類。S1—S10為實(shí)地調(diào)研的典型河段，位于R1—R8河段減水、深淺相間、彎曲等典型區(qū)域，其航拍圖見(jiàn)圖2。

圖2 典型河段無(wú)人機(jī)航拍圖

2．4 河流地貌單元分類與識(shí)別

2．4．1 Fryirs和Brierley地貌單元分類體系 地貌單元是構(gòu)成水系的基石，可依據(jù)形態(tài)、沉積物成分（底質(zhì)）、邊界表面（植被覆蓋程度）和在河流中的空間位置來(lái)劃分［5］。本文以Fryirs和Brierley地貌單元分類體系［5］作為依據(jù)，該體系基于河流地貌單元的過(guò)程-形式組合，將河流地貌單元?dú)w為4類：沖積與侵蝕的基巖和巨石單元、河道中段的沉積單元、濱岸的沉積單元、沖積與侵蝕的細(xì)顆粒單元。其中，沖積與侵蝕的基巖和巨石單元分為臺(tái)階跌水（Bedrock step）、跌水-深潭（Step-pool）、串聯(lián)跌水（Cascade）、急灘（Rapid）、滑水（Run）等9種地貌單元，河道中段的沉積單元分為深潭（Pool）、淺灘（Riffle）、心灘（Medial bar）等13種地貌單元，濱岸的沉積單元包括側(cè)向?yàn)↙ateral bar）、點(diǎn)灘（Point bar）等15種地貌單元，沖積與侵蝕的細(xì)粒單元包括側(cè)向侵蝕灘（Sculpted lateral bar）、沖刷潭（Scour pool）等5種地貌單元，分類體系見(jiàn)圖3。

圖3 Fryirs和Brierley地貌單元分類體系［5］

2．4．2 地貌單元類型確定及其空間分布 不同的地貌單元，其空間分布、幾何形狀與邊界、形態(tài)特征、沉積物組成及其植被覆蓋不一致，其過(guò)程-形式組合不同，這為識(shí)別地貌單元提供了基本原則［16］。如急灘是非常穩(wěn)定、陡峭的山脊?fàn)钚蛄?，由不?guī)則橫肋中的巨石排列而成，在基巖受限的情況下，這些橫肋部分或全部橫跨河道。在高流量下，巨石在結(jié)構(gòu)上重新排列，形成穩(wěn)定的序列，與發(fā)散或匯聚的流動(dòng)都不相關(guān)。通常，15%～50%的水流呈現(xiàn)超臨界流動(dòng)［16］。本文將野外觀測(cè)、高分辨率遙感數(shù)據(jù)與每種類型地貌單元的過(guò)程-形式關(guān)聯(lián)的理論知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，再結(jié)合沉積物的組成分析，對(duì)河流地貌單元進(jìn)行識(shí)別。

2．5 基于地貌單元類型的地貌異質(zhì)性分析方法 地貌單元作為河流嵌套層級(jí)結(jié)構(gòu)中重要的一環(huán)，其類型、豐度的差異影響著河流的空間異質(zhì)性，空間異質(zhì)性是指系統(tǒng)特征在空間分布上的復(fù)雜性和變異性［17］。河流空間異質(zhì)性越高，河流生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定?；谇叭说南嚓P(guān)研究，結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H概況，用地貌單元豐富度指數(shù)、地貌單元密度指數(shù)、地貌單元多樣性指數(shù)3個(gè)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行量化評(píng)價(jià)［9，18］。

（1）地貌單元豐富度指數(shù)（R）。地貌單元豐富度指數(shù)（R）指在給定范圍內(nèi)觀察到的地貌單元類型數(shù)與整體最大類型數(shù)相比的情況，表達(dá)式如下：

式中：NTGU為所研究區(qū)域內(nèi)地貌單元類型總數(shù)（例如，在存在淺灘，深潭和急灘的情況下，NTGU＝3）；n為地貌單元類型的最大數(shù)量。

（2）地貌單元密度指數(shù)（D）。地貌單元密度指數(shù)（D）是指計(jì)算每單位長(zhǎng)度調(diào)查范圍內(nèi)的地貌單元總數(shù)（與類型無(wú)關(guān)），表達(dá)式如下：

式中：NGU為沿調(diào)查的范圍觀察到的地貌單元總數(shù)（如，對(duì)于5個(gè)淺灘、5個(gè)深潭和5個(gè)邊灘，NGU＝15）；L為所調(diào)查的范圍（或子范圍），km。

（3）地貌單元多樣性指數(shù)（Hd）。Shannon多樣性指數(shù)可用來(lái)反映景觀異質(zhì)性的程度，其值越大，景觀異質(zhì)性程度越好，景觀內(nèi)的生物越能穩(wěn)定生存，景觀異質(zhì)性包含空間異質(zhì)性。地貌單元多樣性指數(shù)（Hd）是基于Shannon多樣性指數(shù)提出的，表達(dá)式如下：

式中：m為研究區(qū)域地貌單元類型的總數(shù)；Pi為地貌單元類型i的面積（Ai）所占研究河段總面積（TAj）的比例。

3 結(jié)果分析

3．1 水文分析 基于巫溪水文站1972—2016年徑流數(shù)據(jù)，分析徑流量變化趨勢(shì)。從圖4可知，隨著時(shí)間的變化，年徑流量趨勢(shì)變小，年徑流量最大值出現(xiàn)在1983年，為40．82億m3，年徑流量最小值出現(xiàn)在在2006年，為10．83億m3。

圖4 徑流量變化趨勢(shì)

依據(jù)巫溪站年徑流量數(shù)據(jù)，計(jì)算距平值，建立累積距平曲線，見(jiàn)圖5。由圖可見(jiàn)，年徑流量距平曲線整體呈現(xiàn)一個(gè)先上升后下降的趨勢(shì)，在1983年顯著上升，在2005年之后表現(xiàn)為顯著下降，1993年累計(jì)年徑流量最大。據(jù)此，確定1983、1993、2005為可能變異點(diǎn)。經(jīng)滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)算法，確定1983年、2005年為可能變異點(diǎn)，見(jiàn)表2。

圖5 累積距平曲線

表2 秩和檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果表（1972—2016年）

基于上述方法，確定1983、2005年為巫溪水文站控制區(qū)域的水文變異點(diǎn)。因此，將水文序列分為1972—1982年（變異前）、1983—2004年（變異階段Ⅰ）、2005—2016年（變異階段Ⅱ）。利用IHA-RVA方法，分別計(jì)算變異階段Ⅰ與變異前、變異階段Ⅱ與變異前各月份平均流量改變程度，見(jiàn)圖6。變異階段Ⅰ與變異前相比，各月份水文改變度的平均值為15．53%，5、6月份水文改變度最小，為0，7月份改變程度最大，為43．75%；變異階段Ⅱ與變異前相比，各月份水文改變度的平均值為24．42%，1、11月份改變程度最小，為8．33%，10月份改變程度最大，為47．62%，6月水文改變度為19．79%。

圖6 水文改變度變化趨勢(shì)

3．2 地貌單元空間分布

3．2．1 地貌單元初步識(shí)別 根據(jù)上述水文分析，選擇水文改變程度相對(duì)較低的時(shí)段（6月份），在實(shí)測(cè)流量下進(jìn)行地貌單元的識(shí)別，8個(gè)河段的實(shí)測(cè)流量分別為4．43、7．91、3．44、3．14、20、38．7、46．2、50．6 m3/s?；贔ryirs和Brierley的分類體系，對(duì)比不同地貌單元的過(guò)程—形式，結(jié)合實(shí)際調(diào)查與資料梳理結(jié)果，最終識(shí)別了串聯(lián)跌水（Cascade）、急灘（Rapid）、滑水（Run）、平滑流動(dòng)區(qū)（Sculpted run）、深潭（Pool）、淺灘（Riffle）、緩流區(qū)（Slack water）、邊灘（Point bar、Lateral bar）、江心洲（Island）、心灘（Medial bar）等10個(gè)地貌單元。其中，平滑流動(dòng)區(qū)與滑水的區(qū)別在于底質(zhì)顆粒組成的粗細(xì)，細(xì)顆粒的為平滑流動(dòng)區(qū)。S1—S3典型河段的分布如圖7所示。

圖7 S1—S3地貌單元空間分布

串聯(lián)跌水具備在陡峭、基巖封閉的環(huán)境中觀察到的非常穩(wěn)定的、粗粒的（或基巖）特征，水流在大石塊上層層疊疊，形成一系列高約一個(gè)碎石直徑的短臺(tái)階，并由范圍小于一個(gè)渠道寬度的水流區(qū)域分隔；急灘是非常穩(wěn)定、陡峭的序列，由不規(guī)則巨礫排列而成，水流狀態(tài)比較急；滑水是由基巖或鵝卵石、礫石組成的均勻且相對(duì)無(wú)特征的巖層［3，5］。

3．2．2 地貌單元空間分布 依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，利用Arcgis形成地貌單元空間分布圖，見(jiàn)圖8。統(tǒng)計(jì)各河段地貌單元面積、類型，見(jiàn)表3與圖9。

圖8 各河段地貌單元分布

深潭多出現(xiàn)在河流彎曲段，對(duì)岸相鄰地貌單元往往是邊灘，上下游多是跌水與淺灘單元，如R2段可以明顯看出跌水—深潭、深潭—淺灘序列。急灘、滑水多在河流順直段，上下游多是淺灘單元，對(duì)岸緊鄰單元往往是邊灘。由圖8可以看出，河流彎曲段地貌單元遠(yuǎn)遠(yuǎn)豐富于河流順直段。

由表3與圖9可知，自上游至下游，R1河段邊灘和心灘、江心洲最多，可占56．97%，緩流區(qū)與深潭單元次之；R2河段地貌單元分布相對(duì)均勻，以串聯(lián)跌水與緩流區(qū)最多，分別占22．3%與21．88%，淺灘與深潭次之；R3、R4河段地貌單元缺少急灘、滑水單元，以邊灘、心灘或江心洲、緩流區(qū)、淺灘單元為主；R5—R8河段地貌單元分布較為均勻，以深潭、急灘單元為主，緩流區(qū)與淺灘單元相對(duì)較少，分別為6．88%、3．90%、4．41%、2．60%。針對(duì)地貌單元類型，利用SPSS軟件，對(duì)8河段地貌單元空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，得到P值為0．014（＜0．05），不同河段地貌單元類型之間存在顯著差異。對(duì)8個(gè)河段地貌單元進(jìn)行相關(guān)性分析，見(jiàn)表4。深潭與滑水、急灘與滑水、淺灘與緩流區(qū)存在正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0．889、0．823、0．779；急灘與緩流區(qū)、急灘與滑水存在負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為-0．870、-0．882。這表明，不同地貌單元類型之間存在相關(guān)性，但地貌單元類型的具體關(guān)系需結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際情況進(jìn)行量化分析。

表3 各河段地貌單元面積占比 （單位：%）

3．3 地貌異質(zhì)性分析 基于地貌單元類型的地貌異質(zhì)性分析方法，梳理實(shí)地調(diào)研與模型模擬數(shù)據(jù)，分別計(jì)算各河段地貌單元豐富度、地貌單元密度、地貌單元多樣性，對(duì)其異質(zhì)性進(jìn)行量化。具體結(jié)果見(jiàn)圖10，3個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)范圍均為各河段總長(zhǎng)。

圖10 地貌單元異質(zhì)性分析（1～8：R1—R8）

從地貌單元豐富度指數(shù)來(lái)看，R3、R4段地貌異質(zhì)性明顯低于其他河段，分別為0．75、0．88，缺少急灘、滑水地貌單元，其余河段豐富度指數(shù)均為1；從地貌單元密度指數(shù)、地貌單元多樣性指數(shù)來(lái)看，R1、R3、R4段明顯低于其他5段，此3段均為擋水壩下游河段，流量較小，說(shuō)明小水電的梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)河流地貌異質(zhì)性造成一定的影響。第R6段、R7段分別對(duì)應(yīng)地貌單元密度指數(shù)與多樣性指數(shù)最大，為32．76與2．66，大于流量最大的R8段，說(shuō)明除水文影響地貌異質(zhì)性以外，還有其他因素對(duì)其造成影響。地貌單元密度指數(shù)與地貌單元多樣性指數(shù)趨勢(shì)更加明顯，對(duì)地貌單元異質(zhì)性的量化更加準(zhǔn)確。但結(jié)合3個(gè)指數(shù)的概念，地貌單元豐富度指數(shù)可以直觀的反映地貌單元的類型。

4 討論

4．1 引水式電站梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)河流地貌異質(zhì)性的影響 引水式電站的梯級(jí)開(kāi)發(fā)改變了河流原有基本形態(tài)與水文狀況，導(dǎo)致河流流量、水溫、物質(zhì)傳輸?shù)确矫姘l(fā)生變化［19］。地貌單元是水流和泥沙共同作用的表現(xiàn)，水文狀況發(fā)生變化，塑造地貌單元的過(guò)程就會(huì)發(fā)生變化，從而使河流地貌單元異質(zhì)性發(fā)生改變，影響水生生物的多樣性［20］。針對(duì)梯級(jí)開(kāi)發(fā)直接影響河段（R1—R4）和較自然河段（R5—R8）兩種類型，分析并比較其地貌異質(zhì)性，見(jiàn)表5。

表5 梯級(jí)開(kāi)發(fā)河段地貌異質(zhì)性分析

由表5知，R1—R4的地貌單元豐富度（R）、密度（D）、多樣性指數(shù)（Hd）的平均值均小于R5—R8河段，分別相差9%、32．1%、17．2%。即受梯級(jí)開(kāi)發(fā)的影響，地貌異質(zhì)性明顯偏低。R1—R4段的標(biāo)準(zhǔn)差、標(biāo)準(zhǔn)誤差的平均值均大于R5—R8段，其中，R2段隨著下泄流量的變大，相比R1段，地貌單元豐富度、密度、多樣性指數(shù)明顯變大。R2段為中梁一級(jí)電站下游、R5段為中梁三級(jí)電站下游（下泄流量增大），其地貌異質(zhì)性均高于R1、R3、R4段，對(duì)于這種可以通過(guò)優(yōu)化調(diào)度、增大下泄流量提高地貌異質(zhì)性的小水電影響河段，在滿足 《關(guān)于進(jìn)一步做好小水電分類整改工作的意見(jiàn)》相關(guān)要求下，建議對(duì)小水電整改保留，在識(shí)別地貌單元空間分布基礎(chǔ)上，結(jié)合生態(tài)保護(hù)目標(biāo)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。對(duì)于地貌異質(zhì)性低、生態(tài)意義重要、對(duì)珍稀特有水生生物造成嚴(yán)重影響，且通過(guò)修復(fù)措施無(wú)法達(dá)到相關(guān)生態(tài)要求的小水電影響河段，建議對(duì)相關(guān)小水電做退出處理。

4．2 河流形態(tài)特征與地貌單元的關(guān)系 Rosgen［21］依據(jù)寬窄率、汊道數(shù)、蜿蜒度、寬深比、河流水面坡降和河床底質(zhì)對(duì)河流進(jìn)行分類，將河流分為7個(gè)主要類型、42個(gè)亞類，認(rèn)為不同類型的自然河流都應(yīng)有其典型的地貌單元類型，如C類型包含深潭-淺灘單元。Montgomery等［22］根據(jù)河流比降與河床底質(zhì)，經(jīng)過(guò)調(diào)研與歸納，繪制了理想化的山區(qū)沖積河流長(zhǎng)剖面圖，自上游至下游，隨著河床底質(zhì)組成顆粒的逐漸變小，將河流依次分為底質(zhì)以基巖為主（粗顆粒）、連續(xù)的、高度湍流的串聯(lián)跌水，水流急緩相間的跌水-深潭，突出單塊或幾塊巨石、水流較為均勻的平面河床，深淺相間的深潭-淺灘序列，底質(zhì)以沙為主的沙丘-波紋序列等5段。從圖8可知，本研究在R2段可以明顯看出跌水-深潭序列，但在靠下游的第R5段下游并未發(fā)現(xiàn)。位于大寧河干流的第R6、R7、R8段，存在多個(gè)深潭-淺灘序列，且多在彎曲段。

蜿蜒河流地貌具有復(fù)雜性，在不同的時(shí)間尺度上又具備動(dòng)態(tài)性，其往往包含多種地貌單元，有較強(qiáng)的異質(zhì)性［23］。董哲仁［4］將蜿蜒度大于1．3的河流歸為蜿蜒性河流，蜿蜒度為河段兩端點(diǎn)之間河流彎曲弧線長(zhǎng)度與直線長(zhǎng)度的比值。為分析蜿蜒度與地貌單元的關(guān)系，結(jié)合遙感影像，計(jì)算R6、R7、R8段的蜿蜒度，分別為1．22、1．18、1．12。結(jié)合圖10，在河流水面坡降、底質(zhì)組成相對(duì)一致的情況下，R6、R7、R8段的地貌異質(zhì)性未隨流量的增大而遞增。擬合分析蜿蜒度與地貌單元豐富度（R）、密度（D）、多樣性指數(shù)（Hd）的關(guān)系，見(jiàn)圖11，蜿蜒度與上述3指數(shù)均呈正相關(guān)，隨著蜿蜒度的增加，地貌單元密度指數(shù)明顯變高。

圖11 不同蜿蜒度下地貌單元異質(zhì)性分析（R6—R8）

4．3 基于水動(dòng)力閾值識(shí)別地貌單元 不同類型的地貌單元往往表現(xiàn)出離散的水力特征，相比野外直接觀測(cè)，先確定地貌單元水動(dòng)力閾值，再結(jié)合水動(dòng)力模型識(shí)別的地貌單元分布的方法具有效率快、相對(duì)客觀等優(yōu)點(diǎn)［24］?；赑asternack［25］與Fryirs等［26］的相關(guān)研究，河流地貌單元水動(dòng)力閾值的確定應(yīng)結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際背景，分區(qū)（空間差異性）、分時(shí)（時(shí)間差異性）、分類確定。（1）分區(qū)：不同區(qū)域泥沙侵蝕與沉積過(guò)程、坡度、底質(zhì)組成等不同，存在空間差異性。在實(shí)地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)R1—R8段同類地貌單元水動(dòng)力閾值存在明顯差異，隨著坡度的下降與流量的增大，水動(dòng)力閾值范圍、最值都呈現(xiàn)不同的變化；（2）分時(shí)：對(duì)于自然、較為自然河流，不同時(shí)間如豐水期、平水期、枯水期，水位、水面線存在明顯差異，地貌單元水動(dòng)力閾值需進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整與合理確定，地貌單元空間分布需言明在何種水文條件下。如padmore的分析中，在底質(zhì)類型組成差異較小的自然河段，隨著流量的變化，靜水（deadwater）轉(zhuǎn)化為滑水（run），不同流量下滑水與靜水的空間分布存在明顯差異［27］。（3）分類：不同類型河流，如平原、山區(qū)河流等，在地貌單元類型、水動(dòng)力閾值確定存在明顯區(qū)別。相對(duì)于山區(qū)河流，平原河流需兼顧考慮河漫灘地貌單元類型及其水動(dòng)力閾值的確定。Wyrick等［28］基于水動(dòng)力模型，以洪峰流量（21 100 ft3/s）作為輸入條件確定河漫灘地貌單元類型及其水動(dòng)力閾值，以全年非洪水期常出現(xiàn)的低流量（880 ft3/s）作為輸入條件確定主河道地貌單元類型及其水動(dòng)力閾值，并提出0．2～0．4倍平灘流量下的水深流速能更好反映地貌變化。

5 結(jié)論

本文從區(qū)域水文變異分析，河流地貌單元分類、識(shí)別、分析等4個(gè)方面進(jìn)行展開(kāi)，水文變異分析確定了突變點(diǎn)，明確了變異前后各月份水文改變程度；在河流地貌單元分類上，結(jié)合前人研究與實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，確定了以串聯(lián)跌水、深潭、淺灘等10種單元作為分類依據(jù)；在識(shí)別上，基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與高分辨率遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合地貌單元過(guò)程-形式關(guān)系，識(shí)別了R1—R8河段的地貌單元空間分布；在分析上，用3個(gè)指標(biāo)對(duì)地貌單元異質(zhì)性進(jìn)行了定量化，并從地貌單元尺度，探討了受梯級(jí)開(kāi)發(fā)影響的R1、R3、R4段與其余各段地貌異質(zhì)性差異，尤其是R3、R4段受引水式電站梯級(jí)開(kāi)發(fā)影響，缺少急灘、滑水單元，地貌異質(zhì)性較低。通過(guò)明晰河段的地貌單元類型、空間分布及其地貌異質(zhì)性，可以更好地分析評(píng)估小水電對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響、判別生物棲息地受損情況，結(jié)合生態(tài)與社會(huì)的雙目標(biāo)，從地貌角度為小水電退出、整改、保留的具體實(shí)施及其生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。