中小河流堰壩分布對(duì)邊灘景觀格局的影響

關(guān)鍵詞：中小河流；堰壩群；邊灘；景觀格局指數(shù)；靈山港

中圖分類號(hào)：ＴＶ６４； ＴＶ８５３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０５．０１３

引用格式：黎景江，夏繼紅，王玥，等．中小河流堰壩分布對(duì)邊灘景觀格局的影響［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（５）：６１－６４．

堰壩是中小河流治理中的重要建筑物，具有防洪、抗旱、蓄水灌溉、營(yíng)造景觀等功能［１］ 。堰壩建設(shè)后會(huì)顯著改變河流水文條件，從而影響灘地分布、生境與水環(huán)境［２－４］ 。符俊杰等［５］ 研究表明河流筑壩會(huì)從流域和景觀尺度改變土地利用的類型和覆蓋。包先霞等［６］研究認(rèn)為梯級(jí)堰壩群對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響較單個(gè)堰壩的影響更為復(fù)雜，具有復(fù)合累積效應(yīng)。諸多研究重點(diǎn)關(guān)注了大型堰壩對(duì)河道水文、生態(tài)和流域土地利用的影響，研究成果對(duì)堰壩的建設(shè)發(fā)揮了一定的指導(dǎo)作用［７］ ，但關(guān)于中小河流中堰壩分布對(duì)邊灘的影響及其機(jī)理的研究較少。中小河流中常分布大量堰壩，人們?yōu)榱诵钏诤恿髦蓄l繁建堰，使得河流水沙條件、邊灘分布發(fā)生劇烈變化，從而導(dǎo)致河段水量不足、生態(tài)環(huán)境退化等問題，因此，優(yōu)化堰壩布局已成為當(dāng)前中小河流治理的迫切需求。本研究以浙江省龍游縣靈山港為研究區(qū)域，基于野外調(diào)查、衛(wèi)星遙感影像的ＧＩＳ 信息提取，采用景觀格局指數(shù)法分析堰壩分布方式對(duì)邊灘格局的影響過程及水動(dòng)力學(xué)解釋，以期為中小河流生態(tài)保護(hù)與治理提供參考。

１材料與方法

１．１研究區(qū)域概況

靈山港位于東經(jīng)１１９°７′—１１９°１２′、北緯２８°４８′—２９°４′，是龍游縣境內(nèi)衢江右岸的一條重要支流，發(fā)源于海拔１ ２６５ ｍ 的遂昌縣高坪鄉(xiāng)和尚嶺，干流由南向北流經(jīng)沐塵村、溪口村、上楊村等地，貫穿龍游縣中部，北至驛前村附近匯入衢江。河道蜿蜒曲折，為典型的山丘區(qū)中小河流。本研究以靈山港龍游境內(nèi)段（沐塵水庫至入衢江口）為研究區(qū)段（見圖１），該區(qū)段流域面積為３６７．６ ｋｍ^２，干流河道長(zhǎng)４３．７ ｋｍ，沿線設(shè)有步坑口水文站，平均河道比降為０．２４５％，按照河道比降變化將靈山港分為上、中、下游３ 個(gè)區(qū)段，比降分別為０．３０４％、０．２８６％和０．１５０％［８］ 。河道沿線分布有豐富的邊灘以及２０ 座堰壩。

１．２數(shù)據(jù)來源與處理

本研究選用２００７ 年、２０１２ 年、２０１７ 年及２０２１ 年共４ 個(gè)年份的遙感影像資料作為數(shù)據(jù)源，分辨率為２．４ ｍ。選用各年度１０ 月且云量小于５％的影像切片，保證了數(shù)據(jù)尺度的一致性。首先利用ＡｒｃＧＩＳ １０．２ 對(duì)初始影像進(jìn)行拼接、裁剪，獲取河道的基本信息；然后利用ＥＮＶＩ ５．３ 中最大似然分類法準(zhǔn)確識(shí)別出水體、邊灘及堰壩三類景觀斑塊，并結(jié)合野外實(shí)地考察對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性?；谒恼竞同F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法獲得２００７—２０２１ 年各年份１０ 月全河道各堰壩斷面的平均流速和水深數(shù)據(jù)，并計(jì)算出不同斷面位置水流弗勞德數(shù)Ｆｒ。

１．３景觀格局指標(biāo)的選取與計(jì)算

本文采用景觀格局指數(shù)法分析邊灘的時(shí)空變化特征，主要選取斑塊個(gè)數(shù)（ＮＰ）、斑塊密度（ＰＤ）、最大斑塊指數(shù)（ＬＰＩ）和形狀指數(shù)（ＬＳＩ）等景觀指標(biāo)，各景觀指標(biāo)的計(jì)算公式和生態(tài)學(xué)意義見表１。

２結(jié)果與分析

２．１堰壩的分布特征

經(jīng)影像處理及實(shí)地勘測(cè)可知，河道沿線２０ 座堰壩的平均寬度為１２３．８ ｍ，平均厚度為２．７５ ｍ，平均高度為２．０ ｍ，各堰壩與上游堰壩的間距Ｄ 及所處河段曲率系數(shù)Ｋ 見表２。除Ｙ４、Ｙ２０ 兩座堰壩的右岸建有泄水閘可以靈活控制上游水量的蓄泄外，其余堰壩的過流形式均為堰頂自由溢流。２００７ 年前靈山港建有１３座堰壩，２００７ 年以后陸續(xù)增建了Ｙ２、Ｙ３、Ｙ６、Ｙ８、Ｙ９、Ｙ１７ 和Ｙ１８ 等７ 座堰壩，建成年份分別為２０１９ 年、２０１８ 年、２０１５ 年、２０１０ 年、２０１５ 年、２０１６ 年、２０１６ 年。堰壩群平均間距逐漸減小，由２００７ 年的３．３７ ｋｍ 變化為２０１２ 年的３．１１ ｋｍ 和２０１７ 年的２．５３ ｋｍ，到２０２１ 年降至２．１３ ｋｍ，對(duì)整個(gè)河道的水流條件產(chǎn)生一定影響。

本研究以平均間距的３０％作為波動(dòng)區(qū)間，將堰壩間距小于１．４９ ｋｍ 的分布方式定義為高密度分布，間距為１．４９～２．７８ ｋｍ 的分布方式定義為中密度分布，間距大于２．７８ ｋｍ 的分布方式定義為低密度分布。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，高密度堰壩群主要分布于上游河段，中密度堰壩群主要分布于中游河段，低密度堰壩群主要分布于下游河段。從河段的彎曲程度看，除Ｙ４ 和Ｙ１１ 兩座堰壩分布在高彎曲河段外，其余堰壩均分布于Ｋ＜１．２ 的低彎曲河段。

２．２邊灘的動(dòng)態(tài)演變特征

靈山港不同年份各區(qū)段邊灘景觀指標(biāo)見表３。由表３ 可知，邊灘面積ＣＡ 減小了４６．１％，其中在２００７—２０１２ 年減小幅度最大，為３１．６％。因ＮＰ 數(shù)據(jù)可由ＣＡ、ＰＤ 數(shù)據(jù)計(jì)算得出，故未在表３ 中列出。

斑塊密度ＰＤ 的時(shí)間變化：２００７—２０１７ 年呈增大趨勢(shì)，２０１７ 年后呈減小趨勢(shì)，表明２００７—２０１７ 年邊灘斑塊尺寸顯著減小，破碎化過程明顯，２０１７ 年后邊灘破碎化程度減弱，趨向整合；空間變化：上、中、下游各區(qū)段邊灘ＰＤ 與全研究區(qū)的指數(shù)值變化趨勢(shì)一致，但也存在空間差異性，其中上游邊灘的破碎化程度最高，而下游的破碎化程度最低。

最大斑塊指數(shù)ＬＰＩ 在時(shí)間上呈波動(dòng)性變化，但波動(dòng)范圍較小，表明面積最大的邊灘個(gè)體較為穩(wěn)定地占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位；在空間上，上游邊灘ＬＰＩ 在２００７—２０１２年下降最多，反映了上游邊灘在該時(shí)段內(nèi)受到了劇烈的干擾。

形狀指數(shù)ＬＳＩ 整體上呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)。在時(shí)間上，２００７—２０２１ 年邊灘形狀經(jīng)歷了“簡(jiǎn)單—復(fù)雜—簡(jiǎn)單”的過程，其中２０１７ 年邊灘形狀不規(guī)則程度有所提高，邊灘被分割破碎成多個(gè)斑塊，致使邊灘形狀復(fù)雜化；在空間上，ＬＳＩ 從下游到上游逐漸增大，表明下游邊灘邊緣形狀最為規(guī)整，上游邊灘的復(fù)雜化程度最高。

３討論

３．１堰壩對(duì)邊灘景觀格局的影響

選?。伲?、Ｙ６、Ｙ９、Ｙ１７ 等４ 座堰壩對(duì)比分析堰壩建設(shè)后邊灘的景觀格局變化，其中Ｙ３、Ｙ６、Ｙ９ 三座堰壩形態(tài)呈直線型且垂直于河道中心線，Ｙ１７ 堰壩形態(tài)蜿蜒、與河道中心線斜交，溢流寬度不同；Ｙ３、Ｙ１７ 的結(jié)構(gòu)形式為臺(tái)階式，水流下泄時(shí)會(huì)造成較大能量損失；在洪水期Ｙ６ 堰流特點(diǎn)滿足薄壁堰的淹沒出流條件，其余堰壩的過流均表現(xiàn)出寬頂堰的特點(diǎn)；各堰壩對(duì)水流的攔蓄能力及過流擾動(dòng)程度的影響均有所不同。各堰壩所處河段堰壩建設(shè)后邊灘ＣＡ、ＮＰ、ＰＤ、ＬＰＩ、ＬＳＩ 的變化率如圖２ 所示。

由圖２ 可知，受堰壩建設(shè)的影響，ＮＰ、ＰＤ 變化最為劇烈，Ｙ９ 和Ｙ１７ 建設(shè)后ＮＰ、ＰＤ 變化率超過了５０％，表明邊灘的破碎化加劇，由聚集大斑塊離散為小斑塊的程度提高；而Ｙ３、Ｙ６ 所在河段的邊灘因受到其他人為因素較強(qiáng)的干擾，導(dǎo)致其斑塊個(gè)數(shù)減少，邊灘破碎度表現(xiàn)出降低的態(tài)勢(shì)。堰壩建設(shè)后河段ＣＡ 顯著下降，表現(xiàn)出河段內(nèi)邊灘面積呈減少趨勢(shì)，其中Ｙ６ 的建設(shè)對(duì)邊灘面積的影響最大，變化率為－４１％。ＬＰＩ 均呈減小趨勢(shì)，但各河段變化幅度不同，其中Ｙ９ 對(duì)河段內(nèi)最大邊灘斑塊指數(shù)影響最大。從ＬＳＩ 來看，在Ｙ９、Ｙ１７所在河段內(nèi)邊灘的ＬＳＩ 有所增大，邊灘形狀越來越不規(guī)則，復(fù)雜性增加；而Ｙ３、Ｙ６ 所在河段受堰壩建設(shè)影響，邊灘破碎度降低的同時(shí)也使邊灘形態(tài)規(guī)則化。因此，堰壩建設(shè)對(duì)局部河段邊灘景觀格局變化的影響具有顯著差異性。

３．２堰壩分布方式對(duì)邊灘景觀格局的影響

選?。伲保病伲保?、Ｙ１１—Ｙ１２、Ｙ１３—Ｙ１４ 三個(gè)河段，間距分別為２．８、２．１、１．４ ｋｍ，分別代表低密度、中密度和高密度３ 種堰壩分布方式，分析不同分布方式對(duì)邊灘景觀格局變化的影響。各河段邊灘的破碎度（用ＰＤ 代表）和形狀指數(shù)變化如圖３ 所示。由圖３ 可以看出，堰壩分布方式不同對(duì)邊灘會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。ＰＤ 在２００７—２０２１ 年呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，而隨著堰壩間距的減小，ＰＤ 變化更為顯著，表明堰壩分布密度的增大會(huì)使邊灘破碎化加劇。２００７—２０２１ 年邊灘的ＬＳＩ 呈波動(dòng)性減小趨勢(shì)，且在３ 種堰群間距分布下邊灘邊緣形態(tài)的復(fù)雜度變化趨勢(shì)是一致的，但隨著堰壩群間距的減小，ＬＳＩ 波動(dòng)變化的幅度更大，表明堰壩分布密度越大邊灘所受到的影響程度越高，邊灘邊緣處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。尤其是高密度條件下，ＬＳＩ 在２０１２—２０１７年顯著增大，主要原因是這期間河段內(nèi)的邊灘破碎度提高，被分割破碎為多個(gè)小斑塊，造成邊灘邊緣形狀更加復(fù)雜。

洪水期水流在Ｙ１１—Ｙ１４ 河段內(nèi)能夠自由漫頂溢流，堰壩形式為寬頂堰。通過對(duì)比不同分布條件下堰壩群的水動(dòng)力特性，發(fā)現(xiàn)各堰壩上游的斷面流速穩(wěn)定，水流平順，但是經(jīng)過堰頂溢流形成非恒定的跌水后，造成近堰區(qū)域的流速急劇增大，同時(shí)堰壩建在曲率系數(shù)大的河段內(nèi)其過堰流速會(huì)相應(yīng)增大。隨著堰壩群分布間距減小，河道斷面平均流速有所減小，但邊灘的淹沒水深明顯增大，堰壩下游水流弗勞德數(shù)Ｆｒ 表現(xiàn)為低密度＞中密度＞高密度，表明隨著堰壩群分布密度的增大，水流的動(dòng)能與勢(shì)能發(fā)生劇烈變化，各工況下的斷面能量分配不均。

產(chǎn)生以上現(xiàn)象的主要原因是，單座堰壩的過水方式均為堰頂自由溢流，堰壩群的聯(lián)合作用對(duì)水流的影響會(huì)產(chǎn)生累積效應(yīng)，堰壩群不同的分布方式會(huì)改變河道水動(dòng)力條件，且其對(duì)水流影響的貢獻(xiàn)度最大，從而影響邊灘的演變，具體表現(xiàn)為：高密度的堰壩通過抬升上游水位使水域面積增大，水面向河岸兩側(cè)擴(kuò)展，提高了邊灘的受淹沒程度，導(dǎo)致顯露的邊灘面積減小，且地勢(shì)不平的邊灘因地勢(shì)較低部分首先被淹沒而形成多個(gè)邊灘斑塊，增大了邊灘的破碎度，裸露出的邊灘邊緣形狀規(guī)整。過堰水流弗勞德數(shù)Ｆｒ 明顯增大則使近堰下游區(qū)域的邊灘邊緣和灘頭受到強(qiáng)烈的沖刷作用，降低部分邊灘形狀復(fù)雜度的同時(shí)，增大了泥沙輸送量，但是沿程水流動(dòng)能的降低使其挾沙能力減弱，造成泥沙逐漸淤積形成多個(gè)小邊灘斑塊，邊灘的破碎化程度進(jìn)一步提高。

４結(jié)論

（１）堰壩群主要分布于低彎曲河段，且呈現(xiàn)高密度、中密度、低密度３ 種分布方式。

（２）上、中、下游各區(qū)段邊灘景觀格局指數(shù)變化差異性較大，上游區(qū)段邊灘表現(xiàn)出更明顯的破碎化和邊緣形狀不規(guī)則化。

（３）堰壩建設(shè)后對(duì)邊灘的景觀指數(shù)變化具有顯著的影響，尤其是ＮＰ、ＰＤ 變化最為劇烈，其中Ｙ９ 和Ｙ１７建設(shè)后ＮＰ、ＰＤ 變化率超過了５０％，邊灘破碎度顯著增大。

（４）堰壩分布方式對(duì)河段內(nèi)的邊灘會(huì)產(chǎn)生較大影響。隨著堰壩分布密度增大，ＰＤ 變化更為顯著，ＬＳＩ波動(dòng)變化的幅度更大，其根本原因是高密度堰壩分布對(duì)水動(dòng)力條件的改變。河道治理過程中需優(yōu)化堰壩布局，同時(shí)考慮堰壩形式、過流方式等因素，從而有效地保護(hù)河流灘地資源。

【責(zé)任編輯 許立新】