閘壩對北運河流域河流棲息地連通性的影響

譚羿鍼，王世巖，韓 禎，汪 潔，姜 志，陽 星，李步東，趙仕霖

（1. 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038； 2. 中國水利水電科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境研究所，北京 100038）

0 引 言

河流是人類賴以生存的基礎(chǔ)，它對于支撐生物多樣性和維護(hù)重要生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮了關(guān)鍵作用［1］。河流本身以及河流水系連通性狀況深刻影響著水土資源的保持與利用、水生及濕地生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣與演變以及防洪救災(zāi)的等級與抵御能力［2］。國內(nèi)外學(xué)者目前已經(jīng)開展了大量關(guān)于河流連通性的研究，1980 年，Cummins 等［3］率先提出了河流連續(xù)體這一新概念（River Continuum Concept， RCC）。1989 年，Ward［4］提出河流生態(tài)系統(tǒng)時間和空間的四維結(jié)構(gòu)。1997 年，Poff 等［5］提出了自然水流范式（Nature Flow Regime，NFR）的概念。2010 年，董哲仁等［6］提出了河流生態(tài)系統(tǒng)整體模型。

河流棲息地連通性很大程度上受到了人類活動的影響，所謂的河流棲息地連通性即是河流生態(tài)系統(tǒng)中斑塊間在功能和生態(tài)過程上的有機(jī)聯(lián)系。人類活動的影響主要是通過在河網(wǎng)中建造各式閘壩，閘壩的物理阻隔嚴(yán)重降低了河流的連通性［7］，阻礙了水生生物上下游間的運動［8］，使河流的水文、水力學(xué)特征及熱力學(xué)特征發(fā)生了改變［9］。盡管人們對閘壩的影響進(jìn)行了大量的分析，但很少有人關(guān)注河網(wǎng)規(guī)模上閘壩的累計效應(yīng)，尤其是對魚類的影響。

基于此，研究以北運河流域為例，北運河是北方一條典型的多閘壩河流，通過提取1980、2000和2020年3期閘壩分布圖，利用ArcGis 計算河網(wǎng)及各河段長度，然后使用樹狀連通性指數(shù)（Dendritic Connectivity Index， DCI）量化河流棲息地連通性［10］，用DCI評價方法分析閘壩在數(shù)量上及空間位置分布上對北運河河流棲息地連通性的影響。

1 研究區(qū)域介紹

北運河是海河北系四大河流之一，位于華北平原的西北端，東經(jīng) 116°02'～117°06'北緯 39°39'～40°35'。北運河干流河長186 km，流域面積6 166 km2［11］。發(fā)源于軍都山，其上游稱為溫榆河，與通惠河于通州北關(guān)相匯后開始稱作北運河，流經(jīng)京津冀三地。

北運河作為北方典型的多閘壩、半城市化河流，在城市生態(tài)環(huán)境與功能保護(hù)、城市防洪與防澇減災(zāi)等方面發(fā)揮著巨大作用［12］。北運河流域范圍見圖1，但就北運河河流連通性的相關(guān)研究少之又少，尤其是在多閘壩分布的情況下進(jìn)行影響性研究。

圖1 北運河流域范圍圖Fig.1 North Canal River drainage area

根據(jù)調(diào)研，在研究水系區(qū)域內(nèi)，設(shè)計水位8 m以上的閘壩共有23 座，其中包括6 座橡膠壩，北京市4 座，河北省天津市各1座。防洪、節(jié)制閘17 座，北京市5 座，河北省1 座，天津市11座［13］。通過實地調(diào)查記錄與遙感影像分辨各個閘壩位置并編號，繪制北運河閘壩分布現(xiàn)狀，見圖2。

圖2 北運河流域2020年閘壩分布情況Fig.2 Distribution of dams in North Canal River basin in 2020

2 DCI評價方法

通過眾多中外學(xué)者的研究，根據(jù)不同研究重點，目前評價河流棲息地連通性的方法也有所不同，包括圖論法、指標(biāo)法、水文水力學(xué)法、景觀法、連通性函數(shù)等［14，15］。圖論法是基于河湖水系與圖論理論，將流域水系概化成圖的鄰接矩陣，以此量化分析河湖水系連通性［16，17］。指標(biāo)法指利用選取水文連通相關(guān)的特征參數(shù)來綜合評價連通性［18］。Ali［19］等提出指數(shù)法中將水文連通性關(guān)鍵因子指標(biāo)分為景觀特征、水流路徑以及土壤濕度模式，在此基礎(chǔ)之上國內(nèi)提出的K連通指數(shù)法用于評價河流縱向連通性，但該方法十分粗略而且沒有加以考慮閘壩、橡膠壩等水利工程對生態(tài)環(huán)境的不利影響，不能用于評價實際中復(fù)雜的、非單一性河流狀況。針對這種情況，Cote［10］等提出了樹狀河網(wǎng)連通性指數(shù)（DCI），該方法相比于K連通指數(shù)法能夠更加全面客觀地分析閘壩在數(shù)量、空間分布以及其可通過性這3 種差異上對于整個河網(wǎng)的連通性狀況影響。

DCI評價法用重合概率來評估河流棲息地連通性，即魚類生物可以在河網(wǎng)中的任意兩個點之間移動的概率。因此，河流棲息地連通性取決于這兩點之間有多少閘壩，以及魚類能夠在上下游之間跨越這些閘壩的概率，也將這個概率稱作為閘壩的可通過性，記為p。p取決于不同閘壩自身的各種屬性，其中包括物理屬性（如閘孔的數(shù)量、大?。⒒瘜W(xué)和水文學(xué)屬性（如瞬時流速）以及魚類的生物學(xué)屬性（如物種、年齡）。在計算過程當(dāng)中，將閘壩概化為不占空間長度的點，定義實際存在的閘壩將河道分割成各個河段，各個河段的河流棲息地連通性不受阻，因此有了下面的計算方法。設(shè)C是表示連通性的離散型隨機(jī)變量，cij代表河段i與河段j之間的連通性，其中{i，j}=1，2，3，…，n，n為河段數(shù)（等于閘壩數(shù)量加1）。因此DCI可以表示為：

只有當(dāng)魚類能夠在上游和下游兩個方向的斑塊之間往來時，斑塊才會連通。假定魚向上游移動和向下游移動的可能性相同，那么：

式中：li和lj分別表示河段i與河段j的長度；L為代表河網(wǎng)總長度；假設(shè)魚類通過每個閘壩的能力是相互獨立的，也即是魚類通過一個閘壩不以任何方式影響該魚通過另一個閘壩。如果區(qū)間i和j之間有M個閘壩，則cij定義為：

式中：pum表示魚類逆流而上通過第m個閘壩的概率；pdm表示魚類順流而下通過第m個閘壩的概率。

3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

利用1980、2000 和2020 年3 個時期的衛(wèi)星遙感資料，使用ArcMap 繪制3個不同時期的北運河流域閘壩分布圖（圖3）。通過ArcGIS 和MATLAB 計算DCI值，DCI取值0～100，值越大代表河流棲息地連通性越好。由于主要研究1980-2020年期間閘壩建設(shè)對河流棲息地連通性的影響，假設(shè)河道長度不發(fā)生改變。同時，影響閘壩可通過性p的因素復(fù)雜多樣，為突出研究閘壩的數(shù)量建設(shè)及其空間分布差異對于北運河流域河流棲息地連通性影響，計算過程中假設(shè)p=pum=pdm。

圖3 北運河流域不同時期閘壩分布分布圖Fig3 Distribution dams at different periods in North Canal River basin

北運河流域內(nèi)閘壩從1980 年的11 個增長到2000 年的20個，再到2020 年的23 個，期間新建成的主要閘壩包括各種節(jié)制閘和橡膠壩。

3.1 不同時期閘壩可通過性p對DCI值的影響

以3期閘壩分布基礎(chǔ)，逐步計算不同時期下閘壩可通過性p從0增加到1（步長為0.1）范圍內(nèi)所對應(yīng)的DCI值（圖4）。

圖4 閘壩可通過性對DCI值影響關(guān)系Fig.4 The relationship between dam passability and DCI value

通過圖4可以看出，整體上，DCI值隨p增大而增大，這與認(rèn)知相符，但不同的是，由于閘壩可通過性大小不同，DCI值的增幅不同，也就是曲線斜率不同。當(dāng)0＜p＜0.5，曲線斜率小，但當(dāng)0.5＜p＜1.0，尤其當(dāng)0.7＜p后，曲線斜率猛增。以2020 年為例，將p值從0.1 提升到0.6，DCI值從12.7 提高到19.5，僅提高了6.8，但將p值從0.7 提升到0.8，DCI值從26.5 提高到42.3，提高了15.8。有學(xué)者在濰河流域諸城段用此方法得出在0.8＜p后，DCI值明顯增大［20］。這種趨勢說明，當(dāng)閘壩可通過性p處于相對較低的情況下時，即使提高其可通過性也不能明顯提升河流棲息地連通性，只有將閘壩可通過性p值提高到一定程度后（本研究區(qū)域為0.7），稍許提高p值就能顯著提升河流棲息地連通性，這對修復(fù)河流棲息地連通性有指導(dǎo)意義。

3.2 閘壩數(shù)量變化對DCI值的影響

從時間序列上看，隨著閘壩建設(shè)數(shù)量增多，河流棲息地連通性整體下降，這也與認(rèn)知相符，即圖4 中“1980 年”曲線高于“2000 年”曲線，高于“2020 年”曲線。但值得注意的是，當(dāng)流域內(nèi)無任何閘壩時，河流棲息地連通性值為100，反映在圖4 中為起始坐標(biāo)為（0.1，100）的一條平行于x軸的直線，1980 年建成閘壩11座，曲線起始坐標(biāo)立刻變?yōu)椋?.1，29.5），也即是河流棲息地連通性值降為29.5，驟減了71.5%，2000 年建成閘壩20 座，曲線起始坐標(biāo)為（0.1，12.8），河流棲息地連通性值降為12.8，相比1980 年降低了56.6%，2020 年建成閘壩23 座，曲線起始坐標(biāo)為（0.1，12.7），相比2000 年河流棲息地連通性值較2000 年無太大變化，兩條曲線相鄰較近。據(jù)此得出，北運河流域閘壩建設(shè)較嚴(yán)重地降低了河流棲息地連通性，尤其是在無人工干擾的自然河流上建閘影響顯著。因此，從保護(hù)河流棲息地連通性的角度，在天然河流建設(shè)閘壩或其他擋水建筑物時需要慎重和科學(xué)決策。

3.3 不同位置閘壩可通過性狀況對DCI值的影響

以2020年閘壩分布為例，研究不同空間位置的閘壩可通過性狀況對DCI值的影響。圖4 中可以看出，當(dāng)p=0.7 時，2020 年的DCI值為26.5。依次將圖2 中1 號至23 號閘壩的可通過性提升至1，提高其中一個閘壩的可通過性時，其余閘壩可通過性均保持0.7，計算出對應(yīng)的DCI值，結(jié)果見表1。

表1 依次提升各閘壩的可通過性p后的DCI變化表Tab.1 DCI’s change after improving the passability p of each dam successively

從表1 結(jié)果可以看出，提升22 號閘壩的可通過性可以顯著提高整個水系的河流棲息地按連通性，提升13號閘壩的可通過性僅提高DCI值0.1，幾乎沒有改變。22 號閘壩為土門樓節(jié)制閘，建造于北運河干流上，全閘3 聯(lián)9 孔，控制著北運河下泄洪水，通過科學(xué)的手段合理調(diào)度干、支流的水量，保證了防洪安全、農(nóng)業(yè)灌溉用水以及景觀等效益［21］，同時也是影響河流棲息地連通的關(guān)鍵閘壩，鑒于其在防洪、排澇及城市景觀等方面的功能，難以進(jìn)行拆除，且當(dāng)前大運河通航背景下，仍將發(fā)揮更重要的閘壩調(diào)控功能，但為了保障棲息地連通，應(yīng)加強河流棲息地連通要求以及做好魚類過閘生態(tài)調(diào)度。

據(jù)此得出，閘壩的空間差異將會直接影響河流棲息地連通性，經(jīng)分析，這種差異主要體現(xiàn)在閘壩位于干流還是支流，位于干流上的閘壩影響程度遠(yuǎn)高于支流，根據(jù)模擬計算ΔDCI，結(jié)果顯示北運河干流閘壩影響河流棲息地連通性的平均程度是支流的10 倍左右。建議在后期修復(fù)河流棲息地連通性時從干流上閘壩著手，優(yōu)先提高22、23、8、14 號的閘壩可通過性，也即是土門樓節(jié)制閘、屈家店閘、葦溝閘、通惠閘，提高閘壩可通過性措施有修建魚道、增大閘孔、提高開閘時長等等［22］。

4 討 論

4.1 北運河閘壩數(shù)量與魚類種群、數(shù)量的關(guān)系

根據(jù)資料調(diào)查記載，北運河歷史上魚類較為豐富，但隨著閘壩數(shù)量的增多、水質(zhì)的惡化、生態(tài)流量的不滿足等因素，北運河流域內(nèi)魚類逐漸呈現(xiàn)資源量減少、分布不均、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價值低的特點。如表2 所示，1983 年北京有魚類8 個目、15 個科、58 個屬、73 種，未有國家級保護(hù)魚類。其中鯉科魚類為最大類群，有51 種，占總數(shù)的69.9%［23］，此時北運河流域內(nèi)閘壩數(shù)量為11 座。隨著閘壩的建造，截至1999 年，北運河流域內(nèi)閘壩增長到20 座，河流棲息地破碎化程度進(jìn)一步加劇，調(diào)查到北京地區(qū)的鰍科魚類11 種。其中北運河水系可能分布的種類有到花斑副沙鰍、花鰍、泥鰍［24］。但2009-2010 年在北運河北京段河道采集到的魚類只有泥鰍、麥穗魚和鯽3種魚類，在天津段采集到的魚類有鯽、烏鱧、麥穗魚、泥鰍、?和吻鮈6 種魚類，總共調(diào)查到9 種魚類。2011 年，北京地區(qū)有記載的魚類有93 種，隸屬于13 目23 科73 屬，包括引入種12 種［25］，但目前仍能獲得的原生野生魚類已由原記錄的85 種下降至43 種。其中，可能在北運河水系有分布的魚類有22 種。2019 年，北運河流域閘壩增長到23 座，相應(yīng)地，北京市主要河流的調(diào)查中采集到魚類37 種，隸屬于5 目13 科34 屬，2010-2015 年，北京市河流原生的野生魚類減少8種［26］。

表2 歷年北京地區(qū)魚類種數(shù)Tab.2 Fish species in Beijing area in past years

為了系統(tǒng)了解北運河流域水生態(tài)系統(tǒng)尤其是魚類現(xiàn)狀分布，識別閘壩建設(shè)對于魚類種群與結(jié)構(gòu)的影響，在2019 年1 月、6 月和9 月，共進(jìn)行了3 次野外魚類調(diào)查，三期共采集到魚類15種，507尾，分別隸屬3目6科，各種類在流域內(nèi)的空間分布情況見圖5。

圖5 北運河流域2019年調(diào)查魚類密度分布圖Fig.5 Fish density distribution in the North Canal River in 2019

由圖5 可以看出，北運河上游閘壩有8 座，其閘壩平均分布密度為4 座∕1 000 km2，中游閘壩有12 座，其閘壩平均分布密度為6座∕1 000 km2，下游閘壩有3座，其閘壩平均分布密度為1座∕1 000 km2。調(diào)查結(jié)果顯示，枯水期采集到的魚類較少。平水期出現(xiàn)頻率最高的魚是鯽183 尾，其次是麥穗魚74 尾，第三是普櫛鰕虎魚59 尾，?34 尾。豐水期出現(xiàn)頻率最高的魚是麥穗魚17 尾和泥鰍12 尾，其次是鯽17 尾，第三是棒花17 尾。從種類上，包括鯉、鯽、麥穗魚等在內(nèi)的靜水定居型魚類9種，占總種類數(shù)的60%，?、普櫛鰕虎魚等在內(nèi)的溪流定居型魚類5 種，占33%，江湖洄游性魚類1 種，占7%。靜水定居型魚類占比高于溪流定居型魚類，且靜水定居型魚類的分布更廣，多見于閘壩上游河段，這是因為閘壩的建設(shè)將河流切割成若干個河段，這改變了原來河流的流速屬性，導(dǎo)致閘上流速放緩，這種格局的改變進(jìn)一步導(dǎo)致北運河魚類分布不均的特點，體現(xiàn)為閘上水流較緩處多分布靜水定居型魚類，而溪流定居型魚類減少。從資源量上，北運河下游漫灘段分布的魚類種類和數(shù)量都是最多的，其次是上游出山段，最少的是中游城市化河段。下游調(diào)查到的魚類資源量約為上游的3 倍，為中游的5 倍。北運河魚類這分布不均的特征一方面跟北運河管理處于2019 年開始向下游實施增殖放流有關(guān)，另一方面本質(zhì)原因是河流棲息地環(huán)境優(yōu)劣決定了魚類的生存和分布，有學(xué)者指出，閘壩建設(shè)會對魚類造成不利影響，體現(xiàn)在水文情勢、水溫、氣體過飽和等方面［27］。中游城市化河段閘壩數(shù)量最多，魚類棲息地連通性受到了很大擾動，相應(yīng)的魚類分布最少，相反下游漫灘濕地段閘壩最少，相應(yīng)的魚類分布最多。

綜上，歷史資料和野外調(diào)查數(shù)據(jù)均表明北運河的魚類種類和數(shù)量都有減少的趨勢，且優(yōu)勢種多轉(zhuǎn)變?yōu)槟臀鄯N，半洄游性魚類鯉、鯽等數(shù)量也有所減少。該現(xiàn)象跟北運河閘壩建設(shè)的影響息息相關(guān)，持續(xù)的閘壩建設(shè)對魚類的生存造成了不利影響，所以本研究借助DCI評價方法分析河流棲息地連通性，旨在復(fù)蘇河流生態(tài)環(huán)境，為保護(hù)生物多樣性賦能。

4.2 閘壩可通過性p值的確定

影響閘壩可通過性的因素有很多，取決于閘壩的物理屬性，如閘孔的數(shù)量、大小等；水文學(xué)屬性，如瞬時流速、流量等；以及魚類的生物學(xué)屬性，如物種、年齡等。因此，每個閘壩的可通過性不一定都是相同的，本研究在模型計算過程中采用了假設(shè)法，計算結(jié)果能夠反映閘壩在數(shù)量及其空間位置上對河流棲息地連通性的影響程度，但如何定量提高閘壩可通過性這一實際問題還有待解決，接下來的研究須圍繞如何構(gòu)建閘壩可通過性與影響因子之間的函數(shù)關(guān)系。

閘壩的物理屬性和水流的水文屬性與閘壩可通過性之間的函數(shù)關(guān)系都比較容易實現(xiàn)，難點在于如何模擬魚類可通過性，其實質(zhì)上也是魚類克流能力及適宜生態(tài)水文條件的問題。在分析該問題方面，可首先假設(shè)閘孔下泄流速越大對魚類的阻礙就越大，這樣就把流速概化為阻力系數(shù)，再假設(shè)魚類在模型中為不占空間的運動點，起始情景設(shè)置為100 個均一化的點在模型界面內(nèi)阻力系數(shù)為0的情況下做布朗運動，閘孔全開，計算一定時間內(nèi)點通過閘孔的數(shù)量；接下來對魚類加上抗阻系數(shù)，大型魚類、成年魚類的抗阻更高，這樣來標(biāo)識魚類生物學(xué)屬性差異；下一步借助人工智能對這些點進(jìn)行訓(xùn)練——點不再做布朗運動，而是訓(xùn)練成對著流速較大，阻力系數(shù)較大的地方更有興趣。就這樣，模擬不同工況下這些點通過閘孔的概率以此得出閘壩可通過性。這是一個復(fù)雜的科學(xué)問題，但十分有趣，即使是對于不同工程類型的閘壩、不同來水情況以及不同魚類，也總可以從模型模擬下得出影響閘壩可通過性的共性因素，為保護(hù)和改善河流棲息地環(huán)境提供幫助。

5 結(jié) 論

河流棲息地連通性對于河流水生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與穩(wěn)定性至關(guān)重要，是河流生態(tài)復(fù)蘇與健康保障的關(guān)鍵，而閘壩建設(shè)阻礙了河流生態(tài)系統(tǒng)中斑塊間在功能和生態(tài)過程上的有機(jī)聯(lián)系，大大降低了河流棲息地連通性，如何量化壩址對于河流棲息地連通性的影響對于水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)具有重要意義。研究為探明河網(wǎng)規(guī)模上閘壩對于河流棲息地連通性的累積效應(yīng)，選取北運河流域為例，采用DCI評價方法量化1980 年、2000 年和2020年的河流棲息地連通性，結(jié)合歷史資料和野外調(diào)查魚類數(shù)據(jù)，從閘壩的可通過性、數(shù)量及空間位置3 個維度分析其對于DIC值的影響，并提出河流棲息地生態(tài)環(huán)境修復(fù)建議，主要得到以下結(jié)論。

（1）大閘壩可通過性p會導(dǎo)致DCI值增大，且增加趨勢愈發(fā)顯著，當(dāng)p在0＜p＜0.5 區(qū)間內(nèi)增加，增大趨勢不明顯，但當(dāng)p在0.5＜p＜1.0 區(qū)間增加，尤其當(dāng)0.7＜p后，這種增大趨勢尤為顯著。所以在修復(fù)措施和投入資源有限時，應(yīng)優(yōu)先提高原p＞0.7的閘壩的可通過性會更有利于修復(fù)北運河河流棲息地連通性。

（2）閘壩建設(shè)嚴(yán)重降低了河流棲息地連通性，尤其是對于自然無人工干擾河流。1980 年、2000 年、2020 年的北運河閘壩數(shù)量分別為11 座、20 座、23 座，DCI值分別為51.6、28.7、26.5，1980-2000 年，閘壩數(shù)量增長了81.8%，DCI值降低了44.4%，2000-2020 年，閘壩數(shù)量增長了15.0%，DCI值降低了7.7%。在考慮保護(hù)河流棲息地連通性的情況下，建設(shè)各種阻水建筑物需謹(jǐn)慎權(quán)衡和決策。

（3）閘壩的空間差異將會直接影響河流棲息地連通性，這種差異主要體現(xiàn)在閘壩位于干流還是支流，位于干流上的閘壩影響程度遠(yuǎn)高于支流，模擬計算顯示北運河干流閘壩影響河流棲息地連通性的平均程度是支流的10 倍左右。這為修復(fù)提高北運河流域河流棲息地連通性提供了思路，可以優(yōu)先針對22號土門樓節(jié)制閘、23號屈家店閘、8號葦溝閘，通過修建魚道、增大閘孔及開合程度等提高閘壩可通過性，以此提高河流棲息地連通性。