金沙江下游大壩建設對縱向連通性的影響研究

侯軼群 鄒曦 陳小娟 金瑤 楊志 劉宏高

摘要：金沙江下游生態(tài)系統(tǒng)的復雜多樣性使其成為眾多重點保護、瀕危、珍稀和特有魚類等集中分布的水生生物多樣性中心，但近年來因高密度、高強度梯級水電站工程建設的阻隔影響而明顯衰退。為采取有效措施恢復連通性以減緩不利影響，以流域為單元，基于金沙江下游干流及支流DEM和水庫、水電站建設數據，采用樹狀水系連通性指數方法分析流域內大壩所造成的阻隔影響，并對金沙江下游縱向連通性進行了評價。結果表明當大壩通過能力逐步提升，尤其是提升至0.7后，水系整體連通度呈顯著增大趨勢，連通性明顯向好；金沙江下游水系連通性修復次序建議為，第一期：黑水河、西溪河、牛欄江；第二期：普渡河、西寧河、龍川江、鲹魚河；遠期：橫江、普隆河、美姑河、以禮河、勐果河、小江。研究結果可為制定和實施流域魚類洄游通道恢復工程及行動計劃、促進水生生物保護提供基礎支撐。

關鍵詞：樹狀水系；連通性指數DCI；修復次序；金沙江下游

中圖分類號：TV213.4? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1674-3075（2024）01-0026-06

金沙江流域位于我國青藏高原、云貴高原和四川盆地的西部邊緣，地處東經90°23′～104°37′，北緯24°28′～35°46′，跨越青海、西藏、四川、云南、貴州5個?。ㄗ灾螀^(qū)），流域面積約50萬km2。金沙江源頭至宜賓干流全長約3 500 km，總落差5 100 m，分別占長江干流全長的55.5%和干流總落差的95%。金沙江干流玉樹直門達至石鼓為上游，石鼓至雅礱江口為中游，雅礱江口至宜賓為下游。金沙江下游接納雅礱江后沿途又接納龍川江、普渡河、牛欄江、橫江等支流，至宜賓與左岸支流岷江匯合后稱長江。

金沙江下游自然地理環(huán)境復雜，水域生態(tài)系統(tǒng)多樣，孕育了豐富的魚類物種資源，屬江河平原魚類與青藏高原魚類的過渡分布水域，共記載魚類7目22科160種，其中有4目11科66種屬國家級和地方級重點保護魚類、瀕危魚類或長江上游特有魚類，種類占比非常大。近10多年來，高密度的梯級水電站建設和高強度的水資源開發(fā)對水域生態(tài)環(huán)境造成了不可避免的阻隔影響（楊志等，2017）。

目前，金沙江下游干流建有烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩等4座巨型梯級電站，其主要支流龍川江、勐果河、普隆河、鲹魚河、普渡河、小江、以禮河、黑水河、西溪河、牛欄江、美姑河、西寧河和橫江上建成了近百座梯級水電站。梯級電站建設深刻改變了原有水系的縱向連通性格局，導致流域魚類資源衰竭，珍稀特有魚類種類數量顯著下降，瀕危物種增多，需要重點保護的魚類種類增加（梁媛等，2023）。梯級水電站工程建設運行對長江上游珍稀、特有魚類的阻隔影響受到社會廣泛關注，亟需采取連通性恢復措施以減緩不利影響（熊美華等，2023）。

圍繞水系連通性研究，國外早期代表性理論有河流連續(xù)體概念（the River Continuum Concept）、串連非連續(xù)體概念（the Serial Discontinuity Concept）、洪水脈沖概念（the Flood Pulse Concept）、潛流廊道概念（the Hyporheic Corridor Concept）（Poole，2002）和四維框架理論（a Four-dimensional Framework）等（Ward，1989），并在歐洲萊茵河流域、美國密西西比河流域、澳大利亞墨累―達令河流域和日本琵琶湖流域等獲得了成功應用。國內外學者從數學、水文學、生物學和景觀生態(tài)學等不同學科視角開展了大量水系連通性研究，形成了水文學法（徐光來等，2012）、景觀連接度法（孫鵬等，2016）、基于河段長度（或容積）的河流破碎化指數法（River Fragmentation Index， 包括RFIL和RFIV）、加權洄游魚類生境分布的河流破碎化指數法（Grill et al，2015；Grill et al，2019）、綜合指標評價法（夏繼紅等，2017） 、圖論法（趙進勇等，2017）和攔河建筑物密度評估法（生態(tài)環(huán)境部，2021）等評價方法，以及“三流四維連通性生態(tài)模型”等數學模型分析方法（董哲仁等，2019）。近年來，計算機技術和“3S技術”（遙感Remote Sensing、全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)Global Navigation Satellite System和地理信息系統(tǒng)Geographic Information System）的快速發(fā)展為水系連通性提供了強有力的研究手段。

本文以流域為單元，基于金沙江下游干流及支流數字高程模型（DEM）和水庫、水電站建設數據，分析流域內大壩所造成的阻隔影響，并對金沙江下游縱向連通性進行評價，以期為制定和實施流域魚類洄游通道恢復工程及行動計劃、促進水生生物保護提供基礎支撐。

1? ?材料與方法

1.1? ?研究區(qū)概況

研究區(qū)域為烏東德水電站庫尾至向家壩水電站壩下的金沙江下游區(qū)段干支流水系（圖1）。其中，溪洛渡和向家壩水電站分別于2007年和2008年完成截流，2014年蓄水發(fā)電；烏東德和白鶴灘水電站分別于2016年和2015截流，2020年、2021年蓄水發(fā)電。本研究以烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩4級水電站所在干流江段為中心，結合該江段支流水系開展縱向連通性研究。

1.2? ?數據獲取方法

搜集2023年2月的ASTER GDEM 30 M分辨率數字高程數據（30 m空間分辨率），該數據從中科院科學數據中心地理空間數據云網站上下載（http：//www.gscloud.cn/）。利用ArcGIS軟件（v10.8）進行影像拼接等預處理，生成備選河道信息（王成文等，2021）。通過與GoogleEarth無偏移影像、天地圖衛(wèi)星圖以及天地圖街道圖進行對比檢核，確定本文用于分析的河網分布數據。

大壩數據主要源于長江水利委員會網信中心水庫、水電站數據庫和《中國河湖大典》（長江卷）（《中國河湖大典》編纂委員會，2010）、全國第一次水利普查成果（《第一次全國水利普查成果叢書》編委會，2017）以及全球水庫和大壩數據庫（Global Reservoir and Dam database， GranD v1.3） （Lehner et al，2011）， 并利用奧維地圖軟件（OMAP v9.9.0）加載天地圖影像和四維衛(wèi)星影像圖進行核實篩查獲得。

1.3? ?研究方法

樹狀水系連通性指數是根據大壩的數量、可通過能力以及地理位置，定量評價水系的連通性水平。與網狀水系不同，樹枝狀水系中任意兩點間的路徑是唯一的，整個水系的連通性狀況主要取決于河網中任意兩點之間大壩的數量、可通過能力以及河段長度。河段是指由于大壩的存在而將河道分成的各個節(jié)段。大壩具有相應的可通過能力[p]，可通過能力是指生物體在溯流和降流兩個方向通過大壩的能力，取決于其物理、化學、水文學特征以及生物體自身的生物學特征（Cote et al，2009）。本方法假定大壩不占用實際空間，不影響河網的總長度；假定由大壩分割得到的每個河段內部是完全連通的。整個水系的連通性可視為任意兩個河段之間連通性的總和，樹狀水系連通性指數DCI可根據以下公式進行計算（孫鵬等，2016）：

[DCI=i=1nj=1nCijliLljL×100]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ①

式中：[li]和[lj]為河段[i]與河段[j]的長度，[L]為整個河網的總長度，[n]為河網被大壩切割而形成的河段數量。乘以100是為了將[DCI]的數值調整到0～100之間，其數值越高，則表明河網的連通狀況越好。[Cij]為河段[i]與河段[j]之間的連通性，其數值的設定取決于河段[i]與河段[j]之間存在的大壩數量，以及每個大壩的可通過能力。如果河段[i]與河段[j]之間存在[K]個大壩，則[Cij]可以用如下公式計算得到：

[Cij=k=1Kpkpk=pukpdk]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ②

式中：[pk]為生物體通過第[k]個大壩的能力，其數值根據從上游至下游的通過能力[pdk]和從下游至上游的通過能力[puk]相乘得到。

1.4? ?數據處理

1.4.1? ?金沙江下游河段劃分? ?基于金沙江下游89座大壩位置以及河流間交匯點信息（圖1），將河網劃分成了379個河段。河段的長度分布情況如圖2，絕大多數河段的長度在50 km以下，最長河段為96.4 km，河網總長度為6 249.1 km?；谏鲜龇治?，可獲得公式①所述[L]和[l]的數值信息。

1.4.2? ?兩個河段間的路徑計算? ?對379個河段采用ArcGIS軟件的網絡分析功能，將任意兩個河段分別設置為設施點和事件點的方式，計算得到不同河段間合計143 641條路徑信息。通過對每條路徑信息進行緩沖區(qū)分析的方式，獲取該路徑上存在的大壩信息。基于上述分析結果，獲得公式②所述不同河段間存在的大壩數量[K]，根據生物體在每個大壩處的通過能力對參數[p]進行設置。

2? ?結果與分析

2.1? ?大壩可通過能力對水系連通性的影響

為簡化分析過程，本文未細化區(qū)分公式②中[pd]和[pu]的影響，而是以兩者的乘積[p]作為自變量開展后續(xù)分析。此外，本文未區(qū)分不同大壩可通過能力的差異性。將大壩的可通過能力[p]按照0.05的步長從0增加到1，按照公式①、②計算對應的水系連通性指數DCI，分析大壩可通過能力對金沙江下游樹狀水系連通性的影響。

由統(tǒng)計結果（圖3）可知，隨著大壩可通過能力[p]的增加，金沙江下游的水系連通性指數DCI整體上呈現逐漸增加的趨勢。當[p]<0.7時，隨著可通過能力[p]的增加，金沙江下游DCI增加的趨勢并不明顯，始終在17以下。說明對于金沙江下游當前河網而言，當大壩的可通過能力[p]較低時，盡管[p]增加較多，但該地區(qū)水系整體的連通性水平并未得到明顯改善；而當[p][≥]0.7，尤其是當[p][≥]0.9時，金沙江下游的水系連通性指數DCI顯著提升，即當該地區(qū)大壩的可通過能力[p]較高時，[p]的微小變化會對整個水系的連通性水平產生非常明顯的影響。

2.2? ?不同支流上大壩建設對水系連通性的影響

進一步分析14條支流大壩建設對金沙江下游水系連通性指數的影響，以圖3所示金沙江下游水系連通性指數DCI為參考基準，通過將各支流上所有大壩可通過能力[p]設置為1.0的方式，模擬該支流連通性全面修復后（即該支流通過拆壩、修建過魚設施等方式實現100%連通）整個金沙江下游水系連通性指數的增幅（[△DCI]）。

如圖4所示，若對普渡河和牛欄江連通性全面修復，金沙江下游水系的連通性指數增幅最大。其中，當大壩可通過能力[p][≤]0.4時，[△DCI]增幅較緩；當[p]值處于0.4～0.9時，[△DCI]隨著[p]增大顯著增加，分別由4.6增至8.0、2.8增至9.2，當[p]值為0.9左右時[△DCI]達到峰值。

此外，橫江和西溪河的連通性修復也可取得較大的連通增量，其他10條支流的連通性修復則對整體增量貢獻值較小。值得注意的是，目前正在開展連通性修復的黑水河盡管大壩數量較少（3個），但對整體連通性修復的增量大于比其大壩數量多的龍川江和以禮河。

3? ?討論

3.1? ?金沙江下游連通性

金沙江下游河段梯級電站開發(fā)任務以發(fā)電為主，并有防洪、攔沙、航運、灌溉等綜合效益，工程發(fā)電效益巨大，社會效益顯著，梯級電站發(fā)電每年可節(jié)約原煤約7 500萬t，具有顯著的環(huán)境效益。但是，金沙江下游地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，梯級電站建設將不可避免地對流域連通性和區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成負面影響，特別是對國家級和地方級重點保護魚類、瀕危魚類和珍稀特有魚類及其棲息生境?；謴退飾⒌氐倪B通性是目前學界廣泛認同的水生生物多樣性保護中最重要、最緊迫和最有效的手段之一。通過恢復金沙江下游干支流的連通性，可以在一定程度上恢復干支流之間的水文聯系和相互作用，以及生物群落的交流和遷徙，并減緩人類活動的影響。

針對金沙江下游干流有烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩4座巨型梯級水電站、支流累計近百座梯級水電站分布的情況，本研究分別以干流和各支流流域為研究單元，建立樹型水系的連通性模型，定量分析了連通性指數與大壩可通過能力的相關性。研究結果表明（圖3），若所有大壩均無上下行洄游通道，水系的連通性指數非常低，破碎化嚴重，對于不同生活史階段需要在水域間洄游的魚類造成重大影響，物種嚴重衰退。當大壩通過能力逐步提升，尤其是升至0.7后，水系整體連通度將呈顯著增大趨勢，連通性明顯向好。為此，通過修建過魚設施、梯級聯合生態(tài)調度等綜合措施，在魚類關鍵生活史階段提升魚類的大壩通過能力，可以有效提升水系整體連通度，對金沙江具有長、短距離洄游習性的魚類產生積極的生態(tài)增益。

3.2? ?金沙江下游支流連通性恢復次序

目前，在水生態(tài)影響減緩措施中，支流因同干流水系連通、魚類種類組成相似度高，成為大型工程重要的替代生境，如黑水河是金沙江下游白鶴灘庫區(qū)干流魚類的重要替代生境和優(yōu)先保護支流（張雄等，2014）。

本研究分析了14條支流大壩建設對金沙江下游水系連通性指數的影響，普渡河、牛欄江、橫江和西溪河連通性修復可對水系連通性產生較大增量。張雄等（2014）通過選取河段級別、河寬、比降、海拔、彎曲度、植被等河流自然環(huán)境指數，得出西寧河和牛欄江的棲息地質量均非常好；西溪河、黑水河、以禮河、勐果河、普渡河、美姑河、普隆河的棲息地質量較好。牛欄江從連通性恢復需求、棲息地質量評價兩方面都是應重點關注的支流，且其特有魚類種類分布數相較最多，在今后的流域洄游通道恢復系統(tǒng)中應予以重視。普渡河同牛欄江一樣，也是連通性修復可帶來較大增益的支流，其棲息地質量評價為較好，且有昆明裂腹魚等特有魚類分布，其連通性修復需求也較高。橫江阻隔工程最多，修復難度大，且連通性恢復增量不及水壩數量遠小于其的牛欄江和普渡河，其連通性恢復措施可在中遠期實施。西溪河棲息地質量好，連通性修復增量大，且水壩數量較少，建議制定適宜的連通性保護方案。除此之外，盡管目前黑水河僅有3座梯級，但其對整體連通性修復的增量大于比其大壩數量多的支流。據報道，原黑水河第四級老木河水壩已根據環(huán)評批復進行了拆除（何術鋒等，2021），第三級的松新水壩修建了魚道（石小濤等，2023）。根據環(huán)審[2023]111號批復要求：加快推進黑水河魚類棲息地保護第二階段措施落實，有序實施松新、蘇家灣、公德房等水電站退出拆除工作，同步開展生境修復（中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部，2023）。黑水河的連通性恢復有望第一個落實，后期可持續(xù)開展棲息地保護效果跟蹤監(jiān)測與評估，動態(tài)評估水系連通性，為流域連通性決策系統(tǒng)提供科學依據。

綜上所述，根據本文研究，金沙江下游水系連通性修復次序建議如下，第一期：黑水河、西溪河、牛欄江；第二期：普渡河、西寧河、龍川江、鲹魚河；遠期：橫江、普隆河、美姑河、以禮河、勐果河、小江。

當前世界范圍內，連通性修復已成為河流生態(tài)系統(tǒng)補償措施的重要內容。對于水能資源豐富的金沙江下游水系，破碎化程度嚴重，連通性指數低，同時又分布有種類豐富的土著魚種，資源衰退形勢嚴峻，亟需采取相應的補償措施。本文通過構建金沙江下游樹型連通性模型，定量分析通過大壩能力與連通性指數的相關關系，提出支流恢復次序建議，為金沙江下游水生態(tài)保護決策提供技術支撐。

參考文獻

《第一次全國水利普查成果叢書》編委會，2017. 水利工程基本情況普查報告[M]. 北京：中國水利水電出版社.

董哲仁，趙進勇，張晶，2019. 3流4D連通性生態(tài)模型[J]. 水利水電技術，50（6）：134-141.

何術鋒，唐磊，王駿，等，2021. 水壩拆除對黑水河魚類群落結構和空間分布的影響[J]. 生態(tài)學報，41（9）：3525-3534.

梁媛，崔磊，文典，等，2023. 水電開發(fā)前后金沙江中游魚類資源演變研究[J]. 水力發(fā)電，49（9）：6-11.

生態(tài)環(huán)境部，2021. 規(guī)劃環(huán)境影響評價技術導則 流域綜合規(guī)劃： HJ1218-2021[S].

石小濤，白天翔，許家煒，等，2023. 金沙江下游支流黑水河松新電站魚道過魚效果監(jiān)測與評估[J]. 湖泊科學，35（3）：972-984.

孫鵬，王琳，王晉，等，2016. 大壩對河流棲息地連通性的影響研究[J]. 中國農村水利水電，（2）：53-56.

王成文，李英，黃小琴，等，2021. 基于GIS和DEM數據的流域水系提取與優(yōu)化分析[J]. 中國農村水利水電，（2）：37-42.

夏繼紅，陳永明，周子曄，等，2017. 河流水系連通性機制及計算方法綜述[J]. 水科學進展，28（5）：780-787.

熊美華，邵科，李偉濤，等，2023. 圓口銅魚資源變化及物種保護研究進展[J]. 人民長江，54（3）：63-71.

徐光來，許有鵬，王柳艷，2012. 基于水流阻力與圖論的河網連通性評價[J]. 水科學進展，23（6）：776-781.

楊志，唐會元，龔云，等，2017. 向家壩和溪洛渡蓄水對圓口銅魚不同年齡個體下行移動的影響[J]. 四川動物， 36（2）：1-8.

張雄，劉飛，林鵬程，等，2014. 金沙江下游魚類棲息地評估和保護優(yōu)先級研究[J]. 長江流域資源與環(huán)境，23（4）：496-503.

趙進勇，董哲仁，楊曉敏，等，2017. 基于圖論邊連通度的平原水網區(qū)水系連通性定量評價[J]. 水生態(tài)學雜志，38（5）：1-6.

《中國河湖大典》編纂委員會，2010. 中國河湖大典（長江卷 下）[M]. 北京：中國水利水電出版社.

中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部，2023-10-07. 關于金沙江烏東德水電站控制運行水位重大變動環(huán)境影響報告書的批復：環(huán)審[2023]111號[A/OL]. [2023-10-05]. https：//www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk11/202310/t20231008_1042561.html.

Cote D， Kehler D， Bourne C， et al， 2009. A new measure of longitudinal connectivity for stream networks[J]. Landscape Ecology， 24（1）：101-113.

Grill G， Lehner B， Lumsdon A E， et al， 2015. An index-based framework for assessing patterns and trends in river fragmentation and flow regulation by global dams at multiple scales[J]. Environmental Research Letters， 10（1）：015001.

Grill G， Lehner B， Thieme M， et al， 2019. Mapping the worlds free-flowing rivers[J]. Nature， 569（7755）：215-221.

Lehner B， Liermann C， Revenga C， et al， 2011. High-resolution mapping of the worlds reservoirs and dams for sustainable river-flow management[J]. Frontiers in Ecology and the Environment， 9（9）：494-502.

Poole G C， 2002. Fluvial landscape ecology： addressing uniqueness within the river discontinuum[J]. Freshwater Biology， 47（4）：641-660.

Ward J， 1989. The four-dimensional nature of lotic ecosystems[J]. Journal of the North American Benthological Society， 8（1）：2-8.

（責任編輯? ?熊美華）

Impact of Dam Construction on the Longitudinal Connectivity

of the Lower Jinsha River

HOU Yi‐qun， ZOU Xi， CHEN Xiao‐juan， JIN Yao， YANG Zhi， LIU Hong‐gao

（Institute of Hydroecology， Ministry of Water Resources and Chinese Academy of Sciences，

Key Laboratory of Ecological Impacts of Hydraulic-Projects and Restoration of Aquatic Ecosystem

of Ministry of Water Resources， Wuhan? ?430079， P.R. China）

Abstract：The complex， diverse ecosystem of the lower Jinsha River makes it a center of aquatic biodiversity， inhabited by numerous protected， endangered， rare and endemic fish species. However， ecosystem health in the lower Jinsha River has significantly deteriorated in recent years due to fragmentation by high-density， high-intensity cascaded hydropower stations. In this study， the main stem and the tributaries of the lower Jinsha River were treated as individual watershed units， and we constructed a dendritic diagram of watershed unit connectivity， analyzed the effects of fragmentation caused by dams within the watersheds， and quantitatively assessed the longitudinal connectivity of the lower Jinsha River using the dendritic connectivity index （DCI）. The study was based on digital elevation models （DEM） of the main stem and tributaries of the lower Jinsha River， along with data on reservoirs and hydropower station construction. Results show that dam passage capacity in the lower Jinsha River gradually increased， and the connectivity index of the lower Jinsha River trended upward as the passable capacity of the dams increased. More specifically，? when the DCI reached 0.7， the overall connectivity of the watershed improved significantly. We then further analyzed the relationship of the watershed connectivity index in the lower Jinsha River with dam construction on the 14 tributaries and， based on the results， we recommend a three-phase sequence of watershed restoration： Phase 1 would restore watershed connectivity among the rivers most influencing watershed connectivity， including Heishui River， Xixi River， Niulan River; in Phase 2， connectivity of rivers with less influence would be restored， including Pudu River， Xining River， Longchuan River and Shenyu River; Phase 3 would involve longer term connectivity restoration of rivers of least influence， including Henghe River， Pulong River， Meigu River， Yili River， Mengguo River and Xiaojiang River. Our research provides base data to support planning and implementation for an effective connectivity restoration effort and the preservation of aquatic biodiversity.

Key words：dendritic river systems; dentritic connectivity index; restoration sequencing; Jinsha River

收稿日期：2023-11-05

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2022YFC3203900）。

作者簡介：侯軼群，1986年生，女，副研究員，碩士，從事水生態(tài)保護及修復研究。E-mail：greenhan16@163.com

通信作者：劉宏高，1975年生，男，副研究員，博士，從事水利水電開發(fā)生態(tài)保護研究。E-mail： 155121822@qq.com