城市河流蜿蜒度變化對河流生態環境影響的量化研究

于子鋮，趙進勇，王 琦，張 晶，彭文啟，韓會玲

（1.中國水利水電科學研究院，北京100038；2.河北農業大學，河北保定071001）

0 引 言

河流不能只單一的研究，需要結合其存在與演進的大背景［1］。城市河流是自然生態系統和區域經濟社會系統相互聯系的重要紐帶［2］。近些年來，隨著城市化的推進與發展，城市河流的整治往往會更加的關注行洪與資源開發利用，常常會忽略河流的生態狀況與水質情況［3］。水流與河流的平面形態共同設定河流生態系統的物理基礎，影響河流生態系統功能［4］。渠道化、人工化等河流整治方式令河流的平面形態發生改變，從而水流運動狀態隨之改變，影響污染物在河流中的混合、擴散、稀釋與遷移［5］。此整治方式除使河流水質發生惡化之外，還會破壞河流內部的地貌多樣性，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環境之間關系進行了研究。2008年張亮［7］等人，構建以河道形態、河岸帶狀況、河床形態作為一級指標的河流形態學評價方法，得出河流形態的綜合形態學指數與河流自凈能力呈正相關的關系。2014年，何嘉輝［8］等人選取TP、NH3-N 等特征性指標，對河流線型與河流自凈能力的關系進行了量化研究，得出了水質指標沿程消減率與河流線型蜿蜒程度呈現正相關。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域共性是河流比降大、斷流風險低的區域，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兩個方面，利用MIKE21 與RIVER2D 模型進行河流蜿蜒度變化對河流生態環境影響的量化研究，旨在明確河流蜿蜒程度對河流生態系統的重要性，從而為城市河流整治提供理論依據，同時為南沙河的規劃發展提供參考。

1 研究區域概況

南沙河是海淀地區重要的排洪河道，貫穿海淀新區中部，干流大約長23 km。南沙河在京包快速路西側、老牛灣附近有一段U 型彎道，河道轉彎半徑非常小。經過現場踏勘與資料收集，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。基于研究區域實際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。查閱北京市相關規劃與標準，南沙河水質類別定位為Ⅳ類水體。但在2017年的水質監測結果中，老牛灣附近河段的現狀水質為劣Ⅴ類，COD、TP 嚴重超標。因此，選取COD、TP 作為特征性指標，用于探討蜿蜒度與河流水質之間的關系。

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，是一款集水動力、水質以及波浪等多方面多功能的大型商業性軟件。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域）水流和水環境的模擬，其中最核心最基礎的模塊是水動力學模塊（HD）［10］，水質模塊需在其基礎上進行搭建，水質模型可以研究水體污染物的遷移轉化。

水質模塊的控制方程為對流擴散方程，具體見下式：

式中：C是污染物濃度；Dx，Dy為x與y方向上的擴散系數。

2.1.2 RIVER2D模型

RIVER2D 由加拿大Alberta 大學研制開發，可被用來進行水動力、魚類棲息地的模擬。RIVER2D模型進行魚類棲息地模擬首先需要確定目標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行組合分析，從而匯總分析得到目標魚類的加權可利用的面積Weighted Usable Area ，簡稱WUA［11］。

式中：n為單元個數；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；V、C以及D三者分別為流速、河床底質與水深適宜度指數。

2.2 不同蜿蜒度的構建

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］。根據蜿蜒度定義以及研究區域實際狀況，基于實地勘測數據，利用復制法（復制周邊散點高程）、插值法（利用MIKE 模型內插高程）構建6 種不同的蜿蜒度，依次為1.89（現狀）、1.50、1.40、1.30、1.20、1.02（規劃）。具體網格圖見圖2。

圖1 研究區域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 邊界條件與參數設定

結合實地調研與相關數據梳理，MIKE21 水動力模塊上游邊界設置為78 m3/s，下游邊界設置為35 m。河床底床摩擦力取34 m1/3/s。水質模型在水動力模型的基礎上進行搭建，邊界初始條件為COD 57、TP 0.63 mg/L。River2d 模型設置的上下游邊界、底床摩擦力與MIKE水動力模型相同。

結合研究區域實際狀況，在本次水質模擬中，河流中污染物COD、TP 的降解系數分別取為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境因子之間關系進行了定量化，本文參考相關專家學者文獻［13-19］，經歸納分析，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

基于實地調研和相關數據，選擇彎曲段后A-A（491866，327386）、斷面出口B-B（493720，327565）作為控制斷面。不同平面形態控制斷面圖見圖4。

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

2.3.4 模型率定

依據2008年的《南沙河綜合整治相關規劃》，南沙河治理標準為20年一遇，對應洪峰流量520 m3/s。將模型模擬水位與2016年《海淀區南沙河（上莊閘～區界）清淤治理工程》（已批復正在實施）設計水位進行對比，發現水位基本吻合，相對誤差較小，模型數據可靠。

圖5 斷面示意圖Fig.5 Sectional schematic

3 結果分析

3.1 模擬結果

3.1.1 水深分布

不同平面蜿蜒形態水深模擬結果圖見圖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，整體河段水深呈現均一性。

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

3.1.2 水質

根據對不同平面蜿蜒形態的水質情況對比，量化分析河流的蜿蜒程度對河道水質的影響。不同平面蜿蜒形態水質模擬結果圖見圖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，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。根據實際狀況推測這種情況的原因，在模型設置中，這兩個斷面默認開始有水。由于河流的自凈，河流水質整體呈現變好的趨勢。等上游來水到達此位置，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（如1.89 與1.5、1.4 與1.3）分布差異不是太為明顯，但蜿蜒度持續降低，分布差異會較為明顯，蜿蜒度為1.02 的形態，有效棲息地面積最小，并且分布不連續。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，當蜿蜒度為1.02時，WUA最小。

3.2 結果分析

3.2.1 蜿蜒度變化對河流水質影響分析

對不同蜿蜒度下，兩斷面穩定后的COD、TP 濃度進行歸納梳理。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，其自身調節能力明顯好于蜿蜒度低的河流，河道水質狀況較好，蜿蜒程度與水質狀況呈現正相關關系。

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據進行統計，統計結果見表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系統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果統計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，具有重要生態意義，有助于河流植被的良好發育和構建多樣性的生物棲息地。基于實地調研地形數據，通過MIKE 模型進行插值處理，利用局部高程差異法，結合模擬的水深分布，統計蜿蜒度1.89 和1.02河段的深潭淺灘個數變化，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…，并且計算得出其標準差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，計算每一個序列內高程差的總和，記為Ei；對Ei進行逐步累加，求出∑Ei；③依據相關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，結合前人的研究，取k=1。④比較T和∑Ei的大小關系，確定深潭淺灘的個數。基于上述步驟，得到研究河段兩種形態下的相關結果，具體結果如表所示。隨著蜿蜒度的變化，深潭淺灘個數明顯變少，由10 降至4，嚴重影響河流地貌的多樣性，破壞河流生態環境。

表3 深潭淺灘統計Tab.3 Statistics of pool and riffle

4 結 論

城市河流兼顧行洪排澇、生態安全、景觀格局功能加強等需求。在城市化的進程中，河流尤其是城市河流的發展，不能單純地從某個方面進行考慮。隨著生態理念的逐步深入，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環境的關系，為城市河流的綜合治理提供理論依據。統籌治理水安全、水環境、水生態、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，保障生物多樣性，改善河流生態環境。