船閘對通航河流生態的影響研究*

李文杰，雷宗霖，萬 宇，杜洪波，宋 洋

(1.重慶交通大學，國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學，水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

河流在全球范圍內支持復雜多樣的生態系統，提供重要的社會和經濟服務保障，是影響自然生態環境和人類社會經濟系統發展的重要因素[1-3]。人類以多種方式改變了河流天然連通性，如修建水壩等[4-5]。通航河流上人類活動頻繁，修建大壩雖可改善通航條件，河流生態卻因此承受了巨大壓力。通航基礎設施的建設使得河流面臨連通性喪失的壓力，并導致生物多樣性和基本的生態系統服務功能下降[6]。河流自由流動的能力由路徑連通性決定，這些路徑使水體及其在整個河流環境中輸送的生物體、沉積物、有機物和營養物能夠流動和交換，如何改善河流連通性、提高水生生物多樣性并增加相關生態系統服務價值仍然是一個挑戰。

河流連通性對于保護生物多樣性至關重要[7]，修建水壩將原有連續的河流生態系統分隔成不連續的環境單元，對魚類最不利的影響是阻隔其洄游通道。船閘在運行過程中使河流上下游形成大片平穩的連通水體[8]，可成為某些生物的棲息地和連通上下游的生物通道[9]。三峽及葛洲壩船閘的調查統計與魚類上下行標記試驗驗證了魚類可以通過船閘實現上下行的交流[10]，表明船閘可兼做魚類洄游通道等過魚設施[11-12]。此外，運行船閘可降低庫區水體滯留、調節庫區累計污染物和改善水質[13]。然而，對于船閘提供的連通水體對河流生態是否有顯著的積極影響仍缺乏系統的深入研究。

本文基于全球34條內河黃金航道，分類統計有無修建船閘條件下大壩處的生態壓力值，據此分析運行船閘對通航河流生態的影響，以期為生態環境保護目標下的河流航運規劃建設提供理論支撐。

1 研究方法

1.1 數據來源

1.1.1全球黃金航道

根據河流航運承載力和社會經濟指數，從流域面積大于10萬km2的66條大型內河航道中確定了34條內河黃金航道[14]。

1.1.2全球大壩

在全球34條內河黃金航道上共選取209個大壩，結合衛星影像，按照有無修建船閘將大壩分為“有壩有閘”和“有壩無閘”2類，其中“有壩有閘”99處、“有壩無閘”110處，見表1。

表1 全球34條內河黃金航道有無修建船閘的大壩數量

1.1.3生態指標

全球河流生態壓力地圖由0～1之間的不同生態壓力指標值繪制，生態壓力值為無量綱負向指標，即生態壓力數值越低表示生態情況越好。依據全球內河黃金航道可持續發展評價方法中的生態壓力指數評價模型，分別選取河流生態數據庫中的徑流擾動性、河流破碎化、不透水面比例、濕地不連通性、漁獲物壓力、水產養殖壓力以及大壩密度等7個生態壓力指標，研究船閘對通航河流的生態影響。

1.2 分析方法

1.2.1大壩位置處的生態壓力

基于水庫大壩數據，確定全球黃金航道上大壩的具體經緯度坐標，在河流生態數據庫中選取距離閘壩最近的4個數據點，采用空間反距離加權插值法[15]確定閘壩處生態指標值。

1.2.2船閘對通航河流的生態影響分析

通過線性回歸方法[16]總體分析生態指標壓力值與大壩密度的相關性，以有無船閘為條件分析修建船閘對河流生態壓力的影響。由于生態指標間存在內在相關性，采用主成分分析方法[17]將多維指標系統轉化成低維指標系統，據此對比有無船閘大壩處的生態壓力指標值，分析船閘在航道不同發展階段對生態壓力的影響。

1.2.3典型河流分析

選取長江、萊茵河與密西西比河等國際典型航道，依據其大壩密度與有無船閘條件下因子壓力值的分布情況，分析典型航道上運行船閘對河流生態的影響。

2 河流生態與大壩密度的關系

各生態指標壓力值與大壩密度的回歸分析見圖1，回歸系數表示單位大壩密度增加引起的各生態壓力值增量。結果表明，選取的6個生態指標壓力值均與大壩密度呈正相關，即大壩密度越大生態指標壓力也越大，說明大壩的修建對河流生態存在負面影響。大壩的修建改變了河流水文條件、切斷了魚類洄游通道，不僅增加了徑流擾動指數與不透水面比例，而且因阻斷了魚類的洄游使得漁獲物與水產養殖的壓力升高[18-19]；同時減緩了河流水體流速，破壞了濕地與河流的連通性，使得河流破碎化指數與濕地不連通性指數的壓力升高[20-21]。

圖1 全球河流的各項生態指標壓力值與大壩密度關系

各生態指標壓力值與大壩密度的回歸系數分別為：漁獲物壓力0.275 3；水產養殖壓力0.209 4；徑流擾動指數0.216 2；河流破碎化指數0.349 5；不透水面比例0.548 0；濕地不連通性0.320 4。由此可見，大壩的修建更顯著影響了河流破碎化指數、不透水面比例和濕地不連通性指數。

3 船閘對生態壓力變化的影響

根據有無修建船閘將大壩分為2類，將其生態壓力指標分別與大壩密度進行回歸分析，其對比情況見圖2。結果顯示：運行船閘處與無船閘處相比，生態壓力指標回歸系數絕對數值的下降范圍為0.026～0.261，其中徑流擾動指數下降最少，不透水面比例指數下降最多。相對比例的下降范圍為11%～60%，其中徑流擾動指數下降最少，漁獲物壓力指數下降最多。運行船閘處生態壓力值回歸系數比無船閘處低，單位大壩密度增加時運行船閘處生態壓力值增加幅度更小，說明船閘對受大壩影響的河流生態具有改善作用。運行船閘可連通大壩上下游水體，為魚類提供洄游通道[22]，使得運行船閘處漁獲物壓力與水產養殖壓力低于無運行船閘處；同時大體積連通水體也改善了河流的連通性，使得運行船閘處河流破碎化、徑流擾動指數、不透水面比例與濕地不連通性等指標壓力值低于無船閘處[23]。

圖2 有無修建船閘處生態指標與大壩密度的回歸系數

采用主成分分析法將6個河流生態指標系統降維成2個因子指標：第一公因子F1主要表達河流基本信息，在徑流擾動指數和河流破碎化指標上載荷系數較大，故對其解釋力度較大并且因子表達的信息趨于該2項生態指標；第二公因子F2主要趨于對受大壩影響河流在生態表現上的信息表達，在漁獲物壓力、不透水面比例、水產養殖壓力和濕地不連通性指標上載荷系數較大，故對其解釋力度較大并且因子表達的信息趨于該4項生態指標。2個公因子對6個原始指標信息的表達比例為62%，能較好地解釋原始指標的信息。根據公因子在各指標上的載荷系數，其表達式如下：

F1=-0.033a-0.015b+0.711c+0.554d+

0.066e+0.019f

(1)

F2=0.348a+0.307b-0.132c+0.051d+

0.345e+0.255f

(2)

式中：a為漁獲物壓力；b為水產養殖壓力；c為徑流擾動指數為；d為河流破碎化指數；e為不透水面比例指數；f為濕地不連通性指數。

根據表達式可計算出2個公因子的壓力值，其值與大壩密度的回歸結果見圖3。對于第一公因子，無論大壩密度高低，運行船閘處壓力值均低于無船閘處，且隨著大壩密度升高運行船閘處壓力升高幅度更小，見圖3a)。河流受到大壩干擾其壓力值便升高，運行船閘提供連通水體，對受影響河流具有調節作用，所以無論航道開發與大壩密度高低情況如何，運行船閘處第一因子壓力值均低于無船閘處。

對于第二公因子，低大壩密度時運行船閘處生態壓力值高于無運行船閘處，高大壩密度時運行船閘處生態壓力值低于無運行船閘處，見圖3b)。由于航道發展前中期開發率低，大壩密度低，運行船閘處受人類活動影響強烈，故低大壩密度和低航道開發率時，運行船閘處第二公因子壓力值高于無船閘處。隨著航道開發率的提高，大壩密度上升，無論有無船閘處均受到繁忙的人類活動影響，且受到的影響趨于一致。然而，運行船閘對受大壩影響河流的生態具有調節作用，所以當航道開發率與大壩密度升高時，有無船閘處第二因子壓力值逐漸接近，突破大壩密度臨界點后，運行船閘處第二因子壓力值低于無船閘處。

圖3 因子壓力值與大壩密度關系

如圖3所示，運行船閘處第一公因子與第二公因子的回歸系數均小于無運行船閘處，表明船閘對通航河流生態的改善具有積極作用。運行船閘處第一公因子、第二公因子回歸系數與無船閘處相比，絕對值下降分別為0.072、0.261，百分比下降分別為22%、50%，表明運行船閘對第二公因子的調節作用強于第一公因子。在筑壩的蓄水河流中運行船閘可改善河流的水體連通性[24]，使得河流生態表現方面的相關指標在受運行船閘調節作用時表達更加強烈。

4 典型通航河流生態壓力分析

選取長江、萊茵河與密西西比河3條典型河流，分析典型河流上大壩密度與因子值數據分布情況，大壩密度與公因子的帶軸須分布曲線見圖4。如圖4a)所示，3條河流中長江上大壩密度最低、數據分布均勻且近似符合正態分布；而萊茵河與密西西比河上的大壩密度數據分布集中在高密度區，表明與萊茵河、密西西比河相比，長江航道仍處于發展前中期。如圖4b)、c)所示，3條河流的第一公因子壓力值分布接近，且密西西比河上第二公因子受大壩干擾最強，壓力值分布最高。

注：分布曲線是以變數值為橫坐標、以累積頻率(概率)為縱坐標的曲線圖，即概率分布函數的圖形。橫坐標上的軸須說明頻數，豎杠表示出現相應的數字。

為闡明典型河流上運行船閘對生態的積極影響，將2類因子值按有無船閘進行分類比較，見圖5。對于萊茵河與密西西比河，運行船閘處第一公因子和第二公因子壓力值均低于無運行船閘處，表明對于萊茵河與密西西比河等航道開發率相對較高的發達航道，運行船閘促進上下游水體連通，對河流生態的改善具有重要作用。對于長江，運行船閘處第一公因子和第二公因子壓力值均高于無運行船閘處，可能是由于長江開發率不足，大壩密度低且壩址分布集中(多位于金沙江流域)，因此在有船閘處受人類活動影響較強，在生態壓力的表現上高于無船閘處。

注：每個方框中的線條是中位線，表示數據的中位數；框的邊緣是第1個四分位數(75%分位數)和第3個四分位數(25%分位數)；“+”表示超出最小觀察值(下邊緣)和最大觀察值(上邊緣)的異常值截斷點限制范圍之外的數據。

5 結論

1)全球范圍內，大壩密度越高的河流，生態壓力值越大，大壩密度與生態壓力值呈正相關關系。

2)大壩密度升高時，“有壩有閘”類大壩的生態壓力值增加幅度比“有壩無閘”類大壩小，運行船閘對受大壩影響河流生態具有改善作用。

3)受航道發展階段、經濟發展水平、人類活動等多因素影響，不同河流有無船閘處生態壓力會呈現出不一致的情況。隨著黃金航道的發展，高大壩密度的航道中船閘對河流生態的調節作用更為顯著。

4)本文基于全球34條黃金航道、全球大壩數據和生態指標數據，從生態角度研究運行船閘對通航河流的影響，僅局限于對全球河流的宏觀分析，后期需要進一步研究運行船閘在航道不同發展階段對生態的影響，并且重點關注河流在生態表現方面受船閘調節作用的大壩密度臨界點。