城鎮(zhèn)化進(jìn)程中水電站建設(shè)對(duì)河流連通性的影響研究與實(shí)踐

王申芳，楊曉靈，梁雯珊

(珠江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，廣東 廣州 510611)

河流連通性的概念最早是由Amoros和Roux在1988年提出的，Amoros和Roux認(rèn)為河流連通性是河流水系的一項(xiàng)重要特征，可以用來描述河流水系的景觀特征[1]。至20世紀(jì)末，這一觀點(diǎn)已普遍為人們所接受。夏繼紅等[2]在2017年也提出河流連通性常用于描述不同河流景觀在空間結(jié)構(gòu)和功能特性上的關(guān)聯(lián)程度。河流連通性具有縱向、橫向、垂向和時(shí)間4個(gè)維度特征[3]，其中縱向維度(即縱向連通性)是指物質(zhì)、能量等在河流縱向(源頭至河口)上的運(yùn)輸遷移順暢度[4]，在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中受人類活動(dòng)干擾最多、影響也最為普遍[3]。

國內(nèi)外學(xué)者廣泛開展了河流連通性的相關(guān)研究，先后提出了綜合指標(biāo)法[5-6]、空間圖論法[7]、圖論-水文法[8-10]、圖論-生態(tài)法[11-12]、水文-水力學(xué)法[13]、景觀法[14]、基于GIS的計(jì)算與評(píng)價(jià)方法[15-16]等多種河流連通性計(jì)算方法。夏繼紅等[2]在對(duì)圖論法、水文水力學(xué)法、景觀法、生物法、綜合指標(biāo)法等多種河流連通性研究方法適用性和優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析成果的基礎(chǔ)上，提出綜合指標(biāo)法通過建立多指標(biāo)綜合評(píng)估體系可對(duì)河流水系連通性進(jìn)行科學(xué)、合理的評(píng)價(jià)，可為流域水資源宏觀管理提供科學(xué)決策依據(jù)。徐薇等[17]基于長江上游地區(qū)水電開發(fā)資料和魚類生境數(shù)據(jù)的收集，以河流縱向連通性指標(biāo)為核心，初步構(gòu)建了長江上游主要河流水系水生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。侯佳明等[18]在傳統(tǒng)阻隔系數(shù)法的基礎(chǔ)上，引入位置修正系數(shù)，提出了改進(jìn)阻隔系數(shù)法。

河流連通性決定著流域(區(qū)域)的水資源配置、水生態(tài)環(huán)境、水景觀格局以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等眾多方面。與此同時(shí)，伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人類活動(dòng)也在不同程度地改變著河流水系的連通性，尤其是城鎮(zhèn)化進(jìn)程中大量的水電站建設(shè)對(duì)河流縱向連通性造成了很大影響，部分河流甚至出現(xiàn)了減脫水河段，給河流水生態(tài)環(huán)境造成了不可逆影響。2010年，水利部陳雷部長指出要積極推進(jìn)河湖水系的連通性恢復(fù)工程，以恢復(fù)河湖水系的連通為途徑，加快構(gòu)建國家、區(qū)域、流域等各個(gè)層面的水資源優(yōu)化配置格局[19]。自此之后，國內(nèi)眾多學(xué)者更加著力于河流水系連通性的機(jī)理研究與實(shí)踐，譬如：賀達(dá)等[20]在調(diào)查長江流域干流和主要支流過魚設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)河流縱向連通性進(jìn)行了初步評(píng)估，為提升長江流域水系連通性和水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提供了參考；侯佳明等[18]成功運(yùn)用改進(jìn)阻隔系數(shù)法對(duì)黃河流域1960—2018年主要河流縱向連通性及其年際變化趨勢(shì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)；朱晨春等[21]采用縱向連通性指標(biāo)和分段線性回歸方程等分析了西北江三角洲河道縱向連通性的變化特征，為西北江三角洲網(wǎng)河區(qū)河道水資源管理提供了參考。

縱觀河流水系縱向連通性研究與實(shí)踐，目前國內(nèi)學(xué)者普遍對(duì)長江、黃河、珠江等大型流域河流連通性研究較多，對(duì)中小型流域的重視程度相對(duì)較低，開展研究的相關(guān)課題也相對(duì)較少。本文以廣東省云浮市南山河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，采用河流縱向連通性指標(biāo)法(Vertical Connectivity Index，VCI)、阻隔系數(shù)法、改進(jìn)阻隔系數(shù)法定量評(píng)估水電站建設(shè)對(duì)中小型流域河流縱向連通性的影響，同時(shí)結(jié)合樹狀水系連通性指數(shù)(Dendritic Connectivity Index，DCI)[22]研究結(jié)果，提出河流連通性恢復(fù)建議，以期為中國水利水電開發(fā)建設(shè)，尤其是中小型河流水系管理提供可參照的模式。

1 研究區(qū)域概況

南山河流域所處位置特殊，在云浮文史方面有著特殊的背景，是云浮文化三大起源地之一。南山河又稱淡水河，發(fā)源于廣東省云浮市云安區(qū)石城鎮(zhèn)禾槍頂東麓，海拔696 m，從西南向東北流經(jīng)云浮市區(qū)中心，進(jìn)入云安區(qū)都楊鎮(zhèn)降水后注入西江。中段有絳坑水、高峰水、云樓水匯入，流域面積255 km2，主河長46 km，主河道平均坡降3.03‰，多年平均流量5.74 m3/s，年徑流量1.81億m3，是唯一貫穿云浮市的河流。

研究區(qū)域共有16座中小型水電站，其中5座為閘壩式水電站，其余均為引水式水電站，16座水電站均建設(shè)了攔河閘壩，壩高在1.5～50.0 m，且均未建設(shè)過魚設(shè)施(表1、圖1)。據(jù)調(diào)查，八和水電站已于2019年4月報(bào)廢拆除，鴻景、金水倫、扶卓二級(jí)等3座水電站目前處于暫停運(yùn)狀態(tài)，其余12座水電站均正常運(yùn)行。

表1 研究區(qū)域內(nèi)攔河建筑物建設(shè)情況

備注：序號(hào)16八和水電站已于2019年4月報(bào)廢拆除。

2 研究方法

本文基于夏繼紅等[2]、徐薇等[17]、侯佳明等[18]的研究成果，采用VCI法、阻隔系數(shù)法、改進(jìn)阻隔系數(shù)法等指標(biāo)法定量評(píng)估水電站建設(shè)對(duì)南山河流域河流縱向連通性的影響；同時(shí)，運(yùn)用王強(qiáng)等[3]、Cote等[22]提出的DCI法，針對(duì)研究區(qū)域提出進(jìn)一步提高流域水系縱向連通性的具體方案。

2.1 VCI法[17]

河流縱向連通性指標(biāo)(VCI)常用于表征單位長度河流上已建和在建攔河建筑物的數(shù)量，其數(shù)值越大，表明該河流受攔河建筑物的影響越大，生態(tài)恢復(fù)力越差，生態(tài)敏感性越高。該指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2[23]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式可表述為：

VCI=DN/RL×100

(1)

式中 DN——某一河流上已建和在建的攔河建筑物數(shù)量，座；RL——該河流的長度， km。

表2 河流縱向連通性指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 阻隔系數(shù)法[24-25]

阻隔系數(shù)法通過計(jì)算單位長度河流上的縱向連通性指數(shù)(Cj)來表征河流的連通程度，其阻隔系數(shù)越大，表明該河流縱向連通性受阻隔影響越大。其數(shù)學(xué)表達(dá)式可表述為：

(2)

式中Cj——第j段河流的縱向連通性指數(shù)；n——不同類型攔河建筑物的種類數(shù)，種；Ni——第i種攔河建筑物的數(shù)量，座；ai——第i種的攔河建筑物相應(yīng)的阻隔系數(shù)；Lj——第j河段的河流長度， km。

2.3 改進(jìn)阻隔系數(shù)法

在阻隔系數(shù)法的基礎(chǔ)上，引入位置修正系數(shù)(bi)，用以定量計(jì)算攔河建筑物所處位置對(duì)本級(jí)河流連通性和本級(jí)河流與下級(jí)河流之間連通性的阻隔程度。其數(shù)學(xué)表達(dá)式可表述為：

(3)

其中：bi=(bLi+bQi)/2

式中Cj——第j段河流的縱向連通性指數(shù)；ai——第i種的攔河建筑物相應(yīng)的阻隔系數(shù)；bi——第i種的攔河建筑物的位置修正系數(shù)；Lj——第j河段的河流長度， km；bLi——攔河建筑物對(duì)本級(jí)河流縱向連通性影響的位置修正系數(shù)；bQi——攔河建筑物對(duì)本級(jí)河流與所匯入干流(或河口)之間連通性影響的位置修正系數(shù)。

2.3.1阻隔系數(shù)ai

在傳統(tǒng)阻隔系數(shù)的基礎(chǔ)上增加橡膠壩、水閘2種攔河建筑物類型，并賦予相應(yīng)數(shù)值(表3)[18]。

表3 改進(jìn)后的阻隔系數(shù)取值

2.3.2本級(jí)河流位置修正系數(shù)bLi

通常認(rèn)為攔河建筑物位于河流中間位置對(duì)河流的阻隔影響最大，隨著攔河建筑物向兩岸偏移，其對(duì)河流的阻隔影響逐漸減小。bLi計(jì)算方法如下：

(4)

式中Lai——第i個(gè)攔河建筑物所在位置距離河流源頭的距離， km；Lbi——第i個(gè)攔河建筑物所在位置距離匯入干流(或河口)的距離， km；Lj——第j段河流的總長度， km；α——標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)，通常取值0.78。

2.3.3下級(jí)河流位置修正系數(shù)bQi

通常認(rèn)為河流流量越大，河流中可通過的生物量越大[24]。通過計(jì)算攔河建筑物所處位置的多年平均天然徑流量與河段匯入干流(或河口)處的多年平均天然徑流量的比值(bQi)，可以反映攔河建筑物對(duì)該河流與下級(jí)河流之間的阻隔程度。bQi值越小，表示流量差異越大，攔河建筑物對(duì)該河流與下級(jí)河流間的阻隔影響就越大。bQi計(jì)算方法如下：

(5)

式中Qi——攔河建筑物所在位置多年平均天然徑流量，m3/s；Qj——該河段匯入干流(或河口)處的多年平均天然徑流量，m3/s；β——標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)，通常取值0.5。

2.4 樹狀水系連通性指數(shù)(Dendritic Connectivity Index，DCI)[22，26]

DCI指數(shù)常用于描述魚類在河流兩個(gè)隨機(jī)點(diǎn)之間的自由游動(dòng)概率，其主要受河流中攔河建筑物的數(shù)量和阻隔滲透性等因素影響。攔河建筑物的阻隔滲透性表征魚類在順流和溯流時(shí)通過攔河建筑物的能力，其值越大，表明魚類通過攔河建筑物的能力越大，河流縱向連通性越高。DCI指數(shù)計(jì)算公式如下：

(6)

(7)

該公式在實(shí)際應(yīng)用中通常假定：①攔河建筑物本身不占用河道長度，不影響河流總長度；②魚類通過攔河建筑物的能力是完全獨(dú)立的，不受其上、下游攔河建筑物的影響；③2個(gè)攔河建筑物之間的河段是完全聯(lián)通的，故水系的縱向連通性為整個(gè)水系任意2個(gè)河段之間連通性的總和。

3 縱向連通性影響評(píng)估

本文利用ArcGIS軟件對(duì)南山河流域水系進(jìn)行數(shù)字化，基于水電站的地理位置，獲取每個(gè)河段的長度和河網(wǎng)的總長度，分別采用VCI法、阻隔系數(shù)法和改進(jìn)阻隔系數(shù)法計(jì)算每條河流的縱向聯(lián)通指數(shù)，采用樹狀水系連通性指數(shù)評(píng)估法計(jì)算整個(gè)水系的DCI指數(shù)，由此評(píng)估水電站建設(shè)對(duì)河流縱向連通性和流域水系連通性的影響。

鑒于水電站可通過能力的影響因素比較復(fù)雜，且不屬于本文研究內(nèi)容，本次研究不考慮1970—2020年間河道長度的變化；同時(shí)，研究范圍內(nèi)所有水電站均建有閘壩，且均未建設(shè)過魚設(shè)施，假設(shè)流域內(nèi)水電站從上游至下游的可通過能力均為1，從下游至上游的可通過能力均為0[3]。根據(jù)水電站建成的時(shí)間和地理位置可知，1980、1990、2000、2010、2020年南山河流域水電站數(shù)量依次為3、5、15、16、15座(圖2)。

a)1980年

3.1 河流縱向連通性評(píng)估

采用VCI法、阻隔系數(shù)法和改進(jìn)阻隔系數(shù)法計(jì)算1970—2020年南山河及主要支流的河流縱向連通性，計(jì)算結(jié)果見表4、5。經(jīng)對(duì)比分析可知。

表4 南山河流域河流縱向連通性指數(shù)計(jì)算結(jié)果

表5 南山河流域河流縱向連通性評(píng)估結(jié)果

a)改進(jìn)阻隔系數(shù)法通過引入位置修正系數(shù)，可充分考慮水電站所在位置對(duì)河流帶來的阻隔影響，采用該方法進(jìn)行河流連通性的評(píng)估結(jié)果更加科學(xué)合理。以南山河為例，VCI法和阻隔系數(shù)法計(jì)算得出1980年的河流縱向連通指數(shù)分別為2.46、1.23，河流連通性評(píng)價(jià)結(jié)果均為“劣”；改進(jìn)阻隔系數(shù)法在考慮水電站地理位置后，計(jì)算得出的河流縱向連通指數(shù)為1.04，河流連通性評(píng)價(jià)結(jié)果從“劣”提升至“差”。

b)相比大型河流，中小型河流的連通性受水電站建設(shè)的影響更為顯著。以南山河和南山河支流①為例，1980年2條河流的水電站數(shù)量均為2座，采用改進(jìn)阻隔系數(shù)法計(jì)算河流的縱向連通指數(shù)分別為1.04、3.40，河流縱向連通性評(píng)估結(jié)果分別為“差”、“劣”；同樣，以南山河支流③和降水河支流為例，2010年兩條河流的水電站數(shù)量均為1座，采用改進(jìn)阻隔系數(shù)法計(jì)算河流的縱向連通指數(shù)分別為4.32、31.45，河流縱向連通性評(píng)價(jià)結(jié)果雖均為“劣”，但降水河支流的連通性受水電站的影響更為顯著。

3.2 流域水系縱向連通性評(píng)估

采用樹狀水系連通性指數(shù)法計(jì)算得出1980、1990、2000、2010、2020年南山河流域水系的DCI指數(shù)依次為86.32、82.10、28.11、28.02、28.55。經(jīng)對(duì)比分析可知。

a)在城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程中，水電站(尤其是未建設(shè)過魚設(shè)施的中小型水電站)建設(shè)將大幅降低流域水系的連通性，對(duì)水系連通性產(chǎn)生顯著的不利影響；1990—2000年間，隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的加快，南山河流域水電站數(shù)量顯著增加，從1990年的4座增加至2000年的15座，流域水系的DCI指數(shù)由86.32下降至28.11，降幅為67.4%，流域水系的連通性顯著下降。

b)當(dāng)水電站數(shù)量較少、河流水系狀況接近天然連通狀態(tài)時(shí)，水電站建設(shè)對(duì)流域水系連通性的影響更為顯著。1980—1990年，新建降水1座水電站，研究范圍內(nèi)水電站總數(shù)由3座增加至4座，DCI指數(shù)從86.32下降至82.10，降幅為4.9%；2000—2010年，新建藍(lán)坑1座水電站，研究范圍內(nèi)水電站總數(shù)由15座增加至16座，DCI指數(shù)從28.11下降至28.02，降幅僅為0.3%。

4 河流連通性恢復(fù)的建議

基于水電站對(duì)南山河流域水系連通性的影響研究成果，采用樹狀水系連通性指數(shù)評(píng)估法分別計(jì)算拆除每個(gè)水電站后整個(gè)水系的DCI指數(shù)(表6)，以此為基礎(chǔ)分析每個(gè)水電站對(duì)流域整個(gè)水系連通性的影響，為恢復(fù)水系連通提供參考。從表6中可以看出，每個(gè)水電站對(duì)流域水系連通性的影響均不同：位于南山河干流的鴻景水電站對(duì)整個(gè)流域水系連通性的影響非常突出，拆除該電站后，流域水系DCI指數(shù)可增加12.82；其次是城北、新中、灘沖水電站，各電站拆除后流域水系DCI指數(shù)可增加3.26、2.26、1.71；位于南山河支流①的云樓一站、云樓二站、云海水電站對(duì)整個(gè)流域水系的連通性影響很小，各電站拆除后流域水系DCI指數(shù)僅可增加0.03、0.03、0.03；金水倫、扶卓二級(jí)水電站對(duì)整個(gè)流域水系的連通性影響則基本可忽略不計(jì)。

表6 水電站拆除前后流域水系DCI變化情況

另一方面，水電站建設(shè)過魚設(shè)施可以恢復(fù)魚類的洄游通道，使魚類能順利的上行或下行，在維持河流生態(tài)系統(tǒng)的連通性、保護(hù)珍稀魚類、維持河流的生物多樣性等方面均具有重要意義。如賀達(dá)等[20]在調(diào)查長江流域干流和主要支流過魚設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)河流縱向連通性進(jìn)行了初步評(píng)估，提出大壩有無過魚設(shè)施、魚類能否自行通過過壩設(shè)施、魚類通過過壩設(shè)施的效率如何，可以直接反映大壩阻隔效應(yīng)的程度。而大壩阻隔效應(yīng)的程度是影響河流連通性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，可見，對(duì)現(xiàn)有水電站增設(shè)過魚設(shè)施亦會(huì)大幅提高河流的縱向連通性。

綜上所述，在恢復(fù)流域水系連通性時(shí)，可依據(jù)ΔDCI的值確定水電站拆除或增設(shè)過魚設(shè)施的優(yōu)先次序，如鴻景、城北、新中、灘沖水電站對(duì)流域整個(gè)水系連通性影響較大，可優(yōu)先考慮拆除或增設(shè)過魚設(shè)施。

5 結(jié)語

伴隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，大量的水電站建設(shè)對(duì)水系連通性造成了很大的影響，給流域水環(huán)境、水生態(tài)造成了不可逆的不利影響。本文采用VCI法、阻隔系數(shù)法、改進(jìn)阻隔系數(shù)法定量評(píng)估水電站建設(shè)對(duì)南山河流域河流縱向連通性的影響，同時(shí)結(jié)合DCI法分析每個(gè)水電站對(duì)流域水系連通性的影響程度，給出水電站拆除的優(yōu)先次序，為恢復(fù)南山河流域水系連通性提供一種參考，主要得出以下結(jié)論。

a)改進(jìn)阻隔系數(shù)法在保持傳統(tǒng)阻隔系數(shù)法簡單、計(jì)算快捷優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，可充分考慮水電站數(shù)量、工程類型和所在位置對(duì)河流帶來的阻隔影響，采用該方法進(jìn)行河流水系連通性評(píng)估更加科學(xué)合理。

b)在城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程中，水電站(尤其是未建過魚設(shè)施的中小型水電站)建設(shè)將大幅降低流域水系的連通性，對(duì)水系連通性產(chǎn)生顯著的不利影響；與此同時(shí)，相比大型流域，中小型流域的水系連通性受水電站建設(shè)的影響更為顯著，因此應(yīng)更加重視中小型流域的水系連通性研究。

c)樹狀水系連通性指數(shù)評(píng)估法通過定量分析每個(gè)水電站對(duì)水系連通性的影響，可以此確定水電站拆除的優(yōu)先次序來提升整個(gè)水系的連通性，為流域水系連通性恢復(fù)提供一種科學(xué)參考。