中小河流堰壩分布對邊灘景觀格局的影響

關鍵詞：中小河流；堰壩群；邊灘；景觀格局指數；靈山港

中圖分類號：ＴＶ６４； ＴＶ８５３ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０５．０１３

引用格式：黎景江，夏繼紅，王玥，等．中小河流堰壩分布對邊灘景觀格局的影響［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（５）：６１－６４．

堰壩是中小河流治理中的重要建筑物，具有防洪、抗旱、蓄水灌溉、營造景觀等功能［１］ 。堰壩建設后會顯著改變河流水文條件，從而影響灘地分布、生境與水環境［２－４］ 。符俊杰等［５］ 研究表明河流筑壩會從流域和景觀尺度改變土地利用的類型和覆蓋。包先霞等［６］研究認為梯級堰壩群對河流生態系統的影響較單個堰壩的影響更為復雜，具有復合累積效應。諸多研究重點關注了大型堰壩對河道水文、生態和流域土地利用的影響，研究成果對堰壩的建設發揮了一定的指導作用［７］ ，但關于中小河流中堰壩分布對邊灘的影響及其機理的研究較少。中小河流中常分布大量堰壩，人們為了蓄水在河流中頻繁建堰，使得河流水沙條件、邊灘分布發生劇烈變化，從而導致河段水量不足、生態環境退化等問題，因此，優化堰壩布局已成為當前中小河流治理的迫切需求。本研究以浙江省龍游縣靈山港為研究區域，基于野外調查、衛星遙感影像的ＧＩＳ 信息提取，采用景觀格局指數法分析堰壩分布方式對邊灘格局的影響過程及水動力學解釋，以期為中小河流生態保護與治理提供參考。

１材料與方法

１．１研究區域概況

靈山港位于東經１１９°７′—１１９°１２′、北緯２８°４８′—２９°４′，是龍游縣境內衢江右岸的一條重要支流，發源于海拔１ ２６５ ｍ 的遂昌縣高坪鄉和尚嶺，干流由南向北流經沐塵村、溪口村、上楊村等地，貫穿龍游縣中部，北至驛前村附近匯入衢江。河道蜿蜒曲折，為典型的山丘區中小河流。本研究以靈山港龍游境內段（沐塵水庫至入衢江口）為研究區段（見圖１），該區段流域面積為３６７．６ ｋｍ^２，干流河道長４３．７ ｋｍ，沿線設有步坑口水文站，平均河道比降為０．２４５％，按照河道比降變化將靈山港分為上、中、下游３ 個區段，比降分別為０．３０４％、０．２８６％和０．１５０％［８］ 。河道沿線分布有豐富的邊灘以及２０ 座堰壩。

１．２數據來源與處理

本研究選用２００７ 年、２０１２ 年、２０１７ 年及２０２１ 年共４ 個年份的遙感影像資料作為數據源，分辨率為２．４ ｍ。選用各年度１０ 月且云量小于５％的影像切片，保證了數據尺度的一致性。首先利用ＡｒｃＧＩＳ １０．２ 對初始影像進行拼接、裁剪，獲取河道的基本信息；然后利用ＥＮＶＩ ５．３ 中最大似然分類法準確識別出水體、邊灘及堰壩三類景觀斑塊，并結合野外實地考察對分類結果進行校準，確保數據的準確性。基于水文站和現場監測方法獲得２００７—２０２１ 年各年份１０ 月全河道各堰壩斷面的平均流速和水深數據，并計算出不同斷面位置水流弗勞德數Ｆｒ。

１．３景觀格局指標的選取與計算

本文采用景觀格局指數法分析邊灘的時空變化特征，主要選取斑塊個數（ＮＰ）、斑塊密度（ＰＤ）、最大斑塊指數（ＬＰＩ）和形狀指數（ＬＳＩ）等景觀指標，各景觀指標的計算公式和生態學意義見表１。

２結果與分析

２．１堰壩的分布特征

經影像處理及實地勘測可知，河道沿線２０ 座堰壩的平均寬度為１２３．８ ｍ，平均厚度為２．７５ ｍ，平均高度為２．０ ｍ，各堰壩與上游堰壩的間距Ｄ 及所處河段曲率系數Ｋ 見表２。除Ｙ４、Ｙ２０ 兩座堰壩的右岸建有泄水閘可以靈活控制上游水量的蓄泄外，其余堰壩的過流形式均為堰頂自由溢流。２００７ 年前靈山港建有１３座堰壩，２００７ 年以后陸續增建了Ｙ２、Ｙ３、Ｙ６、Ｙ８、Ｙ９、Ｙ１７ 和Ｙ１８ 等７ 座堰壩，建成年份分別為２０１９ 年、２０１８ 年、２０１５ 年、２０１０ 年、２０１５ 年、２０１６ 年、２０１６ 年。堰壩群平均間距逐漸減小，由２００７ 年的３．３７ ｋｍ 變化為２０１２ 年的３．１１ ｋｍ 和２０１７ 年的２．５３ ｋｍ，到２０２１ 年降至２．１３ ｋｍ，對整個河道的水流條件產生一定影響。

本研究以平均間距的３０％作為波動區間，將堰壩間距小于１．４９ ｋｍ 的分布方式定義為高密度分布，間距為１．４９～２．７８ ｋｍ 的分布方式定義為中密度分布，間距大于２．７８ ｋｍ 的分布方式定義為低密度分布。統計發現，高密度堰壩群主要分布于上游河段，中密度堰壩群主要分布于中游河段，低密度堰壩群主要分布于下游河段。從河段的彎曲程度看，除Ｙ４ 和Ｙ１１ 兩座堰壩分布在高彎曲河段外，其余堰壩均分布于Ｋ＜１．２ 的低彎曲河段。

２．２邊灘的動態演變特征

靈山港不同年份各區段邊灘景觀指標見表３。由表３ 可知，邊灘面積ＣＡ 減小了４６．１％，其中在２００７—２０１２ 年減小幅度最大，為３１．６％。因ＮＰ 數據可由ＣＡ、ＰＤ 數據計算得出，故未在表３ 中列出。

斑塊密度ＰＤ 的時間變化：２００７—２０１７ 年呈增大趨勢，２０１７ 年后呈減小趨勢，表明２００７—２０１７ 年邊灘斑塊尺寸顯著減小，破碎化過程明顯，２０１７ 年后邊灘破碎化程度減弱，趨向整合；空間變化：上、中、下游各區段邊灘ＰＤ 與全研究區的指數值變化趨勢一致，但也存在空間差異性，其中上游邊灘的破碎化程度最高，而下游的破碎化程度最低。

最大斑塊指數ＬＰＩ 在時間上呈波動性變化，但波動范圍較小，表明面積最大的邊灘個體較為穩定地占據優勢地位；在空間上，上游邊灘ＬＰＩ 在２００７—２０１２年下降最多，反映了上游邊灘在該時段內受到了劇烈的干擾。

形狀指數ＬＳＩ 整體上呈現波動下降趨勢。在時間上，２００７—２０２１ 年邊灘形狀經歷了“簡單—復雜—簡單”的過程，其中２０１７ 年邊灘形狀不規則程度有所提高，邊灘被分割破碎成多個斑塊，致使邊灘形狀復雜化；在空間上，ＬＳＩ 從下游到上游逐漸增大，表明下游邊灘邊緣形狀最為規整，上游邊灘的復雜化程度最高。

３討論

３．１堰壩對邊灘景觀格局的影響

選取Ｙ３、Ｙ６、Ｙ９、Ｙ１７ 等４ 座堰壩對比分析堰壩建設后邊灘的景觀格局變化，其中Ｙ３、Ｙ６、Ｙ９ 三座堰壩形態呈直線型且垂直于河道中心線，Ｙ１７ 堰壩形態蜿蜒、與河道中心線斜交，溢流寬度不同；Ｙ３、Ｙ１７ 的結構形式為臺階式，水流下泄時會造成較大能量損失；在洪水期Ｙ６ 堰流特點滿足薄壁堰的淹沒出流條件，其余堰壩的過流均表現出寬頂堰的特點；各堰壩對水流的攔蓄能力及過流擾動程度的影響均有所不同。各堰壩所處河段堰壩建設后邊灘ＣＡ、ＮＰ、ＰＤ、ＬＰＩ、ＬＳＩ 的變化率如圖２ 所示。

由圖２ 可知，受堰壩建設的影響，ＮＰ、ＰＤ 變化最為劇烈，Ｙ９ 和Ｙ１７ 建設后ＮＰ、ＰＤ 變化率超過了５０％，表明邊灘的破碎化加劇，由聚集大斑塊離散為小斑塊的程度提高；而Ｙ３、Ｙ６ 所在河段的邊灘因受到其他人為因素較強的干擾，導致其斑塊個數減少，邊灘破碎度表現出降低的態勢。堰壩建設后河段ＣＡ 顯著下降，表現出河段內邊灘面積呈減少趨勢，其中Ｙ６ 的建設對邊灘面積的影響最大，變化率為－４１％。ＬＰＩ 均呈減小趨勢，但各河段變化幅度不同，其中Ｙ９ 對河段內最大邊灘斑塊指數影響最大。從ＬＳＩ 來看，在Ｙ９、Ｙ１７所在河段內邊灘的ＬＳＩ 有所增大，邊灘形狀越來越不規則，復雜性增加；而Ｙ３、Ｙ６ 所在河段受堰壩建設影響，邊灘破碎度降低的同時也使邊灘形態規則化。因此，堰壩建設對局部河段邊灘景觀格局變化的影響具有顯著差異性。

３．２堰壩分布方式對邊灘景觀格局的影響

選取Ｙ１２—Ｙ１３、Ｙ１１—Ｙ１２、Ｙ１３—Ｙ１４ 三個河段，間距分別為２．８、２．１、１．４ ｋｍ，分別代表低密度、中密度和高密度３ 種堰壩分布方式，分析不同分布方式對邊灘景觀格局變化的影響。各河段邊灘的破碎度（用ＰＤ 代表）和形狀指數變化如圖３ 所示。由圖３ 可以看出，堰壩分布方式不同對邊灘會產生不同程度的影響。ＰＤ 在２００７—２０２１ 年呈波動上升趨勢，而隨著堰壩間距的減小，ＰＤ 變化更為顯著，表明堰壩分布密度的增大會使邊灘破碎化加劇。２００７—２０２１ 年邊灘的ＬＳＩ 呈波動性減小趨勢，且在３ 種堰群間距分布下邊灘邊緣形態的復雜度變化趨勢是一致的，但隨著堰壩群間距的減小，ＬＳＩ 波動變化的幅度更大，表明堰壩分布密度越大邊灘所受到的影響程度越高，邊灘邊緣處于極不穩定狀態。尤其是高密度條件下，ＬＳＩ 在２０１２—２０１７年顯著增大，主要原因是這期間河段內的邊灘破碎度提高，被分割破碎為多個小斑塊，造成邊灘邊緣形狀更加復雜。

洪水期水流在Ｙ１１—Ｙ１４ 河段內能夠自由漫頂溢流，堰壩形式為寬頂堰。通過對比不同分布條件下堰壩群的水動力特性，發現各堰壩上游的斷面流速穩定，水流平順，但是經過堰頂溢流形成非恒定的跌水后，造成近堰區域的流速急劇增大，同時堰壩建在曲率系數大的河段內其過堰流速會相應增大。隨著堰壩群分布間距減小，河道斷面平均流速有所減小，但邊灘的淹沒水深明顯增大，堰壩下游水流弗勞德數Ｆｒ 表現為低密度＞中密度＞高密度，表明隨著堰壩群分布密度的增大，水流的動能與勢能發生劇烈變化，各工況下的斷面能量分配不均。

產生以上現象的主要原因是，單座堰壩的過水方式均為堰頂自由溢流，堰壩群的聯合作用對水流的影響會產生累積效應，堰壩群不同的分布方式會改變河道水動力條件，且其對水流影響的貢獻度最大，從而影響邊灘的演變，具體表現為：高密度的堰壩通過抬升上游水位使水域面積增大，水面向河岸兩側擴展，提高了邊灘的受淹沒程度，導致顯露的邊灘面積減小，且地勢不平的邊灘因地勢較低部分首先被淹沒而形成多個邊灘斑塊，增大了邊灘的破碎度，裸露出的邊灘邊緣形狀規整。過堰水流弗勞德數Ｆｒ 明顯增大則使近堰下游區域的邊灘邊緣和灘頭受到強烈的沖刷作用，降低部分邊灘形狀復雜度的同時，增大了泥沙輸送量，但是沿程水流動能的降低使其挾沙能力減弱，造成泥沙逐漸淤積形成多個小邊灘斑塊，邊灘的破碎化程度進一步提高。

４結論

（１）堰壩群主要分布于低彎曲河段，且呈現高密度、中密度、低密度３ 種分布方式。

（２）上、中、下游各區段邊灘景觀格局指數變化差異性較大，上游區段邊灘表現出更明顯的破碎化和邊緣形狀不規則化。

（３）堰壩建設后對邊灘的景觀指數變化具有顯著的影響，尤其是ＮＰ、ＰＤ 變化最為劇烈，其中Ｙ９ 和Ｙ１７建設后ＮＰ、ＰＤ 變化率超過了５０％，邊灘破碎度顯著增大。

（４）堰壩分布方式對河段內的邊灘會產生較大影響。隨著堰壩分布密度增大，ＰＤ 變化更為顯著，ＬＳＩ波動變化的幅度更大，其根本原因是高密度堰壩分布對水動力條件的改變。河道治理過程中需優化堰壩布局，同時考慮堰壩形式、過流方式等因素，從而有效地保護河流灘地資源。

【責任編輯 許立新】