長江流域建壩對河流破碎及徑流擾動影響分析

摘要：長江流域建壩會影響流域內河流生態可持續性，評估大壩造成的河流生態壓力的時空變化至關重要。基于河流破碎化指數（DOF）和徑流擾動指數（DOR），量化分析大壩建設對河流縱向連通性和水文情勢方面的生態壓力，研究長江流域不同空間格局下大壩對河流生態擾動的長時序變化。結果表明：① 1990～2020年，長江流域建壩導致的河流破碎化和徑流擾動分別影響了流域內70.1%和65.5%的河段。② 長江流域河流破碎化指數、徑流擾動指數均呈中游＞下游＞上游的分布特征；但在增長趨勢上呈上游高、下游低的特點，不同子流域間DOF、DOR差異程度呈減小趨勢。③ 長江干流及一級支流河段（Strahler法，河流等級≥5）比低級別支流河段（Strahler法，河流等級≤4）承受更大的破碎化和徑流擾動影響，低級別河段更多是受到徑流擾動影響。研究成果可為長江流域河流生態系統保護與修復提供參考。

關 鍵 詞：大壩； 河流破碎化； 徑流擾動； 河流網絡； 長江流域

中圖法分類號： TV64；X143

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.11.015

0 引 言

為滿足人類日益增加的用水、用電和防洪需求，全球范圍內河流建壩數量持續增加^［1］。河流上大規模筑壩是河流生態環境受人為影響最顯著的事件之一^［2-3］。大壩對河流生態系統的影響主要表現為加劇河流破碎程度和改變河流流量過程，這兩種影響會進一步產生系列連鎖反應來改變河流的基本水文過程和生物多樣性進而影響更為廣泛的河流生態功能^［4-5］。河流破碎化指大壩本質上會攔阻和改變自然河流流動，并由此阻礙依賴于河流縱向連通性的有效生態過程，包括有機物和無機物的運輸以及水生生物的洄游遷徙^［6］。徑流擾動指大壩通過蓄水來改變河流的自然流態，這種擾動會影響水生生物的生態過程，如魚類的繁殖、孵化和幼魚生長過程^［7］。

目前對河流破碎化和徑流擾動的量化分析已有較多研究。對河流破碎化的研究中，主要有圖論法、水文-水力學法、指標法等評價方法^［8］。如Vrsmarty等^［9］計算每個網格到最近大壩的水生生物可游泳距離，評價全球格局下河流的縱向連通性。唐家璇等^［10］采用阻隔系數法、最長連續河段占比法、區域整體法評價長江河流縱向連通性。侯軼群等^［11］采用樹狀水系連通性指數評價金沙江水系的破碎化情況。但上述方法由于定義計算方式的原因，沒有考慮河流連續不同河段的局部影響情況，即無論大壩放置在河流上游或下游，只要大壩類型、數量一致或造成斷開的河段長度相同，計算結果都相同。大壩對河流徑流擾動研究中，目前更多是采用IHA、RVA、DHRAM等方法對河流生態流量進行研究^［12］，如王波等^［13］通過RVA法量化了金沙江建壩前后不同流量特征參數的變化程度。吳可怡等^［14］則采用IHA-RVA法對漢江中下游系列水文站的長時序日均流量數據進行分析，從而評估研究區內水文情勢的變化特征。然而上述方法在較大空間尺度、河流長期流量數據缺乏及大壩數量激增背景下，計算局限性較大。Grill^［15］和Lehner^［16］等相繼提出河流破碎化指數（DOF）、徑流擾動指數（DOR），通過河流流量差異評估大壩對河流縱向連通性和自然流態擾動的影響，可較好解決上述問題。但目前對河流破碎化指數（DOF）、徑流擾動指數（DOR）的應用主要是在全球尺度上，長時間序列和不同級別河段尺度視角下的研究較少，缺乏局部河段建壩對整體河流網絡長期影響演變規律的研究。通過長時間序列下不同級別河段分析可以更有利于評估新建大壩對河流不同局部河段的影響情況，揭示河流網絡的熱點變化區域。

基于上述背景，本文以長江流域為研究區域，擬采用河流破碎化指數（DOF）和徑流擾動指數（DOR）兩項指標來繪制長江流域1990～2020年大壩修建造成河流破碎化和徑流擾動的高精度時空動態圖，并據此來揭示長江流域近30 a河流受到大壩影響的生態壓力時空變化特征，厘清河流生態壓力熱點區域，以期為長江流域河流生態保護和管理提供基礎支撐。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區域概況

長江流域（90°33′ E～122°25′ E，24°30′ N～35°45′ N），面積約180萬km²，占中國近1/5的國土面積^［17］。流域內自然資源豐富，在國家未來發展戰略中處于重要地位^［18］，其大壩修建數量也居于中國主導地位^［19］。流域內水系發達，基于主要水系將長江流域共劃分為11個子流域^［20］。長江流域及大壩分布見圖1。

1.2 數據來源

研究包括矢量河網數據、流量數據和大壩空間分布數據。① 矢量河網數據來自Merit-Basin河網數據集^［21］，空間分辨率90 m。集水面積閾值25 km²，在長江流域內共得到40 350條河段，河網密度為0.18 km/km2。河網采用Strahler法劃分為1～8級來識別大小型河段，級別越高表明越接近大型河段，其中8級河段在文中主要指長江上游干流至長江下游干流子流域的主干河段。② 流量數據來源于河網配套的Grades-Hydrodl全球日流量估算數據集^［22］，其基于LSTM（長短期記憶）模型進行流量模擬，對比近年現有類似數據集^［23-24］，該數據集處于精度更高且宏觀尺度可接受的范圍內，通過計算獲得1990～2020年多年平均流量，以作后續計算使用。③ 大壩基礎數據來自全球水庫和大壩數據庫（GRanD）^［25］，其主要收錄壩高在15 m以上或庫容大于0.1 km³的大壩，并結合中國地表水體、大型大壩、水庫、湖泊數據集（China-LDRL）^［26］新增272座大壩。部分大壩缺失的庫容數據與修建年份從中國水庫綜合地理空間數據集（CRD）^［27］、《中國水利統計年鑒》和相應地方政府公告中予以確認。在1990、2005、2020年分別得到538，625，719座大壩。

1.3 研究方法

本研究基于研究區域河流網絡和大壩空間分布數據，根據Yang^［28］和Tao^［29］等的研究方法，分別通過河段與大壩的近鄰分析，以及大壩對應水庫的重疊分析來識別大壩所處河段位置，并采用河流破碎化指數（DOF）和徑流擾動指數（DOR）探究近30 a長江流域河流受大壩影響下的時空演變特征。

1.3.1 河流破碎化指數

研究采用河流破碎化指數（DOF）來描述河流的破碎化程度，該指數主要通過測量大壩所在河段與上下游河段流量差異來衡量大壩對河流縱向連通性的影響程度。選擇對數而非線性衰減函數計算破碎度值，是為了更好地滿足河流網絡樹枝網狀結構的典型增長和衰減速率，計算公式如下：

DOFj=1-lgdbloc-lgdjlgdr

（1）

式中：DOFj表征大壩上下游處某河段j的破碎化程度；dj是河段j的自然平均流量；dbloc是大壩位置處的自然平均流量；dr是大壩造成河流破碎的最大影響范圍，根據陳昂等^［30］的建議，選擇dr=10作為大壩可以造成上下游河段破碎化的最大流量范圍。

1.3.2 徑流擾動指數

研究采用徑流擾動指數描述大壩蓄水對河流自然流態的擾動程度。該指數用一座或多座大壩的總庫容與下游河段年徑流總量比值表示。計算公式如下：

DORj=ni=1svolidvol

（2）

式中：DORj表征河段j處的徑流擾動程度；sovli為河段j上游處的總庫容；n是上游的大壩總數；dvol是河段j處的徑流總量。

1.3.3 指數歸一化和大壩影響矩陣

為降低極值的影響，采用累計分布函數（CDF）分別將1990、2005、2020年長江流域40 350條河段的破碎化指數（DOF）和徑流擾動指數（DOR）進行標準歸一化，該方法計算每條河段相對所有不同年份河段的排序等級并進行標準化，最后通過減去最小值并除以極差將標準值歸一化到0～1的范圍。具體計算公式如下：

P（Dj）=nNtotal

U^（Dj）=P（Dj）-P（D）minP（D）max-P（D）min

（3）

式中：P（Dj）表征河段j相對所有其他不同年份河段的累計概率；n表示按升序排序的河段等級；Ntotal表示所有不同年份的河段總數；U^（Dj）表征河段j的歸一化值；P（D）min，P（D）max分別表示河段指數標準化后的最小、最大值。

采用等間隔創建4×4影響矩陣，評估大壩對長江流域河流破碎化（DOF）和徑流擾動（DOR）的影響程度，即輕微為0～0.25，中度為0.25～0.50，重度為0.50～0.75，嚴重為0.75～1，其中0為無影響。將0.50作為指數高低劃分依據，16種影響組合進一步劃分為4種類別以表征不同主要影響類型：① 低破碎化-低徑流擾動；② 高破碎化-低徑流擾動；③ 低破碎化-高徑流擾動；④ 高破碎化-高徑流擾動。分類情況見圖2。

2 河流破碎化指數和徑流擾動指數的時空變化特征

2.1 時序變化特征

長江流域大壩對河流破碎化（DOF）和徑流擾動（DOR）影響程度的時序變化見圖3。至2020年，受大壩破碎化影響河段占總河段數的70.10%，相較1990年升幅約28.15%；受大壩重度及嚴重破碎化影響河段占總河段數的39.21%，升幅約64.75%。流域內DOR與DOF時序變化特征一致。受大壩徑流擾動影響河段數比例在30 a中升至65.50%，2020年相較1990年升幅約13.52%；受大壩重度和嚴重徑流擾動的河段數比例為37.81%，升幅約50.03%。表明近30 a長江流域受大壩影響河段比例增幅不高，但從其他影響程度轉變為重度和嚴重的河段數卻大幅上升，這對流域內河流的可持續發展產生一定威脅。

不同子流域河流破碎化（DOF）和徑流擾動（DOR）的時序變化特征見表1。近30 a，各子流域DOF、DOR均呈遞增趨勢，1990、2005、2020年長江流域DOF均值分別為0.29，0.33，0.39；DOR均值分別為0.32，0.36，0.41。長江上游區域DOF、DOR增長速度最高，分別為99.25%和72.42%，其中金沙江子流域與總體流域的變化趨勢差異較大，其平均增速最高；中游區域DOR增速最低，為15.33%，其中洞庭湖子流域的DOF、DOR平均增速均較高；下游區域DOF增速最低，為15.72%，其中太湖子流域DOF、DOR平均增速最低，小于長江其他子流域。各子流域間的DOF、DOR差異總體呈逐漸縮減的趨勢。

2.2 空間變化特征

長江流域40 350條河段在1990、2005、2020年中的河流破碎化指數（DOF）和徑流擾動指數（DOR）的空間變化情況見圖4；2020年相對1990年，DOF和DOR的變化情況見圖5。長江流域DOF、DOR在1990～2020年總體呈中部高、西北低的空間分布格局，此外，西部地區河段DOF、DOR在30 a間經歷了較大變化，其中金沙江中下游段2005年后建立了多個梯級大壩，對金沙江上、下游河段造成了較嚴重的破碎化和徑流擾動影響。同時在沿河流上游至下游的縱向尺度上，長江干支流的上游河段均是DOF和DOR上升的熱點區域，這跟上、下游區域的大壩類型分布有關，下游區域雖大壩數量眾多，但大型大壩修建較少，對長江干流及各支流河口的調度作用有限。因此建造上游梯級水庫進行聯合調度解決長江流域的防洪、供水等問題，便是長江上游目前為建壩熱點區域的關鍵原因之一^［31-32］。

圖6表明在子流域尺度上，DOF和DOR在金沙江子流域呈現出較低的值，這可能是因為金沙江子流域的主干河段目前雖是大壩修建的熱點河段，但整體相較其他子流域的大壩修建數量仍較少。至2020年，洞庭湖子流域相較其他子流域的河流破碎化程度最高。受較高徑流擾動影響的子流域分別是長江中、下游干流、鄱陽湖子流域。子流域間受大壩破碎化和徑流擾動的空間差異性較為明顯。整體流域DOF、DOR均呈中游＞下游＞上游的空間分布特征。

3 不同級別河段破碎化和徑流擾動的時空動態變化

針對以往只關注局部河段大壩修建影響，而忽視了整體河流網絡所受影響的問題，通過Strahler河段分級^［21］的視角關注長江流域干支流受大壩破碎化和徑流擾動影響的時空動態變化。

3.1 時序變化

長江流域1990～2020年不同級別河段DOF和DOR的時序變化見圖7，長江干流及一級支流河段（河流等級≥5）比低級別河段（河流等級≤4）承受了更大的大壩破碎化和徑流擾動影響，其中8級河段與1級河段承受的大壩破碎化和徑流擾動影響相比，分別高出219.08%和177.22%。但在t檢驗上，不同級別河段30 a間DOF和DOR均經歷了顯著增長，長江一級支流（5～7級）在1990～2020年中承受的大壩破碎化和徑流擾動增長幅度最大，分別增長了61.97%和60.32%；8級河段的增量最低，僅分別增長了1.11%和28.99%。表明長江各一級支流水系與長江干流相比，其在1990～2020年期間是大壩修建的熱點河段。

3.2 空間變化

圖8表明了不同級別河段受大壩破碎化和徑流擾動共同影響的空間變化特征。流域內河段雖多數同時受破碎化和徑流擾動影響，但大壩對不同級別河段造成的主要影響卻不同。1990～2020年長江干流及一級支流（河流等級≥5）為高破碎化-高徑流擾動的熱點增長河段，更低級別河段受大壩影響程度類別則主要由無影響或低破碎化-低徑流擾動向低破碎化-高徑流擾動轉變。側面表明長江干流及一級支流由于水電開發效益高或者防洪需求高等^［33］，大壩修建較多。此外，由于不同級別河段流量差異的原因，河段上大壩破碎化影響更多的是同級別河段，低級別河段則主要受上游河段大壩的徑流擾動影響。

4 討 論

進行長江流域不同空間格局下建壩對河流破碎化和徑流擾動的長時序分析，有助于識別不同尺度下大壩對河流的影響程度并確定熱點增長區域。流域內未受大壩明顯影響的河段主要位于長江上游區域，而長江中下游區域河段則受較嚴重的大壩破碎化和徑流擾動影響，這與Vrsmarty^［9］、Grill^［15］等的研究結果一致。該結果跟長江流域早期的建壩模式有關，長江中下游地處平原地區，修建大壩的地理條件較好，且供水、防洪等需求較大，故以往進行了相應的水電開發計劃^［34］。但在長時序變化上，1990～2020年長江上游屬于大壩修建的熱點區域，如三峽、向家壩、白鶴灘等梯級大壩的修建，使長江上游河流網絡受到顯著破碎化和徑流擾動影響，且向重度及嚴重影響類別迅速轉變。此外，中國水電能源需求不斷增加，未來將修建更多的大壩，在規劃的13個水電基地中有5個位于長江上游區域^［35］，上游大壩的持續修建將會使河段的破碎化進一步加劇，同時也會加大對整個流域河流網絡的徑流擾動影響。

長江流域大壩的修建位置不同，會對各級河段的影響程度和類型產生差異。結果表現為局部河段大壩修建后，其產生的破碎化影響主要作用于上下游同級河段上，且修建在長江干流和一級支流上的大壩（河流等級≥5）與更低級別河流上的大壩相比，其對整個河流網絡會產生更顯著的破碎化影響，而在低級別河流中（河流等級≤4），由于徑流總量較小，則更容易受到上游大壩的徑流擾動影響，這與Yang等^［28］的結論一致。其次，了解大壩對河段造成的主要影響差異有助于制定針對魚類等水生生物的有效緩解策略。例如，某個河段受大壩破碎化影響較大，但徑流擾動影響較小，可考慮增設魚道、安裝升魚機等措施，以減輕河流破碎化對魚類洄游的影響。反之，若徑流擾動影響較大，則可實施適當的生態流量調度，以減少水文變化對魚類生理的影響。

總之，通過重點關注長江流域大壩修建的熱點區域，采用河流破碎化指數（DOF）和徑流擾動指數（DOR）了解大壩在不同子流域和河段尺度下影響模式的差異，可提出一定的緩解策略，以減輕大壩修建對河流生態的影響。

5 結 論

（1） 1990～2020年，長江流域大壩建設運行造成的河流破碎化和徑流擾動分別影響了流域內70.1%和65.5%的河段。受重度及嚴重破碎化和徑流擾動影響的河段分別占總河段數的39.21%和37.81%。

（2） 1990～2020年長江各子流域DOF、DOR均呈增長趨勢，在增長趨勢上呈上游高、下游低的特點，在空間上呈中游＞下游＞上游的分布特征，不同子流域間DOF、DOR差異程度呈減小趨勢。

（3） 長江干流及一級支流河段（河流等級≥5）比低級別河段（河流等級≤4）承受了更大的破碎化和徑流擾動影響。長江一級支流（5～7級）在30 a間承受的破碎化和徑流擾動增長幅度最大，分別增長了61.97%和60.32%。其中大壩破碎化更多影響的是同級河段，低級別河段則主要受到徑流擾動影響。

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（編輯：謝玲嫻）

Analysis on spatial and temporal changes in river fragmentation and runoff disturbance due to damming in Changjiang River Basin

YANG Ming¹，WU Jianping¹，WAN Yu²，DU Hongbo²，YANG Shengfa²，LI Wenjie²

（1.Key Laboratory of Water Conservancy and Water Transportation Engineering of Ministry of Education，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China； 2.National Inland Waterway Regulation Engineering Technology Research Center，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract：

The construction of dams in the Changjiang River Basin poses a significant challenge to the river′s ecological sustainability，and it is crucial to investigate the spatial and temporal evolution characteristics of river ecological pressure induced by these structures.Using river fragmentation index and runoff disturbance index as analytical tools，this study quantitatively assesses the ecological pressures of damming on riverine longitudinal connectivity and hydrological situations，and investigates the long-term temporal evolution of river ecological disturbances caused by damming under different spatial patterns within the Changjiang River Basin.The results reveal that from 1990 to 2020，the damming has impacted 70.1% and 65.5% of the river sections in terms of river fragmentation and runoff disturbance，respectively.The distribution of the degree of fragmentation （DOF） and the degree of runoff disturbance （DOR） exhibits an order of midstreamgt;downstreamgt;upstream；however，the growth trend is high in upstream and low in downstream，and the difference of DOF and DOR between different sub-basins is decreasing.The main stem of the Changjiang River and the first-class tributary reaches （Strahler method，river class ≥5） experience higher levels of river fragmentation and runoff disturbance compared to the lower-class tributary reaches （Strahler method，river class ≤4），and the lower-class reaches are disproportionately affected by runoff disturbance.These insights are instrumental in informing strategies for protecting and restoring riverine ecosystems in the Changjiang River Basin.

Key words：

dam； river fragmentation； runoff disturbance； river network； Changjiang River Basin