閘壩對河流棲息地連通性的影響研究

孫 鵬 ，王 琳，王 晉，王 聰

(中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266100)

0 引 言

河流棲息地是對水生生物直接或間接影響的多尺度下的物理化學條件的組合[1]。河流棲息地連通性是影響河流生態系統的重要因素，閘壩嚴重影響了水系的連通性[2]，使河流的流速、水深等水力學特征發生變化，改變了水系的水文學與熱力學特征[3]，并且阻礙了水生生物的運動[4,5]。因此針對閘壩對河流棲息地連通性影響的研究具有重要意義。

近年來，部分學者已經重視了對陸地生態系統中棲息地連通性的研究[6-9]，然而，對于水生生態系統中棲息地連通性的研究相對不足。Grant等人把河流描述為一種樹枝狀的生態網絡，并且是空間格局網絡的一個特殊的組成部分[10]。盡管圖論已經應用到樹枝狀生態網絡中[11]，但Grant等人認為格狀網絡的連通性評價指數不能準確地表征樹枝狀網絡的連通性水平[10]。目前針對流域尺度下閘壩累積影響的研究并不多見，本研究以濰河流域諸城段為例，提取了1980年、1990年和2010年3個不同時期的閘壩分布圖，利用樹狀水系連通性指數的方法量化水系的縱向連通性，探討了閘壩對河流棲息地連通性的影響，并提出了拆除閘壩的優先次序，從而為流域尺度上的河流棲息地連通性修復規劃提供科學參考。

1 樹狀水系連通性評價方法

樹狀水系連通性指數是根據閘壩的數量、可通過能力以及地理位置，定量評價水系的連通性水平。與網狀水系不同，樹枝狀水系中任意兩點間的路徑是唯一的，整個水系的連通性狀況主要取決于河網中任意兩點之間閘壩的數量、可通過能力以及河段長度。河段是指由于閘壩的存在而將河道分成的各個節段。閘壩具有相應的可通過能力p，可通過能力是指生物體在溯流和降流兩個方向通過閘壩的能力，取決于其物理、化學、水文學特征以及生物體自身的生物學特征[2]。假定閘壩不占用實際空間，因而不會影響河網的總長度。假定由閘壩切割得到的每個河段內部是完全連通的，則整個水系的連通性可視為任意兩個河段之間連通性的總和。據此，樹狀水系連通性指數DCI可采用以下公式進行計算：

式中：n為河段的數量，等于閘壩的數量加1；li與lj分別表示河段i與河段j的長度；L為河網的總長度；指數乘以100是為了將DCI的值調整為0～100之間，其值越高，表明連通狀況越好；cij為河段i與河段j的連通性，其值取決于河段i與河段j之間閘壩的數量以及可通過能力。假設生物體通過每個閘壩的能力是獨立的，也就是說生物體通過一個閘壩后，在任何情況下都不會影響其通過下一個閘壩的能力。如果河段i與河段j之間有M個閘壩，那么cij可用如下公式表示：

式中：pum表示生物體從下游至上游通過第m個閘壩的能力；pdm表示生物體從上游至下游通過第m個閘壩的能力。

2 實例應用與分析

2.1 研究區概況

諸城市位于山東半島東南部，泰沂山脈與膠濰平原交界處，東與膠州、膠南毗連，南與五蓮接壤，西與莒縣、沂水為鄰，北與安丘、高密交界。東西最大橫距66.5 km，南北最大縱距72 km，總面積2 183 km2，南部山巒起伏，北部水網密布，素有“龍城水鄉”之稱[12]。

境內河流眾多，濰河水系為境內最大水系，主、支流呈葉脈狀分布，境內長78 km，流域面積1 901.2 km2，占市境總面積的87%，河床上游比降為1/1 100，中游比降為1/1 700。河床最寬1 000 m，最窄250 m，最大泄洪量6 097 m3/s，多年平均地表水資源量4.59億m3[12]。近年來，由于閘壩的建設使水系的連通性發生了很大變化，河流棲息地連通性遭到嚴重破壞，給河流生態系統帶來很大壓力。

本研究主要探討閘壩對河流棲息地連通性的影響，選取諸城市境內的濰河水系作為研究對象，不考慮諸城市境外河流的影響。在選取的水系范圍內，共有蓄水量35萬m3以上的閘壩21座，見圖1。

圖1 濰河流域諸城段2010年閘壩分布情況Fig.1 The distribution of sluices and dams in the Weihe basin in the city of Zhucheng in 2010

2.2 數據與研究方法

本研究主要借助1∶320 000諸城市水系圖作為信息源，利用ArcGIS軟件進行數字化，獲取水系矢量數據，作為分析研究的基礎。利用ArcGIS分別測量每個河段的長度以及河網的總長度，進而計算整個水系的DCI指數，評價連通性水平。

2.3 數據處理與結果分析

2.3.1閘壩的可通過能力對連通性的影響

以2010年閘壩分布圖為例，分別計算閘壩的可通過能力p從0增加到1的DCI指數，分析可通過能力對連通性的影響。

從圖2中可以看出，隨著閘壩可通過能力p的增加，DCI指數有逐漸增加的趨勢，并且增加的幅度越來越大。當00.8時，DCI指數有明顯增加，說明當閘壩的可通過能力p較高時，當p稍微變化，整個水系的連通性水平就會有明顯提升。根據以上分析可以看出，在修復河流連通性的過程中，可以優先考慮可通過能力較好的閘壩，對提高整個水系的連通性水平效果更明顯。對于自然連通狀態下的河流，一旦建設閘壩，整個水系的連通性就會明顯下降，因此在工程規劃與建設過程中需要慎重考慮。

圖2 DCI隨閘壩可通過能力的變化情況Fig.2 The change of DCI with the passability of sluices and dams

2.3.2閘壩建設對連通性的影響

根據閘壩建成的時間以及地理位置，分別獲取1980年、1990年與2010年的閘壩分布圖，比較分析閘壩建設對連通性的影響。由于本部分主要研究1980-2010年間閘壩建設對連通性的影響，并且閘壩可通過能力的影響因素比較復雜，并不在研究范圍之內，因此在以下研究中假設所有閘壩從上游至下游以及從下游至上游的可通過能力均為0.8。本研究主要探討的是閘壩對連通性的影響，因而不考慮1980-2010年間河道長度的變化。

圖3 不同時期閘壩分布圖Fig.3 The distribution of sluices and dams in different periods

從圖3可以看出，1980年、1990年及2010年閘壩數量分別為7個、17個和21個，利用樹狀水系連通性指數計算得出1980年、1990年及2010年的DCI指數分別為56.11、32.44、31.57。從1980-1990年，DCI下降了42.2%，從1990-2010年，DCI下降了2.7%。由此可以看出，閘壩建設嚴重破壞了水系的連通性，尤其對接近自然連通狀態的水系影響更為顯著。當河流中閘壩數量較少時，增加閘壩的數量會對水系的連通性產生較為嚴重的影響；而當閘壩的數量達到一定數量時，建設閘壩對水系連通性的影響相對較小。

2.3.3拆除閘壩的優先次序

在現有閘壩的基礎上，分別計算拆除每個閘壩后整個水系DCI的變化情況，研究每個閘壩對整個水系連通性的影響，為河流棲息地連通性的修復提供一種參考。

從表1中可以看出，拆除不同的閘壩對水系的連通性有不同的影響，拆除閘壩q對整個水系的連通性影響最為顯著，DCI指數可增加4.37，而拆除閘壩u，DCI僅增加0.03。另外，拆除干流上的閘壩后，整個水系連通性的增量ΔDCI要明顯高于拆除支流上的閘壩，表明干流上的閘壩對水系連通性的影響要比支流上的閘壩更為嚴重。在修復河流連通性時，可以根據ΔDCI的值確定閘壩拆除的優先次序，如q、r、h及l對水系整體連通性影響較大，可以優先考慮拆除。

3 結 論

河流棲息地連通性是影響河流生態系統健康與穩定的重要因素，對水生生物群落的形成具有至關重要的作用。閘壩的建設嚴重破壞了河流的連通性，對河流棲息地造成影響。本研究以濰河流域諸城段為例，采用樹狀水系連通性指數的方法對河流的連通性進行量化分析，探討了閘壩對河流棲息地連通性的影響，并探索性地提出了連通性修復的優先次序，主要得到以下結論：

表1 拆除每個閘壩后DCI的變化情況Tab.1 The change of DCI after removing every sluices and dams

(1)河流的連通性隨著閘壩可通過能力p的增加有逐漸增加的趨勢，并且增加的幅度越來越大。當00.8時，DCI指數明顯增加。

(2)1980年、1990年及2010年整個水系的DCI指數分別為56.11、32.44、31.57。1980-1990年，DCI下降了42.2%，1990-2010年，DCI下降了2.7%。閘壩建設嚴重破壞了水系的連通性，尤其對接近自然連通狀態的水系影響更為顯著。

(3)根據拆除每個閘壩后整個水系連通性的增量確定閘壩拆除的優先次序，該方法可為河流棲息地連通性的修復提供一種科學參考。

由于河流生態系統自身固有的復雜性，因此對河流棲息地連通性的研究尚有許多值得深入探討的地方。實際上，每個閘壩的可通過能力都不同，并且與生物體的類型、生長期等自身因素有關，這在以后的研究中需要深入探討。

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[1] 鄭丙輝,張 遠,李英博.遼河流域河流棲息地評價指標與評價方法研究[J].環境科學學報,2007,27(6):928-936.

[2] Cote D,Kehler D G,Bourne C,et al.A new measure of longitudinal connectivity for stream networks[J].Landscape Ecol,2009,24(1):101-113.

[3] Berkamp G,McCartney M,Dugan P,et al.Dams,ecosystem functions and environmental restoration[R].South Africa(Cape Town):Box P O,2000.

[4] Warren M L,Pardew M G.Road crossings as barriers to small-fish movement[J].Transactions of the American Fisheries Society,1998,127(4):637-644.

[5] Wheeler A P,Angermeier P L,Rosenberger A E.Impacts of new highways and subsequent landscape urbanization on stream habitat and biota[J].Reviews in Fisheries Science,2005,13(3):141-164.

[6] Watts D J,Strogatz S H.Collective dynamics of ‘smallworld’ networks[J].Nature,1998,393:440-442.

[7] Urban D L,Keitt T H.Landscape connectivity:a graphtheoretic perspective[J].Ecology,2001,82(5):1 205-1 218.

[8] 范俊韜,李俊生,全占軍,等.洋太公路對秦嶺大熊貓棲息地景觀格局的影響[J].生態學雜志,2009,28(10):2 082-2 087.

[9] 岳天祥,葉慶華.景觀連通性模型及其應用[J].地理學報,2002,57(1):67-75．

[10] Grant E H C,Lowe W H,Fagan W F.Living in the branches:population dynamics and ecological processes in dendritic networks[J].Ecology Letters,2007,10(2):165-175.

[11] Schick R S,Lindley S T.Directed connectivity among fish populations in a riverine network[J].Journal of Applied Ecology,2007,44(6):1 116-1 126.

[12] 諸城市水利志編纂委員會.諸城市水利志[Z].