河流形態變化的水資源管理意義

(水利部農村電氣化研究所，浙江 杭州 310012)

1 理論的平衡的河流形態

本文所指河流形態是指在不同的時間節點上河流的任意過水斷面和縱向形態: 過水斷面包括水面寬和水深分布；以及縱向形態包括比降、潭-灘的分布、河床的組分和結構、河岸的組分和結構。河相關系是反映河流形態的一個重要指標。沖積河流通過自動調整作用，作為較長時間的平均情況來說，有可能處于相對平衡的狀態，在斷面形態和縱剖面與流域因素之間應該存在某種定量關系，這種定量關系一般稱為河相關系[1]。河相關系寫成數學方程式為[1]：

式中B——河槽的水面寬；

h——河槽的平均水深；

J——河流的縱比降；

Q——來水量及其過程；

G0——來沙量及其過程；

D0——來沙的組成。

因此,存在一個理論上相對穩定的河床,并且,在河相關系穩定的情況下,假設天然來水和來沙是有規律的,那么,存在一個相對平衡的河流形態,以時間為坐標有規律地變化，稱之為理論的天然河流形態。

從河相關系公式可以看出，來水量和水量過程、來沙量及來沙過程、來沙的組成會影響河流的河寬、水深和比降；在同樣的來水過程下，河流的形態反過來也會影響河流中的泥沙運動和沉積，影響河岸和河槽物質的組成;在同樣的流域來沙條件下，河流的形態也會影響河道產水量和產流過程。水沙運動的變化是河床演變的基礎，河床演變會引起河流演變。

水資源開發利用如果直接改變天然河流形態，可造成即時的局地水環境影響，而從更大尺度的時間、空間看，它會比自然過程更快地影響整條河流的形態和水環境。如果用水是有規律的，而且不直接改造河床，那么天然河流形態會尋找到一個新的平衡；如果人為的河床改造是有完成時的，那么天然河流也會尋找到新的平衡。

2 河流形態的環境意義

2.1 影響水資源量

2.1.1 河流槽蓄量

河床演變會引起平均河寬、平均河深的變化，由于彎道演變成直道或者人為的裁彎取直都會影響河流的總長度，這些情況的變化都會引起河槽蓄水量的變化。河床與河岸的變化也會使河槽表面積變化，直接減弱河流蓄接雨水和匯納徑流的能力。

2.1.2 河流潭-灘變化

河床演變會引起深潭和灘地的變化。如果水流條件和水沙條件發生變化導致深潭萎縮，河道的蓄水量就會減少。來水和來沙的變化會影響河中灘地的發育，使過水遇到更大更多阻力，消耗水能和水量；如果灘地被利用或植被茂密，那么植物的蒸騰作用會增加耗水。

2.1.3 水文循環

河流中的水直接通過下滲作用補給地下水水量，補給量取決于地質和地貌情況；而地下水流動到與地表水相通的地方也可補給地表水。所以，地表水與地下水的相互轉換在很大程度上取決于河流河床的下墊面條件。如果河流發生了演變，河床的位置改變了，會影響地表水與地下水的相互轉換，會影響地表水資源量。

2.2 影響水生態系統

河流的河槽、河岸、包括洪泛區是水生動物、水生植物、微生物的棲息地，河床地形、地質及下墊面條件，河流的水文、水力學特征共同構成了水生態環境。在這個水生環境中，物質和能量通過食物網進行傳輸，并同時與外界進行交換。河岸和洪泛區的物質組成也會影響棲息于此的生物環境。

因而，當河流形態變化、水文情勢、水力學特征變化時，水生態環境也有響應。

2.2.1 基質

河流基質主要包括基巖、潭石、鵝卵石、礫石、沙、泥等，底棲生物主要生活在這里。生物表現出對基質的偏好，基質和水文要素共同影響這里的生物[2]。基質對很多淡水魚類產卵都非常關鍵。水生昆蟲也選擇特定的基質產卵[2]。

2.2.2 水文和水力學條件

生態學家們強調，必須考慮河川徑流的五大要素以確保河流生態系統的需求：河流的流量大小、出現頻率、持續時間、出現時間、增加或減少的速度都會影響河流生態系統[2]。水力學條件(雷諾數、平均流速、剪切流速、流速與水深的比值等)對微生境及生物的影響很大[2]。有研究發現底棲無脊椎動物的棲息地偏好顯示為流速的函數[2]。水位波動會抑制微生物活性，降低落葉分解速率[2]。

2.2.3 水溫

河流水溫是決定水生生物體代謝速率、空間分布及種群演替的一個重要環境因素[2]。落葉分解速率隨溫度升高而增大[2]。

2.2.4 水質

水體pH值較低時會抑制微生物和無脊椎動物的活性，重金屬污染影響撕食者和微生物活性，這些都會影響落葉分解速率[2]。河水的離子濃度較低時，物種數目較少；許多生物類群明顯是“軟水”或“硬水”型[2]。氣體在水中的溶解度對生物也是有影響的，如魚類需要合適的溶解氧濃度，而藻類的光合作用需要CO2。

2.3 影響水質

污染物進入水體后可以溶解態或懸浮態隨水流遷移、轉化或生物利用，也可以被懸浮顆粒或底泥吸附沉淀。河流形態的改變會極大地改變河流水、沙的平衡和狀態，影響水生物，從而影響河流水體自凈，影響地表水水質乃至地下水水質。

2.3.1 河流輸沙和沉積物

河流能帶動的輸沙包括懸移質和推移質。很多污染物附著在輸沙和沉積物中，沉積物表面有生物膜，對水體有凈化作用。

研究表明，通過各種途徑進入水體的金屬，絕大部分將迅速轉入沉積物或懸浮物中[3]。有機污染物在沉積物中也有分布：有機氯農藥由于難以被化學降解和生物降解，故很大一部分被分配到沉積物有機質和生物脂肪中；多氯聯苯即使在水中濃度很低時，在水生生物體內和沉積物中的濃度仍然可以很高；多環芳烴化合物的最終歸趨可能是吸附到沉積物中，然后進行緩慢的生物降解[3]。河床沖刷將大量帶走沉積物，同時帶走污染物，并有可能將這些污染物重新釋放到水中。河床淤積將使外來污染物沉積于此，并有可能緩慢釋放于環境中，影響水質和水生物。河床沖刷或淤積破壞原來的床底生物膜，影響水體自凈。

水體中顆粒物對一些污染物質有吸附作用，包括物理吸附、物理—化學吸附和專屬吸附[3]。水環境中顆粒物的凝聚或絮凝是一個復雜的物理、化學和生物過程。污染物有吸附-解吸的過程，也有被沉積物釋放到水中的過程。懸移質、推移質、沉積物可以相互轉化。這些過程受到水力學條件、水文條件和水質、水溫的影響，也決定著污染物質的轉化和遷移。懸浮沉積物的粒度分配、結構組成會影響吸附和顆粒物凝聚或絮凝，從而影響水質。

2.3.2 水生物對水質的影響

生物降解是引起水中有機污染物分解的最重要的環境過程之一，影響生物降解的主要因素是有機物本身的化學結構和微生物的種類，溫度、pH、溶解氧等會影響降解速率[3]。微生物利用一些有機污染物進行生長代謝時，必須使微生物適應這種化學物質，實驗表明，一般需要2～50d的滯后期，一旦微生物群體適應了它，降解是相當快的[3]。微生物利用有機物進行共代謝分解時，沒有滯后期；但共代謝降解速度一般比完全馴化的生長代謝慢，直接與微生物種群的多少成正比[3]。河流河床的擾動和水、沙平衡的破壞會改變微生物的生存環境，影響微生物種群的分布，抑制微生物的活動，影響水體自凈。

一些污染物主要靠生物作用降解。如：酚類化合物的主要遷移、轉化過程是生物降解和光解[3]。

2.3.3 水文和溫度的影響

污染物進入水體首先是被水稀釋，河流流量的大小決定了污染物以及其他離子的濃度，包括pH值。這對污染物的溶解-沉淀、水解等化學過程有重要影響。污染物濃度也影響它的轉化和遷移。如：有機磷農藥只有在水中濃度較高時才被沉積物明顯吸收[3]。水體的pH值可以影響污染物在水體中的存在形式，決定它的毒性、遷移或轉化。

流量或河床形態的改變會改變水深，水深的改變會影響水溫，水深和水域面積會影響水體的復氧能力，這對河流水體的生物以及化學自凈都是很重要的。當微生物對有機物進行缺氧分解時，分解產物為NH3、H2S、CH4等，將會使水質進一步惡化[3]。水中溶解氧的濃度和pH值是影響氧化-還原環境的重要因素。而水體中氧化還原的類型、速度和平衡，在很大程度上決定了水中主要溶質的性質[3]。水深還影響著污染物質的揮發速率和光解速率。水體中氧的濃度和懸移質也影響著光解作用[3]。

水體通過物理、化學及生物方式自凈，各種作用和反應都需要在某種特定條件下維持一定的時間，而流速是會影響這些作用，流速也決定了污染物隨水流遷移的速度。

2.4 影響地下水

河流形態的改變，會改變地表水和地下水之間的補給關系。地下水水位下降會導致地面塌陷。地下水水位上升與巖土體相互作用會導致滑坡。河床基質的礦物組成、粒徑范圍和孔隙大小會影響由地表水向地下水輸送水汽、氧氣和營養物質[2]，所以河床基質的改變會影響地下水水質。

3 水資源開發利用對河流形態的影響

3.1 水能資源開發

水能的存在對維持河床穩定非常重要。水能資源的開發利用會減小水流的水能，降低河流輸送泥沙的能力，破壞原來的水沙平衡，帶來泥沙淤積，有害物質沉積，長期影響會造成河床萎縮，減少河流水資源量，引起河床邊界條件和組成物質的改變，甚至河流演變。水能資源開發會減小流速，從而影響水文過程和改變水生態環境，影響水體自凈。對引水式電站來說，被引水河段如果保護不當，可能發生斷流，使整條河流分割，更快地發生河流演變。無論從裝機容量還是從電站數量上大規模地開發中、小水電，會帶來水文情勢和河床的極大擾動和頻繁擾動，這種情況下河床演變會來得更快，水能開發過度會導致水資源供需矛盾和行洪不暢。水能資源開發會導致入河口水能的減少，中小河流一旦在匯入大河前造成河口淤積，甚至會發生洪水倒灌。如果為建水電站而造水庫，水庫本身具有造床作用已是共識。總之，水能資源開發會帶來河流形態演變，會影響水量、水質和水生態系統。水電作為清潔可再生能源是有邊界條件的，需要科學的水資源與環境的管理為保障。此外，水能資源利用對水循環的頻繁干擾會使水文預報不準，增加抗災減災的難度。

如果一個流域的水電開發過度，河口區的河流形態改變會造成水量和水質的變化；同時，在出水水能量減少的情況下，在河口處造成淤泥增加，可能造成海水入侵，不僅會造成河口地區的水和土壤污染，還會影響該地區的國民經濟用水、航運等。而頻繁地清淤對河口區生態系統的擾動也是一個挑戰。

3.2 灌溉用水

農業用水量大，用水面廣，多需要采取蓄、引、提等水利工程措施，一定程度上參與了天然水文循環，這種利用方式如果是穩定的，對河流形態改變的影響也是可以預測和加以環境保護措施的。為了提高輸水渠的渠系利用系數，大多采用不透水材料來取代土壤，使得水流的自凈能力降低，沿程土壤吸收的水分、補充包氣帶水明顯減少，即使在降水條件下，直接的地下水補給和壤中流匯流補給地下水的能力減弱，會減小河道基流。從一個小范圍看，渠系利用系數提高是節水的，但從更廣的范圍看，情況卻不一定是積極的。

3.3 河道整治

城市及其郊區的河道整治是為了河道本身的治理，如清潔、防洪等；也是為了滿足城市建設的需要，如修路、建設等。需要注意的是河流的彎道不僅增加了洪水的路徑，還能削減洪水的能量，降低其破壞性。此外，彎彎曲曲的河流有一種天然的美；清潔的河灘可以滯洪，也可以豐富水生態環境，還可以增加人水親近的范圍。所以人為地裁彎取直、與水爭地、河灘渠道化等工程措施需要考慮河流形態變化造成的水環境影響和水資源影響。

4 結論與建議

水資源利用對河流形態的影響既可以是局地小段的、短期的也可以是長期的，對整條河流甚至是流域的影響。河流形態的改變會改變河流水文條件、河流水力條件、區域水文循環，從而改變水資源量、水質和水生態系統，影響洪水過程，影響河流生產力。此外，還會影響地下水，造成地質災害隱患。同時，大規模開發水能對河流的造床作用、對流域生態系統的擾動及對河流生產力的影響也需引起重視。因此，水資源開發利用需要進行河流形態影響的評估，控制對水和環境的不利影響。

[1] 錢寧,張仁,周志德.河床演變學[M].北京:科學出版社,1987:339.

[2] J.David A.Maria M.C.河流生態學[M].北京:中國水利水電出版社,2017:44-93.

[3] 戴樹桂,岳貴春,王曉蓉,等.環境化學[M].北京:高等教育出版社,1997:86-155.