閘壩對撫河流域連通性的影響研究

傅 春，裴伍涵，肖 昆,2

(1.南昌大學建筑工程學院，江西 南昌 330031；2.中國電建江西省電力設(shè)計院，江西 南昌 330096)

0 引 言

對于一個理想的天然盆地來說，流域物理參數(shù)的不停變化會導致河流內(nèi)的不同生物群落和自有的固體懸浮物質(zhì)等的不斷改變、適應和調(diào)整，來適應流域自身的變化[1]。然而，修建閘壩等的水利樞紐會使得水生態(tài)系統(tǒng)的破碎化[2]。河網(wǎng)水系的連通性被水庫和閘壩等改變，會造成流域中生物群落的連續(xù)性改變，使得流水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能被影響[3]。在現(xiàn)代社會流域生態(tài)系統(tǒng)不可避免的被破壞，然而它們的連通性從原始層面來看是限制于自身功能和結(jié)構(gòu)[4]。而且，流域的縱向連通性很明顯被閘壩等阻礙物的分割、影響[5]。然而很正常的是，全世界河流水系中超過半數(shù)的河流修建有大壩。修復流域的連通性成為水生態(tài)修復的一個重要環(huán)節(jié)。

本文比較了空間分析、縱向梯度連通[6]、側(cè)向梯度連通[7]和樹枝狀連通[8]的優(yōu)缺點，并選取有效指標來評估流域的連通性。在這個前提下，再定量的分析閘壩數(shù)量、可通過性以及地理位置等方面，來評估流域連通性的受哪些因素影響比較嚴重。

1 方法與研究區(qū)域概況

1.1 縱向連通性指標

縱向連通性一般通過連續(xù)性指標來計算河網(wǎng)連通性[9-11]，其計算公式如下：

(1)

式中：C表示縱向連通性指標；L表示被閘壩切割后河段的長度；N表示閘壩水利工程的數(shù)目。

1.2 側(cè)向連通性指標

側(cè)向連通性指標考慮了池塘、漫灘、濕地等因素的影響，側(cè)向連通性指標可以用流域被切割而連通的水域面積與所有的水面積之比來描述[12,13]，其計算公式如下：

(2)

式中：W表示側(cè)向連通性指標；A1表示切斷而連接在一起的水域面積；A2表示所有的水域面積。

1.3 樹枝狀連通性指數(shù)

樹枝狀連通性指數(shù)考慮了閘壩的數(shù)量、地理位置和自身可通過性，還有對河網(wǎng)連通性的評價。它和網(wǎng)狀水系有些差異，從它中隨意選取兩點之間的路徑，都只存在唯一的一條路徑[14]。在流域中，這些閘壩的數(shù)量、地理位置以及被切割開的河段的長度等的決定了流域的連通性。這里所有的閘壩，假定被它們切割的這部分河段處于最佳連通的狀態(tài)，這樣把所有河段的連通性綜合起來就是這條河流的整體連通性[15]。綜上，DCI指標計算公式如下：

(3)

式中：n表示河網(wǎng)被閘壩切割出的河段數(shù)目；cji表示河段i和河段j之間的連通性；L表示河流的總長度；li、lj分別表示河段i和河段j的長度。

假設(shè)在河段i和河段j之間有M個閘壩，則cij計算公式如下:

(4)

1.4 流域概況

撫河流域位于江西省東部，發(fā)源與武夷山脈西麓廣場新驛前鄉(xiāng)血木嶺，流經(jīng)南豐縣、南城縣和廣昌縣等，是江西省的第二大河流[16]。全長約312 km，流域面積1.581 1 km2。流域內(nèi)現(xiàn)有水庫1 164座，包括：大中型水庫有30座，小1和小2型水庫有1 134 座。其中2座大型水庫：廖坊和洪門水庫，它們得總庫容達到了16.46 億m3。目前，撫河流域內(nèi)修建了眾多水利工程，雖然發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟和社會效益作用，但是仍對河流連續(xù)性和生態(tài)平衡造成了不小的破壞。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用ArcGIS軟件把撫河流域整個的河網(wǎng)圖提取出來；其中DEM數(shù)據(jù)使用30 m分辨率的數(shù)字化提取，這樣會忽略少數(shù)細小的支流像水塘、溝渠等；但撫河流域主要的水系單元仍存在，所以產(chǎn)生的誤差是可以忽視的。

撫河流域中存在18座閘壩，它們的灌溉面積均大于10 hm2，它們將撫河流域分割成了19段河段。如圖1所示,通過GIS在SWAT平臺上能夠測算得出河網(wǎng)和河段的長度；其中河網(wǎng)水系的總長度為2 743.2 km，其中被閘壩分割而連通的最長河段有434.1 km，被閘壩分割而連通的最短河段只有36.7 km。

圖1 18座閘壩的位置分布圖Fig.1 Location distribution of 18 Gate Dams

2 連通性指標的分析

2.1 縱向與側(cè)向連通性指標分析

通過分析，能得出被切割的河段的長度和已知的18座閘壩，就能夠求出縱向連續(xù)性指數(shù)為15.2，這可以反映出撫河流域內(nèi)平均15.2 km就有一座閘壩。由于采用數(shù)據(jù)較少，縱向連續(xù)性指數(shù)只能夠粗略地反映出撫河流域的連通性狀況。據(jù)江西水文局資料，代入數(shù)據(jù)：撫河流域的水域面積15 811 km2和擋水建筑物控制流域面積為10 479 km2，先計算得到撫河流域連通水域面積為5 332 km2。再根據(jù)公式(2)，計算得出側(cè)向指標為33.7%。這結(jié)果表明，撫河流域僅僅存在33.7%得水系連通性。

縱向和側(cè)向連續(xù)性指標，可以在先天數(shù)據(jù)不是很充足的情況下來評定閘壩對撫河流域連通性的影響，也可以用在不同的流域上來形成對比，和另外的評價指用作對比研究方案。不考慮誤差對流域連通性的分析，是可以使用這兩個指標的。可是，不同的閘壩對不同的區(qū)間的流域影響是不同的，所以這兩個連續(xù)性的指標不能精準的評價出不同閘壩所產(chǎn)生的影響。況且流域連通性受很多復雜的因素影響，還得考慮整個水域生態(tài)系統(tǒng)，這兩個連續(xù)性指標并不能夠考慮到眾多方面的影響，所以存在局限性。

2.2 樹枝狀河網(wǎng)連通性指數(shù)分析

根據(jù)撫河流域內(nèi)閘壩的位置，將閘壩的P從0到1逐漸加大，從而反映出DCI指標的變化程度，就能夠得出可通過能力P和DCI指數(shù)之間存在的關(guān)聯(lián)。

例如圖2中，DCI指數(shù)和可通過能力P在一定程度上成正比的關(guān)系，并且隨著P的增加而逐漸增加(幅度也持續(xù)增加)。當P處在0到0.6這個區(qū)間時，DCI指數(shù)是隨著P的增大而出現(xiàn)趨勢較緩的增大，表明P的數(shù)值在0.6以下時，即使P增大也沒有對河流水系連通造成很顯著的改善；但是當可通過能力P在0.6到1時，DCI指數(shù)是隨著P的怎么打而出現(xiàn)趨勢較為明顯的增大，表明P的數(shù)值在0.6以上時，只要P稍微增大就可以對河流水系連通性造成很顯著的改善。

通過上面的分析，我們要想能夠很有效率的改善撫河流域的水系連通性，可以先改善基礎(chǔ)狀況較好的閘壩，從而能夠較快的提升撫河的連通性，這樣產(chǎn)生的效果會更加顯著。考慮一片天然的流域來說，新修建閘壩會對整片流域的連通性造成不小的影響，所以決策者在水利工程修建前就應該慎重考慮。

考慮到閘壩P的諸多方面都會對連通性構(gòu)成影響，在計算DCI指數(shù)時，我們把閘壩自身的可通過能力P均設(shè)置為0.8[17]。通過公式(4)可以得出撫河流域的DCI指數(shù)為36.4。DCI指標的計算包含諸多的影響因素，這樣才能更客觀、精準地評價河網(wǎng)連通性。

圖2 DCI指標和可通過能力P的函數(shù)關(guān)系圖Fig.2 A functional diagram of the DCI index and the passable capability P

想要更好地研究閘壩的差異和地理位置的不同對流域河網(wǎng)連通性的影響，本文研究每座閘壩單獨存在時對撫河流域連通性的影響；每次計算流域現(xiàn)有18座閘壩中的1座，用MATLAB程序計算單閘壩的DCI指數(shù)，得到表1所示的結(jié)果。

表1 每座閘壩單獨存在時的DCI連通性指數(shù)Tab.1 DCI connectivity index for each Gate Dams in isolation

計算得出表1所示數(shù)據(jù)，閘壩的地理位置不同，DCI指數(shù)(河網(wǎng)的連通性)也隨之不同。閘壩R的DCI指數(shù)達到99.1，是所有閘壩中DCI指數(shù)中最好的，閘壩R對流域連通性的影響最小；但當閘壩位于流域中間段時，比如閘壩K的DCI指數(shù)最小，只有83.4，它對流域的連通性有一定程度的阻斷。

另外研究18座閘壩不同排列組合情況下對流域連通性的影響，得到如表2所示的結(jié)果。結(jié)合圖4可以看出，閘壩不同組合情況下對流域連通性影響的DCI指標是不一樣的；但是組合閘壩的數(shù)量越多，并不一定代表它對流域連通性破壞越大，它們的DCI指標值有可能比組合數(shù)量少的閘壩要大。比如：當撫河流域中有5個中游位置的閘壩(D、E、G、L和K)時，DCI最小值僅為59.4；當撫河流域中有8個上下游位置的閘壩(A、B、C、F、H、I、O、Q及R)時，DCI最大值可達62.8，可見8個閘壩組合起來的DCI指標可能比5個閘壩組合起來的DCI指標要大。

表2 不同數(shù)量的閘壩排列組合后的DCI指標Tab.2 The DCI index of different number of Gate Dams and sluices

圖3 閘壩數(shù)量與DCI指標的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between the number of gate dams and the DCI index

另外，當閘壩位于撫河流域的上下游時，它們對流域連通性影響反而小，這些位置的閘壩僅僅對流域上下游部分的河段進行阻礙，但大部分河段仍然保持連通性；而當閘壩位于流域中游附近時，它把流域從中間部分進行分割開來，大部分的河段處于破碎的狀態(tài)，會使得撫河流域的連通性會受到較大的影響。說明流域中游附近的閘壩比上下游附近閘壩破壞流域連通性程度更大。

3 基于障礙優(yōu)先級恢復流域連通性

通過障礙優(yōu)先級方法來研究障礙(閘壩)拆除的優(yōu)先級別以便于規(guī)劃流域[18]。本文以空間地圖和DCI指數(shù)為基礎(chǔ)，探討障礙優(yōu)先移除在流域上拆除閘壩的利用。這是以DCI指數(shù)為基礎(chǔ)的來分析撫河流域的水系連通性；這里默認撫河流域的連通度為100%，為撫河流域連通性的數(shù)據(jù)分析簡化步驟。這樣，DCI指數(shù)能夠直接反映流域的連通狀況。而當閘壩的可通過能力變大時，DCI指標所對應的水系連通狀況也會隨著變好。

隨著閘壩的不斷修建，會對流域造成影響，使撫河流域的下游會堆積大量沉積物，并且會對流域附近的地形地貌產(chǎn)生巨大影響。經(jīng)過很多年的自然侵蝕，閘壩自身不斷老化，會對流域的連通性和流域周邊的生態(tài)環(huán)境造成不可輕視的影響。在歐洲和美國等的前沿國家，大家關(guān)注的重點已經(jīng)變成對河流流域自身連通性的復原，越來越多的人反響要拆除大壩，維護生態(tài)平衡。本文研究在流域現(xiàn)有閘壩的情況下，拆除一座閘壩乃至所有的閘壩后，計算出整個流域河網(wǎng)水系建筑物拆除之后DCI指數(shù)變化，為恢復了流域水系乃至生態(tài)平衡提供一些參考。計算后的結(jié)果如表3。

表3 每座閘壩單獨拆除后DCI指標的變化情況Tab.3 Changes in the DCI index of the watershed after each Gate Dam is removed

從表3可以看出，拆除不同的閘壩其DCI指數(shù)的變化不同，對撫河流域的連通性造成了的影響也不一樣。比如閘壩K拆除后，DCI指數(shù)增加1.7，對撫河流域連通性的影響較大；但是閘壩R拆除后，DCI指數(shù)只增加了0.21，對撫河流域連通性的影響較小。結(jié)合閘壩的地理位置和拆除閘壩后的DCI指數(shù)的變化，位于撫河流域干流的閘壩拆除后，DCI指數(shù)變化更加顯著，會對流域的連通性造成明顯的改善。可以得出，閘壩在撫河流域干流的修建對流域的連通性造成的影響比在支流中的影響更大。所以在改善撫河流域的連通性的時候，可以根據(jù)拆除閘壩后DCI指數(shù)的變化，來確定拆除閘壩的優(yōu)先級，以便更好的恢復撫河流域連通性。基礎(chǔ)本文研究，優(yōu)先考慮移除K、L、J、M和I這幾座閘壩，能夠?qū)岷恿饔虻倪B通性和生態(tài)平衡的修復效果最好。

為了更好的驗證障礙優(yōu)先級方法，對拆除閘壩確定的優(yōu)先級方法和隨機(30次隨機)去除障礙物(閘壩)這兩種方法進行對比。如圖6所示，通過模擬確定優(yōu)先級去除5座閘壩和經(jīng)過隨機性移除5座閘壩導致河網(wǎng)水利連通性的變化程度(通過DCI指標反映)所產(chǎn)生的結(jié)果進行對比。如圖4可以很清晰地看出確定優(yōu)先級拆除閘壩和隨機模擬拆除閘壩之間存在的差異。在移除了5個閘壩后，隨機拆除閘壩對流域連通性產(chǎn)生的影響很小，而確定優(yōu)先級拆除之后流域的連通性得到了明顯的改善，隨機拆除閘壩方法隨機拆除5個閘壩使得流域連通性增加了1.6%，而確定優(yōu)先級首選拆除閘壩K就使連通性增加了1.7%，這兩者之間明顯的優(yōu)劣勢，很明顯是確定優(yōu)先級拆除閘壩的方法更加可行。

圖4 確定優(yōu)先級和隨機移除5座閘壩DCI指數(shù)的變化情況Fig.4 The DCI index changes in the case of prioritization and random removal of 5 Gate Dams

4 結(jié) 語

恢復河流、湖泊的水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能初始化，保障江河湖泊的健康，是近幾年來水利領(lǐng)域關(guān)注的重點和熱點，流域河網(wǎng)的生態(tài)健康一直是今年關(guān)注的重心之一。早年國家興修水利工程，這些設(shè)施對江河湖泊等的防洪、發(fā)電、灌溉等是產(chǎn)生的無可厚非的作用，但是也不小的破壞了河流自身的健康，破壞的生態(tài)平衡。本文研究撫河流域現(xiàn)有閘壩對流域的連通性造成的影響，對比分析縱向、側(cè)向連通性指標與樹枝狀連通性指標，來測定撫河流域的連通性，確定樹枝狀連通性指標是更精確的方法。還討論了閘壩的數(shù)量、閘壩的地理位置以及閘壩拆除的優(yōu)先級對流域連通性的影響，得到了以下分析結(jié)果。

(1)縱向和側(cè)向連通性采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較少，可以在先天條件不足的情況下對流域的連通性進行粗略的分析；而樹枝狀河網(wǎng)連通性利用流域的原始數(shù)據(jù)較多，能夠更加全面、系統(tǒng)的分析撫河流域連通性的狀況，比起另外兩種指標來說評價更加準確，可以作為研究流域連通性的參考方法。

(2)閘壩所處的地理位置不同對流域的連通性破壞程度也是不同的。當閘壩處于流域的干流時，對流域的連通性影響是最大的；當然閘壩的數(shù)量也會不同程度的影響流域的連通性，它們的數(shù)量越多，流域的連通性就會越不好。所以在流域上修建閘壩這樣類似的水利工程時，應當考慮閘壩修建之后對生態(tài)平衡的影響程度，不要盲目地追求經(jīng)濟效益，畢竟綠水青山就是金山銀山。

(3)閘壩的修建會很明顯的降低撫河流域的連通性。閘壩一般修建在流域的干流上，加上之前的分析，修建在干流上的閘壩比起支流上而言更容易破壞流域的連通性，一般來講閘壩修建會很大程度破壞流域的連通性。

(4)采取障礙優(yōu)先級的方法來移除閘壩，能夠更為有效的恢復流域連通性。而這種優(yōu)先級的方法可以適用在很多的方面，在決策者規(guī)劃方案的時候，能夠采取更加有效的措施。尤其在對稀缺資源分配的時候更加適用。

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