丁坝对整治河段生态影响及对策研究

杨苗苗，陈一梅

（东南大学交通学院，南京210096）

丁坝对整治河段生态影响及对策研究

杨苗苗，陈一梅

（东南大学交通学院，南京210096）

摘要：丁坝是常用的航道整治建筑物，在发挥整治功能的同时，也会影响所在河段的生态质量。丁坝对河段生态的影响机理比较复杂，通过改变流场、流速、水深和河床冲淤情况，影响河段生境质量，其中坝田间的回流区是控制生态影响有利或有害的关键水域。文章以西江底栖动物和鱼类对栖息地流速、水深和底质的要求为依据，分析西江广东段的虎跳门口门浅滩和界首滩浅段，以及北江洪奇门水道玉米地段航道整治工程中丁坝对河段生态的影响。最后从合理选择丁坝坝址和构建生态保护型丁坝两个方面提出生态保护对策。

关键词：丁坝；河段生态；栖息地特征；生态保护；生态设计

航道整治的主要工程措施有抛坝、疏浚、护岸、裁弯切滩、炸礁等，其中丁坝是经常使用的一种整治建筑物。丁坝在发挥束水攻沙的整治作用的同时，也会影响所在河段的生态质量，且影响过程复杂，时间跨度较长。随着人们对生态保护的重视，关于丁坝对生态影响的研究开始受到关注，但目前多是针对山区急流河段、小溪流及湖滨带［1-3］，探讨通航河段丁坝对生态影响的研究鲜有报道。

本文以广东省西江界首至虎跳门段和北江洪奇门水道航道整治工程为例，探讨丁坝对整治河段生态的影响，提出生态保护对策，为今后航道整治工程丁坝的设计和建设提供指导。

1　底栖动物、鱼类的栖息地特征

水生生物种类繁多、生长周期不一，对生境变化的响应各异。底栖动物是底层生活鱼类的重要饵料来源，它们寿命较长，迁移能力有限，常被用作环境长期变化的指示生物［4］；鱼类处于河流生态系统食物链的顶端，能较好地反映河流综合生态条件［5］。所以，这里选择底栖动物和鱼类，对其栖息地特征进行分析。

流速、水深和底质是影响水生生物的主要物理栖地条件。根据王兆印等［6-7］学者对西江鱼类和底栖动物的研究成果，西江鱼类对最小耐受流速需求低，即使静水中也有50%种类生存；当流速增至1.0 m/s时约40%鱼类不适合生存，当流速增至1.5 m/s时约85%鱼类不适合生存，当流速增至2.0 m/s时几乎不适合鱼类生存；鱼类最适流速范围为0.2～0.8 m/s。一般来讲，鱼类对极大水深的耐受范围大，即使水深较大尚有某些种类生存，当水深小于0.2 m时鱼类也难以生存，鱼类最适水深范围为2～8 m。

河床底质在底栖动物丰度和分布上起着尤为重要的作用。不稳定的底质（如细沙或粗沙）中底栖动物数量较小，而较为稳定的底质（如卵石）中底栖动物数量较大。环节动物的绝对数量在淤泥底质中最大，达121 ind/m2；节肢动物的绝对数量在卵石底质中最大，达197 ind/m2；而软体动物在砾石、卵石和基岩中所占比例和绝对数量均较大［4］。各种底质中底栖动物种数从小到大的顺序依次是粗沙＜细沙＜粘土＜基岩＜淤泥＜卵石［4］。

2　丁坝对河段生态的影响机理

丁坝通过改变所在河段的流场分布、水深条件，使河床冲淤、底质情况发生变化，进而影响多种生境因子，从而对底栖动物和鱼类生存产生有利或不利的影响。在实际工程中，丁坝设置的情况多种多样，对所在河段水流的影响也各不相同。

丁坝建成后，其附近形成不同的流态区域（图1），主流区流速显著增强，坝前、坝后的回流区流速减小成为缓流区甚至静水区。主流区流速大，坝头处流态复杂、水流紊乱，河床均处于冲刷状态，底质不稳定，影响底栖动物生存；回流区生境条件相对良好，流速和水深较适宜，有稳定的底质供底栖动物栖息和水生植物扎根，鱼类等其他动物也会选择在此生活。王兆印、陆彦等学者［7］在西江调查时发现，丁坝坝前和坝头的底栖动物生物量和密度显著小于坝后（图2）。

回流区是丁坝设置的重要水域，在丁坝生态设计中也占有相当重要的位置，可以作为生态补偿的重点区域，其大小受丁坝挑角的影响。在非淹没情况下，正挑单丁坝的回流区范围最大，上挑和下挑单丁坝的回流区范围都会随丁坝偏离正挑角度的增大而逐渐减小，其中下挑单丁坝的回流区减小更明显［8］。在非淹没情况下，回流区的长度有正挑＞下挑＞上挑［9］，淹没情况下回流区的长度有下挑＞正挑＞上挑［10］。丁坝群形成的回流区范围与丁坝群规模和坝间距有关，丁坝群规模越大，回流区形成的坝田范围越长，合理的坝间距可使各丁坝回流区边线的连线形成平顺的整治线，防止坝田冲刷，有利于坝田淤积区的形成。

丁坝通过改变所在河段的流场分布和河床形态，从而改变周围生物的分布格局。倘若丁坝设置得当，回流区对主流区的生境损失进行补偿，并在受影响河段营造出深潭、浅滩、急流、缓流相间的多样化河段形态，则有利于增加生物多样性，改善河段生态。从这个角度讲，丁坝将对河段生态产生显著的有利影响。但值得注意的是，如果坝田过度淤积甚至淤死，反而使鱼类等丧失生存空间。

鱼类产卵场、索饵场和越冬场（俗称“三场”）是野生鱼类生存的关键场所，当丁坝所在区域涉及到“三场”，或珍稀鱼类及种质资源的保护区，工程完工后又缺乏有效的补救措施，将使受影响的鱼类资源因栖息地破坏而导致种类和数量在短时间内下降。

图1　建坝后流场示意图Fig.1Flow field after building the spur dike

图2　丁坝区域底栖动物密度和生物量比较图Fig.2Density and biomass comparison of benthic animal in spur dike area

3　丁坝对河段生态的影响调查

3.1西江广东段

西江在广东境内河段自界首大源冲始，在三水思贤滘与北江相互沟通后向南偏东流入珠江三角洲河网地区，经多次分汊后，主流在珠海市磨刀门入海。为了提高航道等级，需要进行浅滩整治，不同河段修建了许多丁坝。

虎跳门口门浅滩航道整治［11］于1996年12月开始施工，共建了12座丁坝（图3）。整治后的流速是整治前的1.4～2.0倍，水流的冲刷能力显著增强，原来雷珠洲所在的地方，出现了最大冲刷厚度达3.6 m的现象，洲外另一处地方最大冲刷厚度达4.2 m。雷珠洲不断下移、左移，且变小、变低，现状已成为坝田的一部分。

雷珠洲的演变过程使其所在水域缺乏稳定的水流和底质条件，河床长期处于冲刷状态，床沙粗化，水深增加，流速也较大，使得原本适应沙洲枯水出露、丰水淹没的稳定周期性水文变化的底栖动物和鱼类等水生生物难以继续生存下去。冲刷的泥沙不断进入下游坝田淤积，坝田浅水区（水深小于0.2 m）已不适合鱼类生存。但是，鱼类具有迁移的能力，雷珠洲局部河段的生境改变对较长河段的生态影响不大。

界首滩浅段长11.6 km，历经1953年、1968年、1971年、1985～1990年、1996～2001年的5次航道整治，共建丁坝34座，到2007年，河道内浅滩、深槽相间；河床质以中粗沙为主，部分含有沙卵石，属于沙卵石浅滩。浅滩内礁石密布，底质类型相对多样，其中卵石底质稳定性高，在各底质类型中底栖动物种数最多，礁石是鱼类喜爱的场所，可为底栖动物和鱼类提供遮蔽空间。界首滩河段生境类型多样，适宜多种底栖动物和鱼类生存，生态良好，说明适度的丁坝布置，对河段生境几乎没有影响。

2008年界首滩浅段开始第6次整治，将航道等级由III级提升到II级，新建丁坝33座，并将原来的34座丁坝加高加长。2010年航道整治竣工后，界首滩11.6 km的河段共形成丁坝67座（图4），水流受两岸丁坝群的约束，整治水位较高，促使水流提早归槽，中、枯水水流对泥沙的冲刷历时和强度增加。流向与水深分布单一，流速较大的水域集中在航槽区，河床冲刷，缓流或静水区集中在坝田，泥沙淤积。界首浅滩在流量3900m3/s时，主流区流速较整治前增大15%～30%，达到1.1～1.3 m/s，超过了鱼类承受的上限流速1 m/s。但是，坝田缓流区可为鱼类提供生存空间。整治后的界首浅滩段河床形态改变较大，引起鱼类、底栖动物的栖息地环境发生变迁，其数量和位置也随之发生变化。

综上，丁坝对整治河段生态的影响视丁坝对整治河段河床形态干预的程度而定，当丁坝规模和尺度合理，河床形态调整适度时，丁坝对整治河段的生境影响可以忽略。近年虎跳门口门雷珠洲整治和界首滩整治工程中，丁坝群形成大面积的近岸区，水流平缓，在不遭受严重淤积甚至被淤死的情况下，可为水生生物提供长期稳定的栖息场所。但是，由于受两岸丁坝群的约束，水流集中归向航槽，主流区流速较大，形成只适合少数喜急流生物栖息的环境。

图3　虎跳门口门浅滩整治及雷珠洲变化图（1995～1998）Fig.3Hutiaomen entrance shoal regulation and Leizhu sandbar development(1995～1998)

图4　界首滩整治设计平面布置图（2010）Fig.4Design plane layout of Jieshou shoal regulation(2010)

图5　洪奇门水道玉米地段平面图Fig.5Plane layout of the cornfield section of Hongqimen waterway

3.2北江洪奇门水道

如图5所示，洪奇门水道鸭仔沙进口河段的玉米地段［12］，由于飞机沙的束窄作用，水流流速突然增大，玉米地段成为顶冲点，而且上下游存在大规模盲目采沙，导致玉米地段150 m范围内的坡脚经常遭受严重淘刷，不仅危及河岸稳定和航行安全，也破坏该处水域的生境条件，水流流速过大，超出鱼类适宜流速范围，且底质不断冲刷粗化，适宜生存的底栖动物种类和数量不断减少。

为改善玉米地段的河岸条件，设计采用如图5所示的抛石丁坝布置形式，起到了抬升水位、减缓流速和促进坝田淤积的作用。施工完成1 a后的水下地形测量结果表明，河岸坡脚逐渐稳定下来，坝田区域有明显回淤，平均回淤厚度约1 m。流速和底质的稳定，改善了该处的水生生境。

4　生态保护对策

综上分析，丁坝影响范围内不同区域的流场、水深和底质条件发生不同的变化，某个区域的生境恶化可能会被另一个区域的生境改善所补偿，某个种类的生物不适宜生存可能会被另一个种类的生物适宜生存所补偿。利用这一原理，通过合理设计、规范施工和适当维护，在丁坝保护区的缓流水域创造适宜生物生存的生境，可以补偿因主流区流速过大、底质冲刷造成的生境损失，使负面影响降到最低甚至消除。

4.1合理选择丁坝坝址

丁坝坝址应尽量回避自然保护区和关键生境区，以免水生生物因无法完成正常的生活史而出现种群衰退。当无法避免时，生态保护工程应与丁坝整治主体工程同时设计、同时施工、同时投产使用。预先建立生态补偿机制，恢复或重建重要生境，如在岸边设置人工鱼巢，营造小型人工生态系统，补偿因工程建设而损失的重要生境；另择水域设立人工产卵场、索饵场、越冬场，补偿因工程侵占而损失的鱼类“三场”。当重要鱼类的洄游通道受影响时，可考虑在丁坝与航槽之间的过渡区域预留空间，供鱼类洄游通过。

4.2构建生态保护型丁坝

生态保护型丁坝的设计参数包括坝高、坝长、数量、挑角、材料种类、结构型式、坝间距、坡度等，其中坡度（上、下游侧坡度和端坡）对河段生态影响很小，可忽略不计。

4.2.1丁坝坝高和有效长度

丁坝坝高和有效长度是由整治河段所需要达到的冲淤效果决定的。一般而言，丁坝的坝高越高，束水攻沙时间越长，为达到同样的整治效果，丁坝的有效长度可以短些，反之则需要增加丁坝的有效长度。就坝高和坝长对整治河段的生境影响而言，丁坝的有效长度对生境的影响更大，丁坝的有效长度越大，丁坝阻水作用越强，主流愈加束窄，流速增大，河床冲刷严重，底质条件不稳定，生境恶化到即使喜急流的底栖动物和鱼类也无法生存。因此，在整治工程设计时，应注意优化丁坝坝高和有效长度的组合，尽可能减小丁坝的有效长度。例如，在西江虎跳门水道（百顷头至虎跳门口）整治中，通过河演分析和模拟试验，优化整治设计方案，拆短了横山段的丁坝长度，基本消除了因长丁坝产生的河床下切幅度过大的不利影响，稳定了河床和底质条件。

4.2.2丁坝数量和挑角

从西江广东段整治工程实践看，丁坝设置的数量和挑角对河段生态的影响比较复杂，不能分开地一概而论，它们是联合起作用的，不同组合对河段生态的影响范围和强度不同。

利用丁坝数量和挑角共同控制河段水文情况和泥沙冲淤进而影响河段生态的原理，创造多样化的河段形态，以此增加河段生物多样性，提高河段生态质量。

4.2.3丁坝结构

丁坝的结构主要通过近自然性、透水率和空隙来影响河段生态。应尽量选择近自然的材料和结构型式，并保持适宜的透水率。坝体结构的合理设计，还体现在保留一定的空隙，为鱼类等提供生存和遮蔽空间。20世纪70年代以来，透水丁坝在我国内河航道整治及河口整治中均有使用。虽然透水丁坝（适宜透水率）比实体丁坝更有利于河段生态的保护，但在整治工程中采用透水丁坝还是实体丁坝，必须考虑河段实际条件，如在冲刷严重的部分河段，考虑到坝体的安全性，最好采用实体型式。

5　结论

丁坝作为航道整治的一种重要的工程措施，不仅要发挥出其整治功能，还要兼具生态功能。本文结合相关工程实例，分析了丁坝对河段生态的影响机理，提出了生态保护对策，有助于从源头理解和控制整治工程建筑物对河段生态的影响。

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中图分类号：X 171.1

文献标识码：A

文章编号：1005-8443（2014）05-0545-05

收稿日期：2013-10-08；修回日期：2013-12-27

作者简介：杨苗苗（1990-），女，河南省漯河市，硕士研究生，主要从事港口、航道及海岸工程研究。Biography：YANG Miao⁃miao(1990-),female,master student.

Research on influences and countermeasures of spur dike on ecology of regulation river reach

YANG Miao⁃miao，CHEN Yi⁃mei
（Transportation College，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Abstract:Spur dike is a kind of frequently used waterway regulation structure.It plays regulation function，and influences the ecological quality of its located river reach.Influence mechanism of spur dike on the river reach ecol⁃ogy is quite complex，by changing the flow field，flow velocity，water depth and riverbed erosion or deposition condi⁃tions to affect the quality of river habitat.Recirculation region in spur dike field is a key water area of controlling the advantages or disadvantages of these ecological influences.According to flow velocity，water depth and substrate requirement in the habitat of benthic animal and fish in Xijiang River，taking Hutiaomen entrance shoal and Jie⁃shou shoal reaches of Xijiang River in Guangdong，and the cornfield section of Hongqimen waterway of Beijiang River for example，the influences of practical spur dike projects on river reach ecology were analyzed.The ecologi⁃cal protection countermeasures focused on selecting dike site reasonably and ecological designing of spur dike were put forward.

Key words:spur dike;river reach ecology;habitat characteristic;ecological protection;ecological design