闸坝对河流栖息地连通性的影响研究
2016-03-22孙鹏，王琳，王晋，王聪
孙 鹏 ，王 琳，王 晋，王 聪
(中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100)
0 引 言
河流栖息地是对水生生物直接或间接影响的多尺度下的物理化学条件的组合[1]。河流栖息地连通性是影响河流生态系统的重要因素，闸坝严重影响了水系的连通性[2]，使河流的流速、水深等水力学特征发生变化，改变了水系的水文学与热力学特征[3]，并且阻碍了水生生物的运动[4,5]。因此针对闸坝对河流栖息地连通性影响的研究具有重要意义。
近年来，部分学者已经重视了对陆地生态系统中栖息地连通性的研究[6-9]，然而，对于水生生态系统中栖息地连通性的研究相对不足。Grant等人把河流描述为一种树枝状的生态网络，并且是空间格局网络的一个特殊的组成部分[10]。尽管图论已经应用到树枝状生态网络中[11]，但Grant等人认为格状网络的连通性评价指数不能准确地表征树枝状网络的连通性水平[10]。目前针对流域尺度下闸坝累积影响的研究并不多见，本研究以潍河流域诸城段为例，提取了1980年、1990年和2010年3个不同时期的闸坝分布图，利用树状水系连通性指数的方法量化水系的纵向连通性，探讨了闸坝对河流栖息地连通性的影响，并提出了拆除闸坝的优先次序，从而为流域尺度上的河流栖息地连通性修复规划提供科学参考。
1 树状水系连通性评价方法
树状水系连通性指数是根据闸坝的数量、可通过能力以及地理位置，定量评价水系的连通性水平。与网状水系不同，树枝状水系中任意两点间的路径是唯一的，整个水系的连通性状况主要取决于河网中任意两点之间闸坝的数量、可通过能力以及河段长度。河段是指由于闸坝的存在而将河道分成的各个节段。闸坝具有相应的可通过能力p，可通过能力是指生物体在溯流和降流两个方向通过闸坝的能力，取决于其物理、化学、水文学特征以及生物体自身的生物学特征[2]。假定闸坝不占用实际空间，因而不会影响河网的总长度。假定由闸坝切割得到的每个河段内部是完全连通的，则整个水系的连通性可视为任意两个河段之间连通性的总和。据此，树状水系连通性指数DCI可采用以下公式进行计算：
式中：n为河段的数量，等于闸坝的数量加1；li与lj分别表示河段i与河段j的长度；L为河网的总长度；指数乘以100是为了将DCI的值调整为0～100之间，其值越高，表明连通状况越好；cij为河段i与河段j的连通性，其值取决于河段i与河段j之间闸坝的数量以及可通过能力。假设生物体通过每个闸坝的能力是独立的，也就是说生物体通过一个闸坝后，在任何情况下都不会影响其通过下一个闸坝的能力。如果河段i与河段j之间有M个闸坝，那么cij可用如下公式表示：
式中：pum表示生物体从下游至上游通过第m个闸坝的能力；pdm表示生物体从上游至下游通过第m个闸坝的能力。
2 实例应用与分析
2.1 研究区概况
诸城市位于山东半岛东南部，泰沂山脉与胶潍平原交界处，东与胶州、胶南毗连，南与五莲接壤，西与莒县、沂水为邻，北与安丘、高密交界。东西最大横距66.5 km，南北最大纵距72 km，总面积2 183 km2，南部山峦起伏，北部水网密布，素有“龙城水乡”之称[12]。
境内河流众多，潍河水系为境内最大水系，主、支流呈叶脉状分布，境内长78 km，流域面积1 901.2 km2，占市境总面积的87%，河床上游比降为1/1 100，中游比降为1/1 700。河床最宽1 000 m，最窄250 m，最大泄洪量6 097 m3/s，多年平均地表水资源量4.59亿m3[12]。近年来，由于闸坝的建设使水系的连通性发生了很大变化，河流栖息地连通性遭到严重破坏，给河流生态系统带来很大压力。
本研究主要探讨闸坝对河流栖息地连通性的影响，选取诸城市境内的潍河水系作为研究对象，不考虑诸城市境外河流的影响。在选取的水系范围内，共有蓄水量35万m3以上的闸坝21座，见图1。
图1 潍河流域诸城段2010年闸坝分布情况Fig.1 The distribution of sluices and dams in the Weihe basin in the city of Zhucheng in 2010
2.2 数据与研究方法
本研究主要借助1∶320 000诸城市水系图作为信息源，利用ArcGIS软件进行数字化，获取水系矢量数据，作为分析研究的基础。利用ArcGIS分别测量每个河段的长度以及河网的总长度，进而计算整个水系的DCI指数，评价连通性水平。
2.3 数据处理与结果分析
2.3.1闸坝的可通过能力对连通性的影响
以2010年闸坝分布图为例，分别计算闸坝的可通过能力p从0增加到1的DCI指数，分析可通过能力对连通性的影响。
从图2中可以看出，随着闸坝可通过能力p的增加，DCI指数有逐渐增加的趋势，并且增加的幅度越来越大。当0
图2 DCI随闸坝可通过能力的变化情况Fig.2 The change of DCI with the passability of sluices and dams
2.3.2闸坝建设对连通性的影响
根据闸坝建成的时间以及地理位置，分别获取1980年、1990年与2010年的闸坝分布图，比较分析闸坝建设对连通性的影响。由于本部分主要研究1980-2010年间闸坝建设对连通性的影响，并且闸坝可通过能力的影响因素比较复杂，并不在研究范围之内，因此在以下研究中假设所有闸坝从上游至下游以及从下游至上游的可通过能力均为0.8。本研究主要探讨的是闸坝对连通性的影响，因而不考虑1980-2010年间河道长度的变化。
图3 不同时期闸坝分布图Fig.3 The distribution of sluices and dams in different periods
从图3可以看出，1980年、1990年及2010年闸坝数量分别为7个、17个和21个，利用树状水系连通性指数计算得出1980年、1990年及2010年的DCI指数分别为56.11、32.44、31.57。从1980-1990年，DCI下降了42.2%，从1990-2010年，DCI下降了2.7%。由此可以看出，闸坝建设严重破坏了水系的连通性，尤其对接近自然连通状态的水系影响更为显著。当河流中闸坝数量较少时，增加闸坝的数量会对水系的连通性产生较为严重的影响；而当闸坝的数量达到一定数量时，建设闸坝对水系连通性的影响相对较小。
2.3.3拆除闸坝的优先次序
在现有闸坝的基础上，分别计算拆除每个闸坝后整个水系DCI的变化情况，研究每个闸坝对整个水系连通性的影响，为河流栖息地连通性的修复提供一种参考。
从表1中可以看出，拆除不同的闸坝对水系的连通性有不同的影响，拆除闸坝q对整个水系的连通性影响最为显著，DCI指数可增加4.37，而拆除闸坝u，DCI仅增加0.03。另外，拆除干流上的闸坝后，整个水系连通性的增量ΔDCI要明显高于拆除支流上的闸坝，表明干流上的闸坝对水系连通性的影响要比支流上的闸坝更为严重。在修复河流连通性时，可以根据ΔDCI的值确定闸坝拆除的优先次序，如q、r、h及l对水系整体连通性影响较大，可以优先考虑拆除。
3 结 论
河流栖息地连通性是影响河流生态系统健康与稳定的重要因素，对水生生物群落的形成具有至关重要的作用。闸坝的建设严重破坏了河流的连通性，对河流栖息地造成影响。本研究以潍河流域诸城段为例，采用树状水系连通性指数的方法对河流的连通性进行量化分析，探讨了闸坝对河流栖息地连通性的影响，并探索性地提出了连通性修复的优先次序，主要得到以下结论：
表1 拆除每个闸坝后DCI的变化情况Tab.1 The change of DCI after removing every sluices and dams
(1)河流的连通性随着闸坝可通过能力p的增加有逐渐增加的趋势，并且增加的幅度越来越大。当0
(2)1980年、1990年及2010年整个水系的DCI指数分别为56.11、32.44、31.57。1980-1990年，DCI下降了42.2%，1990-2010年，DCI下降了2.7%。闸坝建设严重破坏了水系的连通性，尤其对接近自然连通状态的水系影响更为显著。
(3)根据拆除每个闸坝后整个水系连通性的增量确定闸坝拆除的优先次序，该方法可为河流栖息地连通性的修复提供一种科学参考。
由于河流生态系统自身固有的复杂性，因此对河流栖息地连通性的研究尚有许多值得深入探讨的地方。实际上，每个闸坝的可通过能力都不同，并且与生物体的类型、生长期等自身因素有关，这在以后的研究中需要深入探讨。
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[12] 诸城市水利志编纂委员会.诸城市水利志[Z].
