城市河流蜿蜒度变化对河流生态环境影响的量化研究

于子铖，赵进勇，王 琦，张 晶，彭文启，韩会玲

（1.中国水利水电科学研究院，北京100038；2.河北农业大学，河北保定071001）

0 引 言

河流不能只单一的研究，需要结合其存在与演进的大背景［1］。城市河流是自然生态系统和区域经济社会系统相互联系的重要纽带［2］。近些年来，随着城市化的推进与发展，城市河流的整治往往会更加的关注行洪与资源开发利用，常常会忽略河流的生态状况与水质情况［3］。水流与河流的平面形态共同设定河流生态系统的物理基础，影响河流生态系统功能［4］。渠道化、人工化等河流整治方式令河流的平面形态发生改变，从而水流运动状态随之改变，影响污染物在河流中的混合、扩散、稀释与迁移［5］。此整治方式除使河流水质发生恶化之外，还会破坏河流内部的地貌多样性，致使自然河流中的主流、支流、浅滩与急流相间的格局发生变化，这种变化直接造成水中生境的退化，河流生物急剧减少或消失［6］。

近年来，许多专家在河流蜿蜒程度与河流生态环境之间关系进行了研究。2008年张亮［7］等人，构建以河道形态、河岸带状况、河床形态作为一级指标的河流形态学评价方法，得出河流形态的综合形态学指数与河流自净能力呈正相关的关系。2014年，何嘉辉［8］等人选取TP、NH3-N 等特征性指标，对河流线型与河流自净能力的关系进行了量化研究，得出了水质指标沿程消减率与河流线型蜿蜒程度呈现正相关。2018年，孙然好［9］等人以海河流域为例分析了不同河流生境水生生物特征的差异，揭示了鱼类多样性高的局部区域共性是河流比降大、断流风险低的区域，在大尺度角度分析下河流蜿蜒度对于鱼类多样性影响较小。

本文选取北京市南沙河老牛湾附近河段为研究河段，从生物栖息地与河流水质两个方面，利用MIKE21 与RIVER2D 模型进行河流蜿蜒度变化对河流生态环境影响的量化研究，旨在明确河流蜿蜒程度对河流生态系统的重要性，从而为城市河流整治提供理论依据，同时为南沙河的规划发展提供参考。

1 研究区域概况

南沙河是海淀地区重要的排洪河道，贯穿海淀新区中部，干流大约长23 km。南沙河在京包快速路西侧、老牛湾附近有一段U 型弯道，河道转弯半径非常小。经过现场踏勘与资料收集，老牛湾附近的鱼类主要有鳗鲡、麦穗鱼、大鳞泥鳅、鲤鱼、鲫鱼和草鱼等鱼类。基于研究区域实际状况与代表性和易操作性等选取原则，选择鳗鲡与鲤鱼作为指示鱼类。查阅北京市相关规划与标准，南沙河水质类别定位为Ⅳ类水体。但在2017年的水质监测结果中，老牛湾附近河段的现状水质为劣Ⅴ类，COD、TP 严重超标。因此，选取COD、TP 作为特征性指标，用于探讨蜿蜒度与河流水质之间的关系。

2 模型建立

2.1 模型介绍

2.1.1 MIKE 21模型

MIKE21 是丹麦水力研究所研发，是一款集水动力、水质以及波浪等多方面多功能的大型商业性软件。在目前，其主要用于水体的（包括河流、海湾与海洋临近岸边的区域）水流和水环境的模拟，其中最核心最基础的模块是水动力学模块（HD）［10］，水质模块需在其基础上进行搭建，水质模型可以研究水体污染物的迁移转化。

水质模块的控制方程为对流扩散方程，具体见下式：

式中：C是污染物浓度；Dx，Dy为x与y方向上的扩散系数。

2.1.2 RIVER2D模型

RIVER2D 由加拿大Alberta 大学研制开发，可被用来进行水动力、鱼类栖息地的模拟。RIVER2D模型进行鱼类栖息地模拟首先需要确定目标鱼类各微生境因子的适宜曲线，其次将各个影响因子适宜值按顺序进行组合分析，从而汇总分析得到目标鱼类的加权可利用的面积Weighted Usable Area ，简称WUA［11］。

式中：n为单元个数；Ai为计算单元的面积；CSF（Vi，Ci，Di）代表的是每一单元综合的适宜性值；i代表的是划分单元的个数；V、C以及D三者分别为流速、河床底质与水深适宜度指数。

2.2 不同蜿蜒度的构建

蜿蜒度为河段两端点之间河流弯曲弧线长度与直线长度的比值［12］。根据蜿蜒度定义以及研究区域实际状况，基于实地勘测数据，利用复制法（复制周边散点高程）、插值法（利用MIKE 模型内插高程）构建6 种不同的蜿蜒度，依次为1.89（现状）、1.50、1.40、1.30、1.20、1.02（规划）。具体网格图见图2。

图1 研究区域Fig.1 Study area

图2 不同蜿蜒度Fig.2 Different sinuosity

2.3 模型的建立

2.3.1 边界条件与参数设定

结合实地调研与相关数据梳理，MIKE21 水动力模块上游边界设置为78 m3/s，下游边界设置为35 m。河床底床摩擦力取34 m1/3/s。水质模型在水动力模型的基础上进行搭建，边界初始条件为COD 57、TP 0.63 mg/L。River2d 模型设置的上下游边界、底床摩擦力与MIKE水动力模型相同。

结合研究区域实际状况，在本次水质模拟中，河流中污染物COD、TP 的降解系数分别取为0.18、0.06（1/d）左右。初始水位取35 m，COD、TP初始浓度为57、0.63 mg/L。

2.3.2 适宜性曲线的确定

适宜性曲线将鱼类生长和环境因子之间关系进行了定量化，本文参考相关专家学者文献［13-19］，经归纳分析，得出指示鱼类的适宜性曲线。

图3 流速水深适宜性曲线Fig.3 Suitability curve of velocity and depth

2.3.3 控制断面位置

基于实地调研和相关数据，选择弯曲段后A-A（491866，327386）、断面出口B-B（493720，327565）作为控制断面。不同平面形态控制断面图见图4。

图4 不同平面蜿蜒形态所选控制断面图Fig.4 Selected control cross-sections of meandering shapes in different planes

2.3.4 模型率定

依据2008年的《南沙河综合整治相关规划》，南沙河治理标准为20年一遇，对应洪峰流量520 m3/s。将模型模拟水位与2016年《海淀区南沙河（上庄闸～区界）清淤治理工程》（已批复正在实施）设计水位进行对比，发现水位基本吻合，相对误差较小，模型数据可靠。

图5 断面示意图Fig.5 Sectional schematic

3 结果分析

3.1 模拟结果

3.1.1 水深分布

不同平面蜿蜒形态水深模拟结果图见图6。

图6 水深分布图（1.89～1.02）Fig.6 Water depth distribution map

由图6 可以看出，随着蜿蜒度的降低，水深区间也逐渐变小，由0～2.8 m 降至为0.15～2.25 m，水深多样性呈现递减趋势。河段下游尤其是弯曲部分至出口段，随着蜿蜒度降低，明显可以看出水深逐渐变深，整体河段水深呈现均一性。

表1 断面1～6模拟与设计水位Tab.1 Section 1～6 simulation and design water level

3.1.2 水质

根据对不同平面蜿蜒形态的水质情况对比，量化分析河流的蜿蜒程度对河道水质的影响。不同平面蜿蜒形态水质模拟结果图见图7～10。

由图7～10可知，无论是COD 还是TP，两断面浓度都随时间的变化呈下降趋势。针对两指标下降趋势来说，因降解率的不同，COD 降解更快一些。除蜿蜒度最小形态，其余蜿蜒度下两个断面的浓度变化图都存在一个拐点，存在一个极大值。根据实际状况推测这种情况的原因，在模型设置中，这两个断面默认开始有水。由于河流的自净，河流水质整体呈现变好的趋势。等上游来水到达此位置，河流污染物浓度会有一个小趋势上升。无论是时间上还是空间上，蜿蜒度为1.89 的水质情况都整体好于蜿蜒度为1.02的。

图7 不同蜿蜒度下A-A断面COD浓度变化Fig.7 Changes of COD concentration in A-A section under different sinuosity

图8 不同蜿蜒度下A-A断面TP浓度变化Fig.8 Changes of TP concentration in A-A section under different sinuosity

图9 不同蜿蜒度下B-B断面COD浓度变化Fig.9 Changes of COD concentration in B-B section under different sinuosity

图10 不同蜿蜒度下B-B断面TP浓度变化Fig.10 Changes of TP concentration in B-B section under different sinuosity

3.1.3 有效栖息地面积

不同蜿蜒度下，目标鱼类有效栖息地面积分布图见图11。

图11 栖息地分布（蜿蜒度1.89～1.02）Fig.11 Habitat distribution（sinuosity 1.89～1.02）

WUA数值越大表示越适宜，由图11 可知，栖息地的分布存在差异，但大多分布在河段开始部位与拐弯部位，蜿蜒度相邻的形态（如1.89 与1.5、1.4 与1.3）分布差异不是太为明显，但蜿蜒度持续降低，分布差异会较为明显，蜿蜒度为1.02 的形态，有效栖息地面积最小，并且分布不连续。从整体来看，鱼类有效栖息地面积随着蜿蜒度的逐渐减小而减小，当蜿蜒度为1.02时，WUA最小。

3.2 结果分析

3.2.1 蜿蜒度变化对河流水质影响分析

对不同蜿蜒度下，两断面稳定后的COD、TP 浓度进行归纳梳理。趋势图见图12。

图12 不同蜿蜒度下两断面COD、TP浓度变化趋势图Fig.12 Trends of COD and TP concentrations in two sections of meandering in different planes

由图12 知，随着蜿蜒度的增大，两断面COD、TP 的浓度整体都呈一个下降的趋势。针对蜿蜒度1.89 的河段，A-A 断面最后COD、TP 浓度约为56.43、0.627 8 mg/L，B-B 断面最后COD、TP 浓度约为56.27、0.627 4 mg/L；蜿蜒度为1.02 的河段，A-A 断面最后COD、TP 浓度约为56.72、0.628 9 mg/L，B-B 断面最后COD、TP 浓度约为56.55、0.628 2 mg/L。明显可以看出，蜿蜒度大的河流，其自身调节能力明显好于蜿蜒度低的河流，河道水质状况较好，蜿蜒程度与水质状况呈现正相关关系。

3.2.2 蜿蜒度变化对鱼类栖息地影响分析

将不同蜿蜒度下的有效栖息地面积数据进行统计，统计结果见表2。

由表2 可知，蜿蜒度为1.89 的河段有效栖息地面积占比最大，可达28.9%。之后依次减小，蜿蜒度为1.02 的WUA仅占总河段面积的11.2%，减少了15%。栖息地是鱼类生存、生活的场所，WUA急剧减少势必会对河流生态系统造成不可避免的损失。蜿蜒度为1.4 与1.3 的河段，WUA占比相差不大，都可达20%以上。整体上，有效栖息地面积随着蜿蜒度的减小而减小。

表2 不同蜿蜒度下有效栖息地面积占比结果统计Tab.2 Statistics on the results of the proportion of effective habitats in different sinuosity

3.2.3 蜿蜒度变化对深潭浅滩影响分析

深潭、浅滩作为河流地貌中的常见单元，具有重要生态意义，有助于河流植被的良好发育和构建多样性的生物栖息地。基于实地调研地形数据，通过MIKE 模型进行插值处理，利用局部高程差异法，结合模拟的水深分布，统计蜿蜒度1.89 和1.02河段的深潭浅滩个数变化，量化蜿蜒度变化对河流地貌单元的影响。每约200 m 取一个断面，蜿蜒度1.89 的河段有16 个断面，1.02的河段有11个断面，具体图见图13。

图13 河段地形及断面选取Fig.13 Topography and cross-section selection of the river section

局部高程差异法步骤［20，21］是：①从河段上游至下游依次计算相邻断面最深位置的高程差B1-B2、B2-B3、B3-B4…，并且计算得出其标准差SD；②将相邻断面最深位置的高程差符号相同的点汇总为一个序列，计算每一个序列内高程差的总和，记为Ei；对Ei进行逐步累加，求出∑Ei；③依据相关公式定量判断深潭浅滩的高差范围最小值T。T=k SD，一般情况下取k=0.5～2.2，本文旨在研究蜿蜒度变化对地貌单元的影响，结合前人的研究，取k=1。④比较T和∑Ei的大小关系，确定深潭浅滩的个数。基于上述步骤，得到研究河段两种形态下的相关结果，具体结果如表所示。随着蜿蜒度的变化，深潭浅滩个数明显变少，由10 降至4，严重影响河流地貌的多样性，破坏河流生态环境。

表3 深潭浅滩统计Tab.3 Statistics of pool and riffle

4 结 论

城市河流兼顾行洪排涝、生态安全、景观格局功能加强等需求。在城市化的进程中，河流尤其是城市河流的发展，不能单纯地从某个方面进行考虑。随着生态理念的逐步深入，城水融合、人水和谐逐步得到落实，以水融城、以水塑城，综合考虑城市河流平面布局。本文量化分析了城市河流蜿蜒程度的变化与河流生态环境的关系，为城市河流的综合治理提供理论依据。统筹治理水安全、水环境、水生态、水资源、水文化，保障城市河流具备一定的蜿蜒性，从而提升河流水质，保障生物多样性，改善河流生态环境。