闸坝对抚河流域连通性的影响研究

傅 春，裴伍涵，肖 昆,2

(1.南昌大学建筑工程学院，江西 南昌 330031；2.中国电建江西省电力设计院，江西 南昌 330096)

0 引 言

对于一个理想的天然盆地来说，流域物理参数的不停变化会导致河流内的不同生物群落和自有的固体悬浮物质等的不断改变、适应和调整，来适应流域自身的变化[1]。然而，修建闸坝等的水利枢纽会使得水生态系统的破碎化[2]。河网水系的连通性被水库和闸坝等改变，会造成流域中生物群落的连续性改变，使得流水生态系统结构和功能被影响[3]。在现代社会流域生态系统不可避免的被破坏，然而它们的连通性从原始层面来看是限制于自身功能和结构[4]。而且，流域的纵向连通性很明显被闸坝等阻碍物的分割、影响[5]。然而很正常的是，全世界河流水系中超过半数的河流修建有大坝。修复流域的连通性成为水生态修复的一个重要环节。

本文比较了空间分析、纵向梯度连通[6]、侧向梯度连通[7]和树枝状连通[8]的优缺点，并选取有效指标来评估流域的连通性。在这个前提下，再定量的分析闸坝数量、可通过性以及地理位置等方面，来评估流域连通性的受哪些因素影响比较严重。

1 方法与研究区域概况

1.1 纵向连通性指标

纵向连通性一般通过连续性指标来计算河网连通性[9-11]，其计算公式如下：

(1)

式中：C表示纵向连通性指标；L表示被闸坝切割后河段的长度；N表示闸坝水利工程的数目。

1.2 侧向连通性指标

侧向连通性指标考虑了池塘、漫滩、湿地等因素的影响，侧向连通性指标可以用流域被切割而连通的水域面积与所有的水面积之比来描述[12,13]，其计算公式如下：

(2)

式中：W表示侧向连通性指标；A1表示切断而连接在一起的水域面积；A2表示所有的水域面积。

1.3 树枝状连通性指数

树枝状连通性指数考虑了闸坝的数量、地理位置和自身可通过性，还有对河网连通性的评价。它和网状水系有些差异，从它中随意选取两点之间的路径，都只存在唯一的一条路径[14]。在流域中，这些闸坝的数量、地理位置以及被切割开的河段的长度等的决定了流域的连通性。这里所有的闸坝，假定被它们切割的这部分河段处于最佳连通的状态，这样把所有河段的连通性综合起来就是这条河流的整体连通性[15]。综上，DCI指标计算公式如下：

(3)

式中：n表示河网被闸坝切割出的河段数目；cji表示河段i和河段j之间的连通性；L表示河流的总长度；li、lj分别表示河段i和河段j的长度。

假设在河段i和河段j之间有M个闸坝，则cij计算公式如下:

(4)

1.4 流域概况

抚河流域位于江西省东部，发源与武夷山脉西麓广场新驿前乡血木岭，流经南丰县、南城县和广昌县等，是江西省的第二大河流[16]。全长约312 km，流域面积1.581 1 km2。流域内现有水库1 164座，包括：大中型水库有30座，小1和小2型水库有1 134 座。其中2座大型水库：廖坊和洪门水库，它们得总库容达到了16.46 亿m3。目前，抚河流域内修建了众多水利工程，虽然发挥了巨大的经济和社会效益作用，但是仍对河流连续性和生态平衡造成了不小的破坏。

1.5 数据处理

利用ArcGIS软件把抚河流域整个的河网图提取出来；其中DEM数据使用30 m分辨率的数字化提取，这样会忽略少数细小的支流像水塘、沟渠等；但抚河流域主要的水系单元仍存在，所以产生的误差是可以忽视的。

抚河流域中存在18座闸坝，它们的灌溉面积均大于10 hm2，它们将抚河流域分割成了19段河段。如图1所示,通过GIS在SWAT平台上能够测算得出河网和河段的长度；其中河网水系的总长度为2 743.2 km，其中被闸坝分割而连通的最长河段有434.1 km，被闸坝分割而连通的最短河段只有36.7 km。

图1 18座闸坝的位置分布图Fig.1 Location distribution of 18 Gate Dams

2 连通性指标的分析

2.1 纵向与侧向连通性指标分析

通过分析，能得出被切割的河段的长度和已知的18座闸坝，就能够求出纵向连续性指数为15.2，这可以反映出抚河流域内平均15.2 km就有一座闸坝。由于采用数据较少，纵向连续性指数只能够粗略地反映出抚河流域的连通性状况。据江西水文局资料，代入数据：抚河流域的水域面积15 811 km2和挡水建筑物控制流域面积为10 479 km2，先计算得到抚河流域连通水域面积为5 332 km2。再根据公式(2)，计算得出侧向指标为33.7%。这结果表明，抚河流域仅仅存在33.7%得水系连通性。

纵向和侧向连续性指标，可以在先天数据不是很充足的情况下来评定闸坝对抚河流域连通性的影响，也可以用在不同的流域上来形成对比，和另外的评价指用作对比研究方案。不考虑误差对流域连通性的分析，是可以使用这两个指标的。可是，不同的闸坝对不同的区间的流域影响是不同的，所以这两个连续性的指标不能精准的评价出不同闸坝所产生的影响。况且流域连通性受很多复杂的因素影响，还得考虑整个水域生态系统，这两个连续性指标并不能够考虑到众多方面的影响，所以存在局限性。

2.2 树枝状河网连通性指数分析

根据抚河流域内闸坝的位置，将闸坝的P从0到1逐渐加大，从而反映出DCI指标的变化程度，就能够得出可通过能力P和DCI指数之间存在的关联。

例如图2中，DCI指数和可通过能力P在一定程度上成正比的关系，并且随着P的增加而逐渐增加(幅度也持续增加)。当P处在0到0.6这个区间时，DCI指数是随着P的增大而出现趋势较缓的增大，表明P的数值在0.6以下时，即使P增大也没有对河流水系连通造成很显著的改善；但是当可通过能力P在0.6到1时，DCI指数是随着P的怎么打而出现趋势较为明显的增大，表明P的数值在0.6以上时，只要P稍微增大就可以对河流水系连通性造成很显著的改善。

通过上面的分析，我们要想能够很有效率的改善抚河流域的水系连通性，可以先改善基础状况较好的闸坝，从而能够较快的提升抚河的连通性，这样产生的效果会更加显著。考虑一片天然的流域来说，新修建闸坝会对整片流域的连通性造成不小的影响，所以决策者在水利工程修建前就应该慎重考虑。

考虑到闸坝P的诸多方面都会对连通性构成影响，在计算DCI指数时，我们把闸坝自身的可通过能力P均设置为0.8[17]。通过公式(4)可以得出抚河流域的DCI指数为36.4。DCI指标的计算包含诸多的影响因素，这样才能更客观、精准地评价河网连通性。

图2 DCI指标和可通过能力P的函数关系图Fig.2 A functional diagram of the DCI index and the passable capability P

想要更好地研究闸坝的差异和地理位置的不同对流域河网连通性的影响，本文研究每座闸坝单独存在时对抚河流域连通性的影响；每次计算流域现有18座闸坝中的1座，用MATLAB程序计算单闸坝的DCI指数，得到表1所示的结果。

表1 每座闸坝单独存在时的DCI连通性指数Tab.1 DCI connectivity index for each Gate Dams in isolation

计算得出表1所示数据，闸坝的地理位置不同，DCI指数(河网的连通性)也随之不同。闸坝R的DCI指数达到99.1，是所有闸坝中DCI指数中最好的，闸坝R对流域连通性的影响最小；但当闸坝位于流域中间段时，比如闸坝K的DCI指数最小，只有83.4，它对流域的连通性有一定程度的阻断。

另外研究18座闸坝不同排列组合情况下对流域连通性的影响，得到如表2所示的结果。结合图4可以看出，闸坝不同组合情况下对流域连通性影响的DCI指标是不一样的；但是组合闸坝的数量越多，并不一定代表它对流域连通性破坏越大，它们的DCI指标值有可能比组合数量少的闸坝要大。比如：当抚河流域中有5个中游位置的闸坝(D、E、G、L和K)时，DCI最小值仅为59.4；当抚河流域中有8个上下游位置的闸坝(A、B、C、F、H、I、O、Q及R)时，DCI最大值可达62.8，可见8个闸坝组合起来的DCI指标可能比5个闸坝组合起来的DCI指标要大。

表2 不同数量的闸坝排列组合后的DCI指标Tab.2 The DCI index of different number of Gate Dams and sluices

图3 闸坝数量与DCI指标的关系图Fig.3 Relationship between the number of gate dams and the DCI index

另外，当闸坝位于抚河流域的上下游时，它们对流域连通性影响反而小，这些位置的闸坝仅仅对流域上下游部分的河段进行阻碍，但大部分河段仍然保持连通性；而当闸坝位于流域中游附近时，它把流域从中间部分进行分割开来，大部分的河段处于破碎的状态，会使得抚河流域的连通性会受到较大的影响。说明流域中游附近的闸坝比上下游附近闸坝破坏流域连通性程度更大。

3 基于障碍优先级恢复流域连通性

通过障碍优先级方法来研究障碍(闸坝)拆除的优先级别以便于规划流域[18]。本文以空间地图和DCI指数为基础，探讨障碍优先移除在流域上拆除闸坝的利用。这是以DCI指数为基础的来分析抚河流域的水系连通性；这里默认抚河流域的连通度为100%，为抚河流域连通性的数据分析简化步骤。这样，DCI指数能够直接反映流域的连通状况。而当闸坝的可通过能力变大时，DCI指标所对应的水系连通状况也会随着变好。

随着闸坝的不断修建，会对流域造成影响，使抚河流域的下游会堆积大量沉积物，并且会对流域附近的地形地貌产生巨大影响。经过很多年的自然侵蚀，闸坝自身不断老化，会对流域的连通性和流域周边的生态环境造成不可轻视的影响。在欧洲和美国等的前沿国家，大家关注的重点已经变成对河流流域自身连通性的复原，越来越多的人反响要拆除大坝，维护生态平衡。本文研究在流域现有闸坝的情况下，拆除一座闸坝乃至所有的闸坝后，计算出整个流域河网水系建筑物拆除之后DCI指数变化，为恢复了流域水系乃至生态平衡提供一些参考。计算后的结果如表3。

表3 每座闸坝单独拆除后DCI指标的变化情况Tab.3 Changes in the DCI index of the watershed after each Gate Dam is removed

从表3可以看出，拆除不同的闸坝其DCI指数的变化不同，对抚河流域的连通性造成了的影响也不一样。比如闸坝K拆除后，DCI指数增加1.7，对抚河流域连通性的影响较大；但是闸坝R拆除后，DCI指数只增加了0.21，对抚河流域连通性的影响较小。结合闸坝的地理位置和拆除闸坝后的DCI指数的变化，位于抚河流域干流的闸坝拆除后，DCI指数变化更加显著，会对流域的连通性造成明显的改善。可以得出，闸坝在抚河流域干流的修建对流域的连通性造成的影响比在支流中的影响更大。所以在改善抚河流域的连通性的时候，可以根据拆除闸坝后DCI指数的变化，来确定拆除闸坝的优先级，以便更好的恢复抚河流域连通性。基础本文研究，优先考虑移除K、L、J、M和I这几座闸坝，能够对抚河流域的连通性和生态平衡的修复效果最好。

为了更好的验证障碍优先级方法，对拆除闸坝确定的优先级方法和随机(30次随机)去除障碍物(闸坝)这两种方法进行对比。如图6所示，通过模拟确定优先级去除5座闸坝和经过随机性移除5座闸坝导致河网水利连通性的变化程度(通过DCI指标反映)所产生的结果进行对比。如图4可以很清晰地看出确定优先级拆除闸坝和随机模拟拆除闸坝之间存在的差异。在移除了5个闸坝后，随机拆除闸坝对流域连通性产生的影响很小，而确定优先级拆除之后流域的连通性得到了明显的改善，随机拆除闸坝方法随机拆除5个闸坝使得流域连通性增加了1.6%，而确定优先级首选拆除闸坝K就使连通性增加了1.7%，这两者之间明显的优劣势，很明显是确定优先级拆除闸坝的方法更加可行。

图4 确定优先级和随机移除5座闸坝DCI指数的变化情况Fig.4 The DCI index changes in the case of prioritization and random removal of 5 Gate Dams

4 结 语

恢复河流、湖泊的水生态系统的结构和功能初始化，保障江河湖泊的健康，是近几年来水利领域关注的重点和热点，流域河网的生态健康一直是今年关注的重心之一。早年国家兴修水利工程，这些设施对江河湖泊等的防洪、发电、灌溉等是产生的无可厚非的作用，但是也不小的破坏了河流自身的健康，破坏的生态平衡。本文研究抚河流域现有闸坝对流域的连通性造成的影响，对比分析纵向、侧向连通性指标与树枝状连通性指标，来测定抚河流域的连通性，确定树枝状连通性指标是更精确的方法。还讨论了闸坝的数量、闸坝的地理位置以及闸坝拆除的优先级对流域连通性的影响，得到了以下分析结果。

(1)纵向和侧向连通性采用的基础数据较少，可以在先天条件不足的情况下对流域的连通性进行粗略的分析；而树枝状河网连通性利用流域的原始数据较多，能够更加全面、系统的分析抚河流域连通性的状况，比起另外两种指标来说评价更加准确，可以作为研究流域连通性的参考方法。

(2)闸坝所处的地理位置不同对流域的连通性破坏程度也是不同的。当闸坝处于流域的干流时，对流域的连通性影响是最大的；当然闸坝的数量也会不同程度的影响流域的连通性，它们的数量越多，流域的连通性就会越不好。所以在流域上修建闸坝这样类似的水利工程时，应当考虑闸坝修建之后对生态平衡的影响程度，不要盲目地追求经济效益，毕竟绿水青山就是金山银山。

(3)闸坝的修建会很明显的降低抚河流域的连通性。闸坝一般修建在流域的干流上，加上之前的分析，修建在干流上的闸坝比起支流上而言更容易破坏流域的连通性，一般来讲闸坝修建会很大程度破坏流域的连通性。

(4)采取障碍优先级的方法来移除闸坝，能够更为有效的恢复流域连通性。而这种优先级的方法可以适用在很多的方面，在决策者规划方案的时候，能够采取更加有效的措施。尤其在对稀缺资源分配的时候更加适用。

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