水文与岸滩变化对滨岸带南荻-芦苇群落适宜生境的影响
——以长江武汉河段为例*

熊海滨，孙昭华，陈 立，杨绪海，周歆玥，李芷晴，周炜兴

(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

长江岸线是珍贵的国土资源，城市江段两岸常被开发为休闲岸线，其主要形式是整平加高.相比于码头等生产岸线，休闲岸线对中枯水期河流水动力、水环境干扰较小，但在汛期岸滩被淹没情况下，休闲岸线的滩地与主槽构成复式断面，主槽水沙输移仍可能受滩地糙率影响，而后者与植被面积、高度、密度等关系较大.芦苇、南荻是长江中下游常见滩地植被[1]，其对淹没频率、水深等非常敏感.岸线开发之后，岸滩高程发生局部改变，而近20年来长江上游三峡等梯级枢纽运行，又明显改变坝下游水文情势，这些都会导致滨岸带植被生长适宜度的调整.在此情况下，明确不同因素对边滩植被的影响，是当前沿江岸线保护与利用中的重要问题.

对于周期淹没的洲滩湿地，植被常表现出沿水深梯度的条带状分布特征[2-4]，众多学者曾采用多种方法建立了滩地植被与影响因素之间的响应关系.如叶春等[5]结合野外调查和水文数据分析了鄱阳湖滩地植被与滩地出露天数的相关性；杜冰雪等[6]、唐玥等[7]基于遥感影像研究了三峡水库运行后洞庭湖滩地植被面积与年平均水位的相关性；徐立君[8]基于3S技术研究了泥沙淤积导致的目平湖滩地高程变化与植被分布的关系；Rinaldi等[9]基于大量文献归纳了河道内大规模采砂、滩体剧烈变形和洲滩植被数量和多样性的关系.这些研究一方面主要集中于鄱阳湖、洞庭湖等通江湖泊，另一方面只关注于某单一因素的影响效应，长江干流的岸滩植被与水文情势、地形变化等多因素间的关系仍待系统研究.

作为挺水植物的关键水文控制因子，淹没频率和淹没水深对芦苇、南荻种群分布的影响被广泛研究.针对淹没频率的各家研究中，其结论基本一致，分布、适宜区间重合度较好[2,10-12].除淹没频率外，淹水深度对芦苇、南荻种群的生长繁殖及形态特征有显著影响[13-15]，芦苇、南荻种群对水深的适应范围很广，从几厘米到1 m以上均能生长，但相对于淹水状态，其对干旱胁迫的忍受力更强[16]，极端的淹水环境将抑制芦苇、南荻的生长甚至造成其死亡.现有成果大多基于单次或多次非连续的野外水深测量数据[17-20]，反映了植被某一生长期与水深的响应关系，由于芦苇、南荻种群的不同生长发育阶段对水分的需求量不同，其淹水深度的耐受阈值也有显著差异[21-23].总体而言，关于芦苇、南荻种群的淹没频率、淹没水深的阈值已有较多认识，但基于相关阈值区间能否有效模拟和反演出植被的分布情况？此类研究甚少.

武汉江段处于长江中游，两岸延绵10余千米的边滩几乎被芦苇占领.历史资料表明，20世纪汉口江滩的芦苇并不多见，芦苇是自2002年左右开始生长起来的，这一时间点与江滩开发为休闲岸线(2001年11月)以及三峡水库开始运行(2003年6月)的时机重合，江滩芦苇生长是否与两方面因素有关，是值得研究的问题.本文以武汉河段中下段(沌口至阳逻)为例，以数学模型量化淹没频率、淹没水深等生境因子，反演水文及地形因素对“芦苇”群落的影响程度，为长江中下游岸线利用提供参考.

1 研究区域及数据资料

沌口至阳逻河段全长50.6 km(图1)，河道平面轮廓稳定，为单一与分汊相间分布的河型.河道沿岸有汉阳边滩、汉口边滩、武昌边滩、青山边滩等诸多边滩，这些边滩目前以滨江公园等休闲岸线利用为主，其中汉口江滩公园无论规模还是闻名度都当居首位.故本文重点以汉口江滩为研究对象.

图1 研究区域位置(a)、研究河段范围(b)、网格划分与地形高程(c)

汉口边滩(30°57′～31°5′N，114°30′～114°36′E)位于武汉关至朱家河口的长江左岸，全长约11 km，平面形态顺水流方向逐渐放宽.边滩以二七长江大桥为界，上下段剖面形态有所差异.上段为全长约7 km 的滨江公园.公园分为三级平台，其中一级平台高程为28.8 m，二级平台高程为25 m，三级平台为河滩湿地，是芦苇、南荻主要分布区域(图2a).下段滨岸地带也广泛分布着芦苇和南荻群落(图2b).经考证，汉口边滩植被以南荻为优势种，芦苇少数混生其中，下文称为南荻-芦苇群落.

图2 边滩剖面示意图：武汉关至二七长江大桥段(a)，二七长江大桥至朱家河口段(b)

研究采用的水文资料包括：1992-2017年汉口站日均流量、水位观测数据，用于确定三峡水库蓄水前后研究河段的水文特征.采用的地形资料为1996、2009年河道地形图，用于分析岸线利用前后的地形变化.以上资料也是研究河段内的平面二维水动力-生境适宜度模型的边界条件.

2 研究方法

2.1 南荻-芦苇群落分布实地调查

调查时间为2020年10-12月，此时南荻-芦苇群落已处于生长末期，植被生长波动小，因此采集影像具有代表性[24].选择天气晴朗的时间，两人一组，对该群落生长分布展开了2次调查，2次调查互为印证、目的略有不同.其中前次侧重于单株植被的生长特征，后次侧重于群落的空间分布情况.第一次时间为10月11日(汉口站流量36700 m3/s、水位22.01 m)，采用手持GPS定位器和高像素相机，对不同区域的南荻、芦苇长势情况进行调查，采用卷尺对植株高度、直径等参数进行测量.同年12月10日(汉口站流量11700 m3/s、水位13.12 m)，采用大疆无人机(MAVIC 2 PRO)对南荻-芦苇群落进行航拍，对某些存疑区域配合实地目视确认.在现场观测基础上，借助于带有定位信息的航拍照片将植被斑块形状、边界勾绘在工作地图上，并采用卫星遥感影像进行校对，绘制出南荻-芦苇群落实际分布图，最后将绘制图导入GIS软件对群落分布面积进行统计.

2.2 水动力模型的建立

2.2.1 基本方程 MIKE21 FM模型在平面二维自由表面流数值模拟方面具有强大的功能，基于该模型中的水动力(HD)模块，建立沌口至阳逻河段水动力模型.水动力模块的基本方程由水流连续方程、运动方程组成，具体参见MIKE21 FM科学手册[25-26].

2.2.2 模型构建 计算范围上起沌口下至阳逻，根据研究河段1∶10000河道地形图对整个区域进行三角网格划分(图1c)和地形插值.网格边长控制在50～150 m，对汉口江滩区域进行局部加密处理，加密区网格边长控制在10～40 m，网格单元和节点数分别为27462、14588个.模型的时间步长、计算时长分别为30 s、32 h.将沌口和汉江入汇流量作为进口边界，阳逻水位作为出口边界.初始水位和流速、干湿条件和涡粘系数等其他参数参考相关研究[27].

2.2.3 模型率定与验证 水动力模型率定的关键参数是糙率，验证对象以水位为主，中枯期水位采用航道部门在本河段内的观测值，汛期观测水位采用汉口与下游九江站水位插值确定.

根据实测水位，分别率定了1996年和2009年地形下的两套糙率参数，其中前者为 0.016～0.018，后者为0.017～0.020，都具有汛期小而枯期大的特点.图3给出了各流量级下模拟与实测水位的对比，总体平均误差为0.015～0.025 m，均方根误差(RMSE)为0.021～0.032 m，纳什效率系数(NSE)为0.981～0.991(表1)，误差分析表明水位模拟效果良好[28].

表1 三峡水库蓄水前后不同流量级下水位误差分析

图3 三峡水库蓄水前后不同流量级下实测水位和计算水位对比:蓄水前(a)；蓄水后(b)(点线实测水位，点代表模型计算结果)

2.3 南荻-芦苇群落适宜生境定义

南荻-芦苇群落生境的适宜性主要考虑水文因子，其耐受临界值重点参考同在长江流域的鄱阳湖区相关研究，其中胡振鹏等[11]基于3S技术调查分析，发现鄱阳湖湿地芦苇、南荻主要分布于出露天数为305～271 d的草洲上；王若男等[10]结合鄱阳湖湿地资料分析认为芦苇、南荻种群的适宜淹没频率分别为5%～30%、5%～25%.韩祯等[2]认为鄱阳湖区芦苇和南荻种群的生态阈值接近，后者最适淹水时长为60～90 d(对应频率16.44%～24.66%).考虑本文研究植被中以南荻为主，综合后淹没频率以5%～25%为控制指标.对于淹没水深，以往存在针对芦苇、南荻生长全周期和分时期的两种看法.前者采用全年日均水深小于0.2 m作为临界值[10]，而后者认为芦苇、南荻在3-4月的发芽期、5月之后的生长期耐受水深应有所区别[29].由于3-4月长江处于非汛期，江水不上滩，因此对南荻-芦苇群落的影响不大.进入生长季以后(5月之后)，植株已经长到一定高度，对淹水深度的耐受性增加.许秀丽等[30]基于鄱阳湖6-7月实测连续水位资料分析认为，芦苇分布于地面淹水0～1.5 m深度的范围内，水深高于1.5 m不适宜芦苇生长.这与Weisner等[14]对瑞典南部某湖调查分析后的分布上限水深1.4 m十分接近.因此，在全年水深阈值的基础考虑了生长季(6-7月)1.5 m作为水深上限.综合2种指标之后，以同时满足淹没频率和淹没水深的洲滩范围视为南荻-芦苇群落适宜生境.

2.4 计算情景设计及南荻-芦苇生境面积计算

计算情景设置分别考虑以三峡水库蓄水前、后汉口站5%和25%保证率流量为进口流量(表3)，其中蓄水后又分为2003-2007年的初期运行期和2008-2017年的水库高水位运行期.基于控制变量的思路，共实施了以下6种计算情景(表2)：情景1～3基于1996年地形；情景4～5基于1996-2009年复合地形(汉口边滩为2009年地形，其余区域包括河道为1996年地形)；情景6基于2009年地形.情景1～4均采用蓄水前的水位流量关系确定上下边界，情景5～6则采用蓄水后的水位流量关系.

表2 水文水动力模型模拟情景设定

每种情景均包括2次不同频率流量的模拟计算，通过计算水位与洲滩高程进行比较来判断网格单元是否淹没，统计各情景下汉口边滩加密区内在高流量下淹没并且低流量下未淹没的网格单元，结合网格单元面积可推求满足淹没频率5%～25%的洲滩面积.在此基础上可进一步计算各情景下同时满足淹没频率和淹没水深的洲滩面积，也即南荻-芦苇群落适宜生境.对比情景1～3可反映径流过程变化的影响，对比情景1和4可分离岸滩地形变化的影响，对比情景1和5可反映水文和地形变化的迭加影响.情景6作为对照组，模拟接近当前条件的南荻-芦苇群落分布，一方面可验证群落生长范围的模拟效果，另一方面与情景5对比可反映边滩以外地形的影响.

3 结果与讨论

3.1 三峡水库蓄水前后本河段水文情势变化

由三峡水库蓄水前后各时期流量频率特征(表3)可知，三峡水库运行后，汉口站来流整体偏枯，各保证率流量和多年平均流量均有所下降，其中保证率为5%的流量下降最为明显，高水位运行期相较于蓄水前的减幅达10800 m3/s.蓄水前后水位流量关系亦有所变化，表现为同流量下中枯水位呈下降趋势，洪水位保持

表3 三峡水库蓄水前后汉口站特征流量及水位流量拟合关系变化*

稳定[31].由三峡水库蓄水前后汉口站6-7月月均流量变化，可以看出6月的月均流量变化不大，由于2006年为极端干旱年，2003-2007年区间相对较小.受汛期水库调洪削峰影响，7月月均流量明显减小，高水位运行期和初期运行期、蓄水前相比，分别减小7455、7229 m3/s，减幅分别达16.03%、15.54%.

3.2 岸线利用前后地形变化

由研究河段1996-2009年冲淤平面分布可见(图4a)，河道沿纵向整体呈冲淤交替态势，横向则表现为“冲槽淤滩”分布.冲刷较为明显的部位主要位于天兴洲洲头以及右汊出口，局部冲刷幅度达10 m以上.天兴洲滩体右缘中上部及汊道出口主槽淤积最为明显，淤积厚度达5 m以上.从汉口边滩冲淤调整来看(图4b)，除由于取水沟渠工程导致局部地形降低外，其总体呈淤积状态，结合网格单元冲淤计算，汉口边滩总冲淤量为5.54×106m3，平均淤高1.11 m，而同时期研究河段总冲淤量为-6.26×107m3，平均冲淤厚度为-0.52 m.

图4 1996-2009年研究河段冲淤平面分布(a)、汉口边滩冲淤分布(b)

进一步统计了岸线利用前后汉口江滩内不同高程滩地面积变化情况(图5).可以看出，岸线利用后，20 m高程以下的滩地面积急剧减小，由47.41%下降至20.54%，而20～23 m高程区间内的滩地面积则有所增大，尤其是20～22 m高程带，面积占比由14.61%上升至35.24%，面积的急剧增大也表明了该高程区间地形坡度的减小[32].23～25 m高程带对应滩地面积略有减小，25 m高程以上滩地面积有所增大.由此可见，滩地面积增大主要集中在20～22 m以及25 m以上区间，变化在各高程带不连续，且与图2a的平台高程有一定对应性，显然与公园修建、人为吹填加高等工程影响有关.

图5 岸线利用前后不同高程汉口边滩滩地面积变化

3.3 南荻-芦苇群落实际生长区域分布

由第1次调查结果可见(图6a～d)，此时植株大都进入开花结穗期，株高可达2～3 m.高程较低区域群落出现部分水淹现象，且群落密度相对稀疏.从第2次调查结果可知(图6d～e)，此时南荻、芦苇已经枯萎，个体仅存灰白色茎秆，在航拍图上呈大面积灰白斑块状.

从平面分布情况可知(图6f)，南荻-芦苇群落沿边滩呈带状分布格局，面积为192.82×104m2，平均宽度约为175 m，最宽处基本与滩地齐宽，达600 m.据统计(图7)，群落分布的滩地高程范围在19～23.5 m高程带，群落面积在21 m高程附近达到峰值，20～22 m高程最为富集，约占77%.这种面积分布随高程变化而两端递减的分布形式，与其他学者研究结论一致[2,8,33].此外，20～22 m高程带对应蓄水后淹没频率为7.3%～21.7%，也符合以往研究提出的5%～25%临界值范围.

图6 汉口边滩不同位置南荻-芦苇群落分布实景图与平面分布情况(图6a～e的具体拍摄位置可见图6f)

图7 汉口边滩不同高程带南荻-芦苇群落实际分布面积

3.4 南荻-芦苇群落适宜生境面积模拟

3.4.1 反演结果分析 图8为不同情景下淹没频率为5%～25%的滩地范围，图9是在此基础进一步计算了同时满足淹没频率和淹没水深的南荻-芦苇群落适宜生境面积.可以看出，考虑淹没水深后，除情景1和3中的面积略有减小外，其他情景与淹没频率确定的面积变化不大.需指出的是，计算发现淹没频率为5%～25%处的滩地，均满足日均水深小于0.2 m，图9中水深导致的面积减小主要是考虑生长季1.5 m水深阈值所致.面积减小区域主要位于图8中滩尾少部分高程较低区域，这些区域汛期水深较大，不利于南荻和芦苇生长[24].对比情景6反演结果和图6f群落实际分布可以发现，二者面积大小和分布位置都十分接近.进一步分析群落适宜生境分布带高程数据可知，与实际分布类似，南荻、芦苇主要分布于19.5～23.5 m高程带，占群落总面积的93%，20～22 m高程带分布最为集中.反映了根据生境因子的阈值区间能有效反演出南荻-芦苇群落的实际分布情况.

图8 不同情景下汉口边滩满足淹没频率的洲滩平面分布：情景1(a)、情景2(b)、情景3(c)、情景4(d)、情景5(e)、情景6(f)

3.4.2 水文条件变化影响分析 对比情景1和3可知，若维持1996年地形，三峡水库运行后，汉口边滩南荻-芦苇群落适宜生境面积将由135.79×104m2下降至90.66 ×104m2，降幅为33.24%.面积减少区域主要位于靠近内陆一侧的高程较高的滩地，其主要原因是受三峡水库调节径流影响，5%频率对应流量下降十分明显(表3).这与水库工程蓄水导致霍林河下游洪泛区的芦苇沼泽湿地退化的现象相似[34].

3.4.3 地形条件变化的影响 对比情景1和4可以看出，在蓄水前水文条件下，岸滩地形变化将导致南荻-芦苇群落适宜生境面积由135.79×104m2增至229.63×104m2，增幅达69.11%.面积增加区域在1996年基本为20 m高程以下、淹没频率大于25%的低滩区域，至2009年这些区域普遍增高了0.2～5 m(图4)，南荻、芦苇生长的适宜性提高.此外，情景5和6除地形有所差异，其他计算条件都相同.二者的结果显示群落分布带的位置和面积都很相近，说明河段内其他位置的地形冲淤对汉口边滩上南荻-芦苇群落生境影响不大，其主要受汉口边滩地形变化控制.

3.4.4 水文和地形条件变化的迭加影响 对比情景1和5可以看出，在水文条件中的水文频率、水位流量关系及地形变化的迭加影响下，南荻-芦苇群落呈内陆向近水方向蔓延态势的同时，其适宜生境面积由135.79×104m2增至193.54×104m2，增幅为42.53%.这种分布带偏移现象与东洞庭湖及鄱阳湖区洲滩芦苇、南荻群落由于蓄水后来水偏枯导致其最适生长范围向湖心高程较低处迁移的现象类似[24,33].统计表明，水文条件变化、地形变化以及二者迭加作用下对南荻-芦苇群落适宜生境面积影响贡献率分别为-78%、162%和16%.由此可知，三峡水库运行后，保证率在5%～25%对应的流量变幅缩窄、水位区间减小导致南荻-芦苇群落适宜生境面积减小；滩地地形变化使得该群落适宜生长高程带区间面积增加，且后者居于主导地位，影响效应远大于前者；考虑水文条件和地形两个单一因素正负贡献度的抵消作用后，二者同时变化的迭加影响对群落适宜生境面积具有额外的增加效应.综合各因素分析，可将水文和地形变化对南荻-芦苇群落生境的影响规律归纳见表4.

表4 水文和地形变化对南荻-芦苇群落适宜生境的影响规律

3.5 其他影响因素分析

3.5.1 滩区地面硬化的影响 上述计算的南荻-芦苇群落适宜生境面积为自然状态下该群落能生长和扩展的区域，事实上，部分滩区早已密布厂房、楼房、堆场、体育馆、公园等各类建筑物[35]，这些位置滩面大都铺有混凝土层，植被根本无法生长.由现场测图判断，这些建筑区主要位于25 m以上的高滩处.为识别人工建筑群对模拟结果的影响，进一步统计了在25 m高程以下的洲滩面积(图10).考虑三峡水库今后将一直维持175 m蓄水调度，为此重点关注了高水位运行期时期.可以看出，情景1和情景4考虑建筑群后的南荻-芦苇群落适宜生境面积大幅下降，而情景3和情景5则几乎不变.这是由于蓄水前水文条件下部分建筑群位于淹没频率在5%～25%的区间带内，而蓄水后水文条件下建筑群淹没频率基本小于5%.对比情景4和情景5的南荻-芦苇群落生境面积可以看出，相对于蓄水前，由于建筑群对蓄水后南荻、芦苇影响更小，导致25 m高程以下的适宜生境面积甚至反超蓄水前，较之增加16.28%.

图10 不同情景下考虑人工建筑群后的南荻-芦苇群落适宜生境面积

3.5.2 水动力条件变化的影响 滩区地形的淤高同时也将影响流速、水深等水动力条件，从而对南荻-芦苇群落的分布形状、长势情况产生影响.文献表明，一方面相对于其他挺水植被(香蒲、茭白等)，南荻、芦苇对水流冲击力的耐受性更差[36].水流为静止或接近静止的缓流环境最适宜，汛期洪水时流速过大容易发生茎秆折损甚至倒根倾覆、导致植株数量锐减的现象[37].另一方面文献表明南荻、芦苇植株的形态结构和生物量分配会根据水深变化产生适应性调整.相对于深水条件，浅水中的植株将更多的生物量分配于地下根茎部位，由于其主要通过根茎进行无性繁殖为主，这无疑有助于群落的扩展[14].以蓄水后多年平均洪峰流量50000 m3/s为例，计算了两种地形下水位和流速情况，结果表明，地形淤高后汉口边滩滩面平均流速和水深分别由0.62 m/s、4.15 m 降至 0.52 m/s、3.03 m，降幅分别为16.13%、26.99%.水动力的减弱有利于南荻-芦苇群落的生长，这也有力佐证了地形变化有利于南荻、芦苇生长.反观对岸的武昌边滩，其高程普遍偏低(20 m附近及以下)，在现有水文条件下滩区常年淹没(淹没频率基本在25%以上)、流速较大，并不适合南荻、芦苇生长，导致其缺少延伸地带.而与汉口边滩下游毗邻的天兴洲洲头左侧滩区，高程较高，大部分区域高程介于21～23 m之间，地形条件适宜南荻、芦苇生长，在其上亦生长有一定规模的南荻-芦苇群落[38].

4 结论

1)以平面二维水动力模型量化河道水动力因子，以5%～25%临界淹没频率和汛期1.5 m临界淹没水深等作为岸滩南荻-芦苇群落适宜生境阈值区间，建立了研究河段平面二维水动力-适宜生境数学模型，模拟结果表明该模型可较好地反演出南荻-芦苇群落的实际分布情况.

2)汉口边滩南荻-芦苇群落现状分布格局变化同时受水文和地形条件变化的影响.三峡水库运行后的洪水过程调平导致滨岸带南荻、芦苇生长带变窄，且向河道方向迁移；而岸滩人为利用导致的滩地地形增高、坡度坦化可使生长带面积增大.相比于2001年前的天然情况，若不考虑人工建筑群影响，水文条件、地形变化导致的南荻-芦苇群落适宜生境面积相对变幅分别为-33.24%、69.11%，两者作用迭加之后南荻-芦苇群落面积增加了42.53%，呈现出向低滩带蔓延、扩张的趋势.地形变化中三峡蓄水后淹没频率为7.3%～21.7%区间带(20～22 m高程带)面积增大是南荻-芦苇群落大规模生长的主要原因.

3)武汉河段汉口边滩的例子说明，岸线利用后导致的滩地高程、坡度变化可能改变滩上植被自然的生长条件，这值得有关部门进行岸线利用、规划和进行生态保护时重点关注.