趙偉華，曹慧群，黃 茁，王振華，2

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 a.流域水環(huán)境研究所;b.流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010;2.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北宜昌 443002)

1 研究背景

河流物理完整性概念最初來(lái)源于美國(guó)《水污染控制修正法》，該法提出了恢復(fù)和維持河流的物理、化學(xué)和生物完整性［1］。河流的物理完整性是指由一系列的河流動(dòng)態(tài)過(guò)程和河道、河岸帶、底質(zhì)、河流形態(tài)等靜態(tài)的地貌形態(tài)構(gòu)成的一種動(dòng)態(tài)平衡，并且這種平衡具有一定的自我調(diào)整能力［1］，其中心思想是強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)的過(guò)程和形式而并非靜止的、復(fù)雜的、可預(yù)測(cè)的狀態(tài)。河流水流條件的多樣性、底質(zhì)的多樣性和穩(wěn)定性、河岸侵蝕的等級(jí)、河床中有機(jī)質(zhì)的數(shù)量以及其他條件為河流生物群落提供了可依靠的硬件條件，也為化學(xué)系統(tǒng)提供了環(huán)境條件。任何河流生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，特別是水生和濕生生境的恢復(fù)，都離不開物理完整性的恢復(fù)。河流的物理完整性可以用一系列的物理指示參數(shù)來(lái)測(cè)定和表示。

河流物理完整性研究的核心內(nèi)容是建立全面、可靠的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。目前國(guó)際上對(duì)于河流物理完整性的評(píng)價(jià)還沒(méi)有形成統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。美國(guó)俄亥俄州環(huán)保署(Ohio EPA)曾建立了河流定性生境評(píng)價(jià)指數(shù)(Qualitative habitat evaluation index，QHEI)用來(lái)評(píng)價(jià)河流生物棲息地的物理環(huán)境性質(zhì)，通過(guò)對(duì)QHEI 6大類次級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)，可以得出水生棲息地環(huán)境品質(zhì)的好壞［2］。近年來(lái)又建立了物理生境指數(shù)(Physical habitat index，PHI)來(lái)評(píng)價(jià)小溪流物理生境，從內(nèi)流生境、濱岸帶生境、沉積物性質(zhì)和水道完整性等幾個(gè)方面選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)［3］。我國(guó)在河流物理完整性研究方面的資料比較少，而更多的研究集中在生態(tài)完整性方面或生物完整性，關(guān)于生態(tài)完整性和生物完整性研究主要集中在2個(gè)方面:①生態(tài)完整性或生物完整性的理論研究［4－7］;②受某一具體工程影響或某一河流、湖泊生態(tài)完整或生物完整性的實(shí)踐研究［8－9］。

長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)是我國(guó)唯一的以魚類為保護(hù)對(duì)象的跨越多個(gè)省(市)的國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)。主要保護(hù)對(duì)象包括白鱘、達(dá)氏鱘、胭脂魚3種珍稀魚類，以及67種特有魚類。其范圍包括金沙江向家壩壩軸線下約2 km至重慶馬桑溪長(zhǎng)江江段353 km，岷江月波至岷江河口90 km，赤水河源至赤水河河口628 km。根據(jù)國(guó)務(wù)院1990年批準(zhǔn)的《長(zhǎng)江流域綜合利用規(guī)劃簡(jiǎn)要報(bào)告》，金沙江干流下游河段依次將建設(shè)向家壩、溪洛渡、白鶴灘和烏東德等四級(jí)大型水電站。截止2014年6月，向家壩和溪洛渡已蓄水發(fā)電。已有研究表明，大壩蓄水將明顯改變壩下水文情勢(shì)的自然節(jié)律，造成壩下生態(tài)環(huán)境發(fā)生顯著變化，從而對(duì)保護(hù)區(qū)魚類產(chǎn)生影響。因此，為了掌握向家壩蓄水前后保護(hù)區(qū)物理完整性狀況，本文對(duì)蓄水前后長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)部分關(guān)鍵河段物理完整性進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究，主要目的是為了研究水電站蓄水對(duì)保護(hù)區(qū)物理完整性的影響。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域

本研究在長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)共設(shè)置調(diào)查河段共5個(gè)，包括長(zhǎng)江的宜賓江段(N 28°42'，E 104°34')、合江 (N 28°48'，E 105°50')、江津(N 29°17'，E 106°16')3 個(gè)江段以及赤水河的赤水市(N 28°35'，E 105°41')、赤水鎮(zhèn)(N 27°43'，E 105°34')2個(gè)河段。蓄水前的調(diào)查時(shí)間為2011年8月，蓄水后的調(diào)查時(shí)間為2014年7月。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Map of the research area

2.2 研究方法

2.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法及標(biāo)準(zhǔn)

物理完整性目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外河流物理完整性評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)研究成果以及對(duì)河流生態(tài)水文過(guò)程的理解，提出了8項(xiàng)指標(biāo)(流量過(guò)程變異程度、高流量頻率偏差，高流量歷時(shí)偏差、岸坡穩(wěn)定性、棲息地類型多樣性、底質(zhì)類型多樣性、河岸植被覆蓋度和垂向透水性等)用于對(duì)長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)關(guān)鍵河段的物理完整性評(píng)價(jià)。各指標(biāo)的具體計(jì)算方法如下。

(1)流量過(guò)程變異程度。流量過(guò)程變異程度由評(píng)估年逐月實(shí)測(cè)徑流量與天然徑流量的平均偏離程度表達(dá)。計(jì)算公式為

式中:qm為評(píng)估年實(shí)測(cè)月徑流量，Qm為天然月徑流量為天然月徑流量年均值;江津段流量采用朱沱站1956—2013年數(shù)據(jù);合江站流量通過(guò)朱沱和屏山流量推求，時(shí)間序列為 1956—1990年，2010—2013年;宜賓站的流量通過(guò)朱沱和屏山流量推求，時(shí)間序列為1956—1990年和2010—2013年;赤水市和赤水鎮(zhèn)流量數(shù)據(jù)采用時(shí)間為1956—1990年和2010—2013年，其中1956—1959年和 1961—1962年的流量數(shù)據(jù)通過(guò)赤水河站流量－水位關(guān)系推求。流量過(guò)程變異程度指標(biāo)賦值參見文獻(xiàn)［10］。

(2)高流量頻率偏差。高流量頻率偏差指評(píng)價(jià)年高流量洪峰數(shù)與天然水平年高流量頻率數(shù)量的偏差。本文以高于天然情況下多年平均流量100%為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算高流量頻率偏差。高流量頻率目前沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，江津的參照水文年為1956—2013年，合江、宜賓、赤水市和赤水鎮(zhèn)的參照水文年為1956—1990年、2010—2013年。

(3)高流量歷時(shí)偏差。指評(píng)估年高流量持續(xù)時(shí)間與天然情況下高流量天數(shù)之差。本文以天然水平年大于年均流量50%的天數(shù)作為天然情況下高流量天數(shù)進(jìn)行計(jì)算?？紤]到流量的相似性，江津、合江、宜賓、赤水市和赤水鎮(zhèn)均選擇1964年為天然年。

(4)岸坡穩(wěn)定性。岸坡穩(wěn)定性由影響岸坡穩(wěn)定的因子表示，主要有河岸傾角、河岸高度、處于支配地位的基質(zhì)和植被覆蓋度等，用IS表示，其表達(dá)式為

式中:Sa為河岸傾角分值;Sc為覆蓋度分值;Sh為河岸高度分值;Ss為河岸基質(zhì)分值。岸坡穩(wěn)定性指標(biāo)賦值參見文獻(xiàn)［11］。

(5)棲息地類型多樣性。本文定義的棲息地由水深和流速共同組成，計(jì)算公式為

式中Nh和Nv分別為水深多樣性數(shù)和流速多樣性數(shù)。蓄水前的水深、流速為實(shí)測(cè)值，蓄水后的水深、流速值為建立水力模型之后，在蓄水前的流量下模擬計(jì)算獲得。棲息地類型多樣性的賦值參見文獻(xiàn)［12］。

(6)底質(zhì)類型多樣性。河床底質(zhì)分為淤泥、泥沙、卵礫石、水生植物等不同類型。底質(zhì)類型多樣性代表底質(zhì)對(duì)生物棲息地多樣性的影響。底質(zhì)類型多樣性的賦值參見文獻(xiàn)［12］。

(7)河岸植被覆蓋度。河岸植被覆蓋度一般按照喬木、灌木及草本植物等的密度大小定性分類。河岸植被覆蓋度的賦值及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參見文獻(xiàn)［11］。

(8)垂向透水性。本文使用底質(zhì)中值粒徑D50表示河流垂向透水性。D50越大，垂向透水性能越好。

2.2.2 調(diào)查取樣方法

各河段水深、流速用SonTeK M9型聲學(xué)多普勒測(cè)流儀測(cè)量;底質(zhì)類型的調(diào)查方法為在現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)選擇邊長(zhǎng)為20～30 cm的矩形河床，收集該區(qū)域表面全部底質(zhì)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量粒徑＞4 cm的底質(zhì)，＜4 cm的底質(zhì)帶回實(shí)驗(yàn)室用篩分法測(cè)定;植被覆蓋度采用傳統(tǒng)的樣本抽樣法，在調(diào)查河段選擇2～3個(gè)長(zhǎng)度為15～50 m的岸坡樣方，用皮尺測(cè)定每個(gè)樣方中植被分布面積，計(jì)算植被覆蓋度，并以其平均值表示該河段的植被覆蓋度。岸坡穩(wěn)定性中岸坡高度和岸坡傾角的測(cè)定方法為:在調(diào)查河段，選擇具有典型性的岸坡對(duì)其傾角和高度定點(diǎn)觀測(cè)，用皮尺測(cè)量?；|(zhì)按照人工基質(zhì)、鵝卵石、黏土、淤泥、沙子等不同類型定性記錄。植被覆蓋度、岸坡穩(wěn)定性調(diào)查點(diǎn)經(jīng)緯度見表1。

表1 植被覆蓋度、岸坡穩(wěn)定性等指標(biāo)評(píng)價(jià)樣點(diǎn)經(jīng)緯度Table 1 Longitudes and latitudes of sites for vegetation coverage and bank stability assessment

2.2.3 物理完整性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

由于目前缺乏歷史監(jiān)測(cè)資料和對(duì)長(zhǎng)江上游地區(qū)河流物理完整性的研究，故本文中對(duì)于各指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定采用了2種方式:一種是以理論最大值為標(biāo)準(zhǔn)，二是以實(shí)測(cè)最大值為標(biāo)準(zhǔn)。本研究中的8個(gè)指標(biāo)中，流量變異程度(max實(shí)測(cè)為2.0)、高流量頻率(max實(shí)測(cè)為7次)、高流量歷時(shí)偏差(max實(shí)測(cè)為65 d)、垂向透水性(max實(shí)測(cè)為12)等4個(gè)指標(biāo)以實(shí)測(cè)最大值為標(biāo)準(zhǔn)，岸坡穩(wěn)定性(max理論為22)、棲息地類型多樣性(max理論為9)、河岸植被覆蓋度(max理論為100%)、底質(zhì)多樣性(max理論為21)等4個(gè)指標(biāo)以理論最大值為標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 蓄水前后的物理完整性計(jì)算結(jié)果與討論

向家壩蓄水前長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)物理完整性評(píng)價(jià)以2009年為評(píng)價(jià)年，見表2。從流量過(guò)程變異程度看，蓄水前江津、合江、宜賓段較小，而赤水市和赤水鎮(zhèn)的流量過(guò)程變異程度均大于長(zhǎng)江干流;從高流量頻率看，赤水市和赤水鎮(zhèn)大于天然平均流量100%的次數(shù)也是大于長(zhǎng)江干流其他河段，合江次數(shù)最少，為4次;從高流量歷時(shí)偏差看，大于天然平均流量50%時(shí)的天數(shù)，江津最大，赤水河和赤水鎮(zhèn)較小;從岸坡穩(wěn)定性看，江津河段最為穩(wěn)定，主要是因?yàn)樵摵佣蝺砂毒鶠槿斯ぷo(hù)坡，赤水鎮(zhèn)和赤水市岸坡穩(wěn)定性較小;從棲息地類型多樣性看，赤水鎮(zhèn)的流速、水深的多樣性最高，合江和宜賓較小;從底質(zhì)類型多樣性看，赤水市最高，其次是赤水鎮(zhèn)，合江最小;從河岸植被覆蓋度看和垂向透水性上看，均是赤水鎮(zhèn)和赤水市植被覆蓋度最高，合江最低。

向家壩蓄水后長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)物理完整性評(píng)價(jià)以2013年為評(píng)價(jià)年，見表2。從流量過(guò)程變異程度看，蓄水后也是江津、合江、宜賓段較小，而赤水市和赤水鎮(zhèn)的流量過(guò)程變異程度較大;從高流量頻率看，赤水市和赤水鎮(zhèn)大于天然平均流量100%的次數(shù)均為4次，而長(zhǎng)江干流的幾個(gè)河段均為3次;從高流量歷時(shí)偏差看，宜賓大于天然平均流量50%時(shí)的天數(shù)最大，為65 d，赤水鎮(zhèn)最小，為26 d;從岸坡穩(wěn)定性看，江津河段最為穩(wěn)定，赤水鎮(zhèn)和赤水市岸坡穩(wěn)定性較小;從棲息地類型多樣性看，赤水鎮(zhèn)的流速、水深的多樣性最高，長(zhǎng)江干流的合江、江津和宜賓大小一致，均為4;從底質(zhì)類型多樣性看，赤水市和赤水鎮(zhèn)最高，其次是赤水鎮(zhèn)，合江最小;從河岸植被覆蓋度看，赤水鎮(zhèn)最大，合江和宜賓最小;從垂向透水性看，也是赤水鎮(zhèn)最高，合江最小。

3.2 蓄水前后物理完整性評(píng)價(jià)結(jié)果與討論

對(duì)向家壩蓄水前后上述8個(gè)指標(biāo)進(jìn)行賦分，賦分公式為:指標(biāo)得分=(O/R)×10，其中O為采樣點(diǎn)實(shí)際觀測(cè)值，R為采樣點(diǎn)理論參考值。對(duì)于越小越好的指標(biāo):指標(biāo)得分=(1－O/R)×10。各指標(biāo)進(jìn)行等權(quán)加和求平均值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)值。蓄水前后各河段各評(píng)價(jià)指標(biāo)賦分與評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。

表2 向家壩蓄水前各河段物理完整性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of physical integrity indexes for different reaches before the impoundment of Xiangjiaba dam

表3 向家壩蓄水前后各河段物理完整性指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Assessment results of physical integrity of different reaches before and after the impoundment of Xiangjiaba dam

從不同河段來(lái)看，保護(hù)區(qū)河流物理完整性由高到低依次是赤水鎮(zhèn)、赤水市、江津、宜賓和合江;從河流物理完整性的概念看，物理完整性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在制定的時(shí)候，考慮更多的是河流的自然屬性，越接近于自然屬性，則認(rèn)為其完整性越高，而赤水河恰恰具有較高的河流原始狀態(tài)。目前長(zhǎng)江干流受到的人為活動(dòng)的干擾明顯大于赤水河，一方面江津、合江和宜賓等江段均不同程度地受到河岸堤防硬化、采砂、水電開發(fā)等影響，導(dǎo)致這些河段的物理完整性相對(duì)較低;另一方面，保護(hù)區(qū)內(nèi)的長(zhǎng)江干流大部分河段相對(duì)于赤水這樣的小型河流而言，其生境類型較為單一，其河流物理完整性與小型河流相比，差異也較大。長(zhǎng)江干流的這3個(gè)河段物理完整性雖有差異，但差異較小，基本處于同一個(gè)水平。

從蓄水前后的變化來(lái)看，高流量頻率、高流量歷時(shí)偏差、底質(zhì)多樣性、棲息地類型多樣性等均有所降低，其中蓄水后高流量頻率和高流量歷時(shí)偏差明顯減少，說(shuō)明向家壩蓄水對(duì)保護(hù)區(qū)關(guān)鍵河段的水文情勢(shì)有一定的影響，特別是影響了流量脈沖的頻率和持續(xù)時(shí)間;同時(shí)，蓄水后棲息地類型多樣性有所降低，可見，蓄水后研究河段的水深、流速多樣性有所降低;另外，蓄水后垂向透水性大于蓄水前，說(shuō)明蓄水后保護(hù)區(qū)底質(zhì)中值粒徑有變大的趨勢(shì)。其他指標(biāo)如流量變異程度、岸坡穩(wěn)定性、植被覆蓋度等變化不大。

4 結(jié)論

河流物理完整性評(píng)價(jià)是一項(xiàng)需要長(zhǎng)時(shí)間系列數(shù)據(jù)和多學(xué)科交叉的復(fù)雜工作。本文在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究基礎(chǔ)上，采用實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)向家壩蓄水前后長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的江津、合江、宜賓、赤水市和赤水鎮(zhèn)等河段的物理完整性進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)，主要結(jié)論為:

(1)蓄水后保護(hù)區(qū)關(guān)鍵河段高流量頻率、高流量歷時(shí)偏差、棲息地類型多樣性和垂向透水性等指標(biāo)與蓄水前有較大差異;向家壩蓄水對(duì)保護(hù)區(qū)水文情勢(shì)，特別是流量脈沖頻率及其持續(xù)時(shí)間、水深和流速的多樣性、底質(zhì)中值粒徑等均有一定的影響。

(2)赤水河物理完整性高于長(zhǎng)江干流，主要是因?yàn)槌嗨痈咏谧匀缓恿鳎L(zhǎng)江干流受人類活動(dòng)影響較大。

(3)長(zhǎng)江干流的江津、合江、宜賓等3個(gè)河段物理完整性雖有差異，但基本屬于同一個(gè)水平，說(shuō)明這3個(gè)河段面臨的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題較為相似。

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［10］水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì).長(zhǎng)江流域重要河湖健康評(píng)估(試點(diǎn))項(xiàng)目2011年度實(shí)施方案［R］.武漢:水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)，2011.(Changjiang Water Resources Commission of the Ministry of Water Resource.Implementation Plans of Health Assessment Project for Key Rivers and Lakes in the Yangtze River Basin in 2011［R］.Wuhan:Changjiang Water Resources Commission of the Ministry of Water Resource，2011.(in Chinese))

［11］中國(guó)水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)生態(tài)指標(biāo)體系與應(yīng)用指導(dǎo)意見［K］.北京:中國(guó)水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，2011.(China Renewable Energy Engineering Institute.Ecological Index System and Application Guidelines of Water Project Planning and Design［K］.Beijing:China Renewable Energy Engineering Institute，2011.(in Chinese))

［12］王兆印，程?hào)|升，何易平，等.西南山區(qū)河流階梯－深潭系統(tǒng)的生態(tài)學(xué)作用［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2006，21(4):409－416.(WANG Zhao-yin，CHENG Dong-sheng，HE Yi-ping，et al.A Study of the Ecological Functions of Step-pool System in Southwest Mountain Streams［J］.Advances in Earth Science，2006，21(4):409 － 416.(in Chinese ))