向家坝蓄水前后长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区物理完整性评价

赵伟华，曹慧群，黄 茁，王振华，2

(1.长江科学院 a.流域水环境研究所;b.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉 430010;2.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北宜昌 443002)

1 研究背景

河流物理完整性概念最初来源于美国《水污染控制修正法》，该法提出了恢复和维持河流的物理、化学和生物完整性［1］。河流的物理完整性是指由一系列的河流动态过程和河道、河岸带、底质、河流形态等静态的地貌形态构成的一种动态平衡，并且这种平衡具有一定的自我调整能力［1］，其中心思想是强调动态的过程和形式而并非静止的、复杂的、可预测的状态。河流水流条件的多样性、底质的多样性和稳定性、河岸侵蚀的等级、河床中有机质的数量以及其他条件为河流生物群落提供了可依靠的硬件条件，也为化学系统提供了环境条件。任何河流生态系统的恢复，特别是水生和湿生生境的恢复，都离不开物理完整性的恢复。河流的物理完整性可以用一系列的物理指示参数来测定和表示。

河流物理完整性研究的核心内容是建立全面、可靠的评价指标体系。目前国际上对于河流物理完整性的评价还没有形成统一的评价指标体系。美国俄亥俄州环保署(Ohio EPA)曾建立了河流定性生境评价指数(Qualitative habitat evaluation index，QHEI)用来评价河流生物栖息地的物理环境性质，通过对QHEI 6大类次级指标的评价，可以得出水生栖息地环境品质的好坏［2］。近年来又建立了物理生境指数(Physical habitat index，PHI)来评价小溪流物理生境，从内流生境、滨岸带生境、沉积物性质和水道完整性等几个方面选择评价指标［3］。我国在河流物理完整性研究方面的资料比较少，而更多的研究集中在生态完整性方面或生物完整性，关于生态完整性和生物完整性研究主要集中在2个方面:①生态完整性或生物完整性的理论研究［4－7］;②受某一具体工程影响或某一河流、湖泊生态完整或生物完整性的实践研究［8－9］。

长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区是我国唯一的以鱼类为保护对象的跨越多个省(市)的国家级自然保护区。主要保护对象包括白鲟、达氏鲟、胭脂鱼3种珍稀鱼类，以及67种特有鱼类。其范围包括金沙江向家坝坝轴线下约2 km至重庆马桑溪长江江段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。根据国务院1990年批准的《长江流域综合利用规划简要报告》，金沙江干流下游河段依次将建设向家坝、溪洛渡、白鹤滩和乌东德等四级大型水电站。截止2014年6月，向家坝和溪洛渡已蓄水发电。已有研究表明，大坝蓄水将明显改变坝下水文情势的自然节律，造成坝下生态环境发生显著变化，从而对保护区鱼类产生影响。因此，为了掌握向家坝蓄水前后保护区物理完整性状况，本文对蓄水前后长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区部分关键河段物理完整性进行了评价研究，主要目的是为了研究水电站蓄水对保护区物理完整性的影响。

2 研究区域与方法

2.1 研究区域

本研究在长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护共设置调查河段共5个，包括长江的宜宾江段(N 28°42'，E 104°34')、合江 (N 28°48'，E 105°50')、江津(N 29°17'，E 106°16')3 个江段以及赤水河的赤水市(N 28°35'，E 105°41')、赤水镇(N 27°43'，E 105°34')2个河段。蓄水前的调查时间为2011年8月，蓄水后的调查时间为2014年7月。

图1 研究区域Fig.1 Map of the research area

2.2 研究方法

2.2.1 评价指标的计算方法及标准

物理完整性目前国内外还没有统一的评价指标和标准，本文根据国内外河流物理完整性评价指标的相关研究成果以及对河流生态水文过程的理解，提出了8项指标(流量过程变异程度、高流量频率偏差，高流量历时偏差、岸坡稳定性、栖息地类型多样性、底质类型多样性、河岸植被覆盖度和垂向透水性等)用于对长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区关键河段的物理完整性评价。各指标的具体计算方法如下。

(1)流量过程变异程度。流量过程变异程度由评估年逐月实测径流量与天然径流量的平均偏离程度表达。计算公式为

式中:qm为评估年实测月径流量，Qm为天然月径流量为天然月径流量年均值;江津段流量采用朱沱站1956—2013年数据;合江站流量通过朱沱和屏山流量推求，时间序列为 1956—1990年，2010—2013年;宜宾站的流量通过朱沱和屏山流量推求，时间序列为1956—1990年和2010—2013年;赤水市和赤水镇流量数据采用时间为1956—1990年和2010—2013年，其中1956—1959年和 1961—1962年的流量数据通过赤水河站流量－水位关系推求。流量过程变异程度指标赋值参见文献［10］。

(2)高流量频率偏差。高流量频率偏差指评价年高流量洪峰数与天然水平年高流量频率数量的偏差。本文以高于天然情况下多年平均流量100%为标准计算高流量频率偏差。高流量频率目前没有统一的评价标准，江津的参照水文年为1956—2013年，合江、宜宾、赤水市和赤水镇的参照水文年为1956—1990年、2010—2013年。

(3)高流量历时偏差。指评估年高流量持续时间与天然情况下高流量天数之差。本文以天然水平年大于年均流量50%的天数作为天然情况下高流量天数进行计算。考虑到流量的相似性，江津、合江、宜宾、赤水市和赤水镇均选择1964年为天然年。

(4)岸坡稳定性。岸坡稳定性由影响岸坡稳定的因子表示，主要有河岸倾角、河岸高度、处于支配地位的基质和植被覆盖度等，用IS表示，其表达式为

式中:Sa为河岸倾角分值;Sc为覆盖度分值;Sh为河岸高度分值;Ss为河岸基质分值。岸坡稳定性指标赋值参见文献［11］。

(5)栖息地类型多样性。本文定义的栖息地由水深和流速共同组成，计算公式为

式中Nh和Nv分别为水深多样性数和流速多样性数。蓄水前的水深、流速为实测值，蓄水后的水深、流速值为建立水力模型之后，在蓄水前的流量下模拟计算获得。栖息地类型多样性的赋值参见文献［12］。

(6)底质类型多样性。河床底质分为淤泥、泥沙、卵砾石、水生植物等不同类型。底质类型多样性代表底质对生物栖息地多样性的影响。底质类型多样性的赋值参见文献［12］。

(7)河岸植被覆盖度。河岸植被覆盖度一般按照乔木、灌木及草本植物等的密度大小定性分类。河岸植被覆盖度的赋值及评价标准参见文献［11］。

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

2.2.2 调查取样方法

各河段水深、流速用SonTeK M9型声学多普勒测流仪测量;底质类型的调查方法为在现场随机选择边长为20～30 cm的矩形河床，收集该区域表面全部底质，现场测量粒径＞4 cm的底质，＜4 cm的底质带回实验室用筛分法测定;植被覆盖度采用传统的样本抽样法，在调查河段选择2～3个长度为15～50 m的岸坡样方，用皮尺测定每个样方中植被分布面积，计算植被覆盖度，并以其平均值表示该河段的植被覆盖度。岸坡稳定性中岸坡高度和岸坡倾角的测定方法为:在调查河段，选择具有典型性的岸坡对其倾角和高度定点观测，用皮尺测量。基质按照人工基质、鹅卵石、黏土、淤泥、沙子等不同类型定性记录。植被覆盖度、岸坡稳定性调查点经纬度见表1。

表1 植被覆盖度、岸坡稳定性等指标评价样点经纬度Table 1 Longitudes and latitudes of sites for vegetation coverage and bank stability assessment

2.2.3 物理完整性评价标准

由于目前缺乏历史监测资料和对长江上游地区河流物理完整性的研究，故本文中对于各指标的评价标准的确定采用了2种方式:一种是以理论最大值为标准，二是以实测最大值为标准。本研究中的8个指标中，流量变异程度(max实测为2.0)、高流量频率(max实测为7次)、高流量历时偏差(max实测为65 d)、垂向透水性(max实测为12)等4个指标以实测最大值为标准，岸坡稳定性(max理论为22)、栖息地类型多样性(max理论为9)、河岸植被覆盖度(max理论为100%)、底质多样性(max理论为21)等4个指标以理论最大值为标准。

3 结果与讨论

3.1 蓄水前后的物理完整性计算结果与讨论

向家坝蓄水前长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区物理完整性评价以2009年为评价年，见表2。从流量过程变异程度看，蓄水前江津、合江、宜宾段较小，而赤水市和赤水镇的流量过程变异程度均大于长江干流;从高流量频率看，赤水市和赤水镇大于天然平均流量100%的次数也是大于长江干流其他河段，合江次数最少，为4次;从高流量历时偏差看，大于天然平均流量50%时的天数，江津最大，赤水河和赤水镇较小;从岸坡稳定性看，江津河段最为稳定，主要是因为该河段两岸均为人工护坡，赤水镇和赤水市岸坡稳定性较小;从栖息地类型多样性看，赤水镇的流速、水深的多样性最高，合江和宜宾较小;从底质类型多样性看，赤水市最高，其次是赤水镇，合江最小;从河岸植被覆盖度看和垂向透水性上看，均是赤水镇和赤水市植被覆盖度最高，合江最低。

向家坝蓄水后长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区物理完整性评价以2013年为评价年，见表2。从流量过程变异程度看，蓄水后也是江津、合江、宜宾段较小，而赤水市和赤水镇的流量过程变异程度较大;从高流量频率看，赤水市和赤水镇大于天然平均流量100%的次数均为4次，而长江干流的几个河段均为3次;从高流量历时偏差看，宜宾大于天然平均流量50%时的天数最大，为65 d，赤水镇最小，为26 d;从岸坡稳定性看，江津河段最为稳定，赤水镇和赤水市岸坡稳定性较小;从栖息地类型多样性看，赤水镇的流速、水深的多样性最高，长江干流的合江、江津和宜宾大小一致，均为4;从底质类型多样性看，赤水市和赤水镇最高，其次是赤水镇，合江最小;从河岸植被覆盖度看，赤水镇最大，合江和宜宾最小;从垂向透水性看，也是赤水镇最高，合江最小。

3.2 蓄水前后物理完整性评价结果与讨论

对向家坝蓄水前后上述8个指标进行赋分，赋分公式为:指标得分=(O/R)×10，其中O为采样点实际观测值，R为采样点理论参考值。对于越小越好的指标:指标得分=(1－O/R)×10。各指标进行等权加和求平均值作为评价指标值。蓄水前后各河段各评价指标赋分与评价结果如表3所示。

表2 向家坝蓄水前各河段物理完整性指标计算结果Table 2 Calculation results of physical integrity indexes for different reaches before the impoundment of Xiangjiaba dam

表3 向家坝蓄水前后各河段物理完整性指标评价结果Table 3 Assessment results of physical integrity of different reaches before and after the impoundment of Xiangjiaba dam

从不同河段来看，保护区河流物理完整性由高到低依次是赤水镇、赤水市、江津、宜宾和合江;从河流物理完整性的概念看，物理完整性评价标准在制定的时候，考虑更多的是河流的自然属性，越接近于自然属性，则认为其完整性越高，而赤水河恰恰具有较高的河流原始状态。目前长江干流受到的人为活动的干扰明显大于赤水河，一方面江津、合江和宜宾等江段均不同程度地受到河岸堤防硬化、采砂、水电开发等影响，导致这些河段的物理完整性相对较低;另一方面，保护区内的长江干流大部分河段相对于赤水这样的小型河流而言，其生境类型较为单一，其河流物理完整性与小型河流相比，差异也较大。长江干流的这3个河段物理完整性虽有差异，但差异较小，基本处于同一个水平。

从蓄水前后的变化来看，高流量频率、高流量历时偏差、底质多样性、栖息地类型多样性等均有所降低，其中蓄水后高流量频率和高流量历时偏差明显减少，说明向家坝蓄水对保护区关键河段的水文情势有一定的影响，特别是影响了流量脉冲的频率和持续时间;同时，蓄水后栖息地类型多样性有所降低，可见，蓄水后研究河段的水深、流速多样性有所降低;另外，蓄水后垂向透水性大于蓄水前，说明蓄水后保护区底质中值粒径有变大的趋势。其他指标如流量变异程度、岸坡稳定性、植被覆盖度等变化不大。

4 结论

河流物理完整性评价是一项需要长时间系列数据和多学科交叉的复杂工作。本文在国内外相关研究基础上，采用实地调查数据，对向家坝蓄水前后长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区的江津、合江、宜宾、赤水市和赤水镇等河段的物理完整性进行了初步评价，主要结论为:

(1)蓄水后保护区关键河段高流量频率、高流量历时偏差、栖息地类型多样性和垂向透水性等指标与蓄水前有较大差异;向家坝蓄水对保护区水文情势，特别是流量脉冲频率及其持续时间、水深和流速的多样性、底质中值粒径等均有一定的影响。

(2)赤水河物理完整性高于长江干流，主要是因为赤水河更接近于自然河流，而长江干流受人类活动影响较大。

(3)长江干流的江津、合江、宜宾等3个河段物理完整性虽有差异，但基本属于同一个水平，说明这3个河段面临的生态环境问题较为相似。

［1］GRAF W L.Damage Control:Restoring the Physical Integrity of America’s Rivers［J］.Annals of the Association of American Geographers，2001，9(1):1 －27.

［2］RANKIN E T.The Qualitative Habitat Evaluation Index(QHEI):Rationale，Methods，and Applications［R］.Columbus，Ohio:Ohio Environmental Protection Agency，Division of Water Quality Planning and Assessment，Ecological Analysis Section，1989.

［3］PAUL M J，STRIBLING J B，KLAUDA R G，et al.A Physical Habitat Index for Freshwater Wadeable Streams in Maryland［R］.Maryland:Maryland Department of Natural Resources，2003.

［4］黄宝荣，欧阳志云，郑 华，等.生态系统完整性内涵及评价方法研究综述［J］.应用生态学报，2006，17(11):2196 － 2202.(HUANG Bao-rong，OUYANG Zhi-yun，ZHENG Hua，et al.Connotation of Ecological Integrity and Its Assessment Methods:A Review［J］.Chinese Journal of Applied Ecology，2006，17(11):2196－2202.(in Chinese))

［5］燕乃玲，虞孝感.生态系统完整性研究进展［J］.地理科学进展，2007，26(1):17 － 25.(YAN Nai-lin，YU Xiaogan.Summary Comments on Ecosystem Integrity［J］.Progress in Geography，2007，26(1):17 －25.(in Chinese))

［6］廖静秋，黄 艺.应用生物完整性指数评价水生态系统健康的研究进展［J］.应用生态学报，2013，24(1):295－302.(LIAO Jing-qiu，HUANG Yi.Research Progress on Using Index of Biological Integrity to Assess Aquatic Ecosystem Health［J］.Chinese Journal of Applied Ecology，2013，24(1):295 －302.(in Chinese))

［7］王备新，杨莲芳，刘正文.生物完整性指数与水生态系统健康评价［J］.生态学杂志，2006，25(6):707 －710.(WANG Bei-xin，YANG Lian-fang，LIU Zheng-wen.Index of Biological Integrity and Its Application in Health Assessment of Aquatic Ecosystem［J］.Chinese Journal of Ecology，2006，25(6):707－710.(in Chinese))

［8］余明勇，汪富贵，马 军.双溪水电站工程对区域生态完整性的影响研究［J］.中国农村水利水电，2007，(1):118 －120.(YU Ming-yong，WANG Fu-gui，MA Jun.The Effect of Shuangxi Hydropower Station Project on Regional Ecological Integrity［J］.China Rural Water and Hydropower，2007，(1):118 －120.(in Chinese))

［9］高 欣，牛翠娟，裴雪娇.太湖流域大型底栖动物生物完整性研究［J］.北京师范大学学报(自然科学版)，2012，48(4):392 －398.(GAO Xin，NIU Cui-juan，PEI Xuejiao.On Biological Integrity of Macroinvertebrate in Taihu Basin［J］.Journal of Beijing Normal University(Natural Science)，2012，48(4):392－398.(in Chinese))

［10］水利部长江水利委员会.长江流域重要河湖健康评估(试点)项目2011年度实施方案［R］.武汉:水利部长江水利委员会，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］中国水利水电规划设计总院.水工程规划设计生态指标体系与应用指导意见［K］.北京:中国水利水电规划设计总院，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，程东升，何易平，等.西南山区河流阶梯－深潭系统的生态学作用［J］.地球科学进展，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 ))