河流形态变化的水资源管理意义

(水利部农村电气化研究所，浙江 杭州 310012)

1 理论的平衡的河流形态

本文所指河流形态是指在不同的时间节点上河流的任意过水断面和纵向形态: 过水断面包括水面宽和水深分布；以及纵向形态包括比降、潭-滩的分布、河床的组分和结构、河岸的组分和结构。河相关系是反映河流形态的一个重要指标。冲积河流通过自动调整作用，作为较长时间的平均情况来说，有可能处于相对平衡的状态，在断面形态和纵剖面与流域因素之间应该存在某种定量关系，这种定量关系一般称为河相关系[1]。河相关系写成数学方程式为[1]：

式中B——河槽的水面宽；

h——河槽的平均水深；

J——河流的纵比降；

Q——来水量及其过程；

G0——来沙量及其过程；

D0——来沙的组成。

因此,存在一个理论上相对稳定的河床,并且,在河相关系稳定的情况下,假设天然来水和来沙是有规律的,那么,存在一个相对平衡的河流形态,以时间为坐标有规律地变化，称之为理论的天然河流形态。

从河相关系公式可以看出，来水量和水量过程、来沙量及来沙过程、来沙的组成会影响河流的河宽、水深和比降；在同样的来水过程下，河流的形态反过来也会影响河流中的泥沙运动和沉积，影响河岸和河槽物质的组成;在同样的流域来沙条件下，河流的形态也会影响河道产水量和产流过程。水沙运动的变化是河床演变的基础，河床演变会引起河流演变。

水资源开发利用如果直接改变天然河流形态，可造成即时的局地水环境影响，而从更大尺度的时间、空间看，它会比自然过程更快地影响整条河流的形态和水环境。如果用水是有规律的，而且不直接改造河床，那么天然河流形态会寻找到一个新的平衡；如果人为的河床改造是有完成时的，那么天然河流也会寻找到新的平衡。

2 河流形态的环境意义

2.1 影响水资源量

2.1.1 河流槽蓄量

河床演变会引起平均河宽、平均河深的变化，由于弯道演变成直道或者人为的裁弯取直都会影响河流的总长度，这些情况的变化都会引起河槽蓄水量的变化。河床与河岸的变化也会使河槽表面积变化，直接减弱河流蓄接雨水和汇纳径流的能力。

2.1.2 河流潭-滩变化

河床演变会引起深潭和滩地的变化。如果水流条件和水沙条件发生变化导致深潭萎缩，河道的蓄水量就会减少。来水和来沙的变化会影响河中滩地的发育，使过水遇到更大更多阻力，消耗水能和水量；如果滩地被利用或植被茂密，那么植物的蒸腾作用会增加耗水。

2.1.3 水文循环

河流中的水直接通过下渗作用补给地下水水量，补给量取决于地质和地貌情况；而地下水流动到与地表水相通的地方也可补给地表水。所以，地表水与地下水的相互转换在很大程度上取决于河流河床的下垫面条件。如果河流发生了演变，河床的位置改变了，会影响地表水与地下水的相互转换，会影响地表水资源量。

2.2 影响水生态系统

河流的河槽、河岸、包括洪泛区是水生动物、水生植物、微生物的栖息地，河床地形、地质及下垫面条件，河流的水文、水力学特征共同构成了水生态环境。在这个水生环境中，物质和能量通过食物网进行传输，并同时与外界进行交换。河岸和洪泛区的物质组成也会影响栖息于此的生物环境。

因而，当河流形态变化、水文情势、水力学特征变化时，水生态环境也有响应。

2.2.1 基质

河流基质主要包括基岩、潭石、鹅卵石、砾石、沙、泥等，底栖生物主要生活在这里。生物表现出对基质的偏好，基质和水文要素共同影响这里的生物[2]。基质对很多淡水鱼类产卵都非常关键。水生昆虫也选择特定的基质产卵[2]。

2.2.2 水文和水力学条件

生态学家们强调，必须考虑河川径流的五大要素以确保河流生态系统的需求：河流的流量大小、出现频率、持续时间、出现时间、增加或减少的速度都会影响河流生态系统[2]。水力学条件(雷诺数、平均流速、剪切流速、流速与水深的比值等)对微生境及生物的影响很大[2]。有研究发现底栖无脊椎动物的栖息地偏好显示为流速的函数[2]。水位波动会抑制微生物活性，降低落叶分解速率[2]。

2.2.3 水温

河流水温是决定水生生物体代谢速率、空间分布及种群演替的一个重要环境因素[2]。落叶分解速率随温度升高而增大[2]。

2.2.4 水质

水体pH值较低时会抑制微生物和无脊椎动物的活性，重金属污染影响撕食者和微生物活性，这些都会影响落叶分解速率[2]。河水的离子浓度较低时，物种数目较少；许多生物类群明显是“软水”或“硬水”型[2]。气体在水中的溶解度对生物也是有影响的，如鱼类需要合适的溶解氧浓度，而藻类的光合作用需要CO2。

2.3 影响水质

污染物进入水体后可以溶解态或悬浮态随水流迁移、转化或生物利用，也可以被悬浮颗粒或底泥吸附沉淀。河流形态的改变会极大地改变河流水、沙的平衡和状态，影响水生物，从而影响河流水体自净，影响地表水水质乃至地下水水质。

2.3.1 河流输沙和沉积物

河流能带动的输沙包括悬移质和推移质。很多污染物附着在输沙和沉积物中，沉积物表面有生物膜，对水体有净化作用。

研究表明，通过各种途径进入水体的金属，绝大部分将迅速转入沉积物或悬浮物中[3]。有机污染物在沉积物中也有分布：有机氯农药由于难以被化学降解和生物降解，故很大一部分被分配到沉积物有机质和生物脂肪中；多氯联苯即使在水中浓度很低时，在水生生物体内和沉积物中的浓度仍然可以很高；多环芳烃化合物的最终归趋可能是吸附到沉积物中，然后进行缓慢的生物降解[3]。河床冲刷将大量带走沉积物，同时带走污染物，并有可能将这些污染物重新释放到水中。河床淤积将使外来污染物沉积于此，并有可能缓慢释放于环境中，影响水质和水生物。河床冲刷或淤积破坏原来的床底生物膜，影响水体自净。

水体中颗粒物对一些污染物质有吸附作用，包括物理吸附、物理—化学吸附和专属吸附[3]。水环境中颗粒物的凝聚或絮凝是一个复杂的物理、化学和生物过程。污染物有吸附-解吸的过程，也有被沉积物释放到水中的过程。悬移质、推移质、沉积物可以相互转化。这些过程受到水力学条件、水文条件和水质、水温的影响，也决定着污染物质的转化和迁移。悬浮沉积物的粒度分配、结构组成会影响吸附和颗粒物凝聚或絮凝，从而影响水质。

2.3.2 水生物对水质的影响

生物降解是引起水中有机污染物分解的最重要的环境过程之一，影响生物降解的主要因素是有机物本身的化学结构和微生物的种类，温度、pH、溶解氧等会影响降解速率[3]。微生物利用一些有机污染物进行生长代谢时，必须使微生物适应这种化学物质，实验表明，一般需要2～50d的滞后期，一旦微生物群体适应了它，降解是相当快的[3]。微生物利用有机物进行共代谢分解时，没有滞后期；但共代谢降解速度一般比完全驯化的生长代谢慢，直接与微生物种群的多少成正比[3]。河流河床的扰动和水、沙平衡的破坏会改变微生物的生存环境，影响微生物种群的分布，抑制微生物的活动，影响水体自净。

一些污染物主要靠生物作用降解。如：酚类化合物的主要迁移、转化过程是生物降解和光解[3]。

2.3.3 水文和温度的影响

污染物进入水体首先是被水稀释，河流流量的大小决定了污染物以及其他离子的浓度，包括pH值。这对污染物的溶解-沉淀、水解等化学过程有重要影响。污染物浓度也影响它的转化和迁移。如：有机磷农药只有在水中浓度较高时才被沉积物明显吸收[3]。水体的pH值可以影响污染物在水体中的存在形式，决定它的毒性、迁移或转化。

流量或河床形态的改变会改变水深，水深的改变会影响水温，水深和水域面积会影响水体的复氧能力，这对河流水体的生物以及化学自净都是很重要的。当微生物对有机物进行缺氧分解时，分解产物为NH3、H2S、CH4等，将会使水质进一步恶化[3]。水中溶解氧的浓度和pH值是影响氧化-还原环境的重要因素。而水体中氧化还原的类型、速度和平衡，在很大程度上决定了水中主要溶质的性质[3]。水深还影响着污染物质的挥发速率和光解速率。水体中氧的浓度和悬移质也影响着光解作用[3]。

水体通过物理、化学及生物方式自净，各种作用和反应都需要在某种特定条件下维持一定的时间，而流速是会影响这些作用，流速也决定了污染物随水流迁移的速度。

2.4 影响地下水

河流形态的改变，会改变地表水和地下水之间的补给关系。地下水水位下降会导致地面塌陷。地下水水位上升与岩土体相互作用会导致滑坡。河床基质的矿物组成、粒径范围和孔隙大小会影响由地表水向地下水输送水汽、氧气和营养物质[2]，所以河床基质的改变会影响地下水水质。

3 水资源开发利用对河流形态的影响

3.1 水能资源开发

水能的存在对维持河床稳定非常重要。水能资源的开发利用会减小水流的水能，降低河流输送泥沙的能力，破坏原来的水沙平衡，带来泥沙淤积，有害物质沉积，长期影响会造成河床萎缩，减少河流水资源量，引起河床边界条件和组成物质的改变，甚至河流演变。水能资源开发会减小流速，从而影响水文过程和改变水生态环境，影响水体自净。对引水式电站来说，被引水河段如果保护不当，可能发生断流，使整条河流分割，更快地发生河流演变。无论从装机容量还是从电站数量上大规模地开发中、小水电，会带来水文情势和河床的极大扰动和频繁扰动，这种情况下河床演变会来得更快，水能开发过度会导致水资源供需矛盾和行洪不畅。水能资源开发会导致入河口水能的减少，中小河流一旦在汇入大河前造成河口淤积，甚至会发生洪水倒灌。如果为建水电站而造水库，水库本身具有造床作用已是共识。总之，水能资源开发会带来河流形态演变，会影响水量、水质和水生态系统。水电作为清洁可再生能源是有边界条件的，需要科学的水资源与环境的管理为保障。此外，水能资源利用对水循环的频繁干扰会使水文预报不准，增加抗灾减灾的难度。

如果一个流域的水电开发过度，河口区的河流形态改变会造成水量和水质的变化；同时，在出水水能量减少的情况下，在河口处造成淤泥增加，可能造成海水入侵，不仅会造成河口地区的水和土壤污染，还会影响该地区的国民经济用水、航运等。而频繁地清淤对河口区生态系统的扰动也是一个挑战。

3.2 灌溉用水

农业用水量大，用水面广，多需要采取蓄、引、提等水利工程措施，一定程度上参与了天然水文循环，这种利用方式如果是稳定的，对河流形态改变的影响也是可以预测和加以环境保护措施的。为了提高输水渠的渠系利用系数，大多采用不透水材料来取代土壤，使得水流的自净能力降低，沿程土壤吸收的水分、补充包气带水明显减少，即使在降水条件下，直接的地下水补给和壤中流汇流补给地下水的能力减弱，会减小河道基流。从一个小范围看，渠系利用系数提高是节水的，但从更广的范围看，情况却不一定是积极的。

3.3 河道整治

城市及其郊区的河道整治是为了河道本身的治理，如清洁、防洪等；也是为了满足城市建设的需要，如修路、建设等。需要注意的是河流的弯道不仅增加了洪水的路径，还能削减洪水的能量，降低其破坏性。此外，弯弯曲曲的河流有一种天然的美；清洁的河滩可以滞洪，也可以丰富水生态环境，还可以增加人水亲近的范围。所以人为地裁弯取直、与水争地、河滩渠道化等工程措施需要考虑河流形态变化造成的水环境影响和水资源影响。

4 结论与建议

水资源利用对河流形态的影响既可以是局地小段的、短期的也可以是长期的，对整条河流甚至是流域的影响。河流形态的改变会改变河流水文条件、河流水力条件、区域水文循环，从而改变水资源量、水质和水生态系统，影响洪水过程，影响河流生产力。此外，还会影响地下水，造成地质灾害隐患。同时，大规模开发水能对河流的造床作用、对流域生态系统的扰动及对河流生产力的影响也需引起重视。因此，水资源开发利用需要进行河流形态影响的评估，控制对水和环境的不利影响。

[1] 钱宁,张仁,周志德.河床演变学[M].北京:科学出版社,1987:339.

[2] J.David A.Maria M.C.河流生态学[M].北京:中国水利水电出版社,2017:44-93.

[3] 戴树桂,岳贵春,王晓蓉,等.环境化学[M].北京:高等教育出版社,1997:86-155.