基于耦合弗劳德数 奇异性指数的河流生物栖息地多样性研究

余 磊，王俊敏，尤爱菊，王 冠

（1.平湖市水利局，浙江 平湖 314200；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；3.杭州汽轮机股份有限公司，浙江 杭州 310022）

1 问题的提出

河流湖泊具有供水、灌溉、发电、航运和休闲娱乐等多种功能[1-3]。长期以来，人类为满足自身生存、发展的需要，非常注重开发利用河湖的社会功能，却往往忽视河湖的生态功能。例如：为了增加粮食产量，人类大规模地围湖造田、开垦坡地；为了满足供水、防洪、发电与航运等需要，修建大量的水利工程[4-5]。人类的各种活动极大地改变河湖的自然状态，造成河湖生态系统的严重退化[6-8]。

我国的河流保护工作总体上还处于河流水质及湖泊的富营养化恢复阶段[8]，在水质评价方面已做了大量的工作，但水质评价指标主要采用理化指标，仅有少部分河段的评价采用生物指标[8-11]。总体上，我国在生物评价方面的研究及实践还处于初级阶段，还有许多工作亟待开展，目前还没有形成系统的观测和监测资料反馈机制。从我国国内河道水系的监测现状和发展来看，虽然部分河道的水文和水质监测已有较为完善的资料和经验积累，但缺乏与生物、生境联系方面的观测和研究成果[12-13]。在生物栖息地评价方面，也未能提出系统的评价方法。

2 基于耦合弗劳德数—奇异性指数的生境多样性评价方法

国际上针对河流生态健康状况的指标体系和评价方法进行广泛的研究，形成一系列各具特色的指标体系和评价方法。近20 a来，河流健康评价的方法获得长足发展，出现RIVPACS，AUSRIVAS，IBI，ISC，RCE，RHS，RHP等多种方法并得到广泛应用[14-16]，就评价原理而言，大致可将这些评价方法分为预测模型法（Predictive Model）和多指标评价法（Multimetrics），具体见表1[17-20]。

表1 常见的河道生态评价方法表

作为河流生态评价的重要组成部分，生境多样性反映河流中水生生物的生活环境情况，世界上常用的生境评价多以生物监测、化学监测和物理结构测量三者相结合的方式进行。然而，由于我国河流生态监测和评估工作起步较晚，生物和物理结构监测均较少。另一方面，我国自“十二五”以来，大力推动中小河流治理，河流的综合整治取得良好效果，积累大量的河道断面以及水文监测资料。鉴于此，本研究引入耦合水力学和统计学参数的弗劳德数—奇异性指数概念，基于国内常见的河道地形和水文基础资料，以河道内水生生物的生存环境为评价对象，计算其多样性指数，进而评估河道的生境多样性。

2.1 河流生境类别

结合前人的研究成果，河道水流的水力学条件与水生生物的生境之间存在一定的联系：因河道水流水力学条件的变化而引起的流态变化，将对水生生物的生境，包括水体流速、水位、含氧量、温度等生态因子产生影响。对于受到人类活动干扰的河道，尤其是城区性河道，其断面形态整齐划一，易造成其生物生境单一，严重影响生物的栖息状态。相比较而言，天然河道的断面形态丰富，深潭浅滩鳞次栉比，为水生生物提供多样化的生境。一般来说，天然河道内水生生物的生存环境状况明显好于人工河道。

2.2 奇异性指数原理

奇异性指数多用于工程力学、地理统计和电子信息工程学等方面，用以表征局部场量的特征分布和空间自相似性。近年来，将奇异性指数引入生态评估中，利用其表征区域性的生态变化程度开始应用于各类研究之中，例如利用Simpson指数研究复杂地形下的生态系统，利用Shannon - Weiner指数进行森林生态演化或海洋生物多样性研究等。相关研究显示，引入适当的奇异性指数，有利于量化表征生态的多样性程度，从而评估生态演化的进程。

由于奇异性指数的引入和计算需要建立在一定规模的样本数量上，在河湖健康评估中引入奇异性指数进行研究，目前甚少被实际应用。石瑞花等引入标准Shannon - Weiner指数对河道生境进行评估，初步探索奇异性指数在河湖生态评价中的应用[16]。本研究综合考虑水力学和统计性参数，提出简化的奇异性指数计算方法，对河道生境多样性进行评估研究。

2.3 生境多样性指数计算方法

相对于区域范围较广的森林生态或海洋生态评估，河道生态评估的特点较为明显，即横向宽度较窄，纵向长度较长，以浙江省为例：河道的宽度一般为40 ～ 200 m，但河道纵向长度可达几十甚至数百公里。因此，传统的以面积为划分依据计算奇异性指数的方法并不适用于河道生境研究。考虑到河道的特殊性，本文引入水力学范畴的Froude Number（弗劳德数，以下简称“Fr”）和简化的Shannon - Weiner Coefficient（香农 — 维纳奇异性指数，以下简称“SW”），并将二者结合，以量化分析河道生物栖息地多样性状况。河道水力学条件与生境关系见表2。

表2 河道水力学条件与生境关系表

首先在评价河段中选取不少于10个断面，按式（1）依次进行弗劳德数计算：

式中：u为断面平均流速（m/s）；h为水深（m）；g为重力加速度（m/s2）；Fr为弗劳德数。

将计算得到的Fr进行排序，并选取极大值和极小值。之后，按计算断面总h为区间将Fr的极值分为不同单元，每一个单元为一类栖息地，按式（2）进行评价。生境多样性指数赋分及描述见表3。根据表3生境多样性指数的计算结果，对河道生境多样性状况进行评估。

式中：PFr为第i类栖息地；TFr为栖息地类型总个数；M为栖息地多样性指数。

表3 生境多样性指数赋分及描述表

3 典型河道生境多样性研究

本研究选取浙江省马金溪进行河道生境多样性研究。马金溪，又名金溪，干流总长89.16 km，是浙江省衢州市开化县最大的河流，为衢江的上游，也是钱塘江的源头之一。发源于安徽省休宁县龙田乡板仓村附近的青芝棣尖，经龙田、桃林到西坑口进入开化县境，流经齐溪镇、霞山、马金镇、徐塘、底本乡、音坑、城关镇、龙山底、华埠镇。上游为一条狭带状谷地，途经七里垄、密赛2个狭谷，县城以下地形渐趋开展，向东流至常山县入常山港，最后汇入衢江。

本次选取马金溪主干流（密赛 — 新下大桥）河段进行河道生境多样性评价研究，该河段长度16.36 km，流域面积约为797 km2，主要流经开化县的城关镇。根据《开化县马金溪（干流）流域综合治理规划》，该河段兼具河流源头区和干流区的双重特性，其河道生态特性较为明显，但其社会服务功能也较为突出。马金溪现状见图1。

图1 马金溪现状图

评价河段上设有2个水文站（密赛站、开化站），本次计算采用2个水文站点2015年全年逐日流量资料。选取2015年2，7，12月的月平均流量作为2015年马金溪相对枯水期、丰水期和平水期流量进行计算。在评价河段中选取10个断面，分别采用相对丰水期、平水期、枯水期流量进行弗劳德数计算，并利用耦合弗劳德数 — 奇异性指数公式计算该河段的生境多样性指数。马金溪生境多样性计算典型断面分布见图2。

图2 马金溪生境多样性计算典型断面分布图

根据马金溪水文站点2015年2，7，12月的逐日流量数据并求其平均值，得到马金溪2015年相对丰水期平均流量为80.76 m3/s，相对平水期平均流量为38.62 m3/s，相对枯水期平均流量为28.03 m3/s。

同时，参考相关规划并结合现场监测所得到的马金溪断面资料，本次所选取的10个断面的基础数据及不同时期Fr的计算结果见表4。马金溪生境多样性指数计算见表5。

表4 马金溪断面Fr计算成果表

表5 马金溪生境多样性指数计算表

由表5可知，在不同流量情况下，基于耦合弗劳德数—奇异性指数的马金溪生境多样性指数表征有所不同。在相对丰水期，马金溪生境多样性指数为0.86，指数较高，反映在丰水期间，因河道流量大，且马金溪河道内深潭浅滩分布广泛，河道内形成丰富多样的水生生物栖息环境，适宜各种类别种属的生物在河道内栖息生长。

相对平水期和枯水期的生境多样性指数均为0.80，均小于相对丰水期，但总体上该指数仍处于较高水平。说明在流量较小的相对平水期、枯水期，马金溪仍保持较高的水生生物栖息地多样性水平。这一方面与马金溪河道断面形态多样化有关，另一方面，也与马金溪在相对平水期、枯水期仍保持较高的流量有关。

整体上，马金溪2015年的丰水期、平水期、枯水期的生境多样性指数各不相同，但均处于较高水平。从马金溪的功能定位和现状情况，马金溪属于典型的兼具源头 — 干流区特征的河道，其河道生态环境保护较好，生物生存环境多样化。其现状表征与本次生境多样性指数的计算结果具有较高的符合度。

4 结 语

本研究立足河道自身形态和流量变化，耦合水力学和统计学中的常用参数，构建用以表征河道生境多样性的量化指标。研究以马金溪为例，在目前浙江省内极度缺乏水生生物监测的背景下，采用该指数对马金溪河道进行生境多样性评价，利用河道断面形态和流量等较易获取的地形及水文监测数据，计算分析马金溪河道的水生生物生存情况。结果显示，该指数能较好地反映马金溪不同时期内的生境状况。鉴于现状情况，我国河道水系内的生物监测非常匮乏，利用该指数可以简单、有效地对河道水系进行生境多样性评价，进而快速评价河道水系的生物生存状况。