近60年长江流域河流纵向连通性演变特征

唐家璇，曾庆慧，胡鹏，侯佳明，李哼特，侯虹波

(1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.北京市通州区推进京津冀协同发展服务中心，北京 101125)

水系是指由流域内所有河流、湖泊、湿地等各种水体组成的脉络相通的水网系统[1]。河流作为水系的主体[2]，其结构和功能的连通性在维持景观生态完整性和质量[3-5]、优化水资源配置与管理[6]、抵御洪涝灾害[5]、维持水体纳污和自净能力[7]以及保证水生生物生境与鱼类洄游[8-10]等方面具有重要作用。随着社会经济的发展，人类对水资源的高度开发利用导致许多流域出现水系衰落、河流连通性受阻的现象[11]，严重影响了河流功能的发挥。因此，需要重视流域内河流连通性的变化特征和规律，为河流结构和功能连通性的恢复提供科学的参考。

自1988年Amoros等[12]提出河流连通性的概念以来，国内外学者在河流连通性的定义、机制、定量计算和评价等方面做了大量工作。在河流连通性定义方面，不同研究背景的学者[13-17]分别从生态学、河流地貌学等不同角度定义了河流连通性。Freeman等[14]认为在生态学背景下河流连通性是指物质、能量和生物在河流水系各组分间转移扩散的通畅程度。Hooke[16]从河流地貌学的角度将连通性定义为河流系统中流水和沉积物的物理连接。在河流连通性机制研究方面，Ward[18]于1989年提出了河流生态系统时间和空间的四维结构，成为20世纪90年代至今河流连通性评价研究重要的理论基础。在空间维度上，河流连通性机制表现为源头-河口的纵向连通，河道-河滩地/湿地/湖泊之间的横向连通以及河流地表水-地下水的垂向连通；在时间维度上，河流连通性机制表现为河流水系随季节变迁而产生的动态变化[18-21]。其中，河流纵向连通性作为受人为因素影响最显著的维度，受到许多学者[22-24]的关注。

目前，定量计算和评价河流连通性的方法主要有指标法、累积法、水文模型法和图论法等[19-20]，其中又以指标法的研究最为普遍。如:Cote等[25]考虑不同位置闸坝对鱼类顺流、溯流运动的不同影响，提出了树状河网连通性指数计算方法(dendritic connectivity index,DCI)，并说明了其合理性及适用性;王强等[26]采用简化的树状河网连通性指数法说明了水电梯级开发对西南地区藻渡河纵向连通性的影响较五布河更大；孙鹏等[27]基于累积法确定了潍河水系内各河段的闸坝可通过能力，进而采用DCI法对潍河水系的纵向连通性进行评价，为未来潍河水系连通性修复可能面临的闸坝拆除次序的确定提供了参考。此后，Rivers-Moore等[28]将不同类型拦河建筑物的阻隔特征纳入考虑范畴，提出了河流纵向连通性指数计算方法(longitudinal index,LGI)。借鉴该方法，吕军等[29]采用阻隔系数法评价了松花江主要干支流的纵向连通性，并分析了河流连通性降低对鱼类洄游和鱼卵漂流的影响；王坤等[30]分析了1980—2015年清水河流域水系纵向连通性的变化特征，结果表明清水河流域纵向连通性差的区域呈逐渐减少的趋势。另外，在较大空间尺度上的长时间序列河流纵向连通性研究较为缺乏，仅Duarte等[31]对欧洲水系近百年来大坝的时空变化进行了研究，分析了大坝对河流纵向连通性的破坏，重点关注了对洄游性鱼类的影响；Nilsson[9]采用最长连续河段占比量化了大坝对河道的破碎作用，对全球292条大型河流进行了评价，指出104条河流的纵向连通性已受到了严重破坏。

现有研究对河流纵向连通性的评价大都采用单一方法，具有一定的局限性，缺少不同评价方法的对比及分析，并且由于数据不易获取，对国内重点流域河流纵向连通性的长系列演变规律研究不足。本文在前述研究的基础上，采用阻隔系数法、最长连续河段占比法以及新提出的区域整体法等3种不同评价方法对长江流域河流纵向连通性进行评价，以期较为全面地揭示近60年长江流域河流纵向连通性的演变特征，并对不同评价方法结果的差异进行分析，研究结果可为长江流域未来水利工程建设和水生态系统保护修复提供参考和支持。

1 研究区与数据来源

1.1 研究区概况

长江流域横跨我国西部、中部和东部，流域总面积约180万km2，约占我国国土总面积的18.8%，是我国和亚洲的第一大流域[32]。长江流域自然资源丰富，水资源总量约占全国的35%，淡水鱼类种类约占全国的40%，湿地面积约占全国的20%，在国家未来发展战略中处于重要地位[33-34]。流域内水系发达，分为12个水资源二级区，分别是金沙江石鼓以上、金沙江石鼓以下、岷沱江、嘉陵江、乌江、宜宾至宜昌、洞庭湖水系、汉江、鄱阳湖水系、宜昌至湖口、湖口以下干流以及太湖水系。流域内共有流域面积50 km2及以上河流10 741条，其中流域面积10 000 km2及以上的主要河流45条，见图1。

图1 长江流域水资源二级区及主要河流分布

1.2 数据说明

根据《第一次全国水利普查公报》[35]，选取对河流纵向连通性具有重要影响的水库、水电站、水闸和橡胶坝4类拦河建筑物进行评价。长江流域内河流拦河建筑物信息主要来自2010年水利普查数据，其中包含了2010年已开工但尚未建成的水利工程名录。在此基础上，参考长江流域水电梯级开发相关规划，补充查阅大量网络资料，对2010年后建成的水利工程进行了补充。数据内容包含了水利工程名称、所在河流、经纬度坐标、开工时间、规模等基本信息。根据水利工程的建成时间，梳理不同时间节点(1960、1980、2000、2018年)已建水利工程数量，进行不同时期河流纵向连通性的评价。其中，水库、水电站和水闸的规模分级参考《水利水电工程等级划分及洪水标准》[36]，分别根据总库容、装机容量、过闸流量确定。

2 研究方法

本研究基于长江流域内水库、水电站、水闸和橡胶坝4类拦河建筑物建设情况，采用3种不同评价方法探究近60年长江流域河流纵向连通性的演变特征。其中:阻隔系数法侧重于体现拦河建筑物的数量和阻隔特征对物质流、生物流、能量流、信息流畅通程度的影响；最长连续河段占比法侧重于体现拦河建筑物位置分布特征及其对以鱼类为代表的水生生物适宜生境面积的影响；区域整体法侧重于从总体上对长江流域各水资源二级区的河流纵向连通性进行评价。

2.1 阻隔系数法

阻隔系数法评价对象为长江流域范围内流域面积10 000 km2及以上的主要河流，共45条。参与评价的拦河建筑物类型包括水库、水电站、水闸和橡胶坝，其中水库规模为大、中型，水电站规模为小(1)型及以上，水闸规模为大型，橡胶坝不区分规模。阻隔系数法表征的是单位长度河段受拦河建筑物阻隔的程度，其值越大，说明阻隔越强，纵向连通性越差。阻隔系数法计算公式[29]为

(1)

式中：Bj为第j条河流的纵向连通性指数；n为拦河建筑物类型的数量;Ni为第i种拦河建筑物的总数量；ai为第i种拦河建筑物的阻隔系数；Lj为第j条河流的长度。

在对长江流域拦河建筑物类型进行整理和分析的基础上，结合相关资料和专家意见，确定了水电站、水库、水闸以及橡胶坝4类拦河建筑物在不同阻隔特征下的阻隔系数，见表1。

表1 拦河建筑物类型及阻隔系数赋值

参考《水资源保护规划编制规程》[38]和《全国水资源保护规划技术大纲》[39]中关于河流纵向连通性评价的规定，结合长江流域主要河流的实际情况，确定了阻隔系数法河流纵向连通性的评价标准，见表2。

表2 阻隔系数法河流纵向连通性评价标准

2.2 最长连续河段占比法

最长连续河段占比法的评价对象与参评拦河建筑物同阻隔系数法。最长连续河段占比法表征的是河流内不受拦河建筑物阻隔的最长自由流动河段长度占总河长的比例，其值越大，说明河流内水生生物的连续生境面积越能得到保证，纵向连通性越好。最长连续河段占比法计算公式[40]为

(2)

式中：Wj为第j条河流的纵向连通性；Imax为河流内2个相邻拦河建筑物之间不受拦河建筑物阻隔的最长连续河段长度，km；Lj含义同上。

参考Hu等[40]的研究内容，结合水生生物生境需求和长江流域主要河流的实际情况，确定了基于最长连续河段占比的河流纵向连通性评价标准，见表3。

表3 基于最长连续河段占比法的河流纵向连通性评价标准

2.3 区域整体法

区域整体法是基于阻隔系数法衍生出的能够从面的维度评价区域河流整体纵向连通性的方法，计算公式为

1,2,…,m)

(3)

式中：Bk为第k个水资源二级区的区域整体连通性指数；m为该二级区内流域面积50 km2及以上河流的总数量；n、Ni、ai、Lj含义同阻隔系数法。

区域整体法的评价对象为长江流域12个水资源二级区，参与评价的拦河建筑物包括流域面积50 km2及以上河流(共10 741条)上所有的水电站、水库、水闸和橡胶坝。由于目前各二级区内小型拦河建筑物的数量占比较大，因此在对现状年进行评价时分别针对考虑小型拦河建筑物与不考虑小型拦河建筑物2种情况进行评价，以评估小型拦河建筑物对各二级区河流纵向连通性的影响程度。在不考虑小型拦河建筑物时，区域整体法的评价标准同阻隔系数法，见表2。在考虑小型拦河建筑物后，由于计算结果的数值会远大于仅考虑大中型拦河建筑物的数值，因此对于原评价标准中等级为劣的区间进一步做了细分：[1.2,10]为劣Ⅰ，(10,20]为劣Ⅱ，(20,30]为劣Ⅲ，大于30为劣Ⅳ。

3 结果与分析

3.1 阻隔系数法评价结果

根据长江流域45条主要河流上拦河建筑物建设情况，采用阻隔系数法计算公式及其评价标准，分别对1960、1980、2000和2018年4个时间点流域内主要河流的纵向连通性进行评价，评价结果见图2。

图2 基于阻隔系数法的河流纵向连通性评价结果

图3展示的是1960、1980、2000和2018年4个时间点根据阻隔系数法评价结果确定的不同评价等级的河流数量和占比。结合图2和图3可以看出，在时间维度上，长江流域45条主要河流的纵向连通性呈现逐步恶化的趋势:1960年除抚河、信江外，其余43条主要河流的评价等级都为优；1960—1980年洣水成为第一条评价等级降为差、劣的河流；1980—2000年评价等级为差、劣的河流占比逐步增长至20.0%，数量达到9条；2000—2018年评价等级为差、劣的河流占比分别增长至24.4%、42.2%，占比之和达到了66.6%，数量增加到30条。可见，2000—2018年是长江流域主要河流纵向连通性急剧恶化的时段。

图3 基于阻隔系数法的不同评价等级河流数量和占比

图4为1960—1979年、1980—1999年以及2000—2018年3个时段45条主要河流4类拦河建筑物的建设情况。根据图4可知，近60年长江流域大、中型水库和小(1)型以上水电站新增数量最多，分别占新增拦河建筑物总数的57.3%和22.8%，大型水闸和橡胶坝新增数量较少，仅占新增总数的19.9%。2000—2018年共修建大、中型水库175座，占大、中型水库新增总数的66.8%；修建小(1)型及以上规模水电站82座，占小(1)型以上规模水电站新增总数的78.8%；大型水闸建设数量为42座，占大型水闸新增总数的67.7%；3个时段橡胶坝共建设29座，其中2000—2018年集中建设了24座。总体来看，2000—2018年大中型水库、小(1)型以上水电站、大型水闸新增数量在3个时段中最多，由于橡胶坝数量较少、阻隔性不强，因此，大中型水库、小(1)型及以上水电站和大型水闸的骤增对2000—2018年长江流域主要河流纵向连通性的恶化产生了重要影响。

图4 不同时段4类拦河建筑物修建数量

在空间分布上，根据图2中2018年评价结果，评价等级为劣的主要河流集中分布在岷沱江、嘉陵江以及洞庭湖水系水资源二级区，共14条，占评价等级为劣的河流总数的73.7%。因此，要重点关注岷沱江、嘉陵江和洞庭湖水系3个二级区主要河流纵向连通性的保护和修复，从而在一定程度上恢复因物理上的阻隔所造成的河流系统物质、能量、生物和信息的传导功能的减弱和丧失。河流纵向连通功能的恢复可采取以下措施：增建鱼道等过鱼设施，帮助洄游性鱼类上溯产卵繁殖；开展增殖放流，有助于水生生物物种数量的恢复和种群向下游的迁移扩散；进行水利工程生态调度，为以鱼类为代表的水生生物创造适宜繁殖的水文、水动力条件。

3.2 最长连续河段占比法评价结果

根据长江流域45条主要河流拦河建筑物的建设情况，采用最长连续河段占比法计算公式及其评价标准，分别对1960、1980、2000和2018年4个时间点流域内主要河流的纵向连通性进行了评价，评价结果及拦河建筑物位置分布见图5。

图5 基于最长连续河段占比法的河流纵向连通性评价结果及主要拦河建筑物分布

对比图2和图5可知，最长连续河段占比法的评价结果与阻隔系数法的评价结果在整体变化规律上基本一致，除汉江和长江干流的评价等级差别较大外，其余河流的评价等级均在相邻等级范围内变化。值得说明的是：赣江、唐白河等5条河流的评价等级较阻隔系数法有所下降，说明这些河流虽然拦河建筑物数量不多或阻隔性不强，但由于分布较为分散，对河流连续生境的破碎作用更加突出；白龙江、水洛河等12条河流的评价等级较阻隔系数法有所提升，说明这些河流虽然拦河建筑物较多、阻隔性较强，但由于分布较为集中，河流内部仍保留有一定比例的自然连通生境。

在时间维度上，最长连续河段占比法的评价结果在总体趋势上与阻隔系数法基本相同。1960、1980、2000和2018年45条主要河流的平均最长连续河段占比分别为96.5%、82.9%、66.4%和47.8%，平均最长连续河段占比在1960—1980年、1980—2000年、2000—2018年3个时段分别下降了13.6%、16.5%、18.6%。虽然平均连续河段占比在3个时段的变化相差不大，但是河流评价等级降为劣的过程基本集中在2000—2018年，从2000年的2条(占比4.4%)迅速增加至2018年的15条(占比33.3%)。见图6。

图6 基于最长连续河段占比法的不同评价等级河流数量和占比

在空间分布上，对比2种方法2018年的评价结果，最长连续河段占比法也与阻隔系数法基本一致。评价等级为劣的15条主要河流中，7条位于洞庭湖水系，2条位于岷沱江二级区，2条位于嘉陵江二级区，共11条，占评价等级为劣的河流总数的73.3%。因此，岷沱江、嘉陵江以及洞庭湖水系水资源二级区主要河流纵向连通性的保护恢复工作亟待规划和实施。

综合2种方法的评价结果，阻隔系数法和最长连续河段占比法揭示的长江流域近60年河流纵向连通性的时空演变特征基本一致，且与实际情况较为符合。如洞庭湖水系二级区沅水、澧水、资水等主要河流属于湘西水电基地，由于规划的梯级水电站逐步建成，河流纵向连通性破坏严重，在2种评价方法下评价等级都为劣。另外，2种方法的评价标准都有所依据，数据准确可靠，保证了本研究评价结果的可信度和合理性，评价结果可作为长江流域河流生态系统保护修复的参考。

3.3 区域整体法评价结果

根据长江流域各水资源二级区拦河建筑物统计数据，仅考虑大中型拦河建筑物，采用区域整体法计算公式及其评价标准，分别对1960、1980、2000和2018年4个时间点12个水资源二级区的整体河流纵向连通性进行了评价，评价结果见图7。

图7 仅考虑大中型拦河建筑物的区域整体法评价结果

在时间维度上：1960年以前，长江流域各二级区的河流纵向连通性基本未受到拦河建筑物的破坏；1960—1980年，除洞庭湖水系、鄱阳湖水系和宜昌至湖口二级区外，其余二级区的河流纵向连通仅受到拦河建筑物轻微影响；1980—2000年，各二级区的河流纵向连通性未发生明显恶化，仍有7个二级区的评价等级为优；2000—2018年是长江流域二级区河流纵向连通性整体恶化的时期，仅有金沙江以上二级区评价等级仍为优，这与主要河流纵向连通性的时间变化特征基本一致。

在空间分布上：长江流域东部地区的区域整体连通性较西部地区更差，位于长江中下游的洞庭湖水系、鄱阳湖水系和宜昌至湖口二级区是河流纵向连通性状况最为恶劣的地区。其中，洞庭湖水系二级区的河流纵向连通问题最为突出，不仅区域内主要河流纵向连通性状况堪忧，区域整体河流纵向连通性的评价等级也自1980年开始即变为差。因此，洞庭湖水系二级区主要河流和区域整体纵向连通性修复工作应同步进行。

经过近60年的水利水电开发，2018年12个二级区内小型拦河建筑物的数量占比皆已超过95%，各二级区河流纵向连通现状的形成与小型拦河建筑物密不可分。如图8所示，考虑小型拦河建筑物后，2018年长江流域评价等级为优的水资源二级区有1个，评价等级为劣Ⅰ的水资源二级区有3个，评价等级为劣Ⅱ的有4个，评价等级为劣Ⅲ和劣Ⅳ的各有2个。对比图7和图8中2018年评价结果可知，小型拦河建筑物参与评价后，12个水资源二级区中，除金沙江石鼓以上(评价等级都为优)二级区外，其余二级区的评价结果都发生了不同程度的变化：金沙江石鼓以下、汉江、嘉陵江和宜宾至宜昌的评价等级由良变为了劣Ⅰ和劣Ⅱ；岷沱江、湖口以下干流和乌江的评价等级由中变为了劣Ⅰ和劣Ⅱ；太湖水系的评价等级由中变为了劣Ⅲ；宜昌至湖口、鄱阳湖水系的评价等级由差变为了劣Ⅲ和劣Ⅳ，洞庭湖水系的评价等级由劣Ⅰ变为了劣Ⅳ。

图8 考虑全部拦河建筑物的区域整体法评价结果

可以看出，数量巨大的小型拦河建筑物对于区域整体河流连通性的破坏是显著的。在评价等级发生较大变化的8个二级区中：金沙江石鼓以下、岷沱江二级区主要由小型水库、小型水电站导致；汉江、湖口以下干流二级区主要由小型水库、小型水闸导致；太湖水系二级区主要由小型水闸导致；小型水库在嘉陵江、乌江和宜宾至宜昌二级区河流纵向连通性的恶化中起主导作用。为了恢复长江流域各二级区的河流纵向连通性，应科学评估小水电的生态、经济和社会效益，率先合理退出小水电[41]。

4 讨 论

根据前述分析，长江流域大部分主要河流的阻隔系数法和最长连续河段占比法评价结果较为一致，但汉江、长江干流在2种方法下的评价结果差异较大，且均是最长连续河段占比法的评价结果差于阻隔系数法。以汉江为例，图9展示了汉江在2018年拦河建筑物的分布情况以及基于阻隔系数法、最长连续河段占比法的评价结果。由于汉江河长较长，无大型水闸、橡胶坝，仅分布有5座大、中型水库和2座小(1)型及以上闸坝式水电站，故在阻隔系数法下评价等级为良。但7座拦河建筑物的分布较为分散，上、中、下游皆有分布，导致最长连续河段不足汉江总河长的1/3，故在最长连续河段占比法下评价等级为差，反映出梯级水电开发对于鱼类等水生生物连续生境的显著破坏性。因此，从不同的保护对象及需要重点说明的问题出发，应考虑综合采用阻隔系数法、最长连续河段占比法等不同方法。

图9 汉江2018年拦河建筑物分布情况及2种方法评价结果

根据长江流域相关规划，金沙江、雅砻江和大渡河未来还将继续推进梯级水电开发，其中，金沙江水电基地和大渡河水电基地目前已基本完成了中、下游的梯级水电站建设，雅砻江水电基地目前只完成了下游的梯级水电站建设。以雅砻江为例，2018年雅砻江按照阻隔系数法的评价等级为良，按照最长连续河段占比法的评价等级为中，未来中游两河口等水电站、上游阿达等水电站建成后，雅砻江的纵向连通性会受到进一步影响。为了给以鱼类为典型代表的水生生物留有足够大的连续生境，降低梯级水电站建设对河流纵向连通性的影响，在未来进行梯级水电站规划和建设时，应将与相邻拦河建筑物间的距离、河流是否保留有足够长的连续河段、干流开发建设后是否有足够的支流替代生境等纳入考虑范畴，并配备升鱼机、鱼道等设施。

5 结论与展望

以长江流域作为研究区,采用阻隔系数法、最长连续河段占比法和区域整体法,对长江流域近60年河流纵向连通性的时空演变特征进行了分析，主要结论如下：

在时间维度上，近60年来长江流域境内主要河流的纵向连通性呈明显的下降趋势，其中纵向连通性恶化最显著的时期是2000—2018年。在空间分布上，纵向连通性评价等级为劣的主要河流集中在岷沱江、嘉陵江和洞庭湖水系3个水资源二级区内。

区域整体法评价结果表明，2000—2018年是长江流域二级区河流纵向连通性整体恶化的时期，长江流域西部地区的区域整体连通性较东部地区受拦河建筑物的破坏较轻。与大中型水利工程相比，小型水利工程对区域整体河流纵向连通性的破坏更大，建议合理有序退出长江流域小水电。

本文采用的3种评价方法各有侧重：阻隔系数法体现的是拦河建筑物数量和阻隔特征对单条河流纵向连通性的影响；最长连续河段占比法体现的是拦河建筑物分布位置对单条河流连续生境的破坏；区域整体法体现的是区域内拦河建筑物总数、阻隔特征对区域整体河流纵向连通性的影响。为了更加全面地反映河流纵向连通性的变化，可以综合参考不同方法的评价结果。