方佳佳， 王 烜， 孫 濤， 李春暉， 蔡宴朋， 李 智

(1.北京師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院 水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100875；2.北京師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院 水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100875)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)水資源的開發(fā)利用達(dá)到空前的規(guī)模，許多流域出現(xiàn)了水系衰落、連通受阻的現(xiàn)象[1]，流域上下游物質(zhì)、能量、信息傳輸受到阻滯，并對(duì)正常發(fā)揮流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能產(chǎn)生極大的負(fù)面影響。高強(qiáng)度的人為活動(dòng)背景下，基于“水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境”互饋關(guān)系的水資源承載力研究不應(yīng)僅沿襲傳統(tǒng)的水量平衡分析、水質(zhì)達(dá)標(biāo)管理，而應(yīng)拓展新的視角，更多地關(guān)注河流生態(tài)水文格局對(duì)生態(tài)水文過程的影響，從而為提升流域水資源承載力、修復(fù)受損的水生態(tài)系統(tǒng)提供決策支持。近年來，優(yōu)化生態(tài)水文格局的理論和實(shí)踐研究逐漸興起，對(duì)河流連通性進(jìn)行量化分析作為流域水資源可持續(xù)開發(fā)利用和管理的必要基礎(chǔ)，日益受到國(guó)內(nèi)外研究者和管理部門的關(guān)注[2-4]。本文擬梳理近20年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于河流連通性的定義、分類、評(píng)價(jià)方法，并就水流縱向連通性進(jìn)行著重分析，探討人工阻隔物對(duì)于河流生態(tài)水文過程的影響機(jī)制，為河流水資源的可持續(xù)開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

1 河流連通性的內(nèi)涵

對(duì)于河流連通性的研究，最早可追溯到1980年由Vannote等[5]提出的河流連續(xù)體(River Continuum Concept，RCC)的概念，其認(rèn)為從上游到下游河流系統(tǒng)內(nèi)的物理變量隨環(huán)境條件的變化呈現(xiàn)出連續(xù)變化梯度。河流連通性對(duì)于把握流域的生態(tài)水文動(dòng)態(tài)至關(guān)重要[6]。國(guó)外學(xué)者對(duì)連通性的研究集中于水文學(xué)、地貌學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，并對(duì)連通性的量化方法進(jìn)行了探討。水流連通通常被定義為在水文循環(huán)中或各要素間的以水為介質(zhì)的物質(zhì)、能量及生物的傳輸過程[3,7-8]。Ward[9]從四維角度提出了河流連接度的概念，將其作為度量水資源在河流景觀內(nèi)相互傳遞能力大小的指標(biāo)。Croke 等[10]從景觀特征角度將水文連通定義為流域上游來水與外界來水產(chǎn)生的徑流和泥沙的內(nèi)部連接，包括兩種類型，一是通過溝渠產(chǎn)生的直接連通；二是地表徑流通過地面路徑和河流網(wǎng)絡(luò)相連產(chǎn)生的擴(kuò)散連通。Hook[11]從河流地貌學(xué)的角度將連通性定義為河流系統(tǒng)中流水和沉積物的物理連接。對(duì)于無明顯地表徑流的坡面水文連通，主要是指當(dāng)?shù)叵滤桓哂诓煌杆畬訒r(shí)，河岸區(qū)域與陸地區(qū)域通過地下徑流產(chǎn)生的連通[12-13]。Jencso等[14]研究了流域景觀要素(山坡和河岸帶)與渠道網(wǎng)絡(luò)之間的連通，根據(jù)蒙大納州洛磯山北部的Tenderfoot Creek實(shí)驗(yàn)林(美國(guó)森林服務(wù))內(nèi)的24個(gè)HRS斷面分布的84個(gè)記錄井觀測(cè)數(shù)據(jù)量化了水位連通性。

國(guó)內(nèi)對(duì)于河湖水系連通的實(shí)踐自古有之，但關(guān)于連通性的理論基礎(chǔ)研究要落后于實(shí)踐，目前在連通性概念與內(nèi)涵、構(gòu)成要素、連通性分類、功能、研究尺度等方面已有了初步進(jìn)展。長(zhǎng)江水利委員會(huì)編寫的《維護(hù)健康長(zhǎng)江，促進(jìn)人水和諧研究報(bào)告》將水系連通性定義為：河道干支流、湖泊及其他濕地等水系的連通情況，反映水流的連續(xù)性和水系的連通狀況。2010 年1月，水利部陳雷部長(zhǎng)在全國(guó)水利規(guī)劃計(jì)劃工作會(huì)議提出“河湖連通是提高水資源配置能力的重要途徑”后，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于連通性的研究也日益增多。王中根等[15]指出水系連通性本質(zhì)上是受流域(區(qū)域)水循環(huán)背景條件和過程影響，由水系的結(jié)構(gòu)形式(如樹枝狀水系、網(wǎng)狀水系等)和水系特征參數(shù)(如河網(wǎng)密度、湖泊率等)所決定的。由于研究區(qū)域和環(huán)境的不同，水文連通的概念未有統(tǒng)一的定義，至今也沒有進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)考核的明確方式[16]。國(guó)內(nèi)對(duì)于水文連通的研究多集中橫向連通，即河流與湖泊、河流與人工濕地、河流與沼澤、河流與蓄滯洪區(qū)的連通，而對(duì)于直接體現(xiàn)河流連續(xù)體在流動(dòng)空間上前后接續(xù)關(guān)系的縱向連通研究尚不夠深入?！度珖?guó)水資源保護(hù)規(guī)劃技術(shù)大綱》中指出縱向連通性是水生態(tài)狀況評(píng)價(jià)中“物理形態(tài)”這一準(zhǔn)則層中的指標(biāo)，表征河流系統(tǒng)內(nèi)生態(tài)元素在空間結(jié)構(gòu)上的縱向聯(lián)系。但筆者認(rèn)為縱向連通性不應(yīng)該僅僅是關(guān)乎“物理形態(tài)”，其所帶來的一系列水環(huán)境條件變化、水文生態(tài)交互響應(yīng)過程不應(yīng)該被忽略，因而其內(nèi)涵需要得到完善。

流域內(nèi)的河流連通具有4個(gè)維度的特征[17]，即1個(gè)時(shí)間維度和3個(gè)空間維度(源頭-河口的縱向連通，湖泊/沼澤/人工濕地/蓄滯洪區(qū)-河道的橫向連通，河流地表水-地下水的垂向連通)，其平面圖如圖1所示，其分類如圖2所示。河流連通性是生態(tài)水文格局的一個(gè)重要指征，各維度相互關(guān)聯(lián)，持續(xù)影響著生態(tài)水文系統(tǒng)的過程。

圖1 流域內(nèi)的水系連通平面圖

圖2 河流連通性分類

綜上，筆者認(rèn)為河流的連通性可定義為河道干支流、湖泊及其他濕地等水系在物質(zhì)、能量和信息上的連通情況，它反映了水流的連續(xù)性和可循環(huán)性，關(guān)乎水文與生態(tài)交互作用，關(guān)乎生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，是一個(gè)多維度且存在時(shí)空變異性的概念。

2 河流連通性對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的影響

河流的生態(tài)功能包括：棲息地功能、過濾作用、屏蔽作用、通道作用、源匯功能等方面[18]。良好的連通性可以促進(jìn)河流生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)與能量循環(huán)，為水中生物及鳥類等營(yíng)造良好的生存環(huán)境。天然河流通過季節(jié)性的洪泛，不僅有助于周邊土壤、地貌的發(fā)育，還有利于種群的繁殖擴(kuò)大及生物多樣性水平的維護(hù)[17]。而河流連通的受阻或中斷則會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)程，人類高強(qiáng)度開發(fā)的河流系統(tǒng)易于出現(xiàn)棲息地片段化，其樹狀網(wǎng)絡(luò)的連接易地被人工建筑物諸如大壩和涵洞之類的共同基礎(chǔ)設(shè)施所斷開[19]。這些阻隔物會(huì)阻礙了河流生物群的洄游，繁殖，棲息和擴(kuò)散[20]。而且，在棲息地碎片中分離的種群會(huì)更容易受到隨機(jī)擾動(dòng)，并存在近親繁殖的風(fēng)險(xiǎn)，一旦消失就很難重新建群[21]。更有研究表明，在極端的情況下，河流受阻已經(jīng)引起了動(dòng)物種群數(shù)量的顯著下降甚至滅絕[22]。河流連通受阻已經(jīng)成為人水關(guān)系不和諧的重要表現(xiàn)，成為影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、河流健康的關(guān)鍵制約因素。因而揭示河流連通性對(duì)于水生態(tài)過程的影響機(jī)理對(duì)于河流的健康管理尤為重要。

為了更有效的利用水資源，我國(guó)在流域河流中建設(shè)了為數(shù)眾多人工構(gòu)筑物，如水庫、閘壩、道橋等。這些建筑物對(duì)于河流的縱向連通性產(chǎn)生了巨大的阻隔，易造成末端河流消失、河網(wǎng)主干化明顯、棲息地破碎等現(xiàn)象[23-24]。由人工構(gòu)筑物帶來的連通受阻是目前許多高強(qiáng)度開發(fā)河流所面臨的最直接的問題，也是河流管理中解決上下游用水沖突和協(xié)調(diào)必須考慮的首要問題之一，然而當(dāng)前鮮有針對(duì)此方面的研究。因而，筆者將重點(diǎn)探討河流縱向連通性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)理。人工構(gòu)筑物帶來的連通性改變對(duì)水量、水質(zhì)、生物的影響及三者的相互作用如圖3所示。人工構(gòu)筑物對(duì)連通性的影響主要包括3種途徑：阻斷動(dòng)物遷徙通道而影響上游連通[25]，滯留營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及生物而影響下游連通[26]，影響水土界面營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)交換通量來影響關(guān)鍵生態(tài)過程[27]。

圖3 人工構(gòu)筑物對(duì)水量、水質(zhì)、生物的影響及三者的相互作用

2.1 河流連通性對(duì)水量的影響

河流縱向連通性的改變對(duì)水量影響主要是由于人類通過修建水庫、閘壩等改變了河流的自然流動(dòng)規(guī)律，改變了自然河流本身所服從的季節(jié)流量模式，形成了一種人為的流量變化模式，例如澳大利亞境內(nèi)的活勒甘巴水壩的建立使得其所在河流的每年平均洪水量減小至少一半以上[28]。另外，整個(gè)流域的水文情勢(shì)也將受到極大的影響，薛聯(lián)青等[29]以塔里木河干流為研究區(qū)，運(yùn)用改進(jìn)的RVA法來評(píng)價(jià)水利工程對(duì)其生態(tài)水文情勢(shì)的影響，結(jié)果表明水庫建設(shè)運(yùn)行對(duì)塔里木河干流徑流影響較大：多數(shù)月份的月均流量減少；年內(nèi)低流量的次數(shù)增加；部分站點(diǎn)流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)增加。Guyassa等[30]研究了埃塞俄比亞北部高原的攔砂壩對(duì)徑流的影響，通過安裝三角堰、自動(dòng)傳感器分別測(cè)量徑流排放與徑流深度，結(jié)果表明由于自然地理環(huán)境的不同，河流連通性對(duì)水量影響的后果也存在較大的差異，與未處理的溝渠相比，安裝了攔砂壩的溝渠會(huì)出現(xiàn)徑流滯后現(xiàn)象，且峰值流量及徑流量總體均呈減少狀態(tài)。由于自然地理環(huán)境的不同，河流連通性對(duì)水量影響的后果也存在較大的差異，如在中國(guó)干旱區(qū)和半干旱區(qū)，由于河流連通性受阻將直接導(dǎo)致河道斷流、生態(tài)流量虧缺，水量影響成為最基本的問題；而在水資源豐沛的西南大江大河源區(qū)，水電梯級(jí)開發(fā)導(dǎo)致的河流連通性變化對(duì)水量影響相對(duì)較小，研究者則更多地關(guān)注除水量影響之外的生物、信息連通等問題。

2.2 河流連通性對(duì)水質(zhì)的影響

在河流上構(gòu)筑人工建筑物后，河水被攔蓄形成水面面積廣闊的水庫，相比于自然河流，暴曬于太陽下的水面面積大大增加，蒸發(fā)量將會(huì)增大，河流的鹽度就會(huì)增加[31]。另外，從壩區(qū)水庫上部泄水口的出水的溫度常年比天然河水高，因由泄水口注入天然河流中的水會(huì)改變?cè)械乃疁?，而物質(zhì)在水中的溶解度與水溫息息相關(guān)，這會(huì)對(duì)水中的溶解氧以及懸移物質(zhì)的數(shù)量產(chǎn)生一定的影響，同時(shí)，還會(huì)影響河流中的相關(guān)化學(xué)反應(yīng)。由于河水季節(jié)溫度發(fā)生改變，會(huì)對(duì)水生生物的生命周期產(chǎn)生影響。此外，由于水庫的形成，若水流連通性不佳，流速緩慢則極易產(chǎn)生水體富營(yíng)養(yǎng)化問題，如Zubala[32]對(duì)黃土農(nóng)業(yè)區(qū)的水質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)建立閘壩使得流入水庫的水含磷濃度提高，同時(shí)化學(xué)需氧量、生物需氧量、Fe+也達(dá)到高值。在此情況下，若在汛期開閘泄洪，就會(huì)進(jìn)一步污染下游健康的水體，影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)?？梢?，人工建筑物帶來的河流縱向連通性的改變會(huì)對(duì)河流的水質(zhì)產(chǎn)生顯著影響，影響的大小主要受制于人為活動(dòng)方式(閘壩調(diào)度的時(shí)空特性等)，同時(shí)與當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境狀況(水溫、地形、坡度、流速等)密切相關(guān)。

2.3 河流連通性對(duì)生物的影響

水系連通對(duì)于維持生態(tài)系統(tǒng)的完整性，水生生物多樣性具有重要意義。人類開發(fā)程度較高的河流，由于短時(shí)限高強(qiáng)度的人類活動(dòng)干擾，河流的連通模式和格局發(fā)生轉(zhuǎn)變會(huì)快速影響關(guān)鍵生態(tài)過程，最終影響生物群落和種群數(shù)量以及食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)與功能。研究發(fā)現(xiàn)，河流連通受阻會(huì)對(duì)棲息地生物的生存以及群落結(jié)構(gòu)的抵抗力產(chǎn)生嚴(yán)重影響[33]，棲息地的破碎會(huì)削弱物種在不同生境間的遷移能力[34]，從而降低生物多樣性[35-36]。劉玉年等[37]采用多種生物指數(shù)法分析淮河流域的閘、壩等水利設(shè)施對(duì)水生態(tài)環(huán)境的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所調(diào)查評(píng)價(jià)的河流中有64% 處在不健康或亞健康狀態(tài)。其中，閘、壩上游，49% 的河段的生態(tài)多樣性略有增加, 11%的河段水生生物生活習(xí)性有明顯變化; 對(duì)于閘壩下游河段，40% 的河段的生態(tài)多樣性有明顯降低。由于連通性的變化，遷徙種受到的影響尤為大，Yi等[38]研究了長(zhǎng)江大壩建設(shè)引起的河湖關(guān)系變化及對(duì)遷徙魚的影響，發(fā)現(xiàn)障礙物威脅該地區(qū)的一些魚類，尤其是遷徙魚類，河湖的連通度決定了遷徙魚類的生長(zhǎng)繁殖，其產(chǎn)量與分流水量正相關(guān)，水庫管理特別要注重產(chǎn)卵季節(jié)應(yīng)滿足生態(tài)需求。故而人工建筑物使得河流的縱向連通性大大下降，不僅截?cái)嗔唆~類的洄游通道，使棲息地破碎化，同時(shí)改變了原有的水文規(guī)律和生態(tài)水文格局，影響了河流的物流、能流和信息流，進(jìn)一步對(duì)生物產(chǎn)生巨大的影響。

3 河流連通性的評(píng)判

近20年來，河流連通性評(píng)價(jià)逐漸發(fā)展起來，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了多種河流水文連通性評(píng)價(jià)方法，如圖論法、指標(biāo)法、水文模型、連通性函數(shù)等。國(guó)外在定量化方法上的探討較為廣泛，國(guó)內(nèi)起步較晚，隨著近年來對(duì)于防洪減災(zāi)、水資源優(yōu)化配置及水生態(tài)文明建設(shè)的需求日益增加，河網(wǎng)連通性越來越受到重視[39]。目前相關(guān)研究尚處于起步階段，各類方法簡(jiǎn)述如下：

3.1 指標(biāo)法

指標(biāo)法即選取與水文連通相關(guān)的特征參數(shù)，如河段長(zhǎng)度、土壤特性、生物受影響程度等，以求綜合考量水流的連續(xù)性。比較典型的幾種方法如下：

為了充分了解水流的連通程度，Ali等[16]將景觀特征、土壤濕度模式和水流路徑作為識(shí)別連通度的主要指標(biāo)。其相關(guān)的變量如圖4所示。

圖4 水文連通關(guān)鍵因子及研究尺度(改自文獻(xiàn)[18])

該方法給出了將模式、過程和函數(shù)3個(gè)方面作為流域響應(yīng)的關(guān)鍵，多參數(shù)變量協(xié)調(diào)過程和度量尺度。國(guó)內(nèi)同樣試圖提出指標(biāo)來評(píng)價(jià)全國(guó)河流的連通情況。全國(guó)水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)導(dǎo)則提出了河流縱向連通性指數(shù)K連通，將其定義為區(qū)內(nèi)流域面積100 km2以上的河流中，每100 km河長(zhǎng)中阻隔河流連通的人工建筑物數(shù)量。雖然該評(píng)價(jià)方法適用全國(guó)，但是較為粗略，僅僅依照單位長(zhǎng)度上的人工建筑物個(gè)數(shù)來評(píng)價(jià)連通性，忽略了河流生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜的交互影響。此外該方法不考慮已有過魚設(shè)施且發(fā)揮作用的閘壩、不影響魚類通過的小型跌水工程和溢流壩，一定程度上低估了過魚設(shè)施有限的實(shí)際效用對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響。因此，該方法只能簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)大流域單一河道的整體情況。

針對(duì)流域內(nèi)復(fù)雜河網(wǎng)的情況，Cote等[40]提出了樹狀河網(wǎng)連通性指數(shù)( Dendritic Connectivity Index，DCI)，該指數(shù)主要根據(jù)水利工程設(shè)施的數(shù)量、可通過性以及地理位置，定量評(píng)估河網(wǎng)連通性狀況。DCI可根據(jù)公式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：Cij為i河段與j河段之間的連通性；li及l(fā)j分別為i河段與j河段的長(zhǎng)度，m；L為河網(wǎng)的總長(zhǎng)度，m；n為河網(wǎng)被障礙物切割而形成的河段數(shù)量。DCI的取值范圍為0～100，其值越高，河網(wǎng)的連通性越好。

DCI相較于K連通能夠較為全面地分析不同數(shù)量、可通過性及地理位置的閘壩對(duì)河網(wǎng)連通性的影響，可以廣泛應(yīng)用于流域規(guī)劃過程中不同方案的比較，但并未考慮閘壩的實(shí)際通過率，而是采用了假設(shè)法，在案例中[41]作者假設(shè)所有閘壩從上游至下游及從下游至上游的生物體通過概率均為0.8，這與實(shí)際情況不符。

3.2 累積法/瓶頸法

針對(duì)上面所述假設(shè)法造成的實(shí)際障礙物通過率衡量與實(shí)際不符的情況，為更好地計(jì)算魚類對(duì)于障礙物的通過率以更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)水流連通性，采用累積法(cumulative method)或者瓶頸法(bottle-neck method)。累積法即一條河流中魚類對(duì)于多個(gè)障礙物的組合率是單個(gè)障礙物通過概率的乘積，將每個(gè)連續(xù)的屏障視為一些魚不能越過障礙的概率(例如，魚類能否發(fā)現(xiàn)魚道入口等隨機(jī)過程)，而不是與魚類個(gè)體之間的差異(例如最大游泳速度，條件)相關(guān)的因素，O′Hanley等[42]、Nunn等[43]都采用了此種方法計(jì)算了障礙物的組合通過率。孫鵬等[44]認(rèn)為河流的連通性隨著閘壩可通過能力p的增加逐漸增加，在計(jì)算p時(shí)采用了基于累積法的DCI指數(shù)來衡量。

相比之下，瓶頸法則代表魚類通過障礙物的能力的特定變化(例如最大游泳速度的差異)。它假設(shè)所有能夠穿過一定難度的障礙物的魚都能夠通過所有隨后的難度相同或更小的障礙。因此，一系列障礙物的組合通過性等于障礙物最困難上限的通過性，Kemp等[45]在計(jì)算障礙物對(duì)魚類通過的影響時(shí)就用了瓶頸法。

障礙物的組合通過率實(shí)質(zhì)上是一個(gè)隨機(jī)過程，累積法與瓶頸法從不同的角度考慮了對(duì)其的影響，國(guó)內(nèi)學(xué)者現(xiàn)有的研究多采用第一種方法，但筆者認(rèn)為在計(jì)算Cij時(shí)沒有孰優(yōu)孰劣，應(yīng)綜合權(quán)衡分析兩種方法給出的評(píng)價(jià)結(jié)果，以期得到較為合理的河流連通性評(píng)價(jià)結(jié)論。

3.3 圖論法

圖論方法可用于評(píng)估河流健康、優(yōu)化河流生態(tài)修復(fù)工程、定量分析河湖水系連通程度等?；诤雍档奶攸c(diǎn)和圖論相關(guān)理論，對(duì)河湖水系進(jìn)行數(shù)學(xué)概化，建立圖的鄰接矩陣，從而實(shí)現(xiàn)河網(wǎng)水系連通程度的定量化分析[46]。許多學(xué)者都應(yīng)用此方法開展了研究，如徐光來等[47]以水流阻力倒數(shù)表征水流通暢度，將河網(wǎng)概化成圖模型，進(jìn)行河網(wǎng)圖頂點(diǎn)水流通暢度計(jì)算及連通度分析，使河網(wǎng)水系連通性分析實(shí)現(xiàn)定量化；竇明等[48]以淮河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，結(jié)合GIS 數(shù)據(jù)繪制出全流域廊道-節(jié)點(diǎn)示意圖；結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)理論方法，提出宏觀尺度下水系連通性評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而評(píng)價(jià)了全流域13個(gè)水資源三級(jí)區(qū)的水系連通狀況，并分析了影響水系連通的主要因素；趙進(jìn)勇等[49]利用圖論理論對(duì)河道-灘區(qū)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)概化，并利用點(diǎn)連通度描述河道-灘區(qū)系統(tǒng)開挖水流通道前后網(wǎng)絡(luò)連通程度；Chen等[50]將河網(wǎng)連通分為結(jié)構(gòu)連通與水力連通兩部分，基于圖論模型的可達(dá)性，運(yùn)用Matlab定量評(píng)估常熟市平原河網(wǎng)的連通性。

該方法能將流域概化成數(shù)學(xué)圖形，對(duì)于復(fù)雜大流域的江河關(guān)系研究較為便利，但是它只適用于空間平面上的河湖連通性評(píng)價(jià)，無法用于河流縱向流通中的生物流、物質(zhì)流受阻情況考量。

3.4 水文模型法

水文模型是指使用仿真方法對(duì)復(fù)雜的水文現(xiàn)象和過程概括為廣義的科學(xué)模型，并在一定目標(biāo)下能代替實(shí)際的水文系統(tǒng)。構(gòu)建流域的水文模型，可以對(duì)河流連通的時(shí)間、連通持續(xù)時(shí)間及空間的連通程度進(jìn)行研究。Karim等[51]采用MIKE21模型預(yù)測(cè)澳大利亞Tully-Murray流域洪泛平原與河流連通的時(shí)間、連通持續(xù)時(shí)間及空間的連通程度。張永勇等[52]利用SWAT模型模擬有閘和無閘情景下各條河流的流量、區(qū)間產(chǎn)流量、人類活動(dòng)取用水量以及河道和水庫的蓄變量等作為水質(zhì)模型的輸入，模擬有閘無閘情景下河流水質(zhì)濃度的變化，評(píng)價(jià)不同河流連通性對(duì)河流水環(huán)境的影響程度。Bracken等[6]利用CRPPL模型研究集水區(qū)內(nèi)不同水文單元間的水文連通動(dòng)態(tài)。

水文模型法可以較好地模擬流域的水文、水環(huán)境條件及其變化過程，同時(shí)還能結(jié)合時(shí)間變異性綜合評(píng)價(jià)河流的連通情況。

上述4類連通性評(píng)價(jià)方法的原理、指標(biāo)和評(píng)價(jià)流程存在明顯的差異，其優(yōu)勢(shì)和不足可歸納為表1。

表1 4 類河流連通性評(píng)價(jià)方法總結(jié)

4 研究展望

河流連通性是河流生態(tài)系統(tǒng)格局的主要特征之一，對(duì)水體理化性質(zhì)、水文條件等具有重要影響，并進(jìn)一步影響生物的棲息、擴(kuò)散，影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及抵抗力，影響流域的物質(zhì)、能量及信息的連通。河流連通性好壞是一個(gè)區(qū)域水生態(tài)健康與否的重要指標(biāo)。雖然目前對(duì)于水系連通的關(guān)注越來越多，但是縱觀現(xiàn)有的研究成果，在機(jī)理的明確、評(píng)價(jià)體系的形成等方面仍然存在不足。為此，本文提出以下幾點(diǎn)展望：

(1)在倡導(dǎo)人水和諧共處的今天，“水資源-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)”互饋關(guān)系視角下，河流連通性作為流域生態(tài)水文格局的關(guān)鍵要素，對(duì)生態(tài)水文過程健康發(fā)展和水資源安全有重要影響。良好的連通性不僅有利于資源生態(tài)的保護(hù)，也有利于經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，因此明晰河流連通與生態(tài)水文過程的交互機(jī)理尤為重要。對(duì)機(jī)理的研究仍然是未來工作的重點(diǎn)之一，不僅要在河流連通性評(píng)價(jià)時(shí)融入機(jī)理，而且在恢復(fù)河流連通性決策時(shí)也要考慮生態(tài)水文過程的變化及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的要求，從而避免生態(tài)恢復(fù)時(shí)對(duì)于拆除人工建筑物綜合效益不清的現(xiàn)象?？赏ㄟ^開發(fā)生態(tài)水文格局與過程交互的機(jī)理模型，并融入社會(huì)-經(jīng)濟(jì)模塊，結(jié)合地學(xué)信息技術(shù)與野外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從指示物種層面進(jìn)行系統(tǒng)的分析，以便為自然環(huán)境變化、人為活動(dòng)影響下的水資源可持續(xù)開發(fā)利用提供適應(yīng)性對(duì)策。

(2)未來研究應(yīng)建立一個(gè)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)體系，基于不同的流域管理目標(biāo)，從水環(huán)境、水系結(jié)構(gòu)等多角度明確連通性評(píng)價(jià)的指標(biāo)與方法。為了增加可比性，應(yīng)結(jié)合連通性四維尺度的特性，考慮時(shí)間、空間的差異性，根據(jù)不同的地區(qū)、時(shí)段，形成等級(jí)表。參照此標(biāo)準(zhǔn)逐點(diǎn)核實(shí)評(píng)價(jià)，按照實(shí)際環(huán)境條件和數(shù)據(jù)的可獲得性選取適宜的評(píng)價(jià)方法，獲取一個(gè)流域、中不同河流、或者同一河流在不同位置、不同時(shí)段細(xì)致的連通性結(jié)果，利于流域管理者進(jìn)行現(xiàn)狀評(píng)價(jià)以及修復(fù)后的效果追蹤，通過改善河流的連通性來提升水資源承載力，從根本上保障流域水資源安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] ZHAO Junkai, LI Lixian, ZHANG Aishe, et al. A new approach for the health assessment of river systems based on interconnected water system networks[J]. Journal of Resources and Ecology, 2017, 8(3): 251-257.

[2] SHAW E A, LANGE E, SHUCKSMITH J D, et al. Importance of partial barriers and temporal variation in flow when modelling connectivity in fragmented river systems[J]. Ecological Engineering, 2016,91:515-528.

[3] GOOSEFF M N, WLOSTOWSKI A, MCKNIGHT D M, et al. Hydrologic connectivity and implications for ecosystem processes - lessons from naked watersheds[J]. Geomorphology, 2017,277:63-71.

[4] 周 峰,呂慧華,許有鵬. 城鎮(zhèn)化下平原水系變化及河網(wǎng)連通性影響研究[J]. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境, 2017, 26(3): 402-409.

[5] VANNOTE R L, MINSHALL G W, CUMMINS K W, et al. The river continuum concept - canadian journal of fisheries and aquatic sciences[J]. Canadian Journal of Fisheries & Aquatic Sciences, 1980,37(2):130-137.

[6] BRACKEN L J,JACKY C. The concept of hydrological connectivity and its contribution to understanding runoff-dominated geomorphic systems[J]. Hydrological Processes, 2010,21(13):1749-1763.

[7] PRINGLE C. What is hydrologic connectivity and why is it ecologically important?[J]. Hydrological Processes, 2003, 17(13): 2685-2689.

[8] BRACKEN L J, WAINWRIGHT J, ALI G A, et al. Concepts of hydrological connectivity: research approaches, pathways and future agendas[J]. Earth-science Reviews, 2013,119:17-34.

[9] WARD J V. The four-dimensional nature of lotic ecosystems[J]. Journal of the North American Benthological Society, 1989,8(1):2-8.

[10] CROKE J, MOCKLER S, FOGARTY P, et al. Sediment concentration changes in runoff pathways from a forest road network and the resultant spatial pattern of catchment connectivity[J]. Geomorphology, 2005,68(3-4):257-268.

[11] HOOKE J M. River channel adjustment to meander cutoffs on the River Bollin and River Dane, northwest England[J]. Geomorphology, 1995,14(3):235-253.

[12] VIDON P G F,HILL A R. Landscape controls on nitrate removal in stream riparian zones[J]. Water Resources Research, 2004,40(3):114-125.

[13] OCAMPO C J, OLDHAM C E,SIVAPALAN M. Nitrate attenuation in agricultural catchments: shifting balances between transport and reaction[J]. Water Resources Research, 2006,42(1):85-88.

[14] JENCSO K G, MCGLYNN B L, GOOSEFF M N, et al. Hydrologic connectivity between landscapes and streams: transferring reach- and plot-scale understanding to the catchment scale.[J]. Water Resources Research, 2009,45(4):262-275.

[15] 王中根,李宗禮,劉昌明,等. 河湖水系連通的理論探討[J]. 自然資源學(xué)報(bào), 2011,26(3):523-529.

[16] ALI G A,ROY A G. Revisiting hydrologic sampling strategies for an accurate assessment of hydrologic connectivity in humid temperate systems[J]. Geography Compass, 2009,3(1):350-374.

[17] 崔保山,蔡燕子,謝 湉,等. 濕地水文連通的生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016,52(6):738-746.

[18] 黃 偉,劉曉波,馬 巍,等. 河流功能性指標(biāo)的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J]. 水利學(xué)報(bào), 2016,47(9):1105-1114.

[19] FULLERTON A H, BURNETT K M, STEEL E A, et al. Hydrological connectivity for riverine fish: measurement challenges and research opportunities[J]. Freshwater Biology, 2010,55(11):2215-2237.

[20] JUNGWIRTH M, MUHAR S,SCHMUTZ S. Fundamentals of fish ecological integrity and their relation to the extended serial discontinuity concept[J]. Hydrobiologia, 2000,422-423(4):85-97.

[21] MORITA K,YAMAMOTO S. Effects of habitat fragmentation by damming on the persistence of stream-dwelling charr populations[J]. Conservation Biology, 2010,16(5):1318-1323.

[22] STEEL E A. Lost watersheds: barriers, aquatic habitat connectivity, and salmon persistence in the willamette and lower columbia river basins[J]. Transactions of the American Fisheries Society, 2006,135(6):1654-1669.

[23] 馬爽爽. 基于河流健康的杭嘉湖水系格局與連通性研究[D]. 南京: 南京大學(xué),2013.

[24] 郭亞萍. 泗河流域水系連通性評(píng)價(jià)研究[D]. 濟(jì)南: 山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2016.

[25] PéPINO M, RODRGUEZ M A,MAGNAN P. Impacts of highway crossings on density of brook charr in streams[J]. Journal of Applied Ecology, 2012,49(2):395-403.

[26] STANLEY E H,DOYLE M W. Trading off: the ecological effects of dam removal[J]. Frontiers in Ecology and the Environment, 2003,1(1):15-22.

[27] FEBRIA C M, BEDDOES P, FULTHORPE R R, et al. Bacterial community dynamics in the hyporheic zone of an intermittent stream[J]. Isme Journal, 2012,6(5):1078-1088.

[28] 趙惠君,張 樂. 關(guān)注大壩對(duì)流域環(huán)境的影響[J]. 長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2002,19(1):4-8.

[29] 薛聯(lián)青,張 卉,張洛晨,等. 基于改進(jìn)RVA法的水利工程對(duì)塔里木河生態(tài)水文情勢(shì)影響評(píng)估[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017,45(3):189-196.

[30] GUYASSA E, FRANKL A, ZENEBE A, et al. Effects of check dams on runoff characteristics along gully reaches, the case of northern ethiopia[J]. Journal of Hydrology, 2017,545:299-309.

[31] 崔 凱. 閘壩對(duì)河流水質(zhì)水量影響評(píng)價(jià)研究[D]. 鄭州: 鄭州大學(xué),2012.

[32] ZUBALA T. Influence of dam reservoir on the water quality in a small upland river[J]. Ecohydrology & Hydrobiology, 2009,9(2-4):165-173.

[33] CARRARA F, ALTERMATT F, RODRIGUEZ-ITURBE I, et al. Dendritic connectivity controls biodiversity patterns in experimental metacommunities[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2012,109(15):5761-5766.

[34] PERKIN J S, GIDO K B, COOPER A R, et al. Fragmentation and dewatering transform great plains stream fish communities[J]. Ecological Monographs, 2016,85(1):73-92.

[35] LINDLEY S T. Directed connectivity among fish populations in a riverine network[J]. Journal of Applied Ecology, 2007,44(6):1116-1126.

[36] MCKAY S K, SCHRAMSKI J R, CONYNGHAM J N, et al. Assessing upstream fish passage connectivity with network analysis.[J]. Ecological Applications ：a Publication of the Ecological Society of America,2013,23(6):1396-1409.

[37] 劉玉年,夏 軍,程緒水,等. 淮河流域典型閘壩斷面的生態(tài)綜合評(píng)價(jià)[J]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008, 9(6): 693-697.

[38] YI Yujun, YANG Zhifeng,ZHANG Shanghong. Ecological influence of dam construction and river-lake connectivity on migration fish habitat in the yangtze river basin, china[J]. Procedia Environmental Sciences, 2010, 2(5): 1942-1954.

[39] 孟慧芳,許有鵬,徐光來,等. 平原河網(wǎng)區(qū)河流連通性評(píng)價(jià)研究[J]. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境, 2014, 23(5): 626-631.

[40] COTE D, KEHLER D G, BOURNE C, et al. A new measure of longitudinal connectivity for stream networks[J]. Landscape Ecology, 2009, 24(1): 101-113.

[41] 羅 賢,許有鵬,徐光來,等. 水利工程對(duì)河網(wǎng)連通性的影響研究——以太湖西苕溪流域?yàn)槔齕J]. 水利水電技術(shù), 2012, 43(9): 12-15.

[42] O'HANLEY J R,TOMBERLIN D. Optimizing the removal of small fish passage barriers[J]. Environmental Modeling and Assessment, 2005, 10(2): 85-98.

[43] NUNN A D,COWX I G. Restoring river connectivity: prioritizing passage improvements for diadromous fishes and lampreys[J]. Ambio, 2012, 41(4): 402-409.

[44] 孫 鵬,王 琳,王 晉,等. 閘壩對(duì)河流棲息地連通性的影響研究[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電, 2016(2): 53-56.

[45] KEMP P S,O'HANLEY J R. Procedures for evaluating and prioritising the removal of fish passage barriers: a synthesis[J]. Fisheries Management & Ecology, 2010, 17(4): 297-322.

[46] 楊曉敏. 基于圖論的水系連通性評(píng)價(jià)研究[D]. 濟(jì)南: 濟(jì)南大學(xué), 2014.

[47] 徐光來,許有鵬,王柳艷. 基于水流阻力與圖論的河網(wǎng)連通性評(píng)價(jià)[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2012, 23(6): 776-781.

[48] 竇 明,張遠(yuǎn)東,張亞洲,等. 淮河流域水系連通狀況評(píng)估[J]. 中國(guó)水利, 2013(9): 21-23.

[49] 趙進(jìn)勇,董哲仁,楊曉敏,等. 基于圖論邊連通度的平原水網(wǎng)區(qū)水系連通性定量評(píng)價(jià)[J]. 水生態(tài)學(xué)雜志, 2017, 38(5): 1-6.

[50] CHEN Xing, XU Wei, LI Kunpeng, et al. Evaluation of plain river network connectivity based on graph theory:a case study of yanjingwei in changshu city[J]. Water Resources Protection, 2016, 32(2): 26-29+34.

[51] KARIM F, KINSEY-HENDERSON A, WALLACE J, et al. Modelling wetland connectivity during overbank flooding in a tropical floodplain in north queensland, australia[J]. Hydrological Processes, 2012, 26(18): 2710-2723.

[52] 張永勇,夏 軍,王綱勝,等. 淮河流域閘壩聯(lián)合調(diào)度對(duì)河流水質(zhì)影響分析[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2007, 40(4): 31-35.