李文杰，雷宗霖，萬(wàn) 宇，杜洪波，宋 洋

(1.重慶交通大學(xué)，國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)，水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

河流在全球范圍內(nèi)支持復(fù)雜多樣的生態(tài)系統(tǒng)，提供重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)服務(wù)保障，是影響自然生態(tài)環(huán)境和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展的重要因素[1-3]。人類以多種方式改變了河流天然連通性，如修建水壩等[4-5]。通航河流上人類活動(dòng)頻繁，修建大壩雖可改善通航條件，河流生態(tài)卻因此承受了巨大壓力。通航基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)使得河流面臨連通性喪失的壓力，并導(dǎo)致生物多樣性和基本的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能下降[6]。河流自由流動(dòng)的能力由路徑連通性決定，這些路徑使水體及其在整個(gè)河流環(huán)境中輸送的生物體、沉積物、有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物能夠流動(dòng)和交換，如何改善河流連通性、提高水生生物多樣性并增加相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

河流連通性對(duì)于保護(hù)生物多樣性至關(guān)重要[7]，修建水壩將原有連續(xù)的河流生態(tài)系統(tǒng)分隔成不連續(xù)的環(huán)境單元，對(duì)魚類最不利的影響是阻隔其洄游通道。船閘在運(yùn)行過(guò)程中使河流上下游形成大片平穩(wěn)的連通水體[8]，可成為某些生物的棲息地和連通上下游的生物通道[9]。三峽及葛洲壩船閘的調(diào)查統(tǒng)計(jì)與魚類上下行標(biāo)記試驗(yàn)驗(yàn)證了魚類可以通過(guò)船閘實(shí)現(xiàn)上下行的交流[10]，表明船閘可兼做魚類洄游通道等過(guò)魚設(shè)施[11-12]。此外，運(yùn)行船閘可降低庫(kù)區(qū)水體滯留、調(diào)節(jié)庫(kù)區(qū)累計(jì)污染物和改善水質(zhì)[13]。然而，對(duì)于船閘提供的連通水體對(duì)河流生態(tài)是否有顯著的積極影響仍缺乏系統(tǒng)的深入研究。

本文基于全球34條內(nèi)河黃金航道，分類統(tǒng)計(jì)有無(wú)修建船閘條件下大壩處的生態(tài)壓力值，據(jù)此分析運(yùn)行船閘對(duì)通航河流生態(tài)的影響，以期為生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)下的河流航運(yùn)規(guī)劃建設(shè)提供理論支撐。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1.1全球黃金航道

根據(jù)河流航運(yùn)承載力和社會(huì)經(jīng)濟(jì)指數(shù)，從流域面積大于10萬(wàn)km2的66條大型內(nèi)河航道中確定了34條內(nèi)河黃金航道[14]。

1.1.2全球大壩

在全球34條內(nèi)河黃金航道上共選取209個(gè)大壩，結(jié)合衛(wèi)星影像，按照有無(wú)修建船閘將大壩分為“有壩有閘”和“有壩無(wú)閘”2類，其中“有壩有閘”99處、“有壩無(wú)閘”110處，見(jiàn)表1。

表1 全球34條內(nèi)河黃金航道有無(wú)修建船閘的大壩數(shù)量

1.1.3生態(tài)指標(biāo)

全球河流生態(tài)壓力地圖由0～1之間的不同生態(tài)壓力指標(biāo)值繪制，生態(tài)壓力值為無(wú)量綱負(fù)向指標(biāo)，即生態(tài)壓力數(shù)值越低表示生態(tài)情況越好。依據(jù)全球內(nèi)河黃金航道可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)方法中的生態(tài)壓力指數(shù)評(píng)價(jià)模型，分別選取河流生態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中的徑流擾動(dòng)性、河流破碎化、不透水面比例、濕地不連通性、漁獲物壓力、水產(chǎn)養(yǎng)殖壓力以及大壩密度等7個(gè)生態(tài)壓力指標(biāo)，研究船閘對(duì)通航河流的生態(tài)影響。

1.2 分析方法

1.2.1大壩位置處的生態(tài)壓力

基于水庫(kù)大壩數(shù)據(jù)，確定全球黃金航道上大壩的具體經(jīng)緯度坐標(biāo)，在河流生態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中選取距離閘壩最近的4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用空間反距離加權(quán)插值法[15]確定閘壩處生態(tài)指標(biāo)值。

1.2.2船閘對(duì)通航河流的生態(tài)影響分析

通過(guò)線性回歸方法[16]總體分析生態(tài)指標(biāo)壓力值與大壩密度的相關(guān)性，以有無(wú)船閘為條件分析修建船閘對(duì)河流生態(tài)壓力的影響。由于生態(tài)指標(biāo)間存在內(nèi)在相關(guān)性，采用主成分分析方法[17]將多維指標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成低維指標(biāo)系統(tǒng)，據(jù)此對(duì)比有無(wú)船閘大壩處的生態(tài)壓力指標(biāo)值，分析船閘在航道不同發(fā)展階段對(duì)生態(tài)壓力的影響。

1.2.3典型河流分析

選取長(zhǎng)江、萊茵河與密西西比河等國(guó)際典型航道，依據(jù)其大壩密度與有無(wú)船閘條件下因子壓力值的分布情況，分析典型航道上運(yùn)行船閘對(duì)河流生態(tài)的影響。

2 河流生態(tài)與大壩密度的關(guān)系

各生態(tài)指標(biāo)壓力值與大壩密度的回歸分析見(jiàn)圖1，回歸系數(shù)表示單位大壩密度增加引起的各生態(tài)壓力值增量。結(jié)果表明，選取的6個(gè)生態(tài)指標(biāo)壓力值均與大壩密度呈正相關(guān)，即大壩密度越大生態(tài)指標(biāo)壓力也越大，說(shuō)明大壩的修建對(duì)河流生態(tài)存在負(fù)面影響。大壩的修建改變了河流水文條件、切斷了魚類洄游通道，不僅增加了徑流擾動(dòng)指數(shù)與不透水面比例，而且因阻斷了魚類的洄游使得漁獲物與水產(chǎn)養(yǎng)殖的壓力升高[18-19]；同時(shí)減緩了河流水體流速，破壞了濕地與河流的連通性，使得河流破碎化指數(shù)與濕地不連通性指數(shù)的壓力升高[20-21]。

圖1 全球河流的各項(xiàng)生態(tài)指標(biāo)壓力值與大壩密度關(guān)系

各生態(tài)指標(biāo)壓力值與大壩密度的回歸系數(shù)分別為：漁獲物壓力0.275 3；水產(chǎn)養(yǎng)殖壓力0.209 4；徑流擾動(dòng)指數(shù)0.216 2；河流破碎化指數(shù)0.349 5；不透水面比例0.548 0；濕地不連通性0.320 4。由此可見(jiàn)，大壩的修建更顯著影響了河流破碎化指數(shù)、不透水面比例和濕地不連通性指數(shù)。

3 船閘對(duì)生態(tài)壓力變化的影響

根據(jù)有無(wú)修建船閘將大壩分為2類，將其生態(tài)壓力指標(biāo)分別與大壩密度進(jìn)行回歸分析，其對(duì)比情況見(jiàn)圖2。結(jié)果顯示：運(yùn)行船閘處與無(wú)船閘處相比，生態(tài)壓力指標(biāo)回歸系數(shù)絕對(duì)數(shù)值的下降范圍為0.026～0.261，其中徑流擾動(dòng)指數(shù)下降最少，不透水面比例指數(shù)下降最多。相對(duì)比例的下降范圍為11%～60%，其中徑流擾動(dòng)指數(shù)下降最少，漁獲物壓力指數(shù)下降最多。運(yùn)行船閘處生態(tài)壓力值回歸系數(shù)比無(wú)船閘處低，單位大壩密度增加時(shí)運(yùn)行船閘處生態(tài)壓力值增加幅度更小，說(shuō)明船閘對(duì)受大壩影響的河流生態(tài)具有改善作用。運(yùn)行船閘可連通大壩上下游水體，為魚類提供洄游通道[22]，使得運(yùn)行船閘處漁獲物壓力與水產(chǎn)養(yǎng)殖壓力低于無(wú)運(yùn)行船閘處；同時(shí)大體積連通水體也改善了河流的連通性，使得運(yùn)行船閘處河流破碎化、徑流擾動(dòng)指數(shù)、不透水面比例與濕地不連通性等指標(biāo)壓力值低于無(wú)船閘處[23]。

圖2 有無(wú)修建船閘處生態(tài)指標(biāo)與大壩密度的回歸系數(shù)

采用主成分分析法將6個(gè)河流生態(tài)指標(biāo)系統(tǒng)降維成2個(gè)因子指標(biāo)：第一公因子F1主要表達(dá)河流基本信息，在徑流擾動(dòng)指數(shù)和河流破碎化指標(biāo)上載荷系數(shù)較大，故對(duì)其解釋力度較大并且因子表達(dá)的信息趨于該2項(xiàng)生態(tài)指標(biāo)；第二公因子F2主要趨于對(duì)受大壩影響河流在生態(tài)表現(xiàn)上的信息表達(dá)，在漁獲物壓力、不透水面比例、水產(chǎn)養(yǎng)殖壓力和濕地不連通性指標(biāo)上載荷系數(shù)較大，故對(duì)其解釋力度較大并且因子表達(dá)的信息趨于該4項(xiàng)生態(tài)指標(biāo)。2個(gè)公因子對(duì)6個(gè)原始指標(biāo)信息的表達(dá)比例為62%，能較好地解釋原始指標(biāo)的信息。根據(jù)公因子在各指標(biāo)上的載荷系數(shù)，其表達(dá)式如下：

F1=-0.033a-0.015b+0.711c+0.554d+

0.066e+0.019f

(1)

F2=0.348a+0.307b-0.132c+0.051d+

0.345e+0.255f

(2)

式中：a為漁獲物壓力；b為水產(chǎn)養(yǎng)殖壓力；c為徑流擾動(dòng)指數(shù)為；d為河流破碎化指數(shù)；e為不透水面比例指數(shù)；f為濕地不連通性指數(shù)。

根據(jù)表達(dá)式可計(jì)算出2個(gè)公因子的壓力值，其值與大壩密度的回歸結(jié)果見(jiàn)圖3。對(duì)于第一公因子，無(wú)論大壩密度高低，運(yùn)行船閘處壓力值均低于無(wú)船閘處，且隨著大壩密度升高運(yùn)行船閘處壓力升高幅度更小，見(jiàn)圖3a)。河流受到大壩干擾其壓力值便升高，運(yùn)行船閘提供連通水體，對(duì)受影響河流具有調(diào)節(jié)作用，所以無(wú)論航道開發(fā)與大壩密度高低情況如何，運(yùn)行船閘處第一因子壓力值均低于無(wú)船閘處。

對(duì)于第二公因子，低大壩密度時(shí)運(yùn)行船閘處生態(tài)壓力值高于無(wú)運(yùn)行船閘處，高大壩密度時(shí)運(yùn)行船閘處生態(tài)壓力值低于無(wú)運(yùn)行船閘處，見(jiàn)圖3b)。由于航道發(fā)展前中期開發(fā)率低，大壩密度低，運(yùn)行船閘處受人類活動(dòng)影響強(qiáng)烈，故低大壩密度和低航道開發(fā)率時(shí)，運(yùn)行船閘處第二公因子壓力值高于無(wú)船閘處。隨著航道開發(fā)率的提高，大壩密度上升，無(wú)論有無(wú)船閘處均受到繁忙的人類活動(dòng)影響，且受到的影響趨于一致。然而，運(yùn)行船閘對(duì)受大壩影響河流的生態(tài)具有調(diào)節(jié)作用，所以當(dāng)航道開發(fā)率與大壩密度升高時(shí)，有無(wú)船閘處第二因子壓力值逐漸接近，突破大壩密度臨界點(diǎn)后，運(yùn)行船閘處第二因子壓力值低于無(wú)船閘處。

圖3 因子壓力值與大壩密度關(guān)系

如圖3所示，運(yùn)行船閘處第一公因子與第二公因子的回歸系數(shù)均小于無(wú)運(yùn)行船閘處，表明船閘對(duì)通航河流生態(tài)的改善具有積極作用。運(yùn)行船閘處第一公因子、第二公因子回歸系數(shù)與無(wú)船閘處相比，絕對(duì)值下降分別為0.072、0.261，百分比下降分別為22%、50%，表明運(yùn)行船閘對(duì)第二公因子的調(diào)節(jié)作用強(qiáng)于第一公因子。在筑壩的蓄水河流中運(yùn)行船閘可改善河流的水體連通性[24]，使得河流生態(tài)表現(xiàn)方面的相關(guān)指標(biāo)在受運(yùn)行船閘調(diào)節(jié)作用時(shí)表達(dá)更加強(qiáng)烈。

4 典型通航河流生態(tài)壓力分析

選取長(zhǎng)江、萊茵河與密西西比河3條典型河流，分析典型河流上大壩密度與因子值數(shù)據(jù)分布情況，大壩密度與公因子的帶軸須分布曲線見(jiàn)圖4。如圖4a)所示，3條河流中長(zhǎng)江上大壩密度最低、數(shù)據(jù)分布均勻且近似符合正態(tài)分布；而萊茵河與密西西比河上的大壩密度數(shù)據(jù)分布集中在高密度區(qū)，表明與萊茵河、密西西比河相比，長(zhǎng)江航道仍處于發(fā)展前中期。如圖4b)、c)所示，3條河流的第一公因子壓力值分布接近，且密西西比河上第二公因子受大壩干擾最強(qiáng)，壓力值分布最高。

注：分布曲線是以變數(shù)值為橫坐標(biāo)、以累積頻率(概率)為縱坐標(biāo)的曲線圖，即概率分布函數(shù)的圖形。橫坐標(biāo)上的軸須說(shuō)明頻數(shù)，豎杠表示出現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)字。

為闡明典型河流上運(yùn)行船閘對(duì)生態(tài)的積極影響，將2類因子值按有無(wú)船閘進(jìn)行分類比較，見(jiàn)圖5。對(duì)于萊茵河與密西西比河，運(yùn)行船閘處第一公因子和第二公因子壓力值均低于無(wú)運(yùn)行船閘處，表明對(duì)于萊茵河與密西西比河等航道開發(fā)率相對(duì)較高的發(fā)達(dá)航道，運(yùn)行船閘促進(jìn)上下游水體連通，對(duì)河流生態(tài)的改善具有重要作用。對(duì)于長(zhǎng)江，運(yùn)行船閘處第一公因子和第二公因子壓力值均高于無(wú)運(yùn)行船閘處，可能是由于長(zhǎng)江開發(fā)率不足，大壩密度低且壩址分布集中(多位于金沙江流域)，因此在有船閘處受人類活動(dòng)影響較強(qiáng)，在生態(tài)壓力的表現(xiàn)上高于無(wú)船閘處。

注：每個(gè)方框中的線條是中位線，表示數(shù)據(jù)的中位數(shù)；框的邊緣是第1個(gè)四分位數(shù)(75%分位數(shù))和第3個(gè)四分位數(shù)(25%分位數(shù))；“+”表示超出最小觀察值(下邊緣)和最大觀察值(上邊緣)的異常值截?cái)帱c(diǎn)限制范圍之外的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

1)全球范圍內(nèi)，大壩密度越高的河流，生態(tài)壓力值越大，大壩密度與生態(tài)壓力值呈正相關(guān)關(guān)系。

2)大壩密度升高時(shí)，“有壩有閘”類大壩的生態(tài)壓力值增加幅度比“有壩無(wú)閘”類大壩小，運(yùn)行船閘對(duì)受大壩影響河流生態(tài)具有改善作用。

3)受航道發(fā)展階段、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人類活動(dòng)等多因素影響，不同河流有無(wú)船閘處生態(tài)壓力會(huì)呈現(xiàn)出不一致的情況。隨著黃金航道的發(fā)展，高大壩密度的航道中船閘對(duì)河流生態(tài)的調(diào)節(jié)作用更為顯著。

4)本文基于全球34條黃金航道、全球大壩數(shù)據(jù)和生態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)，從生態(tài)角度研究運(yùn)行船閘對(duì)通航河流的影響，僅局限于對(duì)全球河流的宏觀分析，后期需要進(jìn)一步研究運(yùn)行船閘在航道不同發(fā)展階段對(duì)生態(tài)的影響，并且重點(diǎn)關(guān)注河流在生態(tài)表現(xiàn)方面受船閘調(diào)節(jié)作用的大壩密度臨界點(diǎn)。