張益章 周語(yǔ)夏 劉海龍

1 研究背景

1.1 中國(guó)河流的保護(hù)與開發(fā)現(xiàn)狀

中國(guó)是世界能源消耗大國(guó)，水電能源開發(fā)正處于大發(fā)展時(shí)期。在發(fā)展的同時(shí)，我們也需要認(rèn)識(shí)到水壩的過(guò)度建設(shè)對(duì)河流生態(tài)的破壞作用愈加顯現(xiàn)，對(duì)重要河流生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值認(rèn)知與完整性保護(hù)也更加緊迫。2016年《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》首次提出流域內(nèi)干流開發(fā)優(yōu)先、支流保護(hù)優(yōu)先的原則，并嚴(yán)格控制中小流域的中小水電開發(fā)以保留流域必要生境。但缺乏監(jiān)管無(wú)序建設(shè)的小水電仍然屢禁不止，由于過(guò)度引水造成水流枯竭、斷流、魚類滅絕等嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題。因此在政策規(guī)定與監(jiān)管措施層面，中國(guó)的河流生態(tài)系統(tǒng)仍面臨巨大威脅。尤其在長(zhǎng)江流域，根據(jù)2018年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境保護(hù)審計(jì)結(jié)果，過(guò)度的水電開發(fā)致使333條河流出現(xiàn)不同程度的斷流，斷流河段總長(zhǎng)1 017 km；8省共930座小水電未經(jīng)環(huán)評(píng)即開工建設(shè)，6省在自然保護(hù)區(qū)劃定后建設(shè)78座小水電，7省建有生態(tài)泄流設(shè)施的小水電中86%未實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量在線監(jiān)測(cè)。2020年長(zhǎng)江白鱘滅絕的事實(shí)更是敲響了警鐘，生物完整性指數(shù)接近“無(wú)魚”等級(jí)，必須實(shí)施長(zhǎng)達(dá)10年的禁漁期。完善中國(guó)河流生態(tài)保護(hù)體系迫在眉睫。河流的自然流淌性是維持其生態(tài)系統(tǒng)完整性的基礎(chǔ)，筆者從河流干擾度評(píng)價(jià)及空間制圖角度識(shí)別中國(guó)珍稀的自然流淌河流資源，以期對(duì)中國(guó)未來(lái)的河流保護(hù)空間布局提供參考。

1.2 自然流淌河流概念綜述

從20世紀(jì)60年代的西方環(huán)境運(yùn)動(dòng)開始，河流污染問(wèn)題開始受到重視。進(jìn)入21世紀(jì)，河流治理進(jìn)入了流域尺度的生態(tài)保護(hù)修復(fù)階段，在管理上不再限于河段或河道本身，而轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的綜合治理。聯(lián)合國(guó)發(fā)布的最新的《2020年后全球生物多樣性框架草案》[1]，提出全球到2030年至少有30%的大陸和海洋區(qū)域應(yīng)受到保護(hù)的戰(zhàn)略目標(biāo)，其中10%被嚴(yán)格保護(hù)。由于區(qū)域生態(tài)連通性也是維持生物多樣性的重要基石之一，淡水、陸地及海洋生態(tài)系統(tǒng)的連通性、完整性與現(xiàn)存的完整荒野區(qū)域應(yīng)予以保護(hù)。

在這個(gè)過(guò)程中，保護(hù)河流自然流淌性的呼聲也得到更多國(guó)家的響應(yīng)，多個(gè)國(guó)家建立了河流保護(hù)體系，如1968年的美國(guó)《野生與風(fēng)景河流法》、1981年的新西蘭《水土保持修正案》、1984年的加拿大《加拿大遺產(chǎn)河流體系憲章》與1993年開展的澳大利亞“野生河流項(xiàng)目”（Wild River Project）等。不同國(guó)家的法律條例、合作公約、研究項(xiàng)目對(duì)保護(hù)河流的命名不同；但其共性在于對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行完整性保護(hù)，不僅著眼于水環(huán)境治理或魚類生境恢復(fù)等河流的保護(hù)修復(fù)，其根本在于維持河流的自然流淌性。從各國(guó)的河流價(jià)值認(rèn)知來(lái)看，自然流淌河流的內(nèi)在價(jià)值可以分為自然價(jià)值、文化歷史價(jià)值、游憩價(jià)值與科研價(jià)值等[2-3]。通常認(rèn)為自然流淌河流的價(jià)值在于其原始自然狀態(tài)的特征，并且能夠清楚還原其流域的原始風(fēng)貌[4]。在全球自然流淌河流空間識(shí)別的研究[5-6]中，對(duì)自然流淌河流的共識(shí)定義是“河流的生態(tài)系統(tǒng)功能與服務(wù)基本未受到其水文流動(dòng)連通性變化的影響，允許水、能量、物質(zhì)與物種可以在河流生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)及周邊環(huán)境進(jìn)行沒(méi)有阻隔的運(yùn)動(dòng)與交換”，這里的流動(dòng)連通性指以下4個(gè)維度：1）縱向，上游至下游的連通性；2）橫向，河道與河漫灘及濱河區(qū)域的連通性；3）豎向，地下水與大氣的連通性；4）時(shí)間，間歇的基于季節(jié)性流量的連通性。也正因如此，維持河流的自然流淌性是保障河流生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)能量、物質(zhì)與物種間有機(jī)循環(huán)的根本，也是支撐河流生態(tài)、歷史、文化、地質(zhì)、科研、教育、游憩等多元價(jià)值的基礎(chǔ)。

1.3 自然流淌河流制圖評(píng)價(jià)方法綜述

河流干擾度評(píng)估是識(shí)別自然流淌河流的一種途徑，當(dāng)前對(duì)自然流淌河流制圖評(píng)價(jià)方法大抵分成2類：1）基于荒野連續(xù)譜對(duì)河流荒野度進(jìn)行評(píng)價(jià)的河流干擾指數(shù)（river disturbance index，簡(jiǎn)稱 RDI）體系[7]；2）基于河流連通度的連通度（connectivity status index，簡(jiǎn)稱CSI）體系[8]1-2。前者主要使用河道內(nèi)攔蓄、分流、硬化以及流域內(nèi)土地利用、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等作為人類干擾度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，更強(qiáng)調(diào)從流域綜合管理的角度認(rèn)知改變河流自然過(guò)程的人類影響因素。后者則基于人類干擾要素分析進(jìn)行自然流淌河流空間制圖，通過(guò)對(duì)影響河流四維連通性的5個(gè)壓力指標(biāo)（河流破碎度、徑流控制、泥沙淤積、水消耗量、土地利用）進(jìn)行量化得到綜合的“連通度狀態(tài)指標(biāo)”。這些空間評(píng)價(jià)識(shí)別方法在國(guó)土、區(qū)域尺度上更加具備優(yōu)勢(shì)。對(duì)河流狀態(tài)的直接評(píng)估，要求包括水位、流量、水溫、取水、排污等指標(biāo)要更為準(zhǔn)確，但并非所有河流都有詳細(xì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，尤其是污染較嚴(yán)重的河流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。人類干擾程度較低的河流也可能存在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)不足的情況，基于河流局部區(qū)域或河段的評(píng)價(jià)也難以反映整條河流或整個(gè)流域的狀態(tài)。因此，這里采用第一類方法進(jìn)行國(guó)土尺度河流干擾度評(píng)價(jià)，將有利于引導(dǎo)流域規(guī)劃、資源管理與政策制定。同時(shí)，流域內(nèi)人類活動(dòng)的強(qiáng)度會(huì)間接地影響河流流態(tài)，數(shù)據(jù)可以根據(jù)不同信息圖層來(lái)獲取，為大尺度河流自然流淌性評(píng)估提供了可行性途徑。

2 研究目標(biāo)與方法

2.1 研究目標(biāo)

基于國(guó)際上對(duì)自然流淌河流的定義，結(jié)合中國(guó)目前遇到的河流保護(hù)需求，需要思考如下問(wèn)題：當(dāng)前中國(guó)實(shí)際的自然流淌河流還有多少，可能的分布位置在哪里，影響河流自然流淌的因素有哪些？對(duì)上述問(wèn)題的回答，可通過(guò)河流干擾指數(shù)的方法，展開中國(guó)的自然流淌河流識(shí)別，這將為中國(guó)河流保護(hù)提供基本性的參考數(shù)據(jù)與初步建議。

2.2 研究方法

荒野連續(xù)譜的概念最早在澳大利亞的“國(guó)家荒野名錄”（National Wilderness Inventory）中提出，其認(rèn)為荒野是土地的遙遠(yuǎn)度與自然度從原始狀態(tài)到城市狀態(tài)連續(xù)變化過(guò)程中的一部分[9]，這也是荒野空間制圖的理論基礎(chǔ)?；囊斑B續(xù)譜是一個(gè)客觀的評(píng)價(jià)體系（非以人類或生物為中心的視角），以定量的方式反映荒野質(zhì)量在連續(xù)景觀尺度下的變化。不同地區(qū)可以根據(jù)各自的保護(hù)目標(biāo)與政策特點(diǎn)來(lái)制定荒野保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)，具有極大的靈活性。在1993年澳大利亞國(guó)家荒野資源普查的基礎(chǔ)上，1993—1998年間展開的“野生河流項(xiàng)目”也沿用了荒野連續(xù)譜的方法，其中運(yùn)用的方法是由J. L. Stein、J. A. Stein等[10]提出的“河流干擾指數(shù)”概念作為評(píng)估體系。對(duì)荒野來(lái)說(shuō)，遙遠(yuǎn)度是核心要素；與之不同，自然流淌河流是基于河流連續(xù)體的理論，河流的水文、地貌以及生物過(guò)程被改變的程度是評(píng)價(jià)的關(guān)鍵內(nèi)容。Vannote于1980年提出了河流連續(xù)體的概念（the river continuum concept），將河流網(wǎng)絡(luò)看作是一個(gè)連續(xù)的整體系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能以及流域的統(tǒng)一性。除了地理空間的連續(xù)性以外，其中的生態(tài)過(guò)程與生物學(xué)過(guò)程也有連續(xù)性的影響[11]。因此河流干擾度的連續(xù)性等級(jí)是定義自然流淌河流的量值，具體可以分為河流中水流的流態(tài)直接變化以及人類對(duì)流域內(nèi)水文過(guò)程的間接影響。因此，流經(jīng)荒野或自然地的河流也可能因?yàn)樯嫌斡袛r蓄設(shè)施被認(rèn)為受到較高程度干擾，同時(shí)靠近聚居區(qū)域的河流也可能因?yàn)榱饔蛏鷳B(tài)系統(tǒng)較完整被認(rèn)為受到較低程度干擾[8]4。因此，河流干擾指數(shù)是由如下2個(gè)方面因素決定：①河流外在干擾：每段河流控制流域的人類干預(yù)所引起的河流地貌及生態(tài)功能變化；②河道內(nèi)在干擾：每段河流控制流域內(nèi)能夠改變水量、流態(tài)的人工設(shè)施等要素。

在本研究中，河流干擾指數(shù)作為自然流淌河流的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用以下計(jì)算方法。

1）找出每一段河流及其對(duì)應(yīng)的子流域，并以確定子流域傾瀉點(diǎn)（傾瀉點(diǎn)為流域內(nèi)的唯一最終出口）的方式來(lái)記錄子流域中的人類干擾度總和。每一段的子流域累積其上游子流域的干擾度。因此，最終流域的出口將會(huì)記錄所有子流域干擾度的總和。

2）累積的河流干擾指數(shù)將會(huì)由每一子流域內(nèi)外干擾度共同組成，影響指標(biāo)分別是：①河流外在干擾——土地利用、人類聚居點(diǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施、人類活動(dòng)足跡；②河流內(nèi)在干擾——水壩、人工建造的堤岸和引水工程。通過(guò)2種要素的疊加計(jì)算出子流域河流干擾指數(shù)，整體反映人類顯著改變河流過(guò)程的可能性。并且子流域產(chǎn)生的徑流量會(huì)對(duì)子流域的干擾指數(shù)產(chǎn)生影響（若子流域的產(chǎn)流較少，則子流域?qū)恿鞫温涞淖恿饔蚝恿鞲蓴_指數(shù)會(huì)相應(yīng)降低）。最終通過(guò)流量工具的累積算法（flow accumulation）得到每一個(gè)子流域?qū)恿鞲闪髫暙I(xiàn)的子流域干擾指數(shù)。

根據(jù)河流連續(xù)體的概念，河流的干擾會(huì)逐漸累積至下游。最終在每一個(gè)流域形成干擾度累加的總和，并可以對(duì)流域內(nèi)的河流進(jìn)行評(píng)分，形成河流干擾度連續(xù)譜，即從完全無(wú)干擾狀態(tài)（RDI=0）到嚴(yán)重干擾狀態(tài)（RDI=1）。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)定合理的閾值，可以在空間上識(shí)別較接近原始自然狀態(tài)的自然流淌河流。在此研究中設(shè)定RDI≤0.05為中國(guó)潛在自然流淌河流，但需要注意的是該閾值只是作為參考，在不同地區(qū)具體的分析與應(yīng)用過(guò)程中可以根據(jù)不同的保護(hù)目標(biāo)設(shè)立閾值。

總體研究過(guò)程分為4個(gè)步驟：

1）基于中國(guó)地形DEM數(shù)據(jù)在國(guó)土尺度上進(jìn)行子流域劃分，并以其子流域作為基本的干擾度計(jì)算單元。

2）針對(duì)每個(gè)河段建立2個(gè)指數(shù)：①河流外在干擾指數(shù)；②河流內(nèi)在干擾指數(shù)。并通過(guò)干擾度的疊加得到子流域的綜合河流干擾指數(shù)。

3）根據(jù)子流域在總河段中所貢獻(xiàn)的徑流比例，對(duì)子流域干擾指數(shù)進(jìn)行調(diào)整；若子流域?qū)Ω闪鞯膹搅髫暙I(xiàn)量小，則認(rèn)為該子流域提供較小的子流域干擾指數(shù)。

4）通過(guò)加總累積子流域干擾指數(shù)，形成綜合累積河流干擾指數(shù)，最終進(jìn)行河流的空間識(shí)別與評(píng)價(jià)（圖1）。

1 技術(shù)路線Technical route

2.3 研究數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

為了建立河流干擾指數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)以下圖層指標(biāo)對(duì)使用的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集（表1）。在基礎(chǔ)資料的收集過(guò)程中，由于臺(tái)灣地區(qū)與南海諸島地區(qū)數(shù)據(jù)收集存在不完整以及地形匯水計(jì)算上存在一定誤差，因此在本研究中暫時(shí)以空白表示，在后續(xù)進(jìn)一步研究中應(yīng)陸續(xù)補(bǔ)上。

表1 使用的數(shù)據(jù)集Tab. 1 Data sets used

3 中國(guó)國(guó)土尺度河流干擾度評(píng)價(jià)與空間制圖應(yīng)用

3.1 子流域劃定

通過(guò)GIS系統(tǒng)的分水嶺工具，根據(jù)已經(jīng)填洼過(guò)的HYDRO1K DEM河網(wǎng)信息[12-13]，確定每一段河流的細(xì)分子流域，每一個(gè)子流域會(huì)在匯出子流域的流出點(diǎn)上匯總一個(gè)傾瀉點(diǎn)[14]。這個(gè)傾瀉點(diǎn)會(huì)記錄每一個(gè)子流域內(nèi)部的干擾度。為滿足研究需要，采用已經(jīng)成熟的流域劃分方案來(lái)確定所有傾瀉點(diǎn)的位置。通過(guò)中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心的流域分級(jí)資料，分為10個(gè)一級(jí)流域以及209個(gè)次級(jí)流域[15]（圖2、3）。

2 一級(jí)流域劃分Division of streams and rivers in primary watershed

3 次級(jí)流域劃分Division of streams and rivers in sub-watershed

3.2 土地利用要素

土地利用要素包含了流域內(nèi)的社會(huì)及自然屬性情況。森林覆蓋度較高的流域往往其生境狀態(tài)可能更優(yōu)質(zhì)?；哪?、冰川等地反映人類影響較低，建設(shè)用地（城市、鄉(xiāng)村）與種植業(yè)用地（水田、旱地）等則表明了人類的污染以及種植業(yè)所使用的營(yíng)養(yǎng)物添加更多地影響了流域內(nèi)的河流污染狀況[16-17]。選取2018年的土地利用數(shù)據(jù)[18]，在分項(xiàng)賦值中，根據(jù)不同的土地利用劃分人類干擾的影響排序等級(jí)：影響層級(jí)最高的是城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村等建設(shè)用地類型，更有可能產(chǎn)生污染以及暴雨徑流。其他土地利用數(shù)據(jù)則依序由人類干擾的自然可能性打分排序。

3.3 基礎(chǔ)設(shè)施要素

基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)河流的影響包括道路建設(shè)可能對(duì)流域內(nèi)的生物造成飲水活動(dòng)阻礙、移動(dòng)阻礙或是生境破碎化等效應(yīng)。抑或道路上通常較高的交通量會(huì)導(dǎo)致汽油、塑料碎屑等非點(diǎn)源污染徑流的發(fā)生概率升高[19]。在分項(xiàng)賦值中，通過(guò)距離閾值與緩沖區(qū)對(duì)影響區(qū)域進(jìn)行等級(jí)劃分，按照道路基礎(chǔ)設(shè)施的等級(jí)進(jìn)行排序。國(guó)道、省道等高級(jí)別道路有著較強(qiáng)的影響以及較大影響范圍的緩沖區(qū)[20]。因此，依據(jù)不同的道路等級(jí)給出不同的權(quán)重，建立基礎(chǔ)設(shè)施要素的評(píng)分圖層。

3.4 人類聚居點(diǎn)要素

人類聚居點(diǎn)會(huì)大幅度增加流域內(nèi)的社會(huì)水循環(huán)中人類干擾的部分，這種社會(huì)水循環(huán)將會(huì)劇烈改變河流的水文與生態(tài)特征，因此視為流域外在干擾的一個(gè)重要部分。例如人類聚居點(diǎn)通常會(huì)增大不透水下墊面，從而導(dǎo)致非點(diǎn)源污染隨著大量徑流進(jìn)入河道，對(duì)河流的生態(tài)過(guò)程產(chǎn)生影響。在分項(xiàng)賦值中，通過(guò)緩沖區(qū)對(duì)人類聚居點(diǎn)對(duì)河流的干擾進(jìn)行分級(jí)。使用全國(guó)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)中的1∶100萬(wàn)的數(shù)據(jù)圖層[21]作為本研究中人類聚居的干擾要素。

3.5 人類活動(dòng)影響要素

人類活動(dòng)導(dǎo)致單一自然水循環(huán)的格局被打破，形成了自然與社會(huì)二元水循環(huán)的格局，其中各種生活、生產(chǎn)活動(dòng)強(qiáng)烈改變流域內(nèi)自然水循環(huán)的物理動(dòng)力條件[22-23]，從而影響了河流的自然程度。本研究中通過(guò)人類世基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[24]來(lái)代表人類活動(dòng)影響的程度，這種人類活動(dòng)軌跡極大地影響了社會(huì)水循環(huán)的層面，對(duì)子流域有一定的干擾影響。在分項(xiàng)賦值中，通過(guò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)進(jìn)行1～100分賦值。

3.6 水工程設(shè)施要素

水壩、堰和其他工程結(jié)構(gòu)障礙破壞了河流自然連續(xù)體，將其轉(zhuǎn)化為一系列被割斷的水面。水工程設(shè)施對(duì)河流的影響有2部分，一部分是使水生生物群落受到了阻隔性的直接影響，一部分是改變了河流在自然狀態(tài)下的水文地貌形成過(guò)程，如河流渠化對(duì)自然河流的泥沙沉積物、營(yíng)養(yǎng)物運(yùn)輸造成了大幅改變[25]。水壩及其他工程設(shè)施最大程度改變了河流本身的流態(tài)關(guān)系，因此在本研究中若有水壩記錄于子流域之內(nèi)，則會(huì)視為子流域中最高級(jí)別的干擾度影響。通過(guò)使用世界大壩數(shù)據(jù)庫(kù)[26]，找出中國(guó)主要大壩的空間信息。筆者在大壩數(shù)據(jù)集的選取上選擇了能夠取得的開源數(shù)據(jù)，可能會(huì)遺漏更小級(jí)別的水壩以及其他的水工程設(shè)施，這些設(shè)施也對(duì)河流有不同程度的潛在影響。未來(lái)在更小尺度的研究中可以進(jìn)一步識(shí)別出其水利設(shè)施對(duì)流域的影響。

3.7 硬化堤岸、溝渠要素

硬化堤岸的修建是為了減少洪水對(duì)人類的危害，或是將河水引至水庫(kù)滿足人類生產(chǎn)、生活的需要。這將會(huì)改變流域自然流向或河道生境橫向的能量流動(dòng)交換（洪泛區(qū)交界、水陸交界帶），在某些區(qū)段也會(huì)增加河道的動(dòng)力（流速增高），對(duì)河流水文地貌造成了影響[27-28]。河流廊道是一個(gè)線性系統(tǒng)，除此之外，其內(nèi)部與四周的能量交換也構(gòu)成了相應(yīng)的生態(tài)流動(dòng)特性。因此人類活動(dòng)的影響主要是對(duì)自然河流進(jìn)行了人工渠化。其中，渠化河段阻斷了地表水與地下水間的交換、底棲生物的棲息地空間[29]、物質(zhì)能量的交換作用，減少了有效漫灘的面積，減少了在極端暴雨事件中河岸帶的緩沖作用，因而對(duì)流域的干擾度升高。為了計(jì)算硬化堤岸與溝渠的空間分布，筆者采用OSM的開源數(shù)據(jù)[30]，在分級(jí)上采用不同距離的函數(shù)，以減小遠(yuǎn)離河流的溝渠對(duì)河流的影響。

3.8 流域產(chǎn)匯流

任意子流域內(nèi)的河流干擾度應(yīng)與區(qū)域的產(chǎn)流狀態(tài)有一定關(guān)系，當(dāng)然，在本研究中沒(méi)有對(duì)中國(guó)所有河流及其支流的徑流進(jìn)行直接測(cè)量，也沒(méi)有在空間分布上取得一定的數(shù)據(jù)；而是通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的水平衡模型，結(jié)合長(zhǎng)期平均降水量和潛在蒸發(fā)量數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。其原理是：降雨在滲入流域內(nèi)土壤蓄水層的過(guò)程中，雨水如果超過(guò)了這個(gè)土壤蓄水層的最大限度，則可能會(huì)“滿艙”而產(chǎn)生一定量的徑流。因此，年度平均產(chǎn)水盈馀（annual mean water surplus）被用作這種“滿艙”狀態(tài)下產(chǎn)生徑流的替代指標(biāo)。根據(jù)澳大利亞大陸尺度的荒野河流評(píng)估工作的數(shù)據(jù)顯示，通常情況下，超過(guò)100～150 mm年均降水量的區(qū)域大抵會(huì)出現(xiàn)滿艙的徑流盈馀狀態(tài)。利用長(zhǎng)期平均降水量和潛在蒸發(fā)值進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)超過(guò)50 mm最大土壤貯水量就會(huì)產(chǎn)生累積盈余。在區(qū)域或國(guó)家尺度上，筆者通過(guò)簡(jiǎn)化其復(fù)雜的水文情況，使用徑流系數(shù)與年平均降水量的關(guān)系，得出區(qū)域流域?qū)恿鲝搅鞯漠a(chǎn)流貢獻(xiàn)，以調(diào)整子流域干擾度對(duì)河流干擾指數(shù)的貢獻(xiàn)。但同時(shí)也要注意到實(shí)際上徑流受許多更加復(fù)雜的函數(shù)影響，包括地形坡度、地質(zhì)、土壤特性、降雨強(qiáng)度、土地利用等[31-32]。

3.9 計(jì)算

子流域的內(nèi)在干擾度要素（inner factor）計(jì)算按照以下公式：

式中，SFRDI為子流域內(nèi)在干擾指數(shù)；IF1為水工程設(shè)施要素，IF2為硬化堤岸、溝渠要素；W為各圖層影響權(quán)重，W1=0.5，W2=0.5。

子流域的外在干擾度要素（external factor）計(jì)算按照以下公式：

式中，SCDI為子流域外在干擾指數(shù)；EF1為人類聚居點(diǎn)要素，EF2為基礎(chǔ)設(shè)施要素，EF3為土地利用要素，EF4為人類活動(dòng)影響要素；W為各圖層影響權(quán)重，W1=0.25，W2=0.25，W3=0.25，W4=0.25。由于子流域的干擾度是隨著河流的連續(xù)性所累積的，為了計(jì)算每一個(gè)子流域及其上游的干擾指數(shù)累積，干擾度蓄積的計(jì)算按照以下公式：

式中，RDI即為最終的河流干擾指數(shù)，該數(shù)值反映某一流域段落內(nèi)的河流干擾度；W為各圖層影響權(quán)重，W1=0.5，W2=0.5。

最終依據(jù)河流干擾指數(shù)繪制中國(guó)國(guó)土尺度上的自然流淌河流空間分布。為了簡(jiǎn)化內(nèi)外干擾影響的權(quán)重關(guān)系，我們假定河流和流域內(nèi)的干擾對(duì)河流的影響是平等和獨(dú)立的。在實(shí)際工作中根據(jù)不同的環(huán)境可能需要使用不同的權(quán)重。由于本尺度著重推判的是整體趨勢(shì)性，在權(quán)重的使用上按照等分設(shè)置。

4 結(jié)果

4.1 國(guó)土尺度河流干擾度評(píng)價(jià)與空間制圖

筆者基于河流干擾指數(shù)的方法，對(duì)中國(guó)的河流進(jìn)行評(píng)價(jià)，并繪制基于河流干擾指數(shù)的中國(guó)自然流淌河流地圖（圖4）。人類干擾的不同程度被作為自然流淌河流的分類標(biāo)準(zhǔn)。筆者提取了前0.05干擾度最低的河流作為潛在的自然流淌河流，選擇前0.1干擾度低的河流作為低干擾河流，0.1～0.3作為中等干擾河流，0.3～0.5作為強(qiáng)干擾河流，0.6～1.0作為嚴(yán)重干擾河流。

4 中國(guó)自然流淌河流制圖Spatial distribution of free-flowing rivers in China

根據(jù)結(jié)果分為5個(gè)級(jí)別：潛在的自然流淌河流、低干擾河流、中等干擾河流、強(qiáng)干擾河流、嚴(yán)重干擾河流，分別約占中國(guó)河流長(zhǎng)度的6.85%、5.37%、24.39%、19.89%、43.5%。揭示了其空間分布情況，中國(guó)有約63.39%的河流受到了強(qiáng)干擾以及嚴(yán)重干擾（表2）；大多的自然流淌河流存在于內(nèi)陸河流域、西南諸河流域以及長(zhǎng)江流域（上游）。

表2 中國(guó)流域河流干擾度占比Tab. 2 River disturbance index in watersheds in China at percentage 單位：%

4.2 潛在的自然流淌河流

受到較低干擾的河流段落（包含潛在自然流淌河流）主要分布在：青?！吹貐^(qū)、河源至瑪曲、通天河上游、柴達(dá)木盆地西部；西藏——羌塘高原區(qū)、拉孜；內(nèi)蒙古——內(nèi)蒙古高原東部、黑河、大興安嶺；新疆——和田河、葉爾羌河、阿克蘇河、渭干河、克里亞河諸小河、車爾臣河等；四川西部——雅礱江上游、大渡河上游；云南北部——瀾滄江、沘江口以上等地區(qū)。這些地區(qū)皆有潛在自然流淌河流。上述地區(qū)的省會(huì)、人類聚居較密集的地區(qū)周遭的河流，呈現(xiàn)出較高的人類干擾。三江源地區(qū)有全國(guó)最密集的自然流淌河流分布。同時(shí)必須指出，在一系列荒野研究的相關(guān)指標(biāo)選取中，遙遠(yuǎn)度是一個(gè)重要的相關(guān)性指標(biāo)[33]。在自然流淌河流的空間識(shí)別中，由于是通過(guò)流域內(nèi)流量累積的方法計(jì)算，因此自然流淌河流不一定與荒野地存在空間重疊的特性。有一定數(shù)量的河流可能會(huì)與道路基礎(chǔ)設(shè)施在空間上呈現(xiàn)相疊加的情況，但其河流干擾指數(shù)也較低（例如青海地區(qū)的河流干擾指數(shù)低但也存在道路在河流旁并行的現(xiàn)象）。

4.3 強(qiáng)干擾與嚴(yán)重干擾的河流

受到較強(qiáng)干擾的河流段落可能有如下潛在的問(wèn)題：水質(zhì)污染、水量不穩(wěn)定（過(guò)高與過(guò)低）、生境由于受到人類影響而減少、河流廊道連續(xù)性受到人類影響而中斷。受到較強(qiáng)干擾的河流段落主要位于長(zhǎng)江（占全國(guó)總河流長(zhǎng)度的22.76%）、黃河（6.88%）、珠江（6.61%）、松花江（4.34%）等大江大河的中下游流域，大抵與水利工程建設(shè)、城建開發(fā)相關(guān)。受到干擾聚集度最高的河段是長(zhǎng)江，流出四川之后基本全段都受到了較高的人類干擾（由于城市建設(shè)、水壩、人口密集等因素影響），另由于長(zhǎng)江下游有較多的支流存在，因此長(zhǎng)江流域占到了較高的長(zhǎng)度比例。

4.4 流域干擾特征的空間分布

從流域的空間分布特征來(lái)看（表3，圖5），國(guó)土尺度的流域干擾特征總體呈現(xiàn)流域受到干擾的個(gè)數(shù)多但范圍較集中，干擾度低的流域少但面積區(qū)域范圍較大的趨勢(shì)。干擾度較高的流域基本聚集于胡煥庸線以東的區(qū)域。超過(guò)58%的流域受到了強(qiáng)干擾與嚴(yán)重干擾，約占全國(guó)流域面積的37%。由于河流連續(xù)性的關(guān)系，受到較強(qiáng)烈干擾的流域皆為各主要流域的下游，如：長(zhǎng)江、黃河、珠江下游，海河流域下游，松花江流域等。受到中等干擾的流域占22%，約占全國(guó)面積的23%。多為大江大河匯入干流的二三級(jí)支流流域。約20%的流域受到低干擾與較低干擾，占全國(guó)面積的40%。其大多在大江大河的上游，主要分布在內(nèi)陸河流域、西南諸河流域。本范圍內(nèi)有著較大量的潛在自然流淌河流，多位于青海、內(nèi)蒙古、西藏、新疆等地。

表3 中國(guó)流域干擾狀況比較Tab. 3 Comparison of disturbances in drainage basins in China

5 基于河流干擾指數(shù)的中國(guó)流域干擾度識(shí)別Identification of disturbed watershed in China based on the river disturbance index

4.5 中國(guó)潛在自然流淌河流的保護(hù)現(xiàn)狀

自然流淌河流在自然價(jià)值與生物多樣性方面有著巨大的保護(hù)潛力。通過(guò)世界自然保護(hù)聯(lián)盟（International Union for Conservation of Nature，簡(jiǎn)稱IUCN）的保護(hù)地體系數(shù)據(jù)[34]來(lái)看中國(guó)潛在的自然流淌河流的受保護(hù)情況（圖6）。全國(guó)有55%的潛在自然流淌河流與低干擾的河流在現(xiàn)狀的保護(hù)區(qū)內(nèi)，占全國(guó)河流的3.5%。尚未被保護(hù)的潛在自然流淌河流（23%）以及低干擾的河流（22%）多位于西藏、新疆、青海、川西、內(nèi)蒙古東部等地區(qū)。除了西藏、新疆、青海、內(nèi)蒙古等地由于受到地廣人稀的影響，潛在自然河流受到天然地形屏障保護(hù)的可能性較高。對(duì)于已經(jīng)納入保護(hù)地的自然流淌河流，應(yīng)通過(guò)保護(hù)區(qū)立法、制定管理分區(qū)及政策實(shí)施保障自然流淌河流的重要性。對(duì)于尚未納入保護(hù)地體系的自然流淌河流，應(yīng)探討對(duì)自然流淌特征潛在較顯著的河流段落進(jìn)行實(shí)際的河流評(píng)估研究。鑒于IUCN的保護(hù)地體系數(shù)據(jù)目前仍有一定的空缺[35]，自然流淌河流如何納入IUCN的保護(hù)地體系之中，以及用什么樣的方法來(lái)進(jìn)行河流保護(hù)，仍然有許多值得探討的空間。

6 中國(guó)的潛在自然流淌河流保護(hù)現(xiàn)況Current protection of potential free-flowing rivers in China

5 結(jié)論與討論

5.1 研究結(jié)論

筆者嘗試使用一種基于河流干擾指數(shù)的方法來(lái)識(shí)別自然流淌河流，并通過(guò)河流干擾指數(shù)來(lái)確定潛在的河流保護(hù)目標(biāo)。具體措施是識(shí)別與評(píng)估中國(guó)國(guó)土尺度自然流淌河流的分布及其空間特征，主要聚焦找出受到干擾較小的潛在自然流淌河流，并評(píng)估中國(guó)自然流淌河流與現(xiàn)有保護(hù)地體系之間的空間關(guān)系，為自然流淌河流的保護(hù)研究、河流管理以及規(guī)劃的制定提供初步參考，并展開具體策略的討論。在本文中為便于闡述流域的人為干擾關(guān)系，使用一級(jí)流域（10個(gè)）以及次級(jí)流域（209個(gè)）作為流域劃分的基礎(chǔ)。但不排除高度干擾的流域內(nèi)部也有末端存在自然流淌河流的可能性。最終得到以下結(jié)論與建議。

1）全國(guó)共有約12%的河流為潛在的自然流淌河流與干擾度較低的河流，并有55%位于現(xiàn)存的保護(hù)地體系之中，主要分布于三江源地區(qū)。

2）在河流干擾指數(shù)較高的區(qū)域應(yīng)針對(duì)區(qū)域小流域進(jìn)行河流健康度的整合評(píng)估以及河流生態(tài)修復(fù)工作，即便是流域的下游也可能存在潛在的自然流淌河流。

3）自然流淌河流存在著較高的自然價(jià)值與風(fēng)景價(jià)值，當(dāng)前河流保護(hù)尚未形成完整體系。隨著人類活動(dòng)的擴(kuò)張發(fā)展，河流生態(tài)系統(tǒng)面臨較大的危機(jī)，如斷流、魚類滅絕、河流水質(zhì)污染等情況，可能對(duì)自然流淌河流產(chǎn)生威脅。尚未進(jìn)入保護(hù)地體系的潛在自然流淌河流應(yīng)結(jié)合保護(hù)地體系完善形成一定的河流保護(hù)機(jī)制。

4）水壩是流域下游河流干擾指數(shù)較高的主要影響因素，在這里需明確的是水利工程設(shè)施雖是評(píng)價(jià)自然流淌河流的干擾因素，但在做區(qū)域綜合評(píng)估時(shí)應(yīng)該客觀地評(píng)價(jià)其正負(fù)面影響，在協(xié)調(diào)社會(huì)發(fā)展、自然生態(tài)保護(hù)兩方面需要的同時(shí)辯證地評(píng)估水利工程設(shè)施對(duì)河流的具體影響。

5.2 不足與展望

1）數(shù)據(jù)分析方面：相同數(shù)據(jù)層級(jí)的影響度可能在不同區(qū)域有所不同（如對(duì)同等級(jí)的道路而言，在西藏的影響程度與在北京的影響程度是不同的），不同粒度的數(shù)據(jù)圖層也會(huì)遇到經(jīng)典的可塑性面積單元問(wèn)題（modifiable areal unit problem，簡(jiǎn)稱MAUP）。另外，人類數(shù)據(jù)足跡的年份較早，不同年份間的數(shù)據(jù)圖層在中國(guó)當(dāng)前的快速發(fā)展下也可能產(chǎn)生分析上的偏差。這需要根據(jù)更多的調(diào)研觀察而定。

2）當(dāng)前中國(guó)水利工程的數(shù)量要比世界大壩數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)量多，且受到數(shù)據(jù)空缺的制約，筆者并未對(duì)大壩進(jìn)行影響等級(jí)的分級(jí)，在進(jìn)一步具體工作中需要增加水利工程的空間信息收集以及標(biāo)準(zhǔn)化的分級(jí)影響評(píng)價(jià)。

3）在未來(lái)可以通過(guò)綜合RDI與CSI 2種評(píng)價(jià)體系對(duì)自然流淌河流進(jìn)行更進(jìn)一步的方法優(yōu)化與空間識(shí)別。

4）在下一步的工作中，自然流淌河流定義與重要性、識(shí)別評(píng)價(jià)方法、保護(hù)管理方式等可以通過(guò)實(shí)地考察、案例研究、多學(xué)科專家研討會(huì)來(lái)深化，對(duì)本文研究結(jié)果進(jìn)行綜合地評(píng)估、分析，進(jìn)一步確定采用數(shù)據(jù)的類型以及權(quán)重，使結(jié)論與定量化結(jié)果能夠更加準(zhǔn)確。

圖表來(lái)源(Sources of Figures and Tables)：

圖表均由作者繪制。本文所有地圖改繪于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)之中國(guó)地圖：審圖號(hào)GS(2016)2923號(hào)，自然資源部監(jiān)制。