李文杰，雷宗霖，萬 宇，杜洪波，宋 洋

(1.重慶交通大學，國家內(nèi)河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學，水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

河流在全球范圍內(nèi)支持復雜多樣的生態(tài)系統(tǒng)，提供重要的社會和經(jīng)濟服務保障，是影響自然生態(tài)環(huán)境和人類社會經(jīng)濟系統(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。通航基礎設施的建設使得河流面臨連通性喪失的壓力，并導致生物多樣性和基本的生態(tài)系統(tǒng)服務功能下降[6]。河流自由流動的能力由路徑連通性決定，這些路徑使水體及其在整個河流環(huán)境中輸送的生物體、沉積物、有機物和營養(yǎng)物能夠流動和交換，如何改善河流連通性、提高水生生物多樣性并增加相關生態(tài)系統(tǒng)服務價值仍然是一個挑戰(zhàn)。

河流連通性對于保護生物多樣性至關重要[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，對魚類最不利的影響是阻隔其洄游通道。船閘在運行過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)計與魚類上下行標記試驗驗證了魚類可以通過船閘實現(xiàn)上下行的交流[10]，表明船閘可兼做魚類洄游通道等過魚設施[11-12]。此外，運行船閘可降低庫區(qū)水體滯留、調(diào)節(jié)庫區(qū)累計污染物和改善水質(zhì)[13]。然而，對于船閘提供的連通水體對河流生態(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)計有無修建船閘條件下大壩處的生態(tài)壓力值，據(jù)此分析運行船閘對通航河流生態(tài)的影響，以期為生態(tài)環(huán)境保護目標下的河流航運規(guī)劃建設提供理論支撐。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1全球黃金航道

根據(jù)河流航運承載力和社會經(jīng)濟指數(shù)，從流域面積大于10萬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個大壩，結(jié)合衛(wèi)星影像，按照有無修建船閘將大壩分為“有壩有閘”和“有壩無閘”2類，其中“有壩有閘”99處、“有壩無閘”110處，見表1。

表1 全球34條內(nèi)河黃金航道有無修建船閘的大壩數(shù)量

1.1.3生態(tài)指標

全球河流生態(tài)壓力地圖由0～1之間的不同生態(tài)壓力指標值繪制，生態(tài)壓力值為無量綱負向指標，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)展評價方法中的生態(tài)壓力指數(shù)評價模型，分別選取河流生態(tài)數(shù)據(jù)庫中的徑流擾動性、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個生態(tài)壓力指標，研究船閘對通航河流的生態(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，在河流生態(tài)數(shù)據(jù)庫中選取距離閘壩最近的4個數(shù)據(jù)點，采用空間反距離加權(quán)插值法[15]確定閘壩處生態(tài)指標值。

1.2.2船閘對通航河流的生態(tài)影響分析

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

1.2.3典型河流分析

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

2 河流生態(tài)與大壩密度的關系

各生態(tài)指標壓力值與大壩密度的回歸分析見圖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個生態(tài)指標壓力值均與大壩密度呈正相關，即大壩密度越大生態(tài)指標壓力也越大，說明大壩的修建對河流生態(tài)存在負面影響。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 全球河流的各項生態(tài)指標壓力值與大壩密度關系

各生態(tài)指標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，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 船閘對生態(tài)壓力變化的影響

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

圖2 有無修建船閘處生態(tài)指標與大壩密度的回歸系數(shù)

采用主成分分析法將6個河流生態(tài)指標系統(tǒng)降維成2個因子指標：第一公因子F1主要表達河流基本信息，在徑流擾動指數(shù)和河流破碎化指標上載荷系數(shù)較大，故對其解釋力度較大并且因子表達的信息趨于該2項生態(tài)指標；第二公因子F2主要趨于對受大壩影響河流在生態(tài)表現(xiàn)上的信息表達，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上載荷系數(shù)較大，故對其解釋力度較大并且因子表達的信息趨于該4項生態(tài)指標。2個公因子對6個原始指標信息的表達比例為62%，能較好地解釋原始指標的信息。根據(jù)公因子在各指標上的載荷系數(shù)，其表達式如下：

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)表達式可計算出2個公因子的壓力值，其值與大壩密度的回歸結(jié)果見圖3。對于第一公因子，無論大壩密度高低，運行船閘處壓力值均低于無船閘處，且隨著大壩密度升高運行船閘處壓力升高幅度更小，見圖3a)。河流受到大壩干擾其壓力值便升高，運行船閘提供連通水體，對受影響河流具有調(diào)節(jié)作用，所以無論航道開發(fā)與大壩密度高低情況如何，運行船閘處第一因子壓力值均低于無船閘處。

對于第二公因子，低大壩密度時運行船閘處生態(tài)壓力值高于無運行船閘處，高大壩密度時運行船閘處生態(tài)壓力值低于無運行船閘處，見圖3b)。由于航道發(fā)展前中期開發(fā)率低，大壩密度低，運行船閘處受人類活動影響強烈，故低大壩密度和低航道開發(fā)率時，運行船閘處第二公因子壓力值高于無船閘處。隨著航道開發(fā)率的提高，大壩密度上升，無論有無船閘處均受到繁忙的人類活動影響，且受到的影響趨于一致。然而，運行船閘對受大壩影響河流的生態(tài)具有調(diào)節(jié)作用，所以當航道開發(fā)率與大壩密度升高時，有無船閘處第二因子壓力值逐漸接近，突破大壩密度臨界點后，運行船閘處第二因子壓力值低于無船閘處。

圖3 因子壓力值與大壩密度關系

如圖3所示，運行船閘處第一公因子與第二公因子的回歸系數(shù)均小于無運行船閘處，表明船閘對通航河流生態(tài)的改善具有積極作用。運行船閘處第一公因子、第二公因子回歸系數(shù)與無船閘處相比，絕對值下降分別為0.072、0.261，百分比下降分別為22%、50%，表明運行船閘對第二公因子的調(diào)節(jié)作用強于第一公因子。在筑壩的蓄水河流中運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)方面的相關指標在受運行船閘調(diào)節(jié)作用時表達更加強烈。

4 典型通航河流生態(tài)壓力分析

選取長江、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圖4。如圖4a)所示，3條河流中長江上大壩密度最低、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，壓力值分布最高。

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

為闡明典型河流上運行船閘對生態(tài)的積極影響，將2類因子值按有無船閘進行分類比較，見圖5。對于萊茵河與密西西比河，運行船閘處第一公因子和第二公因子壓力值均低于無運行船閘處，表明對于萊茵河與密西西比河等航道開發(fā)率相對較高的發(fā)達航道，運行船閘促進上下游水體連通，對河流生態(tài)的改善具有重要作用。對于長江，運行船閘處第一公因子和第二公因子壓力值均高于無運行船閘處，可能是由于長江開發(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影響較強，在生態(tài)壓力的表現(xiàn)上高于無船閘處。

注：每個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個四分位數(shù)(75%分位數(shù))和第3個四分位數(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)的異常值截斷點限制范圍之外的數(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)壓力值呈正相關關系。

2)大壩密度升高時，“有壩有閘”類大壩的生態(tài)壓力值增加幅度比“有壩無閘”類大壩小，運行船閘對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)濟發(fā)展水平、人類活動等多因素影響，不同河流有無船閘處生態(tài)壓力會呈現(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)指標數(shù)據(jù)，從生態(tài)角度研究運行船閘對通航河流的影響，僅局限于對全球河流的宏觀分析，后期需要進一步研究運行船閘在航道不同發(fā)展階段對生態(tài)的影響，并且重點關注河流在生態(tài)表現(xiàn)方面受船閘調(diào)節(jié)作用的大壩密度臨界點。