關(guān)鍵詞：中小河流；堰壩群；邊灘；景觀格局指數(shù)；靈山港

中圖分類(lèi)號(hào)：ＴＶ６４； ＴＶ８５３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０５．０１３

引用格式：黎景江，夏繼紅，王玥，等．中小河流堰壩分布對(duì)邊灘景觀格局的影響［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（５）：６１－６４．

堰壩是中小河流治理中的重要建筑物，具有防洪、抗旱、蓄水灌溉、營(yíng)造景觀等功能［１］ 。堰壩建設(shè)后會(huì)顯著改變河流水文條件，從而影響灘地分布、生境與水環(huán)境［２－４］ 。符俊杰等［５］ 研究表明河流筑壩會(huì)從流域和景觀尺度改變土地利用的類(lèi)型和覆蓋。包先霞等［６］研究認(rèn)為梯級(jí)堰壩群對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響較單個(gè)堰壩的影響更為復(fù)雜，具有復(fù)合累積效應(yīng)。諸多研究重點(diǎn)關(guān)注了大型堰壩對(duì)河道水文、生態(tài)和流域土地利用的影響，研究成果對(duì)堰壩的建設(shè)發(fā)揮了一定的指導(dǎo)作用［７］ ，但關(guān)于中小河流中堰壩分布對(duì)邊灘的影響及其機(jī)理的研究較少。中小河流中常分布大量堰壩，人們?yōu)榱诵钏诤恿髦蓄l繁建堰，使得河流水沙條件、邊灘分布發(fā)生劇烈變化，從而導(dǎo)致河段水量不足、生態(tài)環(huán)境退化等問(wèn)題，因此，優(yōu)化堰壩布局已成為當(dāng)前中小河流治理的迫切需求。本研究以浙江省龍游縣靈山港為研究區(qū)域，基于野外調(diào)查、衛(wèi)星遙感影像的ＧＩＳ 信息提取，采用景觀格局指數(shù)法分析堰壩分布方式對(duì)邊灘格局的影響過(guò)程及水動(dòng)力學(xué)解釋?zhuān)云跒橹行『恿魃鷳B(tài)保護(hù)與治理提供參考。

１材料與方法

１．１研究區(qū)域概況

靈山港位于東經(jīng)１１９°７′—１１９°１２′、北緯２８°４８′—２９°４′，是龍游縣境內(nèi)衢江右岸的一條重要支流，發(fā)源于海拔１ ２６５ ｍ 的遂昌縣高坪鄉(xiāng)和尚嶺，干流由南向北流經(jīng)沐塵村、溪口村、上楊村等地，貫穿龍游縣中部，北至驛前村附近匯入衢江。河道蜿蜒曲折，為典型的山丘區(qū)中小河流。本研究以靈山港龍游境內(nèi)段（沐塵水庫(kù)至入衢江口）為研究區(qū)段（見(jiàn)圖１），該區(qū)段流域面積為３６７．６ ｋｍ^２，干流河道長(zhǎng)４３．７ ｋｍ，沿線設(shè)有步坑口水文站，平均河道比降為０．２４５％，按照河道比降變化將靈山港分為上、中、下游３ 個(gè)區(qū)段，比降分別為０．３０４％、０．２８６％和０．１５０％［８］ 。河道沿線分布有豐富的邊灘以及２０ 座堰壩。

１．２數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究選用２００７ 年、２０１２ 年、２０１７ 年及２０２１ 年共４ 個(gè)年份的遙感影像資料作為數(shù)據(jù)源，分辨率為２．４ ｍ。選用各年度１０ 月且云量小于５％的影像切片，保證了數(shù)據(jù)尺度的一致性。首先利用ＡｒｃＧＩＳ １０．２ 對(duì)初始影像進(jìn)行拼接、裁剪，獲取河道的基本信息；然后利用ＥＮＶＩ ５．３ 中最大似然分類(lèi)法準(zhǔn)確識(shí)別出水體、邊灘及堰壩三類(lèi)景觀斑塊，并結(jié)合野外實(shí)地考察對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。基于水文站和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法獲得２００７—２０２１ 年各年份１０ 月全河道各堰壩斷面的平均流速和水深數(shù)據(jù)，并計(jì)算出不同斷面位置水流弗勞德數(shù)Ｆｒ。

１．３景觀格局指標(biāo)的選取與計(jì)算

本文采用景觀格局指數(shù)法分析邊灘的時(shí)空變化特征，主要選取斑塊個(gè)數(shù)（ＮＰ）、斑塊密度（ＰＤ）、最大斑塊指數(shù)（ＬＰＩ）和形狀指數(shù)（ＬＳＩ）等景觀指標(biāo)，各景觀指標(biāo)的計(jì)算公式和生態(tài)學(xué)意義見(jiàn)表１。

２結(jié)果與分析

２．１堰壩的分布特征

經(jīng)影像處理及實(shí)地勘測(cè)可知，河道沿線２０ 座堰壩的平均寬度為１２３．８ ｍ，平均厚度為２．７５ ｍ，平均高度為２．０ ｍ，各堰壩與上游堰壩的間距Ｄ 及所處河段曲率系數(shù)Ｋ 見(jiàn)表２。除Ｙ４、Ｙ２０ 兩座堰壩的右岸建有泄水閘可以靈活控制上游水量的蓄泄外，其余堰壩的過(guò)流形式均為堰頂自由溢流。２００７ 年前靈山港建有１３座堰壩，２００７ 年以后陸續(xù)增建了Ｙ２、Ｙ３、Ｙ６、Ｙ８、Ｙ９、Ｙ１７ 和Ｙ１８ 等７ 座堰壩，建成年份分別為２０１９ 年、２０１８ 年、２０１５ 年、２０１０ 年、２０１５ 年、２０１６ 年、２０１６ 年。堰壩群平均間距逐漸減小，由２００７ 年的３．３７ ｋｍ 變化為２０１２ 年的３．１１ ｋｍ 和２０１７ 年的２．５３ ｋｍ，到２０２１ 年降至２．１３ ｋｍ，對(duì)整個(gè)河道的水流條件產(chǎn)生一定影響。

本研究以平均間距的３０％作為波動(dòng)區(qū)間，將堰壩間距小于１．４９ ｋｍ 的分布方式定義為高密度分布，間距為１．４９～２．７８ ｋｍ 的分布方式定義為中密度分布，間距大于２．７８ ｋｍ 的分布方式定義為低密度分布。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，高密度堰壩群主要分布于上游河段，中密度堰壩群主要分布于中游河段，低密度堰壩群主要分布于下游河段。從河段的彎曲程度看，除Ｙ４ 和Ｙ１１ 兩座堰壩分布在高彎曲河段外，其余堰壩均分布于Ｋ＜１．２ 的低彎曲河段。

２．２邊灘的動(dòng)態(tài)演變特征

靈山港不同年份各區(qū)段邊灘景觀指標(biāo)見(jiàn)表３。由表３ 可知，邊灘面積ＣＡ 減小了４６．１％，其中在２００７—２０１２ 年減小幅度最大，為３１．６％。因ＮＰ 數(shù)據(jù)可由ＣＡ、ＰＤ 數(shù)據(jù)計(jì)算得出，故未在表３ 中列出。

斑塊密度ＰＤ 的時(shí)間變化：２００７—２０１７ 年呈增大趨勢(shì)，２０１７ 年后呈減小趨勢(shì)，表明２００７—２０１７ 年邊灘斑塊尺寸顯著減小，破碎化過(guò)程明顯，２０１７ 年后邊灘破碎化程度減弱，趨向整合；空間變化：上、中、下游各區(qū)段邊灘ＰＤ 與全研究區(qū)的指數(shù)值變化趨勢(shì)一致，但也存在空間差異性，其中上游邊灘的破碎化程度最高，而下游的破碎化程度最低。

最大斑塊指數(shù)ＬＰＩ 在時(shí)間上呈波動(dòng)性變化，但波動(dòng)范圍較小，表明面積最大的邊灘個(gè)體較為穩(wěn)定地占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位；在空間上，上游邊灘ＬＰＩ 在２００７—２０１２年下降最多，反映了上游邊灘在該時(shí)段內(nèi)受到了劇烈的干擾。

形狀指數(shù)ＬＳＩ 整體上呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)。在時(shí)間上，２００７—２０２１ 年邊灘形狀經(jīng)歷了“簡(jiǎn)單—復(fù)雜—簡(jiǎn)單”的過(guò)程，其中２０１７ 年邊灘形狀不規(guī)則程度有所提高，邊灘被分割破碎成多個(gè)斑塊，致使邊灘形狀復(fù)雜化；在空間上，ＬＳＩ 從下游到上游逐漸增大，表明下游邊灘邊緣形狀最為規(guī)整，上游邊灘的復(fù)雜化程度最高。

３討論

３．１堰壩對(duì)邊灘景觀格局的影響

選?。伲?、Ｙ６、Ｙ９、Ｙ１７ 等４ 座堰壩對(duì)比分析堰壩建設(shè)后邊灘的景觀格局變化，其中Ｙ３、Ｙ６、Ｙ９ 三座堰壩形態(tài)呈直線型且垂直于河道中心線，Ｙ１７ 堰壩形態(tài)蜿蜒、與河道中心線斜交，溢流寬度不同；Ｙ３、Ｙ１７ 的結(jié)構(gòu)形式為臺(tái)階式，水流下泄時(shí)會(huì)造成較大能量損失；在洪水期Ｙ６ 堰流特點(diǎn)滿足薄壁堰的淹沒(méi)出流條件，其余堰壩的過(guò)流均表現(xiàn)出寬頂堰的特點(diǎn)；各堰壩對(duì)水流的攔蓄能力及過(guò)流擾動(dòng)程度的影響均有所不同。各堰壩所處河段堰壩建設(shè)后邊灘ＣＡ、ＮＰ、ＰＤ、ＬＰＩ、ＬＳＩ 的變化率如圖２ 所示。

由圖２ 可知，受堰壩建設(shè)的影響，ＮＰ、ＰＤ 變化最為劇烈，Ｙ９ 和Ｙ１７ 建設(shè)后ＮＰ、ＰＤ 變化率超過(guò)了５０％，表明邊灘的破碎化加劇，由聚集大斑塊離散為小斑塊的程度提高；而Ｙ３、Ｙ６ 所在河段的邊灘因受到其他人為因素較強(qiáng)的干擾，導(dǎo)致其斑塊個(gè)數(shù)減少，邊灘破碎度表現(xiàn)出降低的態(tài)勢(shì)。堰壩建設(shè)后河段ＣＡ 顯著下降，表現(xiàn)出河段內(nèi)邊灘面積呈減少趨勢(shì)，其中Ｙ６ 的建設(shè)對(duì)邊灘面積的影響最大，變化率為－４１％。ＬＰＩ 均呈減小趨勢(shì)，但各河段變化幅度不同，其中Ｙ９ 對(duì)河段內(nèi)最大邊灘斑塊指數(shù)影響最大。從ＬＳＩ 來(lái)看，在Ｙ９、Ｙ１７所在河段內(nèi)邊灘的ＬＳＩ 有所增大，邊灘形狀越來(lái)越不規(guī)則，復(fù)雜性增加；而Ｙ３、Ｙ６ 所在河段受堰壩建設(shè)影響，邊灘破碎度降低的同時(shí)也使邊灘形態(tài)規(guī)則化。因此，堰壩建設(shè)對(duì)局部河段邊灘景觀格局變化的影響具有顯著差異性。

３．２堰壩分布方式對(duì)邊灘景觀格局的影響

選取Ｙ１２—Ｙ１３、Ｙ１１—Ｙ１２、Ｙ１３—Ｙ１４ 三個(gè)河段，間距分別為２．８、２．１、１．４ ｋｍ，分別代表低密度、中密度和高密度３ 種堰壩分布方式，分析不同分布方式對(duì)邊灘景觀格局變化的影響。各河段邊灘的破碎度（用ＰＤ 代表）和形狀指數(shù)變化如圖３ 所示。由圖３ 可以看出，堰壩分布方式不同對(duì)邊灘會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。ＰＤ 在２００７—２０２１ 年呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，而隨著堰壩間距的減小，ＰＤ 變化更為顯著，表明堰壩分布密度的增大會(huì)使邊灘破碎化加劇。２００７—２０２１ 年邊灘的ＬＳＩ 呈波動(dòng)性減小趨勢(shì)，且在３ 種堰群間距分布下邊灘邊緣形態(tài)的復(fù)雜度變化趨勢(shì)是一致的，但隨著堰壩群間距的減小，ＬＳＩ 波動(dòng)變化的幅度更大，表明堰壩分布密度越大邊灘所受到的影響程度越高，邊灘邊緣處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。尤其是高密度條件下，ＬＳＩ 在２０１２—２０１７年顯著增大，主要原因是這期間河段內(nèi)的邊灘破碎度提高，被分割破碎為多個(gè)小斑塊，造成邊灘邊緣形狀更加復(fù)雜。

洪水期水流在Ｙ１１—Ｙ１４ 河段內(nèi)能夠自由漫頂溢流，堰壩形式為寬頂堰。通過(guò)對(duì)比不同分布條件下堰壩群的水動(dòng)力特性，發(fā)現(xiàn)各堰壩上游的斷面流速穩(wěn)定，水流平順，但是經(jīng)過(guò)堰頂溢流形成非恒定的跌水后，造成近堰區(qū)域的流速急劇增大，同時(shí)堰壩建在曲率系數(shù)大的河段內(nèi)其過(guò)堰流速會(huì)相應(yīng)增大。隨著堰壩群分布間距減小，河道斷面平均流速有所減小，但邊灘的淹沒(méi)水深明顯增大，堰壩下游水流弗勞德數(shù)Ｆｒ 表現(xiàn)為低密度＞中密度＞高密度，表明隨著堰壩群分布密度的增大，水流的動(dòng)能與勢(shì)能發(fā)生劇烈變化，各工況下的斷面能量分配不均。

產(chǎn)生以上現(xiàn)象的主要原因是，單座堰壩的過(guò)水方式均為堰頂自由溢流，堰壩群的聯(lián)合作用對(duì)水流的影響會(huì)產(chǎn)生累積效應(yīng)，堰壩群不同的分布方式會(huì)改變河道水動(dòng)力條件，且其對(duì)水流影響的貢獻(xiàn)度最大，從而影響邊灘的演變，具體表現(xiàn)為：高密度的堰壩通過(guò)抬升上游水位使水域面積增大，水面向河岸兩側(cè)擴(kuò)展，提高了邊灘的受淹沒(méi)程度，導(dǎo)致顯露的邊灘面積減小，且地勢(shì)不平的邊灘因地勢(shì)較低部分首先被淹沒(méi)而形成多個(gè)邊灘斑塊，增大了邊灘的破碎度，裸露出的邊灘邊緣形狀規(guī)整。過(guò)堰水流弗勞德數(shù)Ｆｒ 明顯增大則使近堰下游區(qū)域的邊灘邊緣和灘頭受到強(qiáng)烈的沖刷作用，降低部分邊灘形狀復(fù)雜度的同時(shí)，增大了泥沙輸送量，但是沿程水流動(dòng)能的降低使其挾沙能力減弱，造成泥沙逐漸淤積形成多個(gè)小邊灘斑塊，邊灘的破碎化程度進(jìn)一步提高。

４結(jié)論

（１）堰壩群主要分布于低彎曲河段，且呈現(xiàn)高密度、中密度、低密度３ 種分布方式。

（２）上、中、下游各區(qū)段邊灘景觀格局指數(shù)變化差異性較大，上游區(qū)段邊灘表現(xiàn)出更明顯的破碎化和邊緣形狀不規(guī)則化。

（３）堰壩建設(shè)后對(duì)邊灘的景觀指數(shù)變化具有顯著的影響，尤其是ＮＰ、ＰＤ 變化最為劇烈，其中Ｙ９ 和Ｙ１７建設(shè)后ＮＰ、ＰＤ 變化率超過(guò)了５０％，邊灘破碎度顯著增大。

（４）堰壩分布方式對(duì)河段內(nèi)的邊灘會(huì)產(chǎn)生較大影響。隨著堰壩分布密度增大，ＰＤ 變化更為顯著，ＬＳＩ波動(dòng)變化的幅度更大，其根本原因是高密度堰壩分布對(duì)水動(dòng)力條件的改變。河道治理過(guò)程中需優(yōu)化堰壩布局，同時(shí)考慮堰壩形式、過(guò)流方式等因素，從而有效地保護(hù)河流灘地資源。

【責(zé)任編輯 許立新】