夏軍，水文學家，他發(fā)展了非線性時變系統(tǒng)水文學途徑，提出了一種發(fā)展中國家協(xié)調流域防洪防污矛盾和河流生態(tài)調度新的水系統(tǒng)方法……

這是水利人的第187篇文章

 

科學大道100號宇柏凝 - 回不去

 

注：本文發(fā)表于《地理科學進展》2012年1月，第31卷第1期

河湖水系連通特征及其利弊

夏軍1，高揚1，左其亭2，劉曉潔1，陳慶美1，竇明2

（1.陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101；2.鄭州大學水科學研究中心，鄭州450001）

【摘要】隨著水資源以及水環(huán)境健康的惡化，河湖水系連通性作為河流健康以及提高水資源利用的一個重要指標在國家“十二五”戰(zhàn)略規(guī)劃中被著重提出。目前，中國對河湖水系連通特征及其對河流健康的影響缺乏足夠的認識，本文主要對河湖水系連通的定義、分類、評判指標、影響因素及其對水環(huán)境健康的影響進行了一一闡述。分析表明：維持水系連通可以明顯地改善濕地生態(tài)環(huán)境，維持濕地生態(tài)環(huán)境及生物多樣性，保障防洪安全和水資源可持續(xù)利用。同時，河湖連通也會帶來對生態(tài)環(huán)境的負面影響，主要包括：①原本水質好的河流和水質相對較差河流連通后降低原來河流的水質；②加劇連通河流中物種及魚類等生命體的競爭；③水量充沛的河流支援水量不足的湖泊，將減少該河流的有效可利用水量；④導致水面蒸發(fā)量減少影響地表及陸地的水循環(huán)，影響地區(qū)的氣候變化；⑤上游地區(qū)與下游地區(qū)河湖連通將導致下游地區(qū)河湖泥沙及淤積量急劇增加。

【關鍵詞】水系連通性；河流健康；水環(huán)境；生態(tài)效應

1引言

隨著水資源的匱乏及水環(huán)境健康的惡化，人們逐漸認識到河湖水系連通的重要性，在健康長江評價指標體系中水系連通首次作為一個重要指標被提出來[1-2]。但由于河湖水系、水文、地形和地貌特征的復雜性，使得中國的河湖連通戰(zhàn)略不能簡單模仿國外的成功案例，仍需要進行反復的驗證與調研。2010年9月30日，國務院副總理回良玉在國務院加快水利建設專題會議上著重指出：“抓緊建設一批骨干水資源配置工程、重點水源工程和河湖水系連通工程以提高水資源時空調控和城鄉(xiāng)供水保障水平”。同年，水利部陳雷部長在部署“十二五”規(guī)劃工作中也著重強調：“深入研究河湖水系連通、水量調配和提高水環(huán)境承載能力問題，發(fā)揮河湖水系的綜合功能，實現水量優(yōu)化調配”。

目前，中國可供研究的河湖水系連通性的成功案例較少，尤其對水系連通性及其環(huán)境影響還缺乏足夠的認識，專門討論河湖水系連通性及其對河流健康影響的相關報道也較少。因此，本文闡述了河湖連通的戰(zhàn)略意義和特征，以加深水系連通對中國水環(huán)境生態(tài)健康的影響機理的認識，為中國“十二五”戰(zhàn)略規(guī)劃中河湖水系連通的健康發(fā)展、各流域開發(fā)利用和綜合管理提供基礎信息支撐。

2河流分類與水系分布

中國河流水系主要分為內流河和外流河（圖1），前者是最終未流入海洋的河流，后者是最終流入海洋的河流。外流河區(qū)面積占全國總面積的2/3，河流水量占全國總水量的95%以上；內流區(qū)面積占全國總面積的1/3，河流水量占全國總水量不到5%。外流河主要包括太平洋水系、印度洋水系以及北冰洋水系。太平洋水系的主要河流包括黑龍江、海河、黃河、淮河、長江、珠江、瀾滄江等；印度洋水系的主要河流包括怒江、雅魯藏布江等；北冰洋水系的河流主要是額爾齊斯河。其中國際性河流主要包括黑龍江、額爾齊斯河、雅魯藏布江、怒江、瀾滄江等，外流河的水系特征見表1。中國的內流河包括塔里木河和黑河，內流河屬溫帶大陸性氣候，降水少，蒸發(fā)旺，下滲多；水量主要來自冰雪融水和山地降水，季節(jié)變化大；再加上溫室效應，蒸發(fā)加強，導致下游河流水量減少甚至干涸。內流河的下游河段來水量銳減，河道干涸斷流，土地撂荒甚至嚴重沙化，生態(tài)環(huán)境惡化[3-5]。

而根據河流水流的補給條件又劃分為下列8大類型[3,6]：①東北地區(qū)以雨水補給為主，并有季節(jié)性冰雪融水補給的河流；②華北地區(qū)以雨水或地下水補給為主，并有少量季節(jié)性冰雪融水補給的河流；③內蒙古、新疆部分地區(qū)雨水補給的河流；④西北高山地區(qū)永久性冰雪融水或季節(jié)性冰雪融水補給及雨水補給的河流；⑤華中地區(qū)以雨水補給為主的河流；⑥東南沿海地區(qū)和島嶼有臺風雨補給的河流；⑦西南地區(qū)雨水補給為主的河流；⑧青藏高原地區(qū)永久性冰雪融水補給和地下水補給的河流。

3河湖水系連通的定義與類型

3.1水系連通定義

水系連通性可定義為：在自然和人工形成的江河湖庫水系基礎上，維系、重塑或新建滿足一定功能目標的水流連接通道，以維持相對穩(wěn)定的流動水體及其聯(lián)系的物質循環(huán)的狀況。河湖水系通道暢通性主要包括兩種情況：水系通道的過流能力，主要體現在河流連通對洪水的排泄能力方面；水系連通是否受人工建筑物阻隔，主要體現在水流通道、生物通道、航運通道是否受阻等方面[7-8]。

3.2河湖水系連通分類的指導思想

在認真貫徹落實人水和諧治水理念、尊重自然演變規(guī)律和社會發(fā)展規(guī)律基礎上，深入探討河湖水系連通的驅動因素、自然地理特征、連通目標、連通形式和連通特點，并綜合運用現代水資源學、經濟學、社會學、生態(tài)學、環(huán)境學、地理學、系統(tǒng)工程、信息學原理，構建適合中國國情的河湖水系連通分類體系，以指導河湖水系連通的自然保護與人工控制、修復，水資源合理配置和經濟社會合理布局，推動流域經濟社會與生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調、健康發(fā)展[9-11]。

3.3河湖水系連通分類的基本原則

（1）相關性原則

在分類過程中，應綜合考慮流域自然地理和氣候條件、流域上下游水資源條件、湖泊分布連通特點、水生態(tài)系統(tǒng)特點、用水需求等關鍵要素，既要考慮它們在空間上的差異，以突出不同分類的特點，又要考慮其具有一定相似性，以保證分類具有可操作性。

（2）主導性原則

在有跨多個流域的河湖水系連通分類時，以大流域連通優(yōu)先；在具有多種連通方式的河湖水系連通分類時，以主導連通方式優(yōu)先；在河湖水系連通具有多個連通目的時，以主導連通目的優(yōu)先，等。

（3）完整性原則

按照一定分類角度、屬性進行分類時，要考慮完備、不遺漏，雖然有些分類可能當前并無相關案例，但作為分類指導，要將所有可能包含的子類予以列出。

（4）表征性原則

通過不同河湖水系連通角度、屬性進行分類，從得出結果可以構繪出河湖水系連通基本情況，體現出各個特征，便于對河湖水系連通的理解、研究。

3.4河湖水系連通分類體系構建

（1）按驅動因素可分為自然演進型、人工驅動型、自然-人工復合型等；

（2）按地理位置可分為北方干旱型、南方濕潤型、西南高原型、西北內陸型等；

（3）按水系特點可分為山區(qū)連通型、平原連通型、平原河網型等；

（4）按空間格局可分為國際連通型、跨流域連通型、流域內連通型、區(qū)內連通型、市內連通型等不同層面；

（5）按連通目的可分為資源調配型、環(huán)境修復型、災害防御型、綜合效益型等；

（6）按連通對象可分為河河連通型、河湖連通型、河庫連通型、河濕連通型、河湖城市連通型、市市水網連通型、河渠連通型、組合連通型等；

（7）按連通方式可分為疏通修復型、連通新建型、阻隔斷絕型等；

（8）按時間效應可分為短期效應型、長期效應型等。其中從水資源管理工作需求出發(fā)，推薦以連通目的、空間格局和連通對象的分類方式。上述分類體系如圖2所示。

3.5水系連通分類等級與功能組合

河湖水系連通分類等級主要從自然地理分異、連通區(qū)域、連通目的3個層面來劃分江河湖庫水系連通類型。①以自然地理分異為依據，可分為濕潤半濕潤區(qū)水系連通型、干旱半干旱區(qū)水系連通型兩大類；②以連通區(qū)域尺度為依據，可分為國家層面水系連通型、流域層面水系連通型、區(qū)域層面水系連通型、城市層面水系連通型4大類；③以連通目的為依據，可分為資源調配型、水質改善型、水災害防御型、綜合治理型4大類（表2）。

在河湖水系連通功能組合方面，以上3個層面的江河湖庫水系連通分類方式可以自由組合，進一步生成32種具體的連通類型。例如，濕潤半濕潤區(qū)-國家層面-資源調配型（如南水北調工程）；干旱半干旱區(qū)-流域層面-水質改善型（如塔里木河流域下游應急輸水工程）；濕潤半濕潤區(qū)-城市層面-水災害防御型（如德州水網工程）等等。

4河湖水系連通評判指標與特征

4.1河湖水系連通類型評判指標

（1）人均水資源占有量

人均水資源占有量是進行水資源緊缺程度評價的常用指標。河湖水系連通實現前后，通過使用該指標進行評價，得各區(qū)域水資源緊缺程度變化。人均水資源占有量可認為是河湖水系連通的地理位置屬性的子屬性。通過評價區(qū)域水資源緊缺程度，對照區(qū)域所處的地理位置，進行有序的河湖水系連通分類。

（2）河網密度

河網密度是流域結構特征的一個重要指標。河網密度與氣候條件和下墊面條件密切相關。從氣候方面來說，自然界為了及時將地表徑流向外排泄，必將塑造一定的河流網絡與之相對應，因此河網密度反映了區(qū)域降雨及徑流特征。從下墊面方面來說，河網密度還受入滲能力的影響。隨著滲透性加大，流域河網密度降低。一般情況下，河網密度越高的地方，遭遇洪水的可能性越大[12]。采用河網密度作為河湖水系連通類型的評判標準，不僅能在反應河湖水系連通的地理位置屬性，也能反應河湖水系連通的水系特點屬性。

（3）平均海拔

河湖水系連通區(qū)域及連通通道的平均海拔作為河湖水系連通的評判指標。區(qū)域平均海拔作為中國陸地地貌類型分類中的一個劃分指標，在河湖水系連通類型評判中，其在一定意義上反應出河湖水系連通體所處區(qū)域的地理位置和水系特點[13]。此外，連通區(qū)域之間的平均海拔之差，能反應出河湖水系連通難易度。

（4）連通時間

河湖水系連通時間是河湖水系連通的時間效應屬性的直接評判指標。在保證一定流量的基礎上，通過測量河流、湖泊等水體的連通時間，直接反應河湖水系連通體的作用時間，即河湖水系連通的發(fā)揮功效的時間長久，進而與指標標準比較，得出河湖水系連通的時間效應分類結果。

（5）水資源交換與再分配

不同河流的上、中、下游的自然條件差異較大，調節(jié)能力不同，徑流量年內分配也不同，通過河流與河流之間的連通交接，加強連通體的徑流量分配，提高水資源循環(huán)更新能力和蓄泄能力；半封閉型和封閉型湖泊具有湖泊水量補給不足、湖面蒸發(fā)量大、換水周期長、自我調節(jié)能力較差、凈化功能相對較弱、生態(tài)系統(tǒng)脆弱等特點。

4.2河流連通對水環(huán)境健康的影響

水系連通可維持濕地生態(tài)系統(tǒng)的完整性，同時也影響到流域水資源的開發(fā)利用和區(qū)域分配。水系連通性還影響水功能區(qū)水質狀況，水系連通性越好，水流的自凈能力和納污能力都會增強。同時，水生生物多樣性也需通過水系連通來實現，沒有水系連通，水生生物多樣性就會受到很大影響[14-16]。流域生態(tài)環(huán)境需水量的供給只有通過水系連通才能實現，河流的完整性和地貌特征的多樣性只有通過水系連通才能得以保持，只有保持水系連通，才能保持生物棲息地的完整和生物多樣性的維持。大壩的修建割斷了河道的縱向連通性，改變水流的時間和空間分布，引起水文情勢的變化及生態(tài)系統(tǒng)物理、化學和地貌形態(tài)的改變[17]。大壩的存在一方面可以減小流量變率，使徑流量在年內的分配更加均勻，減輕汛期的洪水危害，同時增加枯季的水量供給，更好地滿足最小生態(tài)流量的需求，但由于流量變幅減小，原先可以在洪水季節(jié)過水的濕地缺乏水源補充，不利于濕地生物的生長，有可能降低河流濕地的生物多樣性[18]。因此，水系連通性是影響河流健康的重要因子，是健康水系其他評價指標的聯(lián)系紐帶。水系連通性對河流健康狀況的影響主要表現在對水質、濕地生態(tài)環(huán)境、水生動物資源、防洪及水資源利用等方面的影響。水系連通性對河流健康的影響與河流湖泊水流流動性存在很大的差異，其污染物的遷移和降解特征也存在較大差異，不同連通特性的水體具有不同的降解特性[19-20]。

4.3水系連通性影響因素分析

河湖連通性的影響因素包括影響湖泊的形成和河湖的連接通道兩個方面。從地質歷史時期及人類歷史時期的時間尺度看，新構造運動、氣候變化等自然因素在水系連通的阻礙方面是主導因子，人類活動對水系的連通在很多地方起著決定性的作用，如人口遷徒、水土流失、湖泊淤積、大面積圍墾等[21]。新構造運動沉降形成了湖泊容納水體所需的地形條件，有利于湖泊的形成。氣候變化不僅使降雨發(fā)生變化，使湖泊的入流條件發(fā)生改變，而且還由于溫度的大幅度變化形成冰期和間冰期氣候。泥沙淤積發(fā)生在入匯湖泊的支流或湖泊匯入長江的支流河道內，使河流水系與湖泊聯(lián)系通道阻塞，水系連通性變差。

人為因素對水系連通性影響主要包括：圍墾、筑堤、建閘和開鑿運河等[21-22]。從十年至百年時間尺度看，圍墾是影響河湖連通性最為重要的因素之一；筑堤和建閘人為地切斷了河流與湖泊的自然連通，節(jié)制了干流及其支流和湖泊間的水力聯(lián)系，從而使得原來的通江湖泊變?yōu)樽韪艉�泊；開鑿運河有利于增強水系的連通，而且能使湖泊補充一定的水源，緩解地區(qū)湖泊的污染，修復湖泊生態(tài)功能。

5河湖連通的利弊與展望

水系連通對保持河湖環(huán)境健康具有重要影響，其主要表現在對水質、濕地生態(tài)環(huán)境、水生動物資源、防洪及水資源利用等方面。但河湖連通同時也會帶來一些對生態(tài)環(huán)境的負面影響，主要包括：①可能會使原本水質好的河流由于和水質相對較差河流連通后降低原來河流的水質；②河湖連通會加劇連通河流中物種及魚類等生命體的競爭，雖然會促進優(yōu)勝劣汰但也會使原先河流中競爭性較弱的種類瀕臨滅絕；③通過河湖連通，水量充沛的河流支援水量不足的湖泊，會大大減少該河流的有效可利用水量，影響通航水深和濕地蓄水量；④徑流量充足的河湖由于水量減少從而導致該地區(qū)水面蒸發(fā)量減少影響該地表及陸地的水循環(huán)，從長時間看將影響地區(qū)的氣候變化，如降水減少，極端氣候增加等；⑤上游地區(qū)與下游地區(qū)河湖連通將導致下游地區(qū)河湖泥沙及淤積量急劇增加，從而引起下游地區(qū)河湖水環(huán)境生態(tài)健康質量降低。

人為修建的大壩阻斷了水流的自由流動通道和生物通道，使流域生境破碎化，但徑流量的年內變化將變得更加均勻。閘口一方面阻礙了江湖連通，但也可為河湖連通帶來有利的影響，通過改變閘口調度機制，實行閘口生態(tài)調度，對實現江湖連通有較大的幫助[21-22]。展望中國的南水北調工程，通過跨流域的水資源合理配置，大大緩解中國北方水資源嚴重短缺問題，促進南北方經濟、社會與人口、資源、環(huán)境的協(xié)調發(fā)展。但在未來發(fā)展中也將面臨水環(huán)境生態(tài)健康及氣候變化等諸多問題的挑戰(zhàn)，如何平衡河湖連通的利弊，使其朝著有利于環(huán)境健康方向發(fā)展是未來河湖連通戰(zhàn)略所急需要克服的問題。

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