梯级开发对河流生境连通性的影响与优化路径.pdf
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1、第 42 卷第 8 期 水 力 发 电 学 报 Vol.42,No.8 2023 年 8 月 Journal of Hydroelectric Engineering Aug.2023 收稿日期:收稿日期:2023-02-07 接受日期:接受日期:2023-04-10 基金项目:基金项目:国家自然科学基金项目(52122904);水利部重大科技项目(SKS-2022121)作者简介:作者简介:何晓枫(1998),男,硕士生.E-mail:hexiaofeng_ 通信作者:通信作者:安瑞冬(1983),男,研究员.E-mail: 梯级开发对河流生境连通性的影响与优化路径 何晓枫1,黄 翔2,陈
2、旻1,李 嘉1,安瑞冬1(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,成都 610065;2.国能大渡河流域水电开发有限公司,成都 610041)摘摘 要:要:为探究水电梯级开发对河流生境连通性的影响,以大渡河流域为例,通过资料收集与遥感影像识别,确定了流域内的 135 个水电站位置信息;采用河流连通指数量化了河流的生境连通性;分析了水电开发对连通性的影响因素,并提出了一种耦合连通性与电站效益的连通性优化路径。结果表明:当前大渡河流域的河流连通指数 RCI 为 16.68,未来随着所有规划电站的建成,这一值将降为 4.2,RCI 的空间分布呈现从上游向下游递减趋势。相较于位于河源及河
3、口的电站,位于河网中央的电站造成的影响更大。不同的水电开发规划对连通性的影响差异显著,通过合理的规划,可以在保证水电开发效益的情况下有效地改善河流生境连通性。本研究旨在为河流生境连通性恢复与流域战略规划提供方法支持和理论参考。关键词:关键词:河流连通指数;生境连通性;河流片段化;连通性恢复 中图分类号:中图分类号:TV212 文献标志码:文献标志码:A DOI:10.11660/slfdxb.20230804 论文引用格式:论文引用格式:何晓枫,黄翔,陈旻,等.梯级开发对河流生境连通性的影响与优化路径J.水力发电学报,2023,42(8):32-41.HE Xiaofeng,HUANG Xia
4、ng,CHEN Min,et al.Impact of hydropower cascade development on river habitat connectivity and its path to optimization J.Journal of Hydroelectric Engineering,2023,42(8):32-41.(in Chinese)Impact of hydropower cascade development on river habitat connectivity and its path to optimization HE Xiaofeng1,H
5、UANG Xiang2,CHEN Min1,LI Jia1,AN Ruidong1(1.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China;2.CHN Energy Dadu River Basin Hydropower Development Co.,Ltd,Chengdu 610041,China)Abstract:This study examines the impact of hydropower development on
6、 river habitat connectivity,and develops a connectivity optimization path coupling connectivity and benefits,through a case study of the Dadu River basin.We create a database for the 135 hydropower stations in the basin through data collection and remote sensing image identification,and quantify riv
7、er habitat connectivity using the River Connectivity Index(RCI).The results show that 1)the RCI of this basin is 16.68 at present and will decrease to 4.2 when all the planned power stations are completed in the future,and that the spatial distribution of RCI shows a decreasing trend from upstream t
8、o downstream.2)Hydropower stations located in the middle of the river network have a greater impact than those located in its headwater region or near its tributary.3)The impact of different hydropower development plans on the connectivity varies significantly,and the connectivity can be improved ef
9、fectively through reasonable planning while ensuring the development benefits.This study would help river habitat connectivity restoration and 何晓枫,等:梯级开发对河流生境连通性的影响与优化路径 33 watershed strategic planning.Keywords:river connectivity index;habitat connectivity;river fragmentation;connectivity restoratio
10、n 0 引言引言 电站、水库的修建为人类提供了宝贵的清洁能源、流量调节功能、灌溉用水,提高了用水安全1,但与此同时,也对河流生态造成了一系列的负面影响,其中河流生境连通性的丧失被认为是河流生态系统的最大威胁之一2-3。生境连通性是指生物能够在不同生境斑块之间移动的程度4,较高的生境连通性意味着生物可以顺利地在这些生境斑块之间旅行5。不同于陆生动物往往有多个通道可以跨越阻隔,从一个生境斑块前往另外的生境斑块,鱼类等水生生物在河流生境间的运动主要沿着河道的纵向。随着人类活动的进行,特别是水闸、大坝等挡水建筑物的修建,改变了河流局部的流速和水深,形成垂直落差,阻隔了这一纵向通道,从而降低了河流的生境
11、连通性6。这种影响将使得鱼类通往“三场”的机会减少,影响鱼类的生命周期7-8,同时鱼类种群的孤立,增加了近亲繁殖概率,特有物种的减少导致鱼类的同质化9,增加外来物种入侵风险10。自 1988 年“连通性”这一概念从景观学被引入河流生态学以来11,越来越多的国内外学者开始关注河流的生境连通性,提出并运用了图论法、水文-水力学法、指标法等诸多评价方法12-13。其中一些方法,通过水电站的地理空间位置和阻隔效应对其进行评估,进而优化水电站的开发、分配和运营,揭示水电梯级开发对整个河流生境连通性的累积影响14-15。这其中由 Cote16提出的基于图论的树状河流连通指数(dendritic conne
12、ctivity index,DCI)被证明与鱼类的生物多样性相关17,并在湄公河、亚马逊河等世界各大流域得到广泛应用18-19。但在实践的过程中,由于水电站数据的缺失,许多支流上的小型水电站被忽略了,这可能会导致河流的生境破碎化程度被严重低估,特别是考虑到未受破坏的支流也能为下游受影响的鱼类等提供替代生境和缓冲功能20-22。此外,相关研究在判断水电站的开发或连通性恢复的优先级时往往只考虑了连通性影响,而忽视了水电站所带来的社会经济效益,无法协调水电开发的连通性影响与社会经济效益之间的矛盾。基于上述背景,本文以大渡河流域为例,通过卫星图像识别和大量查阅相关资料整理得出大渡河流域的水电站空间分布
13、数据集,在此数据的基础上,运用河流连通指数(river connectivity index,RCI)对大渡河的生境连通性进行量化评价,分析了水电开发中的关键指标对连通性的影响;提出了一种基于帕累托最优理论的河流生境连通性优化与恢复路径,该路径通过权衡不同的水电梯级开发规划收益与连通性影响,使得梯级开发造成的河流生境连通性影响与开发收益达到最优状态。1 数据及研究方法数据及研究方法 1.1 研究区域概况研究区域概况 大渡河是长江的二级支流,岷江水系的最大支流,发源于青海省果洛山东南麓,分东、西两源,东源为足木足河,西源为绰斯甲河,东源为主源,水系在石棉县以上呈树枝状分布,石棉以下,支流主要分布
14、于南岸。干流河道全长 1062 km,天然落差 4175 m,年径流量 470 亿 m3,水能资源丰富,是国家规划的十三大水电基地之一。大渡河流域介于东经 9942 10348、北纬 2815 3333,面积 77400 km2,其中四川省境内面积 70821 km2,占全流域的 91.5%23。根据文献记载,大渡河流域共有鱼类 111 种,隶属 7 目 17 科 73 属,包含国家级保护鱼类 2 种;省级保护鱼类 11 种;长江上游特有鱼类 38 种。受水电梯级开发、肆意放生等人类活动影响,流域鱼类资源呈现衰退趋势,部分水域出现外来鱼类入侵现象24。大渡河干流的开发持续时间较长,从 1965
15、年开始兴建龚嘴水电站,目前全流域采用 3 库 28级开发,大渡河流域的地理位置与干流梯级电站建设与空间分布情况如图 1 所示。1.2 数据收集与处理数据收集与处理 通过相关机构提供的流域规划数据和查阅大量网络资料获得了大渡河干流及支流上的水电站数据,并根据 Google Earth 卫星图像核实了这些水电站的位置,生成了大渡河流域水电站分布的空间数据库,如图 2(a)所示。该数据库包含个 135 个水电站信息,其中已建成电站 110 个,在建电站 834 水力发电学报 个,还处于规划阶段的电站 17 个,数据显示目前大渡河的干流及主要支流上均已修建了水电站。采用来自于地理空间数据云网站的空间分
16、辨率为 30 m 的 DEM 数字高程数据,在 ArcGIS 10.8中利用水文分析工具进行河网和流域提取得到大渡河流域的河流分布、长度及对应的斯特拉勒河流等级。为体现河流生境连通性的空间差异,将大渡河流域划分为 10 个子流域,提取得到的子流域划分情况与河流空间分布情况及对应斯特拉勒河流等级如图 2(b)所示。图图 1 研究区域示意图研究区域示意图 Fig.1 Schematic of study area (a)水电站分布 (b)河流及子流域分布 图图 2 水电站分布及子流域划分水电站分布及子流域划分 Fig.2 Distribution of hydropower stations an
17、d sub-basins 何晓枫,等:梯级开发对河流生境连通性的影响与优化路径 35 1.3 河流生境连通性量化指标河流生境连通性量化指标 水电站挡水建筑物将原本完整的河流生境分割成了许多相对独立的河流生境片段,基于图论的树状河流连通指数(DCI)将这些阻隔与河段作为一个几何网络中的链接与节点,并将一些特征信息如河流的长度、生境数量及阻隔程度等赋予这些链接与节点,以此计算鱼类在其中任意两个河段之间移动的概率,以量化这些阻隔对于河流生境连通性的累计影响16,25。DCI 利用河段长度作度量鱼类生境大小的单位,该方法在小尺度下应用时可以认为各河流单位长度上的生境数量相等,但在较大尺度上运用时,这种
18、方法无法反映出不同大小河流在单位长度上所包含的生境数量的巨大差异。虽然也有研究提出了基于河中水量与生物多样性的计算公式18,26,但这些公式无法应用于缺乏实测资料的河流。考虑到相关研究已经证明单位长度的河流生境数量与河流等级密切相关27,本研究在 DCI 的基础上用斯特拉勒河流等级对河流的长度进行加权,斯特拉勒河流分级法将直接发源于河源的小河流定义为一级河流,当两条河流汇合时,若两者的河流等级相同,则汇合后的河流等级别比原来高一级;若不同,则汇合后的河流等级为两条河流中的较高级。得到加权后的针对淡水洄游鱼类的河流连通指数(RCI)公式如下:*1122RCI100jirrnnjiijijllpL
19、L(1)*12inriiLl(2)1Mijmmpp(3)式中:n 为河段的总数;ir为河段 i 的河流等级;il为河段 i 的长度,km;*L为经过河流等级加权后 的河段总长度;M 为河段 i 与河段 j 之间的阻隔数 量;mp为第 m 个阻隔的可通过性,范围在0 1;ijp为从河段 i 到 j 之间的可通过性。RCI表示鱼类能够在河网中任意两个河段之间移动概率的总和,其值介于0 100之间。RCI=100表示整个河流生境完整,鱼类可以在其中自由通行;RCI越接近于0,表明河流的生境连通性越差。在优化RCI的过程中采用上述公式所花费 的计算成本会很高,通过将ijp设置为0,可以使得 计算成本大
20、幅降低,此时计算RCI的公式可以简化为:2*12RCI100irniilL(4)不同挡水建筑物类型对鱼类的阻隔效应各不相同,根据收集到的挡水建筑物资料,大渡河流域的挡水建筑物主要包括坝、水闸、堰。根据相关研究结论并参考阻隔系数法中的阻隔系数的取值,结合流域实际情况得到各挡水建筑物对应的可通过性取值19,28如表1所示。表表 1 挡水建筑物可通过性取值挡水建筑物可通过性取值 Table 1 Passability values for different types of barriers 类型 阻隔特征 可通过性 大坝 完全阻隔 0.00 有过鱼设施 0.25 水闸 部分时间阻隔鱼类洄游 0.
21、75 堰 对部分鱼类洄游造成阻隔 0.75 2 河流生境连通性的时空分布河流生境连通性的时空分布 通过计算RCI量化阻隔对河流生境连通性的整体影响,并对未来可能的变化进行模拟。采用相关水电站数据库29-30计算得到的目前大渡河流域的RCI值为41.46,而根据本文实际调查得到的电站资料计算,当前流域的RCI仅为16.68,并且当所有在建水电站建成后RCI将降至6.19,后续随着所有规划电站建成RCI将进一步降低至4.2。结果表明,电站数据的缺失将导致人们对于河流的生境连通性的评价过于乐观。为了更好地了解连通性的空间分布特征,计算各子流域的RCI得到了连通性的空间分布,结果如图3所示,并根据RC
22、I范围将这些子流域的连通性情况分为五类:优(50 100)、良(25 50)、中(20 25)、差(10 20)、劣(0 10)。流域的生境连通性呈现出从上游至下游逐渐降低的趋势,这一结果也与大渡河流域的水电开发顺序一致,下游的水电开发时间较早,大部分电站都已建成,而上游的水电开发起步较晚,目前流域内大多数在建和规划中的水电站都位于丹巴县以上的区域。在目前已建水电站的基础上,大渡河子流域中生境连通性评价为差的有S7、S8、S10,RCI分别为17.67、17.97、11.92。表明在些流域,水电站建设已经使得河流生境连通性受到了严重影响。36 水力发电学报 各子流域的RCI与水电站密度的相关性
23、分析结果如图4所示,结果表明,两者之间存在显著的负相关性,并且伴随着流域内水电站建设的持续进行,两者的相关性与显著性都在逐步升高。(a)已建 (b)在建 (c)未建 图图 3 大渡河流域大渡河流域 RCI 时空分布时空分布 Fig.3 Spatiotemporal distributions of RCI in the Dadu River basin (a)已建 (b)在建 (c)未建 图图 4 RCI 与水电站密度相关关系与水电站密度相关关系 Fig.4 Correlations between RCI and hydropower station density 3 河流生境连通性的影响
24、因素河流生境连通性的影响因素 3.1 水电站可通过性水电站可通过性 可通过性用于衡量不同的水电站挡水建筑物对鱼类的阻隔效应,通过将所有电站的可通过性 p从0逐渐增加到1,可以得到RCI与可通过性的变化关系,如图5所示。RCI与可通过性呈现正相关关系,且斜率不断上升,当 p 0.8时,曲线的斜率较大,p 值的增大可以显著地改善生境连通性情况。RCI的这一特性表明,在河流生境连通性的修复过程中,对于由许多独立的障碍物组成的系统,通过修建仿自然鱼道、生态调度31-32等方式提高那些原本阻隔效应较弱的水电站的过鱼能力,能够带来更大的生境连通性改善。图图 5 可通过性对可通过性对 RCI 的影响的影响
25、Fig.5 Effect of passability on RCI 何晓枫,等:梯级开发对河流生境连通性的影响与优化路径 37 3.2 水电站空间位置水电站空间位置 河流等级可以代表一条河流在河网中的相对位置,1、2级河流为源头河流位于河网的边缘位置,而大渡河干流为6级河流位于的河网中心位置。计算了所有位于不同河流等级上的水电站单独存在时的RCI值以评估水电站在河网中的位置对于连通性的影响,结果如图6(a)所示,水电站所在河流的河流等级越高其对连通性的影响越大,当河流等级 3时,其对整个河网的影响较小;当河流等级 3时,其对整个河网的影响则较大,这是因为高等级河流在河网中往往承担着重要的交通
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