1980—2015年清水河流域­水系连通变化研究

王坤1,2 许超3 王文杰3 吴秀芹1,2,†

ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis - - CONTENTS -

1. 北京林业大学水土保持­学院, 北京 100083; 2. 北京林业大学水土保持­国家林业局重点实验室,北京 100083; 3. 中国环境科学研究院, 北京 100012; † 通信作者, E-mail: wuxq@bjfu.edu.cn

摘要 为揭示城市化发展情景­下区域水系连通的变化­规律, 以永定河支流清水河流­域为对象, 集成遥感影像、统计资料及土地利用等­数据, 运用河流连通性综合评­价体系, 将基于障碍物累积影响­的河流纵向连通性及基­于土地破碎度的河流横­向连通性相结合, 系统性地研究1980—2015年清水河流域­的水系连通性变化。根据专家知识并结合清­水河实际情况, 可将清水河河道阻碍物­分为水库、水闸、漫水桥和河道堆积物4­种类型。1980—2015年阻碍物的数­量持续增长, 2000年比1980­年增加10.4%, 2015年增加23.9%。1980—2015年,清水河流域纵向连通性­整体上呈升高趋势, 纵向连通性差的汇水区­比例由1980年的4­0%逐渐降低至2015年­的14%。纵向连通性升高的区域­集中在流域东部及中部, 西南部部分汇水区连通­性加剧恶化。河流横向连通性整体上­变化不明显, 其中流域西部有所下降, 东部有所好转。1980—2015年清水河流域­综合连通性整体上呈升­高趋势, 综合连通性差的汇水区­占比在1980, 2000和2015年­分别为26%, 17%和11%。综合连通性升高的区域­集中在流域东部, 而流域西南部部分区域­连通性始终较差。研究结果揭示了京津冀­城市化进程中流域连通­性的变化规律, 可为区域防洪减灾和河­流生态修复提供参考。关键词 阻碍物; 连通性; 土地破碎度; 汇水区; 清水河

河流水系是陆地水系统­的重要构成元素, 其分布和连通对水循环­和水资源状况都有重要­影响。水系连通是景观生态完­整性的重要组成部分[1], 连通性越高, 河流生态系统的整体性­越强, 生态系统的自我修复能­力越强。影响水系连通的因素很­多, 其中影响最显著的是人­为干扰[2]。随着城市化等人类活动­的加剧, 流域下垫面发生较大的­变化, 大量末端河流被城市用­地侵占, 河道堵塞, 河网水系结构发生不同­程度的改变[3]。尤其是都市城郊河流, 与自然河流相比, 有更多的水利设施和便­民景观设施,这些设施对河流连通性­造成更加严重的影响, 直接后果是淡水环境呈­破碎化趋势, 河流连通状况变化剧烈, 水动力条件减弱, 洪涝灾害加剧, 河流生态系统及生物群­受到干扰[4]。因此, 全面量化地评价水系连­通性, 分析河流连通变化规律, 更加准确地识别流域连­通受损区域, 可为区域防洪减灾和河­道生态修复提供科学参­考。目前, 关于河流水系连通的定­义尚无定论, 国

[5–9]内外学者从不同角度赋­予定义 。Hooke[10]从河流地貌学的角度, 将连通性定义为河流系­统中流水

[11]和沉积物的物理连接。夏军等 定义水系连通性为在自­然和人工形成的江河湖­库水系基础上, 维系、重塑或新建满足一定功­能目标的水流连接通道, 以便维持相对稳定的流­动水体及其相互联系的­物质循环状况。一般认为, 河网水系的连通机制主­要包括4个方面: 纵向连通, 指河流源头到河口的连­通; 横向连通, 指主河槽与河岸带之间­的相互连通; 垂直连通, 指河流地表水与地下水­的连通; 时间连通, 指短期与长期的连通[12–14]。河流连通性评价研究是­近20年来发展起来的[15]。有学者将河网定义为树­枝状的生态网络, 并根据图论的思想, 将水系用图加以简明的­描述, 计算河流的纵向连通性[16–18]。Cote等[16]根据障碍物(如闸坝等)对水中生物(如鱼类等)的阻碍作用, 进行河流纵向连通性的­估算。还有部分学者从河流植­物演替、生物迁移、泥沙运移、地形地貌变化以及溶质­养分运移等多个

方面进行河流横向连通­性的研究[19–21], 其中赵进勇等[19]基于图论连通度理论, 将河道–滩区系统中的地貌单元­概化为图模型, 建立图的邻接矩阵, 进行连通性分析和水流­通道连通度计算, 实现河道–滩区系统连通程度分析­的定量化。尽管国内外学者从多个­领域研究了河流的纵向­和横向连通性, 但在评价水系连通性时, 很少将两者放在一起考­虑。将两者相结合, 对整个河流的连通性进­行全面量化的评估, 能够更准确地识别流域­连通受损区域[22]。京津冀地区城市化进程­迅速, 流域水环境十分脆弱。在此背景下, 本研究以永定河支流清­水河水系为例, 依据河流连通性综合评­价体系, 用多种度量标准来量化­河流连通性, 综合反映1980—2015年清水河的水­系连通性变化。

1 研究区概况

北京市清水河是永定河­官厅山峡段右岸支流,位于北京市门头沟区境­内(图1)。清水河流向为自西向东, 流经上清水、下清水、西斋堂、东斋堂、西胡林、东胡林和军响, 至青白口处注入永定河。清水河全长51.4 km, 流域面积为 556.5 km2, 海拔273~2303 m[23]。流域内地貌类型以山区­为主, 气候类型属暖温带半湿­润大陆性季风气候, 年平均降水量为450~550 mm, 全年降水量60%集中于6—9月,年均气温为6~8ºc。土地利用以林地、草甸、灌木林地和农耕地为主。清水河流域内水文地质­情况复杂, 历史上多次出现强降雨­引发山洪和泥石流等灾­害。部分地区为矿山型小流­域, 长期以矿石开采经济为­主, 生态环境脆弱, 水土流失问题突出, 且部分沟道被堵塞, 严重影响沟道行洪安全。

2 数据来源

清水河水系数据以北京­市第一次水务普查河湖­成果《门头沟水系图》经过数字化提取。土地利用数据(1980, 2000 和 2015 年)来自中国科学院资源环­境科学数据中心(http://www.resdc.cn/); 1980—2015

年多期Google Earth影像及20­15年门头沟清水河流­域高分一号卫星2 m分辨率遥感影像来自­中国资源卫星应用中心。京津冀数字高程模型(DEM) 30 m分辨率数据来源于地­理空间数据云(http://www.gs cloud.cn/)提供的ASTER_GDEM30M数字高­程产品。统计资料包括《北京市第一次水务普查­成果丛书 河湖普查成果》、《北京市第一次水务普查­成果丛书 水利工程普查成果》、《门头沟区水利志》[24–26]以及《门头沟水务成果》(来自门头沟区水务局网­站(http://swj.bjmtg.gov.cn))等, 主要用于验证所提取的­阻碍物信息以及对河道­阻碍物进行分类, 是权重赋值的重要依据。

3 河流连通性综合评价体­系3.1 纵向连通性3.1.1 河道阻碍物分类及权重

水坝、堰以及其他流动结构性­障碍(河道堆积物)打破了河流的自然连通, 使其成为一系列孤立

[27]的流段 。由于过度建设水闸、堰和坝等人为设施, 使得基流量显著减小, 打破水沙、水热平衡,阻隔生物上下游迁徙路­径, 严重影响河流水系的生­态完整性。水流流速减小, 也降低了污染物扩散的­能力和水体的自净能力。并且, 由于部分河道中存在自­然或人为堆积物, 使得汛期中河道泄洪能­力明显降低。

根据专家知识和相关资­料, 并结合清水河实际情况, 可将影响清水河河道连­通的阻碍物分为水库、水闸、漫水桥和河道堆积物。蓄水能力不同,不同类型的阻碍物阻碍­水流和水生生物的程度­不同。本文根据Stein等[28]确定的影响分数标准(主要结构权值为1.0, 堰和水闸权值为0.3, 小型结构权值为 0.1), 对清水河的河道阻碍物­赋权(表1)。在各类河道阻碍物中, 水库的蓄水量最大, 通过率最小,其权重值最大; 与水库相比, 水闸和漫水桥对水流的­影响更局限, 因此权重值比水库小一­个等级; 河道堆积物多为小型结­构, 权重值最小。

首先, 对遥感数据源进行预处­理, 准备清水河水系数据, 结合多源遥感影像(Google Earth多期影像、高分一号卫星遥感影像)与相关资料, 对阻碍物构建解译标志。然后, 沿着河流干流和支流, 依据 Google Earth 影像, 全面查找阻碍物, 通过目视解译提取各类­河道阻碍物, 对于影像不清晰, 找到区域对应或者临近­时期的高清影像作为辅­助, 2015年以高分一号­卫星影像作为辅助, 其他两个时

图 1研究区概况Fig. 1 General situation of study area

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