ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis
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,†
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