国土尺度河流干扰度评价与空间分布制图研究

Research on Evaluation of River Disturbance and Mapping of Spatial Distribution of Rivers at National Scale in China

张益章 周语夏 刘海龙*

ZHANG Yizhang, ZHOU Yuxia, LIU Hailong*摘要：自然流淌河流（free-flowing rivers）提供多种生态系统服务，具有重要的自然价值与保护意义。中国处于快速发展的阶段，河流开发与保护的矛盾日益凸显，自然流淌河流尚未得到系统的保护。通过叠加不同的河流干扰数据集进行中国国土尺度的河流干扰度评价，绘制基于河流干扰指数（river disturbance index）的国土尺度空间识别地图来识别自然流淌河流的空间分布。根据结果分为5个级别：潜在的自然流淌河流、低干扰河流、中等干扰河流、强干扰河流、严重干扰河流，分别约占中国河流长度的 6.85%、5.37%、24.39%、19.89%、43.5%。希望能为中国的河流保护、流域规划、保护地的生态系统保护评估与国土空间规划等提供参考。关键词：风景园林；河流干扰指数空间分布；河流干扰度评价；自然流淌河流；流域与河流保护管理；流域生态规划

Abstract: Free-flowing rivers, which provide a variety of ecosystem services, have important natural values and protection significance. China is in a stage of rapid development, at which the contradiction between river resources development and protection is increasingly prominent. Free-flowing rivers have not yet been systematically protected. In this paper, we use a series of data sets indicating different levels of river disturbances to evaluate rivers at China’s national scale, and make a spatial map of river distributions based on a river disturbance index. We divide the river disturbances into five levels, including the potential free-flowing rivers, low impact disturbance rivers, medium impact disturbance rivers, high impact disturbance rivers and strong impact disturbance rivers. They account for 6.85%, 5.37%, 24.39%, 19.89% and 43.5% of the river length in China respectively. The research intends to provide reference for river protection, watershed planning, ecosystem assessment, comprehensive planning of protected areas and territory development plan in China.

Keywords: landscape architecture; spatial distribution of river disturbance index; evaluation of river disturbance; free-flowing rivers; watershed and river protection management; watershed ecological planning

线监测。2020年长江白鲟灭绝的事实更是敲响了警钟，生物完整性指数接近“无鱼”等级，必须实施长达10年的禁渔期。完善中国河流生态保护体系迫在眉睫。河流的自然流淌性是维持其生态系统完整性的基础，笔者从河流干扰度评价及空间制图角度识别中国珍稀的自然流淌河流资源，以期对中国未来的河流保护空间布局提供参考。

1.2 自然流淌河流概念综述

从 20 世纪 60年代的西方环境运动开始，河流污染问题开始受到重视。进入21 世纪，河流治理进入了流域尺度的生态保护修复阶段，在管理上不再限于河段或河道本身，而转变为对河流生态系统的综合治理。联合国发布的最新的《2020年后全球生物多样性框架草案》[1]，提出全球到 2030 年至少有30%的大陆和海洋区域应受到保护的战略目标，其中 10%被严格保护。由于区域生态连通性也是维持生物多样性的重要基石之一，淡水、陆地及海洋生态系统的连通性、完整性与现存的完整荒野区域应予以保护。

在这个过程中，保护河流自然流淌性的呼声也得到更多国家的响应，多个国家建立了河流保护体系，如1968年的美国《野生与风景河流法》、1981年的新西兰《水土保持修正案》、1984年的加拿大《加拿大遗产河流体系宪章》与 1993年开展的澳大利亚“野生河流项目”（Wild River Project）等。不同国家的法律条例、合作公约、研究项目对保护河流的命名不同；但其共性在于对河流生态系统进行完整性保护，不仅着眼于水环境治理或鱼类生境恢复等河流的保护修复，其根本在于维持河流的自然流淌性。从各国的河流价值认知来看，自然流淌河流的内在价值可以分为自然价值、文化历史价值、游憩价值与科研价值等[2-3]。通常认为自然流淌河流的价值在于其原始自然状态的特征，并且能够清楚还原其流域的原始风貌[4]。在全球自然流淌河

[5-6]

流空间识别的研究 中，对自然流淌河流的共识定义是“河流的生态系统功能与服务基本未受到其水文流动连通性变化的影响，允许水、能量、物质与物种可以在河流生态系统内及周边环境进行没有阻隔的运动与交换”，这里的流动连通性指以下4个维度：1）纵向，上游至下游的连通性；2）横向，河道与河漫滩及滨河区域的连通性；3）竖向，地下水与大气的连通性；4）时间，间歇的基于季节性流量的连通性。也正因如此，维持河流的自然流淌性是保障河流生态系统内能量、物质与物种间有机循环的根本，也是支撑河流生态、历史、文化、地质、科研、教育、游憩等多元价值的基础。

2.1 研究目标

基于国际上对自然流淌河流的定义，结

合中国目前遇到的河流保护需求，需要思考如下问题：当前中国实际的自然流淌河流还有多少，可能的分布位置在哪里，影响河流自然流淌的因素有哪些？对上述问题的回答，可通过河流干扰指数的方法，展开中国的自然流淌河流识别，这将为中国河流保护提供基本性的参考数据与初步建议。

2.2 研究方法

荒野连续谱的概念最早在澳大利亚的“国家荒野名录”（National Wilderness Inventory）中提出，其认为荒野是土地的遥远度与自然度从原始状态到城市状态连续变化过程中的一部分[9]，这也是荒野空间制图的理论基础。荒野连续谱是一个客观的评价体系（非以人类或生物为中心的视角），以定量的方式反映荒野质量在连续景观尺度下的变化。不同地区可以根据各自的保护目标与政策特点来制定荒野保护的标准，具有极大的灵活性。在1993年澳大利亚国家荒野资源普查的基础上， 1993—1998年间展开的“野生河流项目”也沿用了荒野连续谱的方法，其中运用的方法

[10]

是由 J. L. Stein、J. A. Stein 等 提出的“河流干扰指数”概念作为评估体系。对荒野来说，遥远度是核心要素；与之不同，自然流淌河流是基于河流连续体的理论，河流的水文、地貌以及生物过程被改变的程度是评价的关键内容。Vannote 于 1980年提出了河流连续体的概念（the river continuum concept），将河流网络看作是一个连续的整体系统，强调河流生态系统的结构与功能以及流域的统一性。除了地理空间的连续性以外，其中的生态过程与生物学过程也有连续性的影响[11]。因此河流干扰度的连续性等级是定义自然流淌河流的量值，具体可以分为河流中水流的流态直接变化以及人类对流域内水文过程的间接影响。因此，流经荒野或自然地的河流也可能因为上游有拦蓄设施被认为受到较高程度干扰，同时靠近聚居区域的河流也可能因为流域生态系统较完整被认为受到较低程度干扰[8]4。因此，河流干扰指数是由如下2个方面因素决定：①河流外在干扰：每段河流控制流域的人类干预所引起的河流地貌及生态功能变化；②河道内在干扰：每段河流控制流

图层

地形土地利用基础设施人类聚居点人类活动水坝渠道保护地土地利用道路基础设施人类聚居点数据库人类足迹数据全球水坝数据集收录的水坝工程空间信息（中国大陆地区）

OSM全国渠道属性图层矢量矢量

WDPA数据（中国大陆地区）矢量

Global Reservoir and Dam (GRanD) Database Version 1.3

OSM全国水系数据图层

World Database on Protected Areas (WDPA)

2一级流域划分

Division of streams and rivers in primary watershed 2 3次级流域划分

Division of streams and rivers in sub-watershed 3

3.8 流域产汇流

任意子流域内的河流干扰度应与区域的产流状态有一定关系，当然，在本研究中没有对中国所有河流及其支流的径流进行直接测量，也没有在空间分布上取得一定的数据；而是通过一个简单的水平衡模型，结合长期平均降水量和潜在蒸发量数据来进行计算。其原理是：降雨在渗入流域内土壤蓄水层的过程中，雨水如果超过了这个土壤蓄水层的最大限度，则可能会“满舱”而产生一定量的径流。因此，年度平均产水盈馀（annual mean water surplus）被用作这种“满舱”状态下产生径流的替代指标。根据澳大利亚大陆尺度的荒野河流评估工作的数据显示，通常情况下，超过 100~150 mm年均降水量的区域大抵会出现满舱的径流盈馀状态。利用长期平均降水量和潜在蒸发值进行计算的时候，发现超过50 mm最大土壤贮水量就会产生累积盈余。在区域或国家尺度上，笔者通过简化其复杂的水文情况，使用径流系数与年平均降水量的关系，得出区域流域对河流径流的产流贡献，以调整子流域干扰度对河流干扰指数的贡献。但同时也要注意到实际上径流受许多更加复杂的函数影响，包括地形坡度、地质、土壤特性、降雨强度、土地利用等 [31-32]。

3.9 计算

2020/08子流域的内在干扰度要素（ inner factor）计算按照以下公式： (IF1×W1)+(IF2×W2)

SFRDI= ，

W1+W2

式中，SFRDI为子流域内在干扰指数；IF1为水工程设施要素，IF2为硬化堤岸、沟渠要素； W 为各图层影响权重，W1=0.5，W2=0.5。子流域的外在干扰度要素（external factor）计算按照以下公式：

SCDI= (EF1×W1)+(EF2×W2)+(EF3×W3)+(EF4×W4)

， W1+W2+W3+W4

（1）

（2）式中，SCDI为子流域外在干扰指数； EF1 为人类聚居点要素，EF2为基础设施要素，EF3为土地利用要素，EF4为人类活动影响要素； W为各图层影响权重， W1=0.25，W2=0.25，

W3=0.25，W4=0.25。由于子流域的干扰度是随着河流的连续性所累积的，为了计算每一个子流域及其上游的干扰指数累积，干扰度蓄积的计算按照以下公式：

FRDI=

CDI=

ACCSFRDIi +SFRDISWi

， （3）

ACCSCDI +SCDISWi

，

ACCSWi +SWi

（4）

式中， FRDI为流域内在干扰指数， CDI 为流域外在干扰指数。FRDI 与 CDI虽默认是总体流域的最终叠加数值，但实际它们是任意流域的河流干扰指数，在计算中应叠加任意流域上游的所有干扰度总和以及任意流域自身的干扰指数之总和。因此，式中的

ACCSFRDIi 为任意流域上游所累积的内在

ACCSCDIi 为任意流域上游所累积的外在干扰指数， ACCSWi 为累积的径流贡献加总，i 为任意流域的数目编号，n为任意流域上游的流域数目，SWi 为子流域产水量。最终，河流干扰指数关系是：

干扰指数加总， (CDI×W1 )+(FRDI×W 2) RDI=。W1+W2

（5）

式中，RDI即为最终的河流干扰指数，该数值反映某一流域段落内的河流干扰度；W为各图层影响权重，W1=0.5，W2=0.5。

最终依据河流干扰指数绘制中国国土尺度上的自然流淌河流空间分布。为了简化内外干扰影响的权重关系，我们假定河流和流域内的干扰对河流的影响是平等和独立的。在实际工作中根据不同的环境可能需要使用不同的权重。由于本尺度着重推判的是整体趋势性，在权重的使用上按照等分设置。

4.1 国土尺度河流干扰度评价与空间制图

笔者基于河流干扰指数的方法，对中国的河流进行评价，并绘制基于河流干扰指数的中国自然流淌河流地图（图4）。人类干扰的不同程度被作为自然流淌河流的分类标准。

4.2 潜在的自然流淌河流

受到较低干扰的河流段落（包含潜在自然流淌河流）主要分布在：青海——三江源地区、河源至玛曲、通天河上游、柴达木盆地西部；西藏——羌塘高原区、拉孜；内蒙古——内蒙古高原东部、黑河、大兴安岭；新疆——和田河、叶尔羌河、阿克苏河、渭干河、克里亚河诸小河、车尔臣河等；四川西部——雅砻江上游、大渡河上游；云南北部——澜沧江、沘江口以上等地区。这些地区皆有潜在自然流淌河流。上述地区的省会、人类聚居较密集的地区周遭的河流，呈现出较高的人类干扰。三江源地区有全国最密集的自然流淌河流分布。同时必须指出，在一系列荒野研究的相关指标选取中，遥远度是一个重要的相关性指标[33]。在自然流淌河流的空间识别中，由于是通过流域内流量累积的方法计算，因此自然流淌河流不一定与荒野地存在空间重叠的特性。有一定数量的河流可能会与道路基础设施在空间上呈现相叠加的情况，但其河流干扰指数也较低（例如青海地区的河流干扰指数低但也存在道路在河流旁并行的现象）。

4.3 强干扰与严重干扰的河流

受到较强干扰的河流段落可能有如下潜在的问题：水质污染、水量不稳定（过高与过低）、生境由于受到人类影响而减少、河流廊道连续性受到人类影响而中断。受到较强干扰的河流段落主要位于长江（占全国总河流长度的 22.76%）、黄河（6.88%）、珠江（6.61%）、

0~0.05 干扰度0.05~0.1 干扰度0.1~0.2 干扰度0.2~0.3 干扰度0.3~0.4 干扰度0.4~0.5 干扰度0.6~1.0 干扰度1.0 干扰度