摘要：水系的连通性是河流健康评价的一个重要指标,它影响到河道生态需水量、通航水深、湿地保留率等。在健康长江评价体系的14个指标中,水系的连通性作为一个重要指标被首次提出。通过对水系连通性基本概念的探讨,归纳了长江水系连通的基本类型,包括河流与河流连通、河流纵向连通和河湖连通3类;分析了长江流域水系连通基本特征和影响水系连通的原因。从地质历史时期及人类历史时期的时间尺度看,新构造运动、气候变化等自然因素在水系连通的阻碍方面是主导因子,但从100～10 a和年时间尺度上看,特别是近百年来,人类活动对水系的连通在很多地方起着决定性的作用。
Drainage connectivity characteristics and influential factors of Yangtze River Basin
ZHANG Ouyang, XIONGWen,DING Hongliang
Abstract: As an important index for assessing river health, drainage connectivity may affect ecological water requirement of river channel, water depth for navigation and wetland conservation ratio, etc. It is put forward for the first time as one of 14 indices of the Yangtze River health assessment system. We discussed the concept and category of the drainage connectivity and analyzed its characteristics and influential factors. The drainage connectivity includes three types: river to river connection, longitudinal river connection and river to lake connection. The same factor has different effects on the drainage connectivity for different time scales. For the geological time scale, neo - tectonic movement and climate change are themain factors influencing the drainage connectivity; and for 100～10 years and annual time scale, especially for the recent 100 years, human activity is the most important influential factor.
Key words: river health; drainage connectivity; influential factors; Yangtze River Basin
“维护健康长江,促进人水和谐”已经成为新时期治江任务的基本宗旨。长江委提出了由4 个层次和14个指标构成的健康长江评价指标体系[ 1 ] 。在这些指标中,水系连通性作为一个重要指标被提出来,这在以前的评价体系中是不多见的。河道生态需水满足程度、通航水深保证率、湿地保留率主要取决于河流的水量及年内分配,通过河流各组成部分之间的水流连通来体现,水系连通性是健康长江其他评价指标的联系纽带,对长江健康具有重要影响。自古以来,人们就注意到流域水系连通的重要性,但目前对水系连通性的研究还很不充分,对水系连通性及其环境影响还缺乏足够的认识,专门讨论河流的连通性及其对河流健康影响的文献较少,还需要加深水系连通对长江健康的影响机理的认识,需要调查长江河流与其他水体之间的联系情况,进一步认识长江流域河流连通的历史变化过程、现状及将来的可能变化和发展方向,为健康长江总体评价、流域开发利用和综合管理提供基础信息支撑。
1 水系连通性基本内涵及其类型
1. 1 基本内涵
在长江水利委员会编写的《维护健康长江,促进人水和谐研究报告》中,将水系连通性定义为:河道干支流、湖泊及其他湿地等水系的连通情况,反映水流的连续性和水系的连通状况[ 2 ] 。这一概念强调了河流、湖泊在水系连通性中的重要作用。按照这种广义湿地定义,水系连通性可以理解为河流与与之相连接的湿地之间的水流联系,其前提是要有相应的湿地存在。
水系连通性包含两个基本要素: ①要有能满足一定需求的保持流动的水流; ②要有水流的连接通道。相应地,判断连通性的好坏也取决于两个条件: ①水流在满足一定的需求的情况下的连续性; ②连接通道是否保持畅通。
水流连续性可以理解为水体的径流量在满足一定需求的情况下,还有一定的水量,并且保持一定的流动性。水流连续性是水系连通的内在需求,在地表水循环过程中扮演着重要的角色,是水循环的重要组成部分。水流的连续性还表明河流健康生命的存在性,一条健康的河流必须保持能满足一定需求的水流,没有水流,就不成其为河流,河流生命就消亡;水流不能满足一定的需求,该河流就不能称为健康的河流,连续而适量的河川径流是河流生命存在的重要标志。
水系的连通状况是河流与与之相连接的湿地之间的水流联系的外部条件,表明水流连通通道的通畅性。通道畅通性包括两种情况: ①通道的过流能力,主要体现在对洪水的排泄能力方面; ②通道是否受人工建筑物阻隔,主要体现在水流通道、生物通道、航运通道是否受阻等方面。
1. 2 基本类型
水系连通的类型主要取决于与之相联系的湿地的类型。从长江流域主要的湿地类型及分布看,相应的水系连通的类型主要有:河流与河口湿地的连通、河流与湖泊的连通、河流与沼泽的连通、河流与河流滩地的连通以及河流与水田湿地、河流与水库、河流与人工养殖湿地的连通等类型[ 3 ] 。另外,还有文献[ 3 ]中未列出的河流与蓄滞洪区的连通。长江流域水系连通性的基本类型见图1。
图1 长江流域水系连通基本类型
2 长江流域水系连通特征
2. 1 河流与河流的连通性
流域是由具有不同层次结构的小流域组成的,河流与河流连通也可分为不同的等级。不同级别的河流及同一河流的上、中、下游因自然条件的差异,其连通状况也不一样。一般说来,支流流域面积越大,调节能力就越强,径流量年内分配相对较均匀,与干流的连通性较好;而流域面积小的支流,调节径流的能力较差,与上一级支流的连通性相对较差。长江河流与河流的连通性包含长江及其支流内部的连通性及长江与其它河流的连通性,如岷、沱江的连通性,长江与淮河、黄河、珠江等河流的连通等。
在长江流域,干流与其主要一级支流的连通通道较为畅通。在长江上游地区,比如在金沙江流域干热河谷区,干湿季节分明,水热不均,热季降水稀少,蒸发量大,水分严重不足,径流量年内分配极不均匀。长江中下游地区径流量较为丰沛,最枯月径流量也比上游地区丰沛,支流本身的水流连续性较好。有的次要支流下游汇入湖泊,通过湖泊调节,然后通过闸口与长江干流连通。
长江流域支流与支流连通主要是上游地区岷江与沱江及嘉陵江水系的涪江因都江堰灌溉渠系而引起的连通,因都江堰从岷江引水,灌溉尾水进入沱江和涪江流域。岷、沱江流域的连通性较好,水量也较多,联系通道基本能满足流域实现生态用水调度的需求。但连通通道间有很多闸口,水流的流动性在一定程度上受到阻碍。
长江下游右岸水阳江流域通过人工渠道与秦淮河流域及太湖流域连通也是支流与支流间的连通。长江下游青弋江、水阳江在下游进入平原后,水流交织,互相串通,缺乏明显的分水岭,呈网状与长江连通。清弋江- 水阳江水系除与秦淮河水系及太湖水系连通外,还与长江干流呈网状连通,径流量年内分配较均匀。淮河因为黄河决口堵塞河道而与长江连通,事实上成为长江的一条支流,淮河水流经洪泽湖进入高邮湖再进入长江流域,但与其它支流有显著差别,淮河还通过灌溉渠道有自己的入海通道。洪泽湖在淮河与长江的连通中起着重要调节作用。
总体上看,长江支流与干流的连接通道目前大部分是畅通的,仅下游一些小支流受闸口影响大;支流与支流通过人工渠道的水流通道也基本上是畅通的;主要支流的水量在枯季一般也能满足一定的需求,水流连续性较好,而一些小的次要支流枯季径流量偏小,甚至断流,水流连续性受到一定的影响。
2. 2 河流纵向连通特征
河流纵向连通主要表现为维持河流地貌特征的多样性,包括河流的纵向连续性,河流洪泛区的侧向连通性,河床断面多样性以及岸坡材料和岸边植被结构的多样性等。河流滩地是河流水流和泥沙运动的产物,是湿地生物群落的重要栖息地。河流湿地生物的养分输送是靠水系连通来实现的,水系连通是通过径流的周期性涨落来实现的。水库修建后,改变了自然的水流过程,影响到水系连通性。
新中国成立后,在长江流域陆续修建了大量的水库,至2005年,共修建各种类型的水库45 000 余座,总库容超过1 700 亿m3 , 相当于流域径流总量的19%[ 4 ] 。目前已修建的大型水库主要集中在中、下游地区,中、下游地区的开发程度已较高。长江流域各支流规划水库库区长度占河流总长度的90%左右,开发强度很大,将对流域水系连通性造成较大影响。
干支流水库修建后,由于大坝的阻隔改变了径流的自然变化过程,对水系连通性有双重影响。一方面,长江流域水量丰富,水资源能基本满足河道内生态环境用水的要求[ 5 ] ,大坝的修建一般情况下对水流的连续性没有大的不利影响。一般地,由于大坝的修建使径流的年内变幅减小,增大枯季径流量,有利于保持水流的连续性。但在少量缺水的地区,由于大坝的修建加大了对流域水资源的开发利用强度,再加上水库蒸发,使坝下游的水量减小,可能影响水流的连续性。另一方面,大坝的修建阻断了水流联系的通道,其阻断的程度取决于大坝的规模和水库运行调度方式。大坝的阻隔使生境破碎化和片段化,对库区和坝下游生态环境有一定的不利影响。在对航运的影响方面,一方面由于大坝的阻隔,增加了船只在闸口段通行的时间,可能降低船只的通行效率;另一方面,库区长度的增大或梯级水库能使原先通航能力较差的地区通航能力提高,或使原先不能通航的地方能通航,扩大通航里程。对于引水式电站而言,由于发电引水,大坝下游至电站区间径流量大幅度减小,甚至断流,对局部河段生态环境的影响非常严重。
随着流域规划电站的逐步建成,流域径流总量会因水面蒸发和开发利用强度的增加而减少(相同降水条件下) ,而枯季径流量可能增加,径流量的年内变化将变得更加均匀,原先能过水的湿地将缺乏水流补充,影响湿地生态系统完整性和其功能的充分发挥,流域生境破碎化的趋势会更加明显。
2. 3 河流与湖泊的连通特性
长江流域的湖泊主要集中在长江中下游平原、滇北黔西高原河江源地区,长江上游和中下游地区湖泊在成因和连通特性方面均存在较大的差异。上游河流与湖泊的连通基本上都是湖泊水流经过出口河道进入干流的单向连通;下游如巢湖与长江的连通也为单向连通。在中下游,长江与干流边上的连通湖泊在不受阻隔的情况下,一般为双向水流连通,当湖泊水位高时,湖泊水流流向长江,长江水位高时,水流流向湖泊。
2. 3. 1 上游湖泊
长江上游湖泊,基本上为断陷湖盆,位于大的断裂带,常常是大河水系的分水岭地带,一般具有较大的汇水流域,有一系列小支流汇入,主要湖泊连通特性见表1[ 6 ] 。这些湖泊主要得到西南季风带来降水的补给,一般补给量不大,湖泊水深,湖面蒸发量较大,换水周期较长,自我调节能力较低,净化功能相对较弱,生态系统脆弱,输入湖泊的盐类及其它物质容易在湖泊中积聚。长江上游湖泊多为半封闭断陷湖盆,具有出流很小的半闭流特点,除程海外,均为外流淡水湖,大部分季节性与外流河流连通。在半封闭状态下,湖泊枯季与下游河流的连通性较差,汛期水流则经湖泊调蓄后通过下游连通河道进入长江。上游地区人口相对稀少,除滇池因污染外,水量基本能满足当地的生活用水需求;流域支流汇入湖泊的进水通道是畅通的,湖泊水流进入下游河道的通道也较畅通。
总体上看,上游地区河、湖水流联系的通道基本上是畅通的,但存在水量不足的问题,部分湖泊污染严重。
表1 长江上游主要湖泊连通特征
2. 3. 2 中下游湖区
长江中下游地区除了洞庭湖、鄱阳湖出口及较大的支流出口外,绝大部分地区两岸都修建了大堤,隔断了长江与大堤内河流、湖泊的水流联系。各湖区湖泊的水系连通特征见表2[ 6 ] 。在没有大堤阻隔的情况下,由于泥沙淤积和河流摆动而形成的自然堤的高程不高,在汛期高水位时被淹没,在自然状态下河流与湖泊可以连通,相互补水,为双向水流联系。但由于大大高出河流与湖泊水面的大堤阻断了这种水流联系,大堤内的水系大多汇入该地区相应的湖泊,而这些湖泊要么与长江隔绝,成为封闭湖泊,要么通过闸口控制,在人工控制条件下与长江连通,大多由双向水流联系变成单向水流联系。长江与岸边湖泊连通的主要方式是闸口调度,其连通性的好坏取决于调控的方式,如果调控方式得当,人工调控的效果可能优于自然连通时的情况。建闸表明湖泊与河流能部分连通,围垦和建堤则使湖泊与河流间完全阻隔。长江中下游地区河、湖水流联系的水量较丰富,但存在水质较差,水流通道不畅通的问题。
表2 长江中下游湖区水系连通特征
注:湖泊换水周期及营养类型为《中国湖泊志》所列数据,参见文献[ 6 ]。
3 水系连通性影响因素分析
河流与河流连通主要受支流口门淤积、人工闸坝和引水渠道、运河的影响,河流纵向连通主要受大坝及水库调度的影响, 其影响因素相对简单。而河湖连通的影响因素相对要复杂得多,也重要得多,这里主要分析河湖连通的影响因素。
3. 1 自然因素
河湖连通性的影响因素包括影响湖泊的形成和河湖的连接通道两个方面。从地质历史时期及人类历史时期的时间尺度看,新构造运动、气候变化等自然因素在水系连通的阻碍方面是主导因子,但从100 ～10 a和年时间尺度上看,特别是近百年来,人类活动对水系的连通在很多地方起着决定性的作用,如人口迁徒、水土流失、湖泊淤积、大面积围垦蚕食等。但值得注意的是,历史上大规模高强度的人类影响往往叠加在气候变化引起的湖泊自然变化的基础上[ 7 ] ,如历史上围垦的高潮期与3个寒冷期湖泊退缩相一致;退田还湖、疏浚河道、修垸筑堤,又往往与暖期高水位时一致。
3. 1. 1 新构造运动
新构造运动沉降形成了湖泊容纳水体所需的地形条件,有利于湖泊的形成。长江上游湖泊大多为断陷湖盆,中下游湖泊的形成也是在地壳沉降的低洼地。构造抬升则使湖泊变浅,让湖泊走向消亡,削弱湖泊与周围水体的自然联系。江汉平原湖群的湖盆形态和容积的变化受新构造运动影响很大。江汉平原的岗、波状平原处于湖盆的边缘地带,它们曾分别在中更新世末以前和晚更新世末以前发生拗陷沉降,分别堆积较厚的下、中更新统和上更新统的相关河湖相沉积,发生湖侵。但它们又分别在中更新世末和晚更新世末相继间歇性掀升成为河流阶地,其后均分别遭受不同程度侵蚀切割而形成岗、波状平原,发生湖退[ 8, 9 ] 。
3. 1. 2 气候变化
气候变化不仅使降雨发生变化,使湖泊的入流条件发生改变,而且还由于温度的大幅度变化形成冰期和间冰期气候。在间冰期,长江与两岸湖泊往往联为一体,湖泊水系连通性好;而在冰期,由于海平面下降,湖泊与水系产生阻隔。历史时期由于气候的周期性变化,引起湖泊范围的周期性扩张与收缩,从而引起水系连通状况的反复变化。
3. 1. 3 泥沙淤积
泥沙淤积是大湖泊分散为小湖泊或湖泊水体与河流水体阻隔的重要原因。江汉平原的湖泊和洞庭湖是典型代表。江汉构造湖盆在第四纪间歇性沉降,幅度在300 m以上,为泥沙沉积提供了良好的构造环境,泥沙淤积发生在入汇湖泊的支流或湖泊汇入长江的支流河道内,使河流水系与湖泊联系通道阻塞,水系连通性变差。
洞庭湖流域和长江都具有丰沛的径流量,不存在水量不足的问题,水系连通的主要矛盾是连通通道是否通畅的问题,主要表现为荆江三口进口河道、洞庭湖湖区及洞庭湖出口的冲淤变化等方面。由于“三口”河道的淤积,导致荆江分流量日益减小,荆江三口分流比由20 世纪60 年代的30%左右降低到2000 年的15%左右, 40年来分流比减小了50%左右。近年来,三口特别是藕池口还出现了断流的现象。“三口”河道和庭湖区的淤积导致洞庭湖的蓄水能力降低,防洪功能减退,城陵矶出口及以下河道的淤积弱化了长江与洞庭湖不同季节的水流交换,使洞庭湖与长江的双向水流联系减弱。
3. 1. 4 河流摆动
河流摆动主要对沿江两岸湖泊的连通性有较大影响,实质上也由泥沙冲淤引起。长江中下游地区近五千年来河流两岸发育了宽窄不一的泛滥平原与成串分布的湖泊,河道展宽并发育了江心洲、边滩,形成了曲流、汊道与分流道或者发生了河道平面位置的迁移。河流的摆动使弯道或汊道中的低洼地与主河道隔绝成湖,或在河漫滩的低洼部位形成湖泊,并在枯水期失去与主河道的水流联系。
3. 2 人为因素
3. 2. 1 围垦
从十年至百年时间尺度看,围垦是影响河湖连通性最为重要的因素之一。洞庭湖很早就开始了围垦活动,在20世纪50～80年代围湖造田活动达到高潮,湖泊面积大幅度缩小,现在洞庭湖主体为大堤所围限,另外还有大量大大小小的民垸也被大堤所围限。江汉平原在16世纪以前已经进行了一定程度的土地开发, 16世纪(明中后期)以来,湖区的大规模围湖造田迅速展开[ 10 ] 。近50年来,由于人类对江汉平原湖区的开垦活动,从50年代到70年代,湖泊面积急剧减小,到70年代湖泊面积仅占50年代的34. 5%。在湖泊数量、面积均下降的背景下,小湖数量却在增多,这些小湖大部分由大湖萎缩或分解而来,是围垦的直接结果[ 11 ] 。比如梁子湖在围垦前与鸭儿湖、保安湖、三山湖等是一个湖泊,但由于围垦,被分成了独立的4个湖泊,这4个湖泊已不再连通。古丹阳湖也因围垦而被分解为4个独立的湖泊,后来古丹阳湖进一步解体,只剩下固城湖和石臼湖和南漪湖。受围垦的影响,湖泊即使没有分解成多个湖泊,面积也会大幅度减小,与外来水体的连通性减弱。
3. 2. 2 筑堤、建闸
原先分布于长江两岸的湖泊基本上都是通江的,而现在仅剩洞庭湖与鄱阳湖尚与长江保持自由连通。20世纪50年代以来,在长江中下游两岸修建了大量的堤防工程和闸口,人为地切断了长江与湖泊的自然连通,节制了长江及其支流和湖泊间的水力联系,从而使得原来的通江湖泊变为阻隔湖泊。造成原先的通江湖泊阻隔的主要原因是建堤与建闸[ 12 ] (表3) 。筑堤建闸后,湖泊与长江隔开,原先的通江湖泊水位不受长江水位涨落的影响,减小了受长江洪水淹没的风险,加速了围垦,使湖泊面积大幅度减小。
3. 2. 3 开凿运河
开凿运河主要有利于增强水系的连通。岷江与沱江之间的引水渠道和运河使两江相互连通,长江下游清弋江流域与太湖流域的连通也主要因为人工运河所致。这些水系连通工程对水资源的开发利用创造了很好的条件。引江济汉工程也是连通长江与汉江的人工运河,完工后,只要调度得当,不仅能加强长江与汉江之间的连通,解决长江与汉江的洪水及汉江下游生态用水问题,而且还可为江汉平原湖泊补充一定的水源,缓解这些地区湖泊的污染,修复湖泊生态功能。
表3 长江中下游部分湖泊
(原有面积在10 km2 以上)的阻隔原因
4 结语
通过对水系连通性基本概念的探讨,归纳了长江水系连通的基本类型。长江支流与干流的连接通道目前大部分是畅通的,支流与支流通过人工渠道的水流通道也基本上是畅通的,河流连通水流连续性较好。大坝的修建阻断了水流的自由流动通道和生物通道,使流域生境破碎化,但径流量的年内变化将变得更加均匀。上游地区河、湖水流联系的通道基本上是畅通的,但存在水量不足的问题,部分湖泊污染严重。中下游河湖连通性较差,主要受围垦和大堤的阻隔影响。从地质历史时期及人类历史时期的时间尺度看,新构造运动、气候变化等自然因素在水系连通的阻碍方面是主导因子,但从十年至百年的年时间尺度上看,特别是近百年来,人类活动对水系的连通在很多地方起着决定性的作用。
闸口一方面阻碍了江湖连通,但也可为河湖连通带来有利的影响,通过改变闸口调度机制,实行闸口生态调度,对实现江湖连通有较大的帮助。
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作者简介:张欧阳,男,高级工程师,博士,主要从事水文测验、泥沙研究工作。
