基于耦合弗勞德數(shù) 奇異性指數(shù)的河流生物棲息地多樣性研究

余 磊，王俊敏，尤愛(ài)菊，王 冠

（1.平湖市水利局，浙江 平湖 314200；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；3.杭州汽輪機(jī)股份有限公司，浙江 杭州 310022）

1 問(wèn)題的提出

河流湖泊具有供水、灌溉、發(fā)電、航運(yùn)和休閑娛樂(lè)等多種功能[1-3]。長(zhǎng)期以來(lái)，人類為滿足自身生存、發(fā)展的需要，非常注重開發(fā)利用河湖的社會(huì)功能，卻往往忽視河湖的生態(tài)功能。例如：為了增加糧食產(chǎn)量，人類大規(guī)模地圍湖造田、開墾坡地；為了滿足供水、防洪、發(fā)電與航運(yùn)等需要，修建大量的水利工程[4-5]。人類的各種活動(dòng)極大地改變河湖的自然狀態(tài)，造成河湖生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重退化[6-8]。

我國(guó)的河流保護(hù)工作總體上還處于河流水質(zhì)及湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化恢復(fù)階段[8]，在水質(zhì)評(píng)價(jià)方面已做了大量的工作，但水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)主要采用理化指標(biāo)，僅有少部分河段的評(píng)價(jià)采用生物指標(biāo)[8-11]。總體上，我國(guó)在生物評(píng)價(jià)方面的研究及實(shí)踐還處于初級(jí)階段，還有許多工作亟待開展，目前還沒(méi)有形成系統(tǒng)的觀測(cè)和監(jiān)測(cè)資料反饋機(jī)制。從我國(guó)國(guó)內(nèi)河道水系的監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀和發(fā)展來(lái)看，雖然部分河道的水文和水質(zhì)監(jiān)測(cè)已有較為完善的資料和經(jīng)驗(yàn)積累，但缺乏與生物、生境聯(lián)系方面的觀測(cè)和研究成果[12-13]。在生物棲息地評(píng)價(jià)方面，也未能提出系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法。

2 基于耦合弗勞德數(shù)—奇異性指數(shù)的生境多樣性評(píng)價(jià)方法

國(guó)際上針對(duì)河流生態(tài)健康狀況的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行廣泛的研究，形成一系列各具特色的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法。近20 a來(lái)，河流健康評(píng)價(jià)的方法獲得長(zhǎng)足發(fā)展，出現(xiàn)RIVPACS，AUSRIVAS，IBI，ISC，RCE，RHS，RHP等多種方法并得到廣泛應(yīng)用[14-16]，就評(píng)價(jià)原理而言，大致可將這些評(píng)價(jià)方法分為預(yù)測(cè)模型法（Predictive Model）和多指標(biāo)評(píng)價(jià)法（Multimetrics），具體見表1[17-20]。

表1 常見的河道生態(tài)評(píng)價(jià)方法表

作為河流生態(tài)評(píng)價(jià)的重要組成部分，生境多樣性反映河流中水生生物的生活環(huán)境情況，世界上常用的生境評(píng)價(jià)多以生物監(jiān)測(cè)、化學(xué)監(jiān)測(cè)和物理結(jié)構(gòu)測(cè)量三者相結(jié)合的方式進(jìn)行。然而，由于我國(guó)河流生態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估工作起步較晚，生物和物理結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)均較少。另一方面，我國(guó)自“十二五”以來(lái)，大力推動(dòng)中小河流治理，河流的綜合整治取得良好效果，積累大量的河道斷面以及水文監(jiān)測(cè)資料。鑒于此，本研究引入耦合水力學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)的弗勞德數(shù)—奇異性指數(shù)概念，基于國(guó)內(nèi)常見的河道地形和水文基礎(chǔ)資料，以河道內(nèi)水生生物的生存環(huán)境為評(píng)價(jià)對(duì)象，計(jì)算其多樣性指數(shù)，進(jìn)而評(píng)估河道的生境多樣性。

2.1 河流生境類別

結(jié)合前人的研究成果，河道水流的水力學(xué)條件與水生生物的生境之間存在一定的聯(lián)系：因河道水流水力學(xué)條件的變化而引起的流態(tài)變化，將對(duì)水生生物的生境，包括水體流速、水位、含氧量、溫度等生態(tài)因子產(chǎn)生影響。對(duì)于受到人類活動(dòng)干擾的河道，尤其是城區(qū)性河道，其斷面形態(tài)整齊劃一，易造成其生物生境單一，嚴(yán)重影響生物的棲息狀態(tài)。相比較而言，天然河道的斷面形態(tài)豐富，深潭淺灘鱗次櫛比，為水生生物提供多樣化的生境。一般來(lái)說(shuō)，天然河道內(nèi)水生生物的生存環(huán)境狀況明顯好于人工河道。

2.2 奇異性指數(shù)原理

奇異性指數(shù)多用于工程力學(xué)、地理統(tǒng)計(jì)和電子信息工程學(xué)等方面，用以表征局部場(chǎng)量的特征分布和空間自相似性。近年來(lái)，將奇異性指數(shù)引入生態(tài)評(píng)估中，利用其表征區(qū)域性的生態(tài)變化程度開始應(yīng)用于各類研究之中，例如利用Simpson指數(shù)研究復(fù)雜地形下的生態(tài)系統(tǒng)，利用Shannon - Weiner指數(shù)進(jìn)行森林生態(tài)演化或海洋生物多樣性研究等。相關(guān)研究顯示，引入適當(dāng)?shù)钠娈愋灾笖?shù)，有利于量化表征生態(tài)的多樣性程度，從而評(píng)估生態(tài)演化的進(jìn)程。

由于奇異性指數(shù)的引入和計(jì)算需要建立在一定規(guī)模的樣本數(shù)量上，在河湖健康評(píng)估中引入奇異性指數(shù)進(jìn)行研究，目前甚少被實(shí)際應(yīng)用。石瑞花等引入標(biāo)準(zhǔn)Shannon - Weiner指數(shù)對(duì)河道生境進(jìn)行評(píng)估，初步探索奇異性指數(shù)在河湖生態(tài)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[16]。本研究綜合考慮水力學(xué)和統(tǒng)計(jì)性參數(shù)，提出簡(jiǎn)化的奇異性指數(shù)計(jì)算方法，對(duì)河道生境多樣性進(jìn)行評(píng)估研究。

2.3 生境多樣性指數(shù)計(jì)算方法

相對(duì)于區(qū)域范圍較廣的森林生態(tài)或海洋生態(tài)評(píng)估，河道生態(tài)評(píng)估的特點(diǎn)較為明顯，即橫向?qū)挾容^窄，縱向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，以浙江省為例：河道的寬度一般為40 ～ 200 m，但河道縱向長(zhǎng)度可達(dá)幾十甚至數(shù)百公里。因此，傳統(tǒng)的以面積為劃分依據(jù)計(jì)算奇異性指數(shù)的方法并不適用于河道生境研究?？紤]到河道的特殊性，本文引入水力學(xué)范疇的Froude Number（弗勞德數(shù)，以下簡(jiǎn)稱“Fr”）和簡(jiǎn)化的Shannon - Weiner Coefficient（香農(nóng) — 維納奇異性指數(shù)，以下簡(jiǎn)稱“SW”），并將二者結(jié)合，以量化分析河道生物棲息地多樣性狀況。河道水力學(xué)條件與生境關(guān)系見表2。

表2 河道水力學(xué)條件與生境關(guān)系表

首先在評(píng)價(jià)河段中選取不少于10個(gè)斷面，按式（1）依次進(jìn)行弗勞德數(shù)計(jì)算：

式中：u為斷面平均流速（m/s）；h為水深（m）；g為重力加速度（m/s2）；Fr為弗勞德數(shù)。

將計(jì)算得到的Fr進(jìn)行排序，并選取極大值和極小值。之后，按計(jì)算斷面總h為區(qū)間將Fr的極值分為不同單元，每一個(gè)單元為一類棲息地，按式（2）進(jìn)行評(píng)價(jià)。生境多樣性指數(shù)賦分及描述見表3。根據(jù)表3生境多樣性指數(shù)的計(jì)算結(jié)果，對(duì)河道生境多樣性狀況進(jìn)行評(píng)估。

式中：PFr為第i類棲息地；TFr為棲息地類型總個(gè)數(shù)；M為棲息地多樣性指數(shù)。

表3 生境多樣性指數(shù)賦分及描述表

3 典型河道生境多樣性研究

本研究選取浙江省馬金溪進(jìn)行河道生境多樣性研究。馬金溪，又名金溪，干流總長(zhǎng)89.16 km，是浙江省衢州市開化縣最大的河流，為衢江的上游，也是錢塘江的源頭之一。發(fā)源于安徽省休寧縣龍?zhí)镟l(xiāng)板倉(cāng)村附近的青芝棣尖，經(jīng)龍?zhí)铩⑻伊值轿骺涌谶M(jìn)入開化縣境，流經(jīng)齊溪鎮(zhèn)、霞山、馬金鎮(zhèn)、徐塘、底本鄉(xiāng)、音坑、城關(guān)鎮(zhèn)、龍山底、華埠鎮(zhèn)。上游為一條狹帶狀谷地，途經(jīng)七里壟、密賽2個(gè)狹谷，縣城以下地形漸趨開展，向東流至常山縣入常山港，最后匯入衢江。

本次選取馬金溪主干流（密賽 — 新下大橋）河段進(jìn)行河道生境多樣性評(píng)價(jià)研究，該河段長(zhǎng)度16.36 km，流域面積約為797 km2，主要流經(jīng)開化縣的城關(guān)鎮(zhèn)。根據(jù)《開化縣馬金溪（干流）流域綜合治理規(guī)劃》，該河段兼具河流源頭區(qū)和干流區(qū)的雙重特性，其河道生態(tài)特性較為明顯，但其社會(huì)服務(wù)功能也較為突出。馬金溪現(xiàn)狀見圖1。

圖1 馬金溪現(xiàn)狀圖

評(píng)價(jià)河段上設(shè)有2個(gè)水文站（密賽站、開化站），本次計(jì)算采用2個(gè)水文站點(diǎn)2015年全年逐日流量資料。選取2015年2，7，12月的月平均流量作為2015年馬金溪相對(duì)枯水期、豐水期和平水期流量進(jìn)行計(jì)算。在評(píng)價(jià)河段中選取10個(gè)斷面，分別采用相對(duì)豐水期、平水期、枯水期流量進(jìn)行弗勞德數(shù)計(jì)算，并利用耦合弗勞德數(shù) — 奇異性指數(shù)公式計(jì)算該河段的生境多樣性指數(shù)。馬金溪生境多樣性計(jì)算典型斷面分布見圖2。

圖2 馬金溪生境多樣性計(jì)算典型斷面分布圖

根據(jù)馬金溪水文站點(diǎn)2015年2，7，12月的逐日流量數(shù)據(jù)并求其平均值，得到馬金溪2015年相對(duì)豐水期平均流量為80.76 m3/s，相對(duì)平水期平均流量為38.62 m3/s，相對(duì)枯水期平均流量為28.03 m3/s。

同時(shí)，參考相關(guān)規(guī)劃并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所得到的馬金溪斷面資料，本次所選取的10個(gè)斷面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及不同時(shí)期Fr的計(jì)算結(jié)果見表4。馬金溪生境多樣性指數(shù)計(jì)算見表5。

表4 馬金溪斷面Fr計(jì)算成果表

表5 馬金溪生境多樣性指數(shù)計(jì)算表

由表5可知，在不同流量情況下，基于耦合弗勞德數(shù)—奇異性指數(shù)的馬金溪生境多樣性指數(shù)表征有所不同。在相對(duì)豐水期，馬金溪生境多樣性指數(shù)為0.86，指數(shù)較高，反映在豐水期間，因河道流量大，且馬金溪河道內(nèi)深潭淺灘分布廣泛，河道內(nèi)形成豐富多樣的水生生物棲息環(huán)境，適宜各種類別種屬的生物在河道內(nèi)棲息生長(zhǎng)。

相對(duì)平水期和枯水期的生境多樣性指數(shù)均為0.80，均小于相對(duì)豐水期，但總體上該指數(shù)仍處于較高水平。說(shuō)明在流量較小的相對(duì)平水期、枯水期，馬金溪仍保持較高的水生生物棲息地多樣性水平。這一方面與馬金溪河道斷面形態(tài)多樣化有關(guān)，另一方面，也與馬金溪在相對(duì)平水期、枯水期仍保持較高的流量有關(guān)。

整體上，馬金溪2015年的豐水期、平水期、枯水期的生境多樣性指數(shù)各不相同，但均處于較高水平。從馬金溪的功能定位和現(xiàn)狀情況，馬金溪屬于典型的兼具源頭 — 干流區(qū)特征的河道，其河道生態(tài)環(huán)境保護(hù)較好，生物生存環(huán)境多樣化。其現(xiàn)狀表征與本次生境多樣性指數(shù)的計(jì)算結(jié)果具有較高的符合度。

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究立足河道自身形態(tài)和流量變化，耦合水力學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)中的常用參數(shù)，構(gòu)建用以表征河道生境多樣性的量化指標(biāo)。研究以馬金溪為例，在目前浙江省內(nèi)極度缺乏水生生物監(jiān)測(cè)的背景下，采用該指數(shù)對(duì)馬金溪河道進(jìn)行生境多樣性評(píng)價(jià)，利用河道斷面形態(tài)和流量等較易獲取的地形及水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算分析馬金溪河道的水生生物生存情況。結(jié)果顯示，該指數(shù)能較好地反映馬金溪不同時(shí)期內(nèi)的生境狀況。鑒于現(xiàn)狀情況，我國(guó)河道水系內(nèi)的生物監(jiān)測(cè)非常匱乏，利用該指數(shù)可以簡(jiǎn)單、有效地對(duì)河道水系進(jìn)行生境多樣性評(píng)價(jià)，進(jìn)而快速評(píng)價(jià)河道水系的生物生存狀況。