重新审视复杂河口系统中河流破碎化的时空动态

《Journal of Hydrology》：Revisiting spatiotemporal dynamics of river fragmentation in complex estuarine systems

潮汐河流网络中河流破碎化评估与时空演变研究——以珠江三角洲为例，采用Delft3D水动力模型耦合长期流量数据，揭示大坝和小尺度障碍物对破碎化的差异化影响，发现主支流季节性破碎度达100，西江基本未受影响，2000年后流量偏差增幅显著，潮汐动态对传统评估存在系统性低估。

　　

黄伟明|王家豪|袁冰|陈敏|涂同碧

中国广东省海洋土木工程重点实验室，中山大学土木工程学院，广州510275

摘要

广泛的人类活动，包括大坝建设和引水工程，严重破坏了自然河流的连通性，导致河流广泛破碎，威胁着河流生态系统的功能和保护。然而，由于河流和海岸过程之间的复杂相互作用，传统的河流破碎度评估方法往往无法捕捉到潮汐河流网络中的这些动态变化。以珠江三角洲为例，本研究结合了水动力模型来重建长期、河段尺度的自然和历史流量，并应用多种流量变化指标来评估河流破碎度的时空演变。研究结果揭示了明显的季节性和空间变异性：三角洲的主要支流——北河和东河在干旱月份经历了严重的破碎（自由度约为100），而西河则基本未受影响（自由度约为14.5）。改进后的破碎度指数进一步表明，除了大型水坝外，经常被忽视的小型障碍物也会显著影响局部连通性。1970年至2022年的长期分析表明，2000年后流量偏差有所增加，西河下游的历史流量比自然流量高出多达500%。与传统基于水文模型的评估方法相比，本研究表明大型数据集倾向于低估河口系统的破碎程度。这些发现突显了由大尺度和小尺度基础设施共同驱动的流量制度的重大变化，并强调了需要使用高分辨率的动态建模方法。本研究为可持续的河流系统管理提供了关键见解，强调了在未来的河流破碎度评估中纳入河口水动力学和详细障碍物清单的重要性。

引言

自然流量制度对河流生态系统的功能和保护至关重要。然而，包括大坝建设、引水工程和水库运营在内的广泛人类活动不可避免地改变了河流的自然状态。因此，河流连通性受到破坏，导致全球大部分河流出现破碎现象（Grill等人，2019年；Magilligan和Nislow，2005年；Zarfl等人，2015年）。这种破碎对依赖河流的生态系统产生了深远影响，破坏了栖息地的完整性，改变了生命史模式，并扰乱了关键生物生态过程，阻碍了营养物质、沉积物、生物量和其他重要物质的输送（Maavara等人，2020年；Perkin和Gido，2012年；Wang等人，2011年）。

河流破碎现象已在局部和全球范围内得到记录（Belletti等人，2020年；Carolli等人，2023年；Jones等人，2019年；Nilsson等人，2005年；Spinti等人，2023年；Sun等人，2023年）。许多这些研究依赖于从数字高程模型（DEM）获得的河流几何信息。然而，DEM分辨率的固有限制以及垂直和水平的精度问题常常导致河流位置的不准确以及水道表示的不真实，尤其是在复杂的河流网络中（Ariza-Villaverde等人，2015年；Yamazaki等人，2019年）。此外，这些研究中常用的水文模型未能考虑潮汐效应，而在潮汐河流网络中，潮汐效应尤为重要，因为DEM无法准确捕捉河流地形（Huang等人，2022年；Mason等人，1995年）。这些全球性研究往往忽略了海洋动力学对河流流量的显著影响，进一步加剧了这些局限性。

此外，大规模研究通常关注中型和大型水坝，往往忽视了小型水坝的影响（Sun等人，2025年）。尽管大型水坝通常占流域内水量调节的主要部分，但众多小型结构的累积效应也会显著影响河流动态（Baumgartner等人，2021年；Habets等人，2018年）。这种忽视往往导致对河流破碎度和生态系统退化的估计过于保守。此外，大型水坝研究的时间覆盖范围往往不足，特别是在亚洲和非洲等快速发展地区，这些地区正在进行大量的水坝建设。这些地区正在经历重大变化，需要更仔细地研究大尺度和小尺度的影响。一个最新的、具有时间序列的河流内障碍物清单将大大增强跟踪河流破碎度演变的能力。

随着时间的推移，人为活动的加剧，河流破碎程度也在增加（Spinti等人，2023年）。然而，以往的研究主要依赖于静态估计，往往忽略了河流连通性的时间变化。文献中有超过20种方法可以用来评估河流破碎度（Jumani等人，2020年）。一种常见的方法是测量破碎程度，即由于河流中的某个障碍物导致的流量偏离自然动态的程度。评估河流破碎度的第一步是可靠地重建自然流量动态。然而，在像珠江三角洲这样的地区，河流通过潮汐河流网络中的多个出口流入河口，水文模型无法充分捕捉复杂的流量动态（Cai等人，2018年；Cao等人，2020年；Hoitink和Jay，2016年；Ji和Zhang，2019年）。在这种情况下，考虑河流流量与潮汐相互作用的水动力模型更为合适。此外，用于评估河流破碎度的指标多样性使得选择适合保护和开发规划的方法变得更加复杂。

珠江三角洲是中国重要的经济中心之一，由于上游和三角洲内部建设了大量障碍物和基础设施，其自然流量制度发生了显著变化（Dai等人，2008年；Wei等人，2021年）。因此，自然流量动态受到了严重破坏。尽管最近关于河流破碎的全球研究包括了这一地区，但鉴于前述研究的局限性，仍需要更具体和详细的分析。因此，本研究重点关注珠江三角洲的潮汐河流网络，以调查河流破碎度的时空变化。采用结合河流和河口动态的水动力模型来重建长期自然和历史流量序列。然后使用多种指标评估河流破碎程度，并对其进行比较和解释，以提供对该地区河流系统保护和管理的见解。

研究区域和数据集

研究区域：研究区域涵盖了珠江三角洲复杂的潮汐河流网络，这是中国南部一个重要的地理和经济区域（图1）。珠江三角洲位于广东省东海岸，包括广州、深圳和珠海等主要城市中心，构成了广东省乃至整个中国的重要经济和文化纽带。该地区的河流系统由西河、北河和东河以及众多其他河流组成

Delft3D建模的校准和验证

校准和验证结果表明，Delft3D模型在准确模拟珠江三角洲内河流和海岸水动力相互作用方面表现出色。图2展示了2005年6月的校准结果，显示Xipaotai、Sanshakou、Nanhua、Lanshi、Makou和Sanshui站点的精度很高。对于以河流流量为主导的水动力站点（Sanshui、Makou、Lanshi和Nanhua），R值接近1，NSE值

结论

本研究利用Delft3D水动力模型重建了珠江三角洲的长期流量过程，捕捉了河流流量与潮汐动态之间的复杂相互作用，并实现了历史和自然条件下的可靠模拟。人类活动显著加剧了河流破碎，尤其是在非洪水季节，导致流量与自然状态的显著偏差。利用未受阻碍河段的历史流量数据进行了改进

CRediT作者贡献声明

黄伟明：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，方法论，调查，形式分析，概念化。王家豪：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，方法论，调查，形式分析。袁冰：撰写——审稿与编辑，验证，形式分析，数据管理，概念化。陈敏：撰写——审稿与编辑，可视化，验证，形式分析。涂同碧：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2023YFF0804900）、国家自然科学基金（52479033，52109046）、广东省科学技术厅（2024A1515012359；2023B1515040028）以及水利与山地河流工程国家重点实验室（SKHL2315）开放研究基金的资助。