瑞士两条河流洪泛区的长期水文地貌变化：历史地图的分析

《River Research and Applications》：Long Term Hydromorphological Changes in Two Swiss River Floodplains: Analyses of Historical Maps

本文分析了瑞士Sarine和Sense河流自1886至1987年的历史空间变化，利用Siegfried地图和LK国家地图，结合地理信息系统技术，提取了河道宽度、分叉指数等水文形态学指标，发现Sarine因水电站建设导致河道变窄、分叉减少，而Sense保持较高生态复杂性。研究强调了历史地图在评估长期生态变化和指导河流修复中的重要性。

　　河流是生态系统中极为重要的组成部分，不仅为生物多样性提供关键的栖息地，还在维持生态过程和生态服务方面发挥着重要作用。然而，随着人类活动的加剧，河流生态系统正经历着前所未有的变化，特别是在水文和地貌特征方面。本文通过对瑞士的Sarine河和Sense河进行研究，利用历史地图数据，分析了过去一个世纪中这两条河流在形态和生态结构上的变化，揭示了人类干预对河流生态系统的影响，并探讨了如何利用历史数据为河流修复和恢复提供参考。

Sarine河是一条受到水电设施严重影响的河流，其上游地区在19世纪末至20世纪初修建了多座水坝，包括1898年至1901年间建成的第一座水电站，以及1944年至1948年间修建的Rossens水坝，形成了瑞士第四大水库——Lake Gruyere。随着这些水坝的建设，Sarine河的水文格局发生了显著变化，如河宽的急剧缩小、河网复杂度的降低以及水流的不稳定。相比之下，Sense河被认为是一条相对自然的河流，其地貌和水文特征在很大程度上保持了原始状态，尽管在某些上游区域也经历了一些农业活动带来的轻微改变。通过将这两条河流进行对比，研究强调了历史地图在评估长期生态变化和指导未来修复策略中的重要性。

在研究方法上，采用了瑞士的历史Siegfried地图和旧国家地图（LK系列），并结合地理信息系统（GIS）技术和深度学习算法，提取了河流、湖泊、湿地和小溪等水文特征。这些地图的时间跨度从1870年到1949年，提供了宝贵的视觉资料，帮助研究人员了解河流在现代化之前的状态。研究还定义了一系列水文地貌指标，如河网长度、河网节点数量、辫状指数和蜿蜒度，以评估河流在时间上的变化趋势。这些指标不仅用于衡量河流的物理特征，还用于分析其生态功能的变化，如洪水扩散、营养循环和生物栖息地的多样性。

研究结果显示，Sarine河在1886年至1987年期间经历了显著的形态变化。河网长度减少了54%，从64公里缩短至29公里；河网节点数量减少了55%，从125个减少到56个。同时，河宽也出现了明显的下降，平均从43米减少到27米，减少了37%。这些变化反映了人类活动对河流生态系统的影响，特别是水坝的建设导致了水流的中断和沉积物的改变。与此同时，Sarine河的河岸与森林和建筑物的接触面积显著增加，表明河流与周围陆地环境的互动变得更加紧密，这可能与植被扩展和河岸稳定性增强有关。

相比之下，Sense河的河网长度减少了30%，从117公里缩短至81公里；河网节点数量减少了39%，从515个减少到310个。然而，Sense河的形态变化相对较为温和，河宽整体保持稳定，尽管某些区域表现出较大的波动。这表明，尽管Sense河也受到一些人类活动的影响，但其整体生态结构仍较为完整，与Sarine河形成了鲜明对比。此外，Sense河的辫状指数和蜿蜒度也呈现下降趋势，说明其河道的复杂性和动态性有所减弱，但这种变化并没有像Sarine河那样显著。

研究还发现，河流的栖息地类型在时间上发生了变化。Sarine河的栖息地类型从流动水体转变为湖泊，这与水坝建设导致的水文条件改变密切相关。而在Sense河中，虽然也有部分栖息地类型向陆地环境转变，但整体变化幅度较小。例如，Sarine河的植被覆盖面积增加，而Sense河的植被扩展主要集中在河岸区域，对河道本身的影响相对有限。这种差异反映了两条河流在人类干预程度上的不同，以及它们在生态系统恢复方面的不同潜力。

此外，研究还对比了历史地图与历史航空影像数据。虽然航空影像提供了更高分辨率和更详细的信息，但历史地图在时间跨度上更具优势，能够追溯到更早的时期。这种对比表明，历史地图在评估长期生态变化方面具有不可替代的价值，特别是在缺乏现代遥感数据的情况下。然而，由于历史地图的精度和细节程度有限，部分变化可能被高估或低估。例如，某些河段的形态变化可能在历史地图上没有被准确记录，而在航空影像中则可以更清晰地观察到。

研究还指出，河流形态的变化对生态系统功能产生了深远影响。例如，Sarine河的河道狭窄化减少了沉积物的沉积和分布，影响了鱼类等水生生物的繁殖和觅食环境。同时，河岸与陆地环境的连接性增强，导致了植被的扩展，这在一定程度上稳定了河岸，但也减少了河流与洪水泛滥区域的互动，进而影响了河流的生态多样性。而Sense河虽然也经历了部分植被扩展，但其河道仍保持较高的复杂性和动态性，这有助于维持其丰富的生物多样性。

在讨论部分，研究强调了水坝建设对河流生态系统的影响。Sarine河的河道狭窄化和河网复杂度下降是水坝建设的直接结果，而这些变化可能对河流的生态稳定性造成负面影响。例如，河道狭窄化会减少栖息地的多样性，进而影响物种的适应能力。同时，河网节点数量的减少也意味着河流的连通性降低，这可能对水生生物的迁徙和繁殖产生不利影响。相比之下，Sense河的形态变化相对较小，但其生态系统的复杂性和动态性仍然保持较高水平，这使其成为评估河流修复效果的重要参考。

研究还提到，使用历史地图进行分析的优势在于其时间跨度长，能够提供更全面的生态变化信息。然而，历史地图的精度和细节程度可能不足以准确反映河流的动态变化，特别是在河道复杂度较高或变化较为频繁的区域。因此，结合历史地图和现代遥感数据，可以更全面地了解河流的变化趋势，并为生态修复提供更准确的参考。此外，研究还建议，未来的河流修复应注重恢复自然的水流和沉积物输送模式，例如通过控制放水和补充沉积物，以减少植被扩展带来的生态影响。

研究的结论表明，历史地图在理解河流长期生态变化方面具有重要价值，尤其是在评估人类活动对河流生态系统的影响时。通过对比Sarine河和Sense河的变化趋势，可以更清楚地认识到，受人为干扰较多的河流往往表现出更显著的生态退化，而相对自然的河流则保持了较高的生态复杂性和动态性。因此，为了改善河流生态系统的健康状况，应采取积极的修复措施，如人工洪水、河道拓宽和沉积物补充等，以恢复河流的自然状态。

此外，研究还展望了未来可能的研究方向。利用历史地图数据不仅可以帮助研究人员理解长期的生态变化趋势，还可以为河流修复和恢复提供基准。同时，这些方法可以应用于更广泛的河流研究，包括对其他地区的河流进行分析。随着技术的进步，历史地图与现代遥感数据的结合将为生态修复提供更加全面和精确的信息。这不仅有助于制定有效的河流管理策略，还可以揭示不同河流系统之间的生态联系，从而为更大范围的生态恢复提供支持。

总的来说，这项研究展示了历史地图在评估河流生态变化和指导修复工作中的重要性。通过分析Sarine河和Sense河过去一个世纪的变化，研究人员不仅揭示了人类活动对河流生态系统的影响，还为未来的河流保护和恢复提供了科学依据。同时，研究也指出了历史地图在数据精度和细节方面的局限性，建议在未来的生态研究中结合多种数据来源，以获得更全面和准确的分析结果。