连接中尺度栖息地划定与景观指标以评估多座大坝拆除后的河流景观

《Journal of Ecohydraulics》：Linking mesohabitat delineation and landscape metrics to assess the riverscape following multiple dam removals

　　

评估大坝拆除后的河流景观需要具备可量化的物理栖息地指标。研究人员开发并应用了一个河道物理栖息地评估框架，应用于一条正在进行大坝拆除和急流修复的北欧低地河流的三个河段。在修复前后可比的流量条件下，使用声学多普勒流速剖面仪（ADCP）测量了流速和水深。对测量结果进行了插值处理，并利用层次聚类方法划定了空间上连续且均匀的水力斑块。确定性斑块分类表征了栖息地组成，而反映水力异质性、空间连通性和多样性的九个景观指标则作为栖息地质量的代理指标。划定的斑块准确代表了修复前后的空间显式水力条件，景观指标揭示了明显的修复效应：将修复后的急流作为额外的中尺度栖息地纳入考量后，在27个指标-河段组合中有25个数值增加，其中水力异质性上升了25–47%，各河段的相对丰富度增加了+0.10（即增加了一个栖息地类别）。这些结果强调了修复水力多样化栖息地的影响。本研究通过将中尺度栖息地划定与河流景观视角下的景观指标相连接，推进了修复影响评估。该框架可转移至其他河流环境，且在使用水动力模型输出或现场数据方面具有灵活性，为修复规划和评估提供了一种实用方法。

河流面临着水力发电需求扩张、河道形态简化、水流调节和片段化等持续威胁。这些人为压力干扰了维持河流景观及其生物群的形态过程，往往导致栖息地退化和异质性降低。尽管大坝拆除已成为恢复自然水流和改善河道连续性的有效措施，但通过生物状态衡量修复成功与否往往面临挑战。由于河流修复的主要目的是确保合适的栖息地，因此从物理栖息地角度评估修复措施更具实用性。然而，目前对于客观评估大尺度修复后栖息地组成和质量的方法依然有限。为了填补这一空白，研究人员开展了一项研究，旨在通过中尺度栖息地划定和景观指标来评估多座大坝拆除后的河流景观。该研究得出结论，恢复水力多样化的栖息地对提升整体栖息地质量具有显著的积极影响，并强调了从河流景观视角评估修复结果的重要性。该论文发表在《Journal of Ecohydraulics》上，为河流生态修复规划与评估提供了重要的理论和实践意义。

样本队列来源为位于芬兰东南部Hiitolanjoki河的三个研究河段，这些河段在2021至2023年间经历了由下游至上游的大坝拆除和急流修复操作。研究人员采用了声学多普勒流速剖面仪（ADCP）在现场采集了修复前后可比流量下的三维流速和水深数据。利用反距离权重法（IDW）对采集到的离散水文数据进行了空间插值处理，将流速和水深数据映射到统一的网格上。随后，研究人员开发并应用了基于层次聚类和空间连续性约束的算法对插值后的水力数据进行处理，从而在空间上划定了连续且均匀的水力斑块。基于确定的置信区间对斑块的流速和水深进行标准化后，进行基于规则的分类，将斑块划分为九个水力栖息地类别。最后，计算了九个包含水力异质性、空间连通性和多样性的景观指标，作为评估栖息地质量的定量代理指标。

研究结果表明：
河流中尺度栖息地组成在拆除大坝和河流修复后发生了显著变化
通过分析核密度估计和聚类得出的斑块，研究发现修复导致了Reach B和Reach C河段的空间水流明显转移。在修复前，B河段的峰值流速出现在水电站出水口附近，而修复后最大流速转移到修复后的急流附近。C河段的水流从原本通过水电站的主河道转移至以前的溢洪道。尽管在整体范围内区域流速有所增加，但所有河段的峰值流速在拆除大坝和河流修复后均有显著下降。此外，A河段因人为材料回填导致水深分布发生改变。总体而言，修复引起了水流空间分布的明显转移，并降低了峰值流速。

大坝拆除和河流修复后的中尺度栖息地质量代理指标
通过对计算出的景观指标进行分析，研究发现修复后所有河段的空间连通性指标（相干性、面积周长比和平均斑块大小）均有所增加，表明栖息地的连通性得到改善。当仅评估下游栖息地时，A和C河段的水力异质性保持不变，而B河段因水电站出水口附近高流速栖息地的丧失而出现下降。然而，当将修复后的急流作为新的中尺度栖息地纳入考量时，在27个指标-河段组合中有25个组合的修复后数值增加。水力异质性在A、B和C河段分别上升了36%、47%和25%。急流被归类为“极快×极浅”栖息地类别，使各河段的相对丰富度均增加了+0.10（即增加了一个栖息地类别）。这表明，引入修复后的急流显著增强了所有研究河段的栖息地质量代理指标，特别是在水力异质性和多样性方面。

在讨论部分，研究人员指出该框架能够以高空间细节捕捉流速和水深的空间模式，适合支持基于现场的生态调查和栖息地监测。景观指标的三个子群提供了关于栖息地质量代理指标变化的互补视角。研究强调了将修复后的急流纳入评估的重要性，因为仅关注下游栖息地无法全面反映修复带来的生态效益。尽管该研究存在一定的局限性，例如依赖单一流量且未涵盖全流谱变化，以及ADCP无法在浅水和急流区域进行测量，但敏感性分析证实了所划定斑块和景观指标的稳健性。最后，研究总结出基于现场水声学数据驱动的中尺度栖息地划定与景观指标相结合的框架，能够客观量化河流修复后的物理栖息地响应，支持修复设计与结果评估，并突出了积极恢复水力多样化栖息地以扭转栖息地同质化趋势的迫切需求，该框架可灵活转移至其他不同大小、形态和水流状态的河流环境进行应用。