河流分类体系研究综述

河流分类体系研究综述何 萍1,2,史培军1,刘树坤3,高吉喜2,李向荣1(1 北京师范大学资源学院,北京 100875;2 中国环境科学研究院生态研究所,北京 100012;3 中国水利水电科学研究院水力学研究所,北京 100044)摘要:简要阐述河流分类的目的和方法,重点对基于地貌、水文、生态、价值的分类体系进行了回顾,按照时间顺序说明了各种分类体系的发展过程。

河流分类体系不断走向系统与综合,体现在从单要素到多要素、从定性到定量、从结构到过程、从单尺度线状河流到多尺度等级系统,以及从自然系统到包含社会价值。

随着河流生态学实验及理论的发展、多学科的合作以及多尺度数据源条件的改善,具有预测功能的分类体系将逐步取代描述性的分类体系。

国际河流分类体系的研究成果对于我国多类型河流的生态恢复与管理具有重要的借鉴意义。

关 键 词:河流分类;分类系统;生态区;流量节律;进展中图分类号:X522;G353 11 文献标识码:A 文章编号:1001 6791(2008)03 0434 09收稿日期:2007 04 04基金项目:全球环境基金海河流域水资源水环境综合管理资助项目(TF053183)作者简介:何 萍(1968-),女,辽宁凌海人,副研究员,博士研究生,主要从事流域生态系统研究。

E mail:heping18@sohu com由于受到水质污染、河道改造、水文调控、生物资源过度利用、植被破坏、外来物种引入等人为干扰以及洪水、干旱、火山爆发、野火等自然干扰,世界上大多数河流生态系统正经历着严重的退化过程。

近一二十年来,流域保护和河流恢复成为世界环境保护的热点,河流分类也成为这一领域发展初期的重要研究内容。

据统计,自1899年Davis 按照地貌的成熟阶段将河流分为青年期、成熟期、老年期三类开始到1989年,先后有64种分类体系出现,其中后20年出现的占了近半数[1]。

随着生态学和水文学的交融与发展,河流分类从传统的地貌分类拓展到生态学、水文学等领域,而且体系多样。

按照分类的学科背景或主导分异因子,有基于地貌特征、水文特征、生态特征,物理 化学 生物综合特征、水质、保护价值以及指定功能等多种体系类型[2]。

但是,中国对河流体系的编目仍延续着传统的水系序列法,水资源、水环境管理仍采用指定水质标准的分类。

这两种分类体系表达的信息简单,缺乏与生态特征的结合。

21世纪以来,中国以海河流域、辽河流域为代表,已经开始了流域尺度的生态规划研究工作,河流生态恢复工程也逐渐开展起来,对河流生态信息的管理日益提上日程。

河流分类是河流管理活动的基础,在生态分类的基础上,设置监测站点,开展健康评估,研究响应机理,并将结果外推,用于同类河流的行为预测、规划及工程设计,对河流生态恢复、资源可持续利用具有重要的意义。

基于这种需求,本文综述了国外发展较快的基于地貌、水文、生态和价值的4种分类体系,分析其原理、发展趋势以及优点与不足,以期对中国正在起步的流域生态综合管理研究提供参考。

1 河流分类的意义分类是按照既定的标准对易于混淆的事物划分层理,将一系列复杂的对象按照相似性或差异性分组或者归类的过程,目的是进行有序的观察和描述,进而推理以解决更多的问题。

许多学科领域在其发展历史的初期,都曾经历一个分类研究的阶段,随着学科的不断发展,以实验为基础的规律研究就会替代分类,最终上升到对本质过程的理论理解阶段[3]。

自然界的河流在形态和过程上表现出极大的多样性和复杂性,根据河流特征的差第19卷第3期2008年5月 水科学进展ADVANC ES IN WATE R SCIE NCE Vol 19,No 3 May,2008异性或相似性定义其类别,河流研究人员依此选择典型河段开展监测、评估与研究,并将研究结果外推或应用于其它同类对象上[4],从河流的外表预测其行为,从类似的河流获取经验数据;河流管理人员运用分类的结果进行资源编目,把河流划分为不同目标的管理等级,用通俗的词汇描述河流,对比人类活动的影响,判断与河流基准或立法要求相悖的特征。

因此,河流的分类对于河流生态恢复具有重要的科学意义和管理意义。

2 河流分类的方法Goodwin [4]认为,分类是对复杂事物的认知过程,按照认知学的原理,有三种分类的方法。

一是基于经典理论的分类,将分析对象的所有一般属性加以识别,构成类别。

所有属性都是这些类别的必要和充分条件。

这些类别是平等的,没有哪一类比其他类更具代表性。

Leopold 和W olman [5]按照河流的平面形态提出的 顺直河、曲流河、辫状河 分类以及Rosgen [6]按照河道的几何特征提出的地貌分类构架即是这种方法。

二是基于原型理论或概率论的分类。

原型理论指定原型(类别)及其特征,根据分析对象的特征权重是否超过某一阈值(相似性程度)来判定其归属,不需要分析对象具备原型的所有特征[7]。

Montgomery 和Buffington [8](见下文基于地貌的分类)及Nanson 和Croke [9]的河流分类方法一定程度上符合原型理论;后者[9]根据能量和河床阻力定义了3种主要河漫滩类型,按照符合程度来划分河段类型。

使用概率分类的例子有加拿大英属哥伦比亚林业编码之 鱼类与栖息地清单 ,按照鱼类存在与否、多样性及其分布等特征,用计算机计算了每个河段符合河流类别的概率[10],依概率值(可能性大小)分类。

三是基于样例选择理论,用具体的例子来定义类别[7]。

Miall [11]的沉积物学分类方法接近于这种方法,按照已有河流的主要特征定义了16种河流类型,出现新的样例后,再增加类型。

从分类途径和原则来说,Lotspeich [12]提出,引起类别差异的原因可能比造成的后果是更好的分类依据,科学家基于因果过程开发出分类模型,作为假说再去验证,是为了促进对河流过程的理解。

例如,如果我们关注的重点是河流中是否存在某种鱼,分类的目的是保护和拓展鱼类的栖息地,那么,比起简单地按鱼是否存在而建立的河流类别来说,基于导致鱼类存在的原因所建立的分类模型可能会更好地服务于管理。

探索因果关系,是致力于开发分类模型的吸引力所在。

从分类所采用的基本空间单元来说,分类并不都是针对一系列单体河流的,小到河段,大到流域都可作为基本分类单元。

Gurnel 等[1]将上个世纪出现在文献中的河流分类方法进行总结,提出共有7种分类空间单元,从小到大依次是栖息地单元、片断、区、区域、河流、生态区以及等级系统。

从分析河流的视角来说,Seelbach 和Wiley [13]认为有4种,分别将河流看作是景观系统、与区域水循环耦合的水文系统、塑造景观及河道的地貌系统以及维持生物多样性的生态系统。

视角不同,河流分类不同。

从分类过程来说,有的是区划:自上而下将空间整体划分成特征一致的单元;有的是归类:依据与主导特征相似性自下而上进行单元归类;有的是分级:按照与参考值的差距划分等级,或者将属性数据转化成等级。

3 主要分类体系3 1 基于地貌的分类体系最早的河流分类出现在河流地貌学领域。

河流地貌学的目的是描述和分析由河水塑造的地貌特征,进一步理解地表过程作用和控制地貌发展的机理,所以,早期的河流分类也都是基于结构特征的描述性分类。

Leopold 和Wolman [5]按照平面形态将河流划分为顺直河、曲流河、辫状河3种类型;Rust [14]应用河道分汊指数和弯曲度将上述3种河型补充成为顺直河、曲流河、辫状河及网状河4种类型。

当河流地貌学的重点转向研究沉积侵蚀、搬运与堆积过程,河流的分类也开始结合动力过程。

Schumm [15]基于大尺度系统的沉积物搬运过程,提出了沉积物源区、搬运区和堆积区的三区分类模型。

Schumm [16]和Sil mon 等[17]的河渠演化模型提出了上游至下游纵向分布的5种类型,而这些类型又是河渠演变过程中不同时段的类型:源头起点处于干扰前状态,随着水能增加及河道的堆积、拓宽,在下游某处达到新的平衡。

河渠演化模435 第3期何 萍等:河流分类体系研究综述436水科学进展第19卷型在美国得到了广泛的认可。

Montgomery和Buffington[8]将山地集水区内的河流按照整体地貌特征确定了8种河段类型:山坡段、深谷段、塌陷段、瀑布段、阶梯 深潭段、平坦河床段、深槽 浅滩段以及沙波河段,反映了不同类型的河段对沉积物供给和流量变化的响应。

以上的分类都属于定性分类,Rosgen[6,18]的分类模型应用了定量方法。

运用河道几何学原理,以河道下切比、宽深比、蜿蜒度等特征划分了8种一级类型,然后根据河流纵向坡度和河床物质粒径等参数共划分了94种二级类型。

该分类体系分类标准是客观的测量数据,来自不同测量人员的数据能够重复。

Rosgen的分类方法已广泛应用于河流开发管理规划中。

20世纪80年代开始,等级理论在地理学、生态学等多个领域广为应用,为理解复杂系统的多尺度问题提供了新的理论构架。

Frissell等[19]提出了一个基于尺度的模型框架,尺度序列从大到小依次是集水区、片段、地貌区、河段、地貌单元和水文生物区。

因为尺度等级能够应用于任何河流中,这种巢式空间等级系统思路被后人广为采用。

River Styles模型[20,21]是一个成功结合河流物理 生物特征的、基于过程的地貌等级分类框架。

在第一层次上,以集水区为背景,按照河谷的坡度、形态和限制性特征,考虑河道与洪泛区之间的过程,划分为约束的(没有洪泛区)、部分约束的(不连续的洪泛区)和冲积的(连续的洪泛区)三类。

然后在河段尺度上根据河渠的几何形态以及与生物特征密切相关的地貌单元(如浅滩、深潭、急流等)的聚集特征来划分河段类型。

Chessman 等[22]应用River Styles模型对澳大利亚新南威尔士Bega河流域的42个地点按照地貌进行分类,同时调查硅藻、水生和湿生大型植物、大型无脊椎动物以及鱼类的空间分布,发现地貌类型能够很好地反映生物的分布规律。

River Styles模型是一个开放的系统,可以根据研究对象添加新类型。

Thomson等[23]在River Styles的基础上,在地貌单元的下一级进一步划分水力单元。

水力单元是表面流类型及下垫面构成基本一致的斑块,代表了与生物相关的微栖息地类型。

Fryirs和McNab[24]将River Styles分类框架拓展到了城市河流,考虑了各种工程措施对河流的影响。

Davenport等[25]在英国国家河流调查标准的基础上,结合城市河流特征丰富了地貌调查指标,开展了河段分类,提出的结合城市河流特征的调查指标和分类方法,对于受水利工程严重干扰的河流有借鉴意义。

基于地貌的河流分类从早期的对结构特征的描述性分类发展到结合地貌过程的分类,从定性分类到定量分类,从单尺度线状河段分类到多尺度的等级系统分类,从单纯的地貌特征到结合流域土地利用和植被、水文、河床和河岸物质以及沉积物浓度、河道形态、河岸稳定性等多种特征,逐步深入认识和体现河流系统的复杂特征。