摘要
赤水河作为长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区的重要组成部分，其生态连通性对于长江上游特有鱼类至关重要。但赤水河流域内广泛分布的小水电站严重影响了该区域的连通性。本研究收集了赤水河流域小水电站的空间位置、建设年份、装机容量等详细信息，并采用树状水系连通性指数（DCI）、溪流连续性指数（SCI）、河流破碎化指数（CAFI）和新提出的改进的河流破碎化指数（CAFIM）全面评估小水电站对赤水河流域水系连通性影响的时空变化。研究发现，赤水河流域几乎每条河流都建有小水电站，主要分布在低阶河流。DCI和SCI指数表明，随着电站数量的增加，赤水河流域的连通性显著下降，中下游地区连通性低于上游地区。CAFI和CAFIM指数揭示了类似的趋势，随小水电站的建设河流破碎化程度不断加剧，特别是在习水河、大同河和桐梓河流域表现显著。CAFIM指数将小水电站的装机容量因素纳入考虑，能够更加全面准确地评估小水电站的影响。CAFIM指数相较于传统指标，对装机容量变化更为敏感，能有效反映大型电站的影响。根据CAFIM等指数评估结果，研究评估了赤水河流域内各小水电站障碍物的优先级，提出应优先整改位于高阶河流且装机容量大的电站，以最大程度地改善流域连通性。根据各指数评估结果，研究发现电站的位置和装机容量是决定其优先拆除顺序的关键因素，位于高阶河流且装机容量大的电站(如金阳、圆满贯等)的拆除对改善流域连通性效果最为显著。该研究全面评价了赤水河流域的连通性状况，提出了优化小水电站拆除的策略，为该流域生态修复提供了决策依据，对保护长江上游特有鱼类具有重要意义。本研究为小水电站对流域河网连通性的评估及恢复对策提供了理论基础和方法支持。
关键词
Abstract
The Chishui River is an important component of the National Nature Reserve for rare and endemic fish species in the upper Yangtze River. Its ecological connectivity is crucial for protecting endemic fish species in the upper Yangtze River. However, the widespread distribution of small hydropower stations in the Chishui River Basin has severely affected the connectivity of this region. This study collected detailed information on the spatial location, construction year, and installed capacity of small hydropower stations in the Chishui River Basin. Four connectivity indices, namely the dendritic connectivity index (DCI), stream connectivity index (SCI), catchment area fragmentation index (CAFI), and the newly proposed modified catchment area fragmentation index (CAFIM), were used to assess the spatio-temporal changes in the connectivity of the Chishui River Basin due to small hydropower stations. The results showed that almost every river in the Chishui River Basin has small hydropower stations, mainly distributed in low-order streams. The DCI and SCI indices showed that as the number of stations increased, the connectivity of the Chishui River Basin significantly decreased. The connectivity in the middle and lower reaches was more severely deteriorated than that in the upper reaches. The CAFI and CAFIM indices revealed similar trends, with the degree of river fragmentation continuously increasing, particularly in the Xishui River, Datong River, and Tongzi River Basins. The proposed CAFIM index incorporated the factor of installed capacity of small hydropower stations, enabling a more comprehensive and accurate assessment of the impact of these stations. Compared to traditional indicators, the CAFIM index is more sensitive to changes in installed capacity, and can effectively reflect the impact of large-scale power stations. Based on the assessment results of the CAFIM and other indices, the study evaluated the priority of obstacles posed by each small hydropower station in the Chishui River Basin. The study demonstrated that priority should be given to rectifying stations with large installed capacities located at high-order streams to maximize the improvement of basin connectivity. The study found that the location and installed capacity of the stations were the key factors determining the priority of their removal. The removal of stations located on high-order streams with large installed capacities (such as Jinyang and Yuanmanguan) had the most significant effect on improving basin connectivity. This study comprehensively evaluated the connectivity status of the Chishui River Basin, proposed strategies for optimizing the removal of small hydropower stations, and provided a decision-making basis for ecological restoration in the basin. It is thus of great significance for protecting endemic fish species in the upper Yangtze River. This research provided theoretical foundations and methodological support for assessing the impact of small hydropower stations on watershed river network connectivity and developing restoration strategies.
随着全球对能源需求的增长，小水电站作为一种关键可再生能源，其装机容量至2019年已达78 GW [1-2]。小水电站在解决农村和偏远地区的电力供应、促进经济发展方面具有积极作用。但其快速发展也引发了对环境影响的广泛关注[3-4]。水电设施的建设阻断了河流的自然流动，不仅阻碍鱼类洄游，降低产卵场可达性，加剧了局部种群灭绝的风险[5]，还导致许多流域河道脱水，影响河流生态系统[6]。长江流域截至2017年底已建成约2.5万座小水电站，占全国总数的50%以上，密集梯级开发导致333条河流不同程度断流，总长度达到1017 km[7]，严重影响连通性。虽然对河流纵向连通性的重要性认识正在逐步提高[8-10]，但由于小水电站的详细数据不易获取，国内关于其对连通性影响的研究仍然较少[11]。
河流纵向连通性，即从源头到河口的连接，对维持水、沉积物、营养物质和水生生物在河网中的传输至关重要。量化评价水电站等人工构筑物对河流连通性影响的方法已从最初的结构连通性评价发展到能够综合评估潜在和实际连通性的功能连通性指标体系[8，12]。早期研究多采用描述和基于现场观测的方法，虽能够提供连通性的基本信息，但局限于特定区域或河段，缺乏系统性和普适性[8]。随着研究的深入，研究者结合图论，将河流被视为链接和节点的网络，开发了更综合和量化的评价指标[13]。不仅考虑障碍物的数量，还考虑其相对空间位置、栖息地可用性等变量，可更准确地反映河流系统的结构连通性[8，12]。
与陆地生态系统相比，河流生态系统具有独特的树枝状分级结构，更易受到人类活动干扰而碎片化[8]。在此空间结构下，河流连通性对于维持物种迁移、基因交流和生态过程的完整性至关重要。然而，河流纵向的线性连通特征意味着其连通路径相对有限。即便是地理位置相近，也可能因河道距离较长而难以实现直接连通[14]。河流网络的树枝状分支结构本身就具有较高的空间复杂性[8，14-15]。不同于二维陆地生态系统，河流生态过程在三维空间上展开，涉及纵向、横向、垂向等多维度[15]，这给河流连通性的准确测量和评估带来了挑战。传统的连通性指数如IIC（integral index of connectivity）主要针对二维景观开发，难以充分反映河流网络的结构特点[8]。因此，亟需发展能够有效衡量河流连通性的定量化方法和指标体系。河流破碎化指数（catchment area fragmentation index，CAFI）采用流域面积作为栖息地代用变量，使得下游断面具有更大流域面积，因而权重更大，更符合实际的生态影响趋势[8，15]。此外，当水坝数量较多时，树状水系连通性指数（dendritic connectivity index，DCI）会逐渐饱和，对新增水坝不敏感[8，16]，而CAFI可以保持对新水坝的灵敏度[12]。但CAFI指数仍有改进的空间，因为该指数不能更好地反映不同规模水坝的影响差异。
赤水河是长江流域少数干流保持自然流态的大型支流，是长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区的重要组成部分，具有重要的生态价值和生物多样性保护意义。尽管赤水河干流未被开发，但其支流却分布着大量小水电站，显著影响连通性和流域水生生态系统。随着金沙江水电梯级开发，长江上游特有鱼类国家级自然保护区进一步受到威胁。赤水河在保护长江上游特有鱼类中发挥更加重要的作用[17]。近年来，政府已经认识到小水电开发的生态环境影响并出台相关政策以规范其发展。但这些政策在赤水河流域的实施效果，特别是小水电站对河流连通性的具体影响，仍缺乏系统的评估，亟需深入研究以制定有效的河流恢复和管理策略。
本文以赤水河流域为研究对象，收集该流域内小水电站的空间位置、建设年份、装机容量等详细信息，分析了小水电开发的时空格局及其河流连通性影响。在已有DCI、溪流连续性指数（stream connectivity index， SCI）、CAFI指数的基础上，提出了改进的河流破碎化指数（CAFIM），通过综合考虑小水电站的空间位置和装机容量差异，更全面地评估其对河流连通性的影响。本研究侧重定量评估纵向连通性受到小水电站阻隔的影响程度，具体目标包括：（1）提出并应用基于小水电站装机容量的CAFIM，明确电站装机容量大小对河流破碎度的影响；（2）采用DCI、SCI、CAFI和CAFIM指数定量评估赤水河流域河流连通性的时空变化情况；（3）通过模拟小水电站的拆除，评估其对提升河流连通性的潜在贡献，确定拆除优先级，为赤水河流域内小水电站的整改工作提供科学依据和决策支持。
1 研究区域与研究方法
1.1 研究区域
赤水河流域位于中国云贵川三省，是长江主要一级支流之一，是长江上游仅存的干流未进行水电开发的河流，也是珍稀特有鱼类的国家级自然保护区之一（图1）。赤水河流域位于27°13′~28°49′N，104°44′~107°01′E，干流河长444.5 km，流域总面积1.89万km2[18]。赤水河流域地处亚热带季风气候，降水集中在6—9月份，地形多为山地、高原，岩溶发育。赤水河流域水系发育，具有习水河、桐梓河、大同河、二道河、古蔺河、枫溪河、五马河、同民河等众多一级支流，具有典型的喀斯特地貌。流域内小水电站众多，对生态环境和生物多样性保护构成压力，同时也受到来自农业、旅游和城市发展等人类活动的影响。
1.2 数据收集与处理
1.2.1 河流网络
河流网络数据采用HydroSHEDS v1.1中的HydroRiver数据集（hydrosheds.org），在ArcGIS 10.2中提取出赤水河流域的河流网络，并从HydroBasin中提取流域边界和子流域网络边界。该河网数据把河流网络分为6级（其中1~3级为低阶河流，4~6阶为高阶河流），字段包括LENGTH_KM（河流长度）、CATCH_SKM（流域面积）、UPLAND_SKM（上游总面积）、ORD_STRA（按“Strahler”分级的河流等级顺序：无支流汇入的源头溪流为1级，两条同级河流汇合时级别加1，不同级别河流汇合时取较高级别。考虑到赤水河流域面积和河网规模，本研究将1~3级河流定义为低阶河流，4~6级河流定义为高阶河流。这种划分一方面突出了河流分级结构的差异，另一方面也便于讨论小水电站分布与河流级别的关系。河段以河流汇合点分隔。子流域按照HydroBASINS的4级（即8位HUC）划分[19]。在R语言中对提取出的河流矢量数据进行处理形成可以用于指数计算的河流网络数据。
1.2.2 小水电站数据
中国小水电站指装机容量不大于50 MW的水电站，赤水河流域小水电站数据来自小水电站清理整改网（非公开），包括小水电站的空间位置、建造年份、投产年份、电站所有制、装机容量、开发方式、电站运行状况、过鱼设施的需求等，总计370座小水电站。由于2018年以来长江流域小水电站整改迅速，许多小水电站陆续拆除整改，通过网络搜集和实地考察对拆除的小水电站进一步确定，同时为确保数据可靠，本文所用数据截止2020年9月。把小水电站捕捉到简化后的河流网络中，总共选取了370座电站中的238座用于连通性分析。1980、2000、2018、2020年4个年份小水电站的空间分布见图2。由于数据的不可得性，本研究不考虑滚水坝、橡胶坝等中小型堰坝对水系连通的影响。
图1赤水河流域及小水电站分布
Fig.1Distribution of the Chishui River Basin and small hydropower stations
1.3 研究方法
本研究采用R包“riverconn”进行连通性指数计算[10]。“riverconn”是基于图论的计算框架，能够简便地计算多种连通性指数（图3）。根据赤水河流域的特点，设定了各种参数，包括障碍物的类型、位置和可通过性，以计算DCI、SCI、CAFI和CAFIM 4种连通性指数。每个指数从不同角度反映了河流网络的连通状况：（1）DCI主要基于河流的物理结构，侧重于描述结构连通性，计算简单，适用于不同空间尺度的计算，但对障碍物的属性不敏感。（2）SCI在DCI的基础上引入了河流级别，能更全面地反映河流网络结构对连通性的影响。（3）CAFI引入集水区面积，可以更好地反映上游河段的重要性，更适合在流域尺度进行评估，并且对新增障碍物的影响更敏感。（4）本研究提出的CAFIM在CAFI的基础上整合了小水电站装机容量信息，能够更准确地评估不同规模电站的差异化影响。综合运用这4种指数，可以从河网结构、河流级别、集水区面积和电站规模等多个维度刻画流域连通性的时空变化，相互补充，得到更全面可靠的评估结果，为河流连通性管理提供更丰富的参考信息。
1.3.1 传统指标
（1）树状水系连通性指数DCI
DCI评价法是以图论法为原理应用最广泛的连通性指标之一，其计算简单，可以很容易地跨时空计算。它以鱼类在河流网络中任意两点移动的概率来评估河流的连通性[15]。因此DCI主要和障碍的数量、障碍的可通过性等有关，障碍把流域分割成若干个河段，其中障碍的可通过性即鱼类从上游或下游能够跨越障碍的概率。DCI值为0~100，其值越大表明连通性越好。 DCI计算公式为：
图21980—2020年赤水河流域小水电站的空间分布
Fig.2Spatial distribution of small hydropower stations in the Chishui River Basin from 1980 to 2020
图3“riverconn”包工作流程
Fig.3Workflow of the “riverconn” package
(1)
式中，cij表示河段i和j之间的通过性，其中{i，j}=1，···，n，其中n为河段数量，等于障碍数加1；li为河段i的长度；lj为河段j的长度；L为河网的总长度。
假定鱼类通过每个障碍的概率是独立的，即鱼类通过任何一个障碍都不影响通过其他障碍的概率，如果河段i和j之间有M个河段，那么cij可以定义为：
(2)
式中，pum为障碍的上游可通过性，表示鱼类逆流而上通过第m个障碍的概率；pdm为障碍的下游可通过性，表示鱼类顺流而下通过第m个障碍的概率。
（2）溪流连续性指数SCI
小型障碍通常位于较小河流或源头支流中，而位于低阶地区的障碍对河网连通性的影响往往较小，因此河流阶级也是影响小水电站对河流连通性的重要因素之一[20]。SCI是面向河流网络的溪流连续性连通性指数，在DCI以河流长度计算河网连通性的基础上，考虑了河流阶级对连通性的影响[16]。SCI的计算公式为：
(3)
式中，cij表示子河流网络i和j之间的连通性，其中{i，j}=1，···，n，其中n为被障碍划分为子河流网络的数量，等于障碍数加1，计算公式见式（2）；li为子河流网络i的长度；lj为子河流网络j的长度；L为河网的总长度；R是整个河网的河流阶数，本研究中为6；Rm为子河网中不同河流阶数的数量。SCI值范围为0~100，值越大说明其连通性越好，当所有障碍的通过概率为0时，SCI具有最小值。
（3）河流破碎化指数CAFI
针对于上游流量未知的障碍物，上游集水面积是一个很好的衡量栖息地可用性的指标，并且对于河流源头地区的障碍物也可以纳入计算。河流破碎化指数CAFI采用上游累积集水面积来评估河网破碎程度，CAFI的值没有上限，可以很好地评估屏障的累积破碎程度。在屏障不可通行的情况下，其计算公式为[12]：
(4)
当屏障的可通过性已知时，可以用下式来计算：
(5)
式中，n是屏障的数量；A为整个流域的面积；ai为屏障的上游集水面积；ci为屏障的不可通过性，其值为1（不可通过）~0（完全通过）。
1.3.2 改进的河流破碎化指数CAFIM
上述指数虽然对河流等级和河流源头给予考虑，但水电站的装机容量作为影响水流连通的关键因素并未给予考虑，同时CAFI指数具有适应性，即可以很方便地对所感兴趣的重要变量进行加权[12]，故本文拟对CAFI进行改进，提出CAFIM，把电站的装机容量考虑到河流破碎化指数中。假定小水电站不可通行时，其计算公式为：
(6)
式中，gm表示第m个小水电站的装机容量；G表示小水电站的定义装机，小水电站的装机目前还没有广泛认可的定义，各个国家的小水电站定义具有明显差异，本研究区为中国赤水河流域，根据《2019年世界小水电站发展报告》，中国小水电站为装机容量在50 MW以下的电站[2]，本研究选用G为50 MW。
水电站的可通过性与各种因素有关，如电站的位置、数量及类型等。本研究中考虑河流中的小水电站大坝都未建设过鱼设施，鱼类通过障碍的难度增加，通过查阅资料，在本研究中假定障碍不可通过，即小水电站的可通过性为0。
2 结果
2.1 河流屏障特征
对赤水河流域内的小水电站进行了详细的空间分布调查，结果显示小水电站主要位于赤水河的低阶河流上，其中二阶河流最多，在各年份都达到了总电站数的1/3（图4）。2000年之前流域内的小水电站建设呈现出低阶河流小装机的趋势，2000年之后，流域的小水电站装机容量有了明显的提升，同时建设了位于一些较高河流阶级的电站。在2009和2012年分别建造了2个位于5阶河流上的小水电站，并且其装机容量分别达到了40和20 MW，是流域内装机容量最高的电站，而在赤水河干流未建小水电站。在所有小水电站装机容量中发现流域内装机容量小于500 kW的占大多数，达到了各年总装机的一半多，超过10 MW的电站仅有2座。由此可知，在赤水河流域内主要分布的是位于低阶河流的极小型水电站。
图41980—2020年赤水河流域河流阶级和装机容量分类
Fig.4Classification of river hierarchy and installed capacity in the Chishui River Basin from 1980 to 2020
2.2 赤水河流域连通性的时空变化
通过计算DCI、SCI、CAFI和CAFIM，分析了小水电站建设对赤水河流域连通性的时空影响（图5~7）。结果揭示了1960—2020年，随着电站数量的增加，赤水河流域的连通性普遍呈现下降趋势（图5）。特别是在高阶河流上的新建电站，对连通性造成了显著的影响（图5b）。
图5连通性指数的年际变化
Fig.5Interannual variation of connectivity index
根据赤水河子流域的DCI和SCI连通性指数计算结果，将连通性划分为5类：优（50~100）、良（30~50）、中（20~30）、差（10~20）、劣（0~10）。DCI的评价结果结合图5a和图6可以看出，在时间维度上，流域的连通性随着电站的增多呈现逐步恶化的趋势，在2018年电站整改工作进行后，流域的连通性有所改善；1980年之前子流域的连通性都为中及以上，在1980年流域的连通性达到最差，8个子流域中3个评价结果为差，最差的为习水河流域，仅为8.09。早期电站较少、河流水系接近天然状态，水电站建设对流域的连通性影响更为显著，截至1980年，共建设了68座电站，导致流域的连通性下降至31.75，降幅为64.03%，1980—2000年间流域增加了61座小水电站，流域的连通性降至17.51，降幅为46.26%。
在空间维度上，流域的中下游地区连通性明显差于上游地区，评价结果为劣的区域主要集中在习水河和桐梓河流域，因此要重点关注习水河和桐梓河这两个流域的连通性改善。连通性指数SCI的评价结果和DCI的评价结果在整体上变化规律基本一致，不同的是SCI评价结果比DCI略好，因为SCI把河流等级因素考虑到连通性中，而赤水河流域早期小水电站大多位于小河流，对河流的纵向连通性影响相对较小。
使用CAFI和CAFIM评估赤水河流域的河流破碎化程度，并将结果分为5个等级：优（0~30）、良（30~50）、中（50~100）、差（100~200）、劣（＞200）。结合图5b和图7可知，在时间维度上，河流破碎化程度随着电站的建设呈现增高的趋势。1980年之前电站建设较少，除习水河流域外子流域CAFI都为中上水平。截至2018年，整个流域的破碎化程度达到了263，所有子流域的评价结果都为差或更低等级，其中一半为劣等级。2020年电站整改后，整个流域的破碎化程度有所改善，降到了211，但习水河、大同河和桐梓河破碎化仍较严重。
图61980—2020年赤水河各子流域DCI和SCI连通性的时空变化（黑点表示小水电站）
Fig.6Temporal and spatial changes in DCI and SCI in sub-basins of the Chishui River from 1980 to 2020 (The black dots represent the location of small hydropower stations)
图71980—2020年赤水河子流域CAFI和CAFIM连通性的时空变化（黑点表示小水电站）
Fig.7Temporal and spatial changes in CAFI and CAFIM in sub-basins of the Chishui River from 1980 to 2020 (The black dots represent the location of small hydropower stations)
在空间分布上，流域的中下游区域破碎化程度显著高于上游地区，这与DCI和SCI的结果一致。特别是习水河、大同河和桐梓河流域河网破碎化程度最高，习水河流域从1980年开始就变为差等级，在2018年达到了劣等级。
CAFIM指标进一步揭示了不同装机容量电站对破碎化程度的巨大影响。2000年之前，由于大多数电站装机容量极小（平均为639 kW），对流域破碎化程度的影响相对较小。但随着2009年金阳电站（20 MW）和2012年圆满贯电站（40 MW）的建设，流域破碎化程度急剧上升。空间分布上，2018年的数据显示习水河和桐梓河流域的CAFIM值最高，分别达到53.56和45.90，这两个流域的破碎化问题仍然是研究重点，与其他指数的评价结果相符合。
2.3 障碍优先级评估
为了指导赤水河流域的小水电站整改工作并加强生态保护，本文利用‘riverconn’软件包的d_index函数来评估2020年拆除单个电站对河流连通性的改善效果，并据此进行了障碍物的优先级排序。如图8所示，根据DCI和SCI指数的计算，每座电站对流域连通性改善的贡献度有所差异。尤其是河口区域的电站，如金阳电站拆除对流域连通性的改善效果最显著。而根据CAFI和CAFIM指数的计算，拆除装机容量大的电站，如金阳电站和圆满贯电站，对流域连通性的改善贡献最大，这些电站多位于四阶和五阶河流上。综合4种指数的评估结果，发现电站的装机容量和位置是决定其拆除优先级的关键因素。
3 讨论
3.1 小水电站开发对赤水河生态的威胁
赤水河干流虽然保持自然流态，但支流小水电站和金沙江及其主要支流水电梯级开发的累积效应可能不利于保护区鱼类繁殖，影响其作为长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区的重要功能。在“十四五”规划提出建设金沙江上下游、雅砻江大型清洁能源基地的背景下，赤水河保护长江上游珍稀特有鱼类的作用更加重要。因此，讨论赤水河连通性恢复策略前，须回顾小水电站开发历史及其生态影响，以确保赤水河生态系统长期健康与可持续性。
从时间角度分析，自1980年以来，该流域小水电站建设明显加快，2000年后装机容量显著增加。同时，小水电站无序建设和忽视生态保护引起广泛关注[20]。为应对这些挑战，2018年多部委联合发布了《关于开展长江经济带小水电清理整改工作的意见》，推动小水电站整改。截至2020年底，长江经济带的小水电站退出比例达到14%[21]。然而某些过激的整治措施，如“一刀切拆除”，虽然解决了生态问题，但可能带来新的社会和经济挑战[22]。
空间布局上，水电站密集分布在赤水河小型支流，主要集中在二阶及以下溪流上，密集破坏河流纵向连通性，严重影响生物多样性和河流生态系统服务功能[23-25]。源头溪流和低阶河流生物多样性丰富，是维系流域生态健康的关键。Meyer等概述了源头溪流的各类生物多样性[24]，它们既是下游的物种库，也调节温度、泥沙和输送营养物质。源头溪流和低阶河流是生物避难所，使其免受外来物种和环境胁迫[24-25]。然而源头溪流和低阶河流的重要性常常被忽视，如欧盟水框架指令和美国清洁水法未将小溪纳入立法保护，官方生物评估也未考虑[25]。小水电站开发时常忽视这些生态敏感区，其服务功能受损后可能影响整个流域生态系统。小水电站开发的累积效应已严重威胁赤水河流域生态安全。
3.2 连通性指数的发展与CAFIM的意义
学界提出多种定量化指标，但各有优劣[26]。最广为人知的DCI指数[27-28]，以河长为权重，假设河段生态作用等同[15]，忽视小水电站位置和规模差异[26]。尽管DCI具有计算简单的优点，但在评估小水电站影响时存在缺陷。相比之下，SCI结合了河流等级、小水电站位置、通过概率等多个因素，能较好地量化小水电站相对位置对连通性的累积影响[12，16]。CAFI采用累积流域面积作为权重，从流域尺度体现小水电站位置差异[12]；而本文提出的CAFIM进一步结合小水电站装机容量与流域面积，考虑位置和规模差异。综合应用这些指标，能更全面地刻画河流的连通性状况。
图84种指数计算下的小水电站障碍优先级排序（电站序号为指数计算下按连通性改进值排序的序号； 气泡大小表示电站的装机容量大小；颜色深浅表示电站的连通性大小）
Fig.8Priority ranking of small hydropower stations based on four index calculations (Station numbers are ranked according to the improvement in connectivity based on index calculations; bubble size corresponds to the installed capacity of the station; color depth represents the degree of station connectivity)
本研究分析表明，不同连通性指数都展现出各自的特点和优势。DCI和SCI指数显示，电站数量增加导致流域连通性下降，习水河和桐梓河流域表现明显。CAFI和CAFIM也揭示了类似趋势，习水河、大同河和桐梓河流域新增电站导致河流破碎化程度加剧。时间上，CAFIM在2000年前增长缓慢，2005年后急剧上升，上升速度远超CAFI。这说明新增电站数量少但装机容量大，对连通性的破坏更显著。DCI和SCI等传统指标则难以有效区分障碍规模差异的影响。
CAFIM指数的这一优势为障碍优先级排序奠定了基础。位于下游且装机容量较大的水电站对流域连通性的阻隔作用更大，应优先整改[29-30]。CAFIM评估发现，金阳电站和圆满贯电站符合这一特征，故被列为最高优先级；五七、两河口等中小型电站对连通性的影响较小，可适度保留。小型水电站数量虽多，但装机容量较小，多分布于支流上游，阻隔作用不及大型电站。CAFIM能量化装机容量差异对连通性的影响，为优先级排序提供了坚实依据，确保决策的科学性和针对性。CAFIM等新型指标在河流生态评估和管理决策领域意义重大，不仅可支撑赤水河流域的生态修复，也可为其他案例提供借鉴。
3.3 赤水河流域连通性恢复建议
改善河流连通性对于河流生态修复至关重要。欧盟将河流连通性恢复列为环境政策重点，如水框架指令（WFD）和2030年生物多样性战略[31]，后者建议将欧盟至少25000 km的河流恢复到自由流动状态。我国除了多部委联合发布了《关于开展长江经济带小水电清理整改工作的意见》以推动小水电站的整改和连通性恢复外，《长江保护法》也明确要求“实施长江干流和重要支流的河湖连通修复方案”。考虑资金和利益冲突，不宜“一刀切”，应根据小水电站的时空差异，制定科学的连通性恢复方案[32]：如增设鱼道、采用低影响涡轮机、拆除陈旧低效电站等。由于资源有限，需在流域范围内优先处理那些对恢复连通性至关重要的区域。
基于以上分析结果，本研究建议赤水河流域连通性恢复应：（1）优先整改位于高阶河流上且装机容量较大的电站，如金阳电站和圆满贯电站，以实现最大的生态效益；（2）对于一些社会经济贡献较大且影响相对较小的电站，如五七电站和两河口电站，可采取适当整改措施加以保留，比如增设过鱼设施、确保生态流量等；（3）对习水河和桐梓河这些连通性脆弱的流域，电站整改工作应当被优先考虑。差异化的恢复策略有助于在资源有限的情况下实现最佳生态恢复效果。这种定量评估的优先级排序，可为赤水河连通性修复提供科学依据，也为其他类似项目提供决策支持。
4 结论
与大水电站相比，小水电站对连通性的影响经常被忽视。起初可能是认识不够，近来虽然对河流连通性的重要性认识逐步提高，但受限于量化评价方法和关于小水电站资料的缺乏，针对小水电站对流域层面连通性影响的研究依然较少。本研究主要侧重于研究小水电站产生的连通性影响，首次在流域尺度和河段尺度评估了赤水河水系连通性的变化，评估了小水电站的障碍优先级，并提出了连通性恢复对策。结论如下：
1）赤水河整个流域的连通性随着小水电站数量的增加而下降。初期建设在低阶河流上的电站对连通性影响较小，但之后在高阶河流上建设的电站对连通性的影响更大。流域的连通性具有空间差异，流域中下游地区的连通性要明显差于上游地区，尤其是习水河流域和桐梓河流域，其连通性等级在2018年达到了最差。
2）本文提出了改进的河流破碎化指数CAFIM，充分考虑了小水电站装机容量对流域破碎化的影响，能有效地评价连通性。赤水河流域破碎度随着电站的装机容量增加呈现上升趋势，并且在增加较大装机容量电站金阳电站和圆满贯电站后，流域破碎程度加剧。
3）水电站的位置和装机容量是影响河流连通性的重要因素，DCI和SCI指数都表明，位于高阶河流上的电站对连通性的损害更大；而CAFI和CAFIM指数进一步揭示，大型电站（如金阳电站和圆满贯电站）对河流破碎度的影响更为显著。模拟分析显示，优先拆除或改造这类电站，可以最大程度地改善流域连通性。因此，在制定赤水河流域连通性恢复策略时，应重点考虑位于干流或主要支流装机容量较大的电站，这将有助于以最小的成本获得最大的生态效益。
4）本文尚存在以下不足有待进一步研究：①计算连通性时只考虑了小水电站，未考虑涵洞、坡道和岔道等小型挡水建筑物；②计算连通性时只考虑了物理阻隔，未考虑水文情势的变化；③虽然计算了以年为时间尺度的连通性变化，但未考虑连通性的季节变化，不能与鱼类繁殖等物候节律关联；④在进行障碍优先级评估时，只考虑了连通性改善，未考虑经济成本以及鱼类的生境需求等。
