川藏鐵路全斷面掘進機穿越斷層破碎帶隧道施工研究-以折多山為例

川藏鐵路全斷面掘進機穿越斷層破碎帶隧道施工研究

劉 卓

(中鐵十八局集團有限公司 設備物資部,天津 300222)

摘要： 通過大斷層破碎帶是全斷面掘進機(TBM)施工的難點.基於引漢濟渭工程秦嶺隧洞嶺北TBM穿越斷層破碎帶的施工工藝和研究成果,提出了TBM穿越斷層破碎帶的施工工法.利用激發極化法與三維地震法進行超前地質預報,施工縱向小導洞和橫嚮導洞、管棚,利用多點位移及、光纖光柵應變計監測圍巖應力和變形,解決了刀盤卡轉和防止隧道塔方.該施工工法可提高TBM適應不同地質條件的能力,優化TBM的施工組織設計,為川藏鐵路長大隧道的施工提供借鑑.

關鍵詞： 隧道;全斷面掘進機(TBM);斷層;破碎帶;川藏鐵路

根據目前的方案,為克服地形高差,繞避不良地質,還未開工建設的川藏鐵路康定到林芝段,出現了眾多埋深大於1 km、長度超過20 km的超深埋超長隧道,如康定—新都橋段折多山隧道(38.3 km),理塘—巴塘段海子山隧道(37 km),八宿—波密段伯舒拉嶺隧道(53 km),然烏—通麥段易貢隧道(54 km),隧線佔比高達84%,隧道總長843 km.川藏鐵路特長隧道面臨的工程難題主要有高烈度、高地應力巖爆、軟巖大變形、活動斷裂帶等,為了「安全、環保、高效」施工,採用全斷面掘進機(Tunnel Boring Machine,TBM)施工法成為首選[1].本文基於對引漢濟渭工程秦嶺隧洞嶺北TBM穿越斷層破碎帶時的經驗和研究成果,提出了TBM穿越斷層破碎帶的施工工法,為川藏鐵路長大隧道的施工提供借鑑.

1 斷裂破碎帶的特質與TBM施工風險

TBM在斷層破碎帶及自穩能力差的軟弱不良地質段中掘進時,適應性差,極易出現以下事故:刀盤無法轉動,出現卡機事故,脫困處理困難;由於護盾及刀盤上方塌腔的發生引起地質應力分布變化,致使部分鋼拱架及鋼筋排因圍巖收斂發生嚴重變形,護盾頂部壓力已達到設備極限值[2];支護變形將進一步減少人工作業空間,限制卡機處理設備的使用,增加處理難度;斷層破碎帶大多富水,水和碴體、砂礫巖從掌子面和護盾外側不斷湧入洞內,給施工人員和設備造成安全威脅[3];容易造成隧洞塌方等事故,影響施工安全和工期.

2 TBM穿越斷裂破碎帶的施工工藝原理與工法

TBM穿越斷層破碎帶施工工藝流程如圖1所示.

圖1 TBM穿越斷層破碎帶施工工藝流程圖

Fig.1 Flow chart of TBM construction processthrough fault fracture zone

施工主要流程如下:① 從TBM護盾後方相對穩定的巖體中開挖縱向小導洞;② 縱向小導洞穿過破碎帶進入圍巖穩定洞段後,施作橫嚮導洞並形成管棚工作間;③ 反向施作大管棚並注漿加固破碎圍巖;④ 在大管棚的安全防護下,配合超前小導管和環形鋼拱架,人工開挖通過斷層破碎帶,並清除護盾頂堆積的渣體,幫助TBM完成脫困;⑤ 在發現掌子面圍巖不穩定時,通過刀孔超前預加固掌子面,有效抑制掌子面塌方的出現和坍塌規模,實現預防卡機的目的[4].

3 施工工法研究

3.1 護盾後方已施工段加固

在第一時間採用增設鋼支撐和加強支護能力等方式,保證已支護段圍巖穩定,減少已支護段變形.利用TBM主梁作為支撐,用H150型鋼對已支護鋼拱架增加豎向及斜向支撐,同時徑向施作錨杆並注漿加固周邊圍巖,對變形段加密增設鋼拱架,採用噴射混凝土配合錨杆、鋼筋排和鋼拱架形成聯合支護結構,防止已支護段環形鋼拱架及鋼筋排變形繼續加大.在施工期間,採用多點位移計、壓力盒和應變計等設備對圍巖及拱架受力變形情況進行實時監測,優化施工方案,保證施工安全.

3.2 超前地質預報

TBM卡機事件發生後,採用激發極化法與三維地震法對洞內前方圍巖進行綜合探測預報.配合超前鑽孔,採用智能光學成像系統對前方圍巖進行探測,驗證和修正前期超前地質預報結果,指導施工.

3.3 施工縱向小導洞

(1) 現場選擇在具有一定自穩能力的TBM右側圍巖設置爬坡孔,爬坡孔位於緊鄰護盾尾部兩用鋼拱架之間,開挖高度在滿足施工作業空間的要求下儘可能減少開挖工程量,現場開挖高度選取1.7 m,周邊採用H150型鋼配合鋼筋排噴錨支護[5].

(2) 爬坡孔開挖完成後,向前開挖縱嚮導洞,開挖原則為「管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉」,開挖前優先施作超前支護,由於縱嚮導洞作業空間狹小,現場高溫高溼、粉塵大、噪聲大,縱嚮導洞與塌陷區預留一定安全距離,縱嚮導洞分左右兩部分開挖,優先開挖右側部分,再開挖左側部分.縱嚮導洞斷面布置如圖2所示.

圖2 縱嚮導洞斷面布置示意圖

Fig.2 Schematic diagram of section layout of longitudinal guide tunnel

3.4 橫嚮導洞(管棚工作間)施工

(1) 由於橫嚮導洞段仍然處於斷層影響帶中,人工開挖還存在一定的安全隱患,故採用超前小導管注漿配合型鋼門型鋼架支護小斷面逐步開挖.

(2) 縱向小導洞穿過塌腔影響區3～5 m後,進入穩定的原狀巖層內,開始開挖橫嚮導洞,橫嚮導洞通過已開挖完成的縱嚮導洞開挖,橫嚮導洞共3個,最終3個橫嚮導洞合併成管棚工作間.橫嚮導洞通過縱嚮導洞採取分區分臺階開挖、支護[6].兩側採用噴射混凝土封閉,保證洞室穩定.

橫嚮導洞分區如圖3所示.管棚工作間橫斷面如圖4所示.

圖3 橫嚮導洞分區示意圖

Fig.3 Schematic diagram of transverse guidetunnel zoning

3.5 反向施工大管棚

在管棚工作間刀盤端管棚導向管下方拼接兩環鋼拱架,支立模板,澆築導向牆,混凝土導向牆強度滿足要求後,向刀盤反向施做大管棚.由於管棚需要穿過斷層破碎帶,傳統管棚施工方法先鑽孔後安裝鋼管方法不能實現,加上管棚工作間作業空間狹小,只能採用分節跟進式根管施工,成孔的同時,管棚鋼管同步接長打入鑽孔內.

圖4 管棚工作間橫斷面示意圖

Fig.4 Cross-sectional view of pipe shed workshop

3.6 刀盤至管棚工作間段處理

刀盤至管棚工作間段受斷層影響嚴重,開挖過程中極易出現安全事故,開挖前,在相鄰兩根管棚之間施作雙層自進式中空錨杆,必須高度重視管棚和超前小導管注漿效果,為人工開挖提供一個安全防護.完成大管棚施工後,採用左右導洞法由管棚工作間向刀盤方向開挖上導洞,上導洞開挖至刀盤後,由刀盤向管棚工作間方向採用左右臺階法開挖中導洞洞身段.刀盤至管棚工作間段人工開挖橫斷面如圖5所示.圖5中，1，3，8，10為小導管超前支護注漿,2，4，9，11為支立鋼架,5，6，7為豎橫立柱,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ為開挖導沿順序.

3.7 管棚工作間前方掌子面和護盾段處理

利用已施工完成的上導洞和中導洞,向裡施工Φ122超前鑽孔,採用高清視頻系統對鑽孔內前方地質情況進行成像探測,評估前方圍巖情況,確定是否需要人工處理.為了防止掌子面受臨空面影響而收斂變形及風化,在掌子面施作中空玻璃纖維錨杆,並注漿加固巖體,噴射玻璃纖維混凝土封閉掌子面,同時注意保護刀盤.由於護盾段位於塌腔核心區,人工開挖前必須對前方圍巖進行注漿加固,管棚工作間至刀盤段上導洞開挖至刀盤後,為避免護盾頂部開挖時繼續發生坍塌,利用上導洞底部平臺向護盾上方向塌腔內施作自進式中空注漿錨杆.在開挖過程中,通過超前錨杆施作探明塌腔位置,向塌腔內預留注漿管,拱架內側回填混凝土強度達到要求後,通過預留注漿管向塌腔內注滿混凝土或是其他回填材料,待回填材料強度達到要求後割除門型鋼架立柱,完成護盾和刀盤脫困.護盾頂部開挖分區如圖6所示.護盾頂部支護橫斷面如圖7所示.

圖5 刀盤至管棚工作間段開挖示意圖

Fig.5 Schematic diagram of excavation betweencutter disc and pipe shed workshop

圖6 護盾頂部開挖分區示意圖

Fig.6 Schematic diagram of shield topexcavation zone

圖7 護盾頂部支護橫斷面示意圖

Fig.7 Schematic diagram of cross-section ofshield top support

待護盾頂塌方段處理完畢後,對護盾尾部支護變形且侵入襯砌施工界限的圍巖收斂區段進行全斷面換拱處理,拱架內灌注C30混凝土.

3.8 TBM掘進通過斷層帶

待護盾尾部換拱施工、護盾頂及刀盤前方臨時支撐等材料全部清理完畢,所有影響TBM掘進施工的因素消除後,開始啟動TBM,緩慢向前推進,利用TBM開挖刀盤前方剩餘石方.TBM恢復掘進後,必須高度重視TBM掘進姿態控制,防止出現掘進方向偏差,造成與已支護人工開挖段衝突.同時防止撐靴對已支護段拱架造成損壞,致使支護不穩定.

3.9 刀盤前超前預加固防卡

在不良地質段掘進過程中,為防止刀盤前方發生坍塌,每次掘進前,在刀盤內通過刀孔對前方掌子面及周邊施作自進式玻璃纖維錨杆並注漿,進行超前預加固處理,抑制塌方的出現和坍塌規模,起到預防卡機的目的.

3.10 受力變形監測

為了順利通過該斷層帶,準確掌握在斷層破碎帶內人工開挖洞室、換拱期間圍巖、支護拱架受力及變形情況,現場先後設置多點位移計2套、錨杆應力計2套、光纖光柵應變計60支、振弦式應變計52支、壓力盒10個,實時監測巖體及支護拱架受力變形情況,發現監測數據突變或是增長加速時,第一時間發出預警並將監測結果通報項目部,項目部針對性制定處理方案,防止事態擴大,確保施工安全.已開挖段原有鋼拱架光纖光柵應變曲線如圖8所示.護盾後方多點位移計監測曲線如圖9所示.

該TBM施工工法成功應用於陝西省引漢濟渭工程嶺北TBM隧洞工程.嶺北TBM施工段全長16.69 km,隧洞埋深545～1 570 m,使用一臺Φ8.02 m開敞式硬巖掘進機施工,TBM施工區通過1條區域性大斷層、3條分支斷層和10條地區性一般性斷層,寬30～190 m不等,軟巖變形段預測佔總長度的65%.

圖8 已開挖段原有鋼拱架光纖光柵應變曲線

Fig.8 Original steel arch fiber grating strain curveof excavated section

圖9 護盾後方多點位移及監測曲線

Fig.9 Monitoring curve of multi-point displacementmeter behind the shield

2016年5月31日,TBM掘進至K51+597.6處突遇長距離斷層破碎帶,護盾及刀盤被卡,被迫停機.項目部嚴格按照此施工方案執行,最終在2016年10月10日恢復TBM掘進,為TBM斷層處理施工提供了有效保障,於2017年1月安全順利通過此長距離斷層破碎帶,比預定工期提前了82 d,節約施工成本2 700萬元,而且拓展了TBM應用範圍.

4 結論

(1) 通過超前地質預報和地層加固、人工開挖導洞、大管棚、應力和變形監測等系列組合方法,很大程度上減少了TBM穿越大斷層破碎帶施工期間的風險,安全快速地通過斷層破碎帶.

(2) 成功創建了刀盤超前預加固防卡技術,有效抑制掌子面塌方的出現和坍塌規模,實現預防卡機的目的.

(3) 超前預支護技術的使用,為TBM斷層處理施工提供了有效保障,從而減少了後期塌腔的注漿工程量,節約成本,有利環境保護,也杜絕了後期隧洞的二次汙染.

(4) 提高了TBM施工技術水平,在地質情況更複雜的川藏鐵路隧道施工,具有廣闊的應用前景.

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Research on tunnel boring machine construction of fault fracture zone in Sichuan-Tibet railway tunnel

LIU Zhuo

(Equipment and Materials Department,China Railway 18th Engineering Bureau Group Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China)

Abstract： The large fault fracture zone is a key point in the construction process of full face tunnel boring machine (TBM).In this paper,the construction method and research results of the TBM crossing the Sichuan-Tibet railway fault-fracture zone are proposed by referring to the construction technology and research results of the TBM crossing fault fracture zone of Qinling Tunnel.The induced polarization method and the 3D seismic method are effectively utilized for advanced geological prediction.Longitudinal small guide holes and lateral guide holes and pipe sheds are constructed.And the multi-point displacement meter and fiber grating gage meter are effectively utilized to monitor the surrounding rock stress and deformation.It solves the problem of cutter disc rotation and preventing tunnel collapse,which is beneficial to optimize the construction organization design of TBM and improve the ability of TBM to adapt to different geological conditions,and provide reference for the construction of the Sichuan-Tibet railway long tunnel.

Key words： tunnel;tunnel boring machine (TBM);fault;crushed zone;Sichuan-Tibet railway

中圖分類號： TV 554

文獻標誌碼：A

文章編號：1672-5581(2019)03-0263-05

作者簡介:劉 卓(1972—),男,高級工程師.E-mail:[e-mail]

京市主要河流魚類群落的空間格局特徵

杜龍飛1,2， 徐建新1， 李彥彬1， 渠曉東2*， 劉 猛2， 張 敏2， 餘 楊2

1.華北水利水電大學， 河南 鄭州 450045 2.中國水利水電科學研究院， 北京 100038

摘要：魚類群落空間格局對於區域人為活動的幹擾具有顯著的指示作用. 基於2014年5月—2015年8月北京市主要河流(永定河水系、大清河水系、潮白河水系和北運河水系)64個採樣點的河流魚類監測數據，採用聚類分析和非度量多維標度法，研究北京市主要河流魚類群落的空間格局特徵. 結果表明：北京市魚類在空間上形成了3個主要類型，包括分布於北京市主要河流上遊山區的山溪型河流魚類類型(組1)，分布於北京市主要河流上遊山區向下遊城區過渡區域的山溪向城市河流過渡魚類類型(組2)，以及分布於北京市主要河流下遊城區的城市河流魚類類型(組3). 魚類優勢度指數分析表明，組1優勢種主要為拉氏螯、寬鰭U、棒花魚、北方須鰍和中華花鰍，組2優勢種為鯽魚、寬鰭鱲、棒花魚、麥穗魚、黑鰭鰁、中華花鰍和波氏吻蝦虎，組3優勢種為鯽魚、麥穗魚和泥鰍. 與歷史監測資料比較，北京市魚類生物多樣性總體呈下降趨勢，共有12種野生魚類未能在野外監測中發現. 北京市山區和過渡區域河流中保持了較高的生物多樣性，受城市化和人類活動幹擾的影響，城市河流的魚類退化明顯，物種組成以高耐汙類群為主，群落結構呈現單一化. 研究顯示，北京市城市化過程對區域魚類生物多樣性下降具有顯著影響，魚類群落的空間格局分異加劇，與區域人為活動擾動的強度密切相關.

關鍵詞：城市河流； 魚類群落； 空間格局； 生物多樣性

魚類是水生生態系統的主要組成部分，對維持區域生態系統平衡具有重要作用，同時對區域水資源保護和水環境安全方面也有重要的指示作用[1]. 魚類還可以作為指示生物來確定水生生態系統的最小生存空間，設定區域水生生物多樣性維持所需的重要生境保護目標[2-3]，魚類生活史過程與河流自然水文節律密切相關，用於確定河流的最小生態需水量[3-5]. 同時，部分魚類還對河流水汙染、溫度變化較為敏感[6-7]，魚類的鑑定分類信息相對完善，壽命較長可以提供時間連續性的評價，在河流生態健康評價中佔有重要的地位[6,8-9]. 因此，研究魚類群落結構分布特徵及規律，可為河流最小生態需水的計算和水生生態系統修復提供量化依據[10]，對於保護與合理利用魚類資源具有重要意義[11-13].

北京市社會經濟快速發展，快速城市化過程對河流造成巨大的生態壓力[1]，水資源短缺，河流渠道化，水環境汙染，部分閘壩控制河流生態基流缺乏，造成河流水生態系統退化嚴重[1]，河流水生生態系統健康和水生生物群落結構及生物多樣性受到嚴重威脅[14]，在城市發展的同時，如何有效協調城市發展與水生生物多樣性保護的矛盾已成為重要前提[15-17]. 北京市河流魚類資源的調查研究相對較少[18]，該研究以北京市主要河流為研究對象，於2014年5月—2015年8月，選取64個採樣點位開展魚類群落調查，系統了解在城市化和人類活動嚴重幹擾下北京市主要河流的魚類群落結構及其生物多樣性特徵，以期為北京市河流野生魚類資源保護和修復提供重要依據.

1 材料與方法

1.1 研究區域

該研究區域為北京市主要河流(115.4°E～117.5°E、39.4°N～41.0°N)，均屬於海河流域，包括永定河水系、大清河水系、潮白河水系和北運河水系. 永定河是北京市區域內最大的河流之一，發源於內蒙古自治區興和縣的北山和山西省寧武縣的管涔山，流經山西省、內蒙古自治區、河北省，永定河切穿北京市西山後衝出三家店，然後向東南流去，在天津市附近經永定新河入渤海. 大清河水系的主要支流是拒馬河，另一條是大石河，源於百花山東麓漫水河以上. 潮白河是北京市區域內第二大河，發源於河北省豐寧縣和沽源縣，流經北京市延慶、懷柔、密雲、順義、通州等區縣，其上遊潮河從古北口流入密雲，於辛安莊附近注入密雲水庫，白河在張家墳附近注入密雲水庫，其下遊經潮白新河入海. 北運河水系是唯一發源於北京市境內的水系，源於昌平區，溫榆河流入通州區入通惠河，然後再匯入涼水河、鳳崗河，流出北京市[18].

該研究區域位於華北平原北部，地勢總體西北高聳、東南低緩[1]. 北京市山區面積為 10 072 km2，佔北京市總面積的61.4%，一般海拔在 1 000～1 500 m之間；平原區面積 6 338 km2，佔北京市總面積的38.6%，海拔在20～60 m之間[18]. 該地區屬暖溫帶半溼潤半乾旱季風氣候，四季分明，春秋短促，冬夏綿長. 年均氣溫為13.2 ℃，年均降水量410.7 mm，降水時空分布不均勻，主要集中於夏季[1].

1.2 數據獲取

1.2.1 採樣點設置

在北京市主要河流設置68個採樣點進行魚類採集(見圖1). 在68個採樣點中，鑑於河流乾涸、極度汙染和監測安全等方面的考慮，在清水河、小龍河和大石河的採樣中共有4個採樣點未採集到魚類類群，僅有64個採樣點採集到魚類.

1.2.2 魚類樣品採集

於2014年5月(春季)、8月(夏季)、10月(秋季)和2015年5月(春季)、8月(夏季)進行魚類樣品採集. 可涉水區域水深小於1 m時採用電魚器電魚法，由一人採用雙肩背20管超聲電魚器電魚，另一人負責用抄網收集樣品，根據每個採樣點不同的生境特徵進行採樣，如急流區域、緩流區域、不同地質、水草叢生地等生境類型，沿採樣點分別向上下遊延伸100 m進行採樣，採樣時均自下遊向上遊行進，均勻選擇5個採樣點，每個採樣點採樣時間約30 min. 不可涉水區域水深大於1 m時採用網捕法進行捕撈，採樣時間約30 min. 待樣品採集後，在野外對新鮮狀態下魚類進行現場測量和鑑定，統計並記錄魚的物種和數量等，測量後可以鑑定到種的魚類，每種留10尾保存標本，其餘放生. 對於現場不能鑑定的疑難種樣品，用5%的甲醛(福馬林溶液)固定保存魚類樣品，帶回實驗室進一步鑑定，魚類物種鑑定主要依據文獻[18-21].

1.2.3 環境因子數據獲取

該研究選取3類環境因子進行分析，包括自然環境因子、水環境理化因子和人類活動壓力. 自然環境因子包括地理位置和海拔，地理位置和海拔採用GPS(explorist-200, Magellan, USA)現場測定；水環境理化因子包括水溫、電導率、ρ(DO)、pH，分別使用可攜式電導儀、溶解氧儀、pH計現場測定；人類活動壓力主要來自生境質量評分(即現場對魚類棲息環境質量參數的綜合打分)(見表1).

圖1 北京市主要河流採樣點分布

Fig.1 Location of sample sites in the main rivers of Beijing City

表1 環境質量評價與評估參數賦分表

Table 1 Score chart for both habitat quality evaluation and its parameters

註： 滿分為200分.

1.3 數據處理和分析

1.3.1 生物多樣性分析

魚類群落特徵多樣性分析指標[7,17]主要包括Shannon-Wiener多樣性指數(H′)、Margalef豐富度指數(D)、Pielou均勻度指數(J′)：

/N)

(1)

D=(S-1)/log2 N

(2)

J′=H′/log2 S

(3)

式中，ni為第i種魚類個體數，N為總個體數，pi為第i種魚類個體數佔總個體數的比值，S為樣方總魚類種數.

魚類群落優勢種分析指標主要包括出現頻率(fi)、優勢度指數(Y)：

fi=Ti/T

(4)

(當Y>0.02時，定為優勢種)

(5)

式中，Ti為出現第i種魚的樣方數，T為總樣方數.

1.3.2 數據分析

對採集到的魚類數據進行整理，在進行各項分析之前，對採樣點魚類數據進行lg(x+1)轉換以降低極端數值帶來的負面影響. 採用等級聚類的分類方法(cluster analysis)和NMS(non-matric multidimensional scaling,非度量多維標度法)分析北京市主要河流魚類群落的結構特徵. 使用離差平方和法(Ward′s method)對魚類群落物種組成進行聚類分析，以Bray-Curtis 相似性係數為基礎構建相似性矩陣描述不同採樣點間的空間差異，根據聚類結果對採樣點進行分組，以得到較少的組別並保留較多的剩餘信息為分組原則[7]. 聚類結果的差異顯著性檢驗利用多響應置換過程(MRPP)進行判別(P<0.01)；為解析北京市主要河流魚類群落結果的相似性，運用NMS對魚類數據進行分析，距離測定使用Bray-Curtis指數，採用自動分析法(中速)分析魚類群落結構的時空變化. 所得結果NMS圖展示的是對魚類群落數據解釋率最高的兩個軸的結果[7]，以上過程使用PC-Ord 5.0軟體分析完成. 運用單因素方差分析(One-way ANOVA)對各魚類群落指數和環境因子進行組間差異性顯著檢驗，組間差異性採用Bonferroni檢驗，以P<0.05 作為差異顯著性水平，來比較聚類分組後魚類群落指數和環境特徵的組間差異，該過程運用Origin 9.0軟體分析完成. 運用Pearson相關分析分別檢驗魚類物種數、個體數、魚類群落特徵指標與環境因子的相關性，以確定影響魚類群落空間格局的顯著環境因子(P<0.05)，該過程運用SPSS 17.0軟體進行分析. 其餘圖表運用ArcMap 10.2和Excel 2016軟體完成.

2 結果與分析

2.1 魚類群落組成

在北京市主要河流共調查捕獲魚類37種(見表2)，個體數量 4 872 尾，隸屬於5目13科34屬，均屬於硬骨魚類. 其中，鯉形目(Cypriniformes)種類最多，有23種，佔總物種數的62.16%；其次是鱸形目(Perciformes)，有7種，佔18.92%；鯰形目(Siluriformes)有4種，佔10.81%；鱂形目(Cyprinodongtiformes)2種，佔5.41%；刺魚目(Gasterosteiformes)有1種，佔2.70%. 2014年5月—2015年8月共採集到37種魚類，除去革鬍子鯰和食蚊魚2種外來物種，原生野生魚類實際僅為35種，分別隸屬於5目11科32屬.

2.2 魚類群落空間結構特徵

依據Bray-Curtis方法判別北京市主要河流魚類群落的組成相似性，對北京市河流魚類群落數據進行聚類分析，結果顯示，64個魚類採樣點在空間上可分為3組(見圖2)： ①組1採樣點15個，主要分布在北京市主要河流上遊山區受人類活動影響較小近自然狀態的山溪河流，如永定河水系的古城河、清水河，大清河水系的拒馬河上遊，潮白河水系的黑河、湯河、安達木河和北運河水系的德勝口溝、關溝等. ②組2採樣點20個，主要分布在北京市主要河流山區向平原城區的過渡區域受到一定人類活動影響的山溪河流，如永定河水系的支流匯入幹流段，大清河水系的拒馬河中下遊，潮白河水系的支流清水河、潮河、白河，北運河水系的藺溝上遊、通惠河等. ③組3採樣點29個，主要分布在北京市主要河流下遊城市區域受人類活動幹擾較為嚴重的城市河流，如永定河水系的媯水河、天堂河，大清河水系的周口店河、刺蝟河、小清河、馬刨泉河，潮白河水系的潮白河，北運河水系的溫榆河、涼水河、北運河、清河等(見圖3).

從優勢度指數(Y)分析來看，組1優勢種為拉氏鱥(Phoxinus lagowskii)(Y=0.446)、北方須鰍(Barbatula nuda)(Y=0.280)、寬鰭鰭(Zacco platypus)(Y=0.037)、棒花魚(Abbottina rivularis)(Y=0.033)、中華花鰍(Cobitis sinensis)(Y=0.026)；組2優勢種為寬鰭鱲(Zacco platypus)(Y=0.270)、鯽(Carassius auratus)(Y=0.041)、黑鰭鰁(Sarcocheilichthys nigripinnis)(Y=0.136)、棒花魚(Abbottina rivularis)(Y=0.041)、麥穗魚(Pseudorasbora parva)(Y=0.022)、中華花鰍(Cobitis sinensis)(Y=0.021)、波氏吻蝦虎魚(Rhinogobius cliffordpopei)(Y=0.022)；組3優勢種為鯽(Carassius auratus)(Y=0.389)、麥穗魚(Pseudorasbora parva)(Y=0.075)、泥鰍(Misgurnus anguillicaudatus)(Y=0.057). NMS分析結果(見圖4)也證明了3個分組中魚類群落組成存在明顯區別，其中，組1和組2、組3的採樣點在空間上完全分開，組2與組3的採樣點僅有部分交叉.

表2 北京市主要河流魚類組成

Table 2 Fish composition of main rivers in Beijing City

圖2 北京市主要河流魚類組成的空間聚類分析

Fig.2 Spatial cluster information of fish assemblages in the main rivers of Beijing City

圖3 北京市主要河流魚類分組空間分布

Fig.3 Spatial distribution of fish groups in the main rivers of Beijing City

圖4 基於空間聚類的魚類NMS分類

Fig.4 NMS classification results of fish based on the spatial cluster analysis

2.3 魚類群落生物多樣性與環境關係分析

對魚類生物多樣性的分析表明，從典型的山區河流向城市河流過渡中： ①物種數、Shannon-Wiener多樣性指數〔見圖5(A)(C)〕均呈先逐漸上升後逐漸下降的趨勢，組2的物種數、Shannon-Wiener多樣性指數高於組1和組3，組3的物種數、Shannon-Wiener多樣性指數低於組1和組2. ②個體數、海拔、生境質量評分〔見圖5(B)(F)(H)〕呈逐漸下降的趨勢. ③Margalef 豐富度指數、Pielou均勻度指數〔見圖5(D)(E)〕呈上升趨勢，組1的Margalef豐富度指數、Pielou均勻度指數低於組2和組3，而組3的Margalef豐富度指數、Pielou均勻度指數則低於組2. ④水溫、電導率〔見圖5(G)(I)〕呈逐漸上升趨勢.

註： 不同字母為組間差異檢驗結果.

圖5 北京市主要河流魚類群落各指數的組間差異特徵

Fig.5 Fish diversity metrics of different groups in the main rivers of Beijing City

One-Way ANOVA單因素方差分析顯示，在顯著性水平小於0.05時，物種數、個體數、Shannon-Wiener多樣性指數、Margalef豐富度指數、Pielou均勻度指數、海拔、水溫、生境質量評分、電導率的總體方差檢驗均顯著不同(P<0.05)，ρ(DO)和pH單因素方差分析總體無顯著性差異(P>0.05)(見圖5)：①組2的物種數顯著高於組1、組3(P<0.05)，組1顯著高於組3(P<0.05). ②組1、組2的個體數顯著高於組3(P<0.05)，組1與組2無顯著差異(P>0.05). ③組2的Shannon-Wiener多樣性指數、Margalef豐富度指數顯著高於組1、組3(P<0.05)，組1與組3間無顯著差異(P>0.05). ④組1的Pielou均勻度指數與組2差異顯著(P<0.05)，組3與組1、組2間均無顯著差異(P>0.05). ⑤組1的海拔顯著高於組2、組3(P<0.05)，由於組3含有高海拔極端點(媯水河、周口店河等少數採樣點)位於城區受城市人類活動影響較強，使組2與組3海拔間無顯著差異(P>0.05). ⑥組2、組3的水溫顯著高於組1(P<0.05)，組2與組3間無顯著差異(P>0.05). ⑦組1的生境質量評分顯著高於組2、組3(P<0.05)，組2顯著高於組3(P<0.05). ⑧組3的電導率顯著高於組1、組2(P<0.05)，組2顯著高於組1(P<0.05).

運用Pearson相關分析分別檢驗魚類物種數、個體數、魚類群落特徵指標與環境要素的相關性. 結果顯示：①魚類物種數、Shannon-Wiener多樣性指數和Margalef豐富度指數與生境質量評分均呈極顯著正相關(P<0.01)，與其他環境因子〔海拔、水溫、電導率、ρ(DO)、pH〕均無顯著性相關(P>0.05). ②魚類個體數與生境質量評分呈極顯著正相關(P<0.01)，與電導率呈顯著負相關(P<0.05)，與海拔、水溫、ρ(DO)、pH均無顯著性相關(P>0.05). ③Pielou均勻度指數與各環境因子均無顯著性相關(P>0.05).

3 討論

3.1 魚類群落結構的空間差異性

生物空間分布格局是物種在異質性生境和人類活動幹擾長期影響過程中形成的一種適應性特徵[7,22-23]. 該研究發現，北京市主要河流在自上而下的縱向梯度上，隨著海拔的下降，魚類群落結構呈現出明顯的空間差異. 自然狀況下，造成魚類群落空間格局差異的因素很多. 該研究野外調查條件有限，影響魚類生存的環境因子測定較少. Brown等[24-26]研究發現電導率是影響魚類群落結構的關鍵因子，Kadye等[27]認為水溫是影響魚類群落組成的重要因子，丁森等[28-29]認為海拔對魚類空間分布有顯著影響. 但海拔屬於綜合性因子，海拔變化通常會直接影響水溫和生境質量的變化. 北京市主要河流沿上遊至下遊的空間梯度，海拔逐漸下降，水溫和電導率逐漸上升，海拔、水溫和電導率兩兩之間具有顯著性相關(P<0.05)，這與「河流連續統概念」一致，反映了河流生態系統中自然環境條件變化的一般特徵[30-31]. 筆者對北京市主要河流調查研究發現，從上遊山區到下遊城區，魚類物種數和魚類群落特徵指標與海拔、水溫以及電導率均無顯著性相關(P>0.05)，與生境質量評分呈極顯著正相關(P<0.01)，該研究中生境質量評分表示人類活動壓力，說明北京市河流魚類群落空間格局的形成和城市化進程中的人類活動密切相關. 該研究所測定環境因子較少，其空間格局與環境因子的相關性有待進一步研究.

研究表明，在無人為影響的情況下，河流在向下過渡的過程中，河流變寬、水量變大，提供的生境類型更多[30]，魚類群落生物多樣性通常從河流源頭向下遊逐漸增加，北京市河流上遊山區和過渡區也表現出類似的特徵，但北京市河流下遊城區中魚類群落物種數、個體數、多樣性和豐富度顯著減少. 該研究僅限於北京市範圍內主要河流，上遊山區與下遊城區在地理位置、海拔上變化幅度不大，但魚類群落物種數、個體數明顯減少，因此，有理由相信該研究中魚類群落空間格局受城市化影響較大. 從優勢度指標分析魚類群落空間格局發現：①組1中拉氏鱉、北方須鰍等優勢種主要分布在北京市河流的上遊山區，河床以大石塊和卵石為主，生境類型相對自然，此區域多為山地或山林地帶，水流清澈湍急，水溫較低，幾乎沒有人類活動，魚類群落空間格局保持較高的完整性，具有輕度幹擾的山溪型魚類特徵. ②組2中棒花魚、寬鰭鱲、鯽魚等優勢種主要分布在河流上遊山區向下遊城區的過渡區，生境類型複雜性增加，該區域多靠近農田、農戶或公路，水體出現渾濁，河流變寬，水量變大，水流漸緩，受到一定程度的人類活動影響，具有城市河流兼有山溪型河流魚類特徵，生境豐富性增加是該區域魚類群落物種增加的重要因素. ③組3中鯽和泥鰍等優勢種屬於典型的耐汙性魚類，主要分布在北京市河流的下遊城區，該區域水流緩慢，多有靜水，水體多有渾濁，由於北京市主要河流城市段渠化現象較為普遍，生境類型較為單一[18]，底質多以淤泥為主，魚類群落空間格局遭到破壞，魚類群落退化，具有典型的城市受幹擾河流魚類特徵. 相對於組1、組2，組3 魚類群落物種數、個體數均顯著下降，說明城市化和人類活動顯著影響著北京市河流魚類群落空間格局.

3.2 魚類群落退化和生物多樣性降低

筆者此次調查共捕獲魚類37種(包括新引入種2種)，與張春光等[1]於2002—2010年對北京及其周邊地區的魚類調查結果〔野生魚類共計有49種(包括引入種6種)〕相比，野生魚類減少12種，原生的野生魚類減少8種，未採集到原6種引入種魚類，魚類群落退化. 該次調查採集到2種引入種為新的引入種(革鬍子鯰和食蚊魚). 革鬍子鯰只在下遊城區通惠河的採樣中採集到，革鬍子鯰生長快、適應能力強[32]，對被引入地區的北京市魚類群落結構造成一定生存壓力. 食蚊魚僅在下遊城區藺溝的採樣中採集到，食蚊魚具有較強的生態適應能力和繁殖能力，食性較雜喜浮遊動物引起浮遊植物瘋長降低水質質量，食蚊魚常生活於淺水靜流或緩流地帶，存活溫度範圍廣且對鹽度耐受能力強[33]，食蚊魚的引入對新棲息地的土著種造成了極大的生存壓力. 新引入種在下遊城區與北京市河流魚類爭奪食物和生存空間，對北京市河流下遊城區魚類造成生存壓力，也是影響北京市魚類群落空間格局的一個原因. 同時該次調查僅歷時1 a，與歷史監測數據在監測時間上的差異較大，也可能是造成北京市調查到的原生魚類物種較少的一個原因.

近年來，由於北京市快速城市化過程[1,18]，北京市河流生態環境質量日益下降，水生生物多樣性受到嚴重威脅[14]. 北京市魚類生物多樣性下降，其主要原因可能與該調查區域城市化中的小型水利工程有關[34]. 在水利工程和人類活動的強烈幹擾下，魚類的棲息地環境受到了長期較大程度的破壞[35]. 歷史上北京城市河流渠道化、魚類自然環境質量下降，河流汙染和閘壩調控[1,18]等因素，都是造成魚類群落結構退化和生物多樣性降低的重要因素. 而快速城市化和強人類活動引起的水生態系統結構以及功能的變化，也將間接地影響魚類種群空間格局[36-37]，Pease等[38-39]研究發現，流域土地利用方式的改變對魚類群落多樣性的變化有強烈影響也驗證了這一點. 人類活動如土地利用、城鎮化、河道整治、水利工程等可降低河流棲息地生境多樣性和複雜性，對魚類群落有著嚴重影響和危害[40]. 該研究表明，隨著城市化進程加快，人類活動增強，魚類群落生物多樣性下降，魚類物種數、個體數和魚類群落特徵指標均與代表人類活動的生境質量評分呈極顯著正相關(P<0.01)，進一步證實了城市化進程、人類活動對北京市魚類群落空間格局有顯著影響. 誠然，該研究有關城市化和人類活動的分析仍處於較粗淺的描述性研究階段，尚存在不足，有待開展進一步深入研究.

4 結論

a) 在北京市主要河流的調查中採集到魚類37種，隸屬於5目13科34屬，其中，鯉形目魚類最多，共23種，佔魚類總物種數的62.16%；鱸形目7種，佔18.92%；鯉形目和鱸形目是北京市河流中主要的魚類類群，其餘為鯰形目、鱂形目和刺魚目. 與歷史調查研究比較，2010—2015年，北京市河流原生的野生魚類減少8種，新引入種革鬍子鯰和食蚊魚對北京市河流的土著種魚類造成了極大的生存壓力.

b) 從空間分布上看，北京市主要河流從上遊至下遊、自山區到平原城市區域，魚類呈現明顯的山區-城市魚類空間格局. 上遊山區以拉氏梗、寬鰭鱲、北方須鰍等為主的高海拔林地魚類為主，上遊山區向下遊平原城區的過渡區域以棒花魚、寬鰭鱲、鯽魚等為主的低海拔城市魚類兼有高海拔山溪型魚類為主，下遊平原城市區域以鯽魚、麥穗魚、泥鰍等為主的低海拔城市魚類為主.

c) 城市化和人類活動幹擾的綜合影響是區域魚類群落結構單一化和生物多樣性下降的重要因素，對北京市河流魚類資源的管理和保護，需要在城市化和人類活動過程中盡力減小對魚類棲息環境的擾動.

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