城市水系連通性評價體系研究

孟祥永，陳 星，陳棟一，張其成，朱引弟

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇南京 210098;2.淮安區(qū)水利局，江蘇淮安 223200)

人類經(jīng)濟社會活動對城市河湖水系的影響不斷加劇，導(dǎo)致河湖水系連通性不足或減弱，進而引發(fā)水資源與水環(huán)境承載能力不足、洪澇宣泄不暢、水安全風險加大等問題［1］。近年來關(guān)于河湖水系連通的研究在不斷增多，國內(nèi)部分學者［2-3］做了探索性的研究，討論了河湖水系連通概念及內(nèi)涵，初步構(gòu)建了河湖水系連通概念框架和理論體系;一些學者對水系連通性概念及內(nèi)涵在一定程度上進行了界定，探討了水系連通性的重要意義及評價方法。長江水利委員會［4］在2005年編寫的《維護健康長江，促進人水和諧研究報告》中，將水系連通性定義為:河道干支流、湖泊及其他濕地等水系的連通情況，反映水流的連續(xù)性和水系的連通狀況。這一概念強調(diào)了河流、湖泊等實體在形態(tài)結(jié)構(gòu)上對維持水流連續(xù)的重要作用。張歐陽等［5-6］進而提出水系連通性應(yīng)包含滿足一定需求的保持流動的水流和水流的連接通道，并從改善濕地生態(tài)環(huán)境、維持濕地生態(tài)環(huán)境及生物多樣性、保障防洪安全和水資源可持續(xù)利用等方面分析了水系連通性對河湖健康的影響。趙進勇等［7］將圖論中連通度的概念應(yīng)用于河道-灘區(qū)系統(tǒng)連通性評價，實現(xiàn)了河道-灘區(qū)系統(tǒng)連通程度分析的定量化。城市水系連通性評價是實施河湖連通的基礎(chǔ)工作，是河湖水系連通研究的重要組成部分。筆者從河湖水系的形態(tài)結(jié)構(gòu)、地形地貌、水力特性出發(fā)，對河湖水系連通性的內(nèi)涵進行探討，旨在構(gòu)建城市水系連通性基礎(chǔ)評價體系、科學地反映城市水系連通狀況。

筆者從水系連通的概念出發(fā)，在考慮水系形態(tài)結(jié)構(gòu)連通的基礎(chǔ)上著重考察區(qū)域水體流動及其強弱的固有驅(qū)動因素，包括河道平均坡降、河道平均寬度、河網(wǎng)密度等與水力連通性相關(guān)的水系自然屬性［8-9］，即城市水系連通性評價體系還應(yīng)包括城市水系水力連通性評價的內(nèi)容。水系的結(jié)構(gòu)連通性評價和水力連通性評價有著密切的聯(lián)系。結(jié)構(gòu)連通性是基礎(chǔ)，缺少了結(jié)構(gòu)連通性，水力連通性就失去了意義，只有在水系結(jié)構(gòu)連通性評價之后，才便于通過增加河道規(guī)模、新建水利工程及水利工程合理調(diào)度等措施，改善水系的水力連通性。不同地區(qū)的水系水力連通特性不同，在實施水系連通時應(yīng)結(jié)合水系水力連通性評價結(jié)果，提出適合的水系結(jié)構(gòu)連通方案。因此，在實施城市河湖水系連通時應(yīng)同時對水系的結(jié)構(gòu)連通性和水力連通性進行評價，真實地反映水系連通現(xiàn)狀，為城市水系連通實踐提供依據(jù)。

1 城市水系連通性評價體系構(gòu)建

1.1 城市水系結(jié)構(gòu)連通性評價指標

本文把水系連通度、河頻率作為水系結(jié)構(gòu)連通性評價特征指標。水系連通度能定量地反映水系結(jié)構(gòu)連通特性，但缺少區(qū)域的概念，減弱了不同地區(qū)不同尺度水系連通度的可比性，而補充河頻率指標可以很好地彌補這一不足。

a.河頻率Rf。Rf指單位區(qū)域面積上的河流數(shù)，用于表示河流的數(shù)量發(fā)育狀況［10］。

式中:N——區(qū)域內(nèi)河道的數(shù)目;A——區(qū)域面積。

b.水系連通度γ。與天然狀態(tài)下樹枝狀水系不同，城市水系是一個經(jīng)人類改造過的復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一般把河流交匯點稱為節(jié)點，把相鄰2個節(jié)點之間的河道稱為河鏈。有學者［11］借用圖論中連通度的概念將水系連通度定義為2個節(jié)點通過河鏈的連接程度，即對于一個原來連通的水系，要使其任意2個節(jié)點變?yōu)椴贿B通所要刪除的河鏈的最少數(shù)目稱為這2個節(jié)點的連通度，記為rij，那么所有節(jié)點連通度的平均值稱為該水系的連通度。也有學者［12－13］將地理網(wǎng)絡(luò)中連通性測度的概念應(yīng)用于交通運輸網(wǎng)絡(luò)連通性評價，把圖論中的γ測度指標作為衡量路網(wǎng)結(jié)構(gòu)連通性的重要指標，借鑒此概念可將水系連通度定義為水網(wǎng)內(nèi)河鏈的實際數(shù)目與河鏈可能存在的最大數(shù)目之間的比率。由于前一定義主要適用于分析河網(wǎng)連通性的變化特性，筆者采用后一定義反映水系連通狀況，其計算公式為

式中:m——河鏈數(shù);n——節(jié)點數(shù);p——水網(wǎng)中的亞圖數(shù)。

網(wǎng)絡(luò)中，每一個亞圖內(nèi)各點必須是連通的，即從亞圖中某一任意點到其他各點之間至少有一條連通路徑，否則此圖可分若干亞圖。

1.2 城市水系水力連通性評價指標

筆者著眼于引起水體流動及其強弱基本驅(qū)動要素，即河底比降及河道橫斷面寬度，提出水流動勢的概念，對區(qū)域水體流動性進行評價，同時利用水動力模型對城市水系的整體輸水能力進行模擬，以反映水力連通效果。

a.河網(wǎng)密度Rd。Rd表示單位區(qū)域面積上的河流長度，它表達了系統(tǒng)排水的有效性［10］。

式中:Lj——區(qū)域內(nèi)第 j條河道的長度，j=1，2，…，N。

b.水流動勢Ep。由于河底存在坡降，使河道內(nèi)水體具有流動的可能性，河道中水體的流動能力是由河道坡降、河道橫斷面及河道橫斷面形態(tài)沿縱斷面的變化情況決定的，河道坡降決定了水體的流動速度，河道橫斷面決定了水體可能具有的最大勢能，河道橫斷面形態(tài)沿縱斷面的變化情況是對河道進行分段的主要依據(jù)。水體流動能力可通過水流動勢來反映，計算公式如下:

式中:ρ水——水的密度;g——重力加速度;hi——河段平均水深，在參照一般河道平均水深的基礎(chǔ)上選取hi=1 m作為水流動勢的計算標準;hi上、hi下——河段初、末斷面的水位(或成功驅(qū)動水體流動的河底比降);Di——河段水面面積;Li——河段長度。

c.河道輸水能力Q。根據(jù)區(qū)域河網(wǎng)水系的現(xiàn)狀特點，應(yīng)用水動力學模型嘗試模擬在河道水位不超出河道堤防高度情況下城市河道的最大輸水量。單位區(qū)域面積上河道的最大輸水量即河道輸水能力，是反映城市水系整體水力連通性水平的綜合指標。

1.3 評價方法

為得到指標評價結(jié)果，水系連通性評價的一般步驟如下:

a.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)搜集整理。搜集區(qū)域內(nèi)所有河道的特性數(shù)據(jù)，包括河網(wǎng)形態(tài)、河長、河道橫斷面形態(tài)、河底高程、河道縱斷面變化特征。利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，確定水系點線面空間實體的空間位置、關(guān)系特征及屬性信息，得到相應(yīng)的河網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)圖。

b.河網(wǎng)概化。水系連通度計算和河道輸水能力模擬時都需要對區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)進行概化，得到河網(wǎng)概化圖，將河網(wǎng)概化成節(jié)點和連接節(jié)點的河鏈兩類要素。對于人類活動劇烈的城鎮(zhèn)化地區(qū)，河網(wǎng)水系人工化程度很高，河道功能定位明確，空間尺度較小，概化時應(yīng)盡可能考慮城區(qū)內(nèi)的所有河道，以充分反映原有的水系特征。

c.數(shù)量統(tǒng)計與模型建立。統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)的河道總長度和河道、節(jié)點、河鏈及亞圖的數(shù)目;依據(jù)河道縱斷面變化劃分河段，計算各段的長度、平均斷面寬度，以及始、末斷面的河底坡降;結(jié)合河網(wǎng)概化結(jié)果及河道要素建立一維水動力學模型。應(yīng)用MIKE11中的HD模塊模擬區(qū)域內(nèi)河道的流量和水位，并以下游水位作為控制邊界、上游輸入恒定的流量邊界。通過不斷改變區(qū)域上游入流河道的流量，尋找在滿足河道堤防要求下的區(qū)域河網(wǎng)最大輸水量。模型基于一維圣維南方程組，采用追趕法求解，可模擬單一河道及河網(wǎng)水流。模型基本方程如下:

連續(xù)方程

動量方程

式中:Q——流量;x——距離;A——過水斷面面積;t——時間;qL——旁側(cè)入流，入流為正，出流為負;Z——水位;n——糙率;u——流速;R——水力半徑，R≈A/B(B為水面寬);vx——入流沿水流方向的速度，若旁側(cè)入流垂直于主流則vx=0。

d.評價分析。計算各連通性指標，綜合評價區(qū)域內(nèi)水系的連通狀況。其中水系連通度表達了水系河道之間相互的連通程度，而河頻度反映了進行水系連通度計算的河道級別，當水系連通度比相似地區(qū)小時應(yīng)通過適當新開河道增加水系的結(jié)構(gòu)連通性。河道輸水能力結(jié)合水流動勢與河網(wǎng)密度可分析河道平均排水能力，在相同的水流動勢下，河網(wǎng)密度越小，單個河道的排水能力越強，若水流動勢過小就需要另建排水工程，同時應(yīng)增加河道規(guī)模和區(qū)域內(nèi)湖泊水庫的滯蓄水能力，以改善水系的水力連通性。

2 案例分析

2.1 研究區(qū)概況

江蘇省淮安市淮安區(qū)地處淮河下游，里運河與淮河入海水道穿城而過，是城區(qū)主要的引水來源和排水通道，城區(qū)面積142.20 km2，區(qū)域內(nèi)水系豐富，河網(wǎng)密集，河道功能明確，水系脈絡(luò)清晰、連通性較好。由于淮河入海水道和里運河的天然阻斷，城區(qū)水系分割成水力聯(lián)系較獨立的3個片區(qū)，分別為渠北片、河西片、渠南片，各個片區(qū)的河流數(shù)量、河段數(shù)目及節(jié)點數(shù)等水系特征見表1?；窗矃^(qū)城區(qū)水系和水系概化見圖1、圖2。

2.2 結(jié)果與討論

基于GIS平臺及水動力模型，應(yīng)用各指標的計算方法分別對渠北片、河西片、渠南片水系連通性進行評價，結(jié)果見表2。

河頻度和水系連通度的評價結(jié)果表明:渠南片的水系連通度最低，為0.275;河西片較高，介于0.36～0.40之間;渠北片最高，介于0.41～0.45之間。渠北片為主城區(qū)，受人類活動的影響最顯著，是導(dǎo)致其水系連通度高的重要原因。河西片的河頻率為0.65條/km2遠高于渠北片的河頻率(0.36條/km2)，而其水系連通度稍低于渠北片，原因可能是面積較小，水系結(jié)構(gòu)相對簡單。

表1 淮安區(qū)城區(qū)分片區(qū)水系特征參數(shù)Table 1 Water system characteristics of urban sub-areas in Huai’an District

圖1 淮安區(qū)城區(qū)水系Fig.1 Urban water system in Huai’an District

圖2 淮安區(qū)城區(qū)水系概化Fig.2 Generalization of urban water system in Huai’an District

通過水流動勢、河道輸水能力及河網(wǎng)密度的評價結(jié)果可以看出:渠北片和河西片的水流動勢較接近，分別為2.95 J和3.31 J，遠大于渠南片的河流動勢(1.33 J)，而渠南片的河網(wǎng)密度并不低于渠北片，可能與渠南片地勢較平坦、水體流動性較弱有關(guān);河西片的河道輸水能力最強，為1.63m3/(km2·s)，而渠北片和渠南片的河道最大輸水能力為1.00 m3/(km2·s)左右，可見渠南片的河道規(guī)模較大，彌補了因地勢平坦導(dǎo)致的水體流動不足。

由以上分析可得出結(jié)論:河西片的水系連通性最好，其次為渠北片，最后為渠南片。渠北片的結(jié)構(gòu)連通性較好，而水力連通性較差，建議增加骨干排水河道規(guī)模，改善水系引排格局;渠南片結(jié)構(gòu)連通性與水力連通性均較差，建議先新開連通河道，改善結(jié)構(gòu)連通性，在此基礎(chǔ)上建設(shè)泵站，增加排水能力。

表2 淮安區(qū)城區(qū)水系連通性評價結(jié)果Table 2 Evaluation results of urban water system connectivity in Huai’an District

3 結(jié) 語

目前國內(nèi)關(guān)于區(qū)域尺度的河湖水系連通理論研究還處在探索階段，筆者構(gòu)建的水系連通性評價體系能夠科學地反映城市水系的內(nèi)在連通狀況，其中結(jié)構(gòu)連通性是提高水資源統(tǒng)籌調(diào)配能力、改善水生態(tài)環(huán)境狀況的基礎(chǔ)，而水力連通性則體現(xiàn)了水系水旱災(zāi)害防御能力，對城市水系連通實踐有較強的指導(dǎo)意義。在進行水系水力連通性評價時采用了河道水流動勢反映區(qū)域水體流動性，僅將其應(yīng)用于本區(qū)域可能具有一定的片面性，在后續(xù)研究中建議加強水流動勢在其他城市的應(yīng)用研究，使這一指標得到擴展。河道輸水能力這項指標能夠很好地反映城市水系的綜合輸水效率，但需加強其與城市抵御洪澇水平之間關(guān)系的研究，挖掘其應(yīng)用價值。

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