山東省膠東調(diào)水工程水系連通功能分析

張千發(fā)

(山東省膠東調(diào)水工程膠州管理處，山東 膠州 266300)

1 背景

水系是指海洋、河流、湖泊等構(gòu)成的水網(wǎng)系統(tǒng)，各水系之間的連接或聯(lián)系狀況可稱為水系連通狀況[1]。當(dāng)前，我國正在大力實施河湖水系連通戰(zhàn)略[2]，它是實現(xiàn)我國水資源可持續(xù)利用的一種新的治水理念，有利于解決我國河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)單一化、水資源短缺、洪水宣泄不暢和水生態(tài)環(huán)境惡化等問題[3]，因此水系連通成為我國水利行業(yè)一項新的重要課題。水系連通的研究尚處于起步階段，相關(guān)研究大多以概念特征的研討為主，而對水系連通作用機(jī)制的定量描述成果較少。鄭州大學(xué)竇明教授等人[4]基于城市水功能需求對水系連通指標(biāo)閾值進(jìn)行了研究，為水系連通作用機(jī)制的定量描述提供了可能，而劉莢等人[5]又在該研究的基礎(chǔ)上拓展了其應(yīng)用范圍，但目前的定量分析大多只針對某一特定流域或城市，較少考慮水利工程建設(shè)對水系連通狀況的影響。中國水利水電科學(xué)研究院趙進(jìn)勇等人[6]基于圖論邊連通度對平原水網(wǎng)地區(qū)的水系連通性進(jìn)行了定量評價，該研究評價了膠東調(diào)水工程不同階段的水系連通度，為工程影響下的水系連通分析奠定了基礎(chǔ)。但該研究只考慮了水系的邊連通度一項指標(biāo)，而未對其它水系連通形態(tài)或功能指標(biāo)進(jìn)行評價，因此有進(jìn)一步深入研究的必要，以提供更為全面的綜合分析成果。在此背景下，本文以山東省膠東調(diào)水工程為例，分析該流域在原始狀態(tài)、引黃濟(jì)青和膠東調(diào)水3個不同工程階段的水系環(huán)度、節(jié)點連接率和水系連通度3項形態(tài)指標(biāo)，再根據(jù)水系連通的形態(tài)與功能之間的定量關(guān)系，評估各工程階段的河道斷流率、河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、水體納污能力指數(shù)、河道通航能力、生物多樣性指數(shù)共5項功能指標(biāo)，最后從水系連通角度評估了15項不同工程情景條件下的工程效果。

2 分析方法

2.1 工程概況與水系連通狀況

膠東調(diào)水工程全稱為“膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程”，是我國南水北調(diào)東線工程的重要組成部分，從山東省濱州市打漁張引黃閘引黃河水，輸送至威海市米山水庫[7- 8]。輸水線路長482km，自2015年10月至2017年12月累計調(diào)水23.38億m3，有力保證了膠東地區(qū)的用水安全，并為其經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展提供了重要的支撐與保障。膠東調(diào)水工程利用已有的引黃濟(jì)青輸水線路160km，將工程分為3個不同的階段，即原始狀態(tài)、引黃濟(jì)青階段和膠東調(diào)水階段，各階段的水系連通狀況模型圖如圖1所示。

圖1 膠東調(diào)水工程不同階段的水系連通狀況模型圖

2.2 水系連通形態(tài)指標(biāo)

水系連通的形態(tài)指標(biāo)主要是用于反映水系中每個節(jié)點的連通性能強(qiáng)弱以及物質(zhì)能量交換能力的大小，并采用景觀生態(tài)學(xué)中描述廊道之間連通性的一些指標(biāo)來表征水系的連通情況。根據(jù)竇明等人和劉莢等人的研究成果，水系連通的形態(tài)指標(biāo)主要包括水系環(huán)度α、節(jié)點連接率β、水系連通度γ，其中水系環(huán)度主要用于反映水系中每個節(jié)點的物質(zhì)能量交換能力，節(jié)點連接率主要是反映水系中每個節(jié)點連接水系能力的強(qiáng)弱，而水系連通度主要是反映水系之間連通性強(qiáng)弱和水分輸移能力。各形態(tài)指標(biāo)的計算方程為：

(1)

式中，v—研究區(qū)域中的節(jié)點數(shù)，各節(jié)點由圖1中的圓點表示；n—研究區(qū)域中的水系個數(shù)，各水系由圖1中兩個圓點之間的曲線表示。

2.3 水系連通功能指標(biāo)

水系連通的功能指標(biāo)主要用于表示水系連通的效果，如城市景觀輻射率、河道斷流率與水體納污能力等。一般情況下，水系連通的形態(tài)指標(biāo)可根據(jù)遙感影像信息或采用GIS平臺來獲取，其評估相對容易，而水系連通功能指標(biāo)的評估則相對困難，因此竇明等人和劉莢等人建立了水系連通形態(tài)與連通功能之間的定量關(guān)系，據(jù)此可基于較易評估的形態(tài)指標(biāo)來評估功能指標(biāo)。本文選取與連通形態(tài)相關(guān)性最為顯著的5項功能指標(biāo)，分別為河道斷流率Rd、河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率Rz、水體納污能力指數(shù)Rn、河道通航能力Rt和生物多樣性指數(shù)Rs。各功能指標(biāo)與形態(tài)指標(biāo)的關(guān)系式如下：

(2)

3 分析結(jié)果

3.1 水系連通形態(tài)指標(biāo)

由圖1可知，在原始狀態(tài)下，研究區(qū)域中的節(jié)點數(shù)為19，水系數(shù)為23；在引黃濟(jì)青階段，新增節(jié)點D20，相應(yīng)地增加了D13至D20一條水系，并將D14至D17分成D14至D20和D20至D17兩條水系，因此其節(jié)點數(shù)和水系數(shù)分別變?yōu)?0和25；在膠東調(diào)水階段，新增節(jié)點D21和D22，新增水系包括D20至D21、D17至D21、D21至D22、D22至D19、D19至D9、D9至D10、D6至D1、D1至D2，因此其節(jié)點數(shù)和水系數(shù)分別變?yōu)?2和33。根據(jù)以上分析結(jié)果及公式1，計算各階段的水系連通形態(tài)指標(biāo)，計算結(jié)果見表1。

表1 膠東調(diào)水工程不同階段的水系連通形態(tài)指標(biāo)值

3.2 水系連通功能指標(biāo)

根據(jù)上述水系連通形態(tài)指標(biāo)及功能指標(biāo)計算公式，得到膠東調(diào)水工程不同階段的水系連通功能指標(biāo)值，見表2。由表2可知，引黃濟(jì)青工程因為新增的節(jié)點與水系數(shù)較少，因此對水系連通功能的影響較小，該工程的建設(shè)可將該區(qū)域的河道斷流率降低7.1%、河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率提升約1.9%、水體納污能力指數(shù)提高1.6%、河道通航能力增強(qiáng)2.1%、生物多樣性指數(shù)提高4.0%。膠東調(diào)水工程相對于原始狀態(tài)的新增節(jié)點數(shù)和水系數(shù)分別達(dá)到3個和10個，相對較多，因此可大幅度改善該地區(qū)的水系連通功能，其建設(shè)可將該區(qū)域的河道斷流率降低52.7%、河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率提升約15.2%、水體納污能力指數(shù)提高12.7%、河道通航能力增強(qiáng)17.7%、生物多樣性指數(shù)提高35.0%。

表2 膠東調(diào)水工程不同階段的水系連通功能指標(biāo)值

3.3 不同工程情景下水系連通功能分析

目前，水系連通功能分析主要是針對歷史或現(xiàn)狀情景，但有必要對未來不同工程情景下的水系連通功能進(jìn)行分析。本文假設(shè)15種不同的工程情景，并對其水系連通功能進(jìn)行評價。各情景可歸為3個類別：類別A代表在膠東調(diào)水工程的基礎(chǔ)之上，不增加新的節(jié)點，而只增加節(jié)點之間的水系連接數(shù)，如可將D2與D5進(jìn)行連接；類別B表示增加節(jié)點，同時增加同等數(shù)量的水系數(shù)，如可在D12與D13之間建立新的節(jié)點(如修建大型泵站等)，將D12至D13分成兩條水系；類別C表示增加節(jié)點，而每個新增的節(jié)點增加兩條水系，如可在D12與D13之間建立新的節(jié)點并與D15進(jìn)行連接。各情景下的水系連通形態(tài)與功能指標(biāo)值計算結(jié)果分別見表3和圖2，可知各工程情景均可對現(xiàn)狀的水系連通功能進(jìn)行改善或提升，其中A類情景的效果較好，主要因為此類模式通過增加每個節(jié)點的連接水系數(shù)，既增強(qiáng)了其物質(zhì)能量交換與連接水系的能力，也增強(qiáng)了水系之間的連通性與水分輸移能力；B類情景的效果相對A和C類則較差，主要是因為該模式增加的節(jié)點數(shù)較多而水系數(shù)較少，在提高水系連接程度的同時卻影響了水系之間的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)與連接通暢度。根據(jù)以上結(jié)果，可以從水系連通角度對各項工程方案的效益進(jìn)行預(yù)估，為水系格局的合理構(gòu)建和工程項目的規(guī)劃與設(shè)計提供決策依據(jù)。

表3 不同工程情景設(shè)置及其水系連通形態(tài)指標(biāo)值

圖2 不同工程情景下水系連通功能指標(biāo)值

4 結(jié)論

山東省膠東調(diào)水工程可大幅改善膠東地區(qū)的水系連通功能，其建設(shè)可將該區(qū)域的河道斷流率降低52.7%、河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率提升約15.2%、水體納污能力指數(shù)提高12.7%、河道通航能力增強(qiáng)17.7%、生物多樣性指數(shù)提高35.0%。在未來，可繼續(xù)加強(qiáng)該地區(qū)的水系連通工程建設(shè)，在膠東調(diào)水工程的基礎(chǔ)之上，若采取不增加新的節(jié)點、只增加節(jié)點之間水系連接數(shù)的方案，則可以較為高效地改善該地區(qū)的水系連通功能。分析成果可為該膠東地區(qū)的水系連通工程提供借鑒，但存在一定的不足，以后的研究除考慮節(jié)點與水系數(shù)外，還應(yīng)考慮河流的大小流量與地理位置等因素，同時應(yīng)注重數(shù)據(jù)的收集，并對水系連通的形態(tài)與功能之間的定量關(guān)系進(jìn)行修正，以提高分析方法的精確度。