河流分級方法研究及應(yīng)用

董耀華 汪秀麗

摘要：廣義的河流分級包括水系劃分與狹義的河流分級;倡導(dǎo)Horton法，并提出了與水系劃分相結(jié)合、選用“最小單元河流”和引入河流樹狀圖表等3點主要改進。將長江水系推薦劃分為干流水系與雅礱江、岷江、嘉陵江、烏江、洞庭湖、漢江、鄱陽湖、太湖等8個支流水系;綜合選取流域面積不小于2000km2或河長不小于100km的河流為“最小單元河流”，統(tǒng)計確定長江流域（不含太湖水系）的河流總數(shù)為374條;長江流域最高河流分級數(shù)為6級，依次為：6級河流1條，5級河流3條，4級河流6條，3級河流14條，2級河流71條，1級河流279條。提出了長江水系4種替代劃分和綜合劃分，其中綜合劃分與推薦劃分一致;基于流域面積、河長和河流分級數(shù)等3個指標，確定了長江流域24條重要河流水系;重新辨識了長江流域河流水系，提升了河流整體性和干流重要性認識，并提出了“分段河道不分級，分級河道不分段”思想。研究實現(xiàn)了水系劃分與河流分級的方法統(tǒng)一與融合，開展了長江流域水系劃分與河流分級的系統(tǒng)研究及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：河流分級;水系劃分;長江;Horton法;“最小單元河流”;河流樹狀圖表

文章編號：1006-0081（2019）01-0008-06

1 河流分級方法述評

廣義的河流分級既包括“自大河而小河”的水系劃分，也包括“自小河而大河”的河流分級（狹義）;其中，水系劃分側(cè)重河流流域的分區(qū)，河流分級強調(diào)河流水系的聯(lián)系。通過河流分級的研究，定量上可確定河流水系的分級數(shù)，它是水系形態(tài)、河流發(fā)育及流域特性等的重要衡量指標;定性上可辨識河流水系的聯(lián)系、歸屬、規(guī)模和地位等形態(tài)特性，進而建立河流水系形態(tài)與流域產(chǎn)流產(chǎn)沙、河道匯流輸沙之間的內(nèi)在聯(lián)系。錢寧[1]總結(jié)認為，來自流域的水量、泥沙量及其過程與組成決定了河槽的形態(tài)與坡降”;董耀華[2]研究表明，長江流域復(fù)雜的水系形態(tài)與江湖關(guān)系是決定長江干流河道水沙特性及其變化的關(guān)鍵因素。

目前，長江流域的河流分級通常采用水系劃分——以流域面積為主要劃分指標，圍繞干流及其區(qū)間和主要支流或湖泊進行水系劃分，符合長江流域干支流和湖泊相對獨立封閉的特性，既有利于流域水系分區(qū)規(guī)劃與治理，也方便于流域與區(qū)域相結(jié)合的現(xiàn)狀管護模式。但該方法也存在著明顯的不足之處：?僅限于2級劃分，無法確定河流水系分級數(shù);?劃分水系與河流之間可能出現(xiàn)非一一對應(yīng)關(guān)系，無法實現(xiàn)水系劃分與河流分級的方法統(tǒng)一;?劃分方法主觀性較強，因具體河流與方法而異等。

河床演變學與河流地貌學通常采用“自小河而大河”的河流分級方法，常用的4種方法分別是Horton法，Strahler法， Shreve法和Scheidegger法【1、3】。其中，Horton法提出得最早，是其它方法的基礎(chǔ) ，基本思路為：“最小不分枝的河流屬于第1級，僅僅接納第1級支流的屬于第2級，接納1、2兩級支流的屬于第3級，依次類推”。Horton法的另一個顯著特征是以河流而非河段為“不分枝的河流”。推薦采用該方法的理由是：?符合大多數(shù)河流水系的形成模式，即整個水系是以從小到大的模式形成的[1]，分級自小而大與產(chǎn)流匯流方向一致;?確定的河流分級數(shù)與河流特征量（如流域面積、河長、水量、泥沙量、河流數(shù)量、水系形態(tài)、河流發(fā)育等）呈正相關(guān);?易于多級劃分，分級方法客觀性較強等。

本文倡導(dǎo)河流分級Horton法，并對其提出了3點主要改進：?與水系劃分相結(jié)合;?選用“最小單元河流”替代“最小不分枝的河流”;?引入河流樹狀圖表。以長江流域為例，本文對作者以往已經(jīng)取得的長江流域水系劃分與河流分級初步研究成果[4]進行完善和提升，并將研究成果綜合應(yīng)用于長江流域水系劃分方法的改進、重要河流水系的辨識和河流水系認識的提升等方面。

2 長江流域水系劃分

2.1 典型劃分

目前，代表性與權(quán)威性的長江水系典型劃分可總結(jié)歸納為如下4種方法。

（1）中國河流名稱代碼法[5]。將長江水系劃分為長江干流、雅礱江、岷江、嘉陵江、烏江、洞庭湖、漢江、鄱陽湖等8個水系和太湖流域。

（2）長江防洪地圖集法[6]。將長江水系劃分為金沙江、上游干流區(qū)間、中游干流區(qū)間、下游干流區(qū)間、岷沱江、嘉陵江、烏江、洞庭湖、漢江、鄱陽湖、太湖等11個水系。

（3）中國河湖大典法[7]。將長江水系劃分為雅礱江、岷江、嘉陵江、烏江、洞庭湖、漢江、鄱陽湖、太湖等8個水系和8個干流區(qū)間水系（河源、8個水系入江口之間）。

（4）長江流域綜合規(guī)劃法[8]（以下簡稱“長流規(guī)法”）。將長江水系劃分為干流和支流，再將支流區(qū)分為：：峽谷地帶河流（如：雅礱江、大渡河、清江、沅江等）、丘陵平原地區(qū)的河流（如：岷江、沱江、嘉陵江、漢江、湘江、資水、贛江等）和中下游地區(qū)直接匯入江湖的中小河流等3種類型。

2.2 推薦劃分

本文將長江水系推薦劃分為干流水系與雅礱江、岷江、嘉陵江、烏江、洞庭湖、漢江、鄱陽湖、太湖等8個支流水系。推薦劃分思想最接近于“長流規(guī)法”，推薦劃分水系最接近于“中國河流名稱代碼法”，主要遵循了如下2條基本原則。

（1）干流水系優(yōu)先原則。借鑒并采用“長流規(guī)法”先干流、后支流的劃分思想，而且將支流水系之外與干流連通的支流、湖泊、分洪道等優(yōu)先劃入干流水系。

（2）河流水系一致原則。劃分水系（流域）與分級河流（支流、湖泊、河道）“一致”原則（即“一一對應(yīng)”）。具體而言：長江流域（長江水系）與長江干流（長江）“一致”，干流水系與干流河道（干流）“一致”，支流水系與同名的支流或湖泊“一致”。

依據(jù)這2條基本原則，推薦劃分摒棄了“太湖流域”稱謂，保留并規(guī)范為“太湖水系”;摒棄了長江干流所有區(qū)間及金沙江水系，全部劃入干流水系;摒棄了岷沱江水系，保留岷江水系、將沱江劃入干流水系;將與長江中游連通的荊江4口分洪道（松滋河、虎渡河、藕池河和調(diào)弦河）以及匯入松滋河的洈水等劃入干流水系而非洞庭湖水系;將匯入長江口的黃浦江劃入干流水系而非太湖水系等。

基于水系形態(tài)與流域特性，推薦劃分水系可區(qū)分為“河道型”、“湖泊型”和“混合型”3種類型。

3 長江流域河流分級

3.1 河長與流域面積關(guān)系

以流域面積1 000 km2或河長50 km為初選原則，收集整理了長江流域581條河流的流域面積、河長、流量等基本特性資料;以流域面積1萬km2為分界閾值，分別建立了中小河流與大型河流的河長（L）與流域面積（A）之間的相關(guān)關(guān)系;相關(guān)分析表明：長江流域河流的河長與流域面積之間呈約0.5次方關(guān)系。

3.2“最小單元河流”選取

綜合選取流域面積不小于2000km2或河長不小于100km的河流為長江流域河流分級研究的“最小單元河流”，選取理由及其合理性分析概括如下。

（1）流域大小與坡降是河流的控制性指標，流域面積表征流域大小，河長與坡度有關(guān)，兩者雖然相關(guān)但又獨立，采用雙重指標更加合理。相比較而言，流量屬于河道的主要特性指標且年際變化大，不宜選用。

（2）“最小單元河流”越大，河流數(shù)量越少，河流分級數(shù)越小;選取太大，可能因為河流數(shù)量偏少、河流分級數(shù)偏小而難以區(qū)分河流水系;選取太小，又可能因為小河數(shù)量太多、河流辨識困難（因水系形態(tài)復(fù)雜、河流發(fā)生“襲奪”等原因）而影響河流計數(shù)的準確性和河流分級的可靠性。

（3）相對于長江流域總面積（180萬km2）與干流河道總河長（6300 km），流域面積閾值2000km2與河長閾值100km較小（占比分別為0.11%和1.59%），而且兩個閾值之間是相互協(xié)調(diào)的，由此確定的河流數(shù)量與河流分級數(shù)理論上是適中和適合的，但是仍有待實踐檢驗。

3.3 河流數(shù)量統(tǒng)計分析

為了準確地統(tǒng)計確定長江流域河流數(shù)量，避免漏計或重計，本文引入了如下3項河流計數(shù)約定。

（1）長江干流計數(shù)約定。將長江干流或長江（對應(yīng)于長江流域和長江水系）與干流河道或干流（對應(yīng)于干流水系）視為分級數(shù)不同的同一條河流。

（2）湖泊型河流計數(shù)約定。與長江干流直接連通的獨立計數(shù)，如：洞庭湖，鄱陽湖，梁子湖;經(jīng)過通江河道與長江干流連通的合計為一條河流，如：巢湖-裕溪河，龍感湖-華陽河，菜子湖-樅陽河。

（3）河源河口計數(shù)約定。多河源、多河口河流最多保留一個河源（河段或支流）、河口（河段或支流）合計為一條河流;其余河源、河口視為獨立河流。例如：干流水系沱沱河（河段）與干流合計，當曲、楚瑪爾河（支流）視為獨立河流;漢江水系唐白河的白河（支流）與唐白河合計（唐白河-白河），唐河（支流）視為獨立河流;岷江水系青衣江的玉溪河（支流）與滎經(jīng)河（支流）均視為獨立河流等。

基于“最小單元河流”和河流計數(shù)約定，本文統(tǒng)計確定長江流域（不含太湖水系）河流總數(shù)為374條。作為參照，“長流規(guī)法”[8]認定的流域面積1000km2以上河流是484條。按照單位流域面積上河流數(shù)量（∑N）為河流頻度（f）的定義，計算得到長江流域河流頻度為1.40～2.70條/（萬km2）。

3.4 河流樹狀圖表制作

通過引入并制作河流樹狀圖表，可辨識并建立劃分水系內(nèi)所有河流之間的相互聯(lián)系，由此可確定劃分水系及其河流的分級數(shù)。本文以劃分水系為單元、以岷江水系為范例，制作了岷江水系河流樹狀圖表。河流樹狀圖的制作思想與方法借鑒了地鐵運行圖（最早見于1863年投運的英國倫敦地鐵），除了保留確定河流分級數(shù)所必需的基本特征信息之外，還可以直觀和定量地圖示河流連通關(guān)系、分級數(shù)、流域面積、河長等河流水系的主要特性。

圖示的主要特性及其示意方法包括：河流連通關(guān)系——圖示河流的干支流、左右岸等;河流分級數(shù)——以灰度/顏色和分級數(shù)示意;流域面積——以線條寬度按比例示意;河長——以線條長度按比例示意;河流其它信息——標示主要河流名稱等。

3.5 河流分級成果分析

基于上述方法研究及其成果，本文研究給出了長江流域各推薦劃分水系（不含太湖水系）及其374條河流的河流分級定量成果（表1）。經(jīng)過初步分析，得到了如下幾點認識。

（1）長江流域最高河流分級數(shù)為6級，按照級別為u的河流數(shù)量（Nu）與高一級u+1的河流數(shù)量（Nu+1）之比為河流分枝比（Ru）的定義，計算得到長江流域河流分枝比為2.00～5.07。

（2）按河流統(tǒng)計，6級河流1條，占0.27%;5級河流3條，占0.80%;4級河流6條，占1.60%;3級河流14條，占3.74%;2級河流71條，占18.98%;1級河流279條，占74.60%。

（3）按水系統(tǒng)計，岷江、嘉陵江、鄱陽湖為5級河流水系;干流、雅礱江、洞庭湖、漢江為4級河流水系;烏江為3級河流水系;各推薦劃分水系的河流分級數(shù)存在差異。

（4）長江流域河流水系6級劃分實踐上是適中和適合的，且與5分制（“優(yōu)良中及差”）和7級生物分類法（“種屬科目綱門界”）較為接近。

4 研究成果綜合應(yīng)用

4.1 長江水系劃分方法改進

基于河流分級定量成果、水系劃分2條基本原則和河流基本特性指標（流域面積和河長），本文提出了長江水系的4種替代劃分和綜合劃分方法（表2）。

（1）“方法1”、“方法2”基于4級、3級及以上且匯入長江干流的河流，保留太湖水系。

（2）“方法3”、“方法4”基于流域面積大于3萬km2、河長大于500km且匯入長江干流的河流。

（3）“綜合劃分”是在劃分水系最少的“方法1”基礎(chǔ)上增加了烏江水系，增加理由是：僅烏江同時滿足“方法2”、“方法3”和“方法4”，且長江水系4種“典型劃分”中也均有烏江水系。

（4）“綜合劃分”與本文“推薦劃分”恰好一致，兩者取到了相互佐證的效果。

4.2 長江重要河流水系辨識

基于流域面積、河長和河流分級數(shù)等3個河流特性指標，本文綜合選取流域面積大于3萬km2或者河長大于500km或者4級及以上或者3級及以上且匯入長江干流等4個并集閾值條件，確定長江流域24條重要河流水系分別為：長江干流，當曲，楚瑪爾河，雅礱江及鮮水河、理塘河/無量河，岷江及大渡河，沱江，嘉陵江及渠江、涪江、白龍江，烏江，洞庭湖及湘江、沅江、資水，漢江，鄱陽湖及修水、贛江，巢湖-裕溪河，太湖等（表3）。作為參照，“長流規(guī)法”[8]認定的流域面積1萬km2以上河流為49條。

（1）采用3個指標而非水系劃分的單一指標（流域面積）和河流分級的雙指標（流域面積和河長）辨識重要河流水系，其目的是為了能夠更加準確地反映河流流域、河道與水系的綜合特性。

（2）流域面積閾值3萬km2與河長閾值500km之間是相互協(xié)調(diào)的，而長江流域3級河流的平均流域面積為3.94萬km2、平均河長為531km。

（3）閾值“3級及以上且匯入長江干流”還體現(xiàn)了“干流水系優(yōu)先原則”，滿足此條件入選的3級河流有：當曲、沱江、烏江、巢湖-裕溪河;未能入選的3級河流有：青衣江、州河、潦河和撫河。

4.3 長江河流水系認識提升

（1）河流水系辨識。楚瑪爾河流域面積超過2萬km2、河長大于500km，但僅為1級河流;洞庭湖“4水”（湘、資、沅、澧）與鄱陽湖“5河”（贛、撫、信、饒、修）的河流分級數(shù)差異很大;陜西省境內(nèi)的嘉陵江和漢江為4、5級河流，其它支流多為1級河流，缺少2、3級河流等。

（2）河流整體性認識。流域整體性：強調(diào)流域支配水系和河道的主導(dǎo)地位，由此應(yīng)摒棄“太湖流域”稱謂;水系整體性：強調(diào)干流與支流水系（特別是“湖泊型”水系）的連通性;干流整體性：強調(diào)河源、上中下游和河口的一致性，因此應(yīng)摒棄金沙江和干流區(qū)間水系;河道整體性：強調(diào)河谷、階地、故道、牛軛湖、河漫灘、邊灘、洲灘、淺灘、深槽等河道地貌單元的不可分割性。

（3）干流重要性認識。干流是長江最高河流分級數(shù)、流域總面積和總河長的“代言人”;干流水系河流數(shù)量最多（139條，超過1/3），且與所有支流水系連通。這與2016年江蘇長江防汛工作實踐建議相一致[9]。

（4）“分段河道不分級，分級河道不分段”【[10]。“分段河道不分級”：同一河流水系應(yīng)具有同一分級數(shù)，其目的是維護和強調(diào)河流水系整體性，同時也是最“經(jīng)濟”的河流分級方法;“分級河道不分段”：對于多河源或多河口河流，最多保留一個河源或一個河口，例如：長江只保留正源沱沱河，將北源楚瑪爾河與南源當曲視為支流。

5 研究展望

有待深入研究的課題包括：“最小單元河流”對河流分級的影響研究;大江大河河流分級比較研究;復(fù)雜河流水系分級方法研究;河流水系形態(tài)學研究;河流水系形態(tài)與流域產(chǎn)流產(chǎn)沙和河道匯流輸沙之間關(guān)系研究;河流分級與其它地物（湖泊、水庫、島嶼、動植物等）分級分類比較研究等。

參考文獻：

[1]錢寧，張仁，周志德. 河床演變學[M]. 北京：科學出版社， 1987.

[2]董耀華，惠曉曉，藺秋生. 長江干流河道水沙特性與變化趨勢初步分析[J]. 長江科學院院報. 25（2）：16-20， 2008.

[3]Horton， R.E.， Erosional. Development of streams and their draining basins： hydrophysical approach to quantitative morphology[J]， Bulletin of Geology Society of America， （l56）： 275-370， 1945.

[4]董耀華，汪秀麗. 長江流域水系劃分與河流分級初步研究[J]. 長江科學院院報. 30（10）：1-5， 2013.

[5]中華人民共和國水利部. SL249-1999中國河流名稱代碼[S]， 2000.

[6]水利部長江水利委員會. 長江防洪地圖集[M]. 北京：科學出版社. 2001.

[7]中國河湖大典編纂委員會. 中國河湖大典（長江卷）[M]. 北京：中國水利水電出版社. 2010.

[8]水利部長江水利委員會. 長江流域綜合規(guī)劃（2012～2030年）[R].武漢：水利部長江水利委員會， 2012.

[9]董耀華，胡波，李少龍. 2016年江蘇長江防汛工作實踐[J]. 水利水電快報. 38（4）：9-12， 2017.

[10]董耀華，汪秀麗. 河流5區(qū)分段方法與長江干流分段實踐[J]. 長江科學院院報. 34（6）：1-6， 2017.