太湖流域江蘇片水系功能評價體系初探

華 晨，胡尊樂

(江蘇省水文水資源勘測局常州分局，江蘇 常州 213022)

同流域內(nèi)所有河流、湖泊、水庫等天然和人工水體構(gòu)成的水網(wǎng)系統(tǒng)稱為水系，通常其作為流域地理要素的主要功能包括：水資源配置、水旱災(zāi)害防御和水環(huán)境修復(fù)，即能夠解決因水資源總量短缺或時空分布不均勻?qū)е碌乃Y源安全問題、因洪澇或干旱災(zāi)害導(dǎo)致的防洪抗旱安全問題和因流域生態(tài)環(huán)境和水質(zhì)惡化導(dǎo)致的水生態(tài)水環(huán)境安全問題。因此，水系功能評價是河湖健康評價的重要組成部分。

近年來，受人的社會活動影響較強地區(qū)的流域水網(wǎng)治理主要目標(biāo)正逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榧訌娝等蠊δ?、增強水系連通性。通過對水系功能進行解構(gòu)，選取了7項指標(biāo)，推導(dǎo)構(gòu)建水系功能評價標(biāo)準(zhǔn)，從結(jié)構(gòu)連通、水力連通和槽蓄能力三方面對水系功能進行評價。

1 指標(biāo)體系

根據(jù)水系的水資源配置、水旱災(zāi)害防御、水環(huán)境修復(fù)三大功能，考慮相應(yīng)水系結(jié)構(gòu)連通性、水力連通性、槽蓄能力并提出評價方法，推導(dǎo)構(gòu)建包含7項指標(biāo)的評價體系。其中：水系基本要素評價選取水面率、水網(wǎng)密度2項指標(biāo)；水資源配置及水環(huán)境修復(fù)能力選取水網(wǎng)覆蓋度、水系結(jié)構(gòu)連通度、分枝維數(shù)、水力連通度4項指標(biāo)；防洪蓄洪能力采用Hurst指數(shù)1項指標(biāo)。參考河流系統(tǒng)評價、河湖健康評價等評價體系和方法，對水系功能的各要素賦權(quán)，根據(jù)綜合評分法對水系功能進行評價。水系功能評價指標(biāo)體系見表1。

表1 水系功能評價指標(biāo)體系

2 評價方法

2.1 水系基本要素

2.1.1水面率

水面率指標(biāo)為采用水系內(nèi)河道、湖泊、水庫等天然和人工水體以設(shè)計水位或多年平均水位為邊界條件計算得到的水面面積，其與相應(yīng)的流域面積的比值。

2.1.2水網(wǎng)密度

水網(wǎng)密度指標(biāo)采用水網(wǎng)密度指數(shù)，其物理含義為區(qū)域內(nèi)河流總長度、水域面積和水資源量占被評價區(qū)域面積的比重，用以反映評價區(qū)域水豐富程度。其計算公式為:

水網(wǎng)密度指數(shù)=Ariv*河流長度/流域面積+Alak*湖庫面積/流域面積+Ares*水資源量/流域面積

(1)

式中，Ariv—河流長度；Alak—湖庫面積；Ares—水資源量的歸一化系數(shù)。

2.2 水資源調(diào)配和水環(huán)境修復(fù)能力評價

在考慮水系基本要素的基礎(chǔ)上，為反映水網(wǎng)空間分布和水體間連通情況，引進水系結(jié)構(gòu)連通度、水網(wǎng)覆蓋度、分枝維數(shù)和水力連通度等動態(tài)指標(biāo)。

2.2.1水系結(jié)構(gòu)連通度

基于分形幾何學(xué)原理，建立水網(wǎng)結(jié)構(gòu)性連通模型，建立水網(wǎng)覆蓋度概念，其原理為：將流域分為n個局部，各局部分別按比例β與全流域相似，以分形維數(shù)Df來描述相似程度，其表達式為：

(2)

可知，Df越大，則分形結(jié)構(gòu)的自相似性越高，也就是流域水網(wǎng)覆蓋越密集、越均勻、水網(wǎng)結(jié)構(gòu)性連通越好，當(dāng)區(qū)域內(nèi)只存在一條河流時，Df=1；當(dāng)區(qū)域整體全為水面時，Df=2。因此將分形維數(shù)Df作為水系結(jié)構(gòu)連通度指標(biāo)。

2.2.2水網(wǎng)覆蓋度

根據(jù)水系結(jié)構(gòu)連通度Df，據(jù)此判定某流域水網(wǎng)分布均勻程度和覆蓋程度，在水系與其覆蓋范圍之間建立了對應(yīng)關(guān)系，則水網(wǎng)覆蓋度按下式計算：

(3)

顯然，水網(wǎng)結(jié)構(gòu)連通性越大，即Df越大，則水系水網(wǎng)覆蓋程度就越大。

2.2.3分枝維數(shù)

由于在水系上游向下游演變中水網(wǎng)結(jié)構(gòu)的連通程度呈現(xiàn)不斷變化的動態(tài)特性，引入分枝維數(shù)概念，用以描述水系水文情勢所體現(xiàn)出來的水網(wǎng)連通性動態(tài)變化程度。即在某流域內(nèi)，以河流、湖庫等水體上游頂點為控制點，以rk為連通半徑，得到k個同心圓弧和同心扇環(huán)，則απr2半徑范圍內(nèi)的圓環(huán)區(qū)域上分枝數(shù)之和為N(r)，則N(r)與r的冪指數(shù)存在一定的線性關(guān)系，即N(r)=b×rD，其中b為調(diào)和系數(shù)。則D為分形幾何意義下的維數(shù)，其體現(xiàn)的是水系分枝變化情況，因此定義為分枝維數(shù)。

可知，分枝維數(shù)由水系的分枝數(shù)目變化率確定，分枝維數(shù)越大，則流域水網(wǎng)的密度變化越小，支流水系發(fā)育越完全。如區(qū)域內(nèi)無河流穿過，則分枝維數(shù)D=0；如有一條河流穿過，D=1.0；如區(qū)域整體全為水面時，D=2.0。一般地，一個流域水網(wǎng)結(jié)構(gòu)連通的分布密度從上游到下游總體上呈遞減趨勢，即上游水網(wǎng)發(fā)育早于下游，且程度更深。

2.2.4水力連通度

一般地，天然或人工建立的流域水網(wǎng)內(nèi)的水力聯(lián)系程度稱為水系的水力連通度。基于基爾霍夫定律對流域內(nèi)的任意節(jié)點間的水力連通度采用下式計算：

(4)

式中，J—水力連通度；n和ni—水系總耗能系數(shù)和水系內(nèi)某條河流耗能系數(shù)；Li、Si—水系內(nèi)選取的起止點間距離和斷面面積；h—起止節(jié)點間總水頭；ki—具有徑流調(diào)節(jié)能力的水工建筑物的修正系數(shù)；wi—河流水質(zhì)綜合污染指數(shù)。

可知，Li越大，水系內(nèi)選取的起止點AB間耗能系數(shù)越大、連通性J越差；Si越大，AB間河湖(庫)過水能力越強、連通性J越強；wi越大，則AB間水質(zhì)污染較嚴(yán)重，水力連通性不足；若AB間有多條河湖(庫)連通，則復(fù)合耗能系數(shù)n越小、兩點間連通性越強。

2.3 防洪蓄洪能力

受人類活動影響，水系下墊面條件改變，床面透水和槽蓄功能弱化，影響水系的防洪蓄洪能力。引入Hurst指數(shù)，對水系水網(wǎng)結(jié)構(gòu)和水位的演變趨勢進行評價，進而對防洪蓄洪能力進行評估。其原理為：流域降雨徑流經(jīng)過水系調(diào)蓄，類比為低通濾波處理，即剔除短期波動，保留長期發(fā)展趨勢，其中水位時間序列長期發(fā)展趨勢采用時間序列R/S法計算分析，最終得到水系防洪蓄洪能力與流域降水徑流的長期演變關(guān)系。有研究表明，徑流時間序列Hurst指數(shù)越高，則水系水網(wǎng)越復(fù)雜、其徑流變化過程越平緩，說明防洪蓄洪能力越高、發(fā)生洪災(zāi)的可能性越小。

Hurst指數(shù)采用下式計算：

Log(R/S)=Log(c)+H·Log(n)+ε

(5)

具體計算過程如下：

⑤將A取值不斷增加至A=(M-1)/2，并重復(fù)①-④，以Log(n)為解釋變量，Log(R/S)為被解釋變量，進行線性回歸，得到方程中斜率H即為Hurst指數(shù)估計值。

3 實例應(yīng)用

3.1 項目區(qū)概況

太湖流域江蘇片位于長江下游三角洲南側(cè)，西南環(huán)山，三面環(huán)水，地勢平坦，水系發(fā)達，為典型中下游平原河網(wǎng)地貌。陸地面積1.37萬km2，多年平均水域面積0.57萬km2。從上游起，太湖流域可依次分為湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)、陽澄淀泖區(qū)三大水系，有眾多水道與長江相通，京杭運河從西北到東南貫穿整個流域。其地理位置如圖1所示。

圖1 太湖流域江蘇片地理位置圖

2.3 水系功能評價

采用上述指標(biāo)體系和評價方法，對項目區(qū)水系功能進行評價。其中，在根據(jù)分枝維數(shù)計算時根據(jù)項目區(qū)水系分布情況，分別以京杭運河、澡港河、望虞河為計算節(jié)點。計算得到太湖流域各水系功能綜合評價成果見表2。

表2 太湖流域各水系功能綜合評價成果

可知，湖西區(qū)水系功能綜合評價好于武澄錫虞區(qū)和陽澄淀泖區(qū)。

選用太湖流域各水系中系列較長，受通江河道引江潮量影響較弱的代表站，湖西區(qū)選取金壇站、武澄錫虞區(qū)選取無錫站、陽澄淀泖區(qū)選取陳墓站，以1999年和2018年年平均水位和年降水量實測數(shù)據(jù)為例，分析其降水和水位關(guān)系的演變趨勢，其成果見表3。

表3 太湖流域各水系降水—水位關(guān)系演變表

可知，與1999年相比，2018年太湖流域江蘇片各水系水位與降水量均呈上漲趨勢，但水位上漲幅度小于降水量增長幅度。綜合表2表3成果可知，三個水系對比，湖西區(qū)水網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化較小、水力連通度好、因此水位上漲幅度較?。缓鲄^(qū)、武澄錫虞區(qū)和陽澄淀泖區(qū)的水位與降水量對應(yīng)關(guān)系演變說明了區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展和人類活動導(dǎo)致了各水系產(chǎn)、匯流條件變化和水系功能變化，且各水系功能變化程度有所差異，這些變化體現(xiàn)在水位變化上，反映的是各水系防洪蓄洪能力的差異，即Hurst指數(shù)。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

從水系水資源配置、水旱災(zāi)害防御和水環(huán)境修復(fù)三項功能出發(fā)，通過對水系建立水面率等7項指標(biāo)的評價體系，構(gòu)建了水系功能評價標(biāo)準(zhǔn)。通過對太湖流域江蘇片的三個水系進行功能評價，得出湖西區(qū)綜合評分為1.46，水系功能最好；陽澄淀泖區(qū)得分1.32略好于武澄錫虞區(qū)得分1.28。經(jīng)過觀測，評價結(jié)果與實際情況比較吻合。

3.2 建議

根據(jù)水系功能評價反饋出來的水系功能存在的問題，綜合考慮流域水網(wǎng)結(jié)構(gòu)與功能，得出如下修復(fù)或提升建議：①加強水系連通治理，打造功能強大的水網(wǎng)格局，通過適當(dāng)新開河道、建設(shè)人工水體等方式，進一步加強項目區(qū)范圍內(nèi)的河湖(庫)連通，修復(fù)和改善流域水網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其功能體系；②減少人類活動影響，統(tǒng)籌社會經(jīng)濟發(fā)展，恢復(fù)或擴大水面率，通過嚴(yán)格控制流域內(nèi)土地開發(fā)利用方式，嚴(yán)格杜絕任意填埋或淤塞河道，維護正常過流斷面，合理控制和擴大現(xiàn)有水面率；③合理開展水體疏浚，提升水網(wǎng)形態(tài)多樣性，提高槽蓄功能，改善水系生境條件，恢復(fù)水體生態(tài)健康。