太湖流域水文連通性: 現(xiàn)狀、研究進(jìn)展與未來挑戰(zhàn)*

楊 素，萬榮榮，李 冰

(1:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，中國科學(xué)院流域地理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)(2:中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049)(3:中國科學(xué)院大學(xué)南京學(xué)院，南京 211135)

水文連通性是指以水為媒介的物質(zhì)、能量及生物在水文循環(huán)要素內(nèi)部或要素之間的轉(zhuǎn)移[1].全球超過1000 km的河流中，只有37%的河流仍保持完整的自由流動(dòng)狀態(tài)，閘壩和水庫建設(shè)造成的河流破碎化是河流連通性喪失的主要原因，占河流阻塞成因的68.8%[2].水文連通網(wǎng)絡(luò)的變化，將會(huì)通過改變種群數(shù)量、阻礙或加速食物鏈營(yíng)養(yǎng)傳輸和污染物累積、擴(kuò)散，從而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)格局造成一定影響[1].同時(shí)，水文連通性通過建立河流-湖泊-濕地之間水力聯(lián)系，不僅對(duì)河湖水文過程起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用，也直接參與了其一系列物理、化學(xué)和生物過程，在大江大湖水資源優(yōu)化調(diào)控、濕地生態(tài)修復(fù)、珍稀物種保護(hù)等方面研究具有重要指示意義[3-4].

近年來受到氣候變化和下墊面人類活動(dòng)的頻繁影響，全球范圍內(nèi)河湖水文連通性發(fā)生深刻變化，水文連通性內(nèi)涵及其應(yīng)用被廣泛接受并成為水文、生態(tài)、工程實(shí)踐等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與前沿[5-6].基于該背景和研究意義，在Web of Science數(shù)據(jù)庫核心合集中檢索“水文(系)連通性(hydrologic/hydrological connectivity/connection或interconnected river system network)”相關(guān)文章，截至2021年11月，累計(jì)獲取符合主題的有效文獻(xiàn)4854篇.自1990年以來，總體情況是以“水文(系)連通性”為主題的文章數(shù)量呈逐步增加趨勢(shì)，尤其是2000年以來，發(fā)文量呈快速上升趨勢(shì)，由2000年的37篇文獻(xiàn)數(shù)上升到2021年的400余篇(圖1).圍繞水文連通性研究的諸多主題中，主要側(cè)重于生物多樣性保護(hù)、空間異質(zhì)性、景觀格局和流域管理等宏觀視角[7-8]研究，其次為土壤和水體中氮、磷元素及有機(jī)質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化等微觀視角[9-10]研究.研究?jī)?nèi)容主要涉及水文連通性的過程與機(jī)理研究[11-12]、影響因素[13-14]及效應(yīng)[15]評(píng)價(jià)，包括洪泛濕地水流養(yǎng)分輸移過程[16-17]、河口三角洲水文連通動(dòng)態(tài)變化過程[18-19]、濕地土壤水分垂向連通過程[20-21]以及以水文連通性研究為框架的生物地球化學(xué)通量研究[22]等；研究方法主要基于水文水動(dòng)力學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)及遙感等學(xué)科背景，包括圖論法[23-24]、景觀格局指數(shù)[25]、水文連通性函數(shù)[26-28]、基于雷達(dá)的水文連通表征[29]、染色示蹤[30]、構(gòu)建水文水動(dòng)力模型[31]等方法.由此可知，水文連通性研究涵蓋學(xué)科背景豐富，在方法和應(yīng)用上較為成熟，有較好的研究背景.

圖1 Web of Science核心合集“水文(系)連通性”發(fā)文量趨勢(shì)

國外關(guān)于水文連通性已開展了較多研究.美國聯(lián)邦環(huán)境保護(hù)署(USEPA)在清潔水法案的背景下提出上游(或支流)河流和濕地與下游(或主干)河流的連通性研究，強(qiáng)調(diào)水生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部或系統(tǒng)之間在物理、化學(xué)和生物水平上的物質(zhì)交換和連通效應(yīng)，以期為水生生態(tài)系統(tǒng)和流域管理提供經(jīng)驗(yàn)[32]；歐洲環(huán)境署(EEA)的《水框架指令》表明河流連續(xù)性是實(shí)現(xiàn)歐洲水體良好狀態(tài)的關(guān)鍵，歐盟《2030年生物多樣性戰(zhàn)略》提出在2030年前，通過移除堤壩及保護(hù)河漫灘和濕地系統(tǒng)的方式修復(fù)至少25000 km自由流動(dòng)的河流.國內(nèi)關(guān)于水文連通性的相關(guān)研究近年來也逐漸增多.按流域劃分，長(zhǎng)江流域涉及文獻(xiàn)數(shù)量最多、研究區(qū)域最廣，其中以太湖水系研究占比最大，其次是黃河三角洲濕地、白洋淀濕地等；按城市水系劃分，太湖地區(qū)蘇州市和常州市城市水系研究頻次較高，其次是河南省鄭州市、上海市及江西省南昌市等.

太湖流域位于長(zhǎng)江三角洲地區(qū)，境內(nèi)河網(wǎng)密布、湖泊眾多，相較于國內(nèi)其他以自然河流水系為主的研究區(qū)(如黃河三角洲濕地、鄱陽湖濕地等)，太湖流域水系屬于受人類活動(dòng)干擾強(qiáng)烈、感潮作用明顯、流向復(fù)雜且常年保持連通的復(fù)雜水系.長(zhǎng)期自然演變和人類活動(dòng)改變了原有河湖水系的連通狀態(tài)，尤其是近百年來，圍湖造田、城鎮(zhèn)化建設(shè)和一系列水利工程建設(shè)導(dǎo)致流域內(nèi)河湖連通關(guān)系愈加錯(cuò)綜復(fù)雜.“引江濟(jì)太”等一大批治太骨干工程加速了流域內(nèi)河網(wǎng)水系、河湖關(guān)系及連通變化，影響著區(qū)域水安全保障、水資源保護(hù)、水環(huán)境治理和水生態(tài)修復(fù).然而針對(duì)太湖流域這一受人類活動(dòng)干擾強(qiáng)烈的復(fù)雜河湖水系耦合系統(tǒng)，其水文連通性在自然因素與人類活動(dòng)長(zhǎng)期影響下的演變過程及成因如何？水文連通性變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)如何？尚缺乏系統(tǒng)性的梳理與綜述.因此，本文在明晰國內(nèi)外水文連通性概念的基礎(chǔ)上，對(duì)太湖流域水文連通性的評(píng)價(jià)方法、演變過程、影響因素及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)梳理總結(jié)，最后對(duì)太湖流域水文連通性研究的未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望.

1 水文連通性的概念與內(nèi)涵

水文連通性概念最早出現(xiàn)于Vannote[33]1980年提出的河流連續(xù)體概念(river continuum concept)中，該概念描述了沿河流上下游生物群落的結(jié)構(gòu)和功能.隨后，由于在不同學(xué)科背景和研究尺度下的研究要素各有側(cè)重，水文連通性出現(xiàn)了不同的定義.大多數(shù)定義基于景觀生態(tài)學(xué)和水文生態(tài)學(xué)[34-35]，流域尺度上強(qiáng)調(diào)水、物質(zhì)和能量在景觀組分間或流域間的流動(dòng)或滯留過程[36-38]，或用與水文相關(guān)特性(例如高滲透性)及狀態(tài)變量(例如土壤濕度)的空間分布模式來判斷水文連通的可能性[39]，近期有學(xué)者結(jié)合水動(dòng)力模型、閾值效應(yīng)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，基于生態(tài)目標(biāo)對(duì)洪泛區(qū)濕地水文連通性進(jìn)行分類和定義[40-41]；坡面尺度上強(qiáng)調(diào)沉積物及其顆粒物在高地-坡面-河岸帶或地表徑流與河道網(wǎng)絡(luò)的連通過程[42-44]，以及地下水系統(tǒng)在河岸帶(近河流)與高地帶(山坡)之間建立的連接[45-46].水文連通性的內(nèi)涵通常包括縱向維度、橫向維度、垂向維度及時(shí)間維度[47]，其中縱向維度上的水文連通指河流上下游間的相互作用，橫向維度上的水文連通指河道與河漫灘或洪泛區(qū)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸移交換過程，垂向尺度上的水文連通指河道底部與潛流層、地表徑流與地下非飽和-飽和層(土壤-地下水)的連接度，并強(qiáng)調(diào)水文連通在時(shí)間維度上的動(dòng)態(tài)變化情況.

2005年長(zhǎng)江水利委員會(huì)工作報(bào)告《維持健康長(zhǎng)江，促進(jìn)人水和諧》將水系連通性作為健康長(zhǎng)江重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，并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[48-49].2010年全國水利規(guī)劃將河湖連通作為國家新時(shí)期治水方略，提出提高河湖連通是提高全國水資源配置能力的重要途徑[48].隨后，大批國內(nèi)學(xué)者從國家重大戰(zhàn)略需求出發(fā)，對(duì)于河湖水系連通的理論、方法、驅(qū)動(dòng)因素及影響評(píng)價(jià)開展了豐富研究[50-53]，并開展了河湖水系連通工程的相關(guān)實(shí)踐[54-55].河湖水系連通戰(zhàn)略提出初期，河湖水系連通的理論基礎(chǔ)較為薄弱，眾多學(xué)者從水文水資源學(xué)、水利水電角度對(duì)河湖水系連通概念、研究總體思路和理論研究框架做了詳盡闡述[56-62]，劉昌明等[63]、李宗禮等[64]進(jìn)一步提出河湖水系連通理論體系研究框架、優(yōu)先研究領(lǐng)域、面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題和未來研究方向.在河湖水系連通量化方法上，符傳君等[65]、王延貴等[66]構(gòu)建了一系列綜合的水系連通指標(biāo)體系，夏繼紅等[67]將河湖水系連通計(jì)算方法分為圖論法、水文-水力學(xué)法、景觀法、生物法和綜合指標(biāo)法，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較.

目前國際上一般認(rèn)為水文連通性是指以水為媒介的物質(zhì)、能量及生物在水文循環(huán)要素內(nèi)部或要素之間的轉(zhuǎn)移[1].而水系連通性是國內(nèi)評(píng)價(jià)健康長(zhǎng)江時(shí)首次提出的概念，由于當(dāng)時(shí)缺乏相關(guān)理論和方法指導(dǎo)，在國家戰(zhàn)略引導(dǎo)下，我國學(xué)者借鑒國際上水文連通性的相關(guān)概念和方法開展了大量研究，然而并未對(duì)水文連通性和水系連通性的概念及關(guān)系進(jìn)行明確探討，有些問題尚未達(dá)成共識(shí).綜合來看，區(qū)別于水文連通性中提到的壤中流和地表水-地下水交換過程，水系連通性更側(cè)重于橫向、縱向維度的地表水文過程連通狀況.由于水文連通性的定義在不同學(xué)科研究中各有側(cè)重，研究區(qū)自然環(huán)境、研究時(shí)空尺度也存在差異，無法提出一個(gè)普適性的概念[35, 68].因此，有些學(xué)者將水系連通性作為水文連通性研究中的一項(xiàng)重要內(nèi)容[69]，而另有些學(xué)者則認(rèn)為水文連通性是水系連通性研究中的新視角[70].本文綜合以往概念論述，針對(duì)受人為調(diào)控影響劇烈的平原河網(wǎng)區(qū)，將水文連通性內(nèi)涵進(jìn)一步理解為：自然演變或人工修建的江、河、湖、濕地等水體系統(tǒng)，受閘、壩、泵、圩、堤等水利工程調(diào)節(jié)，其水流、物質(zhì)流、能量流與信息流被促進(jìn)或阻礙的程度和方向，包括河-河、河-湖(濕地)、湖-湖之間的連通.

2 太湖流域水文連通性評(píng)價(jià)方法

太湖流域水文連通性研究的空間尺度橫跨河段生境尺度、側(cè)重縱向水流聯(lián)系的區(qū)域尺度和強(qiáng)調(diào)宏觀調(diào)水方式的流域尺度[71]，其中多為以武澄錫虞區(qū)、陽澄淀泖區(qū)和杭嘉湖區(qū)等平原水網(wǎng)區(qū)為對(duì)象的區(qū)域尺度研究，對(duì)蘇州市、嘉興市等環(huán)太湖城市化發(fā)展較快的城市水系也有相關(guān)探索.目前主要基于圖論、景觀格局指數(shù)、水文連通性函數(shù)、綜合指數(shù)及其他輔助方法進(jìn)行定量評(píng)估，且上述方法可聯(lián)合使用進(jìn)行綜合評(píng)估.

流域尺度上，諸發(fā)文等[72]改進(jìn)現(xiàn)有基于圖論和水流阻力的水系連通度計(jì)算方法[73]，提取節(jié)點(diǎn)(河道交匯點(diǎn))和河鏈(河段)構(gòu)建水系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，考慮不同河道的實(shí)際輸水能力和閘門開啟度，構(gòu)建河網(wǎng)加權(quán)連通度指數(shù)，使之適用于受人為閘控工程影響較大的平原水網(wǎng)區(qū).區(qū)域尺度上，馬爽爽[74]選取了景觀生態(tài)學(xué)中的β指數(shù)(節(jié)點(diǎn)連接難易程度)、γ指數(shù)(網(wǎng)絡(luò)中連接線數(shù)與最大可能連接線數(shù)之比)和C指數(shù)(區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)依靠廊道相互連通的強(qiáng)度)作為結(jié)構(gòu)連通性指標(biāo)，采用水文學(xué)中站點(diǎn)間水位差特征[75](相鄰站點(diǎn)水位差越小縱向功能連通性越強(qiáng))作為功能連通性指標(biāo)對(duì)杭嘉湖區(qū)水文連通性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).Deng等[76]基于相鄰站點(diǎn)水位差提出了縱向功能連通指數(shù)，指出1960-2012年間太湖流域平原區(qū)縱向連通指數(shù)的年代間、年際和季節(jié)變化均呈輕微上升趨勢(shì)，時(shí)空變化空間分異較大，且汛期連通性低于非汛期，可能與河道上多水閘泵站有關(guān)[74].Lu等[77]根據(jù)極端降雨量和警戒水位預(yù)設(shè)閘壩調(diào)度規(guī)則，基于水閘打開概率、河流通過效率和水閘累積效應(yīng)構(gòu)建了縱向連通性指數(shù).羅賢等[78]以西苕溪流域?yàn)槔?，?duì)比了空間分析、連續(xù)性指標(biāo)和樹狀河網(wǎng)連通性指數(shù)，探討了閘壩對(duì)樹狀水網(wǎng)區(qū)連通性的影響.城市尺度上，徐慧等[79]、王柳艷[80]和沈潔[81]將圖論和景觀生態(tài)學(xué)相結(jié)合，選取β指數(shù)和γ指數(shù)分別表征太倉市、無錫新區(qū)和上海市浦東新區(qū)河網(wǎng)水系連通性狀況，王柳艷[80]同時(shí)利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的原始法，將兩節(jié)點(diǎn)河道長(zhǎng)度作為權(quán)值(河道長(zhǎng)度越短，連通性越強(qiáng))對(duì)太倉市河網(wǎng)連通性進(jìn)行了分析.

由于太湖流域河網(wǎng)受水利工程等人為干擾顯著，閘壩、泵站設(shè)置及其調(diào)度對(duì)水文連通性影響較大，因此在評(píng)價(jià)過程中應(yīng)將閘壩、泵站建設(shè)及其調(diào)度對(duì)水文連通性的影響充分考慮在內(nèi).平原河網(wǎng)區(qū)流速較小，流向不定，屬于往復(fù)流，而已有的方法為簡(jiǎn)化水文過程，大多假定河流流向單一；在應(yīng)用圖論法構(gòu)建河網(wǎng)水系連通指數(shù)時(shí)，對(duì)邊的權(quán)值進(jìn)行賦值時(shí)考慮的影響因素(如河道截面形態(tài)、糙率、河道淤泥等)不夠全面，且將湖泊作為節(jié)點(diǎn)概化削弱了湖泊的連通重要性；利用水位差特征進(jìn)行表征時(shí)應(yīng)注意水位站點(diǎn)和時(shí)間選取的全面性和代表性，以及閘壩攔截、泵站調(diào)水對(duì)水位差的影響.因此，未來太湖流域水文連通性評(píng)價(jià)方法仍需進(jìn)一步完善.

3 太湖流域水系演變過程

河湖水系連通的時(shí)空演變機(jī)理是河湖水系連通研究的關(guān)鍵問題之一，影響著水資源空間配置、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境演變[63]，因此對(duì)河湖水系連通演變過程的重建尤為重要.太湖及流域內(nèi)各支流水系結(jié)構(gòu)變化是太湖流域水文連通性演變的基礎(chǔ).魏嵩山分析太湖流域水系大致沿著“三江”(吳淞江、東江、婁江)→湖泊→水網(wǎng)化的方向發(fā)展[82]，中華人民共和國成立以來一系列水利工程的修建，促使太湖流域水系結(jié)構(gòu)逐漸簡(jiǎn)單化，呈現(xiàn)骨干化趨勢(shì).本文根據(jù)人類活動(dòng)對(duì)太湖流域水系格局的影響程度，將太湖流域水系演變過程大致劃分為自然水系、古代人類活動(dòng)影響和現(xiàn)代人類活動(dòng)影響3個(gè)階段[75]，并重點(diǎn)討論了20世紀(jì)尤其是近百年來太湖流域河湖水系演變過程.

3.1 自然水系形成階段

有關(guān)太湖形成的主要學(xué)說有“瀉湖說”[83]、“構(gòu)造說”[84]、“隕擊說”[85]等論點(diǎn).大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為太湖是在大平原上構(gòu)造洼地的基礎(chǔ)上形成湖盆，因宣泄不暢而積水成湖，并經(jīng)歷了長(zhǎng)期陸相和湖相沉積作用演變而來[86]，但太湖到底是如何形成的至今尚無定論.太湖流域最初的水系結(jié)構(gòu)大致為西部上游山區(qū)的苕溪、荊溪(古名瀨水)等流向太湖平原，苕溪沿今吳淞江東流入海，荊溪?jiǎng)t穿過今洮湖、滆湖沿今孟河北注長(zhǎng)江[82]，流域總體呈現(xiàn)“三江五湖”的水系格局[87].

3.2 古代人類活動(dòng)影響階段

距今約五千年前，太湖流域水系大致呈現(xiàn)為上游苕溪、荊溪，中游太湖，下游“三江”(東注吳淞江、東北入海為婁江、東南入海為東江)的水系格局.6世紀(jì)，穿越太湖流域腹地的江南運(yùn)河被重新疏浚和拓寬，溝通了瀏河、吳淞江等古河道.8世紀(jì)，婁江(潮水?dāng)y帶泥沙導(dǎo)致淀淤)、東江(杭州灣防海工程導(dǎo)致排水北折，改入黃浦入海)相繼廢除，上游來水經(jīng)太湖下泄不暢，太湖面積因積水持續(xù)擴(kuò)張，大小湖蕩逐漸形成.唐以來，當(dāng)?shù)匕傩找虻刂埔税l(fā)展塘浦圩田，形成了“五里為一縱浦，七里為一橫塘”塘浦交錯(cuò)的水網(wǎng)系統(tǒng).北宋時(shí)期，“熙寧變法”頒布了《農(nóng)田水利法》，鼓勵(lì)農(nóng)民興修水利、開荒圍墾洼地和河湖灘地，水利建設(shè)在全國掀起高潮，湖泊和水系發(fā)生劇烈變化；宋室南渡，貴族地主乘機(jī)大肆侵占河湖水面為田，圍墾之風(fēng)更盛，大量湖泊因圍墾萎縮甚至消失.因潮水裹挾大量泥沙，吳淞江河道淤塞而逐漸變得淺狹，明永樂元年，夏原吉提出“掣淞入瀏”、“掣淞入浦”的策略，一方面引吳淞江上游入瀏河，直接出海，一方面開挖范家浜，引導(dǎo)吳淞江的水南注黃浦江.明清以來，黃浦江經(jīng)過自然沖刷形成廣深大河，“黃浦奪淞”后，太湖流域形成了以黃浦江與瀏河為主要排水通道、江南運(yùn)河為主要航運(yùn)通道、湖蕩漾溪港溇浜密布的河湖水系格局[88].

3.3 現(xiàn)代人類活動(dòng)影響階段

20世紀(jì)以來，太湖流域水系格局發(fā)生了較大的變化.民國時(shí)期主要對(duì)原有水利設(shè)施進(jìn)行修繕，總體上水系格局變化不大，長(zhǎng)江沿岸極少數(shù)河口建了水閘[89].中華人民共和國成立后太湖流域水系演變過程大致分為局部治理(1949-1991年)、全面治理(1991-2012年)和現(xiàn)代化治理(2012年至今)3個(gè)階段[90].

1)局部治理階段(1949-1991年).該階段以區(qū)域防洪除澇為主，水利設(shè)施的修建經(jīng)歷了2次高潮，分別是1950s末至1960s初和1970s，治理主體以各省市自行建設(shè)為主，缺少流域統(tǒng)一規(guī)劃管理[89].在防洪和發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的總方針下，1958年蘇浙兩省開始實(shí)施本省的治太工程，進(jìn)行了大規(guī)模圩區(qū)建設(shè)、開拓和疏浚排水骨干河道、加固加高堤防和修建山區(qū)水庫等工程.

1950s-1980s全流域共建圩498座，圩區(qū)面積528.4 km2[89]，1970s流域湖泊圍墾達(dá)到了高潮，1980s有所減少.1990s太湖地區(qū)圍湖建圩達(dá)到7628座，圍湖面積近11000 km2[91]，占流域面積近30%.為縮短防洪戰(zhàn)線，提高小圩體系的抗災(zāi)能力，1958年陽澄淀泖區(qū)率先實(shí)行大規(guī)模聯(lián)圩并圩，合并了眾多小“魚鱗圩”建設(shè)萬畝圩田，形成大包圍片，其中青浦大包圍控制區(qū)總面積達(dá)758 km2，至1992年控制片內(nèi)建有小包圍圩區(qū)207處[92].目前太湖流域圩數(shù)約為5000個(gè)，圩區(qū)總面積在15000 km2以上，占流域總面積的42.19%[93](表1).其中江蘇省和上海市圩區(qū)除澇標(biāo)準(zhǔn)據(jù)2006年統(tǒng)計(jì)，除太湖附近排澇模數(shù)較低，為0.86 m3/(s·km2)以外，其余地區(qū)均高于1.23 m3/(s·km2)，浙江省現(xiàn)狀圩區(qū)除澇標(biāo)準(zhǔn)較低，排澇模數(shù)略高于0.7 m3/(s·km2)[93].

表1 中華人民共和國成立以來太湖流域圍湖建圩情況[89-91]*

這一時(shí)期新辟和疏浚骨干河道約30條.1958年開挖的太浦河和望虞河是溝通太湖和長(zhǎng)江的流域性骨干河道，蘇南地區(qū)先后拓浚了九曲河、張家港、七浦塘、楊林塘、白茆塘和瀏河等通江河道，并沿長(zhǎng)江建有配套河口閘共57座[93].環(huán)湖大堤和江堤海塘工程是太湖流域內(nèi)防洪水、外御海潮的兩道關(guān)鍵防線，中華人民共和國成立前太湖沿岸沒有統(tǒng)一連續(xù)的湖堤，1950s初期沿太湖有進(jìn)出湖溇港314條.環(huán)湖大堤全長(zhǎng)約282 km，于1986年基本建成，已有各類口門建筑物30多座，尚有口門219處[89].太湖流域水庫主要分布在蘇南宜溧山區(qū)和浙西天目山區(qū)，1958-1990年，集中建設(shè)了一批大中型水庫共19座[89].圩區(qū)建設(shè)、河道拓浚、江堤工程及水庫大壩建設(shè)極大改變了太湖流域河湖水系連通格局.

2)全面治理階段(1991-2012年).該階段前期以保障流域整體防洪除澇為主，后期向水資源開發(fā)利用和水環(huán)境綜合治理轉(zhuǎn)變，共開展兩輪治太工程.1991年大洪水后，水利部太湖流域管理局按照1987年編制的《太湖流域綜合治理總體規(guī)劃方案》對(duì)太湖流域進(jìn)行全面治理，這是新中國成立以來第一次全流域治理[89]，共開展了11項(xiàng)治太骨干工程.隨著骨干工程的逐步完工和水供給、水環(huán)境在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中暴露出的問題，1996年《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展“九五”計(jì)劃和2010年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》將太湖列為國家水污染治理工作的重點(diǎn)，2001年“引江濟(jì)太”調(diào)水試驗(yàn)工程被提出并正式啟動(dòng).2007年無錫水危機(jī)發(fā)生，次年國務(wù)院批復(fù)了《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》，提出了包括新溝河延伸拓浚、環(huán)湖大堤后續(xù)工程、太湖污染底泥疏浚、東太湖綜合整治等21項(xiàng)水環(huán)境綜合治理骨干工程建設(shè).

3)現(xiàn)代化治理階段(2012年至今).該階段治水任務(wù)向防洪減災(zāi)、水資源優(yōu)化配置、水生態(tài)環(huán)境修復(fù)和流域綜合管理轉(zhuǎn)變.該時(shí)期國務(wù)院批復(fù)了《太湖流域綜合規(guī)劃(2012-2030年)》、《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案(2013年修編)》等.全面推進(jìn)農(nóng)村退圩(漁)還湖和湖蕩濕地生態(tài)修復(fù)，加快環(huán)太湖城市群大包圍防洪工程建設(shè).目前太湖沿岸口門230處，其中敞開口門44處，建閘控制口門186處[93-94]，僅黃浦江為唯一未建閘控制的行洪河道.隨著太湖流域城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，原有河道被排水管網(wǎng)替代，流域下墊面發(fā)生較大變化，河道人工渠化嚴(yán)重，河網(wǎng)結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單化[95].在水生態(tài)文明建設(shè)新時(shí)期，沿太湖各市以建設(shè)美麗幸福河湖為目標(biāo)，加快暢流活水體系工程建設(shè)，通過加固改造老舊閘壩、疏浚整治河道溝渠、建設(shè)智慧管控精準(zhǔn)調(diào)度體系，提高城市水系連通性.

從流域尺度上來看，城鎮(zhèn)化建設(shè)、水利政策和工程實(shí)施重構(gòu)了太湖流域水系格局，形成太湖調(diào)蓄、北排長(zhǎng)江、東出黃浦江、南排杭州灣的流域防洪和河道骨干化格局，新孟河工程建成后，太湖將形成“二引三排”的骨干河道水系格局(望虞河、新孟河引水，太浦河、新溝河、走馬塘排水)[96].圖2標(biāo)示了太湖流域主要河湖水系、水庫、閘壩及堤防建設(shè)，十一項(xiàng)治太骨干工程及“二引三排”骨干河道分布.

圖2 太湖流域河湖水系及主要水利工程現(xiàn)狀(參考《太湖志》[93]附圖)

4 太湖流域水文連通性變化的成因

太湖流域河湖水文連通性變化是自然因素和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果.地質(zhì)構(gòu)造、氣候變化、泥沙淤積和海水入侵等自然營(yíng)力在河湖水系的形成和演變中發(fā)揮了關(guān)鍵性作用，然而太湖流域過早的人類開發(fā)活動(dòng)尤其是20世紀(jì)以來社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的水利工程和快速城鎮(zhèn)化建設(shè)，對(duì)河流水系連通狀況的干預(yù)和影響愈發(fā)顯著[97-99].

4.1 自然因素

地質(zhì)構(gòu)造、氣候變化和海水入侵共同影響著太湖流域河湖水文連通性變化.太湖流域四周高、中間低的碟形洼地構(gòu)造，易積水且排水不暢.歷史上，該區(qū)域氣候變化呈現(xiàn)干濕交替、多重周期、復(fù)合振動(dòng)的特點(diǎn)，研究表明約12世紀(jì)全國出現(xiàn)了明顯的氣候突變，由干旱轉(zhuǎn)為多雨，進(jìn)入一個(gè)相對(duì)濕潤(rùn)的階段，東部季風(fēng)氣候逐漸形成[100].氣候暖濕增加了降水量和強(qiáng)降水概率[75]，太湖流域發(fā)生過幾次較大的洪澇災(zāi)害，再加上太湖東部地勢(shì)低平，太湖水面與海平面比降相差不大，造成海水大量入侵，積水使太湖水面持續(xù)擴(kuò)張，低洼地帶形成零星湖泊和水道.而海水退去后，裹挾的泥沙逐漸在河口淤積，使太湖流域面積不斷向海面延伸，古婁江和吳淞江的湮沒都是由于潮汐倒灌，潮水?dāng)y帶大量泥沙，導(dǎo)致河道出流受阻，促使原河道轉(zhuǎn)入其他河流排出或因此淤積成陸[82].同時(shí)泥沙淤積也為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了深厚土壤，有利于農(nóng)田的開墾，后逐漸發(fā)展為塘浦圩田模式.

4.2 人類活動(dòng)

人類活動(dòng)直接或間接地改變了河道形態(tài)、功能及水文連通性.直接改變表現(xiàn)在水利工程的修建，如運(yùn)河、溝渠形成了新的水力聯(lián)系，促進(jìn)了河流網(wǎng)絡(luò)的縱向連通，水庫水壩建設(shè)則會(huì)抑制其縱向連通性；護(hù)岸工程、防洪堤防等可能會(huì)阻礙河湖水系橫向連通性[97]；人工渠道化工程修建的不透水?dāng)嗝孀韪袅说乇硭偷叵滤拇瓜蜻B通[101].近百年來，為抵御大規(guī)模洪水入侵，太湖流域開挖和拓浚了上萬條河道，新辟了多條排水骨干河道，環(huán)湖大堤各口門、骨干河道及沿江水系均設(shè)有閘壩，并在西部山區(qū)修建了數(shù)百座水庫攔截汛期洪水，對(duì)太湖流域水系格局產(chǎn)生了較大影響.大型水利工程的建設(shè)不僅會(huì)增強(qiáng)或削弱河湖水文連通性，汛期和非汛期調(diào)度方案的制定和調(diào)整也極大改變了水文連通的方向.1991年以前由于水利設(shè)施尚未建設(shè)完善，調(diào)度規(guī)定只有當(dāng)太湖平均水位漲至4.66 m時(shí)，才開啟太浦閘排水[93]；1991年汛后，開始制定流域統(tǒng)一的防洪調(diào)度方案，并根據(jù)治太工程建設(shè)進(jìn)度每年進(jìn)行修訂；1996年提出對(duì)太湖洪水實(shí)行分期調(diào)度的理念，并繼續(xù)下調(diào)汛前水位，提前汛后期時(shí)間；1998年提出突出主汛前太湖水位分級(jí)控制和分段控制，發(fā)揮陽澄地區(qū)湖泊調(diào)蓄和沿江諸河排洪作用；在多年實(shí)踐和反復(fù)修訂的基礎(chǔ)上，1999年制定了《太湖流域洪水調(diào)度方案》[102].2000年以后，太湖流域水資源需求日益強(qiáng)烈，開啟“引江濟(jì)太”調(diào)水試驗(yàn)，并于2009年制定了《太湖流域引江濟(jì)太調(diào)度方案》.隨著水利部新時(shí)期治水思路的深入踐行，流域水利工程的調(diào)度理念由僅確保流域防洪安全向同時(shí)保障供水安全和水生態(tài)安全轉(zhuǎn)變，以期通過引排水等跨流域調(diào)水工程優(yōu)化區(qū)域水文連通性以滿足流域用水需求、改善水環(huán)境[93].《太湖流域洪水與水量調(diào)度方案》于2011年批復(fù)，成為流域調(diào)度的主要依據(jù).在調(diào)度原則上不僅考慮了洪水與超標(biāo)準(zhǔn)洪水的防御原則，也考慮到入湖水質(zhì)控制，并綜合洪水調(diào)度與水量調(diào)度、流域調(diào)度與區(qū)域調(diào)度、水量與水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度等調(diào)度方式[103].如望虞河工程以常熟水利樞紐和望亭水利樞紐調(diào)度為主，兩岸口門視兩岸地區(qū)水雨情、水環(huán)境狀況和樞紐工程運(yùn)行情況相機(jī)調(diào)度.當(dāng)汛期太湖水位高于防洪控制水位時(shí)，根據(jù)太湖水位分級(jí)開閘泄水；當(dāng)非汛期太湖水位低于引水控制線時(shí)，常熟水利樞紐引水，望亭水利樞紐根據(jù)閘下水質(zhì)控制指標(biāo)要求向太湖供水；當(dāng)太湖水位低于低水位控制線，常熟水利樞紐須開啟泵站引水[104].

人類活動(dòng)對(duì)水文連通性的間接改變表現(xiàn)在人類對(duì)地表下墊面的改造，如大規(guī)模圍湖造田、建設(shè)用地迅速擴(kuò)張等.我國圍墾最盛的兩個(gè)時(shí)期分別是宋朝和中華人民共和國成立初期：北宋末年，中原人大規(guī)模南遷，南宋定都臨安(今杭州)，導(dǎo)致太湖流域人口集聚增加，為滿足糧食需求，大肆侵占江湖灘地、開墾圩田；中華人民共和國成立初期，以發(fā)展農(nóng)業(yè)為主導(dǎo)，1950s-1980s太湖流域各地圍墾湖泊約500 km2[105].由于圍湖造田，東太湖區(qū)原有數(shù)百條溇港，現(xiàn)只剩瓜涇口等極少數(shù)幾個(gè)，并均已建閘控制.圍墾湖泊、筑堤建圩使得自然連通的水系被人為阻隔，圩堤上建有“圩口閘”，汛期關(guān)閉，排灌站可將圩內(nèi)澇水抽出[91].圩垸阻隔了圩內(nèi)河道與圩外泄水干河間水量的自由交換[106]，使可調(diào)蓄水面積縮小.城鎮(zhèn)化發(fā)展對(duì)河道的改變最為顯著[107]，消耗性用水和道路、城鎮(zhèn)、堤壩建設(shè)是洪泛平原河流連通性下降的主要原因[2].鄧曉軍等[108]對(duì)嘉興市1960-2010年近50年河流水系時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)城市化水平越高的地區(qū)河流水系變化越劇烈.楊柳等[98]分析蘇州市1960s-2010s近50年間河流水系變化特征發(fā)現(xiàn)，1980s后水系結(jié)構(gòu)和河流長(zhǎng)度總體呈現(xiàn)衰減，城鎮(zhèn)化對(duì)水系變化的貢獻(xiàn)率在67%以上，且城鎮(zhèn)化水平與水系結(jié)構(gòu)變化呈現(xiàn)“倒U型”關(guān)系.魏鎣鎣等[109]對(duì)張家港地區(qū)2002年和2015年水系結(jié)構(gòu)和連通性變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)表征河網(wǎng)結(jié)構(gòu)連通性的參數(shù)均呈衰減趨勢(shì)，減少率達(dá)到50%左右，且河道通暢程度隨城市化發(fā)展而變?nèi)?

5 太湖流域水文連通性變化的效應(yīng)

太湖流域縱向、橫向和垂向維度的水文連通變化與區(qū)域洪水調(diào)蓄、水資源保障、太湖水污染治理及河湖水生態(tài)修復(fù)等密不可分：河流縱向連通受阻使動(dòng)水生境變?yōu)殪o水生境，同時(shí)閘壩攔截洪峰時(shí)截留了大量泥沙，清水下泄導(dǎo)致河道下游沖刷嚴(yán)重[101]；河流橫向連通不暢阻礙了河流與河漫灘之間的物質(zhì)、能量和信息交換，混凝土或干砌塊石不透水護(hù)坡也極大改變了河流自然生境；因不透水防護(hù)結(jié)構(gòu)阻隔導(dǎo)致垂向連通受阻，而土壤水或地表水與地下水的垂向連通性對(duì)水體元素遷移轉(zhuǎn)換、潛流層生物遷移和底質(zhì)微生境維持均有重要意義[110].

5.1 對(duì)洪水調(diào)蓄的影響

湖泊是水資源的重要儲(chǔ)存器，河流是湖泊水調(diào)節(jié)的重要樞紐，河湖承擔(dān)的防洪功能在保障流域尤其是平原河網(wǎng)區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定上有著舉足輕重的作用.太湖流域洪水調(diào)蓄的一般過程是：西部山區(qū)的湖泊水庫攔蓄一部分洪水注入太湖，經(jīng)太湖調(diào)蓄后，經(jīng)太湖東部溇港以及太浦閘進(jìn)入東部湖蕩群再次調(diào)蓄，注入黃浦江排出，或由望虞河等沿江河道北排長(zhǎng)江，或經(jīng)杭嘉湖區(qū)南排注入杭州灣.然而，由于水文連通性變化劇烈，太湖流域近百年來水、旱災(zāi)害頻發(fā)[111]，極端天氣加劇了流域防洪和水資源供給安全的風(fēng)險(xiǎn).

歷史上太湖流域發(fā)生的幾次重大洪澇災(zāi)害均與水文連通受阻密切相關(guān)(1931、1954、1991、1999、2016年).由于太湖流域河湖自然特征是河湖相串，河道比降平緩、斷面積小、流向不定，浦東片區(qū)屬感潮河網(wǎng)區(qū)，潮水頂托導(dǎo)致泄流不暢，再加上中華人民共和國成立初期圩區(qū)眾多，侵占了大量圩外可調(diào)蓄水面，汛期又通過排澇動(dòng)力設(shè)施將圩內(nèi)積水排到圩外，抬高了圩外河道的洪水位.據(jù)實(shí)際量算，1964-1990年，流域內(nèi)圩外水面面積減少約800 km2[112].類似的，現(xiàn)有環(huán)太湖城市群大包圍工程通過閘泵將城市內(nèi)河與外圍河流湖蕩分隔開，汛期將城內(nèi)澇水排出，保障城市居民生命和財(cái)產(chǎn)安全，但加大了江南運(yùn)河沿線及上下游城市的防洪壓力[113].城鎮(zhèn)化建設(shè)填埋了大量末端支流，硬質(zhì)化路面導(dǎo)致地表更易產(chǎn)流.王躍峰等[114]基于代表性單元流域概念，指出城鎮(zhèn)化導(dǎo)致的水系結(jié)構(gòu)單一引起了河網(wǎng)調(diào)蓄能力的下降，如表征常州站河網(wǎng)調(diào)蓄能力的Hurts指數(shù)1960-2010年間減少了26.73%.

人工運(yùn)河的開鑿雖然加劇區(qū)域內(nèi)河流水系主干化趨勢(shì)，但在一定程度上減緩了洪水災(zāi)害的發(fā)生.武澄錫引排、湖西引排、擴(kuò)大攔路港、疏浚泖河、斜塘工程以及即將竣工的新孟河等水利工程可以起到共同承泄太湖洪水的作用.2016年太湖流域發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水，2015年12月起太浦閘提前開閘預(yù)泄10.84億m3，騰出太湖調(diào)蓄庫容，汛期啟用江蘇省沿江閘門、泵站并加大杭嘉湖南排工程排水力度，同時(shí)兼顧區(qū)域防洪壓力.當(dāng)年太湖水位雖然達(dá)到歷史第二高水位4.87 m，但災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失僅占流域GDP的0.12%[115].2020年7月，長(zhǎng)江流域遭遇特大洪水，月總出太湖水量26.4億m3，其中太浦閘月泄水量14.74億m3，占比55.8%，望亭水利樞紐月排水量7.69億m3，占比20.1%，同樣有效減輕了洪澇災(zāi)害的發(fā)生[116].

5.2 對(duì)水資源供給的影響

由于太湖流域城市化進(jìn)程中人口急劇增加，生產(chǎn)生活用水需求較大，再加上極端干旱天氣的可能影響及工業(yè)廢水污染等問題，太湖流域面臨水量型和水質(zhì)型缺水的困境.通過水利工程的綜合調(diào)度、嚴(yán)格的入湖水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和合理的水量分配方案，太湖和長(zhǎng)江及流域內(nèi)各河道的水文連通性均得到改善和有效控制，有力保障了流域水資源供給能力.

為滿足農(nóng)田灌溉用水和城鄉(xiāng)供水，從水資源較為豐富的長(zhǎng)江引水入流域經(jīng)多年實(shí)踐被認(rèn)為是一個(gè)補(bǔ)充流域水量的行之有效的方法.農(nóng)田灌溉用水在沿江平原區(qū)以引江灌溉為主，需疏浚大量通江河道，并于沿岸建擋潮閘和泵站，進(jìn)行抽排引水；在一般平原區(qū)以河湖水灌溉為主，與圩區(qū)排水泵站類似，從圩外向圩內(nèi)提水或開閘引水進(jìn)行灌溉.在城市供水上，黃浦江上游太浦河為上海市的重要供水水源地之一，水利部太湖流域管理局通過太浦閘調(diào)節(jié)保障下游水源供應(yīng).“引江濟(jì)太”工程運(yùn)行以來，科學(xué)化水量分配滿足了太湖下游城市用水需求.太湖流域經(jīng)歷了1934、1961和1971年旱災(zāi)，1978年也遭遇了嚴(yán)重干旱，為太湖流域的特枯年，流域平均年降雨量?jī)H680 mm[93]，由于流域內(nèi)水閘、泵站和機(jī)電排灌已建設(shè)完善，蘇南沿江各水閘和泵站引抽江水60億m3，瀏河閘引江水8.88億m3[93]，增強(qiáng)了流域內(nèi)河道與長(zhǎng)江的水文連通性，補(bǔ)給了太湖水量和蘇州市，太湖可向周邊地區(qū)及下游輸水，而上海市排灌機(jī)電化的應(yīng)用通過抽調(diào)水入圩區(qū)灌溉，也實(shí)現(xiàn)了旱年豐收[93].

為滿足太湖流域水源地安全，保證供水來源的水質(zhì)，同樣需要對(duì)河湖水文連通性進(jìn)行干預(yù).太湖、望虞河、太浦河及新孟河是流域內(nèi)的重要水源，需嚴(yán)格控制入湖河流和湖泊水質(zhì)，保證滿足相關(guān)要求.《太湖流域引江濟(jì)太調(diào)度方案(2009年)》和《太湖流域洪水和水量調(diào)度方案(2011年)》均對(duì)河湖水文連通程度和方向作出規(guī)定.如望虞河針對(duì)入湖水質(zhì)變化、沿岸口門水質(zhì)變化、突發(fā)水污染事件等情景分別設(shè)定了閘門啟閉調(diào)度規(guī)則，通過采用開閘排水與長(zhǎng)江口門引水等措施保障河湖水質(zhì)達(dá)標(biāo)[93].

5.3 對(duì)水環(huán)境的影響

河湖水文連通狀況對(duì)湖泊水環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在對(duì)湖泊水質(zhì)的影響上.2007年太湖藍(lán)藻暴發(fā)之后，太湖流域水環(huán)境治理問題迫在眉睫，2016年特大洪水導(dǎo)致氮磷濃度超負(fù)荷輸入，2017年太湖總磷濃度反彈明顯[117].近年來，隨著流域調(diào)水工程的大規(guī)模實(shí)施，太湖總磷濃度南北向逐漸呈現(xiàn)均質(zhì)化趨勢(shì)，東西向仍呈現(xiàn)由西部湖區(qū)向東部出湖區(qū)遞減趨勢(shì)[118].

提高河湖水系連通對(duì)改善水質(zhì)有一定程度的積極作用[110]，主要體現(xiàn)在以下兩方面.一是拓浚和新辟河道改善了河湖水動(dòng)力條件，促進(jìn)了水體更新和物質(zhì)輸移交換速率，增強(qiáng)了污染物擴(kuò)散、降解從而抑制水體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽和污染物的富集.如崔廣柏等[119]通過引水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)良好的河道連通狀況和合理的調(diào)配方案有效改善了河道水質(zhì)和水環(huán)境，可將河道水質(zhì)平均改善率提升至30%～50%.二是閘壩泵站的建設(shè)會(huì)改變水文連通的方向，使原本入湖河道變?yōu)槌龊拥?，進(jìn)而改變河道內(nèi)外源污染物負(fù)荷變化.如2007年無錫市發(fā)生水危機(jī)后，位于無錫市梅梁灣北部的梁溪河泵站啟用，使梁溪河從城市排水通道變成太湖出湖通道，阻隔了來自城市的大量外源磷輸入，梁溪河口總磷濃度均值從2007年前的0.266 mg/L下降到2007年后的0.138 mg/L，同時(shí)也影響了總磷濃度的季節(jié)變化特征[118].

“引江濟(jì)太”自2001年啟動(dòng)以來已有20年的時(shí)間，構(gòu)建江湖連通，初期引優(yōu)質(zhì)的長(zhǎng)江水源，通過“以動(dòng)治靜、以清釋污、以豐補(bǔ)枯”加快河網(wǎng)和湖泊水體流動(dòng)[120]，太湖換水周期從平均208天縮短到184天[121]，改善了太湖及周邊河網(wǎng)水環(huán)境[122].2004年溫家寶總理曾對(duì)《關(guān)于引江濟(jì)太調(diào)水工作有關(guān)情況的報(bào)告》做出批示：“引江濟(jì)太”對(duì)于改善太湖水質(zhì)是一項(xiàng)行之有效的方法[93].馮順新等[123]從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境3個(gè)方面對(duì)2002-2007年“引江濟(jì)太”調(diào)水的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明“引江濟(jì)太”在保障城鎮(zhèn)供水、補(bǔ)給深層地下水和改善水質(zhì)方面均發(fā)揮了積極作用.然而近期相關(guān)研究表明，“引江濟(jì)太”調(diào)水工程無法達(dá)到持續(xù)凈化水質(zhì)的作用，可能是由于目前引水路線望虞河-太湖(貢湖-東太湖)-太浦河影響范圍較小[89].楊倩倩等[124]研究表明，夏季短期調(diào)水后受水區(qū)的總氮、總磷及CODMn濃度較調(diào)水前有所升高.朱偉等[121]對(duì)1986年以來太湖出入湖水量、水體交換周期及水質(zhì)空間變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)太湖水體交換周期變短導(dǎo)致東太湖出水口處總磷濃度升高，不利于太湖湖區(qū)對(duì)入湖總氮、總磷的去除.目前太湖流域增辟了從竺山湖入湖的新孟河工程和從梅梁灣入湖的新溝河工程構(gòu)成新的水系連通通道，引調(diào)水工程對(duì)太湖水環(huán)境的效應(yīng)仍需長(zhǎng)期關(guān)注和跟蹤.

5.4 對(duì)水生態(tài)的影響

河湖網(wǎng)絡(luò)作為重要的生態(tài)廊道，是人類生存和動(dòng)植物繁衍的關(guān)鍵棲息地[125].全球范圍內(nèi)，洪泛平原的退化和河道障礙物的增多都導(dǎo)致了水文連通性的喪失，對(duì)河流水文水動(dòng)力特性、物理化學(xué)特性、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能造成了不同程度的影響[126]，同時(shí)伴隨淡水生物多樣性銳減、生境改變和生物入侵[127].太湖出入河道眾多，出入流復(fù)雜，且基本均建閘控制[118].因閘壩阻隔湖泊水動(dòng)力和水量交換減弱，再加上在東南季風(fēng)盛行作用下，淺水湖泊和河流中沉積物擾動(dòng)頻繁釋放總氮、總磷等物質(zhì)，靜水環(huán)境中有利于藻類的生長(zhǎng)[128]，久之湖泊自凈能力和水環(huán)境承載力下降，增大了水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn).

水文連通性變化會(huì)影響水生植被生長(zhǎng)發(fā)育和分布格局，主要方式是通過改變湖泊水文水動(dòng)力過程，如淹水頻率、淹水面積等水文節(jié)律以及流量、流速等水動(dòng)力特征.東太湖為太湖主要泄洪通道，長(zhǎng)期圍網(wǎng)養(yǎng)殖及水流交換不暢加速泥沙淤積，降低了風(fēng)浪的強(qiáng)度和擾動(dòng)，有利于水生植被生長(zhǎng)，呈現(xiàn)沼澤化趨勢(shì)[129].2003年以來水利部太湖流域管理局開始實(shí)施東太湖綜合整治，包括疏浚行洪供水通道、退墾還湖、退漁還湖、生態(tài)修復(fù)等，同時(shí)大力開展東太湖湖區(qū)底泥疏浚，湖濱帶植被恢復(fù)[93].研究表明圍網(wǎng)拆除對(duì)東太湖魚類群落恢復(fù)及生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)具有積極作用[130].然而，近期也有研究表明圍網(wǎng)拆除后，東太湖水生植被優(yōu)勢(shì)類群由圍網(wǎng)拆除前的沉水植被轉(zhuǎn)變?yōu)楦∪~植被，且種群逐漸趨于單一化，因此東太湖圍網(wǎng)拆除對(duì)水生植被群落的影響機(jī)理仍需深入探究[131].Liu等[132]研究表明，與長(zhǎng)江自然連通湖泊(鄱陽湖、洞庭湖)水體中的藍(lán)藻平均生物量明顯低于與長(zhǎng)江阻隔湖泊(太湖梅梁灣)的生物量，后者大約為前者的13倍.針對(duì)太湖流域藍(lán)藻水華暴發(fā)的問題，大規(guī)模引水調(diào)水可能無法緩解困擾太湖多年的富營(yíng)養(yǎng)化和藍(lán)藻暴發(fā)問題.Qin等[133]研究表明，由于長(zhǎng)江水體富營(yíng)養(yǎng)化加劇，從長(zhǎng)江引入的污染負(fù)荷占外源總氮和總磷輸入的5%～10%，加速了藍(lán)藻水華形成.因此想通過調(diào)水工程去除藍(lán)藻幾乎是不可能的，反而增加了太湖的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷.

水文連通性變化也會(huì)通過影響外源輸入營(yíng)養(yǎng)元素、水體理化因子、水生植被分布等，進(jìn)而對(duì)底棲生物、魚類、水禽等水生生物多樣性及其生境格局產(chǎn)生不同程度的影響[110].有研究表明，營(yíng)養(yǎng)水平、底質(zhì)類型和水生植被分布是太湖大型底棲生物群落分布和生物多樣性的主要影響因素[134]，水下光照條件是太湖藻型生態(tài)系統(tǒng)向草型生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵因子[135].李其芳等[136]分析了太湖流域五大主干水系(沿江水系、洮滆水系、黃浦江水系、南河水系、苕溪水系)的魚類種群時(shí)空分布，結(jié)果表明，太湖流域魚類種群分布及其多樣性與不同水系所在的空間位置、水體環(huán)境、水質(zhì)條件以及與長(zhǎng)江干流的連通性均有關(guān).

6 討論與展望

水文連通性在概念和方法上已開展了大量而深入的研究，然而由于其研究視角的多元復(fù)雜性，在概念和方法集成上仍有較大發(fā)展空間.縱觀太湖流域河湖水文連通性研究，在水文連通性評(píng)價(jià)方法、演變過程、成因及效應(yīng)等方面已取得了一定進(jìn)展，但在水文連通性的定量表征與評(píng)估、水文連通性演變驅(qū)動(dòng)機(jī)制、引水調(diào)水工程對(duì)流域水文連通及其影響效應(yīng)、流域水文連通多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)控等方面存在不足，需要深入研究.

6.1 平原河網(wǎng)區(qū)水文連通性的定量表征與評(píng)估

水文連通性包括縱向、橫向、垂向和時(shí)間4個(gè)維度[47]，太湖流域已有研究多集中于縱向維度，對(duì)橫向、垂向及時(shí)間維度的水文連通研究不夠深入.太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)河流連通方向并非單一的單向或雙向連通，而是水流方向錯(cuò)綜復(fù)雜的多向連通體系，河流流向不定、匯流過程復(fù)雜.流域大規(guī)模人工河道的開挖早已改變了河岸原始自然狀態(tài)，對(duì)橫向水文連通性造成極大破壞；同時(shí)，平原低洼地區(qū)地表水與地下水交換頻繁，是水循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)，再加上地下水過量開采導(dǎo)致地面沉降和城市內(nèi)澇，垂向上水文連通研究也應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注.靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程的耦合是水文連通性研究的重要趨勢(shì)，當(dāng)前對(duì)水文連通動(dòng)態(tài)過程的刻畫和描述較少，更多強(qiáng)調(diào)河流水系的結(jié)構(gòu)連通性[73, 137]，對(duì)功能連通性的研究有待加強(qiáng).水文連通性研究如何從結(jié)構(gòu)描述向過程機(jī)理研究過渡，從靜態(tài)指數(shù)計(jì)算向物理過程的動(dòng)態(tài)刻畫轉(zhuǎn)變，從單個(gè)維度向多個(gè)維度拓展，是未來平原河網(wǎng)區(qū)水文連通性定量研究的難點(diǎn).基于連通性變化與生態(tài)響應(yīng)函數(shù)關(guān)系的3流4D連通性生態(tài)模型[138]，以及將水壩等水利工程納入考量的串連非連續(xù)體概念(serial discontinuity concept, SDC)[139-140]等，可為以工程控制為主的平原河網(wǎng)區(qū)水文連通性的定量表征和評(píng)估提供方法借鑒.

6.2 流域水文連通性變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究

流域水文連通性變化同時(shí)受到自然營(yíng)力和人類活動(dòng)影響.已有的研究從地質(zhì)構(gòu)造、氣候變化、泥沙淤積和海水入侵等自然因素，以及包括溝渠、水庫水壩、護(hù)岸工程、防洪堤防建設(shè)等水利工程建設(shè)、圍湖造田、城市擴(kuò)張等人類活動(dòng)因素，闡述了河湖水文連通性變化的驅(qū)動(dòng)因子.相關(guān)研究顯示，近幾十年來人類活動(dòng)尤其是水利工程的建設(shè)對(duì)水文連通性的影響貢獻(xiàn)越來越大[141-142].然而不同歷史階段河湖水文連通結(jié)構(gòu)和功能變化的主導(dǎo)因素是什么，水利工程建設(shè)導(dǎo)致的水文連通變化如何驅(qū)動(dòng)太湖流域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生劇烈響應(yīng)，是太湖流域水文連通性研究需重點(diǎn)關(guān)注的問題，應(yīng)重建歷史時(shí)期水文連通格局及演變過程，借助更長(zhǎng)時(shí)間序列的定量研究.當(dāng)前關(guān)于河湖水系連通研究的時(shí)間尺度多集中于遙感影像手段興起以后的近四五十年間，而對(duì)于連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間序列的研究較少.因此，借助歷史軍事地形圖、水文志、地方志等珍貴歷史數(shù)據(jù)，重建太湖流域高強(qiáng)度人類活動(dòng)作用之前的河湖水系格局，形成流域長(zhǎng)時(shí)間序列水文連通演變格局，分析其時(shí)空演變機(jī)理，可為定量解析不同歷史階段水文連通演變的驅(qū)動(dòng)機(jī)制提供有效途徑.

6.3 大型引水調(diào)水工程對(duì)流域水文連通及其影響效應(yīng)的長(zhǎng)期跟蹤

近20年來，大規(guī)模引水調(diào)水工程對(duì)流域水文連通及防洪、水環(huán)境和水生態(tài)的影響引起了廣泛的關(guān)注.大量研究表明，引調(diào)水工程對(duì)減輕流域洪澇災(zāi)害和補(bǔ)充旱季水資源起到了顯著的成效.“引江濟(jì)太”等流域調(diào)水工程的大規(guī)模實(shí)施，增強(qiáng)了河湖水文連通狀況，改變了水體的水動(dòng)力條件，縮短了湖泊換水周期，然而由此引發(fā)的湖泊水環(huán)境和水生態(tài)效應(yīng)還存在爭(zhēng)議[143-144].從近年來與大規(guī)模引調(diào)水工程關(guān)聯(lián)的太湖換水周期的縮減、太湖全湖總氮總磷濃度空間格局的變化、太湖藍(lán)藻發(fā)生范圍的變化、水生植被生長(zhǎng)發(fā)育和分布格局的改變等問題來看，已有的研究不足以闡明引水調(diào)水工程對(duì)流域水文連通性的長(zhǎng)期影響及可能的效應(yīng).太湖流域水利工程建設(shè)和城鎮(zhèn)化進(jìn)程重構(gòu)了流域水系格局，河道骨干化、人工渠化、閘、壩、圩、堤密布，隨著新孟河工程建成，流域?qū)⑿纬伞岸拧毙赂窬郑笮鸵{(diào)水工程的建設(shè)及運(yùn)行調(diào)度對(duì)流域水文連通及其水環(huán)境水生態(tài)的影響機(jī)理和趨勢(shì)，需長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)和深入研究.

6.4 兼顧環(huán)境生態(tài)效應(yīng)的水利工程生態(tài)化改造研究

太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)大規(guī)模人工河道的開挖和拓浚、聯(lián)圩并圩等改變了河岸、湖岸原始自然狀態(tài)，阻隔了眾多河流湖蕩之間的連通格局，硬質(zhì)化的堤岸阻隔河湖橫向水文連通性，威脅濕地及水生生物的生境.在生態(tài)文明建設(shè)背景下，太湖流域的治理任務(wù)更多地關(guān)注水環(huán)境治理和水生態(tài)修復(fù)，因此兼顧環(huán)境生態(tài)效應(yīng)的水利工程生態(tài)化改造成為當(dāng)前太湖流域水文連通性研究的前沿和熱點(diǎn).人工渠化河道的近自然生態(tài)修復(fù)、河湖生態(tài)廊道的構(gòu)建、退圩還湖及河流湖蕩濕地的生態(tài)恢復(fù)、平原湖蕩水系連通工程的建設(shè)等，亟待深入開展示范研究.長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)地跨上海市青浦區(qū)、江蘇省蘇州市吳江區(qū)、浙江省嘉興市嘉善縣，現(xiàn)狀河湖水面率為19.76%，其中青浦區(qū)17.28%、吳江區(qū)23.92%、嘉善縣13.21%.主要水體包括貫穿示范區(qū)的太浦河、吳江區(qū)東太湖、汾湖、元蕩和區(qū)域內(nèi)最大的淡水湖淀山湖，是開展示范研究的最佳區(qū)域之一.太浦河、望虞河等骨干河道作為流域內(nèi)河流水系的“主動(dòng)脈”，在對(duì)地區(qū)性支流河道疏導(dǎo)和打通過程中發(fā)揮關(guān)鍵先導(dǎo)作用，因其流域防洪及供水的重要戰(zhàn)略地位，其生態(tài)化改造也需被重點(diǎn)關(guān)注.由于末端支流被大量填埋，而河網(wǎng)水系是太湖流域關(guān)鍵的生態(tài)廊道，體現(xiàn)了太湖流域江南水鄉(xiāng)的自然和人文景觀特色[145]，因此對(duì)現(xiàn)有水利工程進(jìn)行生態(tài)化改造，基于自然的解決方案對(duì)太湖流域水系格局進(jìn)行生態(tài)保護(hù)與修復(fù)，這對(duì)于長(zhǎng)江中下游水生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)格局的恢復(fù)與構(gòu)建也具有極為重要的參考意義.

6.5 工程控制背景下的流域水文連通多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)控研究

太湖流域河湖水系歷經(jīng)上千年的人類活動(dòng)改造，特別是近百年來為抵御大規(guī)模洪水入侵、滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要水系格局變化尤為劇烈，全流域的水文連通已離不開工程控制的背景.水利工程的調(diào)度與調(diào)控情況必然改變流域河湖水文連通性，進(jìn)而對(duì)洪水調(diào)蓄、水資源供給、水環(huán)境凈化、生物多樣性維持等多項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生影響.河湖水文連通變化條件下，多項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間存在權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，一定程度的連通性有利于改善河流水系破碎化、渠道化等問題，保障水安全，維持沿岸濕地生態(tài)環(huán)境；但過高的連通性為外來物種入侵提供了便利，加劇河道內(nèi)物種競(jìng)爭(zhēng)，增加下游防洪壓力，有利于污染物遷移運(yùn)輸，產(chǎn)生級(jí)聯(lián)效應(yīng)，加劇水體污染.因此，工程控制背景下太湖流域水文連通的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)控研究，亟待深入研究.目前這方面的研究還比較薄弱，難以滿足實(shí)踐指導(dǎo)要求.因此需要根據(jù)水文連通性變化產(chǎn)生的效應(yīng)，即對(duì)河湖水系連通變化影響的水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行權(quán)衡與協(xié)同，并對(duì)水利基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行成本和效益評(píng)估，以期尋找最適宜的連通程度.就洪水調(diào)蓄而言，可以建立水文連通性與歷史時(shí)期水位水量、洪水過程響應(yīng)的關(guān)系，利用水文水量模型和情景分析等方法，探討洪水過程對(duì)不同水文連通程度的響應(yīng)，以確定水利工程的最佳調(diào)度規(guī)則和方案.就水資源供給而言，統(tǒng)籌區(qū)域和城鄉(xiāng)供水以及生態(tài)補(bǔ)水需求，針對(duì)太浦河沿線城市水資源供需匹配，建立跨界水權(quán)交易及補(bǔ)償機(jī)制，通過洪水資源化、豐蓄枯用等措施增加水資源有效供給，并加強(qiáng)流域降水過程的監(jiān)測(cè)預(yù)警，及時(shí)調(diào)整閘門開閉.就水環(huán)境而言，水閘決定了河流縱向連通性，但由于太湖流域河流流向?qū)儆谕鶑?fù)流，閘門開啟對(duì)水生生境和水環(huán)境的恢復(fù)和治理可能有正向促進(jìn)或反向抑制作用，取決于水閘兩側(cè)水體的污染物濃度高低.因此應(yīng)根據(jù)當(dāng)前水流流向科學(xué)決策水壩調(diào)度，控制污染物入湖總量，以達(dá)到用水質(zhì)較好的水體稀釋水質(zhì)較差水體的作用.就水生態(tài)而言，可以建立水文連通性與關(guān)鍵生態(tài)環(huán)境指標(biāo)的關(guān)系，如與營(yíng)養(yǎng)鹽排放量、底棲動(dòng)物多樣性、浮游植物生物量、生物完整性指數(shù)等的關(guān)系，耦合河湖水質(zhì)水動(dòng)力模型，預(yù)測(cè)不同水文連通程度對(duì)水質(zhì)和水生生物群落的影響，從而確定維持生態(tài)環(huán)境良好狀態(tài)的最適連通程度.在上述研究的基礎(chǔ)上，需建立洪水調(diào)蓄、水資源供給、水環(huán)境和水生態(tài)間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，針對(duì)不同水文季節(jié)及水文年設(shè)定流域水文連通性優(yōu)化調(diào)控的目標(biāo)優(yōu)先級(jí)，如豐水期優(yōu)先保證防洪安全、枯水期優(yōu)先滿足生活用水，保障基本生態(tài)用水，統(tǒng)籌農(nóng)業(yè)、工業(yè)及航運(yùn)需要，統(tǒng)籌考慮經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)三維一體[146].最終，以水文連通效應(yīng)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系為約束條件，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，利用遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法優(yōu)化水閘聯(lián)合調(diào)度規(guī)則，綜合各方效應(yīng)的最優(yōu)解，確定特定時(shí)期太湖流域最適水文連通閾值，為合理規(guī)劃、優(yōu)化調(diào)度水利工程提供指導(dǎo).

7 結(jié)論

本文系統(tǒng)梳理了不同學(xué)科背景和研究尺度下水文連通性的定義，將受人類活動(dòng)干擾強(qiáng)烈的平原河網(wǎng)區(qū)水文連通性概念進(jìn)一步理解為：自然演變或人工修建的江、河、湖、濕地等水體系統(tǒng)，受閘、壩、泵、圩、堤等水利工程調(diào)節(jié)后，其水流、物質(zhì)流、能量流與信息流被促進(jìn)或阻礙的程度和方向，包括河-河、河-湖(濕地)、湖-湖之間的連通.

針對(duì)太湖流域水文連通性研究，本文從水文連通評(píng)價(jià)方法、演變過程、成因及效應(yīng)四個(gè)方面展開分析與討論.目前已有研究主要從流域、區(qū)域和城市水系3個(gè)研究尺度對(duì)太湖流域水文連通程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，多采用圖論、景觀格局指數(shù)、水文連通性函數(shù)等方法；根據(jù)人類活動(dòng)影響程度，太湖流域水文連通演變可大致分為自然水系形成、古代人類活動(dòng)影響與現(xiàn)代人類活動(dòng)影響(局部治理、全面治理與現(xiàn)代化治理階段)3個(gè)階段；結(jié)合流域內(nèi)水利政策、水利工程及城市化建設(shè)，探討了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)太湖流域水文連通性變化的雙重影響；最后辯證分析了水文連通性變化對(duì)太湖流域洪水調(diào)蓄、水資源供給、水環(huán)境治理及水生態(tài)修復(fù)造成的正向與負(fù)向效應(yīng).

為進(jìn)一步推動(dòng)太湖流域水文連通性研究，綜合已有研究和熱點(diǎn)前沿，本文從加強(qiáng)平原河網(wǎng)區(qū)水文連通性過程機(jī)理動(dòng)態(tài)刻畫及多維度評(píng)價(jià)方式、構(gòu)建長(zhǎng)時(shí)間序列流域水文連通演變格局并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析、長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)大型水利工程建設(shè)及運(yùn)行調(diào)度對(duì)流域水文連通及其水環(huán)境水生態(tài)的影響機(jī)理和趨勢(shì)、選取水利示范區(qū)進(jìn)行水利工程生態(tài)化修復(fù)改造、權(quán)衡協(xié)同洪水調(diào)蓄、水資源供給、水環(huán)境及水生態(tài)等方面構(gòu)建流域水文連通多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)控模型等方面做出討論與展望，以期為太湖流域水文連通性研究與應(yīng)用提供理論及方法指導(dǎo).