基于AHP-熵權(quán)法的平原城市河網(wǎng)水系連通性評價
——以廊坊市為例

梁霄，巨文慧，孫博聞，胡澤，高學(xué)平，張晶，趙進勇

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300350；2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100089)

城市化進程影響著水系的結(jié)構(gòu)特征和空間分布[1]，由人類活動引起的水系衰減、水面率下降、支流退化以及河網(wǎng)復(fù)雜度下降等因素顯著影響著城市水系的蓄滯洪能力、水環(huán)境健康和水文過程。水系的功能與水系連通程度存在密切聯(lián)系[2]，具體表現(xiàn)為：水系連通促進物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化，為能量流動提供基本場所；水系連通能夠維持河湖生態(tài)演化功能[3]。目前對水系連通性尚未形成統(tǒng)一定義，依據(jù)應(yīng)用廣泛程度采用長江水利委員會在《維護健康長江，促進人水和諧研究報告》中對水系連通性的定義：河流干支流、湖泊及其濕地等水系的連通狀況，反映水流的連續(xù)性和水系的連通狀況[4]。因此，對平原城市河網(wǎng)水系連通性評價展開研究具有重要意義。

國內(nèi)外已有研究多基于水系形態(tài)、圖論與水文過程的某些指標(biāo)進行評價，評價指標(biāo)包括水系格局、結(jié)構(gòu)連通性和水力連通性3個方面。其中，水系格局與結(jié)構(gòu)連通性兩方面指標(biāo)應(yīng)用較多，而水力連通性研究相對較少。

在水系格局與結(jié)構(gòu)連通性評價方面的研究有：Cui等[5]基于圖論理論從結(jié)構(gòu)連通性方面對比分析高流量和低流量兩種城市河網(wǎng)的水系連通性；周振民等[6]從水系格局和結(jié)構(gòu)連通性兩方面選取部分特征指標(biāo)構(gòu)建城市河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)評價體系，分別對規(guī)劃前后的鄭州市河網(wǎng)水系連通性進行評價；竇明等[7]從水系的結(jié)構(gòu)形態(tài)和連通形態(tài)兩個層面構(gòu)建了一套描述水系形態(tài)演變特征的評價體系，并對鄭州市水系進行實例應(yīng)用；夏敏等[8]對表征河網(wǎng)連通程度的主要指標(biāo)進行了概括，得到水系格局連通度，在此基礎(chǔ)上綜合結(jié)構(gòu)連通性指標(biāo)構(gòu)建評價體系，對巢湖環(huán)湖區(qū)水系連通性進行評價；傅春等[9]建立水系格局與結(jié)構(gòu)連通性評價體系，對城市化進程下南昌市城區(qū)水系特征變化與河流連通性進行初步探討；李普林等[10]從水系格局和結(jié)構(gòu)連通性角度出發(fā)，選取6項指標(biāo)建立水系連通性評價體系，對研究區(qū)水系規(guī)劃前后進行連通性評價；馬棟等[11]基于圖論邊連通度方法，從結(jié)構(gòu)連通性方面對揚州市主城區(qū)水系結(jié)構(gòu)連通狀況進行評價。

在水力連通性評價方面的研究有：孟祥永等[12]在水系格局和結(jié)構(gòu)連通性基礎(chǔ)上增加水力連通性評價內(nèi)容，構(gòu)建區(qū)域尺度下城市水系連通性評價體系；Phillips等[13]建立基于水流阻力及水文過程的城市河流水力連通性評價體系；崔廣柏等[14]綜合考量平原城市河網(wǎng)的水系特點，從水系格局與水力連通性等方面選取較為關(guān)鍵的指標(biāo)構(gòu)建水系連通性評價體系；李景保等[15]從結(jié)構(gòu)連通性方面構(gòu)建水系連通性評價體系，并以水位為研究對象，增加水力連通性方面評價內(nèi)容，從結(jié)構(gòu)連通性和水力連通性兩方面綜合分析研究區(qū)水系連通變化過程。

以上對于平原城市河網(wǎng)水系連通性評價的研究，不同學(xué)者側(cè)重點均有不同，目前并未系統(tǒng)地構(gòu)建水系連通性評價體系。由于平原城市河網(wǎng)水系密布，在閘門、水泵等水利工程的控制下，水流運動復(fù)雜，水系連通不暢，影響河道自凈能力[14]。同時，影響水系連通的因子是多樣的，閘壩的調(diào)控使其影響更具不確定性。因此，對于平原城市河網(wǎng)的連通性評價在考慮水系格局和結(jié)構(gòu)連通性基礎(chǔ)上還需要考慮水力流動性，從而更為科學(xué)地分析評價城區(qū)水系的連通狀況?；诖?，本文以廊坊城區(qū)水系為例，選取能夠代表城區(qū)水系連通性的關(guān)鍵因子，從水系格局、結(jié)構(gòu)連通性、水力連通性3個方面構(gòu)建平原城市河網(wǎng)水系連通性評價體系，定量評價不同水系連通方案的水系連通狀況，確定最優(yōu)水系連通方案。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)為廊坊市區(qū)(廣陽區(qū)、安次區(qū))，包括整個未來規(guī)劃區(qū)中心城區(qū)、都市區(qū)北部，總面積942 km2，地處永定河沖積平原，屬于平原河網(wǎng)區(qū)，以平原和洼地為主，自北向南傾斜，海拔0～20 m，地勢平緩。區(qū)域多年平均氣溫11.8 ℃，年平均蒸發(fā)量1 909.6 mm，年平均日照2 689 h，日照率為60%。區(qū)域內(nèi)主要河流包括北部的鳳河、中部的龍河以及南部的永定河，其中環(huán)城河流包括五干渠、六干渠等8條支渠。永定河泛區(qū)河流包括天堂河、勝天渠等6條支渠，見圖1。區(qū)域內(nèi)水量分布不均，其中北部的鳳河水量豐沛，而中部的環(huán)城河道、龍河、南部的永定河泛區(qū)缺水嚴重，龍河出境處多年斷流，泛區(qū)斷流30年以上。因此，有必要對該區(qū)域制定合適的水系連通方案，通過構(gòu)建水系連通性評價體系對不同連通方案的水系連通性進行分析評價，以得到該區(qū)域水系連通最優(yōu)方案，從而緩解該區(qū)域水資源短缺等問題，提升廊坊城區(qū)水資源均衡程度。

圖1 研究區(qū)域河流水系

1.2 數(shù)據(jù)來源

廊坊市河網(wǎng)水系的河道特征、水文參數(shù)、水力特性、閘壩過流能力等數(shù)據(jù)來源于《廊坊水文水資源實用指南》《廊坊市生態(tài)水系總體規(guī)劃(2016—2030)》《2019年廊坊市水資源公報》《廊坊市河道等級分類表》等相關(guān)資料。

2 研究方法

2.1 水系連通性評價體系構(gòu)建方法

城市水系是一個復(fù)雜的水網(wǎng)系統(tǒng)，為描述城市水系不同連通方案的水系連通狀況，需構(gòu)建一套評價體系對城市水系連通性進行評價。選取國內(nèi)近年來幾個代表性的城市水系連通性評價研究案例，對其指標(biāo)選用進行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)對于水系連通性評價指標(biāo)的選用較為復(fù)雜，不同學(xué)者側(cè)重點有所不同，詳見表1。其中：水系格局方面主要是以河網(wǎng)密度來描述區(qū)域水系的河流特征，水面率和河頻率的選用也相對較多[6,9,11]；結(jié)構(gòu)連通性方面更多基于景觀生態(tài)學(xué)和圖論理論進行評價，主要采用水系連通度指標(biāo)來評價水系的結(jié)構(gòu)連通性[8,12]，部分學(xué)者基于河流分級標(biāo)準(zhǔn)[9]或從定性角度[14]采用能夠反映河道自身結(jié)構(gòu)屬性的指標(biāo)，以衡量水系結(jié)構(gòu)連通性強弱；水力連通性方面只有個別學(xué)者有所涉及，指標(biāo)選用也相對欠缺，幾乎忽略了水力連通性對城市水系連通的影響。為定量評價平原城市河網(wǎng)的水系連通狀況，根據(jù)城市水系特點對表1中各準(zhǔn)則層相應(yīng)的指標(biāo)進行篩選或改進，構(gòu)建一套適合平原城市河網(wǎng)的水系連通性評價體系。為提高城市水系連通性評價體系適用性、兼顧資料獲取難易等情況，將表1中評價指標(biāo)按照使用頻率進行排序后分為必選指標(biāo)與可選指標(biāo)，方便在不同研究區(qū)域進行評價時能夠靈活選取。考慮到水力連通性對河網(wǎng)水系的影響，建議在構(gòu)建水系連通性評價體系時至少選取一個水力連通性指標(biāo)。

表1 城市水系連通性評價體系指標(biāo)

2.1.1水系格局評價

現(xiàn)有的水系格局指標(biāo)主要從河流地貌學(xué)等角度出發(fā)，采用河網(wǎng)密度、水面率、河頻率反映水系的形態(tài)特征。河網(wǎng)密度、河頻率分別表示單位面積上河流的長度和數(shù)量，水面率反映區(qū)域水域面積的大小，3項指標(biāo)雖能表征區(qū)域的水系規(guī)模，但側(cè)重點均局限于靜態(tài)的反映水系的發(fā)展現(xiàn)狀。對于動態(tài)評價方面，如河道能否發(fā)揮其容蓄洪水的作用等方面有所欠缺，導(dǎo)致目前人們改造城市河流水系對河網(wǎng)產(chǎn)生的負面影響存在很多未知。城市水系不同于一般水系，在城市發(fā)展建設(shè)的同時應(yīng)重點兼顧城市水系防洪排澇等問題。河道槽蓄量是評價河道防洪排澇能力的重要指標(biāo)，可以直接反映河網(wǎng)容蓄洪水量及水資源調(diào)度能力[16]。鑒于此，在靜態(tài)評價基礎(chǔ)上增加動態(tài)評價，計算河道槽蓄量。綜合考慮靜態(tài)和動態(tài)兩方面因素，選取水面率、河網(wǎng)密度、河頻率和河道槽蓄量[6,8,12]4項指標(biāo)，更全面地評價城市水系的形態(tài)特征。

2.1.2結(jié)構(gòu)連通性評價

平原城市河網(wǎng)水系密布、水流運動復(fù)雜，并且地勢平坦、河道水流流向不定，加之城市水系人工改造程度高，不符合Horton、Strahler等[17]提出的河流分級規(guī)律，而人為根據(jù)河流寬度進行水系分級時主觀性較強，并且缺乏足夠的經(jīng)驗，因此采用基于河流分級準(zhǔn)則的河網(wǎng)復(fù)雜度、河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)等指標(biāo)來評價平原城市河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)連通性明顯不足。圖論理論中邊連通度主要適用于分析同一研究區(qū)不同年份河網(wǎng)連通性的變化特征[6]；崔廣柏等[14]只側(cè)重于從定性角度分析河道級別的高低。為將結(jié)構(gòu)連通性以量化形式體現(xiàn)，引入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連通性，其來源于景觀生態(tài)學(xué)中景觀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接度的概念[18]，依據(jù)圖論理論[19]對區(qū)域河網(wǎng)內(nèi)水系進行結(jié)構(gòu)連通性評價。目前，多指標(biāo)評價法是景觀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接度的常用評價方法，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中“點-線”的數(shù)量關(guān)系來評價結(jié)構(gòu)連通性。景觀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接度一般采用節(jié)點度數(shù)、廊道密度、水系環(huán)度、節(jié)點連接率和水系連通度等指標(biāo)，節(jié)點度數(shù)一般不用于水系連通，廊道密度等同于水系格局準(zhǔn)則層下的河網(wǎng)密度[20]，加之城區(qū)河網(wǎng)水系復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中點、線數(shù)量較多，在選取指標(biāo)時應(yīng)將點與點、線與線、點與線之間的關(guān)系對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響因素都包含其中。鑒于此，選取水系環(huán)度(α指數(shù))、節(jié)點連接率(β指數(shù))和水系連通度(γ指數(shù))[7-8,21]來進行結(jié)構(gòu)連通性評價。因此，結(jié)構(gòu)連通性評價方法體現(xiàn)了水系圖中點、線之間的相互聯(lián)系，適用于平原城市河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)連通性評價。

2.1.3水力連通性評價

水系連通性應(yīng)包括水系格局、結(jié)構(gòu)連通性和水力連通性[2]。水力連通性與結(jié)構(gòu)連通性密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)連通性是水系連通調(diào)控的基礎(chǔ)，而水力連通性是水系連通的內(nèi)在目標(biāo)，良好的結(jié)構(gòu)連通性有利于河網(wǎng)的規(guī)劃、修建合理的水利工程，從而提高水力連通性[20]。現(xiàn)有研究往往著重于河網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特征變化，而忽略水體流動能力的強弱，故本文在結(jié)構(gòu)連通性基礎(chǔ)上，充分考慮水體流動能力對水系連通性的影響，采用流速、水流動勢、水位3個指標(biāo)進行水力連通性評價。其中:流速取河網(wǎng)各河段的平均流速，由于平原城市河網(wǎng)地勢平坦、流速平緩，因此在一定程度上可認為河道平均流速越大，河網(wǎng)各河段之間水流置換效果越佳，水力連通性越強[14]；水流動勢可反映水體流動能力的強弱[12]，與河道坡降、河道斷面形態(tài)等有關(guān)，坡降決定了水體流速，河道斷面形態(tài)決定了水體體積；對于不同區(qū)域水系的地形、地貌、土壤和氣候等都有所差異，因此對于水體流動能力的定量計算方法也就有所差異，而本區(qū)域?qū)儆谄皆泳W(wǎng)區(qū)，地勢平坦、流速平緩，水位高低直接反映了各水系的水體流動能力，故采用水位來量化水力連通能力。李景保等[15]用兩個水位站點之間的水位差來表征水力連通能力，其計算公式為

(1)

式中：C為同一河流上下游水位站點之間的水力連通能力，m-1；ΔZ為兩站點之間的水位差，m。但此方法只能計算一條河流內(nèi)的上下游水力連通能力，對于整個河網(wǎng)則無法計算。為定量計算平原城市河網(wǎng)的水力連通能力，將該方法進行改進為

(2)

式中：Ch為整個河網(wǎng)各河段的平均水力連通能力，m-1；|ΔZi|為第i條河段上下游站點之間的水位差，m；N為整個河網(wǎng)的河段總數(shù)，條。

2.1.4水系連通性評價體系構(gòu)建

為改善城市水資源短缺等問題，通過比選不同水系連通方案的水系連通效果來確定水系連通最優(yōu)方案，因此以水系連通最優(yōu)方案為目標(biāo)層，以水系格局、結(jié)構(gòu)連通性、水力連通性為準(zhǔn)則層，以10項評價指標(biāo)為指標(biāo)層，構(gòu)建水系連通性評價體系見表2。

表2 平原城市河網(wǎng)水系連通性評價體系

2.2 水系連通評價指標(biāo)計算方法

2.2.1圖論法

將河網(wǎng)水系中河流交匯點定義為水系圖模型中的節(jié)點，將連接節(jié)點之間的河流定義為水系圖模型中的河鏈，從而將河網(wǎng)水系概化為由節(jié)點和河鏈共同組成的圖形[9]。采用圖論法可以獲取區(qū)域水網(wǎng)河流長度、河流數(shù)量、節(jié)點數(shù)及河鏈數(shù)，從而對結(jié)構(gòu)連通性準(zhǔn)則層下各指標(biāo)進行計算。

2.2.2水動力數(shù)學(xué)模型

采用水動力數(shù)學(xué)模型計算水力連通性準(zhǔn)則層下各指標(biāo)。由于研究區(qū)域河網(wǎng)復(fù)雜，河流實測資料有限，選取與本區(qū)域類似、同屬海河流域的某小運河段進行模型參數(shù)率定，小運河段全襯砌段和非襯砌段糙率分別為0.015和0.025，本模型中大皮營引渠為全襯砌段，故糙率取0.015，其他河段為非襯砌段，糙率取0.025。小運河段設(shè)計流量50 m3/s，下游設(shè)計水位為31.25 m，以此為邊界條件對模型進行驗證。小運河段計算水深和設(shè)計水深對比見圖2，其最大誤差0.160 m，均方根誤差REMS為6.640%，計算水深和設(shè)計水深擬合效果好，該水動力模型可以用于河流水動力數(shù)值模擬。模型控制方程為非恒定流Saint-Venant方程組，采用加權(quán)四點隱格式有限差分法求解。

圖2 小運河段計算水深與設(shè)計水深對比

連續(xù)性方程

(3)

動量方程

(4)

式中:q1為單位長度側(cè)向入流量，m2/s；Q為流量，m3/s；t為時間，s；v為流速，m/s；x為縱軸坐標(biāo)，m；g為重力加速度，m/s2；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；Z為水位，m；Sf=Q|Q|/K2，m3/s；K為流量模數(shù)。

2.3 水系連通性評價方法

已有水系連通性評價研究多基于某些指標(biāo)進行水系連通性評價[8]，而僅通過指標(biāo)值對水系連通性進行評價缺乏綜合性可能存在某一方面指標(biāo)較優(yōu)，而另一方面指標(biāo)較劣的現(xiàn)象。為綜合評價不同方案的水系連通性，采用綜合評價法對10項指標(biāo)賦權(quán)，進而對不同水系連通方案進行綜合評價。

2.3.1指標(biāo)權(quán)重計算

目前，層次分析法和熵權(quán)法在確定指標(biāo)權(quán)重時應(yīng)用較為廣泛。層次分析法基于個人定性觀點，通過建立層次樹模型對各層指標(biāo)進行相對重要程度的比較，從而確定指標(biāo)權(quán)重，屬于主觀賦權(quán)法[22]。熵權(quán)法基于指標(biāo)數(shù)值，定量計算各指標(biāo)對應(yīng)的熵值，進而得到各指標(biāo)對應(yīng)的熵權(quán)，屬于客觀賦權(quán)法[23]。主觀賦權(quán)法人為因素影響較大，主觀性較強，而客觀賦權(quán)法完全依賴數(shù)據(jù)自有特征，容易忽略指標(biāo)特性。為解決主、客觀權(quán)重計算法存在的問題，在確定評價指標(biāo)權(quán)重時采用AHP-熵綜合權(quán)重法[24]，權(quán)重計算過程如下:

AHP權(quán)重計算。計算公式為

(5)

(6)

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值；m為判斷矩陣的階數(shù)；RI為一致性指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值。若CR<0.1，則檢驗通過。借助MATLAB程序計算λmax對應(yīng)的特征向量，得到各層次元素權(quán)重。將各層次元素權(quán)重相乘即可得到評價指標(biāo)相對準(zhǔn)則層的權(quán)重，即AHP權(quán)重。

熵權(quán)計算。首先對評價指標(biāo)數(shù)值進行歸一化處理，得到歸一化矩陣，然后定量計算各評價指標(biāo)對應(yīng)的熵值，得到指標(biāo)對應(yīng)的熵權(quán)。

指標(biāo)歸一化處理。計算公式為

(7)

(8)

式中：x(i,j)為第i個評價方案第j個評價指標(biāo)歸一化后的值；xmax(j)和xmin(j)分別為第j個評價指標(biāo)的最大值和最小值；x*(i,j)為第i個評價方案第j個評價指標(biāo)的實際值。

熵值計算公式為

(9)

(10)

(11)

式中：Hj為評價指標(biāo)j的熵值，在此假定當(dāng)fij=0時，fijlnfij=0；gij為評價指標(biāo)的歸一化矩陣；k為玻爾茲曼常量；N為評價方案的總個數(shù)。

熵權(quán)計算公式為

(12)

式中：M為評價指標(biāo)的總個數(shù)。

綜合權(quán)重計算(AHP-熵權(quán)法)。將AHP法計算得到的指標(biāo)權(quán)重值記為w*，熵權(quán)法計算得到的指標(biāo)權(quán)重記為w′，評價指標(biāo)的個數(shù)記為j(j=1,2,…,M)，計算得出的綜合權(quán)重

(13)

2.3.2綜合評價步驟

通過各方案評價指標(biāo)數(shù)值建立初始決策矩陣X，根據(jù)式(14)對矩陣X進行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到規(guī)范化矩陣Y；由評價指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果得到權(quán)重矩陣W；通過規(guī)范化矩陣Y和權(quán)重矩陣W計算得出決策值矩陣V，即V=YW[25-26]。設(shè)連通方案有N個，每個待評價方案有M個評價指標(biāo)，xij代表第i個待評價方案中的第j個指標(biāo)值，則初始決策矩陣X、規(guī)范化矩陣Y、權(quán)重矩陣W及決策值矩陣V分別表示為

指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化計算公式為

(i=1,2,…,N;j=1,2,…,M)

(14)

2.4 水系連通方案擬定

根據(jù)研究區(qū)域的相關(guān)規(guī)劃，對污染較嚴重的勝利支渠、勝豐支渠與小劉莊支渠進行疏通或填埋等改造工程。在3條支渠水流方向為自流的前提下，初擬8種水系連通工況，各工況條件見表3。

表3 關(guān)鍵支渠不同啟閉工況

3 結(jié)果與討論

3.1 水系連通評價指標(biāo)計算結(jié)果

基于GIS平臺分別構(gòu)建8種連通工況的水系圖模型，其中工況一的水系模型見圖3。采用圖論法統(tǒng)計各工況對應(yīng)河網(wǎng)的河流長度、河流數(shù)量、節(jié)點數(shù)及河鏈數(shù)，對水系格局準(zhǔn)則層的河網(wǎng)密度、河頻率及結(jié)構(gòu)連通性準(zhǔn)則層各指標(biāo)進行計算。同時，基于研究區(qū)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對研究區(qū)域進行水量平衡分析確定水動力數(shù)學(xué)模型邊界條件，其中工況二水動力模型見圖4。在相同流量邊界條件下，應(yīng)用水動力數(shù)學(xué)模型進行模擬，從而得到各工況河網(wǎng)的水面率及河道槽蓄量，在此基礎(chǔ)上進一步統(tǒng)計各河道流速、上下游水位等計算結(jié)果并對水力連通性指標(biāo)進行計算。各工況水系連通性評價指標(biāo)計算結(jié)果見表4。

表4 各工況水系連通性評價指標(biāo)計算結(jié)果

圖3 工況一水系模型

圖4 工況二水動力模型

3.2 水系連通方案評價結(jié)果

表5 水系連通性評價指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果

參考關(guān)于水系連通評價指標(biāo)等級劃分的相關(guān)研究[21,27-28]，制定適用于本區(qū)域的水系連通等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)指標(biāo)值計算結(jié)果將其劃分為I～X共10個等級，表示水系連通效果逐漸降低，各指標(biāo)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表6。將指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)值進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，結(jié)合評價指標(biāo)綜合權(quán)重計算結(jié)果，得到適用于本區(qū)域的水系連通等級分界線值，其中9項等級分界線值由高到底依次為：0.536、0.527、0.518、0.509、0.500、0.490、0.481、0.472、0.463。對表4指標(biāo)數(shù)值進行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到規(guī)范化矩陣Y，根據(jù)表5得到權(quán)重矩陣W，利用規(guī)范化矩陣Y、權(quán)重矩陣W計算得到?jīng)Q策值矩陣V，見式(15)至(17)。各工況最終的決策值與其對應(yīng)的評價等級結(jié)果見表7。

表6 水系連通評價指標(biāo)體系等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

表7 各工況決策值與其對應(yīng)評價等級

Y=(0.490 0.477 0.404 0.487 0.581 0.521 0.543 0.498 0.463 0.488 0.497 0.510 0.532 0.490 0.454 0.489 0.476 0.470 0.466 0.488 0.507 0.508 0.532 0.512 0.454 0.489 0.476 0.467 0.469 0.501 0.506 0.505 0.532 0.510 0.454 0.489 0.503 0.476 0.475 0.486 0.493 0.492 0.468 0.487 0.504 0.502 0.503 0.489 0.467 0.480 0.503 0.490 0.468 0.510 0.504 0.502 0.503 0.486 0.470 0.494 0.494 0.495 0.468 0.490 0.504 0.502 0.503 0.479 0.461 0.495 0.510 0.523 0.596 0.513 0.419 0.479 0.457 0.533 0.539 0.520)T

(15)

W=(0.085 0.072 0.071 0.109 0.094 0.092 0.094 0.117 0.163 0.102)T

(16)

V=YW=(0.495 0.494 0.488 0.488 0.487 0.492 0.487 0.509)T

3.3 最優(yōu)連通方案分析

對評價體系中水系格局準(zhǔn)則層下新增的河道槽蓄量以及水力連通性準(zhǔn)則層下改進的水力連通能力兩項指標(biāo)評價結(jié)果進行初步分析，利用SPSS軟件采用雙變量相關(guān)分析法分析指標(biāo)間的相關(guān)性，趨勢分析結(jié)果見圖5、圖6，相關(guān)性分析結(jié)果見表8。河道槽蓄量、水力連通能力分別與能反映水系格局和水力連通性的水面率、水流動勢變化趨勢基本一致，河道槽蓄量與水面率、水力連通能力與水流動勢兩對指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)分別為0.957、0.836，指標(biāo)間均呈高度相關(guān)關(guān)系，且顯著性系數(shù)均小于0.05，表明兩對指標(biāo)間相關(guān)關(guān)系顯著。指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果說明新增的河道槽蓄量和改進的水力連通能力均適用于平原城市河網(wǎng)水系連通性評價體系。

圖5 廊坊市水系格局新增指標(biāo)變化趨勢

圖6 廊坊市水力連通性改進指標(biāo)變化趨勢

表8 評價指標(biāo)相關(guān)性分析

從水系格局評價結(jié)果可以看出：工況八的4項指標(biāo)均處于最高水平，說明在開啟3條支渠后，河網(wǎng)的水系規(guī)模最大;其中，河道槽蓄量、水面率分別較關(guān)閉3條支渠后提高5.21%、4.32%，河網(wǎng)存儲水資源能力增強。表4中結(jié)構(gòu)連通性評價結(jié)果表明：工況一在關(guān)閉3條支渠后，水系環(huán)度、節(jié)點連接率、水系連通度最大，分別達到0.667、1.900、0.792，其結(jié)構(gòu)連通性最強；工況八在開啟3條支渠后，結(jié)構(gòu)連通性最弱，3項指標(biāo)分別降低至0.481、1.750、0.667。這是由于結(jié)構(gòu)連通性準(zhǔn)則層下指標(biāo)數(shù)值與水系節(jié)點數(shù)與河鏈數(shù)密切相關(guān)，如水系連通度是由水系圖的連接河段數(shù)與最大可能連接河段數(shù)之比計算得到，能夠反映河網(wǎng)水系之間連通性強弱和水分輸移能力。從結(jié)構(gòu)連通性角度而言，當(dāng)3條支渠均連通時，水系網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，在節(jié)點增多的同時，其最大可能連接河段數(shù)也在增多，導(dǎo)致節(jié)點未能充分發(fā)揮連接河段的能力。此外，平原城市河網(wǎng)水系人工改造程度高，受人類活動影響顯著。新開部分河道后，河流間水流交匯困難，因此結(jié)構(gòu)連通性較差。表4中工況八的河網(wǎng)平均流速最大，為0.169 m3/s，高于其他工況約7%～14.2%，水力連通能力明顯增強。其中：水流動勢較最低工況提高16.4%，這說明水系連通能夠促進河流間的水動力交換，將所有河網(wǎng)支渠進行連通后，水流循環(huán)更加通暢，河流間水流置換效果更佳，河網(wǎng)調(diào)蓄能力有所增強；同時由于地形等因素影響，連通后的水系具有較好的水動力條件。

由各工況的評價結(jié)果可知，不同的工況在水系格局、結(jié)構(gòu)連通性和水力連通性3個準(zhǔn)則層均存在差異。以往研究多通過指標(biāo)值評價方案在某一準(zhǔn)則層的連通狀況，例如工況一水力連通性較差，但其結(jié)構(gòu)連通性最強，而工況八反之。需要指出的是，并非在所有水系連接的情況下區(qū)域河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)連通性最好，而本研究得到的水系連通最優(yōu)方案其結(jié)構(gòu)連通性也并非最優(yōu)，這也說明不能僅依靠結(jié)構(gòu)連通性下指標(biāo)大小決定各方案水系連通情況，需要從多個準(zhǔn)則層出發(fā)選取相關(guān)指標(biāo)構(gòu)建河網(wǎng)水系連通性評價體系。因此，為兼顧水系連通性3大準(zhǔn)則層，采用綜合評價法對各項指標(biāo)賦權(quán)，進而對各工況進行綜合評價，結(jié)合式(17)中綜合評價得分值和等級分界線值可得：工況八得分值為0.509，連通等級為Ⅳ級，連通效果最優(yōu)；工況五、工況七得分值為0.487，連通等級為Ⅶ級，連通效果最差；其他工況連通等級介于兩者之間?？梢?，由于所有水系連通后河網(wǎng)規(guī)模較大，所帶來的水系格局與水動力交換優(yōu)勢在一定程度上彌補了水系網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜造成的結(jié)構(gòu)連通性不足。需要說明，由于區(qū)域水系連通目標(biāo)與關(guān)注指標(biāo)的側(cè)重點不同，在不同研究區(qū)域或同一研究區(qū)域不同指標(biāo)賦權(quán)結(jié)果下，最優(yōu)連通方案可能會存在差異。

綜上，確定工況八為廊坊城區(qū)水系連通最優(yōu)方案，建議河網(wǎng)在輸水過程中開啟勝利支渠、勝豐支渠和小劉莊支渠，并根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況分別對污染嚴重的3條支渠進行相應(yīng)的疏通和清淤，以提高整個河網(wǎng)的水系連通性。

4 結(jié) 論

圍繞平原城市河網(wǎng)水系連通性評價問題，在總結(jié)相關(guān)研究案例基礎(chǔ)上，構(gòu)建了包含水系格局、結(jié)構(gòu)連通性和水力連通性3大準(zhǔn)則層共10項指標(biāo)的能夠反映平原城市河網(wǎng)水系特點的水系連通性評價體系。研究結(jié)論如下：

該體系能夠較全面地進行平原城市河網(wǎng)水系連通性評價，綜合反映不同水系連通方案的水系連通狀況。其中水系格局指標(biāo)反映了城區(qū)河網(wǎng)水系的特征，新增的河道槽蓄量與水面率指標(biāo)間呈顯著相關(guān)性，其能夠較好地反映河網(wǎng)水系存儲水資源的能力。

水力連通性指標(biāo)可反映水系水體流動性，對水力連通性準(zhǔn)則層中水力連通能力指標(biāo)計算方法進行了改進，使其適用于整個河網(wǎng)計算，彌補了以往該項指標(biāo)只適用于單條河流計算的局限性，但在今后的研究中仍需加強該指標(biāo)在其他城區(qū)水系的應(yīng)用研究。

針對僅通過指標(biāo)值評價水系連通狀況不能兼顧多因素影響的局限性，基于水系連通性評價體系，采用AHP-熵綜合評價法從水系格局、結(jié)構(gòu)連通性和水力連通性3方面對不同水系連通方案進行評價，得到不同水系連通方案的最終評價得分值，以確定水系連通最優(yōu)方案，并對整個河網(wǎng)提出合理的規(guī)劃建議。

通過綜合評價法確定工況八為廊坊城區(qū)水系連通最優(yōu)方案，即將3條污染嚴重的河道與其他河道進行連通后河網(wǎng)整體連通效果最優(yōu)。目前河網(wǎng)內(nèi)該3條河道已通水，周邊水質(zhì)已有所改善，而本文由于水質(zhì)資料有限并未對連通前后該區(qū)水質(zhì)情況進行模擬，故今后研究中可進一步分析連通該3條河道后可能會對河網(wǎng)造成的污染擴散風(fēng)險。