江漢平原河湖水系連通性評價(jià)研究

范魯曄，顧文權(quán)，邵東國，劉 杰

（武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072）

0 引 言

河湖水系是水資源的重要載體，也是山水林田湖草共同體的主要組成部分，其分布格局與連通性直接影響區(qū)域供水與生態(tài)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定［1］。在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展過程中，為抵御洪澇災(zāi)害，配置水資源，平原水網(wǎng)區(qū)建設(shè)了大量涉水工程，河湖水系布局與連通程度均受到巨大影響，已造成區(qū)域洪水調(diào)蓄能力下降、河湖健康退化等問題，嚴(yán)重威脅著區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。因此，開展平原水網(wǎng)區(qū)水系連通性評價(jià)，恢復(fù)和提高水系連通性具有重要現(xiàn)實(shí)意義［2，3］。

水系連通定量評價(jià)是提高水資源統(tǒng)籌調(diào)配能力、改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)問題［4，5］。國內(nèi)外學(xué)者從水系連通的概念、理論出發(fā)，引申出縱向、橫向、垂向及時(shí)間多維水系連通機(jī)制［6］，側(cè)重于景觀格局、生物保護(hù)、流域管理等宏觀尺度［7，8］或土壤和水體中的泥沙運(yùn)移、氮磷轉(zhuǎn)化等微觀視角［9，10］，涉及水系連通的機(jī)理與過程研究、影響因素及效應(yīng)評價(jià)，同時(shí)根據(jù)水系連通的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能等特征［11-15］提出一系列相關(guān)指標(biāo)［16］，發(fā)展了圖論法［17］、水文-水力學(xué)法［18］、景觀生態(tài)學(xué)法［19］和綜合指標(biāo)法［20］等多種研究方法。但目前研究多集中于天然河網(wǎng)，采用圖論法賦值邊的權(quán)重通常考慮水流阻力、河道截面形態(tài)、流量、泥沙輸運(yùn)量等因素［21］，對閘門泵站等水利工程的影響考慮不足；建立綜合指標(biāo)評價(jià)體系主要選用水系結(jié)構(gòu)、水文水動力、生態(tài)環(huán)境等方面的指標(biāo)［22］，部分?jǐn)?shù)據(jù)難以獲取，推廣應(yīng)用受限。因此，水系連通性評價(jià)方法還有待進(jìn)一步完善。

江漢平原位于長江中游，是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，但其河網(wǎng)復(fù)雜、湖泊眾多、水旱災(zāi)害頻繁。受氣候變化與人類活動的雙重影響，江漢平原內(nèi)部湖泊濕地萎縮，河流水體破碎化，水系連通性減弱，洪水宣泄不暢等問題日益嚴(yán)峻［23］。為修復(fù)和改善江漢平原水生態(tài)環(huán)境、降低水旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)施河湖水系連通戰(zhàn)略、保障水安全，需加強(qiáng)區(qū)域水系格局與連通性評價(jià)研究。

本文采用改進(jìn)圖論法建立江漢平原河湖水系概化模型，定量分析水系受閘站等水利工程設(shè)施影響下的結(jié)構(gòu)連通現(xiàn)狀，識別節(jié)點(diǎn)或河渠連通分布規(guī)律，測度整體連通等級；同時(shí)基于水系連通機(jī)制建立綜合指標(biāo)評價(jià)體系，定量分析工程調(diào)度現(xiàn)狀條件下的功能連通特性，識別影響水系連通的重要指標(biāo)與重點(diǎn)區(qū)域，為優(yōu)化江漢平原河湖水系連通布局、實(shí)施河湖水系連通工程措施提供相關(guān)參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

江漢平原位于湖北省中南部，地處兩湖盆地西部和中部，是長江中下游平原的重要組成部分，地處北緯29°26′～31°37′，東經(jīng)111°14′～114°36′之間。江漢平原屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，雨熱同季，客水豐富，水系發(fā)達(dá)，其中長江最大的支流漢江自西北向東南，經(jīng)天門轉(zhuǎn)向東，在漢口匯入長江。兩江與東荊河、通順河、四湖總干渠等支流構(gòu)成江漢平原骨干河網(wǎng)，河流之間形成洼地，湖沼發(fā)育廣泛，區(qū)域內(nèi)最大湖泊為洪湖。同時(shí)區(qū)內(nèi)水閘泵站、引調(diào)水工程等水利工程設(shè)施復(fù)雜。

綜合考慮地理特征與行政區(qū)劃，本研究范圍定義為漢江與長江干流、長湖以北的丘陵邊緣包圍的水網(wǎng)區(qū)域，面積1.44 萬km2，涵蓋四湖、通順河流域，如圖1 所示。區(qū)域內(nèi)河渠縱橫交錯，湖泊濕地眾多，水網(wǎng)密度大，人工干擾程度較強(qiáng)，河湖生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)可以基本代表大江漢平原。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)30 m 分辨率DEM 與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云（https：//www.gscloud.cn）；水網(wǎng)分布來自全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)（https：//www.webmap.cn），比例為1∶25W；重點(diǎn)水利工程設(shè)施位置來自荊州、仙桃、潛江三市防汛抗旱形勢圖及實(shí)地調(diào)研手持GPS 數(shù)據(jù)；閘站啟閉狀態(tài)及過流流量來自湖北省水利廳、荊州、仙桃、潛江三市水利局以及千里眼水雨情查詢系統(tǒng)（http：//113.57.190.228：8001）；骨干河流長度、湖庫庫容等特征參數(shù)來自《四湖流域綜合規(guī)劃報(bào)告》及《澤口灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造規(guī)劃報(bào)告》。

1.3 研究方法

1.3.1 改進(jìn)圖論法

傳統(tǒng)圖論法首先經(jīng)水系概化得模型圖G（V，E），V為點(diǎn)的集合，E為邊的集合，再根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的鄰接關(guān)系建立鄰接矩陣A（aij）n×n，aij為節(jié)點(diǎn)Vi與Vj直接相連的邊數(shù)，n為節(jié)點(diǎn)數(shù)，如圖2 所示。 根據(jù)圖的連通性判定準(zhǔn)則，若判斷矩陣S(sij) =全部為非零元素，則圖G（V，E）為連通圖，否則為非連通圖，其中，sij為節(jié)點(diǎn)Vi與Vj的可連接路徑總數(shù)，為兩節(jié)點(diǎn)經(jīng)中間連接k步的路徑數(shù)目，k=1，2，…，n-1。

圖2 河網(wǎng)水系的圖論概化模型Fig.2 Graph theory generalization model of river system

為進(jìn)一步考慮閘站對江漢平原水系網(wǎng)絡(luò)的阻隔效應(yīng)，同時(shí)限于閘門開度多受人工調(diào)控，實(shí)際水文資料難以獲取等因素，本文根據(jù)水網(wǎng)閘站越多，受控水平越高，連通性越低的特點(diǎn)［5］，基于單位長度河道的閘門數(shù)量，構(gòu)造適應(yīng)性連通度因子bij，公式為：

式中：gij與lij分別為節(jié)點(diǎn)Vi與Vj的閘門數(shù)量與實(shí)際距離，m。當(dāng)bij=1時(shí)，表示節(jié)點(diǎn)Vi與Vj之間不存在閘門等水工建筑物，該河段為完全連通狀態(tài)。

因平原河網(wǎng)區(qū)流速較小，流向多變，屬于往復(fù)流［24］，本研究暫不考慮流向，將河湖水系網(wǎng)絡(luò)概化為無向圖。采用連通度因子bij作為邊權(quán)值表征河網(wǎng)圖模型G，構(gòu)建加權(quán)鄰接矩陣，計(jì)算任意兩節(jié)點(diǎn)間k步所有連接路徑的連通度之和，以其平均路徑連通度的最大值表征河網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)間連通度dij，公式為：

對整體研究區(qū)域來說，對所有節(jié)點(diǎn)間的連通度求均值可得到流域平均連通度D，計(jì)算方法為：

本方法的主要特點(diǎn)有：①基于單位長度河道的閘門數(shù)量，以連通度因子作為邊的權(quán)值建立加權(quán)鄰接矩陣，考慮了閘門阻隔對水系網(wǎng)絡(luò)的不利影響；②引入節(jié)點(diǎn)間連通度dij評價(jià)非直接相連的節(jié)點(diǎn)間的連通性，同時(shí)考慮路徑中最不利節(jié)點(diǎn)對的限制效應(yīng)，降低因現(xiàn)實(shí)不可及而網(wǎng)絡(luò)可達(dá)的虛擬路徑的干擾。

1.3.2 綜合指標(biāo)法

根據(jù)水系連通性機(jī)制，河湖水系存在縱向、橫向、垂向及時(shí)間四個(gè)維度的連通性［6］。本文考慮江漢平原水網(wǎng)的密集程度高、受干擾程度大、季節(jié)性強(qiáng)等特點(diǎn)，側(cè)重于河流縱向及河湖橫向連通水平的量化分析，構(gòu)造河流碎片化指數(shù)、湖庫水流暢通指數(shù)、河流閘站阻隔指數(shù)、水面面積變化率及換水周期五個(gè)指標(biāo)，通過層次分析綜合評價(jià)江漢平原河湖水系功能性連通特性，如圖3所示。

圖3 連通性評價(jià)層次分析模型Fig.3 Analytic hierarchy process model for connectivity evaluation

（1）閘站阻隔是對河流縱向連通性影響最大的因素，若河道中閘門數(shù)量較多且分散趨于均勻化，其生態(tài)環(huán)境破碎化越為突出。根據(jù)各河道長度占域內(nèi)河道總長度的比值作為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，計(jì)算河流碎片化指數(shù)（River Fragmentation Index，RFI）量化縱向連通性。

（2）水體的出入流量越接近天然狀態(tài)，區(qū)域橫向匯流條件與水循環(huán)過程受干擾程度越低?？紤]徑流的年內(nèi)分布變異性，以自然月為基本時(shí)間單位，采用日出入湖流量不小于多年月均流量的累積天數(shù)，占該月總天數(shù)比值的年度平均值，作為湖庫水流暢通指數(shù)（Flow Circulation Index，F(xiàn)CI）。

（3）水體的換水周期（Lake Residence Period，LRP）決定了植物演替、生物遷移、泥沙溶質(zhì)運(yùn)移等速率，其水位的漲落提高了水體與灘地或河岸帶間的橫向連通性?？紤]不同季節(jié)多年平均水位不同，采用河湖各月多年平均蓄水量與評價(jià)年對應(yīng)月份平均出湖流量的比值，表征每月的換水周期，再取全年算術(shù)平均值。

（4）水域面積主要反映受到出入湖流量、滲漏、蒸發(fā)及水資源開發(fā)利用等多種因素影響，面積越大，則地表水體對地下水的補(bǔ)給越高［25］。通過分析現(xiàn)狀河湖水面面積與歷史時(shí)期（1980年代）水面面積減少的比例來反映水面面積變化率（Water Area Change Rate，WACR）。

（5）河流節(jié)制閘站的啟閉影響河道內(nèi)的物質(zhì)能量交換過程與上下游水生動植物的棲息繁衍進(jìn)程，體現(xiàn)了水系連通的時(shí)間維與動態(tài)性。采用因閘站關(guān)閉導(dǎo)致斷流天數(shù)與全年總天數(shù)的比值進(jìn)行量化河流閘站時(shí)滯指數(shù)（Flow Time-lag Index，F(xiàn)TI）。

各指標(biāo)的表達(dá)式及符號意義如表1所示。

表1 河湖水系連通度評價(jià)指標(biāo)Tab.1 Evaluation index system for connectivity degree of river and lake water system

在對江漢平原河湖水系連通性評價(jià)時(shí)，選取連通性作為目標(biāo)層，縱向、橫向、垂向和時(shí)間連通列為準(zhǔn)則層，結(jié)合對應(yīng)的功能性連通指標(biāo)，構(gòu)建指標(biāo)層。同時(shí)，將各層次的連通性指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，得到判斷矩陣并通過一致性檢驗(yàn)，其評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重矩陣為：

本文的指標(biāo)已進(jìn)行無量綱化，且取值區(qū)間為［0，1］，但除湖庫水流暢通指數(shù)FCI外，其余均為負(fù)向指標(biāo)，即數(shù)值越大，表征連通性越低。對此，采用指標(biāo)同趨勢化方法處理，將負(fù)向指標(biāo)轉(zhuǎn)化為正向指標(biāo)，可以得到連通指標(biāo)的量化矩陣Xr，即：

式中：x′r為正向化后的指標(biāo)值；xr為原負(fù)向指標(biāo)值。

根據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)與連通指標(biāo)值，構(gòu)建連通性綜合評價(jià)函數(shù)：

1.3.3 評價(jià)等級

綜合考慮河湖形態(tài)結(jié)構(gòu)完整性、水文循環(huán)過程、水生態(tài)抗干擾性等方面，結(jié)合《河湖健康評估技術(shù)導(dǎo)則（SL/L793-2020）》，本文將河湖水系連通性等級劃分為好、較好、一般、較差、差5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，具體如表2。

表2 河湖水系連通性評價(jià)等級Tab.2 Evaluation grade of river and lake water system connectivity

2 結(jié)果與分析

2.1 河湖水系結(jié)構(gòu)連通性評價(jià)

基于江漢平原現(xiàn)狀，繪制江漢平原河湖水系網(wǎng)絡(luò)圖見圖4（a），所有河道的交匯點(diǎn)、分流點(diǎn)以及主要湖泊均視為節(jié)點(diǎn)，并通過聚類算法［26］識別網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖4（b）?？梢娊瓭h平原骨干水系網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)共計(jì)88 個(gè)，包括長湖（節(jié)點(diǎn)41）和洪湖（節(jié)點(diǎn)81），河道共計(jì)132 條，全長2 533.99 km；網(wǎng)絡(luò)所劃分的8 個(gè)子結(jié)構(gòu)以不同的顏色表示，節(jié)點(diǎn)間的連接度水平以不同的大小區(qū)分。

圖4 江漢平原河湖水系網(wǎng)絡(luò)概化圖Fig.4 Generalized diagram of river and lake network in Jianghan Plain

水系連通格局方面，研究區(qū)水系網(wǎng)絡(luò)疏密分布不均，西北部和東部分布較為密集，中部地區(qū)分布較稀疏，顯示出空間不均衡的特點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，平均每節(jié)點(diǎn)有2～4 個(gè)連接線，各子圖節(jié)點(diǎn)數(shù)在6～18 個(gè)之間，均呈現(xiàn)明顯的集聚現(xiàn)象，不同結(jié)構(gòu)間的連接點(diǎn)多為流域邊界節(jié)點(diǎn)，其中洪湖對周邊節(jié)點(diǎn)的輻射效應(yīng)較強(qiáng)，長湖主要起連接作用。經(jīng)計(jì)算，現(xiàn)狀骨干河道頻率為0.009 條/km2，河網(wǎng)密度為0.176 km/km2，表明該區(qū)域河流數(shù)量較多，河網(wǎng)密度與河流總體發(fā)育程度較高。

為進(jìn)一步分析閘門泵站等涉水工程對連通性的影響，依據(jù)上文連通度因子的定義，計(jì)算各邊的權(quán)值bij，得到鄰接矩陣A與加權(quán)鄰接矩陣B，通過Matlab 軟件編程計(jì)算A（k）與B（k）得到不同步長k的節(jié)點(diǎn)間連通度矩陣，以其最大值作為實(shí)際節(jié)點(diǎn)間連通度dij，所有節(jié)點(diǎn)間連通度的平均值即為河網(wǎng)的加權(quán)連通度，結(jié)果如圖5所示。

圖5 改進(jìn)圖論法水系連通度計(jì)算結(jié)果圖Fig.5 The calculation result graph of water system connectivity by improved graph theory method

江漢平原水系網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)間最大連通度多數(shù)分布在0.6～0.8 之間，其值也多數(shù)在3～9 步取得，約占總節(jié)點(diǎn)對的76.8%，體現(xiàn)了該網(wǎng)絡(luò)的“小世界”特性，即河流節(jié)點(diǎn)趨向于地理空間距離相對較近的連接，其整體連通度為0.717 2，處于較連通水平。

由初始加權(quán)矩陣可看出，單一節(jié)點(diǎn)的連通度有限，且絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)并不互聯(lián)，顯示出江漢平原水系網(wǎng)絡(luò)的稀疏特性；但隨著節(jié)點(diǎn)間連接步數(shù)k的增大，節(jié)點(diǎn)逐漸相連，連通度受路徑數(shù)目與路徑內(nèi)最不利節(jié)點(diǎn)對的雙重影響而降低。當(dāng)連接步數(shù)小于15 時(shí)，若不考慮未連接節(jié)點(diǎn)對，節(jié)點(diǎn)間的連通度處于較高水平；當(dāng)連接步數(shù)大于15 時(shí)，各節(jié)點(diǎn)雖相連，但連通度急劇下降?？梢娺B接步數(shù)k越小，則節(jié)點(diǎn)間連通路徑內(nèi)的閘門等涉水工程設(shè)施越少，同時(shí)現(xiàn)實(shí)水網(wǎng)系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)的水流路徑占比越高，這基本符合實(shí)際平原河網(wǎng)地表水運(yùn)動規(guī)律，相連路徑越短，人工干擾越小，節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行水量交換與物質(zhì)運(yùn)移的概率越高。

根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的連通度，通過克里金插值，得出江漢平原的連通度分布圖，如圖6 所示。江漢平原水系連通性呈現(xiàn)出明顯的分區(qū)差異性，西部與東部連通度較高，中部除東荊河地區(qū)外，連通度均較低，并且局部地區(qū)如通順河、通州河、排澇河、螺山干渠等河段受閘站影響程度較大，連通度較低。同時(shí)對比長湖和洪湖兩大主要湖泊，可見長湖受干擾程度較小，原因可能為直接相連的河流上涉水工程較少，加之長湖處于流域上游，灌溉屬性較為突出，具備較好的水動力學(xué)條件，連通度較高。

圖6 江漢平原水系連通度分布圖Fig.6 The distribution of water system connectivity in Jianghan Plain

考慮自然地理特征與工程管理現(xiàn)狀，對江漢平原子流域水系格局與連通性做進(jìn)一步分析，如表3 所示?？梢娡樅恿饔蚺c四湖流域的水系連通度分別為0.798 5 與0.762 5，均高于整個(gè)江漢平原水系連通性，將四湖流域繼續(xù)劃分為上、中、下三區(qū)，各子區(qū)域連通性大小順序?yàn)椋荷蠀^(qū)＞下區(qū)＞中區(qū)，且均大于整個(gè)四湖流域連通性。對比流域面積、河網(wǎng)密度與網(wǎng)絡(luò)連通度可得，同級別流域面積越小，河網(wǎng)密度越大，連通度越高，且因邊界閘站的控制作用，子流域的連通度一般高于上級流域。

表3 江漢平原子流域水系格局與連通性情況Tab.3 Water system pattern and connectivity of sub-basins in Jianghan Plain

綜合而言，江漢平原水系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連通度處于“較好”等級，局部處于“好”等級，具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性連通潛力與地表水量遷移交換動力，西部與東部地區(qū)因閘門等涉水工程設(shè)施較少，連通度較高，中部地區(qū)受人工干擾較強(qiáng)，連通度較低。

2.2 河湖水系功能連通性評價(jià)

通過衛(wèi)星地圖目視解譯，結(jié)合現(xiàn)有規(guī)劃與實(shí)地調(diào)研確定江漢平原水網(wǎng)閘門數(shù)量、位置等地理空間信息，并根據(jù)流域水文資料與2018年主要閘站實(shí)際調(diào)度運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算分析江漢平原功能性連通評價(jià)指標(biāo)，結(jié)果如下。

江漢平原RFI為0.409，域內(nèi)各河道RFI如圖7（a）所示，其中通順河、通州河、四湖西干渠、四湖東干渠河流碎片化程度較高。其子流域通順河流域RFI為0.577，涉水工程多為節(jié)制閘，且均勻分布于主干河流，對河流連通性不利；而四湖流域RFI為0.408，涉水工程多為灌溉與排水閘，多分布于河流首尾兩側(cè)，除此外，還有較多閘門用于長湖和洪湖的調(diào)蓄，對主干河流的縱向連通影響程度相對較小。

以研究區(qū)主要湖泊長湖和洪湖的出流暢通程度均值，作為區(qū)域湖庫水流暢通指數(shù)FCI，如圖7（b）。江漢平原FCI為0.745，長湖為0.885，洪湖為0.605，可見四湖流域中區(qū)FCI較低，主要受汛期（5-10 月）外江水位頂托與下游排澇壓力較大的影響，區(qū)域閘門數(shù)量眾多，人工控制程度較高，出入湖流量相對多年平均較低。

計(jì)算研究區(qū)主要湖泊長湖和洪湖的換水周期均值，得江漢平原換水周期LRP為0.155，如圖7（c）所示。其中長湖為0.152，洪湖為0.158，年均值相差較小，但年內(nèi)分布存在明顯差異，汛期長湖換水周期較小，非汛期較大，洪湖與之相反。這體現(xiàn)出四湖流域上區(qū)以灌溉為主兼顧防洪，而中下區(qū)則主要以防洪排澇為主的目標(biāo)結(jié)構(gòu)性差異，由此產(chǎn)生了地表水系循環(huán)與水動力的時(shí)空分布不匹配現(xiàn)象，從而降低了江漢平原的整體連通性。

結(jié)合前人研究［27］與《四湖流域綜合規(guī)劃報(bào)告（2007）》，歷史時(shí)期（1980 年代）長湖和洪湖9-11 月兩湖平水期水面面積分別為129.1 km2與395.5 km2；收集江漢平原2018 年Landsat-8 衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，通過改進(jìn)歸一化水體指數(shù)反演提取長湖和洪湖水面面積。受水資源開發(fā)利用及運(yùn)行調(diào)度等影響，2018年長湖水面面積為120.75 km2，較80 年代縮小6.47%，洪湖水面面積為336.12 km2，較80 年代縮小15.01%，可得水面面積變化率WACR為0.129。

限于各次-末級河道閘門水位、流量數(shù)據(jù)資料匱乏，可通過長湖、洪湖兩大調(diào)蓄湖泊的主要入流及出流河道的閘門啟閉情況，結(jié)合河流等級權(quán)重，以其均值衡量區(qū)域河流閘站時(shí)滯指數(shù)FTI，如表4 所示。江漢平原FTI為0.264，其中長湖為0.181，洪湖為0.346，對其時(shí)滯阻隔程度貢獻(xiàn)較大的為劉嶺閘和雙店閘（長湖），小港湖閘和新堤大閘（洪湖）。而習(xí)家口閘為保持四湖總干渠生態(tài)基流，長期處于開啟狀態(tài)，時(shí)滯指數(shù)相對較小。

表4 河流閘站時(shí)滯指數(shù)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of flow time-lag index

表5 連通性指標(biāo)評價(jià)結(jié)果Tab.5 Evaluation results of connectivity indicators

將負(fù)向指標(biāo)正向后，綜合各指標(biāo)得分與權(quán)重，得到江漢平原河湖水系功能連通度得分為0.688 5，其功能連通度處于“較好”水平，其河流碎片化指數(shù)、湖庫水流通暢指數(shù)與河流閘站時(shí)滯指數(shù)正向化得分相對較少，反映出江漢平原的縱向、橫向、時(shí)間多維度的連通性存在不足。

2.3 河湖水系結(jié)構(gòu)-功能連通匹配程度分析

根據(jù)連通度評價(jià)得分情況，改進(jìn)圖論法為0.717 2，綜合指標(biāo)法為0.688 5，計(jì)算結(jié)果較為一致，江漢平原河湖水系網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能均處于“較好”水平，體現(xiàn)出方法與指標(biāo)的適宜性。

在水系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，節(jié)點(diǎn)連通性相對較低的區(qū)域包括通順河下游、東荊河下游南北分叉區(qū)、排澇河、螺山干渠等河段，中部地區(qū)的連通性小于西部和東部地區(qū)，四湖流域的連通性小于通順河流域。在連通性指標(biāo)方面，通順河干流、通州河、四湖流域西干渠、東干渠上閘門等主要河流上閘門數(shù)量偏多，閘門分布較均勻是整體連通性偏低的重要因素；而且長湖和洪湖周邊控制閘站較多，且控制程度較高，小港湖閘、新堤閘等主要閘站控制對水流通暢程度有一定影響，同時(shí)現(xiàn)狀水資源開發(fā)利用規(guī)模及閘站調(diào)度規(guī)則可能是水面面積減少的重要因素，此外劉嶺閘、雙店閘、小港湖閘、新堤大閘和螺山干渠等出入湖閘門閉合時(shí)間較長是閘站時(shí)滯指數(shù)偏高的主要原因。

兩種方法較為準(zhǔn)確識別出江漢平原河湖水系連通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性與實(shí)際工程管理上的不足，其受閘門等涉水工程影響的空間地理位置基本一致，連通性評價(jià)等級相同，體現(xiàn)了水系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能的整體適配性。但值得一提的是，局部地區(qū)由于閘門修建后調(diào)度規(guī)則的改變，難以在網(wǎng)絡(luò)模型中識別，如通順河上的深江閘，常年保持開啟狀態(tài)，而螺山干渠的賈家堰閘，則通常處于關(guān)閉狀態(tài)，故不宜放大單一閘站對區(qū)域連通性的影響。

3 結(jié) 論

本文考慮閘站等涉水工程對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的阻隔效應(yīng)，基于單位長度河道的閘門數(shù)量，提出了以適應(yīng)性連通因子為邊權(quán)值的改進(jìn)圖論連通度評價(jià)方法；并根據(jù)多維水系連通機(jī)制，利用層次分析法，建立了江漢平原河湖水系連通性的綜合評價(jià)指標(biāo)體系，對江漢平原河湖水系結(jié)構(gòu)和功能連通性進(jìn)行評價(jià)，主要結(jié)論如下。

（1）在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，連通性得分為0.717 2，處于“較好”等級。研究區(qū)西部和東部連通性較高，中部連通性較低；其子流域通順河流域連通性較高，四湖流域連通性較低；局部河段如通順河下游、東荊河下游南北分叉區(qū)、排澇河、螺山干渠等節(jié)點(diǎn)連通度較低。

（2）在連通功能方面，連通性得分為0.688 5，處于“較好”等級。主要受閘門數(shù)量較多、分布均勻、控制程度較高、閉合時(shí)間較長等不利因素影響，通順河干流、通州河、四湖西干渠、東干渠以及洪湖等河湖連通性較低，多項(xiàng)連通性指標(biāo)正向化得分較少，體現(xiàn)了區(qū)域水網(wǎng)縱向、橫向、時(shí)間多維度的連通性存在不足。

（3）江漢平原河湖水系結(jié)構(gòu)和功能較為匹配，連通性評價(jià)等級相同，且通過改進(jìn)圖論與綜合指標(biāo)評價(jià)方法進(jìn)行互補(bǔ)，識別出的連通性較低的重點(diǎn)區(qū)域基本一致，提高了水系連通評價(jià)結(jié)果的可靠性，為后續(xù)連通工程的優(yōu)化與實(shí)施提供參考。

但限于平原地區(qū)河網(wǎng)密布，流向多變，區(qū)域干支流關(guān)系模糊，同時(shí)流域水文、河道地形、閘站調(diào)度等資料難以獲取，目前對連通性的計(jì)算仍停留在流域尺度，未充分考慮灌溉、人工取水與降雨徑流、河網(wǎng)調(diào)蓄等過程，下一步應(yīng)結(jié)合水文-水動力模型，根據(jù)地區(qū)生態(tài)、防洪、與灌溉等目標(biāo)，優(yōu)化閘站運(yùn)行調(diào)度方式與河道連通方案，調(diào)整灌排工程體系，建設(shè)生態(tài)河湖系統(tǒng)，為長江大保護(hù)與經(jīng)濟(jì)帶高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐。