河湖水系連通研究進展及應用

樊孔明王津曹炎煦

河湖水系連通研究進展及應用

樊孔明1王津1曹炎煦2

一、研究背景

河湖水系是水資源的載體，是生態環境的重要組成部分，近年來，隨著經濟社會發展對保障防洪安全、供水安全、糧食安全、生態安全的要求日益提高，加之我國水資源配置能力整體偏低、水資源利用率不高、生產力布局和水土資源不相匹配的問題日益突出，進一步完善和優化江河湖庫水系連通，是社會經濟發展的迫切需要，是中央治水興水的重大方略，更是民生水利的根本要求。在全面落實最嚴格水資源管理制度之際，為了從根本上提高水資源統籌配置能力、改善河湖健康狀況和增強抵御水旱災害能力，2010年1月，水利部陳雷部長在全國水利規劃計劃工作會議提出“河湖連通是提高水資源配置能力的重要途徑”。2011年中央一號文件《中共中央國務院關于加快水利改革發展的決定》指出“加強水資源配置工程建設。完善優化水資源戰略配置格局，在保護生態前提下，盡快建設一批骨干水源工程和河湖水系連通工程，提高水資源調控水平和供水保障能力。”

我國在江河湖庫水系連通實踐方面已經開展了大量的工作，一大批跨流域、跨區域調水工程及重點水源工程建設，對于提高區域水資源和水環境承載能力發揮了重要作用。近年來關于河湖水系連通的研究在不斷增多，國內部分學者做了探索性的研究，取得了不少理論成果。本文從水系連通的概念及內涵、水系連通的分類、水系連通評價指標體系、水系連通的功能以及水系連通的應用實踐等方面介紹我國近年來水系連通的研究實踐進展，并介紹泗洪縣水系連通在改善城市水環境中的應用。

二、研究進展

1.水系連通概念研究進展

近年來，隨著河湖水系連通的理論研究也在不斷完善，河湖水系連通的定義也從零散描述逐步形成系統、統一的定義。李原園等從一般意義上，將河湖水系連通定義為：以江河、湖泊、濕地以及水庫等為基礎，通過科學的調水、疏導、連通、調度等措施建立或改變江河湖庫水體之間的水力聯系。張歐陽等提出了水系連通性的定義：河道干支流、湖泊及其他濕地等水系的連通情況，反映水流的連續性和水系的連通狀況。李宗禮等和竇明等均將河湖水系連通定義為：以實現水資源可持續利用、人水和諧為目標，以提高水資源統籌調配能力、改善水生態環境狀況和防御水旱災害能力為重點，借助各種人工措施和自然水循環更新能力等手段，構建蓄泄兼籌、豐枯調劑、引排自如、多源互補、生態健康的河湖水系連通網絡體系。唐傳利將河湖水系是由自然演進過程中形成的江、河、湖泊、沼澤、洼淀等水體以及經人工改造后形成的水庫、閘堤、渠系和運河等水工程共同組成的一個復雜體系；河湖連通則是在自然力和人力的雙重作用下，人類有意識地改造河湖水系、實現水資源有效配置的行為。

在總結相關研究的基礎上，結合河湖水系連通的戰略目標、構成要素等，2013年水利部印發的《關于推進江河湖庫水系連通工作的指導意見》（水規計〔2013〕393號），將河湖水系連通定義為是以江河、湖泊、水庫等為基礎，采取合理的疏導、連通、引排、調度等工程和非工程措施，建立或改善江河湖庫水體之間的水力聯系。目前，經過長期的治水實踐，特別是新中國成立以來大規模的水利建設，部分流域和區域已初步形成了以自然水系為主、人工水系為輔、具有一定調控能力的江河湖庫水系及其連通格局，為促進經濟社會發展發揮了重要作用。

2.水系連通分類研究進展

李宗禮等從河湖水系連通的概念、內涵出發，提出分類原則，并依據河湖水系連通的主要影響因素，提出3類分類依據，8種分類類型。一是基于連通性質可分為恢復型水系連通、新建型水系連通；二是基于連通功能可分為以提高水資源統籌調配能力為主的水系連通、以提高河湖健康保障能力為主的水系連通、以提高抵御水旱災害能力為主的水系連通；三是基于地區水資源特征可分為為缺水區、豐水區、河網區三大類。中國水系具有顯著的地域特征，不同區域的河湖水系水文特征差別很大，水系連通性本質上受流域（區域）水循環背景條件和過程影響；同樣，區域水資源特點也決定了河湖水系連通戰略實施的基礎條件。

徐宗學等結合國內外河湖水系連通的實踐經驗，從氣候分區、空間尺度和功能作用等不同角度對河湖水系連通進行科學分類。根據氣候分區可以分為南方多雨型、北方干旱型、西北內陸型、云貴高原型、青藏高寒型，按照空間尺度可以分為跨流域連通、同一流域相鄰河湖連通、城市水系連通等，按功能作用可以分為減輕洪澇災害（防洪）型、保證供水安全（供水）型、改善水生態環境（生態環境）型以及混合型等。

3.水系連通評價指標體系研究進展

目前國內外對于河道—灘區系統的連通性定量評價方法研究較少，大多數是利用河流地貌調查方法進行地貌特征的定性描述或通過水文情勢數據的分析間接反映河道灘區系統的連通性，或將側向連通性作為河流健康評價全指標體系中的單一指標進行簡單的定量分析。

水利部印發的《全國水資源保護技術大綱》中，將河流水系的橫向連通性、縱向連通性作為水生態評價的重要指標，并給出了定量的計算。

竇明、張遠東等以淮河流域為研究對象，結合景觀生態學理論方法，提出宏觀尺度下水系連通性評價指標體系，分別是反映河網水系實際成環水平的指標水系環度α、反映河網水系中每個節點連接水系能力強弱的指標節點連接率β、反映河網水系中廊道之間相互連接能力強弱的指標水文連接度γ，參照《城市水系規劃導則（SL431-2008）》等技術標準和國內外具有一定代表性的城市現狀值或規劃值，給出反映水系成環水平、節點連接水平和廊道連通水平指標的評價標準，結合GIS數據繪制出全流域廊道—節點示意圖，評價了全流域13個水資源三級區的水系連通狀況，并分析了影響水系連通的主要因素，其研究結果對當地水資源保護工作的開展具有一定的指導意義。

趙進勇等將圖論中連通度的概念應用于河道—灘區系統連通性評價，實現了河道—灘區系統連通程度分析的定量化。基于圖論連通度理論，將河道—灘區系統中的水流通道、鬃崗地形、小型封閉水域和牛軛湖等微地貌單元概化為圖模型，并利用ArcGIS平臺和DEM模型實現其表述。在此基礎上，建立圖的鄰接矩陣，進行連通性分析和水流通道連通度計算，實現了河道—灘區系統連通程度分析的定量化。該方法可用于河流健康評估、河流生態修復工程優化、河湖水網連通程度的定量分析等。

河湖水系連通是提高水資源配置能力、增強抵御旱澇災害能力和改善生態環境的重要戰略舉措，而如何對河湖水系連通的影響進行評價，是相關部門開展河湖水系連通決策和管理時迫切需要解決的問題。馮順新等建立了包含社會、經濟及生態環境等3個方面共23個指標的河湖水系連通影響評價指標體系，探討了河湖水系連通影響評價的獨特特征，指出在一般情況下對連通的影響需要在單區域（調水區或受水區）和整個連通區上分兩個層面進行評價，從而評價指標可能在兩個層面上都存在閾值，初步討論了各單指標的評價方法。

4.水系連通實踐應用進展

實踐中，水系連通大致可分為以軍事和航運為主，以抵御水旱災害為主，以水資源調配為主，以水生態環境治理修復為主的水系連通。不同的歷史發展階段對河湖水系連通的要求不同，縱觀國內外不同階段和不同目的的河湖水系連通實踐，隨著經濟社會發展程度和生態文明程度的提高，對河湖水系連通的功能要求不斷提升，河湖水系連通不斷向系統化、生態化、功能綜合化方向發展。

中國歷史上以通航和軍事為主的就有許多著名的水系連通工程，其中最著名的是京杭大運河，始建于春秋時期，建成于元代；自北而南流經京、津、冀、魯、蘇、浙6省（市），成為連通海河、黃河、淮河、長江、錢塘江五大水系、縱貫南北的水上交通要道；公元前214年鑿成通航的靈渠是世界上最古老的運河之一，也是新建型水系連通工程的典范，連通了長江和珠江兩大水系。時至今日，這兩大工程仍發揮著供水、航運等綜合功能。

以抵御水旱災害為主的如淮河流域的“東調南下”，有效降低了淮河流域的洪水威脅，還可以在適當時機為南四湖地區補充水源；南水北調東線工程不但可以將長江水輸送至缺水的黃淮海地區，而且可以改善里下河地區的防洪排澇條件。

以水資源調配為主的河湖水系連通工程也有不少成功的案例。目前，我國已經建成的引黃濟青、引灤濟津等河湖水系連通工程，發揮了重要的水資源調配功能，有效緩解了區域水資源短缺問題及經濟社會和生態環境用水之間的矛盾。黑河流域經過綜合治理，使干涸多年的東居延海恢復了水面，實現了“碧波蕩漾”的治理目標。

以水生態環境治理修復為主塔里木河通過水資源統一調度，實現了下游斷流河道的通水，綠色走廊得到有效保護，區域生態環境明顯改善；扎龍濕地應急補水工程擴大了濕地水面，生物多樣性得到恢復，丹頂鶴等珍禽棲息地狀況明顯改善，葦草和魚類產量提高，取得了顯著的生態保護效果和經濟效益；2014年入汛以后，南四湖地區遭遇嚴重旱情，降水偏少近5成，湖區蓄水不足歷年同期的3成，湖區瀕臨干涸，生態環境受到嚴重威脅。在國家防總、水利部的統一領導下，淮河防總負責應急調水的組織實施，協調江蘇、山東兩省防指開展了南四湖生態調水工作。此次調水充分發揮了南水北調東線工程的優勢，從長江引水至南四湖，歷時19天，調水總量8069萬m3，極大緩解了南四湖地區旱情，湖區生態明顯改善，成效顯著。

三、泗洪城區水系連通規劃實例

1.泗洪城區水系概況

新中國成立前，泗洪縣有淮河、濉汴河、安河三個水系和一些支流，并因黃河奪淮后淤積嚴重，水流無控，水旱災害連年發生。

經過建縣后幾十年治理，泗洪縣境內河流從南到北構成了行洪河道和內澇河道相間排列的格局。此次研究的區域范圍主要是泗洪城區水系。根據泗洪縣城區整體的布局方式以及水系的分布狀況，城區河流應包括早陳河、東鳳大溝、攔崗河、團結河、老汴河、濉河等河流水系。城區水系主要面臨以下問題，城區河流普遍缺乏連通，水流的連通性差；縣內的河流如東風大溝水量較少，長期處于缺水的狀況；由于河流的連通性差，加之水資源匱乏，造成了縣內水環境狀況不佳，水質情況不容樂觀。

2.連通方案

在確保防洪安全的基礎上，根據地形條件，結合水源補充注入點的布設，提出了連通方案、水源方案、流動方案，形成了“三通”的水系連通格局。即是形成小連通、南連通、大連通三種連通形式，分近期、中期、遠期進行實施。本文重點分析小連通方案改善泗洪城區水環境質量的作用。

近期將通過開挖大新引河即圖1中的小連通1，將東風大溝、早陳河和攔崗河連通。現狀情況下，東風大溝、早陳河和攔崗河相互獨立，沒有相互連通，水體自然更新能力減弱，水環境逐步惡化。而大新引河與東風大溝連通，基于現有的水系連通狀況，根據地形條件，擬將大新引河開挖，延長河道，使得東風大溝、早陳河和攔崗河連通起來，如圖1所示的小連通2。

圖1　近期方案河網拓撲結構圖

3.連通工程效果分析計算

計算條件如下：

（1）該方案以城區平均水位非汛期13.5m、汛期12.5m為基礎。

（2）城區考慮全部城市污水及面源污染，雨水污染。

（3）濉河、老汴河作為景觀河道，因此流經濉河、老汴河的城市污水必須全部截污，因此只考慮濉河、老汴河與團結河的面源污染。

（4）進入其他河流，包括攔山河、東風大溝、早陳河與攔崗河的污水并未截污，該方案中同時考慮點源污染以及面源污染。

（5）由于每天城區河道有水面蒸發，河底有水量下滲流失，水位不斷下降，水質不斷惡化。

經過計算，得出如下結論：

（1）小連通后，濉河、老汴河無論在汛期及非汛期CODcr全部時間處于Ⅲ～Ⅳ類水標準濃度，已滿足水環境功能要求；東風大溝、之間溝、早陳河、小連通及攔崗河在非汛期CODcr水質優于Ⅳ類水標準濃度，已滿足水環境功能要求，而汛期處于Ⅳ～Ⅴ類水標準濃度。

（2）小連通后，城區所有河流無論在汛期及非汛期NH3-N處于Ⅲ～Ⅳ類水標準濃度，已滿足水環境功能要求。

綜合考慮，在截污95%后，濉河、老汴河均已滿足水環境功能要求，不需要采取其他措施；其他河流需通過其他措施降低CODcr水質濃度

（作者單位：1.淮河流域水資源保護局2330012.淮河水利委員會233001）