城鎮(zhèn)化進程中低丘山區(qū)水系連通性的初步研究與實踐

趙思遠，陳 菁，涂建琴，肖晨光，李金剛，畢 博，夏 歡

(1.河海大學農業(yè)工程學院， 南京 210098；2.河海大學水利水電學院， 南京 210098；3.南昌市新建區(qū)水利投資公司，南昌 330100)

1 研究背景

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的加快，傳統(tǒng)的農業(yè)灌排區(qū)在新一輪的建設中面臨著諸多挑戰(zhàn)，一部分地區(qū)對自身進行了升級改造，另一部分地區(qū)順應城鎮(zhèn)化的發(fā)展，成為了中心城鎮(zhèn)或集中居住區(qū)[1]。城鎮(zhèn)化的發(fā)展改變了傳統(tǒng)農業(yè)區(qū)的灌排體系，使得河湖水系的縱橫向連通狀況與格局不斷變化，水系保護、防洪除澇等一系列水問題突顯出來，嚴重影響區(qū)域水生態(tài)環(huán)境的平衡，制約社會經(jīng)濟的發(fā)展[2]?；谏鲜鰡栴}，水利部多次強調了河湖水系連通的必要性。2010年1月召開的全國水利規(guī)劃計劃工作會上明確指出“提高我國水資源配置能力，必須做好河湖連通”[3]。2016和2018年，水利部辦公廳相繼向各省、自治區(qū)、直轄市、計劃單列市水利(水務)廳(局)、財政局、新疆生產(chǎn)建設兵團水利局下達了關于開展全國江河湖庫水系連通年度實施方案編制工作的通知，要求統(tǒng)籌城鄉(xiāng)、全面謀劃區(qū)域水系連通總體布局。水系連通性作為河流健康的重要指標，在新時代下的江河湖泊治理和水系規(guī)劃中受到了高度重視。

近年來，國內外的專家學者們就河湖水系連通的概念和影響展開了廣泛的研究討論。Horton和Strahler分別在1945年和1957年提出了著名的河流分級定律[4,5]，為水系結構連通奠定了基礎。Vannote R. L.等人強調了河流整體的連續(xù)性，提出在考慮水系連通時，需要注意河流結構、功能和流域特性的統(tǒng)一性[6]。李宗禮等人討論研究了河湖水系連通的概念及內涵，提出可從機理分析、系統(tǒng)辨識與評價、連通工程規(guī)劃、系統(tǒng)控制與調整4個方面展開，明確了水系連通的總體思路[7]。左其亭等人構建了河湖水系連通理論體系框架，闡述了關鍵理論及關鍵技術，并探討了在水系連通中應注意的關系[8]。符傳君等人通過分析河湖水系連通案例，總結相關研究成果，制定了一套相對完善的評價指標體系[9]。但河湖水系連通研究不僅需要理論基礎，更需要實踐支撐。因我國城鎮(zhèn)化較晚，目前國內的水系連通案例主要集中在長江三角洲地區(qū)[10,11]、太湖流域[12]、淮河流域[13,14]等城鎮(zhèn)化較快的平原河網(wǎng)地區(qū)，關于農業(yè)低丘山區(qū)水系連通性的研究相對較少。與平原河網(wǎng)密布、水流流向變化性大相反，低丘山區(qū)相對海拔較高，區(qū)域內河道大多為沿地勢起伏自然形成的天然河道，水系結構相對簡單，水流流向較為單一，城鎮(zhèn)化進程一旦加快勢必會對水系造成較大沖擊，產(chǎn)生洪澇災害問題，影響社會經(jīng)濟發(fā)展。本文以南昌市望城新區(qū)為例，通過構建水系連通性評價指標體系，對規(guī)劃前后的水系進行對比分析，為我國低丘山區(qū)在城鎮(zhèn)化進程中的水系規(guī)劃及區(qū)域防洪減災提供參考。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于南昌市新建區(qū)望城新區(qū)，面積為141.17 km2，具體位置見圖1。區(qū)域為低山丘陵地貌，地勢自西北向東南傾斜。全區(qū)屬亞熱帶濕潤季風型氣候，四季分明，氣候溫和，雨量充沛。區(qū)內水庫較多，河道、渠道均為西北—東南的縱向走向，防洪除澇標準低。望城新區(qū)是傳統(tǒng)農業(yè)大區(qū)，屬國家商品糧和優(yōu)質米基地。2011年出臺的城市總體規(guī)劃提出，要積極推進對外開放和產(chǎn)業(yè)轉型，至2030年，實現(xiàn)常住人口達到160萬，城鎮(zhèn)化水平達到78.1%。城鎮(zhèn)化的不斷加速，使得原有的水系結構遭受到了不同程度的破壞，眾多河道、小型水庫被填埋、淤堵，導致水系不暢和水面率下降，洪澇災害頻發(fā)，嚴重影響經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Location of the research area

3 低丘山區(qū)水系連通性評價指標體系

長江水利委員會在2005年編寫的《維護健康長江，促進人水和諧研究》報告中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[15]。其包含2個基本要素：具有滿足一定需求的保持流動性的水流和水流的連接通道。因此可從水流是否連續(xù)和連接通道是否通暢2個條件評價水系連通性的好壞[16]。本文參考符傳君[9]等人的研究成果，將水系連通性分為結構連通性、水力連通性和地貌特性。

(1)結構連通性可反映水流是否具有相互連通的過水通道，可從承泄水體的河流數(shù)、河流和湖泊等水域的面積及相互間的連通性3個角度出發(fā)，評價區(qū)域內河流數(shù)量的發(fā)育程度、水系發(fā)育的規(guī)模和水系在空間上的連通性，是評價水系連通性優(yōu)先考慮的要素。

(2)水力連通性可反映水流是否具有一定程度的流動性，可從河流動能、勢能及過流總量的角度出發(fā)，評價區(qū)域內河流長度的發(fā)育程度和水體的過流能力。

(3)地貌特性可反映水流的連接通道是否受人工建筑物的阻隔及其阻隔程度，評價水系在空間結構上的縱橫向的聯(lián)系。

水力連通性和結構連通性密切相關，結構連通性是連通性調控的基礎，水力連通性是內在目標，良好的結構連通性更有利于通過擴大河道規(guī)模、修建水利工程等措施，改善水系的水力連通性[17]。現(xiàn)有的研究往往著重考慮結構連通性的變化特征以保證水流的連通通道順暢。而水體流動能力的強弱、排水能力是否充足和空間障礙物對水系的攔截作用等保障水流連續(xù)的因素容易被忽略。故本文在水系結構連通性的基礎上，充分考慮研究區(qū)水體流動能力和輸水效率對水系連通性的影響，構建了一套相對全面的評價指標體系，為準確評價水系連通性提供技術支撐。

3.1 結構連通性

綜合考慮河流數(shù)量發(fā)育情況、水系規(guī)模和空間的連通程度，結構連通性的評價選取河頻率、水面率、水系連通度3個指標。其中水系連通度基于圖論和景觀生態(tài)學指標，選取α、β、γ指數(shù)。

(1)河頻率。河頻率指單位區(qū)域面積上的河流數(shù)，反映河流數(shù)量的發(fā)育情況。河頻率越大，單位面積上的河流數(shù)越多，即水體的容納通道和排泄路徑越多，河流的數(shù)量發(fā)育狀況越好。計算公式為：

(1)

式中：Rf為河頻率，條/km2；N為區(qū)域內河流數(shù)量，條；A為區(qū)域面積，km2。

(2)水面率。水面率是指河道和湖泊等水體多年平均水位下的水面積占區(qū)域總面積的比例，可從一定程度上反映研究區(qū)水系發(fā)育的規(guī)模[17]。計算公式為：

(2)

式中：Wp為水面率，%；Aw為區(qū)域內河流和湖泊的總面積，km2；A為區(qū)域面積，km2。

(3)水系連通度。水系連通度可體現(xiàn)水系的連通性水平，從空間上反映不同河道之間、河道與水域之間的連通程度。其評價源于景觀生態(tài)學中的景觀生態(tài)網(wǎng)絡連接度的概念，借助于圖論水系的連通性進行計算。目前景觀生態(tài)網(wǎng)絡連接度一般采用節(jié)點度數(shù)、廊道密度、水系環(huán)度α、連接率β、實際結合度γ和連接度C等評價指標。節(jié)點度數(shù)一般不用于水系連通，河道的廊道密度等價于河流密度[18]。故在本次研究中選取水系環(huán)度指標α、連接率指標β、實際結合度指標γ來評價低丘山區(qū)的水系連通度。

①水系環(huán)度指標α可反映河網(wǎng)水系實際成環(huán)水平，計算公式為：

(3)

式中：L為河鏈數(shù)；N為節(jié)點數(shù)。

②連接率指標β和實際結合度指標γ是以拓撲空間關系為基礎而形成的，主要通過揭示節(jié)點和連通度的關系從而反映網(wǎng)絡的復雜程度，不能反映實際距離、線性程度、連接線的方向及節(jié)點的確切位置[19]。計算公式為：

(4)

(5)

式中：L為河鏈數(shù)；N為節(jié)點數(shù)；Lmax為最大可能的連線數(shù)；γ在0到1之間，0表示節(jié)點沒有連線，1表示每個節(jié)點都相互連通，對于網(wǎng)絡連接，γ在1/3和1之間，當γ接近1/3時，網(wǎng)絡為樹狀，接近1時，網(wǎng)絡近似于最大平面網(wǎng)絡，γ越大表明連接度越好。

為了更清晰地反映研究區(qū)內水系連通狀況，參照《城市水系規(guī)劃導則(SL431-2008)》和竇明[13]、馬爽爽[18]等人的研究，制定低丘山區(qū)水系連通性指標α、β、γ的評價標準見表1。

表1 水系連通度評價標準Tab.1 Evaluation criteria of water system connectivity

3.2 水力連通性

水力連通性采用河網(wǎng)密度、水流動勢、河道輸水能力3個指標進行評價。

(1)河網(wǎng)密度。河網(wǎng)密度表示單位區(qū)域面積上的河流長度，可體現(xiàn)區(qū)域內排水的有效性。與地區(qū)的氣候、巖層覆蓋、植被和人類的改造措施有關，河網(wǎng)密度越大，區(qū)域單位面積上的河流越長，對降水的水文響應越快，排水性越好，可間接反映河流的發(fā)育與分布情況。計算公式為：

(6)

式中：Rd為河網(wǎng)密度，km/km2；Li為第i條河流的長度(i=1,2,…,n)，km；A為區(qū)域的總面積，km2。

(2)水流動勢。水流動勢可反映研究區(qū)內水流的流動能力，與河道比降、河道橫斷面形態(tài)等有關。水流動勢越大，水體的流動能力越強，排水效率越高。對孟祥永[20]等人的研究進行改進，得到計算公式為：

(7)

式中：Ep為水流動勢，J/km2；ρ水為水的密度，kg/m3；hi為河段平均水深，m；Di為河段水面面積，m2；Si為河段過水斷面面積，m2；Qi為河段的過水流量，m3/s；A為區(qū)域的總面積，km2。

(3)河道輸水能力。河道輸水能力是指單位面積上河道的最大輸水量，河道輸水能力越強，區(qū)域內可承泄的水量越多，排水能力越強。計算公式為：

(8)

式中：P為河道輸水能力，m3/(s·km2)；Qi為各河道的流量，m3/s；A為區(qū)域面積，km2。

3.3 地貌特性

地貌特性用來反映區(qū)域內水系的縱橫向的聯(lián)系。因水系環(huán)度指標α可反映水系的成環(huán)水平，可間接體現(xiàn)水系在橫向的聯(lián)系，故只采用縱向連通性指標對水系的縱向連接進行評價?？v向連通性指在河流系統(tǒng)內生態(tài)元素在空間結構上的縱向聯(lián)系。計算公式為：

(9)

式中：W為縱向連通性系數(shù)，個/km，W越大，河流連通性越差；D為河流的斷點等障礙物數(shù)量(如閘、壩等)，個；Li為第i條河流的長度(i=1,2,…,N)，km。

為了更清楚地反映水系的縱向的聯(lián)系，結合郭亞萍[21]的研究成果，制定低丘山區(qū)縱向連通性指標的評價標準見表2。

表2 縱向連通性評價標準Tab.2 Evaluation criteria of vertical connectivity

4 水系數(shù)據(jù)

4.1 水系現(xiàn)狀

研究區(qū)內現(xiàn)狀水系數(shù)據(jù)主要依據(jù)衛(wèi)星影像圖和數(shù)字高程地形圖，通過ArcGIS(10.6)軟件提取，結合實地考察對水系數(shù)據(jù)進行核實，最終繪制出水系現(xiàn)狀簡圖。研究區(qū)內北部有2座水庫，自西向東分別為夢山水庫和肖峰水庫。夢山水庫附屬水系有西干渠、中干渠、東干渠和夢山河4條河道；肖峰水庫附屬水系有西干渠、肖峰河和東干渠3條河道。河道、渠道均為西北—東南走向。區(qū)域南部有眾多小型水庫、山塘和農渠等，但在目前的城鎮(zhèn)化進程中，遭到了不同程度的破壞和填埋，為精簡計算，本次只考慮水流走向顯著的骨干河道，不考慮山塘、農渠等。研究區(qū)水系現(xiàn)狀(河流名為現(xiàn)狀)見圖2。

圖2 現(xiàn)狀水系Fig.2 Current water system

4.2 水系現(xiàn)狀存在問題

(1)防洪除澇標準低，工程設施老化。因社會發(fā)展水平相對滯后，研究區(qū)內閘壩、河道等修建年代較為久遠，防洪除澇標準不足20 a一遇，施工質量差，工程設施老化現(xiàn)象嚴重，河道斷面比較狹窄，調蓄和過流能力不足，部分河段河岸雜草叢生，河底淤積明顯，嚴重影響洪水排泄。另外，因農業(yè)灌溉需要，行洪河道部分河段內建有抬水閘、壩、堰等工程，過流流量小，壅水作用明顯，嚴重影響行洪。隨著城鎮(zhèn)化推進，地面硬化程度提高，區(qū)域水面率下降，雨水匯流時間縮短，洪峰流量變大，原有的防洪標準難以滿足城鎮(zhèn)化需求。

(2)水系結構簡單、調配困難。研究區(qū)內河道、渠道均為西北—東南走向，缺少橫向連通河道，水系在東西向上未連通，北部兩水庫水無法實現(xiàn)相互調配。雖然細碎的農渠、溝汊、池塘較多，但在城市建設過程中，土地的大量開發(fā)利用必將導致這些小型水系被填埋。余下的水系結構相對簡單，連通性差，很難實現(xiàn)水資源統(tǒng)籌調配和協(xié)調行洪。

(3)未建立穩(wěn)定的防洪除澇系統(tǒng)。非工程措施不健全，管理手段單一?，F(xiàn)有管理手段科學化水平不高，難以適應現(xiàn)代化管理的要求。缺乏統(tǒng)一指揮調度系統(tǒng)，尚未建立一個完善的南昌市和望城新區(qū)防洪、排澇統(tǒng)一指揮調度系統(tǒng)，尤其是在遭遇特大山洪強降雨洪水時，望城新區(qū)北部水庫及內部、外圍南部的河流溝渠湖泊水庫等設施在汛期難以實現(xiàn)統(tǒng)一調度。

4.3 水系優(yōu)化布局

針對研究區(qū)水系存在的種種問題，遵循“水系布局顧全區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展大局，尊重水系的自然條件和生態(tài)功能，挖大填小，大直小彎，隨彎就彎，保證水面率”的原則[22]，對現(xiàn)狀水系進行優(yōu)化布局。擬在望城新區(qū)北部、中部、南部各新增一條東西流向的河道，實現(xiàn)夢山水系與肖峰水系的連通，并結合區(qū)域的地貌特性和土地利用規(guī)劃，將現(xiàn)狀小型水庫和池塘相互連通，借助工程措施(攔河壩等)在規(guī)劃區(qū)內形成水面，進而改善研究區(qū)內水景觀和水環(huán)境。整治現(xiàn)有的縱向河道，并適當升級規(guī)劃區(qū)內河道斷面要素，提高河道的過流能力。形成“三河橫通東西，兩河縱貫南北”的骨干水系格局，構建以“聯(lián)防聯(lián)排聯(lián)調”為核心的城鎮(zhèn)防洪除澇體系。研究區(qū)規(guī)劃后水系(根據(jù)當?shù)厮幕饩?，以“夢”為主題對規(guī)劃后河流進行重新命名)見圖3。

圖3 規(guī)劃后水系Fig.3 Post-planning water system

4.4 水系圖模型

在評價水系連通度時，為直觀反映水系的河鏈和節(jié)點，可采用水系圖模型方法。水系圖模型方法是指利用圖論中的圖模型概念，將水系連通性狀況通過幾何圖形的方式簡單明了表達出來，之后利用圖的性質進行分析[23]。規(guī)劃前后水系的圖模型見圖4、圖5。

圖4 現(xiàn)狀水系模型Fig.4 Model map of current water system

圖5 規(guī)劃后水系模型Fig.5 Model map of post-planning water system

5 研究結果

根據(jù)圖2～圖5，統(tǒng)計規(guī)劃前后研究區(qū)內的河流數(shù)量、河流長度、河鏈數(shù)及節(jié)點數(shù)等水系特征參數(shù)見表3。

表3 水系特征參數(shù)對比Tab.3 Comparison of water system characteristic parameters

基于ArcGIS軟件平臺，應用低丘山區(qū)水系連通性評價指標體系，對規(guī)劃前后的水系連通性進行評價，結果見表4。其中在計算縱向連通性時，需要考慮閘壩工程的影響，根據(jù)南昌市新建縣水務局提供的資料，現(xiàn)狀閘壩17座，規(guī)劃后為9座。

表4 水系連通性評價結果Tab.4 Evaluation results of water system connectivity

規(guī)劃后，為提供活水通道維持景觀水面，新開設了多條河道，并對原有的部分河道進行了一定程度的更改和拓浚，水面率由5.95%增至7.13%。根據(jù)《城市水系規(guī)劃導則》(SL 431-2008)2016年修訂版，7.13%滿足山區(qū)城市適宜水面率范圍。在現(xiàn)狀水系中，河頻率為6.38 條/km2；水系環(huán)度指標α為0.05，等級為“中”；連接率指標β為2.0，等級為“差”；實際結合度指標γ為0.39，等級為“中”。

評價結果表明，原有水系單位區(qū)域面積上的河流數(shù)少，水系成環(huán)水平低，節(jié)點數(shù)和河鏈數(shù)少，為樹狀網(wǎng)絡結構，連通性差。規(guī)劃后，形成了“三橫八縱”的水系格局，河頻率增至9.92 條/km2；水系環(huán)度指標α為0.25，等級為“中”；連接率指標β為2.84，等級為“優(yōu)”；實際結合度指標γ為0.51，等級為“良”。可見，由于新增了3條東西向的河道，節(jié)點數(shù)和河鏈數(shù)均得到了顯著增加，河頻率大幅度提高。水系環(huán)度指標α雖然仍為中等級別，但與規(guī)劃前相比擴大了5倍，水系成環(huán)水平得到了大幅度提升。同時β、γ的等級均得到了提高，水系結構接近網(wǎng)狀，連通性大大增強。趨于網(wǎng)狀的水系結構可提供更多的排水路徑，提高洪澇水的排泄和容納能力。規(guī)劃后的河網(wǎng)水系變化趨勢由簡單變?yōu)閺碗s、由單一變?yōu)槎嘣Y構連通性顯著提高。

經(jīng)規(guī)劃，區(qū)域內河流的總長度增加了30.01 km，河網(wǎng)密度由0.6 km/km2增為0.81 km/km2。新開了多條河道，并對原有河道進行了拓寬疏浚，河網(wǎng)密度得到了小幅度增長，但仍處于較低水平。原因是快速發(fā)展的城鎮(zhèn)化過高的追求土地利用率，出現(xiàn)填埋河、湖、濕地等現(xiàn)象，留給水域和水系的用地急劇減少。水流動勢增加了400 J/km2，河道最大輸水能力增加了2.35 m3/(s·km2)，證明研究區(qū)內水體的流動能力和排水能力均得到增強，汛期時可更加高效地承泄更多的洪水，又可促進水體凈化，改善河湖水質，有利于防洪除澇能力的提高和生態(tài)環(huán)境的改善。

現(xiàn)狀水系縱向連通性系數(shù)為0.2 個/ km，評價等級為“差”，規(guī)劃后，縱向連通性系數(shù)為0.08 個/ km，評價等級為“良”。主要原因是研究區(qū)現(xiàn)狀為農業(yè)灌排區(qū)，建有17座中小型水閘和攔河壩，雍水效果明顯，縱向對水系的阻斷程度較高。規(guī)劃后，拆除了原有的17座閘壩工程，新建了6座攔河壩和3座水閘，減少了河流斷點障礙物的數(shù)量，水系的縱向連通性得到了加強。

由以上分析可得出，經(jīng)過水系優(yōu)化布局，望城新區(qū)水系的結構連通性達到了一定水平，通過合理布置水利工程，水力連通性和地貌特性也得到了相應改善。水系連通性的整體增強有效地提高了水資源統(tǒng)籌調配和防洪除澇能力，改善了水系生態(tài)環(huán)境，為社會經(jīng)濟的進一步發(fā)展提供了有力支撐。但基于水系連通格局的復雜性和氣候影響的多變性，有關部門需要統(tǒng)籌協(xié)調，制定嚴格的運行調度準則，從而構建全面、安全、合理、穩(wěn)定的低丘山區(qū)城鎮(zhèn)防洪除澇系統(tǒng)。

6 結 論

目前國內對低丘山區(qū)水系連通性的定量研究案例較少。筆者以南昌市望城新區(qū)為例，選取9項指標，充分考慮結構連通性、水力連通性和地貌特性對水系連通性的影響，改進了水流動勢的公式，建立了一套相對全面的水系連通性指標體系，并借助圖論的相關理論，將河網(wǎng)水系概化為圖模型，重點探討了城鎮(zhèn)化進程中低丘山區(qū)水系規(guī)劃前后的連通性。應用的結果顯示，本次構建的低丘山區(qū)水系連通性評價指標體系是可行的。研究表明，規(guī)劃后研究區(qū)開設了多條與原河流走向相垂直的橫向河道，河流數(shù)和節(jié)點數(shù)增加，各項指標呈不同幅度的增長，水系連通性增強。但由于城鎮(zhèn)化的快速推進，一些指標雖增長但仍處于不理想狀態(tài)，今后需根據(jù)新區(qū)的整體發(fā)展對水系進行有針對性的調整。水系連通性評價是一個涉及自然、社會、工程及環(huán)境等多方面的課題。筆者在建立低丘山區(qū)水系連通性評價指標體系時，以連通性的相關指標為主，存在一定的局限性，在今后的深入研究中可增加評價角度，豐富指標數(shù)量，從社會和自然功能等方面加強對水系連通的綜合評價。