渾河水系連通性評價
——以撫順市境內水系為例

2020-12-14 10:25:56王朝宇

水利技術監督 2020年6期

王朝宇

(遼寧省沈撫新區管理委員會城鄉建設局，遼寧撫順 113000)

河流生態和水文研究的重要依據是河流結構及其形態，水系結構對河流水質、河網水情、洪水過程會產生明顯影響，并且水循環、水資源配置以及水安全保障能力與河流連通格局密切相關。水系連通性對水生態保護和城市水系規劃非常重要，新時期的經濟發展提出了更新、更高的水資源配置要求[1- 4]。

對于水系連通性國內外學者做了大量研究，從連通方式、構成要素及驅動因素等方面探討了河湖水系連通的內涵，依據水文連通和物理通道連通探討了其定義，初步形成了水系連通理論體系及概念框架，通過對河網功能及特點的分析，揭示了河流健康、區域生態系統與水系連通性之間的作用關系，以及生態保護、水生態文明建設中河流連通性的重要程度。早期的水系連通性研究主要通過分析水文情勢數據或定性描述地貌特征，間接反映水系連通性。近年來，景觀生態學、連通性函數、水文水力學模型、復雜網絡理論、圖論等定量評價方法被越來越多的應用于河網連通性研究，部分學者利用水系格局連通性指標建立了綜合評價指標體系。例如，Pedro等[8]對河網水系連通性利用圖論法加以評價，提出清除障礙為快速提升水系連通度的有效措施；楊曉敏等[9]利用圖論法評價了原始狀態下引黃濟青工程、膠東調水工程的水系連通性；邵玉龍等[10- 11]將河網連通性采用所有節點連通度的平均值進行分析，較為準確地揭示河流的變化情況；旭光來等[12]依據平均暢通度和水流阻力，構造了河網水系的加權連通度和矩陣模型。借鑒相關研究成果，以往的連通性評價方法多側重于拓撲網絡分析，而同時考慮水系空間網絡特征和水系網絡拓撲特征的研究還鮮有報道。鑒于此，本文選擇撫順市境內渾河水系為例，將水系網絡利用空間網絡和拓撲網絡結構表征，對水系網絡的連通性程度利用中心性、連接度、圖論指標直觀地分析，希望為河流生態治理、水系連通工程設計和完善水系連通性評價方法提供科學支持。

1 水系連通性評價思路

1.1 區域概況

撫順市地處遼寧省東部，位于E123°55′、N41°52′，總面積11271km2，主城區位于渾河河谷沖積平原上。該地區屬于長白山系龍崗山脈，地勢呈西南、東北走向，地形特征為“八山一水一分田”，地貌特征以多山為主，平均海拔400～500m。撫順市水資源儲量充足，降水量充沛，年降水量750～790mm，主要有柴河、富爾江河、清河、渾河、柳河、太子河等12條河流，地表水資源豐富，徑流量大。全市水資源總量39.82億m3，可利用水域面積6667hm2，總供水量16.5億m3，人均占有量1530m3，僅次于丹東和本溪地區[13- 15]。

渾河為撫順市最大的河流，該河流流經縣區最廣、支流最多，主要有東州河、章黨河、蘇子河、英額河、社河、萌河、白塔河、古城子河、蒲河、拉古河、細河等支流。近年來，隨著人口規模的擴大以及工業化、城鎮化的迅速發展，境內具有儲存和滯洪功能的池塘、湖泊、濕地面積逐漸消失，河流被侵占問題日趨突出，加之環境破壞、熱島效應進一步增強了區域降水頻率和強度。植被減少和地表硬化加快了雨洪匯流速度，顯著增大了水流流量及河道的不可控性，河水侵蝕、沖刷河岸及河床的作用增強致使城市洪澇災害頻發，采用科學的方法定量評價水系連通性極其重要[16- 18]。因此，本文選取完整性好、獨立性強的撫順市境內渾河水系為研究區，從地理國情監測信息中提取水系連通性評價相關數據。

1.2 評價思路

為科學評價河流系統的連通性引入水系網絡分析法，將一段河流弧段(河鏈)利用拓撲網絡分析法設定為節點，2條河鏈間存在鄰接關系和水流交匯點，則代表存在連接邊或兩者相鄰，通過連接和不連接的區分計算河湖水系的邊連通度。河網中河流交匯的點利用空間網絡分析法時設定為節點，河鏈為2個節點的連接邊，結合水流速度、河鏈長度等因素確定連接邊的值，在此基礎上計算節點中心性程度，最終的河鏈連通度值為兩端節點連通度平均值。此外，物種的移動在一定程度上受到水庫的限制，結合相關資料以水系網絡的隔斷點作為網絡中的水庫。

2 水系連通性評價指標

2.1 拓撲網絡評價指標

2.1.1圖論指標

圖論法可以定量反映水系的連通情況，屬于一種利用圖的性質分析河網水系的數學方法，現已在水文領域得到普遍應用。定義圖論節點為河流交匯的點，河鏈為2個節點連接的邊，采用河鏈和節點概化河網圖形，將常用的圖論指標利用網絡中存在的子圖、節點和邊的數目計算。為更好地反映網絡的復雜程度以及各種網絡流可選擇的遷徒路線程度，引入環度指標(α)，其表達式為：

(1)

式中，α—環度指標，取值區間為0～1，α取0或1分別代表沒有形成網絡回路和已最大限度的達到網絡回路數；p—組分個數；m、n—河網中的河鏈數和節點個數。線點率(β)的計算公式為：

β=m/n

(2)

式中，β—線點率，取值區間為0～3，其值越大則代表節點連線數的平均值越大，水系網絡的復雜程度越高，β取0代表不存在網絡。網絡連通性測度引入連通度指標(γ)，計算公式為：

(3)

式中，γ—連通度指標，取值區間為0～1，γ取0或1代表只存在孤立點沒有連接成網絡和網絡中各個節點均相互連接。

2.1.2連接度指標

連接或不連接為水系網絡河鏈連接性的2種狀態，為準確度量水系網絡的連接度特征引入IIC整體連接性指數，其數值越大則連接程度越高，IIC取值區間為[0，1]，計算公式為：

(4)

式中，nij—河鏈i與j的最短路徑鏈接數；ai、aj—河鏈i和j的長度；AL—河網水系總面積。設I、Iremove為整體和河鏈i移除后的連接性指數，dIIC河鏈重要程度的數學表達式為：

(5)

2.2 空間網絡評價指標

空間網絡將河網中河流交匯點、河鏈作為節點和連接邊，運用MCAM多中心分析模型評價空間網絡。網絡的整體結構特性、擴散特性和河鏈的重要性均可利用中心性指標衡量，其中特征向量度、接近中心性、中介度和節點度為較常見的中心性度量指標。本文對撫順市境內渾河水系的網絡中心性特征，運用UNA城市網絡分析工具以及鄰近、中介、直線中心性指標進行測度分析。

2.2.1鄰近中心性

采用鄰近中心性反映網絡中節點的相對可達性，網絡分析時利用所有節點與該節點的河鏈網絡最短距離衡量，整個網絡中鄰近中心性值越大則節點的相對可達性越高，利用以下公式衡量鄰近中心性，即：

(6)

式中，i、j—水系網絡節點；N—節點總數；d[i，j]—節點i、j的網絡路徑最短距離；Closeness[i]為節點i的鄰近中心性值。

2.2.2中介中心性

中介中心性可以反映節點的中介作用，其實質是經過2個節點的路徑中最短路徑所占比例，所以也稱為中間中心性。整個網絡中節點的樞紐轉換或橋梁作用越好則中介中心性越高，數學表達式為：

(7)

式中，njk—節點j、k間的最短路徑數；njk(i)—經過節點i、k時節點j的最短路徑數量；Betweenness[i]—節點i的中介中心性質。

2.2.3直線中心性

節點與其他節點的水流通達效率利用直線中心性衡量，反映了實際網絡距離與節點歐式距離的關系，其表達式為：

(8)

式中，dEucl[i，j]—節點i、j之間的歐式距離；Straightness[i]—節點i的直線中心性值。

3 結果分析

3.1 水系網絡拓撲結構特征

撫順市境內渾河水系網絡圖論指標利用Arc GIS10.2系統自帶network工具進行計算。結果顯示：環度指標(α)等于0.61，可見較多的回路數在水系網絡中不存在；線點率指標(β)等于2.00，表明水系網絡的復雜度較低；連通度指標(γ)等于0.72，表明每個節點之間并不完全相連，即水系網絡的總體連接度不高。總體而言，撫順市境內渾河水系的復雜程度較低，網絡連接度不高，這符合水系分支狀網絡的特征。水系網絡的整體連接特征可以用圖論指標度量，仍需進一步衡量各河鏈、匯點在水系網絡中的重要程度。

采用是否連接的邊、節點替代河鏈的交匯處和河鏈，按照構造的水系網絡拓撲結構確定整體連接性的重要程度指數。結果發現，整個水系網絡中各河鏈的重要程度可以用整體連接性的重要程度指數來識別；撫順市境內渾河水系網絡中，長度長的河鏈和主要通道河鏈的連接度指標較高，而整體連接性的重要程度指數在孤立的水系組分中較低。

將連接度指標值利用自然斷點法分級，見表1。連接度重要程度為中等、高、最高的河鏈有共10條，占河水系網絡總河鏈的3.16%；連接度重要程度為中等、高、最高的河鏈長度為70.081km，占總長度的13.66%，可見單位長度上中等、高、最高重要程度的河鏈均較長。重要程度最低、低的河鏈數為262和45條，長度為286.815和156.024km，因此最低一級中的河鏈較多。

3.2 水系網絡空間結構特征

水系網絡數據集利用Arc GIS建立，然后對撫順市境內渾河水系網絡各匯流點的直線、中介、鄰近中心性利用UNA城市網絡分析工具進行計算，從空間分布上揭示各匯流點的中心性特征。研究表明：①不同指標所反映的水系網絡匯流點的中心性特征具有一定差異，多維性特征揭示了水系網絡各方面的重要度；然后對中心性值高值區進一步對比分析，結果發現中心性高值集中于孤立的小的水系組分，鄰近中心性最高值由于存在較多小的孤立組分都分布于孤立組分中。②結合鄰近中心性空間分布特征，核心邊緣分布模式與地理學距離衰減規律不符；水系主干河流的匯流點和一些孤立的組分中均分布有中介中間性的高值，水系河網中高值呈分散分布狀，表明這些匯流點具有最多的最短路徑。總體上，主要組分中各匯流點的中介中心程度可以利用中介中心性分析來有效識別，由此可以降低孤立組分的影響程度。③水系主干河流的匯流點中和孤立組分中均有直線中心性較低值、最高值的分布，表明孤立組分的存在為該區域最高值分布的主要原因，直線中心性對主干河流匯流點的認識在一定程度上受到干擾作用。

表1 連接度指標分級

各水流點的直線中心性、鄰近中心性受水系網絡孤立組分的干擾作用較為明顯，所以水系網絡的空間結構難以利用中心性分析。對此，可以刪除各孤立組分更好的反映其內部結構，對主干河流各匯流點的直線、中介、鄰近中心性進行重新計算。結果表明，不刪除情況下的鄰近中心性與刪除各孤立組分后的分布特征存在較大差異，核心邊緣分布比較明顯；此外，水系中較主要的主干水系可以依據鄰近中心性分析來識別。在中介中心性分布差異較小的情況下可以不考慮孤立組分是否存在，對水系網絡利用中介中心性分析有利于識別主要連通的河鏈或匯流點。較不刪除孤立組分的直線中心性，水系網絡出現一定的結構變化，直線路徑與水系網絡內任一匯流點到達直線性低的匯流點的最短路徑存在最大偏離，該路徑存在最低的匯流通行效率。由此表明，水系網絡中較曲折的河鏈可以依據直線中心性能來確定，同時可以確定高通行效率的河鏈或匯流點。