太湖流域江蘇片水系功能評價體系初探

華 晨，胡尊樂

(江蘇省水文水資源勘測局常州分局，江蘇 常州 213022)

同流域內所有河流、湖泊、水庫等天然和人工水體構成的水網系統稱為水系，通常其作為流域地理要素的主要功能包括：水資源配置、水旱災害防御和水環境修復，即能夠解決因水資源總量短缺或時空分布不均勻導致的水資源安全問題、因洪澇或干旱災害導致的防洪抗旱安全問題和因流域生態環境和水質惡化導致的水生態水環境安全問題。因此，水系功能評價是河湖健康評價的重要組成部分。

近年來，受人的社會活動影響較強地區的流域水網治理主要目標正逐步轉變為加強水系三大功能、增強水系連通性。通過對水系功能進行解構，選取了7項指標，推導構建水系功能評價標準，從結構連通、水力連通和槽蓄能力三方面對水系功能進行評價。

1 指標體系

根據水系的水資源配置、水旱災害防御、水環境修復三大功能，考慮相應水系結構連通性、水力連通性、槽蓄能力并提出評價方法，推導構建包含7項指標的評價體系。其中：水系基本要素評價選取水面率、水網密度2項指標；水資源配置及水環境修復能力選取水網覆蓋度、水系結構連通度、分枝維數、水力連通度4項指標；防洪蓄洪能力采用Hurst指數1項指標。參考河流系統評價、河湖健康評價等評價體系和方法，對水系功能的各要素賦權，根據綜合評分法對水系功能進行評價。水系功能評價指標體系見表1。

表1 水系功能評價指標體系

2 評價方法

2.1 水系基本要素

2.1.1水面率

水面率指標為采用水系內河道、湖泊、水庫等天然和人工水體以設計水位或多年平均水位為邊界條件計算得到的水面面積，其與相應的流域面積的比值。

2.1.2水網密度

水網密度指標采用水網密度指數，其物理含義為區域內河流總長度、水域面積和水資源量占被評價區域面積的比重，用以反映評價區域水豐富程度。其計算公式為:

水網密度指數=Ariv*河流長度/流域面積+Alak*湖庫面積/流域面積+Ares*水資源量/流域面積

(1)

式中，Ariv—河流長度；Alak—湖庫面積；Ares—水資源量的歸一化系數。

2.2 水資源調配和水環境修復能力評價

在考慮水系基本要素的基礎上，為反映水網空間分布和水體間連通情況，引進水系結構連通度、水網覆蓋度、分枝維數和水力連通度等動態指標。

2.2.1水系結構連通度

基于分形幾何學原理，建立水網結構性連通模型，建立水網覆蓋度概念，其原理為：將流域分為n個局部，各局部分別按比例β與全流域相似，以分形維數Df來描述相似程度，其表達式為：

(2)

可知，Df越大，則分形結構的自相似性越高，也就是流域水網覆蓋越密集、越均勻、水網結構性連通越好，當區域內只存在一條河流時，Df=1；當區域整體全為水面時，Df=2。因此將分形維數Df作為水系結構連通度指標。

2.2.2水網覆蓋度

根據水系結構連通度Df，據此判定某流域水網分布均勻程度和覆蓋程度，在水系與其覆蓋范圍之間建立了對應關系，則水網覆蓋度按下式計算：

(3)

顯然，水網結構連通性越大，即Df越大，則水系水網覆蓋程度就越大。

2.2.3分枝維數

由于在水系上游向下游演變中水網結構的連通程度呈現不斷變化的動態特性，引入分枝維數概念，用以描述水系水文情勢所體現出來的水網連通性動態變化程度。即在某流域內，以河流、湖庫等水體上游頂點為控制點，以rk為連通半徑，得到k個同心圓弧和同心扇環，則απr2半徑范圍內的圓環區域上分枝數之和為N(r)，則N(r)與r的冪指數存在一定的線性關系，即N(r)=b×rD，其中b為調和系數。則D為分形幾何意義下的維數，其體現的是水系分枝變化情況，因此定義為分枝維數。

可知，分枝維數由水系的分枝數目變化率確定，分枝維數越大，則流域水網的密度變化越小，支流水系發育越完全。如區域內無河流穿過，則分枝維數D=0；如有一條河流穿過，D=1.0；如區域整體全為水面時，D=2.0。一般地，一個流域水網結構連通的分布密度從上游到下游總體上呈遞減趨勢，即上游水網發育早于下游，且程度更深。

2.2.4水力連通度

一般地，天然或人工建立的流域水網內的水力聯系程度稱為水系的水力連通度。基于基爾霍夫定律對流域內的任意節點間的水力連通度采用下式計算：

(4)

式中，J—水力連通度；n和ni—水系總耗能系數和水系內某條河流耗能系數；Li、Si—水系內選取的起止點間距離和斷面面積；h—起止節點間總水頭；ki—具有徑流調節能力的水工建筑物的修正系數；wi—河流水質綜合污染指數。

可知，Li越大，水系內選取的起止點AB間耗能系數越大、連通性J越差；Si越大，AB間河湖(庫)過水能力越強、連通性J越強；wi越大，則AB間水質污染較嚴重，水力連通性不足；若AB間有多條河湖(庫)連通，則復合耗能系數n越小、兩點間連通性越強。

2.3 防洪蓄洪能力

受人類活動影響，水系下墊面條件改變，床面透水和槽蓄功能弱化，影響水系的防洪蓄洪能力。引入Hurst指數，對水系水網結構和水位的演變趨勢進行評價，進而對防洪蓄洪能力進行評估。其原理為：流域降雨徑流經過水系調蓄，類比為低通濾波處理，即剔除短期波動，保留長期發展趨勢，其中水位時間序列長期發展趨勢采用時間序列R/S法計算分析，最終得到水系防洪蓄洪能力與流域降水徑流的長期演變關系。有研究表明，徑流時間序列Hurst指數越高，則水系水網越復雜、其徑流變化過程越平緩，說明防洪蓄洪能力越高、發生洪災的可能性越小。

Hurst指數采用下式計算：

Log(R/S)=Log(c)+H·Log(n)+ε

(5)

具體計算過程如下：

⑤將A取值不斷增加至A=(M-1)/2，并重復①-④，以Log(n)為解釋變量，Log(R/S)為被解釋變量，進行線性回歸，得到方程中斜率H即為Hurst指數估計值。

3 實例應用

3.1 項目區概況

太湖流域江蘇片位于長江下游三角洲南側，西南環山，三面環水，地勢平坦，水系發達，為典型中下游平原河網地貌。陸地面積1.37萬km2，多年平均水域面積0.57萬km2。從上游起，太湖流域可依次分為湖西區、武澄錫虞區、陽澄淀泖區三大水系，有眾多水道與長江相通，京杭運河從西北到東南貫穿整個流域。其地理位置如圖1所示。

圖1 太湖流域江蘇片地理位置圖

2.3 水系功能評價

采用上述指標體系和評價方法，對項目區水系功能進行評價。其中，在根據分枝維數計算時根據項目區水系分布情況，分別以京杭運河、澡港河、望虞河為計算節點。計算得到太湖流域各水系功能綜合評價成果見表2。

表2 太湖流域各水系功能綜合評價成果

可知，湖西區水系功能綜合評價好于武澄錫虞區和陽澄淀泖區。

選用太湖流域各水系中系列較長，受通江河道引江潮量影響較弱的代表站，湖西區選取金壇站、武澄錫虞區選取無錫站、陽澄淀泖區選取陳墓站，以1999年和2018年年平均水位和年降水量實測數據為例，分析其降水和水位關系的演變趨勢，其成果見表3。

表3 太湖流域各水系降水—水位關系演變表

可知，與1999年相比，2018年太湖流域江蘇片各水系水位與降水量均呈上漲趨勢，但水位上漲幅度小于降水量增長幅度。綜合表2表3成果可知，三個水系對比，湖西區水網結構變化較小、水力連通度好、因此水位上漲幅度較小；湖西區、武澄錫虞區和陽澄淀泖區的水位與降水量對應關系演變說明了區域經濟社會發展和人類活動導致了各水系產、匯流條件變化和水系功能變化，且各水系功能變化程度有所差異，這些變化體現在水位變化上，反映的是各水系防洪蓄洪能力的差異，即Hurst指數。

3 結論與建議

3.1 結論

從水系水資源配置、水旱災害防御和水環境修復三項功能出發，通過對水系建立水面率等7項指標的評價體系，構建了水系功能評價標準。通過對太湖流域江蘇片的三個水系進行功能評價，得出湖西區綜合評分為1.46，水系功能最好；陽澄淀泖區得分1.32略好于武澄錫虞區得分1.28。經過觀測，評價結果與實際情況比較吻合。

3.2 建議

根據水系功能評價反饋出來的水系功能存在的問題，綜合考慮流域水網結構與功能，得出如下修復或提升建議：①加強水系連通治理，打造功能強大的水網格局，通過適當新開河道、建設人工水體等方式，進一步加強項目區范圍內的河湖(庫)連通，修復和改善流域水網結構及其功能體系；②減少人類活動影響，統籌社會經濟發展，恢復或擴大水面率，通過嚴格控制流域內土地開發利用方式，嚴格杜絕任意填埋或淤塞河道，維護正常過流斷面，合理控制和擴大現有水面率；③合理開展水體疏浚，提升水網形態多樣性，提高槽蓄功能，改善水系生境條件，恢復水體生態健康。