洞庭湖區蓄洪垸內農田渠系連通性評價及優化

李凱軒，李志威,2，胡旭躍,2，王贊成，錢 湛

(1.長沙理工大學 水利工程學院，湖南 長沙 410114；2.洞庭湖水環境治理與水生態修復 湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114；3.湖南百舸水利建設股份有限公司，湖南 長沙 410007；4.湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南 長沙 410007)

1 研究背景

洞庭湖區處在長江荊江河段的南岸，由西、南、東洞庭湖、數量眾多的中小湖泊和環湖河流以及重點垸、蓄洪垸和一般垸組成。其中，洞庭湖區蓄洪垸對調蓄和分泄長江荊江段的超額洪水，確保洞庭湖區人民生命財產安全具有顯著作用[1]。隨著近年來荊江-洞庭湖關系的自然演變，加之人類活動的頻繁干擾，湖區部分河湖與濕地的面積不斷縮小，堤垸內局部農田渠系由于缺乏合理有效的治理與維護，遭遇洪水時難以快速分洪和泄洪。特別是蓄洪垸內部分農田渠系被不同程度地覆蓋和填埋，導致缺乏連通或連而不通，影響其農業灌溉和行洪排澇功能的正常發揮。

已有工程實踐表明，水系連通是合理配置水資源、提高供水保障率和增強局部洪旱災害防治能力的重要方法[2]。水系連通性作為研究水系連通的關鍵一環，是指自然河道或人工渠道和與之連通的濕地之間的水力聯系[3]，還可定義為水系景觀空間的結構連接程度[4]。諸多研究結果表明，研究水系連通性對優化區域蓄水治澇能力具有指導意義。Cui等[5]基于圖論法對小清河流域不同流量下的水系網絡進行連通性評估，得出了河道暢通可減少高流量期的洪水風險的結論。李普林等[6]構建了水系連通性評價指標體系，運用于評價城鎮的水系規劃水平，結果表明水系連通性的提高可縮短洪澇排水時間。徐光來等[7]基于水流阻力和圖論法，借助ArcGIS和MATLAB定量分析太湖流域嘉興平原河網地區的水系連通性，得出連通疏浚河道可提高區域的泄洪能力。孟慧芳等[8]提出基于水文過程與水流阻力的水系連通度定量評價方法，揭示城市蓄洪排澇能力與河流連通程度呈正相關關系。現有研究結果主要針對大尺度的流域或城市自然河系，而對于“自然-人工”復合因素作用下斷面窄小且連通受阻較嚴重的農田渠系連通性研究，尚缺少報道。

為治理洞庭湖區蓄洪垸的洪澇災害，目前主要在蓄滯洪區的分類調整[9]、洪水的可視化模擬[10]和生態補償[11]等方面展開了理論探討。暢通的水系網絡是地區防洪排澇和供水安全的重要保障[7-8]，蓄洪垸內自然河湖較少，農田渠系承擔主要的灌排任務，其連通性亟待評價和優化。本研究通過定量評價洞庭湖區蓄洪垸內農田渠系的連通現狀，分析其與灌溉、行洪和排澇的內在關聯，提出合理的農田渠系連通工程思路，為提高蓄洪垸的防洪和調蓄能力提供借鑒。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究區概況

洞庭湖區蓄洪垸是指人類通過人工圍垸墾殖形成的可進行農業生產并貯存超額洪水的蓄滯洪區。在遭遇極端洪水情景下，通過蓄洪和破堤行洪，降低洞庭湖區城鎮和重點垸的洪水水位，減少區域生命和經濟損失。隨著長江上游干支流控制性水利工程建成后，中下游超額洪量減少，2020年后擬取消安化垸、六角山垸、和康垸及南頂垸等4個蓄洪垸，數量上由24個減少至20個[9]。蓄洪垸根據其啟用頻率和保護區域的作用由高到低分為重要蓄洪垸、一般蓄洪垸和蓄滯洪保留區。洞庭湖區水系及蓄洪垸分布見圖1。

圖1 洞庭湖區水系及蓄洪垸分布

2.2 數據來源

根據2019年Google Earth遙感影像，在不考慮水體流動變化的情況下，運用標尺工具描繪蓄洪垸內的農田渠系及垸內外的自然河系。洞庭湖區灌排渠道總長約29 407 km，其中小型渠道(底寬1～5 m)約占49.60 %，20世紀60-70年代基本建成后至今幾乎未得到系統整治，急需清淤疏浚的渠道約占總渠長的68.02 %。由于蓄洪垸內渠系斷面窄小，遙感影像的分辨率約為0.6 m，因此本研究僅描繪完全連通或堵塞較輕的干渠和支渠。根據湖南省洞庭湖區堤垸圖集和洞庭湖區1∶300 000水利工程圖對描繪的水系進行校對，借助ArcGIS平臺的轉換工具將Google Earth生成的圖像轉為水系格局圖形，運用AutoCAD統計水系起點和交匯點的數量并計算水系的長度。

2.3 評價方法與指標

基于景觀生態學中關于廊道與空間網絡的分析方法，將水系概化為廊道，水系起點與交匯點概化為節點，廊道之間相互交錯形成空間網絡。選取河網密度Rd定量評價水系自身結構的連通形態，選取水系環度α、節點連接率β和水系連通度γ定量評價不同水系相互交匯連通的程度[12-14]。考慮渠道作為蓄洪垸內水體流通的主要載體，在打通河湖關系和調配水資源上與河道處于同等重要地位，因此將上述方法和指標的評價對象由自然河系延伸至農田渠系。

河網密度Rd表示水系通達程度，反映水系自身發育水平，計算公式為：

(1)

水系環度α表示不同節點形成環路的程度，反映水系連通成環的能力，計算公式為：

(2)

節點連接率β表示節點之間連接的難易程度，反映節點連接廊道的能力，計算公式為：

(3)

水系連通度γ表示水系中廊道間的相互連接數與最大可能廊道連接數之比，反映水系實際結合連通的能力，計算公式為：

(4)

式中：LR為區域內水系總長度，km；A為區域總面積，km2；L為河流數量;V為節點個數;Lmax為最大可能廊道連接數。

參考相關文獻中對評價指標取值范圍的界定[6,14-15]，結合洞庭湖區堤垸現狀農田渠系的建設布局和新農村建設的發展需求，制定適用于評價洞庭湖區蓄洪垸內水系連通性的評價標準，見表1。

表1 蓄洪垸內水系連通性評價標準

2.4 蓄洪垸內水系連通性優化策略

農田水系通過發揮其灌排功能來鞏固蓄洪垸的防洪體系。定量評價蓄洪垸內水系的連通狀況后，需結合該蓄洪垸區域的防洪要求和農業生產需要，合理地確定連通格局并開展水系優化工程，以加強垸內水系的連通性。通過疏浚淤堵的水系，新建或翻新損毀的水閘和電排，提高其行洪、排澇和灌溉能力，保障“分得進，蓄得住，退得出”，達到“蓄泄兼籌，以泄為主”的目標[16-17]。對不同類別的蓄洪垸，應結合其蓄洪重要性和啟用概率，因地制宜地進行分類指導。

(1)重要蓄洪垸的防洪啟用概率為10～20年一遇，防洪地位最高，應盡快實施水系連通工程以適應堤垸行洪。以水系連通性指標為指導和參考，但不宜單純為了提高水系連通性而連通，需注重與當地鄉村建設規劃的銜接，盡量避免對農田的占用。

(2)一般蓄洪垸的啟用概率通常為20～30年一遇，對保障長江荊江段大堤和洞庭湖區四水尾閭地區的防洪排澇和供水安全具有顯著作用。近20年來城鎮化和工農業發展進程加快，應在不破壞原有水系、農田和道路的前提下，多通過清淤疏浚和擴寬斷面的方式連通水系，盡量不開挖新渠道。

(3)蓄滯洪保留區雖啟用概率較小，人口稠密，經濟發展迅速，與重點垸無明顯差別。但若發生特大超標準洪水，一旦啟用，將造成巨大的財產損失。因此還需結合鄉村城鎮布局，適當優化水系連通性，保證適時泄洪。

3 結果與分析

3.1 洞庭湖區蓄洪垸內水系的連通性評價

計算得出的洞庭湖區20個蓄洪垸的連通性指標值和等級見表2。

表2 洞庭湖區20個蓄洪垸的連通性指標值和等級計算結果

由表2可知，總體的河網密度Rd、節點連接率β和水系連通度γ的水平良好，而水系環度α較差，表明水系的自身發育和相互通達程度良好，但未形成良好的水資源循環路徑。建新垸的Rd指數最高，水系自身發育情況最好；共雙茶垸的α、β和γ指數均為最高，渠系相互連通成環，可為農業灌排和調蓄城陵磯附近超額洪水提供支撐；集成安合垸各指標的達優率最高，表明水系已建立較好的連通關系；圍堤湖垸、澧南垸、君山垸和屈原垸的城鎮化進程快，道路阻隔了水系的互聯互通，削弱了水系連通性；民主垸、城西垸、西官垸、建設垸、南漢垸、安昌垸、北湖垸和九垸的Rd、β和γ指數良好，α指數較低，表明垸內渠系雖多，但未得到合理的規劃布置；義合垸有待通過退田還湖以恢復湖泊與渠道的連通；大通湖東垸的斷頭渠多，整體連通性不足；江南陸城垸由江南垸和陸城垸合并而成，是典型的湖汊型丘陵崗地，陸城垸規劃的農田渠系少，水系環度和河網密度較低。

通過計算，重要蓄洪垸、一般蓄洪垸和蓄滯洪保留區的河網密度Rd平均值分別為2.15、1.95和1.95，水系環度α平均值分別為0.22、0.20和0.19，節點連接率β平均值分別為1.42、1.38和1.37，水系連通度γ平均值分別為0.48、0.47和0.47。對20個蓄洪垸的各連通性指標和3類蓄洪垸的各指標平均值進行單因素方差分析，結果如表3所示。由表3可見，水系環度α、節點連接率β和水系連通度γ在20個蓄洪垸之間和不同類蓄洪垸之間都無明顯差異，表明不同類蓄洪垸的水系連通性水平與其防洪重要性不匹配，局部渠系規劃不合理，均存在較大的優化空間。當前，通過新增、擴挖或疏浚連通渠系，新建或改造提水閘站和灌排泵站等水系連通措施，可完善洞庭湖區灌排體系[18-19]。

表3 洞庭湖區20個蓄洪垸和3類蓄洪垸的連通性指標單因素方差

3.2 典型蓄洪垸內水系的連通性評價與優化

從上述3類蓄洪垸中各取1個作為典型示范，具體展示其水系連通狀況，并提出優化農田渠系連通性和加強治澇灌溉能力的連通思路。錢糧湖垸是調蓄城陵磯附近超額洪水啟用最早的蓄洪垸，距離城陵磯最近，蓄洪量最大；屈原垸地處湘江、汨羅江尾閭，西、北瀕臨洞庭湖，防洪位置關鍵；安澧垸是長江洪水進入洞庭湖的必經要地，對蓄滯洪水以保障周邊重點垸區域起重要作用。以上3個蓄洪垸的水系連通性偏低，農業供需水矛盾嚴重，灌排功能不足，與其防洪發展需求不匹配，開展水系連通工程的必要性較大。

(1)錢糧湖垸東臨洞庭湖，南接藕池河東支，華容河與華洪運河分別由西北和東北部流入垸內。垸北部除華洪運河以北的局部渠系淤堵嚴重外，總體水系交織密集。垸中部渠系縱橫交錯，與西南部的東湖連通緊密。華容河兩支和華洪運河沿線已建立較多的涵閘和電排站，可支撐洪澇排泄。現有工程通過新建泵站從長江提水，流經華洪運河向華容河補水。目前宜疏通華洪運河與其以北(涂家垱)和以南(華容河)地區的連通渠系，通過調度長江水資源來滿足農業灌溉需求。針對藕池河東支和悅來河沿線局部缺乏連通的現狀，應在南部通過新增渠系以建立藕池河東支與東湖、悅來河的“河-渠-湖”連通格局。此外還需建立垸內渠系與采桑湖和洞庭湖的連通，并在已有補水工程的基礎上，改造或更新華容河和華洪運河沿線的涵閘和電排站。工程設想的具體優化方案如圖2所示，該方案可在不削弱α、β和γ指標的前提下，將Rd提升5.09%(見表4)，為泄澇創造更多路徑，緩解需水壓力。

圖2 錢糧湖垸現狀水系及連通優化方案

(2)屈原垸是自然河系分布最密的蓄洪垸，垸內房屋和道路多靠近自然河流而建，東北部和西南部城鎮面積較大。目前該垸局部的自然河流存在不同程度的淤塞情況，連通性不足。應考慮在不擠占城鎮面積的前提下，對自然河系進行清淤疏浚，恢復其原有形態，并打通“河-河”之間的連接渠系。可根據實際需求在沿洞庭湖地區適當新增電排站和涵閘，并疏通斷頭渠，形成閉合的連通環路，實現多渠道引水和泄水，保證西北部的農田需水。工程設想的具體實施方案如圖3所示，實施后河網密度可提升7.32%，節點連接率可提升3.99%，水系連通度可提升4.35%，特別是水系環度可提升16.67%(見表4)，由差等優化為良等，為水資源的循環暢通提供支撐。

圖3 屈原垸現狀水系及連通優化方案 圖4 安澧垸現狀水系及連通優化方案

(3)安澧垸夾于松滋東支和松滋中支之間，地勢北高南低，地形平坦開闊，水系呈“井”字型的規整格局。水系連通工程的實施可首先考慮連通垸內的斷頭河和松滋中支附近的斷頭渠，若洪水破堤可快速分洪與行洪。其次清淤和擴寬內湖周圍渠系，并連通渠道末端，創造“河-湖-渠”內循環路徑。工程設想的具體實施方案如圖4所示，實施后，河網密度可提升10.63%，水系環度可提升4.55%，節點連接率可提升2.16%，水系連通度可提升2.08%(見表4)，灌排體系可得到明顯優化。

表4 典型蓄洪垸內水系優化后指標值及指標優化率

4 討 論

(1)大批水利工程的興建和城鎮化的迅速發展，改變了自然河湖的連通關系，在局部地區形成了“河-渠-湖”的連通關系。現有關于水系連通的實踐和理論研究主要聚焦于“河-河”和“河-湖”的連通性評價，人工渠系作為“河-湖”連通的紐帶，在自然水系宏觀格局的基礎上發揮著微觀連通作用，應對其連通性進行更多探討。洞庭湖區蓄洪垸內的人工渠系以農田渠系為主，是農業生產取水和排水的直接通道。部分蓄洪垸內水系的連通性較低，首先是受限于前期的水系規劃未綜合考慮連通性需求，渠系及其配套設施建設年代久遠，且因多年泥沙淤積而形成的阻塞問題未得到系統改善。其次，渠系往往是根據實際的農業灌溉和生產生活用途而設置于房屋或農田附近，或被道路阻隔，難以從空間分布上達到較高的連通性標準。建議今后通過多渠道籌措資金，對不同類蓄洪垸內水系因地制宜地進行科學整治和合理布局。

(2)由于農田渠系大部分時間都處于靜水狀態，因此本研究主要從連通通道的通達程度來研究水系格局及其連通性，未來可進一步探討洪水期間渠系水流的動態連通過程以及連通與水質、水量和水生態系統的響應關系[20]。如何定量評估實施農村水系連通工程對農村生態環境和經濟效益的影響，也值得深入研究。

5 結 論

本研究采用河網密度Rd、水系環度α、節點連接率β和水系連通度γ等水系連通性指標，定量評價洞庭湖區20個蓄洪垸內水系的連通現狀。對重要蓄洪垸、一般蓄洪垸和蓄滯洪保留區提出不同的水系連通工程策略，重點分析錢糧湖垸、屈原垸和安澧垸的水系連通性，提出優化思路和方案，得到3點主要結論：

(1)蓄洪垸的總體河網密度、節點連接率和水系連通度良好，而水系環度差，表明水系的自身發育和相互連通程度良好，但未形成良好的水體循環路徑。重要蓄洪垸和一般蓄洪垸的水系連通性與其防洪重要性不匹配，連通性存在較大的提升空間。

(2)重要蓄洪垸應重點實施水系優化工程，通過合理增強水系連通性，優化灌排體系，更好地發揮蓄洪作用。一般蓄洪垸多考慮在不占用已有水系、農田和交通道路的前提下，疏通和擴挖渠系。蓄滯洪保留區應確保在行洪時分泄順暢，降低堤垸的經濟損失。

(3)錢糧湖垸、屈原垸和安澧垸連通優化后，河網密度、水系環度、節點連接率和水系連通度均有不同程度的提高，可有效增強農業灌溉和治澇行洪能力，進而保障堤垸防洪安全。