江漢平原河湖水系連通性評價研究

范魯曄，顧文權，邵東國，劉 杰

（武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072）

0 引 言

河湖水系是水資源的重要載體，也是山水林田湖草共同體的主要組成部分，其分布格局與連通性直接影響區域供水與生態系統的安全穩定［1］。在經濟社會發展過程中，為抵御洪澇災害，配置水資源，平原水網區建設了大量涉水工程，河湖水系布局與連通程度均受到巨大影響，已造成區域洪水調蓄能力下降、河湖健康退化等問題，嚴重威脅著區域經濟社會與生態環境可持續發展。因此，開展平原水網區水系連通性評價，恢復和提高水系連通性具有重要現實意義［2，3］。

水系連通定量評價是提高水資源統籌調配能力、改善生態環境質量狀況的重點環節，也是當前的研究熱點問題［4，5］。國內外學者從水系連通的概念、理論出發，引申出縱向、橫向、垂向及時間多維水系連通機制［6］，側重于景觀格局、生物保護、流域管理等宏觀尺度［7，8］或土壤和水體中的泥沙運移、氮磷轉化等微觀視角［9，10］，涉及水系連通的機理與過程研究、影響因素及效應評價，同時根據水系連通的形態、結構和功能等特征［11-15］提出一系列相關指標［16］，發展了圖論法［17］、水文-水力學法［18］、景觀生態學法［19］和綜合指標法［20］等多種研究方法。但目前研究多集中于天然河網，采用圖論法賦值邊的權重通常考慮水流阻力、河道截面形態、流量、泥沙輸運量等因素［21］，對閘門泵站等水利工程的影響考慮不足；建立綜合指標評價體系主要選用水系結構、水文水動力、生態環境等方面的指標［22］，部分數據難以獲取，推廣應用受限。因此，水系連通性評價方法還有待進一步完善。

江漢平原位于長江中游，是我國重要的糧食生產基地，但其河網復雜、湖泊眾多、水旱災害頻繁。受氣候變化與人類活動的雙重影響，江漢平原內部湖泊濕地萎縮，河流水體破碎化，水系連通性減弱，洪水宣泄不暢等問題日益嚴峻［23］。為修復和改善江漢平原水生態環境、降低水旱災害風險、實施河湖水系連通戰略、保障水安全，需加強區域水系格局與連通性評價研究。

本文采用改進圖論法建立江漢平原河湖水系概化模型，定量分析水系受閘站等水利工程設施影響下的結構連通現狀，識別節點或河渠連通分布規律，測度整體連通等級；同時基于水系連通機制建立綜合指標評價體系，定量分析工程調度現狀條件下的功能連通特性，識別影響水系連通的重要指標與重點區域，為優化江漢平原河湖水系連通布局、實施河湖水系連通工程措施提供相關參考。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

江漢平原位于湖北省中南部，地處兩湖盆地西部和中部，是長江中下游平原的重要組成部分，地處北緯29°26′～31°37′，東經111°14′～114°36′之間。江漢平原屬于亞熱帶季風氣候，雨熱同季，客水豐富，水系發達，其中長江最大的支流漢江自西北向東南，經天門轉向東，在漢口匯入長江。兩江與東荊河、通順河、四湖總干渠等支流構成江漢平原骨干河網，河流之間形成洼地，湖沼發育廣泛，區域內最大湖泊為洪湖。同時區內水閘泵站、引調水工程等水利工程設施復雜。

綜合考慮地理特征與行政區劃，本研究范圍定義為漢江與長江干流、長湖以北的丘陵邊緣包圍的水網區域，面積1.44 萬km2，涵蓋四湖、通順河流域，如圖1 所示。區域內河渠縱橫交錯，湖泊濕地眾多，水網密度大，人工干擾程度較強，河湖生態系統特點可以基本代表大江漢平原。

1.2 數據來源

研究區30 m 分辨率DEM 與衛星遙感數據來自地理空間數據云（https：//www.gscloud.cn）；水網分布來自全國地理信息資源目錄服務系統（https：//www.webmap.cn），比例為1∶25W；重點水利工程設施位置來自荊州、仙桃、潛江三市防汛抗旱形勢圖及實地調研手持GPS 數據；閘站啟閉狀態及過流流量來自湖北省水利廳、荊州、仙桃、潛江三市水利局以及千里眼水雨情查詢系統（http：//113.57.190.228：8001）；骨干河流長度、湖庫庫容等特征參數來自《四湖流域綜合規劃報告》及《澤口灌區續建配套與節水改造規劃報告》。

1.3 研究方法

1.3.1 改進圖論法

傳統圖論法首先經水系概化得模型圖G（V，E），V為點的集合，E為邊的集合，再根據節點間的鄰接關系建立鄰接矩陣A（aij）n×n，aij為節點Vi與Vj直接相連的邊數，n為節點數，如圖2 所示。 根據圖的連通性判定準則，若判斷矩陣S(sij) =全部為非零元素，則圖G（V，E）為連通圖，否則為非連通圖，其中，sij為節點Vi與Vj的可連接路徑總數，為兩節點經中間連接k步的路徑數目，k=1，2，…，n-1。

圖2 河網水系的圖論概化模型Fig.2 Graph theory generalization model of river system

為進一步考慮閘站對江漢平原水系網絡的阻隔效應，同時限于閘門開度多受人工調控，實際水文資料難以獲取等因素，本文根據水網閘站越多，受控水平越高，連通性越低的特點［5］，基于單位長度河道的閘門數量，構造適應性連通度因子bij，公式為：

式中：gij與lij分別為節點Vi與Vj的閘門數量與實際距離，m。當bij=1時，表示節點Vi與Vj之間不存在閘門等水工建筑物，該河段為完全連通狀態。

因平原河網區流速較小，流向多變，屬于往復流［24］，本研究暫不考慮流向，將河湖水系網絡概化為無向圖。采用連通度因子bij作為邊權值表征河網圖模型G，構建加權鄰接矩陣，計算任意兩節點間k步所有連接路徑的連通度之和，以其平均路徑連通度的最大值表征河網中各節點間連通度dij，公式為：

對整體研究區域來說，對所有節點間的連通度求均值可得到流域平均連通度D，計算方法為：

本方法的主要特點有：①基于單位長度河道的閘門數量，以連通度因子作為邊的權值建立加權鄰接矩陣，考慮了閘門阻隔對水系網絡的不利影響；②引入節點間連通度dij評價非直接相連的節點間的連通性，同時考慮路徑中最不利節點對的限制效應，降低因現實不可及而網絡可達的虛擬路徑的干擾。

1.3.2 綜合指標法

根據水系連通性機制，河湖水系存在縱向、橫向、垂向及時間四個維度的連通性［6］。本文考慮江漢平原水網的密集程度高、受干擾程度大、季節性強等特點，側重于河流縱向及河湖橫向連通水平的量化分析，構造河流碎片化指數、湖庫水流暢通指數、河流閘站阻隔指數、水面面積變化率及換水周期五個指標，通過層次分析綜合評價江漢平原河湖水系功能性連通特性，如圖3所示。

圖3 連通性評價層次分析模型Fig.3 Analytic hierarchy process model for connectivity evaluation

（1）閘站阻隔是對河流縱向連通性影響最大的因素，若河道中閘門數量較多且分散趨于均勻化，其生態環境破碎化越為突出。根據各河道長度占域內河道總長度的比值作為權重進行加權平均，計算河流碎片化指數（River Fragmentation Index，RFI）量化縱向連通性。

（2）水體的出入流量越接近天然狀態，區域橫向匯流條件與水循環過程受干擾程度越低?？紤]徑流的年內分布變異性，以自然月為基本時間單位，采用日出入湖流量不小于多年月均流量的累積天數，占該月總天數比值的年度平均值，作為湖庫水流暢通指數（Flow Circulation Index，FCI）。

（3）水體的換水周期（Lake Residence Period，LRP）決定了植物演替、生物遷移、泥沙溶質運移等速率，其水位的漲落提高了水體與灘地或河岸帶間的橫向連通性?？紤]不同季節多年平均水位不同，采用河湖各月多年平均蓄水量與評價年對應月份平均出湖流量的比值，表征每月的換水周期，再取全年算術平均值。

（4）水域面積主要反映受到出入湖流量、滲漏、蒸發及水資源開發利用等多種因素影響，面積越大，則地表水體對地下水的補給越高［25］。通過分析現狀河湖水面面積與歷史時期（1980年代）水面面積減少的比例來反映水面面積變化率（Water Area Change Rate，WACR）。

（5）河流節制閘站的啟閉影響河道內的物質能量交換過程與上下游水生動植物的棲息繁衍進程，體現了水系連通的時間維與動態性。采用因閘站關閉導致斷流天數與全年總天數的比值進行量化河流閘站時滯指數（Flow Time-lag Index，FTI）。

各指標的表達式及符號意義如表1所示。

表1 河湖水系連通度評價指標Tab.1 Evaluation index system for connectivity degree of river and lake water system

在對江漢平原河湖水系連通性評價時，選取連通性作為目標層，縱向、橫向、垂向和時間連通列為準則層，結合對應的功能性連通指標，構建指標層。同時，將各層次的連通性指標進行兩兩比較，得到判斷矩陣并通過一致性檢驗，其評價指標的權重矩陣為：

本文的指標已進行無量綱化，且取值區間為［0，1］，但除湖庫水流暢通指數FCI外，其余均為負向指標，即數值越大，表征連通性越低。對此，采用指標同趨勢化方法處理，將負向指標轉化為正向指標，可以得到連通指標的量化矩陣Xr，即：

式中：x′r為正向化后的指標值；xr為原負向指標值。

根據各指標的權重系數與連通指標值，構建連通性綜合評價函數：

1.3.3 評價等級

綜合考慮河湖形態結構完整性、水文循環過程、水生態抗干擾性等方面，結合《河湖健康評估技術導則（SL/L793-2020）》，本文將河湖水系連通性等級劃分為好、較好、一般、較差、差5個標準，具體如表2。

表2 河湖水系連通性評價等級Tab.2 Evaluation grade of river and lake water system connectivity

2 結果與分析

2.1 河湖水系結構連通性評價

基于江漢平原現狀，繪制江漢平原河湖水系網絡圖見圖4（a），所有河道的交匯點、分流點以及主要湖泊均視為節點，并通過聚類算法［26］識別網絡結構見圖4（b）。可見江漢平原骨干水系網絡節點共計88 個，包括長湖（節點41）和洪湖（節點81），河道共計132 條，全長2 533.99 km；網絡所劃分的8 個子結構以不同的顏色表示，節點間的連接度水平以不同的大小區分。

圖4 江漢平原河湖水系網絡概化圖Fig.4 Generalized diagram of river and lake network in Jianghan Plain

水系連通格局方面，研究區水系網絡疏密分布不均，西北部和東部分布較為密集，中部地區分布較稀疏，顯示出空間不均衡的特點；網絡結構方面，平均每節點有2～4 個連接線，各子圖節點數在6～18 個之間，均呈現明顯的集聚現象，不同結構間的連接點多為流域邊界節點，其中洪湖對周邊節點的輻射效應較強，長湖主要起連接作用。經計算，現狀骨干河道頻率為0.009 條/km2，河網密度為0.176 km/km2，表明該區域河流數量較多，河網密度與河流總體發育程度較高。

為進一步分析閘門泵站等涉水工程對連通性的影響，依據上文連通度因子的定義，計算各邊的權值bij，得到鄰接矩陣A與加權鄰接矩陣B，通過Matlab 軟件編程計算A（k）與B（k）得到不同步長k的節點間連通度矩陣，以其最大值作為實際節點間連通度dij，所有節點間連通度的平均值即為河網的加權連通度，結果如圖5所示。

圖5 改進圖論法水系連通度計算結果圖Fig.5 The calculation result graph of water system connectivity by improved graph theory method

江漢平原水系網絡的節點間最大連通度多數分布在0.6～0.8 之間，其值也多數在3～9 步取得，約占總節點對的76.8%，體現了該網絡的“小世界”特性，即河流節點趨向于地理空間距離相對較近的連接，其整體連通度為0.717 2，處于較連通水平。

由初始加權矩陣可看出，單一節點的連通度有限，且絕大多數節點并不互聯，顯示出江漢平原水系網絡的稀疏特性；但隨著節點間連接步數k的增大，節點逐漸相連，連通度受路徑數目與路徑內最不利節點對的雙重影響而降低。當連接步數小于15 時，若不考慮未連接節點對，節點間的連通度處于較高水平；當連接步數大于15 時，各節點雖相連，但連通度急劇下降。可見連接步數k越小，則節點間連通路徑內的閘門等涉水工程設施越少，同時現實水網系統中可實現的水流路徑占比越高，這基本符合實際平原河網地表水運動規律，相連路徑越短，人工干擾越小，節點間進行水量交換與物質運移的概率越高。

根據各節點的連通度，通過克里金插值，得出江漢平原的連通度分布圖，如圖6 所示。江漢平原水系連通性呈現出明顯的分區差異性，西部與東部連通度較高，中部除東荊河地區外，連通度均較低，并且局部地區如通順河、通州河、排澇河、螺山干渠等河段受閘站影響程度較大，連通度較低。同時對比長湖和洪湖兩大主要湖泊，可見長湖受干擾程度較小，原因可能為直接相連的河流上涉水工程較少，加之長湖處于流域上游，灌溉屬性較為突出，具備較好的水動力學條件，連通度較高。

圖6 江漢平原水系連通度分布圖Fig.6 The distribution of water system connectivity in Jianghan Plain

考慮自然地理特征與工程管理現狀，對江漢平原子流域水系格局與連通性做進一步分析，如表3 所示?？梢娡樅恿饔蚺c四湖流域的水系連通度分別為0.798 5 與0.762 5，均高于整個江漢平原水系連通性，將四湖流域繼續劃分為上、中、下三區，各子區域連通性大小順序為：上區＞下區＞中區，且均大于整個四湖流域連通性。對比流域面積、河網密度與網絡連通度可得，同級別流域面積越小，河網密度越大，連通度越高，且因邊界閘站的控制作用，子流域的連通度一般高于上級流域。

表3 江漢平原子流域水系格局與連通性情況Tab.3 Water system pattern and connectivity of sub-basins in Jianghan Plain

綜合而言，江漢平原水系網絡結構連通度處于“較好”等級，局部處于“好”等級，具有較強的結構性連通潛力與地表水量遷移交換動力，西部與東部地區因閘門等涉水工程設施較少，連通度較高，中部地區受人工干擾較強，連通度較低。

2.2 河湖水系功能連通性評價

通過衛星地圖目視解譯，結合現有規劃與實地調研確定江漢平原水網閘門數量、位置等地理空間信息，并根據流域水文資料與2018年主要閘站實際調度運行數據，計算分析江漢平原功能性連通評價指標，結果如下。

江漢平原RFI為0.409，域內各河道RFI如圖7（a）所示，其中通順河、通州河、四湖西干渠、四湖東干渠河流碎片化程度較高。其子流域通順河流域RFI為0.577，涉水工程多為節制閘，且均勻分布于主干河流，對河流連通性不利；而四湖流域RFI為0.408，涉水工程多為灌溉與排水閘，多分布于河流首尾兩側，除此外，還有較多閘門用于長湖和洪湖的調蓄，對主干河流的縱向連通影響程度相對較小。

以研究區主要湖泊長湖和洪湖的出流暢通程度均值，作為區域湖庫水流暢通指數FCI，如圖7（b）。江漢平原FCI為0.745，長湖為0.885，洪湖為0.605，可見四湖流域中區FCI較低，主要受汛期（5-10 月）外江水位頂托與下游排澇壓力較大的影響，區域閘門數量眾多，人工控制程度較高，出入湖流量相對多年平均較低。

計算研究區主要湖泊長湖和洪湖的換水周期均值，得江漢平原換水周期LRP為0.155，如圖7（c）所示。其中長湖為0.152，洪湖為0.158，年均值相差較小，但年內分布存在明顯差異，汛期長湖換水周期較小，非汛期較大，洪湖與之相反。這體現出四湖流域上區以灌溉為主兼顧防洪，而中下區則主要以防洪排澇為主的目標結構性差異，由此產生了地表水系循環與水動力的時空分布不匹配現象，從而降低了江漢平原的整體連通性。

結合前人研究［27］與《四湖流域綜合規劃報告（2007）》，歷史時期（1980 年代）長湖和洪湖9-11 月兩湖平水期水面面積分別為129.1 km2與395.5 km2；收集江漢平原2018 年Landsat-8 衛星遙感影像數據，通過改進歸一化水體指數反演提取長湖和洪湖水面面積。受水資源開發利用及運行調度等影響，2018年長湖水面面積為120.75 km2，較80 年代縮小6.47%，洪湖水面面積為336.12 km2，較80 年代縮小15.01%，可得水面面積變化率WACR為0.129。

限于各次-末級河道閘門水位、流量數據資料匱乏，可通過長湖、洪湖兩大調蓄湖泊的主要入流及出流河道的閘門啟閉情況，結合河流等級權重，以其均值衡量區域河流閘站時滯指數FTI，如表4 所示。江漢平原FTI為0.264，其中長湖為0.181，洪湖為0.346，對其時滯阻隔程度貢獻較大的為劉嶺閘和雙店閘（長湖），小港湖閘和新堤大閘（洪湖）。而習家口閘為保持四湖總干渠生態基流，長期處于開啟狀態，時滯指數相對較小。

表4 河流閘站時滯指數指標計算結果Tab.4 Calculation results of flow time-lag index

表5 連通性指標評價結果Tab.5 Evaluation results of connectivity indicators

將負向指標正向后，綜合各指標得分與權重，得到江漢平原河湖水系功能連通度得分為0.688 5，其功能連通度處于“較好”水平，其河流碎片化指數、湖庫水流通暢指數與河流閘站時滯指數正向化得分相對較少，反映出江漢平原的縱向、橫向、時間多維度的連通性存在不足。

2.3 河湖水系結構-功能連通匹配程度分析

根據連通度評價得分情況，改進圖論法為0.717 2，綜合指標法為0.688 5，計算結果較為一致，江漢平原河湖水系網絡的結構和功能均處于“較好”水平，體現出方法與指標的適宜性。

在水系網絡結構方面，節點連通性相對較低的區域包括通順河下游、東荊河下游南北分叉區、排澇河、螺山干渠等河段，中部地區的連通性小于西部和東部地區，四湖流域的連通性小于通順河流域。在連通性指標方面，通順河干流、通州河、四湖流域西干渠、東干渠上閘門等主要河流上閘門數量偏多，閘門分布較均勻是整體連通性偏低的重要因素；而且長湖和洪湖周邊控制閘站較多，且控制程度較高，小港湖閘、新堤閘等主要閘站控制對水流通暢程度有一定影響，同時現狀水資源開發利用規模及閘站調度規則可能是水面面積減少的重要因素，此外劉嶺閘、雙店閘、小港湖閘、新堤大閘和螺山干渠等出入湖閘門閉合時間較長是閘站時滯指數偏高的主要原因。

兩種方法較為準確識別出江漢平原河湖水系連通的網絡結構性與實際工程管理上的不足，其受閘門等涉水工程影響的空間地理位置基本一致，連通性評價等級相同，體現了水系網絡結構和功能的整體適配性。但值得一提的是，局部地區由于閘門修建后調度規則的改變，難以在網絡模型中識別，如通順河上的深江閘，常年保持開啟狀態，而螺山干渠的賈家堰閘，則通常處于關閉狀態，故不宜放大單一閘站對區域連通性的影響。

3 結 論

本文考慮閘站等涉水工程對網絡結構的阻隔效應，基于單位長度河道的閘門數量，提出了以適應性連通因子為邊權值的改進圖論連通度評價方法；并根據多維水系連通機制，利用層次分析法，建立了江漢平原河湖水系連通性的綜合評價指標體系，對江漢平原河湖水系結構和功能連通性進行評價，主要結論如下。

（1）在網絡結構方面，連通性得分為0.717 2，處于“較好”等級。研究區西部和東部連通性較高，中部連通性較低；其子流域通順河流域連通性較高，四湖流域連通性較低；局部河段如通順河下游、東荊河下游南北分叉區、排澇河、螺山干渠等節點連通度較低。

（2）在連通功能方面，連通性得分為0.688 5，處于“較好”等級。主要受閘門數量較多、分布均勻、控制程度較高、閉合時間較長等不利因素影響，通順河干流、通州河、四湖西干渠、東干渠以及洪湖等河湖連通性較低，多項連通性指標正向化得分較少，體現了區域水網縱向、橫向、時間多維度的連通性存在不足。

（3）江漢平原河湖水系結構和功能較為匹配，連通性評價等級相同，且通過改進圖論與綜合指標評價方法進行互補，識別出的連通性較低的重點區域基本一致，提高了水系連通評價結果的可靠性，為后續連通工程的優化與實施提供參考。

但限于平原地區河網密布，流向多變，區域干支流關系模糊，同時流域水文、河道地形、閘站調度等資料難以獲取，目前對連通性的計算仍停留在流域尺度，未充分考慮灌溉、人工取水與降雨徑流、河網調蓄等過程，下一步應結合水文-水動力模型，根據地區生態、防洪、與灌溉等目標，優化閘站運行調度方式與河道連通方案，調整灌排工程體系，建設生態河湖系統，為長江大保護與經濟帶高質量發展提供技術支撐。