河湖水系连通分类及评价指标体系研究
陈吟1，王延贵2，陈康1
(1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.国际泥沙研究培训中心，北京 100044)
【摘 要】 近年来流域人类活动频繁，致使河流径流量和输沙量发生变异，特别是输沙量大幅度减少，导致流域水系连通性改变。本文结合河流的功能以及河床演变特性，就水系连通的内涵、分类、指标选取等关键问题进行分析总结，主要认识如下：首先，水系连通的内涵和实质是边界的畅通性、水流的流动性以及悬浮物的扩散性；其次，基于连通对象的不同将水系连通分为河道连通、流域内河流的连通以及流域间河流的连通；最后，从连通的内涵及分类的角度出发选取包括边界连通、水力连通以及生态和环境连通等评价指标。
【关键词】 水系连通；类型；指标体系；河流功能
基金项目：国家自然科学基金项目(51679259)。
作者简介：陈吟(1991— )，女，博士，主要从事水力学及河流动力学研究。
E-mail:896178065@qq.com
1 引言
近年来流域人类活动频繁，致使河流径流量和输沙量发生变异，导致流域水系连通性改变。河湖水系连通作为河流健康的一个指标，已成为国家江河治理的方略和指导思想，受到了高度重视[1,2]，因此开展河湖水系连通研究是中国江河治理的迫切需求。
国内外对水系连通的研究侧重于宏观方面[3,4]，且多集中在对连通性概念、特征及分类的研究。李宗礼[5]等研究了河湖水系连通的概念及内涵，明确了水系连通研究的思路；王中根[6]从水循环概念入手，揭示水系连通的水循环物理机制；赵军凯[7]基于河湖连通关系内涵讨论了河湖连通关系的不同类型；窦明[8]等分析了河湖水系连通的驱动因素、构成要素和连通方式，初步构建河湖水系连通分类体系。在水系连通性的定量化评价方面，目前国内外釆用方法主要包括水文模型、连通性函数、图论及其他方法[9-11]。符传君[12]结合河湖水系连通案例，制定河湖水系连通的评价指标体系；孟祥永[13]等在参考城市水系结构连通性评价的基础上，构建了区域尺度下的城市水系连通性评价体系；张欧阳[14]指出水流连续性和连接通道的畅通程度是判断连通性好坏的标准；另外，一些学者[15,16]采用图论的办法对水系连通性进行了评价。
众多学者对河湖水系连通内涵分类以及评价的研究，对于其向有利于社会经济发展和生态环境安全的方向演进具有重要的实践意义。但目前对水系连通性的研究还不充分，对水系连通性及其环境影响缺乏足够的认识，还需加深水系连通中关键问题的讨论。本文结合河流的功能以及河床演变的特性，就水系连通性的内涵、分类、指标选取等关键问题进行分析总结，为水系连通的深入研究和实践提供参考。
2 水系连通的内涵
河流是一个系统，由河流源头、湿地、湖泊以及众多不同级别的支流和干流组成。河流包括水流、悬浮物和边界三部分，其中水流是其主要组成部分，也是河流系统功能的源泉。悬浮物包括泥沙、生物等，它们根据水流运动状态与边界条件的不同呈现不同状态。河流边界包括河槽、河漫滩、河岸堤防工程等，是水流与悬浮物的约束体，直接影响水流和悬浮物的输送、分配和变化。河流系统在演变过程中，组成元素水流、悬浮物(泥沙、生物)和边界(通道)在不断地相互作用，水流和泥沙在连通通道内运行直接影响着河道的边界，同时这三方面因素不断地变化对水系连通性具有重要的作用。
2.1 通道的畅通性与稳定性
水系连通性是通过不同类型的连通通道把各水系单元连接在一起实现河道的输水输沙功能。在整个流域范围内，河道是流域中其他各种斑块栖息地的连接通道，流域各单元间的连通是河流系统完整和健康的基础。河流是一个连续的、流动的、独特而完整的系统，其连通性不仅指地理空间上的连续，也表现为能量、物质和生物通道的连通。通道的稳定性是连通性的基础，体现着连通性的变化程度。
2.2 水流的连续性与流动性
河流是在长条形洼地中靠重力作用自动流动的水体，最为重要的特征在于其流动性和连续性，从而顺利地把水流和泥沙输送到下游或大海。维持水系连通性，首先，要确保水流的连续性，即河流应具有一定的流量，也就是维持河流功能的基本流量。如果一条河流干枯没有水流，即使连通通道仍然存在，这种河流已经处于不完全连通的状态。其次，要确保水流其流动性。即河流应具有一定的流速，保持一定的流动性能。如果一条河流有流量，但失去流动性变成了死水，即使原有水体仍然存在，也不能称为河流[17]。
2.3 悬浮物的扩散性与输移性
悬浮物指悬浮在水中的固体物质，包括不溶于水中的无机物、有机物及泥沙、黏土、微生物等，水中悬浮物含量是衡量水污染程度的指标之一，水中的泥沙是塑造河道边界的重要物质来源。河道的连通性对于悬浮物的扩散和输移有重要的影响，构造合理的河道能够优化悬浮物进入河流的时间和供给量以达到改善悬浮物扩散的功能。随着河流水文-水力学过程的连通，悬浮物质以河流为载体，在河流纵向、横向和垂向进行交换、扩散、转化、积累和释放，形成了物质流与能量流在空间与时间上的连续性。
3 水系连通的分类
根据水系连通的对象和内涵将连通性分为3个层次：河道的连通，流域内河流的连通以及流域间河流的连通。
3.1 河道的连通
河道的连通是指河流的主要组成部分主槽和边滩沿着水流方向的连通性，可分为主槽的连通和边滩的连通。河道连通对于维持河流地貌多样性，河床断面多样性具有重要作用。
(1)主槽的连通。主槽的河床阻力小、流速大，是排洪输沙的主体，其排洪能力一般占全断面的60%～80%，输沙则几乎全部依靠主槽，维持主槽一定排洪输沙能力对保障整个河道的连通功能至关重要。因此将主槽改为一个通道(如图1中的阴影部分)来研究主槽的连通性。
图1 主槽的纵向连通
(2)滩地的连通。自然界的许多河流都有河漫滩存在，中枯水季节水流多在主槽内流动，洪水期河道水位超过平滩水位后，河漫滩也有一定的行洪能力，承担部分输水输沙功能。另外，河流滩地是生物群落的重要栖息地，湿地生物的养分输送是靠水系连通来实现的。因此，滩地的纵向连通对于水流泥沙的输运以及生态具有重要作用。在部分河段，滩地沿河流方向是连通的，如图2中的DCcd，但是在河道的有些位置，例如河道的凹岸处可能没有边滩存在，滩地沿纵向连通受到的影响，如图2中的abBA部分在e点处滩地是不连通的。
图2 漫滩的纵向连通
3.2 流域内河流的连通
流域是由不同层次的小流域组成的，通过河流之间的交汇与分流形成河网。河流交汇处的河床演变将会影响整个流域内水系的连通，另外水体的流动和扰动增强了水体的复氧能力，加强河流自净功能，对于生态连通具有重要作用。
(1)汇流河段的连通性。水流交汇现象在自然界中普遍存在，干支流的交汇形成河网。支流的汇入使河道水流及泥沙运动受到影响，交汇处干、支流的水流发生相互掺混和顶托的现象，使得汇合口流速减小，水流挟沙能力下降，造成大量泥沙淤积，连通性受到影响。因此，选取交汇处的河道作为研究对象(如图3中的阴影部分)对交汇河段的连通性进行研究。
图3 河流交汇处的连通
(2)河流与河口的连通。河口是河流注入海洋或湖泊的地方，河流入海均垂直或者趋向垂直于海岸线的(内陆河流流入湖泊则是垂直于湖泊的岸边)，这可以看作是一种特殊形式的汇合，即把河口段看做是具有有限宽度(通道或过水断面)的支流向宽度趋于无限的主流——海洋汇合。因此将河流与河口的连通性概化为垂直通道的连通(如图4中阴影部分)。
图4 河流与河口处的连通
(3)分汊河段的连通。冲积性平原河流中，河道分流现象较为普遍，如汊道分流及河道分流等。河道分汊是河流演变过程中的一种常见现象，河流通过汇合、分流或形成沙洲构成分汊形态，形成分汊河道。此外，当上游洪水期来水超出河道的安全泄量，一些江河溃口后形成河道分流。分流河道的连通性取决于两个汊道的输水输沙特性以及河道的稳定性，因此将图5中的阴影部分作为分流河道连通性的研究对象，对分流段的淤积和冲刷进行分析，进而得到整个河段的连通性。
图5 分汊河段的连通
(4)河湖连通。河湖连通是河流与湖泊之间物质流、能量流、信息流和物种流保持畅通的基本条件，由于河流与湿地、湖泊以及蓄滞洪区的连通机理一样，所以本文将其均归于河湖连通。河湖连通可分为两类：河流与湖泊双口连通和河流与湖泊单口连通。河湖连通的关键在于连通通道的畅通性(如图6中阴影部分)，若两个通道重合则形成河流与湖泊的单口连通情况。
图6 河流与湖泊的连通
3.3 流域间河流的连通
跨流域调水是指修建跨越两个或两个以上流域的调水工程，从水资源较丰富流域向缺水流域调水，以达到地区间水量盈亏，是解决缺水地区水资源需求的一种重要措施。跨流域调水中的方法一般有两种：改变河流的流向或修建大运河，一般情况下采用第二种方法，修建渠道或者隧道等通道使得两个流域的水系连通。
通过前文对不同的连通类型的分析后发现，尽管连通的类型很多，不同连通类型的连通机理也有所区别，但最终的水系连通问题均可归结为连通通道的畅通方面，因此后续对水系连通的研究评价将主要针对连通通道的分析。
4 水系连通的指标体系
河湖水系连通指标的选择是评价河湖水系连通的关键，指标的确定要体现客观性、可靠性等基本原则，各指标之间应有相对的独立性，同时指标要易于获取，从而有效地对河流的连通状况做出评价。基于水系连通的内涵、分类以及指标的选取原则，提出河湖水系连通的评价指标体系涵盖边界畅通性、水力连通性以及生态和环境功能3个方面。
4.1 边界连通指标
水系边界连通是提高水资源统筹调配能力、改善水生态环境状况的基础，它主要是用于表示流域、河道、河岸、河床等的物理特征，用于表征河流的结构及外观的连通情况，见表1。
表1 边界连通指标
注 Li为河流的长度，m；Ar为区域的总面积，m2；n为区域中的水系个数；v为区域中的节点数；J为平均比降；H为河道纵剖面的最高点高程，m；ΔH为纵剖面上不连续位置(如大坝位置处)的高程差，m；χ为横断面的湿周，m；R为水力半径，m。
4.2 水力连通指标
水系的连通增强了河流的物质能量传递功能。水力连通性指标包括水文和泥沙要素，主要用于反映河流的流动状况和输水输沙特性，见表2。
表2 水力连通指标
注 η为边滩和主槽的分流比；λ为边滩和主槽的分沙比。
4.3 生态和环境指标
河湖水系是生态系统的重要组成部分，水系连通不仅为生态系统摄取物质和能量提供通道，而且为各系统要素间的物质和能量转化提供路径，生态连通评价指标为生物多样性指数。环境指标主要用于度量水系连通的环境特征演变过程和环境性能的恢复能力，水系连通使污染物的浓度降低，水环境连通指标评价包括河流水质达标率和水体修复能力，见表3。
表3 生态和环境连通指标
注 W为群落中的总数目；N为观察的个体总数；L为某河段水质达到其水质目标的河长，m；L0为研究的水功能区的总河长，m；P为某种污染物的年排放量；P0为水域纳污能力。
对于水系连通性的评价，可基于水系功能、河湖健康、人水和谐等评价标准，对前文提出的评价指标边界连通指标、水力连通指标和生态、环境指标采用层次分析法计算权重，构建水系连通的模糊综合评价模型，进而全面评估江河水系的连通功能。
5 小结
本文结合河流的功能以及河床演变的特性，就水系连通的内涵、分类、指标选取等关键问题进行分析总结，主要认识如下：
(1)根据河流组成单元的连续性、动态性以及河床边界演进特性，分析水系连通性的内涵包括连通通道的畅通性与稳定性，水流的连续性与流动性以及水中悬浮物的扩散性与输移性，前者是水系连通的基础，后两项是水系连通的内容。
(2)针对连通对象的不同，水系连通性分为河道的连通，流域内河流的连通以及流域间河流的连通，尽管不同连通类型的连通机理有所区别，但最终的水系连通问题均可归结为连通通道的畅通方面，这对于连通性的研究有指导意义。
(3)河湖水系连通的评价指标体系中边界连通指标是流域、河道等的物理特征，表征河流的结构及外观的连通情况；水力连通指标用于评价区域内河道输水输沙能力，反映河流的流动状况；生态与环境指标用于度量河湖水系连通中的生态完整性和环境恢复能力。
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Research on the Classification and Evaluation Index System of Interconnected River System Network
CHEN Yin1,WANG Yangui2,CHEN Kang1
(1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038;2.International Research and Training Center on Erosion and Sedimentation,Beijing 100044)
Abstract:In recent years,human beings are causing runoff and sediment variations,especially the sediment discharge decreased significantly,which has made major changes to the interconnected river system net-work.Therefore several critical problems of interconnected river system net-work,such as the connotation,classify and evaluating indicator,are analyzed and summarized according to the function of river and the characteristics of fluvial process in this paper.The main results are as follows:Firstly,the connotation and essence of interconnected river system network are the channel unobstructed,the water fluidity and the diffusivity of suspended solids.Secondly,on account of the difference in connected object,interconnected river system can be divided into three types,that is,streamway connectivity,river connectivity within the watershed and river connectivity in different watershed.Finally,based on the connotation and classification of interconnected river system,this paper generalized basic indicators mainly including boundary connectivity,hydraulicconnectivity,ecological connectivity and water environmental connectivity.
Key words:Interconnected River System Network;Classification;Index System;River Function