馬 棟，張 晶，趙進(jìn)勇，劉業(yè)森，董哲仁，蔣 詠

(1.中國水利水電科學(xué)研究院水環(huán)境研究所，北京 100038； 2.江蘇省水資源服務(wù)中心，江蘇 南京 210029)

水系是維系自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，水系的連通格局發(fā)生了重大變化。水系連通的概念源于對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，目前已從景觀生態(tài)學(xué)的角度延伸到對(duì)河湖、濕地水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的研究。河流系統(tǒng)內(nèi)部存在橫向、縱向和垂向的連接和聯(lián)系，水系連通是一個(gè)普遍意義上的連接[1]，是流域內(nèi)河流與湖泊、河道與河漫灘之間物質(zhì)流、能量流、信息流和物種流保持暢通的基本條件[2-4]。連通既是水文學(xué)的概念，也是景觀生態(tài)學(xué)的概念，是河流生態(tài)系統(tǒng)完備性和多樣性自我維持的基礎(chǔ)[5]。在結(jié)構(gòu)上，主要通過維系、重塑或新建滿足一定功能目標(biāo)的水流連接通道[6]，通過科學(xué)的調(diào)水、疏導(dǎo)、連通、調(diào)度等措施，對(duì)現(xiàn)有水體建立新的水力聯(lián)系[7-8]，以維持相對(duì)穩(wěn)定的流動(dòng)水體及其聯(lián)系的物質(zhì)循環(huán)的狀況[9]。從景觀生態(tài)學(xué)的角度，連通度指斑塊間通過廊道、網(wǎng)絡(luò)而連接在一起的程度[10]，水文連通是水流從景觀的一處轉(zhuǎn)移到另一處的能力[11]。

圖論方法已逐步應(yīng)用于水系連通性定量評(píng)價(jià)。將圖論方法應(yīng)用于河網(wǎng)連通性定量評(píng)價(jià)，主要是考慮河網(wǎng)的拓?fù)涮卣?，基于網(wǎng)絡(luò)圖連通性的判定法則，用點(diǎn)連通度或邊連通度表征河網(wǎng)結(jié)構(gòu)連通性。Merriam[12]基于圖論方法，探討了葡萄牙塔霍河的中心度連通性和連通性指數(shù)的變化。趙進(jìn)勇等[13-14]應(yīng)用圖論方法，對(duì)水系的連通性進(jìn)行了定量分析，為研究河湖水生態(tài)狀況及區(qū)域水資源合理配置提供了科學(xué)依據(jù)。

揚(yáng)州市地處長江下游平原地帶，河網(wǎng)交錯(cuò)密布，水系發(fā)達(dá)，充沛的水量為當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活帶來了極大的便利，也形成了獨(dú)特的水景觀。然而，在城市發(fā)展過程中，人們通過圍湖造田、填埋河道、修建堤壩等，改變了水系原有的連通狀態(tài)，出現(xiàn)了一系列的水生態(tài)問題。城市水系坡降較小，水流緩慢，主要依靠閘門、泵站來調(diào)節(jié)水流和改變水流方向。由于城市化及工業(yè)化影響，城市河流大多存在淤積、斷流的情況，打破了原有的水力連接，水系連通度受到了影響。本文基于圖論方法，利用GIS技術(shù)提取水系，建立水系圖模型，通過自主開發(fā)的計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)計(jì)算連通度來定量反映揚(yáng)州市目前的水系連通程度，并提出了改善水系連通性的措施，可為改善揚(yáng)州市水生態(tài)環(huán)境提供參考。

1 研究方法

1.1 平原水系的圖模型概化

水系圖模型概化的重點(diǎn)是將水系中的不同地貌特點(diǎn)利用圖論中的相關(guān)元素進(jìn)行表征[14]。平原河網(wǎng)地區(qū)河流縱橫交錯(cuò)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為滿足工農(nóng)業(yè)發(fā)展，通常會(huì)在中下游建立圩堤，在河道上修建閘門、泵站，控制水量和水流的方向，導(dǎo)致平原水系與自然狀態(tài)下的河流地貌類型有很大的區(qū)別。可采用無向圖的圖模型來表示平原水系系統(tǒng)，用邊表示河道或者受水流沖積形成的河網(wǎng)，用頂點(diǎn)表示各條河道的匯合點(diǎn)，用懸掛點(diǎn)表示僅與一條河道相通的小型水域；兩點(diǎn)間有邊連接，表明兩點(diǎn)相鄰，并且說明兩點(diǎn)間有河道通過。本文計(jì)算的水系連通性未考慮河道的形狀，因此河流通道的寬度與深度并不影響河流系統(tǒng)中點(diǎn)與點(diǎn)之間的鄰接關(guān)系。圖模型概化的流程首先是根據(jù)研究區(qū)水系特點(diǎn)，選擇適宜的水系提取方法；其次是基于GIS水系圖形成圖模型。

1.1.1 水系的提取

目前比較常用的水系提取方法主要有3種：一是基于DEM高程數(shù)據(jù)進(jìn)行水文分析，二是基于遙感影像自動(dòng)或半自動(dòng)提取，三是基于Google Earth對(duì)水系進(jìn)行數(shù)字化提取。前兩種方法的使用頻率較高，但是DEM方法對(duì)于研究尺度小、坡度小的平原城市河網(wǎng)地帶準(zhǔn)確度較差；遙感影像方法則易受到城區(qū)眾多建筑物的影響，產(chǎn)生較多雜質(zhì)信息，處理復(fù)雜。針對(duì)城市平原河網(wǎng)，利用Google Earth工具提取水系方法可避免城市水系自然環(huán)境因素的影響，提取精度較高，方法簡單易用。在不考慮水系面積和長度的情況下，本文選用Google Earth方法提取水系，利用多邊形工具描繪影像中的水系，通過ArcGIS中的shp轉(zhuǎn)換工具獲取水系，并對(duì)水系的符號(hào)系統(tǒng)及屬性字段進(jìn)行編輯[15-17]。

1.1.2 圖模型的建立

根據(jù)已提取的矢量水系數(shù)據(jù)，利用ArcGIS中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及矢量分析工具，生成初步的圖模型。在圖模型中，將河道用平滑的細(xì)線條表示，在河流的交匯處設(shè)置節(jié)點(diǎn)，并用空心圓表示，湖泊或閉合的小水域也用空心圓表示。由于本文僅考慮圖模型中點(diǎn)線之間的連接關(guān)系，在由水系圖初步生成的圖模型基礎(chǔ)上，對(duì)部分邊的長度進(jìn)行了調(diào)整，同時(shí)由于瘦西湖的形狀過于狹長，選擇用線來表示，形成最終的圖模型。閘壩作為控制水流的重要設(shè)施，其開啟或者關(guān)閉都會(huì)對(duì)圖模型的形狀產(chǎn)生影響，甚至?xí)惯B通度發(fā)生改變。當(dāng)某閘壩關(guān)閉時(shí)，則該閘壩控制的兩個(gè)河段就失去了水力聯(lián)系，在圖模型中表現(xiàn)為去除了一條邊。

1.2 鄰接矩陣的建立

在ArcGIS中，根據(jù)屬性表中點(diǎn)線的相關(guān)關(guān)系可以判斷它們之間的鄰接關(guān)系，建立鄰接矩陣。建立鄰接矩陣步驟如下：①生成節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)，當(dāng)河流的兩個(gè)端點(diǎn)距離小于0.01 m時(shí)，認(rèn)為這兩個(gè)端點(diǎn)是重合的，因此設(shè)置緩沖距離為0.01 m；②利用生成的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)和水文模型中的線數(shù)據(jù)進(jìn)行相交分析，若點(diǎn)和相鄰的線相交，在鄰接矩陣中就記為1，若不相交則記為0；③從所得結(jié)果的屬性表中找到點(diǎn)線之間的“一對(duì)一”或“一對(duì)多”的映射關(guān)系，在鄰接矩陣中，有映射關(guān)系的值為1，沒有映射關(guān)系的值為0，據(jù)此構(gòu)建鄰接矩陣。

1.3 邊連通度的計(jì)算

利用生成的鄰接矩陣，編寫計(jì)算機(jī)程序來計(jì)算邊連通度。依據(jù)圖的連通性判定準(zhǔn)則，判斷矩陣是否連通，如不連通，則該圖的邊連通度為零；如矩陣連通，則去除圖模型中的任意1條邊，生成新的鄰接矩陣。判斷新圖是否連通，若新圖不連通，則原圖的邊連通度為1；若新圖仍然連通，則再任意刪除原圖中的1條邊，再次生成新的鄰接矩陣，依次類推，當(dāng)刪除n條邊后得到的新圖不連通，那么原圖的邊連通度就為n。

圖1 揚(yáng)州市主城區(qū)水系

2 研究區(qū)概況

揚(yáng)州市位于江蘇省中部，地勢(shì)平坦、河網(wǎng)稠密，南臨長江，是國家重點(diǎn)工程南水北調(diào)東線水源地。揚(yáng)州市重要河流有京杭大運(yùn)河、古運(yùn)河、邗溝、唐子城河、新城河、七里河、小秦淮河等共計(jì)26條河。本文選擇揚(yáng)州市主城區(qū)為研究區(qū)，研究對(duì)象為主城區(qū)范圍內(nèi)的所有水系。揚(yáng)州市主城區(qū)水系如圖1所示。揚(yáng)州市主城區(qū)水系上水閘眾多，目前共計(jì)17個(gè)閘站和5個(gè)泵站。近年來部分河道由于淤積、阻水壩涵的影響，導(dǎo)致河道流水不暢，城區(qū)水環(huán)境、水生態(tài)、水安全面臨較大壓力。2015年揚(yáng)州市城區(qū)實(shí)施了“九閘同開、活水潤城”工程，通過節(jié)點(diǎn)控制工程，同時(shí)開啟揚(yáng)州閘、黃金壩閘、象鼻橋泵站、平山堂泵站、新城河閘、明月湖閘、四望亭閘、江陽路節(jié)制閘、通運(yùn)閘等9閘，從高郵湖、邵伯湖引入活水，經(jīng)由古運(yùn)河各閘分流進(jìn)入主城區(qū)，使得主城區(qū)范圍內(nèi)的河流實(shí)現(xiàn)了活水環(huán)繞，水生態(tài)環(huán)境得以有效改善。

3 水系連通性評(píng)價(jià)

選擇2016年8月28日的Google Earth影像，分辨率為1 m，可以清晰分辨揚(yáng)州城區(qū)的主要河流。根據(jù)Google Earth影像提取揚(yáng)州市主城區(qū)水系，依據(jù)提取的矢量水系數(shù)據(jù)，通過實(shí)地調(diào)查校核主城區(qū)水系的實(shí)際連接狀況，對(duì)于不符合實(shí)際連通情況的地方進(jìn)行調(diào)整，如西沙河在地圖上顯示為斷頭河，現(xiàn)狀是通過暗涵與蒿草河連接。經(jīng)過調(diào)整后建立圖模型如圖2所示。

圖2 揚(yáng)州市主城區(qū)水系圖模型

圖2所示圖模型共計(jì)50個(gè)節(jié)點(diǎn)72條邊，將水系圖矢量數(shù)據(jù)輸入到編寫好的計(jì)算程序中，根據(jù)點(diǎn)線的連接關(guān)系，自動(dòng)生成鄰接矩陣，相比手動(dòng)輸入鄰接矩陣更加高效、便捷。

根據(jù)鄰接矩陣連通性判定準(zhǔn)則，計(jì)算得到揚(yáng)州市主城區(qū)水系邊連通度為2，即至少刪除2條邊時(shí)水系不連通。

根據(jù)算法運(yùn)行結(jié)果，有7種刪除邊的組合形成了孤立節(jié)點(diǎn)(圖3～9)，從而使連通圖變?yōu)椴贿B通圖；另外有7種刪除邊的組合形成了懸掛節(jié)點(diǎn)(圖10～16)，根據(jù)當(dāng)?shù)貣|高西低、北高南低的水流特點(diǎn)，水系無法連通。

圖3 大運(yùn)河與古運(yùn)河交匯處不連通

圖4 曲江公園處不連通

圖5 運(yùn)河與長江交匯處不連通

圖6 儀揚(yáng)河與長江交匯處不連通

圖7 引潮河與趙家支溝交匯處不連通

圖8 真州河與攬?jiān)潞咏粎R處不連通

圖9 明月湖處不連通

圖10 七里河與沙施河交匯處不連通

圖11 七里河與古運(yùn)河交匯處不連通

圖13 儀揚(yáng)河與趙家支溝交匯處不連通

圖14 西銀溝與引潮河交匯處不連通

圖15 沙施河與老沙河交匯處不連通

圖16 攬?jiān)潞优c引潮河交匯處不連通

4 水系連通性影響因素分析

4.1 影響水系連通的重要河流

通過對(duì)不連通情形的分析，在14種不連通組合中，七里河與沙施河交匯口至古運(yùn)河段、儀揚(yáng)河與趙家支溝交匯口至西銀溝段、攬?jiān)潞娱l至趙家支溝段以及老沙河與沙施河交匯口至曲江公園段分別出現(xiàn)了2次?？梢?，當(dāng)這4段河段出現(xiàn)阻塞時(shí)，對(duì)主城區(qū)水系連通格局的影響最大。七里河段是溝通京杭大運(yùn)河、沙施河、古運(yùn)河的重要橋梁，且七里河位于揚(yáng)州市的主城區(qū)，人口密集、工業(yè)企業(yè)較多，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，現(xiàn)狀河道存在過水不暢、行洪能力不足、汛期排水受阻、水質(zhì)不達(dá)標(biāo)(發(fā)黑發(fā)臭)等問題，嚴(yán)重影響沿河的環(huán)境和景觀，亟待整治。儀揚(yáng)河段作為揚(yáng)州西部城區(qū)的重要防洪通道，擔(dān)負(fù)著疏解洪水、排解城市內(nèi)澇的關(guān)鍵職能，維持該河段的水流暢通對(duì)于防御洪澇及內(nèi)澇災(zāi)害起著非常重要的作用。攬?jiān)潞佣窝匕冬F(xiàn)已建成健身步道以及生態(tài)公園，是城區(qū)西北部主要的觀光、休閑、健身場(chǎng)所，保證該河段的水流暢通，對(duì)于發(fā)揮其自身功能，保障居民良好的生活環(huán)境有非常重要的作用。老沙河是東部城區(qū)的主要河流之一，目前已有上千年歷史，剛建成時(shí)，主要發(fā)揮漕運(yùn)作用，現(xiàn)作為東部城區(qū)的重要排水溝渠，擔(dān)負(fù)著城區(qū)防洪排澇的重任。

4.2 水閘對(duì)水系連通度的影響

研究區(qū)地處平原河網(wǎng)地帶，河流坡降很小，主要依閘壩來調(diào)節(jié)水流。選擇揚(yáng)州市主城區(qū)“九閘同開”涉及的揚(yáng)州閘、通運(yùn)閘、黃金壩閘等9個(gè)閘站，建立不同閘站關(guān)閉情景下的水系圖模型，計(jì)算這9種情景下的連通度，結(jié)果如表1所示。

表1 關(guān)閉不同閘站時(shí)的水系連通度

從表1可知，揚(yáng)州閘、黃金壩閘、平山堂泵站、明月湖閘等4個(gè)閘站的關(guān)閉分別使整體的連通度降低了50%。位于古運(yùn)河上的揚(yáng)州閘是揚(yáng)州市生產(chǎn)、生態(tài)用水的主要引水口門，當(dāng)揚(yáng)州閘關(guān)閉時(shí)，不僅連通度下降，還會(huì)造成城區(qū)河道水量大幅減少，流速變緩，容易形成淤積。2014年揚(yáng)州市實(shí)施了黃金壩閘站擴(kuò)建工程，使得邗溝與古運(yùn)河得以連通，為古運(yùn)河以西的區(qū)域特別是瘦西湖水系補(bǔ)充生態(tài)水源，改善水動(dòng)力條件；實(shí)施了平山堂取水泵站工程，由平山堂取水站抽取瘦西湖水體進(jìn)入沿山河后，同時(shí)在明月湖閘開啟的情況下，利用沿山河的水位優(yōu)勢(shì)，自流補(bǔ)充進(jìn)入新城河、趙家支溝、攬?jiān)潞拥戎鞒菂^(qū)西部水系，促進(jìn)了水生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。

5 水系連通性改善措施

雖然揚(yáng)州市主城區(qū)局部地區(qū)水系連通性較好，但是城區(qū)水系整體連通度偏低，當(dāng)至少有2條河流不連通時(shí)，整個(gè)揚(yáng)州市主城區(qū)的水系連通度降為0，這將使得城區(qū)河道系統(tǒng)內(nèi)的水流不能正常流通，會(huì)影響城區(qū)水系的生態(tài)過程，削弱整個(gè)水系的納污能力。七里河與沙施河交匯口至古運(yùn)河段和儀揚(yáng)河與趙家支溝交匯口至西銀溝段為影響主城區(qū)水系連通的敏感河段，為維持主城區(qū)水系較好的連通性，對(duì)這兩個(gè)敏感河段要重點(diǎn)監(jiān)管、整治，保障河道水流暢通。主要的改善措施可分為工程措施和非工程措施兩類。

a. 河道清淤。七里河面臨的主要問題是河道被侵占嚴(yán)重，河道斷面變窄。另外，河道久未疏浚整治，干支河道淤積嚴(yán)重，目前淤泥深度可達(dá)1.8 m，同時(shí)岸坡雜物堆積，河道內(nèi)還存在卡口建筑物，導(dǎo)致河道過流能力不足。因此，首先要清除河道內(nèi)的固體垃圾和淤積物，拓寬重要的過水?dāng)嗝妫黾铀鞯耐〞承?，提高沙施河、七里河、古運(yùn)河與京杭大運(yùn)河之間的水系連通性。

b. 生態(tài)護(hù)坡建設(shè)。儀揚(yáng)河是連接長江、古運(yùn)河、烏塔溝等眾多城區(qū)河流的紐帶，同時(shí)擔(dān)負(fù)著西部城區(qū)防洪的重要任務(wù)。儀揚(yáng)河段偏離市中心，受到的人為干擾較小，目前的主要問題是河道兩側(cè)的邊坡多為自然邊坡，水土流失較為嚴(yán)重，加重了西部城區(qū)的防洪風(fēng)險(xiǎn)。因此，儀揚(yáng)河段宜主要實(shí)施生態(tài)護(hù)坡工程，做好兩岸的水土保持工作，建立起生態(tài)長廊。

c. 水閘調(diào)控。為保證揚(yáng)州市主城區(qū)水系的整體連通情況，應(yīng)使揚(yáng)州閘、黃金壩閘、明月湖閘、平山堂泵站處于常年開啟狀態(tài)，其他閘站不宜同時(shí)關(guān)閉。

6 結(jié) 論

a. 基于圖論邊連通度方法，充分運(yùn)用GIS技術(shù)，根據(jù)提取的水系數(shù)據(jù)，自動(dòng)建立鄰接矩陣，相比傳統(tǒng)的手動(dòng)輸入鄰接矩陣的方法大大提高了運(yùn)算效率。同時(shí)，利用GIS方法，可以模擬城市水系中不同閘壩開啟或關(guān)閉的狀態(tài)，形成新的圖模型，計(jì)算不同情景下的水系邊連通度，從而提出維持較好連通性的閘壩調(diào)控方案。

b. 計(jì)算得出揚(yáng)州市主城區(qū)水系連通度為2，影響水系整體連通度的4段關(guān)鍵河段為七里河與沙施河交匯口至古運(yùn)河段、儀揚(yáng)河與趙家支溝交匯口至西銀溝段、攬?jiān)潞娱l至趙家支溝段以及老沙河與沙施河交匯口至曲江公園段；關(guān)鍵水閘有揚(yáng)州閘、黃金壩閘、平山堂泵站、明月湖閘，這4個(gè)閘站關(guān)閉后分別使整體的連通度降低了50%。

c. 根據(jù)七里河與儀揚(yáng)河不同的自然條件，宜分別采用河道清淤和生態(tài)護(hù)坡等措施來改善揚(yáng)州市主城區(qū)的水系連通性。