王朝宇

(遼寧省沈撫新區(qū)管理委員會城鄉(xiāng)建設(shè)局，遼寧 撫順 113000)

河流生態(tài)和水文研究的重要依據(jù)是河流結(jié)構(gòu)及其形態(tài)，水系結(jié)構(gòu)對河流水質(zhì)、河網(wǎng)水情、洪水過程會產(chǎn)生明顯影響，并且水循環(huán)、水資源配置以及水安全保障能力與河流連通格局密切相關(guān)。水系連通性對水生態(tài)保護(hù)和城市水系規(guī)劃非常重要，新時期的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提出了更新、更高的水資源配置要求[1- 4]。

對于水系連通性國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，從連通方式、構(gòu)成要素及驅(qū)動因素等方面探討了河湖水系連通的內(nèi)涵，依據(jù)水文連通和物理通道連通探討了其定義，初步形成了水系連通理論體系及概念框架，通過對河網(wǎng)功能及特點(diǎn)的分析，揭示了河流健康、區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)與水系連通性之間的作用關(guān)系，以及生態(tài)保護(hù)、水生態(tài)文明建設(shè)中河流連通性的重要程度。早期的水系連通性研究主要通過分析水文情勢數(shù)據(jù)或定性描述地貌特征，間接反映水系連通性。近年來，景觀生態(tài)學(xué)、連通性函數(shù)、水文水力學(xué)模型、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論、圖論等定量評價(jià)方法被越來越多的應(yīng)用于河網(wǎng)連通性研究，部分學(xué)者利用水系格局連通性指標(biāo)建立了綜合評價(jià)指標(biāo)體系。例如，Pedro等[8]對河網(wǎng)水系連通性利用圖論法加以評價(jià)，提出清除障礙為快速提升水系連通度的有效措施；楊曉敏等[9]利用圖論法評價(jià)了原始狀態(tài)下引黃濟(jì)青工程、膠東調(diào)水工程的水系連通性；邵玉龍等[10- 11]將河網(wǎng)連通性采用所有節(jié)點(diǎn)連通度的平均值進(jìn)行分析，較為準(zhǔn)確地揭示河流的變化情況；旭光來等[12]依據(jù)平均暢通度和水流阻力，構(gòu)造了河網(wǎng)水系的加權(quán)連通度和矩陣模型。借鑒相關(guān)研究成果，以往的連通性評價(jià)方法多側(cè)重于拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)分析，而同時考慮水系空間網(wǎng)絡(luò)特征和水系網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮卣鞯难芯窟€鮮有報(bào)道。鑒于此，本文選擇撫順市境內(nèi)渾河水系為例，將水系網(wǎng)絡(luò)利用空間網(wǎng)絡(luò)和拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表征，對水系網(wǎng)絡(luò)的連通性程度利用中心性、連接度、圖論指標(biāo)直觀地分析，希望為河流生態(tài)治理、水系連通工程設(shè)計(jì)和完善水系連通性評價(jià)方法提供科學(xué)支持。

1 水系連通性評價(jià)思路

1.1 區(qū)域概況

撫順市地處遼寧省東部，位于E123°55′、N41°52′，總面積11271km2，主城區(qū)位于渾河河谷沖積平原上。該地區(qū)屬于長白山系龍崗山脈，地勢呈西南、東北走向，地形特征為“八山一水一分田”，地貌特征以多山為主，平均海拔400～500m。撫順市水資源儲量充足，降水量充沛，年降水量750～790mm，主要有柴河、富爾江河、清河、渾河、柳河、太子河等12條河流，地表水資源豐富，徑流量大。全市水資源總量39.82億m3，可利用水域面積6667hm2，總供水量16.5億m3，人均占有量1530m3，僅次于丹東和本溪地區(qū)[13- 15]。

渾河為撫順市最大的河流，該河流流經(jīng)縣區(qū)最廣、支流最多，主要有東州河、章黨河、蘇子河、英額河、社河、萌河、白塔河、古城子河、蒲河、拉古河、細(xì)河等支流。近年來，隨著人口規(guī)模的擴(kuò)大以及工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展，境內(nèi)具有儲存和滯洪功能的池塘、湖泊、濕地面積逐漸消失，河流被侵占問題日趨突出，加之環(huán)境破壞、熱島效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)了區(qū)域降水頻率和強(qiáng)度。植被減少和地表硬化加快了雨洪匯流速度，顯著增大了水流流量及河道的不可控性，河水侵蝕、沖刷河岸及河床的作用增強(qiáng)致使城市洪澇災(zāi)害頻發(fā)，采用科學(xué)的方法定量評價(jià)水系連通性極其重要[16- 18]。因此，本文選取完整性好、獨(dú)立性強(qiáng)的撫順市境內(nèi)渾河水系為研究區(qū)，從地理國情監(jiān)測信息中提取水系連通性評價(jià)相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.2 評價(jià)思路

為科學(xué)評價(jià)河流系統(tǒng)的連通性引入水系網(wǎng)絡(luò)分析法，將一段河流弧段(河鏈)利用拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)分析法設(shè)定為節(jié)點(diǎn)，2條河鏈間存在鄰接關(guān)系和水流交匯點(diǎn)，則代表存在連接邊或兩者相鄰，通過連接和不連接的區(qū)分計(jì)算河湖水系的邊連通度。河網(wǎng)中河流交匯的點(diǎn)利用空間網(wǎng)絡(luò)分析法時設(shè)定為節(jié)點(diǎn)，河鏈為2個節(jié)點(diǎn)的連接邊，結(jié)合水流速度、河鏈長度等因素確定連接邊的值，在此基礎(chǔ)上計(jì)算節(jié)點(diǎn)中心性程度，最終的河鏈連通度值為兩端節(jié)點(diǎn)連通度平均值。此外，物種的移動在一定程度上受到水庫的限制，結(jié)合相關(guān)資料以水系網(wǎng)絡(luò)的隔斷點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)中的水庫。

2 水系連通性評價(jià)指標(biāo)

2.1 拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)評價(jià)指標(biāo)

2.1.1圖論指標(biāo)

圖論法可以定量反映水系的連通情況，屬于一種利用圖的性質(zhì)分析河網(wǎng)水系的數(shù)學(xué)方法，現(xiàn)已在水文領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。定義圖論節(jié)點(diǎn)為河流交匯的點(diǎn)，河鏈為2個節(jié)點(diǎn)連接的邊，采用河鏈和節(jié)點(diǎn)概化河網(wǎng)圖形，將常用的圖論指標(biāo)利用網(wǎng)絡(luò)中存在的子圖、節(jié)點(diǎn)和邊的數(shù)目計(jì)算。為更好地反映網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度以及各種網(wǎng)絡(luò)流可選擇的遷徒路線程度，引入環(huán)度指標(biāo)(α)，其表達(dá)式為：

(1)

式中，α—環(huán)度指標(biāo)，取值區(qū)間為0～1，α取0或1分別代表沒有形成網(wǎng)絡(luò)回路和已最大限度的達(dá)到網(wǎng)絡(luò)回路數(shù)；p—組分個數(shù)；m、n—河網(wǎng)中的河鏈數(shù)和節(jié)點(diǎn)個數(shù)。線點(diǎn)率(β)的計(jì)算公式為：

β=m/n

(2)

式中，β—線點(diǎn)率，取值區(qū)間為0～3，其值越大則代表節(jié)點(diǎn)連線數(shù)的平均值越大，水系網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度越高，β取0代表不存在網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)連通性測度引入連通度指標(biāo)(γ)，計(jì)算公式為：

(3)

式中，γ—連通度指標(biāo)，取值區(qū)間為0～1，γ取0或1代表只存在孤立點(diǎn)沒有連接成網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)均相互連接。

2.1.2連接度指標(biāo)

連接或不連接為水系網(wǎng)絡(luò)河鏈連接性的2種狀態(tài)，為準(zhǔn)確度量水系網(wǎng)絡(luò)的連接度特征引入IIC整體連接性指數(shù)，其數(shù)值越大則連接程度越高，IIC取值區(qū)間為[0，1]，計(jì)算公式為：

(4)

式中，nij—河鏈i與j的最短路徑鏈接數(shù)；ai、aj—河鏈i和j的長度；AL—河網(wǎng)水系總面積。設(shè)I、Iremove為整體和河鏈i移除后的連接性指數(shù)，dIIC河鏈重要程度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(5)

2.2 空間網(wǎng)絡(luò)評價(jià)指標(biāo)

空間網(wǎng)絡(luò)將河網(wǎng)中河流交匯點(diǎn)、河鏈作為節(jié)點(diǎn)和連接邊，運(yùn)用MCAM多中心分析模型評價(jià)空間網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)特性、擴(kuò)散特性和河鏈的重要性均可利用中心性指標(biāo)衡量，其中特征向量度、接近中心性、中介度和節(jié)點(diǎn)度為較常見的中心性度量指標(biāo)。本文對撫順市境內(nèi)渾河水系的網(wǎng)絡(luò)中心性特征，運(yùn)用UNA城市網(wǎng)絡(luò)分析工具以及鄰近、中介、直線中心性指標(biāo)進(jìn)行測度分析。

2.2.1鄰近中心性

采用鄰近中心性反映網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的相對可達(dá)性，網(wǎng)絡(luò)分析時利用所有節(jié)點(diǎn)與該節(jié)點(diǎn)的河鏈網(wǎng)絡(luò)最短距離衡量，整個網(wǎng)絡(luò)中鄰近中心性值越大則節(jié)點(diǎn)的相對可達(dá)性越高，利用以下公式衡量鄰近中心性，即：

(6)

式中，i、j—水系網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；N—節(jié)點(diǎn)總數(shù)；d[i，j]—節(jié)點(diǎn)i、j的網(wǎng)絡(luò)路徑最短距離；Closeness[i]為節(jié)點(diǎn)i的鄰近中心性值。

2.2.2中介中心性

中介中心性可以反映節(jié)點(diǎn)的中介作用，其實(shí)質(zhì)是經(jīng)過2個節(jié)點(diǎn)的路徑中最短路徑所占比例，所以也稱為中間中心性。整個網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的樞紐轉(zhuǎn)換或橋梁作用越好則中介中心性越高，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(7)

式中，njk—節(jié)點(diǎn)j、k間的最短路徑數(shù)；njk(i)—經(jīng)過節(jié)點(diǎn)i、k時節(jié)點(diǎn)j的最短路徑數(shù)量；Betweenness[i]—節(jié)點(diǎn)i的中介中心性質(zhì)。

2.2.3直線中心性

節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的水流通達(dá)效率利用直線中心性衡量，反映了實(shí)際網(wǎng)絡(luò)距離與節(jié)點(diǎn)歐式距離的關(guān)系，其表達(dá)式為：

(8)

式中，dEucl[i，j]—節(jié)點(diǎn)i、j之間的歐式距離；Straightness[i]—節(jié)點(diǎn)i的直線中心性值。

3 結(jié)果分析

3.1 水系網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征

撫順市境內(nèi)渾河水系網(wǎng)絡(luò)圖論指標(biāo)利用Arc GIS10.2系統(tǒng)自帶network工具進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果顯示：環(huán)度指標(biāo)(α)等于0.61，可見較多的回路數(shù)在水系網(wǎng)絡(luò)中不存在；線點(diǎn)率指標(biāo)(β)等于2.00，表明水系網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度較低；連通度指標(biāo)(γ)等于0.72，表明每個節(jié)點(diǎn)之間并不完全相連，即水系網(wǎng)絡(luò)的總體連接度不高?？傮w而言，撫順市境內(nèi)渾河水系的復(fù)雜程度較低，網(wǎng)絡(luò)連接度不高，這符合水系分支狀網(wǎng)絡(luò)的特征。水系網(wǎng)絡(luò)的整體連接特征可以用圖論指標(biāo)度量，仍需進(jìn)一步衡量各河鏈、匯點(diǎn)在水系網(wǎng)絡(luò)中的重要程度。

采用是否連接的邊、節(jié)點(diǎn)替代河鏈的交匯處和河鏈，按照構(gòu)造的水系網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定整體連接性的重要程度指數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，整個水系網(wǎng)絡(luò)中各河鏈的重要程度可以用整體連接性的重要程度指數(shù)來識別；撫順市境內(nèi)渾河水系網(wǎng)絡(luò)中，長度長的河鏈和主要通道河鏈的連接度指標(biāo)較高，而整體連接性的重要程度指數(shù)在孤立的水系組分中較低。

將連接度指標(biāo)值利用自然斷點(diǎn)法分級，見表1。連接度重要程度為中等、高、最高的河鏈有共10條，占河水系網(wǎng)絡(luò)總河鏈的3.16%；連接度重要程度為中等、高、最高的河鏈長度為70.081km，占總長度的13.66%，可見單位長度上中等、高、最高重要程度的河鏈均較長。重要程度最低、低的河鏈數(shù)為262和45條，長度為286.815和156.024km，因此最低一級中的河鏈較多。

3.2 水系網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)特征

水系網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集利用Arc GIS建立，然后對撫順市境內(nèi)渾河水系網(wǎng)絡(luò)各匯流點(diǎn)的直線、中介、鄰近中心性利用UNA城市網(wǎng)絡(luò)分析工具進(jìn)行計(jì)算，從空間分布上揭示各匯流點(diǎn)的中心性特征。研究表明：①不同指標(biāo)所反映的水系網(wǎng)絡(luò)匯流點(diǎn)的中心性特征具有一定差異，多維性特征揭示了水系網(wǎng)絡(luò)各方面的重要度；然后對中心性值高值區(qū)進(jìn)一步對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中心性高值集中于孤立的小的水系組分，鄰近中心性最高值由于存在較多小的孤立組分都分布于孤立組分中。②結(jié)合鄰近中心性空間分布特征，核心邊緣分布模式與地理學(xué)距離衰減規(guī)律不符；水系主干河流的匯流點(diǎn)和一些孤立的組分中均分布有中介中間性的高值，水系河網(wǎng)中高值呈分散分布狀，表明這些匯流點(diǎn)具有最多的最短路徑?？傮w上，主要組分中各匯流點(diǎn)的中介中心程度可以利用中介中心性分析來有效識別，由此可以降低孤立組分的影響程度。③水系主干河流的匯流點(diǎn)中和孤立組分中均有直線中心性較低值、最高值的分布，表明孤立組分的存在為該區(qū)域最高值分布的主要原因，直線中心性對主干河流匯流點(diǎn)的認(rèn)識在一定程度上受到干擾作用。

表1 連接度指標(biāo)分級

各水流點(diǎn)的直線中心性、鄰近中心性受水系網(wǎng)絡(luò)孤立組分的干擾作用較為明顯，所以水系網(wǎng)絡(luò)的空間結(jié)構(gòu)難以利用中心性分析。對此，可以刪除各孤立組分更好的反映其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對主干河流各匯流點(diǎn)的直線、中介、鄰近中心性進(jìn)行重新計(jì)算。結(jié)果表明，不刪除情況下的鄰近中心性與刪除各孤立組分后的分布特征存在較大差異，核心邊緣分布比較明顯；此外，水系中較主要的主干水系可以依據(jù)鄰近中心性分析來識別。在中介中心性分布差異較小的情況下可以不考慮孤立組分是否存在，對水系網(wǎng)絡(luò)利用中介中心性分析有利于識別主要連通的河鏈或匯流點(diǎn)。較不刪除孤立組分的直線中心性，水系網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)一定的結(jié)構(gòu)變化，直線路徑與水系網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任一匯流點(diǎn)到達(dá)直線性低的匯流點(diǎn)的最短路徑存在最大偏離，該路徑存在最低的匯流通行效率。由此表明，水系網(wǎng)絡(luò)中較曲折的河鏈可以依據(jù)直線中心性能來確定，同時可以確定高通行效率的河鏈或匯流點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文選取撫順市境內(nèi)渾河水系為例，對水系網(wǎng)絡(luò)利用中心性、連接度、圖論指標(biāo)進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下。

(1)撫順市境內(nèi)渾河水系網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度一般，連接程度較低，水系網(wǎng)絡(luò)中各河鏈、匯點(diǎn)的重要程度無法依據(jù)圖論指標(biāo)衡量，圖論指標(biāo)只能對整體連接特征度量。整體連接特征的重要程度高值區(qū)為集中于水系網(wǎng)絡(luò)的主干道或長度長的河鏈，各河鏈連接特征的重要程度能夠利用水系網(wǎng)絡(luò)連接度指標(biāo)衡量。

(2)中心性高值區(qū)集中于孤立的小的水系組分內(nèi)，直線、中介和鄰近中心性有利于識別水系網(wǎng)絡(luò)中曲折的河鏈、連通的河鏈或匯點(diǎn)、較主要的主干水系，不同方面上水系網(wǎng)絡(luò)的重要程度可以利用中心性特征分析。

(3)研究方法日趨成熟和相關(guān)資料的不斷豐富，未來仍需進(jìn)一步探索連通性與水位、水文過程、水力坡度、連通目標(biāo)之間的相互關(guān)系，加強(qiáng)生物多樣性、河網(wǎng)泄洪排澇能力與各指標(biāo)之間的作用規(guī)律研究。