高學平，胡 澤，閆晨丹，孫博聞

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

河湖水系連通是指通過水庫、閘壩、泵站等必要的水利工程維系、修復和構建江河湖庫之間的水力聯(lián)系，調整和優(yōu)化河湖水系格局，從而形成江河湖庫水網(wǎng)體系[1]。河湖水系連通是提高水資源配置能力的有效途徑，是改善河湖生態(tài)環(huán)境的有效手段，也是增強抵御水旱災害能力的有力舉措[2]。近年來，日漸增多的河湖水系連通工程，亟須構建能夠描述水系連通效果的評價指標體系和方法。Phillips等[3]建立了基于水流阻力及水文過程的河流連通評價指標體系來評價河流的水文連通性。Jain等[4]認為河流水系連通從屬性上可以分成物質疏通和物理連通，建立了基于河流水系連通的恒河健康評價指標體系。崔廣柏等[5]根據(jù)區(qū)域特點探索河網(wǎng)水力連通的方法，提出了適用于平原河網(wǎng)地區(qū)的水系連通評價指標體系。竇明等[6-7]從水系形態(tài)特征方面用盒維數(shù)來描述水系發(fā)育情況，從水系結構連通方面用連通度定量評價水系連通程度,并且從水系連通形態(tài)和結構形態(tài)兩個層面構建了一套評價指標體系，用來描述城市化對鄭州市水系連通形態(tài)格局演變的影響。孟慧芳等[8]基于水流阻力與水文過程，建立了平原河網(wǎng)河流連通性的評價指標體系，并以鄞東南平原河網(wǎng)為例開展了應用分析。黃草等[9]從水系格局和水系結構連通性兩方面構建了一套評價指標體系，并用該體系對洞庭湖不同片區(qū)的現(xiàn)狀和規(guī)劃水系進行了分析與評價。從上述研究可以看出，目前水系連通評價指標體系的構建主要關注水系形態(tài)與水系結構連通性，但這些研究中均未考慮水系水力連通性對評價效果的影響。水系水力連通性評價與結構連通性評價有著密切的關系，在河道中建立水閘、大壩和泵站等水工建筑物后，雖然河道在結構上仍處于連通狀態(tài)，但這些水工建筑物會影響和限制水體中的物質能量傳遞[10]，并導致水系連通程度也發(fā)生變化。

為將水力連通性的作用體現(xiàn)到水系連通評價中，本文在目前常用的水系連通評價指標體系基礎上，增加包含水工建筑物數(shù)量在內的可體現(xiàn)水系水力連通性的評價指標構建水系連通評價指標體系，并利用該體系對廊坊市北運河-永定河區(qū)域水網(wǎng)不同水系連通方案進行評價。

1 水系連通評價指標體系與評價步驟

1.1 水系連通評價指標體系

根據(jù)水系連通評價體系構建原則，參考已有研究，在常用的水系形態(tài)特征、水系結構連通性評價指標的基礎上，增加水系水力連通性評價指標構建水系連通評價指標體系如圖1所示。

圖1 水系連通評價指標體系

a.水系形態(tài)特征評價指標。根據(jù)景觀生態(tài)學中將河流比作廊道的觀點，從描述水系本身形態(tài)特點的角度出發(fā)進行評價指標的選取，用以反映區(qū)域當前水系的發(fā)育程度和水系本身的形態(tài)，選取的指標有水面率、河網(wǎng)密度、河頻率以及河流槽蓄量[7,11]。水面率為區(qū)域內河道和湖泊等水體多年平均水位下的水面面積占總面積的比例，反映區(qū)域水域面積；河網(wǎng)密度為單位面積河流的總長度，反映區(qū)域水系的發(fā)育程度；河頻率為研究區(qū)域內河流數(shù)量與區(qū)域總面積的比值，反映河網(wǎng)數(shù)量的發(fā)育程度；河流槽蓄量為區(qū)域內河道在設計水位下的蓄水總量，反映區(qū)域水系水資源存儲能力。

c.水系水力連通性評價指標。水力連通性對保障平原河網(wǎng)水環(huán)境與調水能力十分重要，因此首先選擇換水周期[5]和下游收水量作為水系水力連通性評價指標。換水周期為區(qū)域河流槽蓄量與平均流量的比值，能夠較好地反映水系的水體質量；下游收水量為單位時間內區(qū)域內水系的上游引水量去除河道沿線用水量后能夠調入下游的剩余水量，該指標可在一定程度上反映水系從上游向下游的調水能力。此外，水系水力連通性與結構連通性緊密相連，在河道中修建水閘、大壩和泵站等水工建筑物后，雖然河道在結構上仍處于連通狀態(tài)，但受這些水工建筑物的影響，水系連通度會發(fā)生不同程度的變化。在擬定水系水力連通性方面評價指標的過程中應注重水閘、大壩和泵站的影響，這對于保證水系連通性有重要意義，因此將水工建筑物數(shù)量作為影響水系連通度的評價指標。

1.2 水系連通評價步驟

a.制定連通方案。根據(jù)研究區(qū)域相關規(guī)劃，結合對現(xiàn)狀水系的分析，擬定可行的水系連通方案。

b.計算評價指標值。水系結構連通性評價指標值通過圖論理論建立圖模型，在此基礎上建立圖矩陣，采用MATLAB對各方案連通性進行判斷，由無向圖的連通度計算方法得到；水系水力連通性評價指標值根據(jù)河道實測資料，建立水系水動力模型，然后針對河道內生態(tài)環(huán)境用水進行水量平衡分析得到模型邊界條件，進而對水系進行水動力數(shù)值模擬得出。一維水動力模型水流運動控制方程為非恒定流Saint-Venant方程組，由連續(xù)性方程和動量方程構成，一維非恒定流計算時采用加權四點隱格式有限差分法求解Saint-Venant方程組。

c.計算評價指標權重。主觀權重法確定權重時主觀性因素對權重影響較大；客觀權重法沒有主觀因素的干預，完全依賴數(shù)據(jù)自有的特征確定權重，但容易忽略評價指標的特性，使得指標權重有可能與指標真實作用程度有所差異。為解決主、客觀單一計算權重方法存在的問題，本文采用層次分析(AHP)-熵綜合權重法[14]確定評價指標權重。

d.構建決策矩陣。由計算出的各方案評價指標數(shù)據(jù)構建初始決策矩陣X，對其進行標準化處理后得到規(guī)范化矩陣Y，由評價指標權重的計算結果可以得到權重矩陣W。利用規(guī)范化矩陣Y、權重矩陣W，計算得到?jīng)Q策值矩陣V，即V=YW[15-16]。

e.評價連通方案。根據(jù)等級劃分標準值，形成判斷各方案連通性的依據(jù)，從而確定各方案連通性效果，得到水系連通推薦方案。

2 實例應用

2.1 研究區(qū)概況

廊坊市北運河-永定河區(qū)域水網(wǎng)涉及廊坊市市區(qū)(廣陽區(qū)、安次區(qū))以及香河縣南部，地處永定河沖積平原，以平原和洼地為主，海拔0～20 m，地勢平緩。區(qū)域地處北溫帶，屬大陸性季風氣候，四季分明，多年平均氣溫為11.8 ℃，多年平均降水量為 593.4 mm，年平均蒸發(fā)量為1 909.6 mm。區(qū)域內主要河流有永定河、北運河、龍河和鳳河(圖2)，水源分布不均，北運河香河段水量豐沛，多年平均徑流量為6.84億m3，而城區(qū)河段、龍河、永定河泛區(qū)水資源短缺，龍河出境斷面多年斷流，永定河斷流30年以上。為改變廊坊市區(qū)缺水現(xiàn)狀，實施引運濟廊水系連通工程十分必要。

兩組患者在接受治療后,實驗組的抗卵巢抗體、抗精子抗體和抗子宮內膜抗體的轉陰率均高于對照組,P<0.05。

圖2 研究區(qū)域示意圖

2.2 評價指標計算

根據(jù)《廊坊市城市總體規(guī)劃(2016—2030)》，針對區(qū)域實際情況，在現(xiàn)狀水系的基礎上考慮河渠水系連通性，在引運濟廊主輸水河道連通基礎上(方案1)，又擬定了兩種水系連通方案，如圖3所示。

(a) 方案1

2.2.1水系形態(tài)特征評價指標

基于研究區(qū)概況和區(qū)域河道數(shù)據(jù)，結合不同方案水系圖模型中邊的總數(shù)，計算得出水系形態(tài)特征評價指標值。

2.2.2水系結構連通性評價指標

利用Google Earth提取水系，再通過ArcGIS將柵格數(shù)據(jù)二值化并完成水系的矢量化(圖3)，所構建的圖模型如圖4(圖中e表示河段概化而成的割邊，v表示河段交匯點概化而成的割點)所示?；趫D模型計算水系結構連通性評價指標值。

(a) 方案1

在水系連通度計算過程中，發(fā)現(xiàn)各方案中均存在懸掛點，如果將懸掛點或者懸掛點所連接的邊刪除，水系就不連通了。根據(jù)圖論理論中對點連通度和邊連通度的定義，3種方案的整體點連通度和邊連通度均為1。由圖模型可知，方案2和方案3均在方案1基礎上增加了點與邊，中心城區(qū)部分水系連通度是存在差異的，但由于圖模型的邊界沒有改變，因此整體水系的點連通度和邊連通度沒有改變。為判斷各方案水系連通程度，采用水系圖模型中割點與割邊數(shù)對方案的連通度進行評價[17]，從而實現(xiàn)不同方案的連通度分析比較。水系點連通度、邊連通度及點連接率計算結果見表1。

表1 水系結構連通性評價指標值

2.2.3水系水力連通性評價指標

基于區(qū)域地形數(shù)據(jù)對河道進行斷面劃分，建立水系水動力模型(圖5)，然后進行參數(shù)率定和模型驗證。水工建筑物數(shù)量由水系實際水閘、大壩和泵站數(shù)量確定，換水周期采用水動力模型流量和水位計算結果求得，下游收水量通過對研究區(qū)域進行水量平衡分析后得出。

(a) 方案1

由于研究區(qū)域下游永定河泛區(qū)水資源嚴重短缺，在進行水系連通方案評價過程中，要保證下游收水量不低于2 000萬m3，因此以下游收水量至少2 000萬m3為約束條件，對3種水系連通方案分別進行水量平衡分析，確定上游引水量，進而計算下游收水量。由區(qū)域基礎數(shù)據(jù)計算得到3種方案需水量分別為179.064萬m3、344.517萬m3和799.597萬m3。此外還需考慮各方案中主輸水河道在承擔水系連通調水任務的同時，還要承擔分水任務，以供給城市生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水，主輸水河道分水量由《廊坊市城市總體規(guī)劃(2016—2030)》獲得，3種方案主輸水河道分水量共計10 480萬m3，其中包括鳳河上游河段400萬m3、永定河2 000萬m3等。因此3種方案總需水量分別為10 659.064萬m3、10 824.517萬m3和11 279.597萬m3。根據(jù)計算結果，上游引水量取 11 280萬m3。下游收水量由上游引水量與總需水量相減，再加上永定河2 000萬m3的分水量得出，計算結果見表2。各方案10項水系連通評價指標計算結果如表3所示。

表2 不同水系連通方案水量分配情況 單位：萬m3

表3 水系連通評價指標計算結果

2.3 評價指標權重計算

2.3.1AHP權重計算

根據(jù)AHP法[18]檢驗公式，通過對準則層指標構建的判斷矩陣進行一致性檢驗，結果滿足一致性要求，說明基于定性觀點構建的判斷矩陣具有一定的科學性，進而求出準則層水系形態(tài)特征、水系結構連通性、水系水力連通性相對目標層水系連通性評價的權重分別為0.333、0.333和0.333；同理水面率、河網(wǎng)密度、河頻率、河流槽蓄量相對水系形態(tài)特征的權重分別為0.204、0.346、0.246和0.204；點連通度、邊連通度、點連接率相對水系結構連通性的權重分別為0.250、0.500和0.250；水工建筑量數(shù)量、下游收水量、換水周期相對水系水力連通性的權重分別為0.328、0.411和0.261。將各指標層權重分別與其對應的準則層權重相乘得到評價指標相對評價目標的AHP權重，結果見表4。

表4 水系連通方案評價指標的權重

2.3.2熵權權重計算

熵權法[19]是一種客觀賦權方法。對表3中的評價指標數(shù)值進行歸一化分析，得到歸一化矩陣，然后定量計算各評價指標對應的熵值，進而得到指標對應的熵權，結果見表4。

2.3.3綜合權重計算

采用綜合權重法，利用AHP權重和熵權權重結果，計算得到最終評價指標綜合權重值，結果見表4。

2.4 水系連通方案評價

采用同樣方法，將表3中指標數(shù)進行歸一化處理，結合綜合權重計算結果，得到等級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的分界線值分別為0.798、0.596、0.395和0.193。方案3評價得分0.730，屬于Ⅱ級，連通效果良好；方案1評價得分0.271，屬于Ⅳ級，連通效果差；方案2評價得分0.401，屬于Ⅲ級，連通效果處于中等水平。因此，確定方案3即采用“引運濟廊主輸水河道+內環(huán)河道+外環(huán)河道”的連通方案為推薦方案。

2.5 水系連通性影響因素分析

2.5.1水工建筑物對水系連通性的影響

選取主要河流及河道上的水閘、大壩和泵站作為研究對象，在主輸水河道共選取6座水閘(表5)分析水工建筑物對水系連通性的影響?；趫D論理論，水工建筑物可以概化為水系圖模型中的頂點，能夠較為靈敏地反映對水系點連通度的影響情況，從而影響水系連通性。因此，選擇水系點連通度來分析水工建筑物對水系連通性的影響?？紤]水工建筑物影響的點連通度計算與天然河流交匯點不同，還需考慮水工建筑物的規(guī)模、過水流量、調控能力以及對水系連通影響程度等方面的差異，賦予各類型水閘不同的割點系數(shù)[17]，大、中、小型水閘分別賦予0.8、0.5和0.2的割點系數(shù)。割點數(shù)為原水系圖模型割點和所選取的水閘割點系數(shù)之和，頂點數(shù)為原水系圖模型頂點和所選取的水閘割點系數(shù)之和，考慮水閘對水系連通性影響下的點連通度為割點數(shù)與頂點數(shù)之比，計算結果見表5。根據(jù)表5，不考慮水閘影響下水系主輸水河道的點連通度為0.667，考慮水閘影響后，連通度具有不同程度的下降，隨著水閘數(shù)量增多，水系連通度下降程度增大。當只考慮秦營干渠閘時，連通度下降3.07%，而將主輸水河道中6座水閘均考慮在內時，連通度下降9.95%。這說明水工建筑物的布設、調度運行等會影響水系的連通度，加之水閘數(shù)量增多，導致結構連通性下降，對水系連通造成阻礙。

表5 主要水閘對主輸水河道點連通度的影響

2.5.2換水周期對水系連通性的影響

換水周期與水位有直接關系，可以表現(xiàn)為輸水過程中，河道實際蓄水量與水系平均流量之比。為分析換水周期對水力連通性的影響，選取水位表征水力連通能力[20]，計算公式為

(1)

式中：Ch為同一河流內上游起點至下游終點的水力連通能力，取值在0～1之間，其值越大，表明水力連通能力越強；ΔZ為兩水位站點之間的水位差，其值越大，表明兩個水位站點之間的水力連通能力越弱。

采用水動力模型模擬結果，計算得到方案1、方案2、方案3主輸水河道的水力連通能力分別為0.500 7、0.500 8和0.504 5，方案2和方案3較方案1的水力連通能力分別下降0.73%和0.75%。方案1、方案2、方案3的換水周期分別為4.191 d、8.215 d和27.342 d，換水周期越大，其水力連通能力越弱。由于研究區(qū)域地處平原河網(wǎng)，河道間的水力坡降變化較小，因此3種水系連通方案換水周期相差較大，但水力連通能力變化不大。

2.6 結果分析

由上述分析可知，方案3的整體水系連通效果最優(yōu)。前人對水系連通評價研究多是注重水系形態(tài)特征和水系結構連通性兩方面，方案3在水系形態(tài)特征和水系結構連通性兩方面的指標值均處于較高水平，若只考慮水系形態(tài)特征和水系結構連通性也可以說明方案3的連通效果更優(yōu)，但是無法了解該方案存在的問題，同時也無法給出相應的改進措施。如方案3在水系水力連通性方面的換水周期指標表現(xiàn)較差，并且由于水工建筑物數(shù)量較多，對整個河網(wǎng)結構連通性產(chǎn)生較大的負面影響，因此方案3需要提高和關注水系流動性。本文構建的水系連通評價指標體系，可從多角度評價不同水系連通方案的連通效果，為平原河網(wǎng)區(qū)水系連通方案評價工作提供了新思路。

3 結 語

本文在水系形態(tài)特征與水系結構連通性基礎上增加水力連通性評價指標，構建了更加全面的水系連通評價指標體系，利用該評價指標體系對廊坊市北運河-永定河區(qū)域水網(wǎng)3種水系連通方案進行了評價。結果表明，構建的評價指標體系能夠更加全面地表征水系連通情況，可為河網(wǎng)水系連通評價提供參考。但本文的水力連通性評價指標中只采用換水周期反映水系生態(tài)環(huán)境情況，后續(xù)研究可增加相關水質指標以更好地反映水力連通性對水系水質的影響；此外本文著重從結構連通性角度表現(xiàn)水工建筑物對水系連通性的影響，今后研究中還可考慮水工建筑物調度方式(如閘門開度變化)對水系連通特性的影響，使評價結果更加科學、準確。