高雨慧, 徐 慧, 唐華燕, 林小明, 周 強(qiáng), 閆懷春

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院, 江蘇 南京 210098; 2.常州市溧陽(yáng)市水利局, 江蘇 常州 213300;3.江蘇省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站, 江蘇 南京 210012)

1 研究背景

水系連通是指區(qū)域水體在必要的水工建筑物維系與調(diào)度下,重塑或構(gòu)建起較為完整的水流通道網(wǎng)絡(luò)與較為穩(wěn)定的水力聯(lián)系,從而形成具有一定規(guī)模且能夠滿(mǎn)足一定功能目標(biāo)的河湖水系格局[1],是增強(qiáng)防洪抗旱能力、促進(jìn)水資源合理配置[2]、改善水生態(tài)環(huán)境[3]的最基本、最有效的方式之一。目前大多數(shù)水系連通研究關(guān)注的對(duì)象是區(qū)域性河網(wǎng)水系,通過(guò)模擬比較不同工況得到水系連通工程的最優(yōu)方案,常用方法有圖論[4-6]、水力模型[7-9]、連通性函數(shù)[10-12]和綜合評(píng)價(jià)[13-16]等。綜合評(píng)價(jià)體系能從多個(gè)學(xué)科角度出發(fā),對(duì)水系連通進(jìn)行更加全面地量化。隨著近年來(lái)大中型河流綜合整治工程的穩(wěn)步落實(shí),水系連通治理的對(duì)象逐步向中小河流乃至小微水體過(guò)渡。小微水體是指主要分布于鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)的溝、渠、溪、塘等各類(lèi)小型水體[17],一般河道級(jí)別較低、水體規(guī)模較小、流動(dòng)性較差、自?xún)裟芰τ邢?被喻為江河湖庫(kù)的“毛細(xì)血管”[18]。小微水體與河網(wǎng)水系相比,其區(qū)域范圍小、水面與斷面形狀各異,因而具有復(fù)雜的流速差異性,若直接按照河網(wǎng)水系連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行計(jì)算則有欠妥當(dāng)。閆欣等[19]基于生態(tài)系統(tǒng)理論的景觀生態(tài)學(xué)提供了將水域視為“斑塊”的研究角度,對(duì)水面形狀各異的小微水體具有較好的適用性,而水質(zhì)改善程度也是水系連通工程重要的考核指標(biāo)之一[20],該理論為小微水體水系連通研究提供了新視角。

太湖流域是典型的城市化平原河網(wǎng)地區(qū)[21],其現(xiàn)存的塘浦圩田具有源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的古水系特征[22]。在人類(lèi)活動(dòng)的強(qiáng)烈干預(yù)下[23],大多數(shù)圩內(nèi)河道經(jīng)現(xiàn)代化治理與建設(shè),已成為依賴(lài)水工建筑物調(diào)度程度極高的小微水體,一般無(wú)法獨(dú)立維持水體的循環(huán)流動(dòng)[24]。水工建筑物對(duì)小微水體連通性的影響可分為兩大類(lèi),一類(lèi)如閘、壩等阻隔了自然狀態(tài)下的水體流動(dòng)[25],僅根據(jù)調(diào)度需要短時(shí)恢復(fù)暢通狀態(tài);另一類(lèi)則為水體流動(dòng)提供通道或能量,以促進(jìn)水體交換,如涵洞、泵站等。因此,水工建筑物能在很大程度上決定水系的水位、流量等連通要素。目前已有研究一般關(guān)注水系連通性在自然因素影響下的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律[26],而如何在水系連通評(píng)價(jià)中體現(xiàn)出水工建筑物工況帶來(lái)的影響尤為重要。

本文重點(diǎn)討論以下兩方面的內(nèi)容:(1)根據(jù)小微水體與河網(wǎng)水系的形狀特征差異,對(duì)小微水體水系連通性指標(biāo)進(jìn)行選取與修正;(2)根據(jù)小微水體受水工建筑物調(diào)度影響的特點(diǎn),在水系連通性指標(biāo)計(jì)算時(shí)考慮各水工建筑物啟閉工況組合及相應(yīng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng),得到水系連通動(dòng)態(tài)變化值與長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)較為穩(wěn)定的綜合平均值。將所提出的小微水體水系連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)用于溧陽(yáng)市同字水系,對(duì)其綜合整治前后的水系連通改善情況進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。

2 小微水體水系連通性評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

2.1 指標(biāo)選取

小微水體是河網(wǎng)水系中的“繁枝細(xì)節(jié)”,具有水系連通的一般物理特征。研究表明,擁有“活水”的小微水體可通過(guò)復(fù)雜的物化過(guò)程改變所屬河湖生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)通量,進(jìn)而影響水系的結(jié)構(gòu)和功能[27]。因此,根據(jù)水系連通評(píng)價(jià)體系構(gòu)建原則,河網(wǎng)水系連通性評(píng)價(jià)體系常用的水系格局、結(jié)構(gòu)連通性和水力連通性3個(gè)準(zhǔn)則層對(duì)小微水體仍具有較好的適用性?？紤]到小微水體在河湖生態(tài)系統(tǒng)中的服務(wù)功能[28-29]和水質(zhì)提升[30-31]方面的特點(diǎn),補(bǔ)充景觀連通性和水質(zhì)改善兩項(xiàng)準(zhǔn)則層。

在對(duì)各準(zhǔn)則層進(jìn)行指標(biāo)選取時(shí),均需根據(jù)小微水體影響生態(tài)服務(wù)功能的形狀特征和受水工建筑物調(diào)度的水力條件等特點(diǎn)來(lái)修正指標(biāo)和計(jì)算方法。相較于河網(wǎng)而言,小微水體水系形狀帶狀特征不明顯,因此在水系格局中弱化與河道“長(zhǎng)度”相關(guān)的指標(biāo),而強(qiáng)調(diào)水體所占面積與體積,改進(jìn)的小微水體水系連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表1所示。

表1 小微水體水系連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 評(píng)價(jià)方法

太湖流域小微水體水系連通受到人工的強(qiáng)烈干預(yù),通過(guò)水工建筑物的啟閉調(diào)度,能引起水系網(wǎng)絡(luò)連通通道以及水流流動(dòng)能量大小的變化,從而需區(qū)分不同工況下的結(jié)構(gòu)連通性和水力連通性,計(jì)算各工況的對(duì)應(yīng)值與均化工況時(shí)長(zhǎng)后的綜合平均值。另外,本文認(rèn)為水系格局、景觀連通性和水質(zhì)改善準(zhǔn)則層內(nèi)的指標(biāo)受水工建筑物調(diào)度影響較小,可忽略不計(jì)。

2.2.1 水系格局 河網(wǎng)水系格局研究主要源于河流地貌學(xué),描述水系本身整體形態(tài)、規(guī)模與發(fā)育程度,進(jìn)而反映其對(duì)徑流、沉積物等物質(zhì)轉(zhuǎn)移的促進(jìn)或阻礙作用[32],常選取河網(wǎng)密度、水面率、河頻率、槽蓄量等指標(biāo)。針對(duì)小微水體,河流帶狀形態(tài)不明顯,河網(wǎng)密度、河頻率等指標(biāo)難以定量,但水面率、槽蓄量對(duì)小微水體仍適用。水面率是指河流湖泊多年平均水位以下水體所占水域面積與區(qū)域總面積之比,該指標(biāo)表征區(qū)域水域范圍的大小。槽蓄量為河流湖泊在設(shè)計(jì)水位以下的蓄水總量[33-34],反映該區(qū)域水系儲(chǔ)蓄水資源的能力,也是該區(qū)域瞬時(shí)參與循環(huán)流動(dòng)的總水量。

2.2.2 結(jié)構(gòu)連通性 水系連通包含橫向、縱向和垂向3個(gè)維度的連接與聯(lián)系[35]。結(jié)構(gòu)連通性評(píng)價(jià)將水系概化為二維圖模型,衡量橫向與縱向的連通情況。該評(píng)價(jià)方法源于交通路網(wǎng)領(lǐng)域,遵循圖論原理反映節(jié)點(diǎn)與邊所構(gòu)建的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的連通狀況[36],也在景觀生態(tài)學(xué)中用于描述廊道之間的連通性。現(xiàn)有文獻(xiàn)中對(duì)結(jié)構(gòu)連通性的研究大多關(guān)注水系自身的結(jié)構(gòu)屬性,本文認(rèn)為,結(jié)構(gòu)連通性存在水系自身以及水工建筑物調(diào)度兩個(gè)層面。對(duì)于水系自身層面,各類(lèi)水工建筑物運(yùn)行期內(nèi)若相關(guān)水流通道互通,則該處水系連通結(jié)構(gòu)在任何時(shí)間均成立,不考慮非運(yùn)行期水工建筑物對(duì)地表水流流動(dòng)產(chǎn)生的阻礙影響;對(duì)于水工建筑物調(diào)度層面,區(qū)分為水工建筑物運(yùn)行期與非運(yùn)行期,根據(jù)閘門(mén)啟閉狀態(tài),判斷不同工況下各水工建筑物所處位置的水系結(jié)構(gòu)連通與否,進(jìn)而根據(jù)各工況時(shí)長(zhǎng)占比賦權(quán),加權(quán)得到一定時(shí)間范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的綜合結(jié)構(gòu)連通性。

小微水體的圖模型概化原則與河網(wǎng)水系一致,利用圖論中的元素表征水系結(jié)構(gòu)的不同幾何要素。考慮到小微水體內(nèi)部水系流向復(fù)雜、蜿蜒曲折,為簡(jiǎn)化圖模型僅取主流向,即細(xì)長(zhǎng)形水體采用長(zhǎng)度方向的邊E表示,水體匯合處、水工建筑物所處位置以及邊界等結(jié)構(gòu)連通條件突變處用點(diǎn)V表示。其中,依托泵站、暗涵、橋洞等水工建筑物構(gòu)建而成的輸水通道,其斷面尺寸與塘體寬度相差較大,將該類(lèi)輸水通道的起點(diǎn)與終點(diǎn)概化為點(diǎn),將通道自身概化為直線(xiàn)邊,忽略通道內(nèi)的水流流向。

綜合考慮點(diǎn)線(xiàn)之間的關(guān)系,選取環(huán)度、節(jié)點(diǎn)連接率和實(shí)際結(jié)合度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)[37]。環(huán)度定義為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的實(shí)際回路數(shù)與在不改變點(diǎn)線(xiàn)數(shù)量、僅改變點(diǎn)線(xiàn)互接結(jié)構(gòu)的情況下可能形成的最大回路數(shù)之比,其反映了河網(wǎng)回路的豐富度。環(huán)度越大,則實(shí)際回路越豐富、水系內(nèi)物質(zhì)能量的循環(huán)路徑越多、交換能力越強(qiáng)。節(jié)點(diǎn)連接率為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)所鄰接邊數(shù)的平均值,表征節(jié)點(diǎn)間相互聯(lián)系的難易程度。節(jié)點(diǎn)連接率越大,則節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系渠道越順暢、節(jié)點(diǎn)間互通水流的能力越強(qiáng)。實(shí)際結(jié)合度是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的實(shí)際邊數(shù)與在不改變點(diǎn)數(shù)量的情況下可能構(gòu)成的最大邊數(shù)之比,主要衡量水系通道的密度。實(shí)際結(jié)合度越大,則水系通道越密、用于水分輸移的場(chǎng)所越多、水系溝通能力越強(qiáng)。上述3個(gè)指標(biāo)的計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

(3)

式中:α為環(huán)度;β為節(jié)點(diǎn)連接率;γ為實(shí)際結(jié)合度;e為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的邊數(shù);ν為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

2.2.3 水力連通性 在結(jié)構(gòu)連通性二維基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮垂向維度,即在水流通道作為結(jié)構(gòu)“載體”的基礎(chǔ)上探討水流流動(dòng)時(shí)的水力條件,進(jìn)行水力連通性評(píng)價(jià)。水力連通性是衡量水體在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的實(shí)際流動(dòng)能力,河網(wǎng)水系常采用流速、流量、換水周期、水位、水力坡度、水流動(dòng)勢(shì)[38]等指標(biāo),歸根結(jié)底這些指標(biāo)都可轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定流速的能量大小。小微水體內(nèi)部水流流速偏低且不穩(wěn)定,流向復(fù)雜,難以選定典型斷面以獲取平均流速等信息。同時(shí),小微水體中水流流動(dòng)幾乎完全受水工建筑物運(yùn)行所操控,因此可由水工建筑物的運(yùn)行參數(shù)計(jì)算其為水流流動(dòng)供給的外部能量,進(jìn)而反算出平均水力條件?？紤]到小微水體流量數(shù)據(jù)普遍缺乏,換水周期受到槽蓄量大小的影響,因此選取流速作為指標(biāo)之一。

同時(shí),小微水體大多無(wú)法依靠天然地勢(shì)高差形成的水力坡度獨(dú)立維持穩(wěn)定的水位差,需借助外力提供勢(shì)能。假定水流循環(huán)中的所有水頭損失均由水工建筑物產(chǎn)生,不再單獨(dú)計(jì)算糙率影響。從能量供給的結(jié)果角度,采用水工建筑物提供的水位差計(jì)算水力連通能力[39],公式如下:

(4)

式中:Ch為水力連通能力,m-1; ΔZ為小微水體內(nèi)部設(shè)計(jì)最高水位點(diǎn)與設(shè)計(jì)最低水位點(diǎn)之間的水位差,m。

2.2.4 景觀連通性 景觀連通性是從景觀生態(tài)學(xué)的角度對(duì)斑塊間通過(guò)廊道相連程度的定量描述[40],主要取決于斑塊的形狀、面積與空間分布情況。景觀格局指數(shù)可以較好地衡量斑塊的聚集或分散程度對(duì)物質(zhì)輸移、能量交換、信息傳遞等所起的作用,進(jìn)而反映水流從景觀范圍內(nèi)的一處轉(zhuǎn)移到另一處的能力大小[41]。

運(yùn)用Fragstats4.0軟件計(jì)算小微水體水域在類(lèi)型水平上的分離度指數(shù)和景觀分割度[19]。景觀連通和生境破碎是相反的兩個(gè)過(guò)程,因此分離度指數(shù)和景觀分割度是水系連通性的負(fù)向指標(biāo)。分離度指數(shù)是某類(lèi)型各斑塊面積的平方和與區(qū)域總面積平方之比,其數(shù)值越大表明景觀破碎越嚴(yán)重。景觀分割度是某類(lèi)型各斑塊面積與總景觀面積之比的平方和比1小的程度,反映同一類(lèi)型內(nèi)不同斑塊的分布離散程度,其數(shù)值越大表明斑塊越分散。分離度指數(shù)和景觀分割度計(jì)算公式如下:

(5)

(6)

式中:SPLIT為分離度指數(shù);DIVISION為景觀分割度;A為區(qū)域總面積,m2;aij為第i種類(lèi)型的第j塊斑塊的面積,m2。

2.2.5 水質(zhì)改善 根據(jù)目標(biāo)的不同,水系連通工程可分類(lèi)為水災(zāi)害防御型、水質(zhì)改善型、資源調(diào)配型、綜合治理型4大類(lèi)[42]。小微水體納污能力較小,水系連通對(duì)水資源、水安全等方面起到的提升效果有限,而對(duì)水質(zhì)改善的效果較為明顯且便于定量評(píng)價(jià),近年來(lái)以水質(zhì)改善為目標(biāo)的黑臭小微水體治理逐漸在平原城市化地區(qū)興起[43]。本文采用的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法(Nemerow index method)是衡量水質(zhì)綜合污染應(yīng)用最廣泛的方法之一[44],該指數(shù)為負(fù)向指標(biāo)。

3 應(yīng)用實(shí)例與分析

3.1 研究區(qū)概況

同字水系位于江蘇省常州市溧陽(yáng)市昆侖街道方里村,屬于北豐聯(lián)圩的重要村級(jí)河道,由9塊方塘組成,整體呈“同”字形。外方分為東、西、南、北、中5塘,占地面積約為27 hm2,內(nèi)方共有4小塘,占地面積約為3 hm2,河道總長(zhǎng)3.8 km。明嘉靖二十三年(公元1543年),溧陽(yáng)地區(qū)大旱,吏部主事史際提出以工代賑,主持開(kāi)挖低洼處為堰池,平整地勢(shì)較高處為農(nóng)田。外堤抵擋洪水,內(nèi)池進(jìn)行養(yǎng)殖與灌溉,于乾隆五十一年(公元1786年)完工并延用至今。溧陽(yáng)市方里村美麗鄉(xiāng)村規(guī)劃與溧陽(yáng)市方里村同字水系水環(huán)境綜合整治工程于2019年7月開(kāi)工,2021年5月已基本完成水環(huán)境整治、生態(tài)清淤和基地修復(fù)工程,整治前、后研究區(qū)及周邊水系與水工建筑物概覽圖見(jiàn)圖1。北豐聯(lián)圩以中河、丹金溧漕河、竹簀河與蕪申運(yùn)河為界,同字水系由方里北河連通至丹金溧漕河,由北豐圩內(nèi)河與中河及竹簀河相通。目前外方設(shè)計(jì)水位為1.7 m(1985國(guó)家高程基準(zhǔn),下同),內(nèi)方設(shè)計(jì)水位為1.9 m。同字水系內(nèi)、外方互通,并與塘外水系具有緊密的水力連通,有較為獨(dú)立的水循環(huán)系統(tǒng),屬于水工建筑物調(diào)度下的網(wǎng)狀循環(huán)小微水體。根據(jù)地面高程劃分匯水區(qū)作為研究區(qū)范圍。

圖1 整治前、后研究區(qū)及周邊水系與水工建筑物概覽圖

3.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用溧陽(yáng)市別橋鎮(zhèn)航空遙感影像,攝于2015和2021年,空間分辨率分別為0.8和0.1 m;河道斷面數(shù)據(jù)來(lái)源于《常州溧陽(yáng)市方里村同字水系水環(huán)境綜合整治方案》;水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)自《常州市生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心溧陽(yáng)分中心水和廢水監(jiān)測(cè)結(jié)果表》。

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算

3.3.1 水系格局評(píng)價(jià)指標(biāo) 通過(guò)ArcGIS軟件分別對(duì)整治前、后的遙感影像進(jìn)行目視解譯,檢驗(yàn)總體精度分別為96.42%和97.33%,Kappa系數(shù)分別為0.912 8和0.936 5,符合要求。將所得同字水系水域范圍評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),水面率分別為45.76%和47.52%,整治后水面面積增大了1.16 hm2,水面率增加了1.76%。

根據(jù)整治前、后斷面圖計(jì)算槽蓄量。整治前同字水系淤積嚴(yán)重,斷面呈自然對(duì)稱(chēng)梯形狀,邊坡比約為1∶9,平均水深為1.6 m。生態(tài)清淤工程平均清淤深度為0.6 m,總清淤量為17.82×104m3。經(jīng)斷面設(shè)計(jì),內(nèi)方四塘近似矩形斷面,河底高程約為-0.3 m;外方5塘采用直立式護(hù)岸的復(fù)式斷面,河底高程約為-1.0～-0.5 m,平臺(tái)寬20 m,距水面0.5～0.7 m,平臺(tái)下坡比為1∶2.5。計(jì)算得出整治前、后槽蓄量分別為33.14×104和50.99×104m3,清淤工程使得槽蓄量增大了53.86%。

3.3.2 結(jié)構(gòu)連通性評(píng)價(jià)指標(biāo) 因同字水系內(nèi)水流流速較緩,流向復(fù)雜多變,易受風(fēng)力、游船等干擾,為簡(jiǎn)化計(jì)算,只取因內(nèi)、外方塘水位差產(chǎn)生的單向重力流。整治前,內(nèi)、外方塘均用于魚(yú)塘養(yǎng)殖,因而設(shè)有魚(yú)塘隔離壩,僅有西方北方、西方南方、東方北方以及內(nèi)方隔離壩體上有用于人工換水的閘口。閘口平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)(工況1),換水時(shí)開(kāi)啟(工況2),并與外部北豐圩內(nèi)河和方里北河連通。經(jīng)整治,魚(yú)塘隔離壩已全部拆除,且在西方中方修建引水泵站維持內(nèi)、外方水位差,記引水泵站關(guān)閉狀態(tài)為工況3,開(kāi)啟狀態(tài)為工況4。

根據(jù)水工建筑物的啟閉情況繪制整治前、后不同工況下的同字水系圖模型,如圖2所示?；趫D2模型計(jì)算整治前、后各工況同字水系結(jié)構(gòu)連通性指標(biāo),并根據(jù)平水年水工建筑物啟閉時(shí)長(zhǎng)加權(quán)計(jì)算年內(nèi)平均結(jié)構(gòu)連通值。其中,由環(huán)度的定義可得工況1、2的環(huán)度為0,其余指標(biāo)采用公式(1)～(3)計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 整治前、后各工況同字水系結(jié)構(gòu)連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

由表2可知,整治前工況1同字水系各塘體間無(wú)通道,無(wú)法形成回路,基本處于孤立狀態(tài)。拆除魚(yú)塘隔離壩后,結(jié)構(gòu)連通性的3項(xiàng)指標(biāo)均有顯著提升,即使在引水泵站關(guān)閉時(shí)期(工況3),也比整治前開(kāi)啟閘口(工況2)換水時(shí)的結(jié)構(gòu)連通性更好。開(kāi)啟引水泵站后(工況4),雖然僅比工況3增加了1條連通通道(E19),但3項(xiàng)指標(biāo)均有所增大。比較整治前、后的年內(nèi)平均情況值,環(huán)度值增大0.075,節(jié)點(diǎn)連接率與實(shí)際結(jié)合度增量超過(guò)1倍。

3.3.3 水力連通性評(píng)價(jià)指標(biāo) 同字水系缺少完整的流速流量監(jiān)測(cè)資料,需通過(guò)換水量與換水周期換算平均流速。同字水系既有用于內(nèi)外連通/阻隔的水工建筑物,又有用于內(nèi)部水體循環(huán)流動(dòng)的水利設(shè)施,因此換水周期可分為內(nèi)部水循環(huán)周期和內(nèi)、外水體交換周期。在水力連通性評(píng)價(jià)中,換水周期指內(nèi)部水流循環(huán)量達(dá)到總槽蓄量所需的時(shí)間。若無(wú)法實(shí)現(xiàn)較為穩(wěn)定的內(nèi)部循環(huán),則該換水周期與內(nèi)、外水體交換量達(dá)到總槽蓄量時(shí)所需時(shí)間相同。

整治前同字水系幾乎無(wú)法維持穩(wěn)定水流,須周期性與外部水系連通進(jìn)行人工換水。換水歷時(shí)為隔離壩閘口開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng),即工況2;整治后,內(nèi)部水流循環(huán)依靠西方中方引水泵站提供動(dòng)力,即工況4。同時(shí),整治后方里灌排站(2臺(tái)(套)混流泵500HW-6)、方里排澇站、后桑園翻板閘與手動(dòng)雙向蝶閥泵站聯(lián)合運(yùn)行進(jìn)行內(nèi)、外水體交換,引北豐圩內(nèi)河水入同字水系,并排入方里北河,且此時(shí)用于供給內(nèi)部水流循環(huán)的引水泵站同步工作,記為工況5。單次換水率為單次換水量與槽蓄總量之比;換水周期為年內(nèi)平均換水間隔與單次換水率之比。整治前、后工況2、4、5的平水年換水周期見(jiàn)表3。

表3 整治前、后工況2、4、5同字水系平水年換水周期

由表3可知,因整治前內(nèi)部水循環(huán)無(wú)法實(shí)現(xiàn),工況1同字水系中水體流速幾乎為0,只能借助工況2的內(nèi)、外水體交換來(lái)實(shí)現(xiàn)水力流動(dòng),工況2換水周期約為18 d,單次換水率高達(dá)65.52%,流速為20.13 m/s。根據(jù)時(shí)長(zhǎng)占比綜合工況1、2,得到整治前年內(nèi)平均流速為0.21 m/s。整治后借助引水泵站(工況4)的內(nèi)部水循環(huán)換水周期為115 d,比工況2顯著增長(zhǎng),但換水間隔縮短,單次換水率減小,該工況以少量多次的方式維持水流循環(huán),平均流速為0.31 m/s;工況3平均流速可近似取與工況4一致;工況5平均流速為1.10 m/s,換水周期為129 d。通過(guò)工況3、4、5的時(shí)長(zhǎng)占比加權(quán)計(jì)算,得到整治后年內(nèi)平均流速為0.34 m/s,平均流速較整治前增大了61.9%。

整治前,換水時(shí)長(zhǎng)較短,且需借助方里灌排站與方里排澇站促使水體流動(dòng)達(dá)到換水目的,內(nèi)、外方水位差幾乎為0。整治后,引水泵站將內(nèi)、外方水位差維持在約0.2 m,由公式(4)計(jì)算得出水力連通能力為0.83 m-1。

3.3.4 景觀連通性評(píng)價(jià)指標(biāo) 在Fragstats4.0軟件中處理目視解譯得到的水域范圍,選擇類(lèi)型水平的分離度指數(shù)和景觀分割度來(lái)衡量水域的景觀連通性。通過(guò)計(jì)算得出,整治前同字水系分離度指數(shù)和景觀分割度分別為21.60、0.95,整治后分別為5.42、0.82。整治后分離度指數(shù)和景觀分割度分別減小了74.9%、13.7%。整治工程拆除魚(yú)塘隔離壩后,相鄰水域斑塊合并,因此水域斑塊數(shù)量減少且距離拉近,分離度指數(shù)顯著降低,景觀分割度減小,二者表現(xiàn)出一致性,可見(jiàn)整治工程大大提高了同字水系的景觀連通性。

3.3.5 水質(zhì)改善評(píng)價(jià)指標(biāo) 同字水系主要由中河進(jìn)行水源補(bǔ)給,中河現(xiàn)狀水質(zhì)總體穩(wěn)定,保持在國(guó)家Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)2019年9月15日和2021年6月22日同字水系5個(gè)采樣點(diǎn)(S1～S5)的水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果,選擇高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷3個(gè)水質(zhì)參數(shù)利用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法計(jì)算,標(biāo)準(zhǔn)值采用整治的目標(biāo)水質(zhì)Ⅲ類(lèi)水相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),所得結(jié)果如圖3所示。對(duì)5個(gè)采樣點(diǎn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)求均值,得到整治前、后綜合內(nèi)梅羅污染指數(shù)分別為2.56和0.58,整治后綜合內(nèi)梅羅污染指數(shù)減小了77.3%,水質(zhì)得到了明顯提升。

圖3 同字水系采樣點(diǎn)分布及相應(yīng)水質(zhì)內(nèi)梅羅污染指數(shù)

3.4 討 論

在表3的基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)算,探討連通性和年均換水量之間的關(guān)系。整治前,平水年每年需要外部提供652×104m3的水,才能滿(mǎn)足魚(yú)塘養(yǎng)殖的水質(zhì)與水量要求,而整治后僅需133×104m3的水即可保證景觀生態(tài)用水。結(jié)合整治前、后的水質(zhì)污染情況(圖3)來(lái)看,盡管整治后內(nèi)、外水體交換周期比整治前更長(zhǎng),但整治后的水質(zhì)明顯優(yōu)于整治前。這也從側(cè)面驗(yàn)證,簡(jiǎn)單直接的換水方式不僅會(huì)導(dǎo)致治理效果不佳、水質(zhì)問(wèn)題反復(fù)出現(xiàn),還會(huì)造成優(yōu)質(zhì)水源的大量浪費(fèi)。引水治污必須以控源截污為前提,建立較為完整穩(wěn)定的水系連通系統(tǒng),從根本上恢復(fù)河湖生態(tài)活力[45]。

本文從多角度探討了在水工建筑物調(diào)度下的小微水體水系連通性指標(biāo)體系,并以同字水系為例分析了整治前、后水系連通各方面的改善成效,但數(shù)據(jù)量仍不足以計(jì)算得出如文獻(xiàn)[13]中的指標(biāo)權(quán)重并得出綜合水系連通性指數(shù),因而還需進(jìn)一步研究。

太湖流域小微水體的水系連通受到配套水工建筑物的調(diào)度,在本文提出的小微水體水系連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中結(jié)構(gòu)連通與水力連通情況系根據(jù)不同工況開(kāi)展計(jì)算,得到了波動(dòng)值以及長(zhǎng)期內(nèi)較為穩(wěn)定的綜合平均值。本文的思路也可應(yīng)用于水工建筑物調(diào)度情況更為復(fù)雜、受人為因素影響更為劇烈的水系連通性計(jì)算,根據(jù)工況分解掌握其年內(nèi)、年際動(dòng)態(tài)變化過(guò)程及階段綜合情況。同時(shí),本文針對(duì)帶狀特征不明顯的小微水體進(jìn)行了水系連通性指標(biāo)修正,并將水域視為“斑塊”進(jìn)行景觀生態(tài)學(xué)角度的探究,在計(jì)算“水量”循環(huán)的同時(shí)考慮“水質(zhì)”,對(duì)太湖流域圩內(nèi)小微水體的水系連通性評(píng)價(jià)有較好的適用性。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)小微水體在提供生境和凈化水質(zhì)方面的突出貢獻(xiàn),增設(shè)景觀連通性和水質(zhì)改善兩大準(zhǔn)則層,同時(shí)根據(jù)小微水體形態(tài)特征和受水工建筑物調(diào)度影響的特點(diǎn)選取相關(guān)指標(biāo),探索性地提出了包含5大準(zhǔn)則層共10項(xiàng)指標(biāo)的小微水體水系連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。利用該評(píng)價(jià)體系對(duì)溧陽(yáng)市同字水系小微水體整治前、后的水系連通性進(jìn)行量化,得出以下主要結(jié)論:

(1)水系格局中的水面率、槽蓄量指標(biāo)能較好地反映出小微水體的整體形態(tài)與規(guī)模,同字水系經(jīng)清淤整治后,水面率略有增大,而槽蓄量增長(zhǎng)幅度超過(guò)1倍;環(huán)度、節(jié)點(diǎn)連接率和實(shí)際結(jié)合度能從多個(gè)角度反映不同工況下小微水體的結(jié)構(gòu)連通性,同字水系整治后環(huán)路從無(wú)到有,節(jié)點(diǎn)連接率和實(shí)際結(jié)合度增量超1倍;流速與水力連通能力在多個(gè)水工建筑物聯(lián)合運(yùn)行的小微水體中能夠合理又簡(jiǎn)潔地衡量水力連通性的強(qiáng)弱及動(dòng)態(tài)變化,同字水系年內(nèi)平均流速較整治前提高了61.9%,水力連通能力增至0.83 m-1;分離度指數(shù)和景觀分割度指標(biāo)可量化水域斑塊的破碎化程度,以此表征景觀連通性,同字水系該兩項(xiàng)指標(biāo)均在整治后降低,其中分離度指數(shù)降低尤為顯著;用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法計(jì)算得到的水質(zhì)改善情況能從側(cè)面反映出水系連通帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境效益,同字水系整治后內(nèi)梅羅污染指數(shù)顯著降低,水質(zhì)大幅提升。

(2)各項(xiàng)指標(biāo)在同字水系小微水體整治后均體現(xiàn)出水系連通性的改善,整個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系能夠較為全面、合理地衡量小微水體在各類(lèi)水工建筑物聯(lián)合調(diào)度下的水系連通性。

(3)科學(xué)的水系連通措施與簡(jiǎn)單直接的換水方式相比,不僅能更有效地提高水系連通性,也能在節(jié)約換水量的同時(shí)達(dá)到更優(yōu)的水質(zhì)提升效果。