華 晨,胡尊樂
(江蘇省水文水資源勘測局常州分局,江蘇 常州 213022)
同流域內(nèi)所有河流、湖泊、水庫等天然和人工水體構(gòu)成的水網(wǎng)系統(tǒng)稱為水系,通常其作為流域地理要素的主要功能包括:水資源配置、水旱災(zāi)害防御和水環(huán)境修復(fù),即能夠解決因水資源總量短缺或時空分布不均勻?qū)е碌乃Y源安全問題、因洪澇或干旱災(zāi)害導(dǎo)致的防洪抗旱安全問題和因流域生態(tài)環(huán)境和水質(zhì)惡化導(dǎo)致的水生態(tài)水環(huán)境安全問題。因此,水系功能評價是河湖健康評價的重要組成部分。
近年來,受人的社會活動影響較強地區(qū)的流域水網(wǎng)治理主要目標(biāo)正逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榧訌娝等蠊δ?、增強水系連通性。通過對水系功能進行解構(gòu),選取了7項指標(biāo),推導(dǎo)構(gòu)建水系功能評價標(biāo)準(zhǔn),從結(jié)構(gòu)連通、水力連通和槽蓄能力三方面對水系功能進行評價。
根據(jù)水系的水資源配置、水旱災(zāi)害防御、水環(huán)境修復(fù)三大功能,考慮相應(yīng)水系結(jié)構(gòu)連通性、水力連通性、槽蓄能力并提出評價方法,推導(dǎo)構(gòu)建包含7項指標(biāo)的評價體系。其中:水系基本要素評價選取水面率、水網(wǎng)密度2項指標(biāo);水資源配置及水環(huán)境修復(fù)能力選取水網(wǎng)覆蓋度、水系結(jié)構(gòu)連通度、分枝維數(shù)、水力連通度4項指標(biāo);防洪蓄洪能力采用Hurst指數(shù)1項指標(biāo)。參考河流系統(tǒng)評價、河湖健康評價等評價體系和方法,對水系功能的各要素賦權(quán),根據(jù)綜合評分法對水系功能進行評價。水系功能評價指標(biāo)體系見表1。
表1 水系功能評價指標(biāo)體系
2.1.1水面率
水面率指標(biāo)為采用水系內(nèi)河道、湖泊、水庫等天然和人工水體以設(shè)計水位或多年平均水位為邊界條件計算得到的水面面積,其與相應(yīng)的流域面積的比值。
2.1.2水網(wǎng)密度
水網(wǎng)密度指標(biāo)采用水網(wǎng)密度指數(shù),其物理含義為區(qū)域內(nèi)河流總長度、水域面積和水資源量占被評價區(qū)域面積的比重,用以反映評價區(qū)域水豐富程度。其計算公式為:
水網(wǎng)密度指數(shù)=Ariv*河流長度/流域面積+Alak*湖庫面積/流域面積+Ares*水資源量/流域面積
(1)
式中,Ariv—河流長度;Alak—湖庫面積;Ares—水資源量的歸一化系數(shù)。
在考慮水系基本要素的基礎(chǔ)上,為反映水網(wǎng)空間分布和水體間連通情況,引進水系結(jié)構(gòu)連通度、水網(wǎng)覆蓋度、分枝維數(shù)和水力連通度等動態(tài)指標(biāo)。
2.2.1水系結(jié)構(gòu)連通度
基于分形幾何學(xué)原理,建立水網(wǎng)結(jié)構(gòu)性連通模型,建立水網(wǎng)覆蓋度概念,其原理為:將流域分為n個局部,各局部分別按比例β與全流域相似,以分形維數(shù)Df來描述相似程度,其表達式為:
(2)
可知,Df越大,則分形結(jié)構(gòu)的自相似性越高,也就是流域水網(wǎng)覆蓋越密集、越均勻、水網(wǎng)結(jié)構(gòu)性連通越好,當(dāng)區(qū)域內(nèi)只存在一條河流時,Df=1;當(dāng)區(qū)域整體全為水面時,Df=2。因此將分形維數(shù)Df作為水系結(jié)構(gòu)連通度指標(biāo)。
2.2.2水網(wǎng)覆蓋度
根據(jù)水系結(jié)構(gòu)連通度Df,據(jù)此判定某流域水網(wǎng)分布均勻程度和覆蓋程度,在水系與其覆蓋范圍之間建立了對應(yīng)關(guān)系,則水網(wǎng)覆蓋度按下式計算:
(3)
顯然,水網(wǎng)結(jié)構(gòu)連通性越大,即Df越大,則水系水網(wǎng)覆蓋程度就越大。
2.2.3分枝維數(shù)
由于在水系上游向下游演變中水網(wǎng)結(jié)構(gòu)的連通程度呈現(xiàn)不斷變化的動態(tài)特性,引入分枝維數(shù)概念,用以描述水系水文情勢所體現(xiàn)出來的水網(wǎng)連通性動態(tài)變化程度。即在某流域內(nèi),以河流、湖庫等水體上游頂點為控制點,以rk為連通半徑,得到k個同心圓弧和同心扇環(huán),則απr2半徑范圍內(nèi)的圓環(huán)區(qū)域上分枝數(shù)之和為N(r),則N(r)與r的冪指數(shù)存在一定的線性關(guān)系,即N(r)=b×rD,其中b為調(diào)和系數(shù)。則D為分形幾何意義下的維數(shù),其體現(xiàn)的是水系分枝變化情況,因此定義為分枝維數(shù)。
可知,分枝維數(shù)由水系的分枝數(shù)目變化率確定,分枝維數(shù)越大,則流域水網(wǎng)的密度變化越小,支流水系發(fā)育越完全。如區(qū)域內(nèi)無河流穿過,則分枝維數(shù)D=0;如有一條河流穿過,D=1.0;如區(qū)域整體全為水面時,D=2.0。一般地,一個流域水網(wǎng)結(jié)構(gòu)連通的分布密度從上游到下游總體上呈遞減趨勢,即上游水網(wǎng)發(fā)育早于下游,且程度更深。
2.2.4水力連通度
一般地,天然或人工建立的流域水網(wǎng)內(nèi)的水力聯(lián)系程度稱為水系的水力連通度。基于基爾霍夫定律對流域內(nèi)的任意節(jié)點間的水力連通度采用下式計算:
(4)
式中,J—水力連通度;n和ni—水系總耗能系數(shù)和水系內(nèi)某條河流耗能系數(shù);Li、Si—水系內(nèi)選取的起止點間距離和斷面面積;h—起止節(jié)點間總水頭;ki—具有徑流調(diào)節(jié)能力的水工建筑物的修正系數(shù);wi—河流水質(zhì)綜合污染指數(shù)。
可知,Li越大,水系內(nèi)選取的起止點AB間耗能系數(shù)越大、連通性J越差;Si越大,AB間河湖(庫)過水能力越強、連通性J越強;wi越大,則AB間水質(zhì)污染較嚴(yán)重,水力連通性不足;若AB間有多條河湖(庫)連通,則復(fù)合耗能系數(shù)n越小、兩點間連通性越強。
受人類活動影響,水系下墊面條件改變,床面透水和槽蓄功能弱化,影響水系的防洪蓄洪能力。引入Hurst指數(shù),對水系水網(wǎng)結(jié)構(gòu)和水位的演變趨勢進行評價,進而對防洪蓄洪能力進行評估。其原理為:流域降雨徑流經(jīng)過水系調(diào)蓄,類比為低通濾波處理,即剔除短期波動,保留長期發(fā)展趨勢,其中水位時間序列長期發(fā)展趨勢采用時間序列R/S法計算分析,最終得到水系防洪蓄洪能力與流域降水徑流的長期演變關(guān)系。有研究表明,徑流時間序列Hurst指數(shù)越高,則水系水網(wǎng)越復(fù)雜、其徑流變化過程越平緩,說明防洪蓄洪能力越高、發(fā)生洪災(zāi)的可能性越小。
Hurst指數(shù)采用下式計算:
Log(R/S)=Log(c)+H·Log(n)+ε
(5)
具體計算過程如下:
⑤將A取值不斷增加至A=(M-1)/2,并重復(fù)①-④,以Log(n)為解釋變量,Log(R/S)為被解釋變量,進行線性回歸,得到方程中斜率H即為Hurst指數(shù)估計值。
太湖流域江蘇片位于長江下游三角洲南側(cè),西南環(huán)山,三面環(huán)水,地勢平坦,水系發(fā)達,為典型中下游平原河網(wǎng)地貌。陸地面積1.37萬km2,多年平均水域面積0.57萬km2。從上游起,太湖流域可依次分為湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)、陽澄淀泖區(qū)三大水系,有眾多水道與長江相通,京杭運河從西北到東南貫穿整個流域。其地理位置如圖1所示。
圖1 太湖流域江蘇片地理位置圖
采用上述指標(biāo)體系和評價方法,對項目區(qū)水系功能進行評價。其中,在根據(jù)分枝維數(shù)計算時根據(jù)項目區(qū)水系分布情況,分別以京杭運河、澡港河、望虞河為計算節(jié)點。計算得到太湖流域各水系功能綜合評價成果見表2。
表2 太湖流域各水系功能綜合評價成果
可知,湖西區(qū)水系功能綜合評價好于武澄錫虞區(qū)和陽澄淀泖區(qū)。
選用太湖流域各水系中系列較長,受通江河道引江潮量影響較弱的代表站,湖西區(qū)選取金壇站、武澄錫虞區(qū)選取無錫站、陽澄淀泖區(qū)選取陳墓站,以1999年和2018年年平均水位和年降水量實測數(shù)據(jù)為例,分析其降水和水位關(guān)系的演變趨勢,其成果見表3。
表3 太湖流域各水系降水—水位關(guān)系演變表
可知,與1999年相比,2018年太湖流域江蘇片各水系水位與降水量均呈上漲趨勢,但水位上漲幅度小于降水量增長幅度。綜合表2表3成果可知,三個水系對比,湖西區(qū)水網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化較小、水力連通度好、因此水位上漲幅度較?。缓鲄^(qū)、武澄錫虞區(qū)和陽澄淀泖區(qū)的水位與降水量對應(yīng)關(guān)系演變說明了區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展和人類活動導(dǎo)致了各水系產(chǎn)、匯流條件變化和水系功能變化,且各水系功能變化程度有所差異,這些變化體現(xiàn)在水位變化上,反映的是各水系防洪蓄洪能力的差異,即Hurst指數(shù)。
從水系水資源配置、水旱災(zāi)害防御和水環(huán)境修復(fù)三項功能出發(fā),通過對水系建立水面率等7項指標(biāo)的評價體系,構(gòu)建了水系功能評價標(biāo)準(zhǔn)。通過對太湖流域江蘇片的三個水系進行功能評價,得出湖西區(qū)綜合評分為1.46,水系功能最好;陽澄淀泖區(qū)得分1.32略好于武澄錫虞區(qū)得分1.28。經(jīng)過觀測,評價結(jié)果與實際情況比較吻合。
根據(jù)水系功能評價反饋出來的水系功能存在的問題,綜合考慮流域水網(wǎng)結(jié)構(gòu)與功能,得出如下修復(fù)或提升建議:①加強水系連通治理,打造功能強大的水網(wǎng)格局,通過適當(dāng)新開河道、建設(shè)人工水體等方式,進一步加強項目區(qū)范圍內(nèi)的河湖(庫)連通,修復(fù)和改善流域水網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其功能體系;②減少人類活動影響,統(tǒng)籌社會經(jīng)濟發(fā)展,恢復(fù)或擴大水面率,通過嚴(yán)格控制流域內(nèi)土地開發(fā)利用方式,嚴(yán)格杜絕任意填埋或淤塞河道,維護正常過流斷面,合理控制和擴大現(xiàn)有水面率;③合理開展水體疏浚,提升水網(wǎng)形態(tài)多樣性,提高槽蓄功能,改善水系生境條件,恢復(fù)水體生態(tài)健康。