姜英豪，王贊成，李志威

（1. 湖南百舸水利建設股份有限公司，湖南 長沙 410007；2. 長沙理工大學水利工程學院，湖南 長沙 410114）

引 言

受自然地理環(huán)境和季風氣候的影響，我國水資源時空分布嚴重不均，總體上與社會經濟發(fā)展格局不匹配。國家“十三五”戰(zhàn)略規(guī)劃中明確提出，“科學論證、穩(wěn)步推進一批重大引調水工程、河湖水系連通骨干工程和重點水源等工程建設，統(tǒng)籌加強中小型水利設施建設，加快構筑多水源互聯互調、安全可靠的城鄉(xiāng)區(qū)域用水保障網”。江河湖庫水系連通已經成為提高水資源統(tǒng)籌調配能力、改善水生態(tài)環(huán)境狀況和抗御自然災害的重要途徑，而水系格局與連通性是影響河網水系功能的重要因素。城市化進程中河網水系受到人類活動強烈干擾，如修建蓄、引、提工程，過度開發(fā)利用水資源，引發(fā)河道斷流、湖泊干涸、濕地萎縮、地下水位下降等嚴重問題，從而導致水系結構與連通性發(fā)生重大變化，嚴重制約著區(qū)域社會經濟的可持續(xù)發(fā)展，降低了水資源與水環(huán)境的承載能力。制定合理、有效的水系規(guī)劃來指導區(qū)域水系的綜合治理成為河湖生態(tài)修復的重要議題之一[1]。

目前，國內已有諸多學者針對河湖水系連通開展了一系列研究。研究成果逐漸從對概念、內涵、分類、案例分析等方面的探討延伸到水文學、河流地貌學、景觀生態(tài)學等領域對其進行量化分析，采用的方法包括景觀生態(tài)學法[2]、圖論法[3～4]、生物法[5]、水文-水力學模型法[6]等，其中景觀生態(tài)學方法采用區(qū)域自然地理與景觀格局的原理評價計算區(qū)域的水系連通度，對區(qū)內不同水體連通的緊迫性及重要性予以賦值，適用于評價生態(tài)連通性[7]，一些學者采用景觀生態(tài)學方法來評價自然作用下或自然與人類復合作用下的水系格局及連通性[2,8]。

本文運用景觀生態(tài)學的基本原理和方法建立水系格局與連通性評價指標體系，定量分析澧縣原河湖連通工程規(guī)劃的合理性，為改善河網水系連通性以及實施水系連通工程提供理論依據和技術支持。

1 澧縣水系概況

澧縣，隸屬于湖南省常德市，因澧水貫穿全境而得名，位于長江中游，湖南省西北部，洞庭湖西岸，與長江直線距離80 km。

澧縣水系豐富，境內有大小河流47 條，可分為澧水、四口兩條水系。其中一級支流9 條，二級支流22 條，三級支流15條，四級支流1 條。澧水水系干流在澧縣境內長32 km，流域面積781.75 km2，縣境內有6 條支流，包括澹水、道水、涔水3 條一級支流。四口水系有界溪橋、順林橋、危水河以及松滋所屬的11條大小溪河，其中一級支流5 條，二、三級各3條，總流域面積570.8 km2。另主要有大坪排渠、喬涔排渠、楊泗河排渠、澧城排渠等主要灌排渠，共同構成了規(guī)劃片區(qū)的水系網絡。見圖1。

現狀水系統(tǒng)主要由坑塘、水渠和河流組成，但因沒有整體連通，各水體交換、余缺互補功能受限，同時直接承納城鎮(zhèn)工業(yè)廢水、生活污水，農業(yè)農村面源污染物也匯入其中，使水質普遍受到污染，城區(qū)內部水系統(tǒng)結構已被破壞，現狀水污染狀況較為嚴重。區(qū)域內河湖水網除澧水河流，包括滟洲水庫的水質為Ⅱ～Ⅲ類外，其余水體水質都劣于Ⅳ類，其中栗河、襄陽河均為Ⅴ類。見表1、表2 和圖2～圖4。

圖1 澧縣主要水系分布圖

表1 項目區(qū)水系現狀基本情況表

表2 規(guī)劃區(qū)人工渠道（主要干渠）基本情況表

2 研究數據與方法

2.1 水系數據獲取

澧縣河湖連通現狀數據以2016 年澧縣河湖水網連通生態(tài)水利工程情況為基礎，工程規(guī)劃數據來源于湖南省水利水電勘測設計研究總院編制的《澧縣平原地區(qū)河湖水網連通生態(tài)水利規(guī)劃》及《澧縣河湖水網連通生態(tài)水利工程可行性研究報告》等相關文件。河湖水系連通性評價數據主要依據河網水系的連接節(jié)點數和廊道數等?；阱⒖h2016 年水系分布圖，并結合Google Earth 對流域水系矢量化，繪制澧縣水系有向圖，得到水系的自然廊道、人工渠道以及自然節(jié)點、人工節(jié)點。采用AutoCAD 量算統(tǒng)計矢量化后的水系有向圖的節(jié)點數和廊道數，通過網絡計算和分析獲取相應數據。

圖2 栗河及襄陽河污染現狀圖

圖3 現狀溝渠

圖4 現狀坑塘

2.2 結構連通性評價方法

水系的網絡連通性源于景觀生態(tài)學中景觀生態(tài)網絡連接度的概念，根據計算原理對水系的連通性進行評價。目前，景觀生態(tài)網絡連接度的常用評價方法是多指標評價法，評價指標通常包括節(jié)點度數、廊道密度、水系環(huán)度α、節(jié)點連接率β、水文連通度γ 等指數。這種方法是依據網絡中“點-邊”的數量關系來評價連通性。本文選取水系環(huán)度α、節(jié)點連接率β、網絡連通度γ 來評價河網地區(qū)水系連通性。其中：

α 指數，即水系環(huán)度，表示河網水系中現有節(jié)點形成的環(huán)路存在的程度，是河網水系實際成環(huán)水平的指標。計算公式為：

式中 L——連接廊道數；

N——節(jié)點個數；

α 指數在0～1 之間變化，0 表示水網中無環(huán)路，1表示具有最大環(huán)路。

β 指數，即節(jié)點連接率，表示河網水系中每個節(jié)點與其他節(jié)點連接難易程度的指標。計算公式為：

γ 指數，即網絡連接度，表示河網水系中廊道間相互連接數與最大可能廊道連接數之比。計算公式為：

式中 L——連接線數；

N——節(jié)點個數；

Lmax——最大可能廊道連接數；

γ 指數在0～1 之間變化，0 表示各節(jié)點之間不連接，1 表示每個節(jié)點都與其他節(jié)點互相連接。指數越大，表示河網水文連通度越高。

根據對水系格局和連通性評價的內涵及方法的探討，建立如下水系格局與連通性評價指標體系（表3）。從河頻率和河網密度兩個方面來評價水系格局，從水系環(huán)度、節(jié)點連接率和網絡連接度三個方面來評價水系連通性，由此構成水系格局與連通度評價的“廊道-節(jié)點”網絡系統(tǒng)。

表3 水系格局與連通性評價指標體系

3 研究結果

3.1 現狀水系格局與連通性評價

圖5 是澧縣現狀天然河道水系網絡進行概化后的流向圖。圖5 中不同顏色河道表示不同骨干河道，所有河流的交匯點、分流點均視作節(jié)點，河道的流向用箭頭表示。

澧縣水系現有天然和人工廊道共計47 條，總長度約122.32 km。經現場調研，并結合圖5 可以看出，雖然該區(qū)域現有人工廊道較多，河頻率和河網密度在人工廊道的影響下有很大提高，但水系網絡疏密不均，現有渠系與澧水之間、澧縣境內水系與松滋河之間聯系少，河湖、湖湖之間連通性有待提高。由于“松澧分洪”、多安橋堵口等水利工程的建設，使得澧縣老城區(qū)栗河和襄陽河均已變成內河，并未連通，但圖中將此兩條河均視為連通狀，另外，包括觀音港在內的多條渠道，因長年未進行清淤整治，存在堵塞、崩坡、淤積等嚴重問題，導致斷流而成為了啞河。

圖5 澧縣主要水系有向圖

經計算，澧縣水系河頻率為0.037 9 條/km2，現有河道河網密度為0.098 7 km/km2（表4）。表明該區(qū)域河網密度較小，河流長度發(fā)育程度一般、單位面積河流數量相對較少。水系連通性方面，澧縣現有水系網絡的α、β、γ 值分別為0.327、3.133、0.559（表4），表明水系網絡成環(huán)水平較低，節(jié)點間連接性一般，網絡連接度較好，通過人工渠道，水系網絡有較好的連接途徑，但目前松澧地區(qū)的成環(huán)水平及節(jié)點連接率相對其他區(qū)域仍偏低，水系連通度差，因此仍有很大改善空間。

表4 澧縣現有水系格局與連通性情況

3.2 規(guī)劃工程對水系格局及連通性的影響

為創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境，提高澧縣水資源、水環(huán)境承載能力，改善人居生活水平，由湖南省水利水電勘測設計研究總院編制了《澧縣平原地區(qū)河湖水網連通生態(tài)水利規(guī)劃》，對澧縣平原地區(qū)進行了相應的水系連通規(guī)劃，具體區(qū)域是澧水張公廟以下左岸及松滋河系澧縣所轄堤垸保護區(qū)，西起張公廟、大坪、大堰垱、王家廠，東至澧縣西州官垸（松滋中支以西），北緣涔河北岸的中武、雷公塔、夢溪、如東，南至澧水北岸及澧南垸。包括淞澧大垸澧縣部分及九垸、官垸等堤垸。規(guī)劃重點范圍為澧津、澧陽平原部分和澧松大垸。通過新建渠道閘壩、引水分流、清淤截污，將各堤垸的灌排合一渠道改造分離，加強河湖、湖湖之間的聯系等措施，形成一個縱橫連通、高低水分離的生態(tài)水網體系（圖6）。

圖6 澧縣規(guī)劃水系連通有向圖

由圖6 可以看出，規(guī)劃項目區(qū)主要為艷州水庫引水片區(qū)和松澧松涔連通片區(qū)。滟洲水庫處通過新修引水渠在馬堰與大坪排水渠相連，大坪排水渠在十回港進入澹水河。為提高枯水期澹水水位，以滿足西水東調實現涔東地區(qū)的自流灌溉和飲水要求，在澹水中段建彭家壩閘，將澹水分為兩段，西段為低水區(qū)，分別由朱家崗和彭家壩進入黃沙灣流出，東段為高水區(qū)，繼續(xù)向東經中渡口與涔水、北民湖、宋魯湖相連，并在涔水梅家港灌溉閘與排水閘之間建一座橡膠壩，與小渡口閘聯合運用抬高枯水期涔水下游段水位，再經伍公咀、梅家港閘進入伍官渠、伍集渠、梅青渠、梅新渠，并與楊家湖、水沐堰、馬公湖、觀音港啞河，以及松滋西支連通。

在新規(guī)劃下，澧縣境內水系格局變化明顯，節(jié)點數增加至46 個，廊道數增加至75 條，加強了原有廊道之間的聯系，河頻率和河網密度均有很大提高。經計算，規(guī)劃區(qū)水系河頻率為0.060 5 條/km2，規(guī)劃河道河網密度為0.135 8km/km2，河頻率及河網密度分別提高59.6%，37.6%，可見規(guī)劃后的松澧地區(qū)水系格局變化較大（表5）。水系連通性方面，規(guī)劃水系網絡的α、β、γ 值分別為0.345，3.261，0.568（表5），表明水系網絡成環(huán)水平、節(jié)點連接率、網絡連通度均得到改善，整體的水系連通性處于較高水平，可見規(guī)劃方案較為合理。

表5 澧縣水系“廊道-節(jié)點”規(guī)劃前后情況對比

4 結 論

1）澧縣水系格局及連通性存在空間不均衡的特點

雖然澧陽、澧津區(qū)域有較多人工渠道改善了現有水系的連通性，但澧縣城區(qū)內部水系統(tǒng)結構已被破壞，且現狀水污染狀況較為嚴重。城區(qū)仍有內河存在淤塞、污染、無法置換水源等問題亟需解決，尤其是栗河與襄陽河因建閘堵口，加之長年生活污水的大量排入，局部水域已變腐發(fā)臭，嚴重危害到了城區(qū)人居環(huán)境及供水安全。另外，松澧地區(qū)水系格局及連通性較差，河湖、湖湖之間聯系較少，松滋河以西觀音港等渠道因年久失修，淤塞、斷流，變成了啞河，導致松滋河連通澧縣的水系、水渠更是寥若晨星。

2）規(guī)劃條件下，澧縣區(qū)域水系格局及連通性等指標均有所提高

松澧地區(qū)在規(guī)劃方案下河頻率、河網密度、成環(huán)水平、節(jié)點連接率及網絡連通度等均有所提高，5 個指標分別較規(guī)劃前提高59.6%、37.6 %、5.5%、3.8%、1.6%，說明該規(guī)劃方案使澧縣水系格局與連通性得到了有效優(yōu)化和改善，經此研究方法得出的結論為河湖連通工程的實施提供了一定的技術支持和理論依據。