高原山区水系结构及连通性初探——以滇池流域为例

金 栋，张玉蓉，陈 刚,2，顾世祥，李游洋

(1.云南省水利水电勘测设计研究院，昆明 650021； 2.河海大学 水文水资源学院，南京 210098)



高原山区水系结构及连通性初探
——以滇池流域为例

金 栋1，张玉蓉1，陈 刚1,2，顾世祥1，李游洋1

(1.云南省水利水电勘测设计研究院，昆明 650021； 2.河海大学 水文水资源学院，南京 210098)

基于2000年1∶10 000地形图中水系数据，借助GIS平台，采用Strahler水系分级，选取水系形态、水系密度、水系复杂度及水系连通度等结构指标，探讨了所属高原山区的滇池流域水系空间维度上的特征及其与沿海平原河网的差异性，并分析与评价了流域内水利工程对区域的水系结构及功能的影响，提出了基于连通性内涵的评价指标F，同时在流域内进行了应用。结果表明：滇池流域内水系结构基本满足Horton定律，水系形态在空间维度上的差异性不显著；相比沿海地区，滇池流域的水系密度较低，水系整体发育程度不高；蓄水工程增大了流域水面率，提高了流域调蓄能力，Hurst指数能较好地反映这种变化；连通性评价指标F能较好地反映工程对流域连通性的作用，对其他工程的规划决策及评价具有一定的参考意义。

高原山区；水系结构；GIS技术；连通性；滇池流域

1 研究背景

随着经济社会的快速发展，河湖水系结构的演化过程逐渐由自然主导型向人工-自然双重主导型过渡，打破了原有的天然水生态平衡状态，引发了一系列的水资源、水环境问题。而作为基础的河网水系结构成为了研究的热点。绍玉龙等[1]通过对苏州市近50 a的河网水系变化研究表明，在城市化发展下，河流数呈现减少趋势，水系结构趋于简单化，水系连通度下降。陈云霞等[2]研究了城镇化对浙东沿海地区的影响，指出城镇化水平越高的地区，河网密度和河网水面率的减少幅度越大，河网功能的削弱就越明显。徐光来等[3]对杭嘉湖地区近50 a水系空间分布和时间演化进行了研究，结果表明水系变化的空间差异明显，支流发育系数呈下降趋势，河网随城市化的发展逐渐主干化。黄奕龙等[4]指出深圳市河流分维数下降，河流具有简单化趋势，其多元化特征削弱。程江等[5]、韩龙飞等[6-7]、丁越岿等[8]的研究也有上述类似的现状。现有的研究主要集中在上海[5,9]、太湖流域[1,10]、深圳[4]等城镇化发展较快的沿海平原地区，而对城镇化相对缓慢的高原山区研究较少。高原山区特有的地理地貌及其蕴含的丰富水能资源为区域水电能源开发提供了天然的优势和条件。此条件下对水系结构的探讨，可为区域的开发与保护提供重要的参考依据。

河湖水系连通作为水系结构的功能体现，其对区域水旱灾害抵御能力、水资源配置能力及河湖健康保障有着重要影响，已逐步成为国家江湖治理的重大需求，并作为新形势下的治水方略和战略指导思想[11]。国内对于水系连通的研究尚处于起步阶段，从检索的文献来看，研究多集中在河湖水系连通的概念、理论体系及结构连通度等方面[1,6,12-13]，未从实际应用、功能评价作更深层次的研究。河湖水系连通离不开水利工程的建设及调控，一些大型调水工程、河湖整治修复工程、生态应急补水工程等或已建成，或正在开展前期工作。这些工程对区域的影响与功用的定量评价并未见相关研究。为此，本文以所属高原山区的滇池流域为例，借助GIS平台，对流域的水系结构进行分析比较，在此基础上，分析与评价流域内水利工程对区域的水系结构及功能的影响，依据水系连通的内涵，提出了新的连通性评价指标，并在流域内进行了应用。

2 研究区域概况

滇池流域位于云贵高原中部，流域范围介于北纬24°27′～25°27′、东经102°29′～103°00′之间。滇池流域地势北高南低，河流走向自北向南，地势高差大，海拔最高4 344 m，最低1 870 m。流域属低纬度高海拔高原季风气候，四季干湿分明，多年平均降水量986 mm。滇池流域径流面积2 920 km2，滇池平均水深4.4 m，滇池湖面多年平均降水942 mm，主要入滇河流的包括干流盘龙江、宝象河、东白沙河、马料河、洛龙河、捞鱼河、梁王河、大河、柴河、东大河、古城河及新河等。

将研究区域划分为2组相互重叠的片区：①依据高原山区地理特性，将研究区域分为坝区和山区以探讨其差异性；②根据区域自然水系的特性，结合县级区域行政区划，将研究区域划分为主城片、呈贡片、晋宁片及嵩明片4大片区，如图1所示。

图1 研究区域示意图Fig.1 Map of the study area

3 研究方法与数据

选取水系形态(分枝比Rb[10]、长度比Rl[10])、水系密度(河网密度Rd[2]、河频率Rp[2]、水面率Wp[5])、水系复杂度(分维数De[1])及水系连通度(线点率β[7]、网络连接度γ[1])等水系结构指标，以此分析滇池流域不同片区空间维度上的特征与变化。

研究的水系数据主要来源于1∶10 000纸质地形图(2000年)。通过对纸质地形图进行扫描，利用ArcGIS对其配准、拼接、裁剪、数字化及拓扑检验，并结合实际考察情况，得到整个流域水系图。

采用斯特拉勒(Strahler)法对河流进行分级，即直接发源于河源的为一级河流，2条同级河流汇合而成的河流级别比原来高一级，2条不同级别的河流汇合而成的河流级别为两河中的较高者[4]。依此，可将滇池流域水系总共划分为5级。根据流域水系特征，将水系分为面状和线状2类，建立3个面状要素层(5级、4级干流层；天然湖泊层；水库蓄水面层)和3个线状要素层(3级、2级、1级线层)。

图2 滇池流域不同等级河道数量、长度所占比重Fig.2 Proportions of number and length of rivers of different grades in the Dianchi Lake basin

4 结果与分析

4.1 水系结构特征

4.1.1 河道长度及数量

图2给出了不同级别河道在不同区片中所占比重。不同片区内，一级支流河道数量与长度所占比例最大，主干河道数量与长度所占比例最小。各片区河道数量及长度随着河道级别的增加而逐渐减少，这与韩龙飞等[7]的研究结果类似。

4.1.2 水系形态

Horton认为流域不同等级河流之间有着经验型数量关系，即河流级别与河流数量呈对数负相关关系，与河流长度呈对数正相关关系[9]。根据研究区域的片区划分，点绘了各片区的河流级别与河流数量NW及河流长度LW的对数关系，见图3，并对其进行线性拟合。

图3 河道级别与河道数量、长度的半对数关系曲线Fig.3 Semi-log curves of the relations of river number and river length vs. river grade

从图3中可以看出，统计数据基本满足霍顿定律，且相关关系较好。计算出的各片区分枝比和长度比见表1。就山区和坝区而言，山区的分枝比较坝区的大，而长度比较坝区的小。分枝比表征河网数量的发育能力，长度比表示水系汇流的大小。说明山区河流网状更为显著，具有明显的源短流多的特性。

表1 滇池流域各片区分枝比和长度比

在4大行政水利片区中，分枝比排序依次为嵩明片区>晋宁片区>主城片区>呈贡片区，嵩明片区的分枝比最大，位于常规范围的上部，分枝能力突出，这是其位于山区的缘故；长度比排序依次为主城片区>嵩明片区>晋宁片区>呈贡片区，主城片区长度比最大，受4级和5级河流发育程度的影响，导致长度比超出了常规范围的上限，其他3个片区均处于常规范围的下部。黄奕龙等[4]的研究表明，在空间尺度上城市化率与河流水系分枝比的减少量呈现正相关关系。就城市发展进程而言，主城片区>呈贡片区>晋宁片区>嵩明片区，上述排序与此并不一致，表明在城市化率相关较弱的高原山区，水系形态的空间格局分布并无明显规律性，其基本满足霍顿定律，呈现自然形态，受人为干扰相对较小。

4.1.3 水系密度

表2给出了各片区的河网密度、河频率及水面率值。其中，河流面积的计算，依据河流等级，对于高级(5级、4级)河流直接在GIS中测量读取，对于低级(3级、2级、1级)河流结合实际调查采用平均宽度乘以长度而得。

表2 滇池流域不同片区水系密度特征

对比山区和坝区，山区的河网密度、河频率要比坝区大，表明山区的水系发育程度比坝区高；而山区水面率要比坝区小，这是高级河道在坝区发育程度高及山区低级河道所占比重大所共同导致的。滇池区域的嵩明片区由于所属山区使得其河网密度和河频率最大，晋宁片区、主城片区次之，呈贡片区最小。相比沿海地区，本文研究区域的河网密度、河频率要低得多。以上海[9]为例，其平均河网密度为3.78 km/km2，约为嵩明片区的5倍，这与区域水系发育程度较低是对应的。

4.1.4 水系复杂度

滇池流域各片区水系复杂度参数(分维数值)见表3。由表3可知，山区的分维数要大于坝区；在4大行政水利片区中，嵩明片区>晋宁片区>呈贡片区>主城片区，只是主城片区受高级河流的发育影响，使得长度比过大而导致分维数过小，且前3者的分维数相差不大，并未表现出显著的空间差异性。从分形几何理论来说，平面分形几何体的“真实维数”应大于拓扑维数1而小于所在欧氏空间维数2[9]。杨凯等[9]得出的分维数在0.05～1.72之间；凌红波等[14]得出的分维数在1.836～1.895之间。可见，本文研究区域不同片区的分维数有着偏大的趋势，可能是高原山地地区水源流短导致分枝比较小的结果。

表3 滇池流域各片区水系复杂度参数

4.1.5 水系连通度

文献[15]指出，水系连通性包含结构连通性及水力连通性2个方面，其中结构连通是基础。现有研究[1，6]多结合图论方法、景观生态学中的连通程度指标β和γ、复杂网络理论的连通性系数等，以评价研究区域城市化影响下的水系结构连通变化特征。为此，本研究同样采用连通程度指标β和γ就本研究区域的水系结构连通情况进行分析。

表4给出了不同片区下水系连通指标参数值。从山区和坝区的对比可以看出，山区的线点率β和网络连接度γ要比坝区的高，表明山区的水系连通程度更好，对区域水资源调配、水环境改善作用更为突出。在4大行政水利片区中，水系连通程度从大到小依次是嵩明片区、主城片区、晋宁片区、呈贡片区。整个流域内的参数β和γ的范围分别为0.457～0.492和0.154～0.165。

表4 滇池流域各片区水系连通度

4.2 水利工程对水系结构及连通性功能的影响及评价

与沿海平原河网地区相比，高原山区内的城市化进程相对缓慢，滇池流域水系受城市化的影响也相对较弱，水系结构特征基本满足霍顿定律，保持着良好的自然形态。滇池流域现有均水资源量不足200 m3，与全国著名缺水地区京津唐的人均水资源量相当，属水资源严重缺乏地区。这就使得对跨流域引调水工程的实施有着强烈的需求。目前，流域内已建成了松华坝大型水库，宝象河、果林、横冲、松茂、大河、柴河、双龙等7座中型水库，29座小(一)型水库，130座小(二)型水库及3个引调水工程(掌鸠河引水工程、清水海引水工程及牛栏江补水工程)。到2030年，我国重大水利项目——滇中引水工程建成后，将进一步解决滇中地区水资源短缺等问题。因而，下面将主要针对区域内的水利工程建设对水系结构及连通性功能的影响进行分析和评价。

4.2.1 蓄水工程

将水库蓄水面层面状要素叠加到流域天然水系上，以此计算出的各分区水面率见表5。从表5中可以看出，各片区的水面率有了显著的增长，主城山区水面面积增加量最大，到达了5.2 km2，呈贡山区的水面率增加率为最大的400.36%。水面面积增加量最小属主城坝区，只有0.8 km2，其对应水面率的增加率也最小。通过山区和坝区的对比发现，各山区水面率的增加率要比各坝区大，表明大部分蓄水工程都建于山区，这对上游洪峰的调节、减少坝区洪量、削减流域洪灾起着重要的作用。

表5 滇池流域各片区在蓄水工程影响下水面率特征变化

袁雯等[16]建立了河网调蓄能力与水面率及分维数之间的线性经验关系式，并采用研究区域数据对式中的参数进行了率定。王跃峰等[17]基于REW(Representative Elementary Watershed)的概念，推导出了河网调蓄能力与水系结构指标(水面率、分维、河网密度)的关系式，并建立与表征河网调蓄能力的Hurst指数之间的关系，采用研究区域的统计数据对关系式中的参数进行了率定和验证。基于上述研究，本文对天然水系情况和蓄水工程情况下的河网调蓄能力进行了计算，结果见表6，得到天然水系和蓄水工程2种情况下的区域调蓄能力变化与表5中水面率有着同样的变化趋势。但根据袁雯等[16]所建立的关系式得出的SR值(单位面积槽蓄容量)大部分为负数，表明袁雯等[16]依据沿海地区(上海)所确立参数并不适用于高原山区，因而表中未给出基于文献[16]表达式的值。

表6 滇池流域各片区在蓄水工程影响下调蓄能力变化

由表6可知，2种情况下的山区调蓄能力都大于坝区。蓄水工程的建成使得各片区的调蓄能力都有提高，但也导致山区与坝区的调蓄能力的差异性加大。流域内各坝区为人口密集区，是城市化进程的主要受益区。但城市化发展改变了坝区城市水循环过程，不透水面积增加导致了径流系数和径流量增大，使得坝区面临的洪涝风险也相应加大[18]。虽然山区蓄水工程的调蓄能削减坝区洪量，但坝区区间峰量增加是其无法调节改变的。因而，在发展和规划中，应保持坝区现有的水系结构不变的同时，适当增加其水面率，提高区域调蓄能力。

4.2.2 跨流域调水工程

跨流域调水工程作为水系连通工程的重要组成部分，为滇池流域的供水安全、水环境改善起到积极的作用。若采用上述结构性连通指标对其进行评价，研究区域的引调水工程对指标的贡献不大，且结构性连通指标并不能客观反映出引调水工程对整个流域的功能与作用。茹彪等[15]指出，传统的结构连通指标评价方法的前提是节点数目不变，连通性的好坏与边的数目呈正比，而在水网中，节点的位置是由边的走向决定，基于“节点—边”关系的传统网络连通性评价方法并不适用于水网。为此，本研究基于水系连通的涵义及区域引调水工程的功能，提出了一种新的评价引调水工程的连通性指标F，其计算表达式为

(1)

式中：e为水系中总的河段数；θi为河段重要度，用以反映河段的社会属性，文献[15]指出，在水系连通性中，河道不仅具有自然属性，还有社会属性，θi是由河道级别、河道功能、河道空间位置、滨河城市重要度、滨河用地类型等因素所决定，θi取值大小直接采用等级量化法由打分得到，见表7；Wi为河道的年径流量，表征河道供水能力，也在一定程度上反映河道的过流能力;W0为本地水源量，表达区域供水及丰枯调剂的能力，本研究中W0为滇池正常高水位时的湖容，两者之比可以很好地反映水系连通及跨流域调水的涵义与功用[11,19]，如保障供水安全、补充河湖水量、置换本地水源；αi为河道水流对水源的水质影响系数，表示对区域水环境、水生态的改善程度，可根据实际情况按表8取值。

表7 评价指标等级量化

表8 水质影响系数取值

将式(1)应用于研究区域跨流域引调水工程中。为了突出引调水工程的作用，将滇池流域入湖河道作为一个整体进行计算分析。滇池流域多年平均径流量为7.5亿m3，滇池正常高水位时的湖容为16.2亿m3，各入湖河道都是滇池现状成因不可或缺的部分，将滇池流域整体认定为A级；滇池流域现状水质属于Ⅴ类，湖体水质的形成是由各入湖河道水流水质多共同决定的，按表9将滇池流域水质影响系数取为1。掌鸠河引水工程、清水海引水工程、牛栏江—滇池补水工程、滇中引水工程的设计年引水量或环境补水量分别为2.2亿，0.97亿，5.72亿，3.92亿m3。各引水工程调出区水质基本为Ⅱ—Ⅲ类，据此确定各工程的水质影响系数。根据各工程引水量及水质，结合各工程引水区域状况，将掌鸠河引水工程、清水海引水工程、牛栏江—滇池补水工程、滇中引水工程分别评定为B级、B级、A级、A级。计算得到的各工程联合影响下的滇池流域连通性指标F值见表9。

从表9中可以看出，随着引调水工程的增加，区域F值是逐渐增长的，表明计算指标F能在一定程度反映工程对区域水系连通性的影响。现已建成通水的掌鸠河引水工程、清水海引水工程、牛栏江—滇池补水工程使得滇池流域的F值从0.46增长到1.06，增长率达到了128%。到2030年滇中引水工程建成后，F值将达到1.37，将进一步推进区域内的供水安全、水环境改善程度，为区域内的社会经济发展提供强有力的支撑。

表9 跨流域引调水工程下滇池流域连通性指标F值

5 结论与建议

(1) 根据斯特拉勒法将滇池流域水系分为5级，流域内河道数量及长度随着河道级别的增加而呈减少的趋势。低级河流在山区的发育程度高，而高级河流在坝区的发育程度高。

(2) 滇池流域内各水利片区的水系结构基本满足Horton定律，不同等级水系发育具有自相似性，水系主要受自然发育影响，人为干扰较弱。水系形态在空间维度上的差异性不显著。在我国西部开发及城镇化加速进程中，应保护和减少对山区低级河流的填埋，同时严禁对坝区河道空间的挤占和压缩。

(3) 相比沿海地区，滇池流域的水系密度较低，水系整体发育程度不高。分维数指标能较好地反映流域空间尺度上不同片区水系的复杂程度。

(4) 滇池流域内蓄水工程建设使得各片区水面率有了较大的提高，增强了区域调蓄能力，同时也增强了山区与坝区调蓄能力的差异性，Hurst指数能较好地反映这种变化。在发展与规划中，应维持和保护坝区现有水系结构，同时适当增加其水面率。

(5) 基于水系连通涵义及区域引调水工程的功能提出了连通性评价指标F，并在滇池流域内的引调水工程中进行了应用。F值能较好地反映工程对流域连通性的作用，对其他工程的规划决策及评价具有一定的参考意义。

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(编辑：黄 玲)Preliminary Research on the Drainage Structure andConnectivity of the Plateau Area: A Case Study of Dianchi Lake

JIN Dong1, ZHANG Yu-rong1, CHEN Gang1,2, GU Shi-xiang1, LI You-yang1

(1.Yunnan Institute of Water & Hydropower Engineering Investigation and Research, Kunming 650021,China； 2.College of Hydrology and Water Resources, Hohai University,Nanjing 210098,China)

According to the 1∶10 000 topographic map in 2000 and the Strahler river classification, the spatial-dimensional features of Dianchi Lake basin which belongs to plateau mountainous area and its differences with coastal plain river network were analyzed based on GIS platform from aspects of drainage pattern,river density, river system complexity and drainage connectivity. Moreover, the influences of water conservancy projects on the regional river structure and function were evaluated, and an evaluation indexFbased on connectivity connotation was proposed and applied to the basin. Results showed that: 1) the river structure in Dianchi Lake basin conforms with Horton law, and the difference of drainage pattern in spatial dimension is not significant; 2) compared with those of coastal areas, the drainage density is low in the basin, and the drainage development degree is not high; 3) reservoir projects increase the rate of water surface and storage capacity in the basin, which can be reflected well by the Hurst index; 4) the evaluation indexFcould well reflect the role of projects in basin connectivity.

plateau area; drainage structure; GIS technology; connectivity; Dainchi Lake basin

2016-08-10

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2013ZX07102-006-01)；云南省院士工作站建设专项(2015CI103)；云南省技术创新人才计划项目(2011IC092)

金 栋(1989-)，男，湖北孝感人，助理工程师，硕士，主要从事江河湖泊治理研究工作，(电话)18669087564(电子信箱)294060805@qq.com。

顾世祥(1972-)，男，云南镇雄人，教授级高级工程师，博士，主要从事水资源开发利用规划与管理工作，(电话)13078773756(电子信箱)gushxang@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160808

2016,33(11):116-121，132

TV212.4

A

1001-5485(2016)11-0116-06