水系连通性的指标体系及其应用

王延贵，陈 吟，陈 康

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.国际泥沙研究培训中心，北京 100046；3.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013）

1 研究背景

水系连通性是指流域水系单元间（干流、支流、溪涧和湖库）互相连接的畅通程度，是流域水系的基本属性，对河流的生态环境、物质输送和能量循环具有重要作用。水系连通性直接关系到水系功能的正常发挥，连通性好的河流水系有利于水文调蓄、输水输沙、生态环境等多项河流功能的发挥，有利于解决流域（城市）洪涝灾害、水资源短缺、水环境污染、水生态恶化等问题[1]。因此，如何评价水系连通性将是发挥水系功能的重要基础，建立水系连通性评价指标体系又是水系连通性分析和评价的前提条件和关键技术。连通指标的选取既要体现客观性、可靠性、独立性等原则，又要易于获取，从而有效地开展水系连通性的研究与评价。

在水系连通性的指标选用与指标体系建立方面，一些国外学者根据河流水系景观、水文、生物、社会的特点，从形态、结构和功能等方面建立了评价指标体系[2-3]。国内学者基于水系连通的概念、内涵和构成要素，构建了评价指标体系并进行了应用[1，4-5]，或从水系连通的驱动因素和水力效果出发，选用结构连通指标以及水力连通指标构建了水系连通性评价体系[6]；在城市水系连通性评价方面，文献[7-9]在分析了城市化对水系连通性影响的基础上，提出了反映水系形态结构以及连通功能的指标体系，并初步确定了各指标的评价阈值；另外，在连通性与生态环境的关系方面，文献[10]提出了一套包括结构性、水动力、水质的评价指标体系，并结合实测资料进行了应用。实际上，水系从构成元素来看主要包括水流、悬浮物（泥沙）和边界三部分，在选择连通指标时，不仅要考虑水系结构、水流、生态等方面的内涵，而且还要考虑泥沙输移和河床演变等方面的内容。目前，在研究和选择水系连通性评价指标时，主要考虑前者的内容，关于河流输沙和河床演变的指标选择很少，所建立的评价指标体系也不够完善，而且也没有建立公认统一的评价指标体系。因此，通过综合考虑水系结构形态、生态环境、水流运动、泥沙输移和河床演变等内容，选择水系连通性评价指标，既考虑人类对水资源的需求，也考虑水系的自然演变特性，建立较为完善的评价指标体系是非常重要的。本文基于水系连通性的内涵、分析模式和连通机理，结合指标的选取原则，从河流边界、水流、泥沙、生态环境等方面提出了水系连通指标[11]，建立了流域水系连通性的功能评价指标体系，为水系连通性的评价和预测奠定基础。结合层次分析法建立河道连通性评价模型，并将其应用于黄河下游河道。

2 水系连通性指标

2.1 边界连通指标边界连通性是提高水资源调配能力、改善水生态环境状况的基础，主要反映水系干流、支流、湖泊、引水渠等组成单元的几何特征与结构关系，用于表征河流结构及外观的连通情况，充分体现边界的流畅性与稳定性。结合水系连通性的分类，从河流通道（或称连通通道）、分流-汇流、湖库等三个方面建立边界连通指标[11-13]，如表1所示。

（1）河流通道边界指标。结合边界连通性的内涵，河流连通通道的边界指标主要包括横断面指标、纵剖面指标和河道稳定性指标。横断面指标包括断面面积、滩地发育系数和断面宽深比等，主要反映河道断面尺度、滩槽并存和断面形态等特点。纵剖面指标采用纵剖面流畅指标，主要反映河道纵向陡缓、凸凹、转折等纵剖面形态的变化；表达式右侧第一项J=Z/L，代表河段的平均比降，反映河道总体陡缓程度；第二项为河段总落差与河床边界总高度的比值，反映河段凸出程度（水坝建设）的影响，其中河床边界总高度包括河段落差与所有河床突变高差的和；第三项为河段直线长度与河床曲折长度的比值，反映河床整体形态（上凸、下凹、直线）的影响；对于无凸出（无水坝建设）的连续纵剖面，且认为河床为直线形态，河道纵剖面连续指标即为河道纵比降。河道稳定性是河道纵向连通性的重要条件，一般用综合稳定参数来反映[14]。

表1 水系边界连通指标

（2）分（汇）河段与湖库边界指标。分（汇）河段的边界特点就是原本连续的河岸边界出现缺口，改变了河道边界的连通性。为了反映分汇流缺口对河岸边界不连续的影响，引入岸滩连续系数。对于湖库边界连通，主要参数为湖库面积和湖库容积。

2.2 水流连通指标水流流动是河流存在的基础，也是水系连通最重要的特征。结合水系连通性的内涵，从水流的流动性和连续性的角度，建立河流通道、分（汇）流及河流与湖泊的水流连通指标[11-13]，如表2所示。

（1）河流通道水流指标。河道上游实际来水量、河道过流能力及两者之间的协调性都是重要的水流连通指标，直接反映水系连通性的好坏。来水量主要反映河道来水的真实性，一般用来水流量或径流量表达，包括年平均流量、汛期平均流量、洪峰流量，或者年径流量、汛期径流量、洪水径流量等，反映年内、汛期、洪水等不同时段的来水特性。河道过流能力是指某一河道形态下能够通过的最大流量，洪水河槽（全断面）的河道过流能力可用河道防洪流量（Qf）来反映，平滩河槽的过流能力可用平滩流量（Qp）来反映。为了进一步反映河道的防洪、漫滩等实际情况，提出了输水协调指标（即河道实际来水特征流量与对应河道形态的过流能力的比值）的概念，对应的防洪输水协调指标χQf和河槽输水协调指标χQp分别反映了河道防洪和漫滩的安全性；若χQf≥1.0，河道防洪将处于不安全状态，河道连通性无从谈起；χQp＞1.0，洪水存在漫滩机会，河道连通性增加。

（2）分（汇）流及河湖连通水流指标。分（汇）流河段最主要的水流特征就是从河道中分走多少水量，或者支流有多少水量汇入河道，一般用分流比或汇流比来反映，可根据河道两岸实际引水量或支流实测流量来获得。对于含有湖泊与水库的水系而言，掌握入湖（库）实际水量、湖库容水能力及其相对关系等都是非常重要的参数。河湖关系是社会关注的焦点问题，湖库水量变化可用河湖水流交换指标来反映。

表2 水系水流连通指标

2.3 泥沙连通指标泥沙的输移性与交换性直接关系到河床边界的冲淤变化，对连通性产生影响，而河道冲淤演变主要取决于河道来沙量与水流挟沙能力的对比。结合河流泥沙连通性的内涵与河道泥沙冲淤特点，给出了河流通道、分（汇）河段与湖库泥沙连通指标[11-13]，如表3所示。

（1）河流通道泥沙连通指标。与水流连通指标类似，反映河道泥沙连通性的主要参数包括上游实际来沙量、河道水流输沙能力及两者之间的协调性，这些指标反映河道泥沙的连通性及河段冲淤特性。河段实际来沙量一般用实际输沙量来反映，包括年输沙量和汛期输沙量，由实际来水流量和含沙量确定。河道水流输沙能力是指水流能够输移的最大泥沙量，一般由来水流量和水流挟沙能力来决定，水流挟沙能力可采用武汉水院公式来估算[15]，河段水流输沙能力也可以由经验公式来决定[16]。河道水流输沙协调指标定义为河道来沙量与水流输沙能力的比值，主要反映河道冲淤特性，当输沙协调指标χs＞1.0，河道淤积；当χs＜1.0时，河道冲刷。对于滩槽河段，给出了衡量滩槽淤积分布的参数，滩槽泥沙淤积差指标ΔWfm。

（2）分（汇）河段与河湖泥沙连通指标。分沙比和汇沙比是水系河渠、干支流连通性的重要泥沙指标，分（汇）沙比ηs是指分出（汇入）泥沙量与河道来沙量的比值，其中分沙比ηs＞0，汇沙比ηs≤0。对于湖库而言，泥沙连通指标主要包括入湖库的泥沙量、湖泊泥沙淤损比两个指标，其中入湖库输沙量是指汇入湖库的总输沙量，反映进入湖库沙量的多少；泥沙淤积是湖库的重要特征，湖库淤损比为泥沙淤积量与湖库容积的比值，反映湖库容积和连通性的变化特点，湖库淤损比的指标值越大，泥沙的连通性越差。河湖间的连通性不仅与泥沙淤积、湖库容积等有重要关系，还与进出湖库的泥沙量与河道来沙量的相对关系有关，可用河湖泥沙交换指标Es来反映。

表3 水系泥沙连通指标

2.4 生态需水连通指标生态需水是维护生态环境的基础，生态输水连通指标是水系连通的重要指标。结合水系生态连通性的内涵，考虑生态需水的重要性，提出了河流通道和分（汇）河段与湖库生态需水连通指标，如表4所示。

表4 水系生态需水连通指标

（1）河流通道生态需水指标。水流是维护水系生物生长繁衍与多样性的重要因素，一般用生态流量（径流量）来反映。生态流量是指满足防止河道断流及河道萎缩、发挥河流输沙功能、保护生态多样性、保持水体自净能力和维持合理地下水位等条件时河道中的最小流量，一般由系列年中所有年内最小月平均流量的平均值来确定[17]。因此，生态需水连通指标主要包括年内最小月平均流量Qm和生态输水协调指标χQe，前者主要反映实际的最小来水情况，后者主要反映河道生态需水的安全性；若χQe＜1.0，河道实际来水难以满足生态需水的情况，甚至存在断流的风险，河道生态连通性降低。

（2）分（汇）流及河湖生态需水连通指标。分（汇）流河段最主要的生态水流特征就是最小月份内从河道中分走多少水量，或者支流有多少水量汇入河道，一般用分流比或汇流比来反映，可根据河道两岸实际引水或支流实测流量来获得。对于含有湖泊与水库的水系而言，最小月入湖（库）实际水量、湖库容水能力及其相对关系等都是非常重要的参数，生态水流交换指标可以反映最小月平均湖库水量的变化。

3 水系连通功能指标体系及其应用

3.1 水系连通功能指标体系在水系连通指标的分析过程中，主要是从水系连通性的内涵、主要类型等角度出发，提出了河流通道（连通通道）、分（汇）河段及河湖连通等水系连通指标。在这些连通指标中，各连通指标的意义和作用是不同的。根据水系连通指标的基本含义、计算过程和层次属性的差异，水系连通指标可分为基本指标、过渡指标和功能指标，建立水系连通性功能指标体系，如图1所示。

图1 水系连通功能指标体系

基本指标是指通过水文测量等可以直接得到的参数，主要反映水系连通的某一内容，如河道边界连通指标中的河宽、水深、高程、河长等，水流连通指标中的水流流速、流量等，泥沙连通指标中的含沙量、泥沙粒径等，分（汇）河段与河湖连通指标中的湖库尺度、入湖流量、入湖含沙量等。过渡指标是指能够反映水系河流（湖库）边界、水流、泥沙等某一连通性的中间参数，可根据过渡指标定义，水沙运动规律等，由水系连通基本指标计算获得，如边界指标中的断面面积、宽深比、滩地发育系数、岸滩连续系数、湖库面积等指标，水流指标中的河道防洪流量、平滩流量、分汇流比、河湖水流交换系数等，泥沙指标中的实际输沙率、输沙能力、如分（汇）沙比、河湖泥沙交换系数等，生态输水指标中的最小月来水量、生态流量等。功能指标是指能够反映水系来水来沙条件与河道（湖库）边界条件、人类需求等是否适应的综合参数，体现了河道（湖库）的连通功能，可用以水系连通性的评价，可将基本指标、过渡指标等直接选定为功能指标，也可以根据水沙方程，利用基本指标和过渡指标计算获得，如边界连通性中的断面形态参数、纵向剖面流畅性指标、综合稳定系数，水流连通指标中的实际来水流量、输水协调指标、湖库水量协调系数，泥连通指标中的实际输沙率、输沙协调指标、湖库泥沙淤损比，生态输水指标中的最小月来水量、生态输水协调指标等。

此外，反映水系连通功能的指标不是唯一的，需要结合水系连通性与水系功能的特性，从多个同类连通指标中选择确定一个或若干个用于评价水系连通的功能指标，建立水系连通功能指标体系，进而借助现有的数学方法，对水系的连通性进行评价。

3.2 黄河下游河道连通性评价

3.2.1 基本情况 黄河下游河段为河南桃花峪以下的河段，其长度为786 km，主要水文控制站包括花园口、高村、艾山和利津4个典型水文站，如图2所示。黄河下游高村以上河段为游荡型河段，主流摆动频繁，河道宽浅；高村至陶城铺（艾山附近）河段属于过渡河段；陶城铺至利津河段属于弯曲性河型，其断面较为窄深；利津以下至入海口为河口段[18]。由于受到三门峡水库运行方式、小浪底调水调沙、河道引水引沙以及上游水沙量减少等因素的影响，黄河下游河道连通性随之发生不同的变化过程。在小浪底水库运用之前，河槽萎缩，连通性衰减，在1985—1999年期间，河道枯水期来水流量时常出现小于生态流量的情况（花园口、高村、艾山和利津站非汛期的生态流量分别为231.5，234.3，158.0和155.6 m3/s[19-20]），甚至断流，河道连通性严重恶化[11]；小浪底水库运用之后，加强黄河下游的调水调沙运用和枯水期流量的调控，下游河槽冲刷，平滩流量增加，连通性快速恢复。

图2 黄河下游河道平面示意

3.2.2 连通性层次分析评价模式 结合黄河下游河道演变与连通性，选择了边界、水流、泥沙和生态4个方面的指标，主要包括综合稳定系数、边界流畅系数、过流能力、汛期输水协调指标、年输沙量、年输沙协调指标、最小月均来水量、生态输水协调指标等。

（1）层次分析模型。在河流通道连通性评价时，选取河流通道的连通性作为目标，列为第一层，即目标层。边界、水流、泥沙和生态连通列为第二层，即准则层。针对准则层，仅选择对应的功能性连通指标，进行综合评价河流通道的连通性。其中，边界连通指标包括综合稳定系数C1和边界流畅系数C2，水流连通性指标包括河道过流能力C3和汛期输水协调指标C4，泥沙连通指标包括年输沙量C5及年输沙搭配指标C6，生态输水连通指标包括最小月均来流量C7和生态输水搭配指标C8，各类指标列为第三层，即指标层。河流通道连通性层次分析结构模型如图3所示。

图3 河道连通性评价层次分析模型

（2）判断矩阵与权重系数。连通性判断矩阵的建立是层次分析模型的关键，以调研前人文献中提到的连通指标的重要性为基础，将各层次中的河道连通性指标两两比较，得到判断矩阵，进而对连通性进行分析[13]。首先，选取了关于水系连通性指标体系研究的代表性文献，总结了与本文相似的连通指标的采纳情况，连通性评价指标中水流指标和生态输水指标出现的次数较多，其次是边界指标中的边界流畅性和稳定性指标，最后是反映河道来沙量和冲淤量的泥沙指标。但是，黄河下游河道边界流畅性与稳定性变化不大，其重要性有所下降。因此，在已有研究成果的基础上，从河流的基本功能出发，考虑到黄河泥沙问题的重要性和特殊性，以及河道连通性的内涵和连通指标的作用差异，利用层次分析法对各层、各类连通指标的权重进行了分析[12-13]，通过计算不同层次连通性指标的判断矩阵和一致性检验，获得河道连通性评价指标的权重矩阵。

（3）连通指标的无量纲化与量化矩阵。由于各连通指标的量纲不同，难以直接用于河道连通性评价，需要进行无量纲化处理。本文中将连通指标值越大，河道连通性越好的指标称为正向指标；将连通指标值越小，连通性越好的指标称为负向指标；将越接近中间临界值，连通性越好的指标称为中间指标。对于不同类型的指标，其量化方法也不同，采用文献[12-13]中的方法对连通指标进行无量纲化。本文中的边界指标、水流指标和生态指标为正向指标，泥沙指标为负向指标。对于正向指标，以平均值作为基准，将第i个指标值与指标序列均值的比值作为量化指标，即：

式中：E′i为量化后的指标值；Ei为第i个指标值；为指标序列的平均值。

对于负向指标，首先采用指标同趋势化方法进行处理，将负向指标转化为正向指标，计算公式为：

式中：E′ii为量化后的正向指标值；Eii为原指标值；Emax为原指标最大值；Emin为原指标最小值。对于转化后的正向序列还需要采用式（1）进行无量纲化处理。通过边界、水流、泥沙和生态指标的无量纲化，可以得到连通指标的量化矩阵Xr如下：

式中：xr1、xr2、xr3、xr4、xr5、xr6、xr7和xr8分别为综合稳定系数、边界流畅系数、河道过流能力、汛期输水协调指标、年输沙量、年输沙搭配指标、最小月均来流量和生态输水搭配指标等连通指标无量纲化后的值。

（4）构建连通性评价函数与评价标准。当确定了无量纲化的连通指标值以后，可以根据各指标的权重系数，将指标值与对应的权重相乘并求和，构建连通性综合评价函数：

式中：wr为各河道连通指标的权重；xr为无量纲化后河道连通指标值。结合黄河下游河道连通综合函数值变化过程，给出连通性好坏的评价标准，如表5所示。

表5 黄河下游河道综合连通性评价标准

3.2.3 连通性评价结果 考虑黄河下游河道连通性指标的变化特点，将功能连通指标无量纲化，结合各连通指标的权重值，根据层次分析模型建立的综合目标函数，计算得到1950—2015年黄河下游花园口-高村河段、高村-艾山河段以及艾山-利津河段的连通性综合目标函数值，如图4所示。从图中可以看出：

（1）1959年之前，黄河下游处于自然状态，其连通性处于优良状态。三门峡水库竣工和运用之前，黄河下游基本处于自然状态，河道连通性综合指标大于1.0，河道连通性处于优良状态。三门峡水库施工阶段后期（1959年），河道的连通性综合指标有所减小，连通性有所减弱。

（2）1960年至1973年，下游河道连通性处于快速减弱至快速恢复，然后逐渐减弱的跌宕过程。三门峡水库枢纽1960年蓄水拦沙运用，导致进入下游河道的径流量大幅度减小，甚至断流，致使1960年黄河下游河道连通性快速减弱。花园口-高村河段和艾山-利津河段处于中等级别，而高村-艾山河段连通性进入差的状态，而后随着水库蓄水减少和下泄清水径流量增加，下游河道发生快速冲刷，河道连通性也快速恢复到优良状态；1962年三门峡水库改为滞洪排沙运用，下游河道泥沙淤积严重，河槽过流能力降低，河道连通性也逐渐减弱至中良状态，个别年份进入中等状态。

图4 黄河下游河道连通性综合指标变化过程

（3）1973年至1985年，黄河下游河道连通性有所恢复和增加。三门峡水库从1973年开始采用蓄清排浑的运行方式，水沙搭配有所改善，黄河下游河道泥沙淤积有所减轻，河道连通性综合指标总体向优良状态发展，其中，1975—1977年和1981—1985年两个时期河道连通性都处于优等状态。

（4）1986年至1999年，下游河道连通性从优良状态转入中差状态。从1986年开始，黄河下游河道水沙条件发生了较大变化，流域降雨偏少，上游龙羊峡水库蓄水运行，加上引水引沙量很大，河道出现了严重的断流现象，河槽泥沙淤积严重，河槽萎缩，黄河下游河道连通性综合指标从1985年1.25快速减小至1990年代末的0.6左右，1997年仅为0.46，相应的连通性从优良状态进入中差状态，其中1990年代末处于连通性差等状态。

（5）2000年至2015年，下游河道连通性从中差转入优良状态。小浪底水库2000年蓄水运用以来，特别是实施了调水调沙技术，下游河道普遍冲刷，河槽过流能力增加，调控枯水期流量，使得黄河下游连通性快速回升，对应的连通性综合指标从2000年前后的0.6快速增大至2005年后的1.0左右，表明黄河下游河道的连通性已从中差状态进入优良状态。

4 结论

（1）结合连通性内涵，建立了涵盖连通通道、分（汇）河段及河湖连通等形式，反映边界、水流、泥沙和生态等元素的水系连通指标体系。该指标体系具有全面、系统的特点，不仅能够从水系结构本身反映其连通特性，而且还能从流域来水来沙条件与边界的适应性方面反映河道的连通特点。

（2）边界连通指标从连通通道、分（汇）河段及河湖连通等方面建立连通通道尺度、稳定性、分汇边界、河湖边界等连通指标，水流连通指标基于来流量、过流能力以及二者的协调性，泥沙连通指标取决于来沙量、输沙能力和输沙协调性，生态输水指标则取决于来水最小流量、生态流量及其协调性。

（3）根据水系连通指标的基本含义、计算过程和层次属性的差异，水系连通指标可分为基本指标、过渡指标和功能指标；结合水系连通性与主要功能特性，建立水系连通功能指标体系，进而借助现有的数学方法，对水系的连通性进行评价。

（4）根据水系连通功能指标体系，利用层次分析法，建立了黄河下游河道连通性的综合评价函数，评价了1950—2015年黄河下游河道连通性的变化特点。总体上来说，1959年前下游河道连通性为优等状态；1960年至1985年，下游河道整体连通性基本处于中等以上状态；1985年之后由于流域来水量的减少，下游河道连通性迅速变差，1990年代末最差；2000年以后由于小浪底水库的调水调沙，河道连通性又逐渐恢复为优良状态。本文的计算结果与实际情况符合良好，进一步说明了文中所建立的水系连通性指标体系的可行性与合理性。