太湖流域江苏片水系功能评价体系初探

华 晨，胡尊乐

(江苏省水文水资源勘测局常州分局，江苏 常州 213022)

同流域内所有河流、湖泊、水库等天然和人工水体构成的水网系统称为水系，通常其作为流域地理要素的主要功能包括：水资源配置、水旱灾害防御和水环境修复，即能够解决因水资源总量短缺或时空分布不均匀导致的水资源安全问题、因洪涝或干旱灾害导致的防洪抗旱安全问题和因流域生态环境和水质恶化导致的水生态水环境安全问题。因此，水系功能评价是河湖健康评价的重要组成部分。

近年来，受人的社会活动影响较强地区的流域水网治理主要目标正逐步转变为加强水系三大功能、增强水系连通性。通过对水系功能进行解构，选取了7项指标，推导构建水系功能评价标准，从结构连通、水力连通和槽蓄能力三方面对水系功能进行评价。

1 指标体系

根据水系的水资源配置、水旱灾害防御、水环境修复三大功能，考虑相应水系结构连通性、水力连通性、槽蓄能力并提出评价方法，推导构建包含7项指标的评价体系。其中：水系基本要素评价选取水面率、水网密度2项指标；水资源配置及水环境修复能力选取水网覆盖度、水系结构连通度、分枝维数、水力连通度4项指标；防洪蓄洪能力采用Hurst指数1项指标。参考河流系统评价、河湖健康评价等评价体系和方法，对水系功能的各要素赋权，根据综合评分法对水系功能进行评价。水系功能评价指标体系见表1。

表1 水系功能评价指标体系

2 评价方法

2.1 水系基本要素

2.1.1水面率

水面率指标为采用水系内河道、湖泊、水库等天然和人工水体以设计水位或多年平均水位为边界条件计算得到的水面面积，其与相应的流域面积的比值。

2.1.2水网密度

水网密度指标采用水网密度指数，其物理含义为区域内河流总长度、水域面积和水资源量占被评价区域面积的比重，用以反映评价区域水丰富程度。其计算公式为:

水网密度指数=Ariv*河流长度/流域面积+Alak*湖库面积/流域面积+Ares*水资源量/流域面积

(1)

式中，Ariv—河流长度；Alak—湖库面积；Ares—水资源量的归一化系数。

2.2 水资源调配和水环境修复能力评价

在考虑水系基本要素的基础上，为反映水网空间分布和水体间连通情况，引进水系结构连通度、水网覆盖度、分枝维数和水力连通度等动态指标。

2.2.1水系结构连通度

基于分形几何学原理，建立水网结构性连通模型，建立水网覆盖度概念，其原理为：将流域分为n个局部，各局部分别按比例β与全流域相似，以分形维数Df来描述相似程度，其表达式为：

(2)

可知，Df越大，则分形结构的自相似性越高，也就是流域水网覆盖越密集、越均匀、水网结构性连通越好，当区域内只存在一条河流时，Df=1；当区域整体全为水面时，Df=2。因此将分形维数Df作为水系结构连通度指标。

2.2.2水网覆盖度

根据水系结构连通度Df，据此判定某流域水网分布均匀程度和覆盖程度，在水系与其覆盖范围之间建立了对应关系，则水网覆盖度按下式计算：

(3)

显然，水网结构连通性越大，即Df越大，则水系水网覆盖程度就越大。

2.2.3分枝维数

由于在水系上游向下游演变中水网结构的连通程度呈现不断变化的动态特性，引入分枝维数概念，用以描述水系水文情势所体现出来的水网连通性动态变化程度。即在某流域内，以河流、湖库等水体上游顶点为控制点，以rk为连通半径，得到k个同心圆弧和同心扇环，则απr2半径范围内的圆环区域上分枝数之和为N(r)，则N(r)与r的幂指数存在一定的线性关系，即N(r)=b×rD，其中b为调和系数。则D为分形几何意义下的维数，其体现的是水系分枝变化情况，因此定义为分枝维数。

可知，分枝维数由水系的分枝数目变化率确定，分枝维数越大，则流域水网的密度变化越小，支流水系发育越完全。如区域内无河流穿过，则分枝维数D=0；如有一条河流穿过，D=1.0；如区域整体全为水面时，D=2.0。一般地，一个流域水网结构连通的分布密度从上游到下游总体上呈递减趋势，即上游水网发育早于下游，且程度更深。

2.2.4水力连通度

一般地，天然或人工建立的流域水网内的水力联系程度称为水系的水力连通度。基于基尔霍夫定律对流域内的任意节点间的水力连通度采用下式计算：

(4)

式中，J—水力连通度；n和ni—水系总耗能系数和水系内某条河流耗能系数；Li、Si—水系内选取的起止点间距离和断面面积；h—起止节点间总水头；ki—具有径流调节能力的水工建筑物的修正系数；wi—河流水质综合污染指数。

可知，Li越大，水系内选取的起止点AB间耗能系数越大、连通性J越差；Si越大，AB间河湖(库)过水能力越强、连通性J越强；wi越大，则AB间水质污染较严重，水力连通性不足；若AB间有多条河湖(库)连通，则复合耗能系数n越小、两点间连通性越强。

2.3 防洪蓄洪能力

受人类活动影响，水系下垫面条件改变，床面透水和槽蓄功能弱化，影响水系的防洪蓄洪能力。引入Hurst指数，对水系水网结构和水位的演变趋势进行评价，进而对防洪蓄洪能力进行评估。其原理为：流域降雨径流经过水系调蓄，类比为低通滤波处理，即剔除短期波动，保留长期发展趋势，其中水位时间序列长期发展趋势采用时间序列R/S法计算分析，最终得到水系防洪蓄洪能力与流域降水径流的长期演变关系。有研究表明，径流时间序列Hurst指数越高，则水系水网越复杂、其径流变化过程越平缓，说明防洪蓄洪能力越高、发生洪灾的可能性越小。

Hurst指数采用下式计算：

Log(R/S)=Log(c)+H·Log(n)+ε

(5)

具体计算过程如下：

⑤将A取值不断增加至A=(M-1)/2，并重复①-④，以Log(n)为解释变量，Log(R/S)为被解释变量，进行线性回归，得到方程中斜率H即为Hurst指数估计值。

3 实例应用

3.1 项目区概况

太湖流域江苏片位于长江下游三角洲南侧，西南环山，三面环水，地势平坦，水系发达，为典型中下游平原河网地貌。陆地面积1.37万km2，多年平均水域面积0.57万km2。从上游起，太湖流域可依次分为湖西区、武澄锡虞区、阳澄淀泖区三大水系，有众多水道与长江相通，京杭运河从西北到东南贯穿整个流域。其地理位置如图1所示。

图1 太湖流域江苏片地理位置图

2.3 水系功能评价

采用上述指标体系和评价方法，对项目区水系功能进行评价。其中，在根据分枝维数计算时根据项目区水系分布情况，分别以京杭运河、澡港河、望虞河为计算节点。计算得到太湖流域各水系功能综合评价成果见表2。

表2 太湖流域各水系功能综合评价成果

可知，湖西区水系功能综合评价好于武澄锡虞区和阳澄淀泖区。

选用太湖流域各水系中系列较长，受通江河道引江潮量影响较弱的代表站，湖西区选取金坛站、武澄锡虞区选取无锡站、阳澄淀泖区选取陈墓站，以1999年和2018年年平均水位和年降水量实测数据为例，分析其降水和水位关系的演变趋势，其成果见表3。

表3 太湖流域各水系降水—水位关系演变表

可知，与1999年相比，2018年太湖流域江苏片各水系水位与降水量均呈上涨趋势，但水位上涨幅度小于降水量增长幅度。综合表2表3成果可知，三个水系对比，湖西区水网结构变化较小、水力连通度好、因此水位上涨幅度较小；湖西区、武澄锡虞区和阳澄淀泖区的水位与降水量对应关系演变说明了区域经济社会发展和人类活动导致了各水系产、汇流条件变化和水系功能变化，且各水系功能变化程度有所差异，这些变化体现在水位变化上，反映的是各水系防洪蓄洪能力的差异，即Hurst指数。

3 结论与建议

3.1 结论

从水系水资源配置、水旱灾害防御和水环境修复三项功能出发，通过对水系建立水面率等7项指标的评价体系，构建了水系功能评价标准。通过对太湖流域江苏片的三个水系进行功能评价，得出湖西区综合评分为1.46，水系功能最好；阳澄淀泖区得分1.32略好于武澄锡虞区得分1.28。经过观测，评价结果与实际情况比较吻合。

3.2 建议

根据水系功能评价反馈出来的水系功能存在的问题，综合考虑流域水网结构与功能，得出如下修复或提升建议：①加强水系连通治理，打造功能强大的水网格局，通过适当新开河道、建设人工水体等方式，进一步加强项目区范围内的河湖(库)连通，修复和改善流域水网结构及其功能体系；②减少人类活动影响，统筹社会经济发展，恢复或扩大水面率，通过严格控制流域内土地开发利用方式，严格杜绝任意填埋或淤塞河道，维护正常过流断面，合理控制和扩大现有水面率；③合理开展水体疏浚，提升水网形态多样性，提高槽蓄功能，改善水系生境条件，恢复水体生态健康。