河湖水系生态连通布局方案优选技术平台研究

纳 月， 邓 勇， 赵进勇， 刘业森， 张 晶， 彭文启

(1.中国水利水电科学研究院， 北京 100038； 2.扬州市水利局， 江苏 扬州 225002)

1 研究背景

近年随着经济社会的迅猛发展，越来越多的水利工程依“河流”而起，为人类提供多种多样的物质和生态服务，但在最大程度开发利用水资源的同时水利工程也改变了河湖的自然连通状态[1]，其兴建利于增强水系连通性。荷兰在实施河湖连通工程后，费吕沃湖(Lake Veluwe)的水质得到显著改善；美国将密西西比的河水引入庞恰特雷恩湖(Lake Pontchartrain)以遏制其周边湿地的萎缩趋势[2]。当前，我国已建设完成了大量的引调水工程，如“南水北调工程”“杭州西湖引水工程”等[3]。但由于河湖水系在水文水资源、水动力、生态环境、地形地貌、区域经济发展等方面的复杂性[4-5]，造成连通前期的方案设置、连通度计算以及连通后效果改善评价均存在不确定性，因此，在生态文明的发展前提下亟需开展河流水系连通方案的优选研究。

目前，众多学者已在河湖水系连通方案优选方面开展了大量的工作，包括基于生态景观学与数学理论开展优选决策方法及原理的研究[6]，利用水量水质模型评价连通效果[7-8]，构建水系格局与连通性指标评价体系[9-11]，借助图论法、网络连通度构建城市水系河网图模型，进行多闸门联合调度研究[12]，分析多个不同情景布局下连通方案的优劣等。也有学者建立了水资源配置模型，对比分析了不同连通方案下的供水能力，以供缺水量最小为目标优选方案[13]。但是国内针对水系连通管理方案优选平台的决策研究较少，鹿星等[14]、陈晨等[15]分别基于优化水资源配置的决策分析及流程，搭建了水资源配置系统的可视化分析平台；赵进勇等[16]在对生态修复的不确定性、负反馈调节原则的理解的基础上，构建了河流生态修复负反馈式决策支持系统的框架。总体而言，已有研究多数是单一化的，缺乏考虑河网水量水质变化过程及河湖水系地貌景观的分析，因此，不易比较不同水系连通方案的实施效果。其次，已有的对于河湖水系连通方案的优选方法多采用理论性或模型形式的隐形算法，在模块衔接和结果展示方面并没有借助软件平台进行多种可能方案的选取及可视化的展示，无法实现对多种典型连通案例的管理。

本文以河湖水系连通的内涵为依据，基于国内外水系生态连通实践案例的成功经验，研发了河湖水系连通“三层三库三模块”规划布局方案优选平台(river layout and connecting platform for planning, RLCPP)，该平台可进行多种连通方案的设置、分析、比选，实现对河网水系的水量-水质-生态耦合分析模型的集成与展示，可判断水系总体布局的连通性，形成连通案例库，以达到河湖水系连通路径的优选可视化及管理精细化的目的。平台的综合集成分析功能，有利于解决目前连通方案单一化、案例分散化的问题，为河湖水系生态连通总体布局方案的优选提供系统化的建议。

2 方案优选平台构建

面向流域河网的复杂性及河湖连通的不确定性，研发由“三层三库三模块”构建而成的河湖水系生态连通总体布局方案优选技术平台如图1所示。通过系统分析河湖水系的水文连通性，改进完善连通规划设计方案，评选确定最佳连通路径，研发综合的河湖水系生态连通总体布局方案优选技术，使得理论化的内容变成可向用户展示的平台服务，突破河湖水系生态连通方案优选的隐形算法计算的瓶颈。其中，“三层”包括数据支撑层、功能分析层及交互展示层；支撑层由数据库、模型库及案例库“三库”系统组成；功能层主要包含连通规划方案优选分析模块、水量-水质-生态耦合分析模型集成模块及水系生态连通案例库管理模块，即“三模块”。

图1 方案优选技术平台总体框架

2.1 “三层”框架

以图论连通度、数据模型设计、景观格局指数计算等理论作为基础，延展出功能层、支撑层。图论连通度是指将实际水系概化成图模型，利用图的性质定量化分析水系连通度。景观计算分析界面见图2，图2中景观破碎化指数、景观形状指数、景观多样性指数主要是对河湖水系地貌景观进行分析，通过对景观格局的识别来分析河湖水系生态过程，直观地表征生态水文连通性的强弱。

图2 平台景观计算分析界面

支撑层包含整个平台计算处理的数据，由数据库、案例库及模型库等“三库”系统构成，承担平台模型计算、方案优选等功能所需要的软件及硬件的操作环境[17]。支撑层作为“三层”框架的基础，其储存、管理、计算环境的顺利运行都是平台能否实现后续功能的关键。

功能分析层由平台的3个功能模块组成，是平台的关键部分。主要包括连通规划方案优选分析模块、水量-水质-生态耦合分析模型集成模块及水系生态连通案例库管理模块等3个模块， 3模块功能相互衔接，环环相扣，通过优选模型确定最佳布局方案，完成整个优选的过程。

功能层及支撑层的耦合推进了交互层的形成，作为平台可视化的重要功能，交互展示层中技术人员将不可见的理论知识转化成可见的操作系统，使计算过程及优选结果清晰可见。通过可视化界面向用户展示优选技术平台的完整操作。该模块主要以示范推广应用为主，经综合分析，表现支撑层与功能层的相关内容，进而发挥出平台的经济效益及行业价值。

“三层”作为平台的总体框架，串联平台内各个环节的各个要素，使河湖水系连通优选从传统的理论基础演变成可操作的计算模块，从隐形式的理论层面上升到可视化的服务器展示，各层次功能清晰，相辅相成，最终实现平台的应用推广。

2.2 “三库”系统

“三库”主要包括数据库、模型库、案例库。通过对各类数据进行统一管理保存及分析计算，为平台提供基础数据支撑，也为后续模型的调用计算及最终的案例优选提供要素支撑。

数据库主要包括基础地理、调查资料、地貌景观等数据内容。数据库是平台的重要基础，它的精确与完善程度影响着下一步的模型计算结果及最终的优选方案。

案例库由国内外典型实践工程案例组成[18]。在优选前期参照已有连通案例的成功经验，针对性地提升改善初期方案。平台目前共储存国内外案例117个，基本涵盖了国内建设完成的、建设进行中、规划建设的所有大、中型连通案例。如水资源调配为主的南水北调工程、以水生态环境修复保护为主的引江济淮工程等。

模型库主要提供平台优选时所调用的耦合分析模型，如水量-水质-生态耦合分析模型、连通规划优选模型等，帮助完成模型集成功能。

2.3 “三模块”功能

连通规划方案优选分析模块、水量-水质-生态耦合分析模型集成模块及水系生态连通案例库管理模块组成了平台三大功能模块，其框架构成见图3。优选分析模块主要借鉴已有案例进行连通方案优选；模型集成模块主要调用耦合分析模型；案例库管理模块主要进行案例的上传、展示、检索，并采集与管理无人机数据。每一块功能的菜单页面的操作就是向用户展示平台使用的过程。

图3 平台功能模块框架图

(1)连通规划方案优选分析功能。优选分析功能模块利用地理信息系统(geographic information system, GIS)技术和图论理论完成对河湖水系总体布局连通程度的定量分析计算及方案优选，该模块通过分析水系地貌景观以及集成调用的水量-水质-生态耦合分析模型，从连通性指数、经济可实现性、技术可操作性、连通有效性等方面，结合模型运算结果对比多种连通方案，然后综合确定总体布局方案的合理性。

模块的主体功能区页面主要包括菜单区、功能区以及分析结果显示区，其中功能区包括工程管理、方案管理、水系连通度分析计算、图层管理、评价结果展示以及导出、地貌分析等功能；结果显示区包括邻接矩阵、矩阵连通性、分析结论以及河湖水系连通状况的地图可视化展示，其功能主界面见图4。

图4 连通规划方案优选分析功能主界面

(2)水量-水质-生态耦合分析模型集成功能。该功能模块与模型库衔接，通过查询对比选取河湖水系已有的水量-水质-生态耦合分析模型，借鉴已有模型案例的相关算法，对边界条件、河网结构和地形条件等相关参数进行分析[19-21]，实现系统的合成，并通过文本文件对接主要数据的输入、输出及计算需求，可精确地判断连通后的河湖水系水量、水动力及生态指标因子的变化情况，为最优连通方案的确定提供科学依据。

(3)水系生态连通案例库管理功能。系统主要对国内外水系生态连通案例进行存储、删改、检索、编辑等操作(管理功能界面见图5)，面向的对象为管理员和普通用户，功能包括案例输入、搜寻、呈现、案例管理及权限管理。案例输入主要将新收集到的工程实践案例收录到平台中。案例搜寻可通过对地区、流域、类型等条件进行筛选，也可在搜索框输入地理位置或者水系名称模糊检索相应的案例，结果以表格的形式展示，并通过网页展示案例的详细信息。案例呈现主要是对系统中已经收录的典型案例进行查看。案例管理主要实现修改、补充或删除已有案例的操作。权限管理主要是指对使用用户进行信息管理。正常使用用户只能查看案例和修改密码，管理员可以进行案例上传、编辑，查看案例以及修改操作用户的权限和密码等。

2.4 信息流

平台管理存储收集到的国内外案例形成水系生态连通案例库。将试点调查数据包括河流属性相关数据导入平台，对区域水系、湖泊等连通要素进行分解组合，查询案例库，给出相似案例连通状况，并利用图论边连通度判断河湖水系的连通性。通过调用水量-水质-生态耦合分析模型，对接平台进行数据的输入、输出处理。借助土地利用图斑数据，分析河湖景观破碎化指数、景观形状指数、景观多样性指数等多种参数，研究河湖水系地貌景观。从增加通道、拆除闸坝、生态调度等方面设置可采用的调整方案，形成规划布局方案集。通过计算不同连通方案的连通度，得到多种参数设置下河湖水系生态连通总体布局的连通度，综合确定总体布局方案。基于对多种类型模型的审查、比对、解析，开展水系连通规划布局方案的最优选择，确定河湖水系生态连通总体布局最优方案。其整个技术流程见图6。

图5 水系生态连通案例库管理功能系统界面

图6 平台技术流程图

3 案例应用

3.1 应用区域概况

扬州市坐落于江苏省中部地区，共有乡镇级及以上河流1 111条，河道总长6 060 km。扬州市区河流水系复杂，较为重要的河流共有26条，如京杭大运河、二道河、玉带河等，其城区水系分布见图7。京杭大运河穿越扬州城区，南水北调东线工程也自此引江北送，二者皆为平原河网的典型代表。分析扬州市水系连通现状，发现其水系连通格局十分特别，大江大河与市内河流连通较为紧密，存在多种多样的水系连通情景，因此，扬州市水系连通方案的制定较为复杂。扬州市政府于2014年开始实施综合整治工程，有计划、分步骤地实施城市主干河道的水系连通工程，包括古运河整治、瓜洲外排泵站建设及西北部水系、瘦西湖水系、七里河水系的连通工程等。结合实际情况，选取2015年为水系连通后的代表年进行数据分析。

图7 扬州市水系分布图

3.2 图论边连通度计算

根据扬州市水系图建立图模型如图8所示，利用图论计算边连通度，基于GIS辨析扬州市主城区水系连通格局。依据市区境内水网系统的现状，选择“九闸同开”涉及的扬州闸、黄金坝闸等9个闸站，建立不同闸站关闭情景下的图模型，水系连通度的计算结果见表1。

图8 扬州市主城区水系图模型

表1 关闭不同闸站时的水系连通度计算结果

由表1的计算成果可看出，大运河、古运河、七里河、仪扬河、赵家支沟等5条河流为关键性河道。黄金坝闸、扬州闸、明月湖闸、平山堂泵站等4个扬州市的关键闸坝决定了河网结构的整体连通性，将其关闭后整体连通度降低了50%，而其他闸站对河网结构没有影响。

3.3 水量-水质-生态耦合分析模型集成

本次扬州市水系模型建模区域为扬州市主城区河流，根据该区域现状河道情况，对其概化，整个河网模型共107个断面，20个河段，12个汊点，3个边界水闸，6个节制闸，各边界水闸及节制水闸见表2。

表2 扬州市河网边界水闸及节制水闸统计表

(1)初始条件。本文模拟的分级解法为四级联解结合压缩矩阵，无热启动，初始水位采用所有边界闸门第0 h的最低水位，初始流量为1 m3/s，计算时间步长为5 min，计算起始时间为0，模拟总时长为30 h，模型输出时间步长为3 600 s，实时监测采样时间步长为300 s。

(2)边界条件。模型河网边界条件采用各边界水闸外的水位边界，边界水闸和节制水闸调度规则按照设计工况形式进行设置，水闸状态按照各水闸的实际状态进行设置。

(3)水动力参数。水动力主要参数包括差分系数值λ、重力加速度值、曼宁系数。

(4)水质参数。水质参数主要为污染物降解系数，本次仅模拟COD降解情况，根据查阅相关文件研究成果，最终确定降解系数取0.1 d-1。

连通前情景为未疏浚河道和边界及节制水闸均开，进水时达到控制水位即关闸；退水时开闸。连通后布局为清淤河道和扬州闸定向引水，瓜洲闸、泗源沟闸定向排水，其他节制水闸全开，进水时，达到控制水位即关闸；退水时，开闸。以累积流入和流出水量、水体滞留时间作为模拟指标，建立扬州平原河网一维水动力模型，模拟河网在进行水系连通工程前、后工况的水动力特性，模拟结果见图9及表3。

图9 河网水系连通工程前、后累积流入、流出模拟结果

表3 边界闸门引、排水流量 m3/s

图9及表3的模拟结果表明，扬州河网采取连通措施后，整个河网的水体流动更加畅通，进、出水能力增大，河道水体水动力能力增加，累积流入、流出水量峰值连通前分别为3 782.79×104、3 593.65×104m3，连通后达到5 901.16×104、5 606.10×104m3。采取河道清淤、疏通开道等措施后，河道的整体进水能力增加了56.0%，扬州闸坝在连通前的过流水量为10.84 m3/s，连通后达到15.53 m3/s，瓜洲闸及泗源沟闸连通前排水量合计为10.40 m3/s，连通后为12.08 m3/s，河网连通前3个边界闸门的总引水量为117×104m3，连通后的总进水量达到167.70×104m3，连通后较连通前引水量增加了43.3%；河网水体更新速率连通前为每次6.54 d，连通后加快到每次3.47 d，提升了88.5%。

3.4 连通效果评价

以2013与2014年作为未连通情况，将2015年及以后的时间段视为河湖水系连通后情况，通过对比连通前、后扬州市河湖水系的状况对连通的影响进行评价，技术平台方案对比界面见图10。扬州市内河网水系连通较接近主从型连通，即主要针对水系连通对扬州市内水网的影响，连通的目的是满足主区域的某些要求，如丰富的水量、良好的水质、自然的水文情势等，在进行河湖水系连通影响评价时，评价区域往往是所谓的“从区”，其影响表现为对水系所在流域的整体影响。

图10 扬州市水系生态连通规划方案对比界面

基于扬州市开展的“九闸同开，活水润城”的水系连通工程，确定河湖水系连通后效果评价的规模界限为城区整个水系河网，连通的目的为实现景观功能的提升。结合扬州市水系一维水动力耦合模型分析的换水周期及水质现状，指示性物种数量变化及社会层面的疾病传播风险等指标，同时考虑扬州市城区河网的具体情况以及资料的可获得性，建立了扬州市河湖水系连通效果评价指标体系，利用层次分析法确定要素权重。在对指标进行评价时，将对单个指标的评价分值范围设定为[-1，1]，当分值为负时，影响为负面；当分值为正时，影响为正面。同时，在分值范围[0，1]之间，以0.2为间隔，将正面影响区分为小、较小、中等、较大、大共5档，各要素层及确定权重见表4。

(1)换水周期C1指标评价。通过水动力学模型分析计算连通前后的换水周期，连通前水体滞留时间为每次6.54 d，连通后降低为每次3.47 d。以连通后换水周期(C1后)与连通前换水周期(C1前)的比值作为评价阈值R，即：

(1)

表4 扬州市河湖水系生态连通修复效果评价指标体系

即当河湖水系连通使换水周期减小1/2及以上时，认为连通导致的水体置换效果显著，将连通对换水周期的影响评价为“1.0分”；当连通使换水周期减小1/4时，将连通对换水周期的影响评价为“0.5分”，依此类推。具体评价分值见表5。经上式计算，连通对换水周期(水力滞留时间)的影响评价得分为0.94。

(2)水功能区水质达标率C2指标评价。对扬州市水功能区水质监测断面结果的评价结果进行统计，2013-2015年扬州市河湖水系连通影响区内水功能区达标情况如表6所示。

表5 连通对换水周期C1指标的影响评价阈值R

表6 2013-2015年扬州市河湖水系连通影响区内水功能区达标情况 %

表7 扬州市河湖水系连通影响区内各断面富营养化指数

2013年及2014年连通区内水功能区达标率分别为44.4%和43.1%；2015年连通后达标率为48.6%。连通后评价范围内水功能区水质达标率平均提升了4.8%。即水质达标率C2的影响评价得分为0.48。

(3)富营养化指数C3指标评价。依据水质监测结果，使用《地表水资源质量评价技术规程》[22]中的指数法计算扬州市连通影响区内各水质监测断面在连通前(2013-2014年)、连通后(2015年)的富营养化指数，如表7所示。

由表7可知，连通前扬州市连通影响区内富营养化指数均值为55.05，连通后为58.70，均介于50～60之间，为轻度富营养化状态。可知连通对富营养化指数的影响很小，略偏负面。依据评价准则，认为连通对富营养化指数的影响为零。

(4)指示性物种生境状况C4指标评价。连通后由底栖生物和着生藻类表征的连通性显著增加，从底栖生物状况看，连通后扬州市河网地区生境质量有明显的改善，可将对生境状况指标C4的影响评价为0.60分。

(5)涉水疾病传播风险C5指标评价。该指标指涉水疾病通过河湖水系连通在区域上扩散、在程度上加重的可能性。扬州市城市河网在“九闸同开、活水润城”行动之前就与大运河、古运河、长江等外部河流处于连通状态，因此，可认为水系连通对涉水疾病传播风险C5指标的影响为零。

(6)景观舒适度C6指标评价。扬州市通过实施水系连通，营造了河道水域沿岸带及水域范围内的美好景观，从现场调查来看，连通对景观的提升效果明显。因此，连通对景观舒适度C6指标的影响可评价为1.00分。

通过建立包含换水周期、水功能区水质达标率、富营养化指数、指示性物种生境状况、涉水疾病传播风险、景观舒适度等6项指标的扬州市水系连通后评估体系，利用层次分析法进行权重计算，最终6项指标分别得分为0.94、0.48、0、0.60、0、1.00，总评分为0.51，综合评价可知扬州市水系连通整体效果较好。

4 结 论

河湖水系连通是维持河湖生态系统健康的重要手段。但由于水系连通的复杂性及不可预测性，缺乏综合性的可视化分析手段确定方案的优劣。针对目前河湖水系生态连通方案评估现状及所存在的问题，研发河湖水系连通“三层三库三模块”规划布局方案优选平台，主要得出以下3点结论：

(1)以河湖水系生态连通技术数据及科学理论为基础，利用分析管理技术、地理信息数据系统分析处理技术、开发软件功能集成技术，结合耦合模型数字分析手段，研发了河湖水系连通“三层三库三模块”规划布局方案优选平台。

(2)通过对扬州市市区水系连通度的计算及水动力模型的耦合，筛选了扬州市水系连通的优选方案，并进行了连通后评估，验证了平台部分功能的实用性及可操作性。

(3)平台对河湖水系连通方案优选及空间布局确定起到支撑作用，并给出可视化的展示，操作界面友好，可用于河湖生态健康、河湖空间管控方案筛选等决策过程，有效加快了数字化河湖建设进程。后续会将连通后的河湖健康评价加入到优选模块设计中，扩展平台的功能。