江汉平原河湖水系连通性评价研究

范鲁晔，顾文权，邵东国，刘 杰

（武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072）

0 引 言

河湖水系是水资源的重要载体，也是山水林田湖草共同体的主要组成部分，其分布格局与连通性直接影响区域供水与生态系统的安全稳定［1］。在经济社会发展过程中，为抵御洪涝灾害，配置水资源，平原水网区建设了大量涉水工程，河湖水系布局与连通程度均受到巨大影响，已造成区域洪水调蓄能力下降、河湖健康退化等问题，严重威胁着区域经济社会与生态环境可持续发展。因此，开展平原水网区水系连通性评价，恢复和提高水系连通性具有重要现实意义［2，3］。

水系连通定量评价是提高水资源统筹调配能力、改善生态环境质量状况的重点环节，也是当前的研究热点问题［4，5］。国内外学者从水系连通的概念、理论出发，引申出纵向、横向、垂向及时间多维水系连通机制［6］，侧重于景观格局、生物保护、流域管理等宏观尺度［7，8］或土壤和水体中的泥沙运移、氮磷转化等微观视角［9，10］，涉及水系连通的机理与过程研究、影响因素及效应评价，同时根据水系连通的形态、结构和功能等特征［11-15］提出一系列相关指标［16］，发展了图论法［17］、水文-水力学法［18］、景观生态学法［19］和综合指标法［20］等多种研究方法。但目前研究多集中于天然河网，采用图论法赋值边的权重通常考虑水流阻力、河道截面形态、流量、泥沙输运量等因素［21］，对闸门泵站等水利工程的影响考虑不足；建立综合指标评价体系主要选用水系结构、水文水动力、生态环境等方面的指标［22］，部分数据难以获取，推广应用受限。因此，水系连通性评价方法还有待进一步完善。

江汉平原位于长江中游，是我国重要的粮食生产基地，但其河网复杂、湖泊众多、水旱灾害频繁。受气候变化与人类活动的双重影响，江汉平原内部湖泊湿地萎缩，河流水体破碎化，水系连通性减弱，洪水宣泄不畅等问题日益严峻［23］。为修复和改善江汉平原水生态环境、降低水旱灾害风险、实施河湖水系连通战略、保障水安全，需加强区域水系格局与连通性评价研究。

本文采用改进图论法建立江汉平原河湖水系概化模型，定量分析水系受闸站等水利工程设施影响下的结构连通现状，识别节点或河渠连通分布规律，测度整体连通等级；同时基于水系连通机制建立综合指标评价体系，定量分析工程调度现状条件下的功能连通特性，识别影响水系连通的重要指标与重点区域，为优化江汉平原河湖水系连通布局、实施河湖水系连通工程措施提供相关参考。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

江汉平原位于湖北省中南部，地处两湖盆地西部和中部，是长江中下游平原的重要组成部分，地处北纬29°26′～31°37′，东经111°14′～114°36′之间。江汉平原属于亚热带季风气候，雨热同季，客水丰富，水系发达，其中长江最大的支流汉江自西北向东南，经天门转向东，在汉口汇入长江。两江与东荆河、通顺河、四湖总干渠等支流构成江汉平原骨干河网，河流之间形成洼地，湖沼发育广泛，区域内最大湖泊为洪湖。同时区内水闸泵站、引调水工程等水利工程设施复杂。

综合考虑地理特征与行政区划，本研究范围定义为汉江与长江干流、长湖以北的丘陵边缘包围的水网区域，面积1.44 万km2，涵盖四湖、通顺河流域，如图1 所示。区域内河渠纵横交错，湖泊湿地众多，水网密度大，人工干扰程度较强，河湖生态系统特点可以基本代表大江汉平原。

1.2 数据来源

研究区30 m 分辨率DEM 与卫星遥感数据来自地理空间数据云（https：//www.gscloud.cn）；水网分布来自全国地理信息资源目录服务系统（https：//www.webmap.cn），比例为1∶25W；重点水利工程设施位置来自荆州、仙桃、潜江三市防汛抗旱形势图及实地调研手持GPS 数据；闸站启闭状态及过流流量来自湖北省水利厅、荆州、仙桃、潜江三市水利局以及千里眼水雨情查询系统（http：//113.57.190.228：8001）；骨干河流长度、湖库库容等特征参数来自《四湖流域综合规划报告》及《泽口灌区续建配套与节水改造规划报告》。

1.3 研究方法

1.3.1 改进图论法

传统图论法首先经水系概化得模型图G（V，E），V为点的集合，E为边的集合，再根据节点间的邻接关系建立邻接矩阵A（aij）n×n，aij为节点Vi与Vj直接相连的边数，n为节点数，如图2 所示。 根据图的连通性判定准则，若判断矩阵S(sij) =全部为非零元素，则图G（V，E）为连通图，否则为非连通图，其中，sij为节点Vi与Vj的可连接路径总数，为两节点经中间连接k步的路径数目，k=1，2，…，n-1。

图2 河网水系的图论概化模型Fig.2 Graph theory generalization model of river system

为进一步考虑闸站对江汉平原水系网络的阻隔效应，同时限于闸门开度多受人工调控，实际水文资料难以获取等因素，本文根据水网闸站越多，受控水平越高，连通性越低的特点［5］，基于单位长度河道的闸门数量，构造适应性连通度因子bij，公式为：

式中：gij与lij分别为节点Vi与Vj的闸门数量与实际距离，m。当bij=1时，表示节点Vi与Vj之间不存在闸门等水工建筑物，该河段为完全连通状态。

因平原河网区流速较小，流向多变，属于往复流［24］，本研究暂不考虑流向，将河湖水系网络概化为无向图。采用连通度因子bij作为边权值表征河网图模型G，构建加权邻接矩阵，计算任意两节点间k步所有连接路径的连通度之和，以其平均路径连通度的最大值表征河网中各节点间连通度dij，公式为：

对整体研究区域来说，对所有节点间的连通度求均值可得到流域平均连通度D，计算方法为：

本方法的主要特点有：①基于单位长度河道的闸门数量，以连通度因子作为边的权值建立加权邻接矩阵，考虑了闸门阻隔对水系网络的不利影响；②引入节点间连通度dij评价非直接相连的节点间的连通性，同时考虑路径中最不利节点对的限制效应，降低因现实不可及而网络可达的虚拟路径的干扰。

1.3.2 综合指标法

根据水系连通性机制，河湖水系存在纵向、横向、垂向及时间四个维度的连通性［6］。本文考虑江汉平原水网的密集程度高、受干扰程度大、季节性强等特点，侧重于河流纵向及河湖横向连通水平的量化分析，构造河流碎片化指数、湖库水流畅通指数、河流闸站阻隔指数、水面面积变化率及换水周期五个指标，通过层次分析综合评价江汉平原河湖水系功能性连通特性，如图3所示。

图3 连通性评价层次分析模型Fig.3 Analytic hierarchy process model for connectivity evaluation

（1）闸站阻隔是对河流纵向连通性影响最大的因素，若河道中闸门数量较多且分散趋于均匀化，其生态环境破碎化越为突出。根据各河道长度占域内河道总长度的比值作为权重进行加权平均，计算河流碎片化指数（River Fragmentation Index，RFI）量化纵向连通性。

（2）水体的出入流量越接近天然状态，区域横向汇流条件与水循环过程受干扰程度越低。考虑径流的年内分布变异性，以自然月为基本时间单位，采用日出入湖流量不小于多年月均流量的累积天数，占该月总天数比值的年度平均值，作为湖库水流畅通指数（Flow Circulation Index，FCI）。

（3）水体的换水周期（Lake Residence Period，LRP）决定了植物演替、生物迁移、泥沙溶质运移等速率，其水位的涨落提高了水体与滩地或河岸带间的横向连通性。考虑不同季节多年平均水位不同，采用河湖各月多年平均蓄水量与评价年对应月份平均出湖流量的比值，表征每月的换水周期，再取全年算术平均值。

（4）水域面积主要反映受到出入湖流量、渗漏、蒸发及水资源开发利用等多种因素影响，面积越大，则地表水体对地下水的补给越高［25］。通过分析现状河湖水面面积与历史时期（1980年代）水面面积减少的比例来反映水面面积变化率（Water Area Change Rate，WACR）。

（5）河流节制闸站的启闭影响河道内的物质能量交换过程与上下游水生动植物的栖息繁衍进程，体现了水系连通的时间维与动态性。采用因闸站关闭导致断流天数与全年总天数的比值进行量化河流闸站时滞指数（Flow Time-lag Index，FTI）。

各指标的表达式及符号意义如表1所示。

表1 河湖水系连通度评价指标Tab.1 Evaluation index system for connectivity degree of river and lake water system

在对江汉平原河湖水系连通性评价时，选取连通性作为目标层，纵向、横向、垂向和时间连通列为准则层，结合对应的功能性连通指标，构建指标层。同时，将各层次的连通性指标进行两两比较，得到判断矩阵并通过一致性检验，其评价指标的权重矩阵为：

本文的指标已进行无量纲化，且取值区间为［0，1］，但除湖库水流畅通指数FCI外，其余均为负向指标，即数值越大，表征连通性越低。对此，采用指标同趋势化方法处理，将负向指标转化为正向指标，可以得到连通指标的量化矩阵Xr，即：

式中：x′r为正向化后的指标值；xr为原负向指标值。

根据各指标的权重系数与连通指标值，构建连通性综合评价函数：

1.3.3 评价等级

综合考虑河湖形态结构完整性、水文循环过程、水生态抗干扰性等方面，结合《河湖健康评估技术导则（SL/L793-2020）》，本文将河湖水系连通性等级划分为好、较好、一般、较差、差5个标准，具体如表2。

表2 河湖水系连通性评价等级Tab.2 Evaluation grade of river and lake water system connectivity

2 结果与分析

2.1 河湖水系结构连通性评价

基于江汉平原现状，绘制江汉平原河湖水系网络图见图4（a），所有河道的交汇点、分流点以及主要湖泊均视为节点，并通过聚类算法［26］识别网络结构见图4（b）。可见江汉平原骨干水系网络节点共计88 个，包括长湖（节点41）和洪湖（节点81），河道共计132 条，全长2 533.99 km；网络所划分的8 个子结构以不同的颜色表示，节点间的连接度水平以不同的大小区分。

图4 江汉平原河湖水系网络概化图Fig.4 Generalized diagram of river and lake network in Jianghan Plain

水系连通格局方面，研究区水系网络疏密分布不均，西北部和东部分布较为密集，中部地区分布较稀疏，显示出空间不均衡的特点；网络结构方面，平均每节点有2～4 个连接线，各子图节点数在6～18 个之间，均呈现明显的集聚现象，不同结构间的连接点多为流域边界节点，其中洪湖对周边节点的辐射效应较强，长湖主要起连接作用。经计算，现状骨干河道频率为0.009 条/km2，河网密度为0.176 km/km2，表明该区域河流数量较多，河网密度与河流总体发育程度较高。

为进一步分析闸门泵站等涉水工程对连通性的影响，依据上文连通度因子的定义，计算各边的权值bij，得到邻接矩阵A与加权邻接矩阵B，通过Matlab 软件编程计算A（k）与B（k）得到不同步长k的节点间连通度矩阵，以其最大值作为实际节点间连通度dij，所有节点间连通度的平均值即为河网的加权连通度，结果如图5所示。

图5 改进图论法水系连通度计算结果图Fig.5 The calculation result graph of water system connectivity by improved graph theory method

江汉平原水系网络的节点间最大连通度多数分布在0.6～0.8 之间，其值也多数在3～9 步取得，约占总节点对的76.8%，体现了该网络的“小世界”特性，即河流节点趋向于地理空间距离相对较近的连接，其整体连通度为0.717 2，处于较连通水平。

由初始加权矩阵可看出，单一节点的连通度有限，且绝大多数节点并不互联，显示出江汉平原水系网络的稀疏特性；但随着节点间连接步数k的增大，节点逐渐相连，连通度受路径数目与路径内最不利节点对的双重影响而降低。当连接步数小于15 时，若不考虑未连接节点对，节点间的连通度处于较高水平；当连接步数大于15 时，各节点虽相连，但连通度急剧下降。可见连接步数k越小，则节点间连通路径内的闸门等涉水工程设施越少，同时现实水网系统中可实现的水流路径占比越高，这基本符合实际平原河网地表水运动规律，相连路径越短，人工干扰越小，节点间进行水量交换与物质运移的概率越高。

根据各节点的连通度，通过克里金插值，得出江汉平原的连通度分布图，如图6 所示。江汉平原水系连通性呈现出明显的分区差异性，西部与东部连通度较高，中部除东荆河地区外，连通度均较低，并且局部地区如通顺河、通州河、排涝河、螺山干渠等河段受闸站影响程度较大，连通度较低。同时对比长湖和洪湖两大主要湖泊，可见长湖受干扰程度较小，原因可能为直接相连的河流上涉水工程较少，加之长湖处于流域上游，灌溉属性较为突出，具备较好的水动力学条件，连通度较高。

图6 江汉平原水系连通度分布图Fig.6 The distribution of water system connectivity in Jianghan Plain

考虑自然地理特征与工程管理现状，对江汉平原子流域水系格局与连通性做进一步分析，如表3 所示。可见通顺河流域与四湖流域的水系连通度分别为0.798 5 与0.762 5，均高于整个江汉平原水系连通性，将四湖流域继续划分为上、中、下三区，各子区域连通性大小顺序为：上区＞下区＞中区，且均大于整个四湖流域连通性。对比流域面积、河网密度与网络连通度可得，同级别流域面积越小，河网密度越大，连通度越高，且因边界闸站的控制作用，子流域的连通度一般高于上级流域。

表3 江汉平原子流域水系格局与连通性情况Tab.3 Water system pattern and connectivity of sub-basins in Jianghan Plain

综合而言，江汉平原水系网络结构连通度处于“较好”等级，局部处于“好”等级，具有较强的结构性连通潜力与地表水量迁移交换动力，西部与东部地区因闸门等涉水工程设施较少，连通度较高，中部地区受人工干扰较强，连通度较低。

2.2 河湖水系功能连通性评价

通过卫星地图目视解译，结合现有规划与实地调研确定江汉平原水网闸门数量、位置等地理空间信息，并根据流域水文资料与2018年主要闸站实际调度运行数据，计算分析江汉平原功能性连通评价指标，结果如下。

江汉平原RFI为0.409，域内各河道RFI如图7（a）所示，其中通顺河、通州河、四湖西干渠、四湖东干渠河流碎片化程度较高。其子流域通顺河流域RFI为0.577，涉水工程多为节制闸，且均匀分布于主干河流，对河流连通性不利；而四湖流域RFI为0.408，涉水工程多为灌溉与排水闸，多分布于河流首尾两侧，除此外，还有较多闸门用于长湖和洪湖的调蓄，对主干河流的纵向连通影响程度相对较小。

以研究区主要湖泊长湖和洪湖的出流畅通程度均值，作为区域湖库水流畅通指数FCI，如图7（b）。江汉平原FCI为0.745，长湖为0.885，洪湖为0.605，可见四湖流域中区FCI较低，主要受汛期（5-10 月）外江水位顶托与下游排涝压力较大的影响，区域闸门数量众多，人工控制程度较高，出入湖流量相对多年平均较低。

计算研究区主要湖泊长湖和洪湖的换水周期均值，得江汉平原换水周期LRP为0.155，如图7（c）所示。其中长湖为0.152，洪湖为0.158，年均值相差较小，但年内分布存在明显差异，汛期长湖换水周期较小，非汛期较大，洪湖与之相反。这体现出四湖流域上区以灌溉为主兼顾防洪，而中下区则主要以防洪排涝为主的目标结构性差异，由此产生了地表水系循环与水动力的时空分布不匹配现象，从而降低了江汉平原的整体连通性。

结合前人研究［27］与《四湖流域综合规划报告（2007）》，历史时期（1980 年代）长湖和洪湖9-11 月两湖平水期水面面积分别为129.1 km2与395.5 km2；收集江汉平原2018 年Landsat-8 卫星遥感影像数据，通过改进归一化水体指数反演提取长湖和洪湖水面面积。受水资源开发利用及运行调度等影响，2018年长湖水面面积为120.75 km2，较80 年代缩小6.47%，洪湖水面面积为336.12 km2，较80 年代缩小15.01%，可得水面面积变化率WACR为0.129。

限于各次-末级河道闸门水位、流量数据资料匮乏，可通过长湖、洪湖两大调蓄湖泊的主要入流及出流河道的闸门启闭情况，结合河流等级权重，以其均值衡量区域河流闸站时滞指数FTI，如表4 所示。江汉平原FTI为0.264，其中长湖为0.181，洪湖为0.346，对其时滞阻隔程度贡献较大的为刘岭闸和双店闸（长湖），小港湖闸和新堤大闸（洪湖）。而习家口闸为保持四湖总干渠生态基流，长期处于开启状态，时滞指数相对较小。

表4 河流闸站时滞指数指标计算结果Tab.4 Calculation results of flow time-lag index

表5 连通性指标评价结果Tab.5 Evaluation results of connectivity indicators

将负向指标正向后，综合各指标得分与权重，得到江汉平原河湖水系功能连通度得分为0.688 5，其功能连通度处于“较好”水平，其河流碎片化指数、湖库水流通畅指数与河流闸站时滞指数正向化得分相对较少，反映出江汉平原的纵向、横向、时间多维度的连通性存在不足。

2.3 河湖水系结构-功能连通匹配程度分析

根据连通度评价得分情况，改进图论法为0.717 2，综合指标法为0.688 5，计算结果较为一致，江汉平原河湖水系网络的结构和功能均处于“较好”水平，体现出方法与指标的适宜性。

在水系网络结构方面，节点连通性相对较低的区域包括通顺河下游、东荆河下游南北分叉区、排涝河、螺山干渠等河段，中部地区的连通性小于西部和东部地区，四湖流域的连通性小于通顺河流域。在连通性指标方面，通顺河干流、通州河、四湖流域西干渠、东干渠上闸门等主要河流上闸门数量偏多，闸门分布较均匀是整体连通性偏低的重要因素；而且长湖和洪湖周边控制闸站较多，且控制程度较高，小港湖闸、新堤闸等主要闸站控制对水流通畅程度有一定影响，同时现状水资源开发利用规模及闸站调度规则可能是水面面积减少的重要因素，此外刘岭闸、双店闸、小港湖闸、新堤大闸和螺山干渠等出入湖闸门闭合时间较长是闸站时滞指数偏高的主要原因。

两种方法较为准确识别出江汉平原河湖水系连通的网络结构性与实际工程管理上的不足，其受闸门等涉水工程影响的空间地理位置基本一致，连通性评价等级相同，体现了水系网络结构和功能的整体适配性。但值得一提的是，局部地区由于闸门修建后调度规则的改变，难以在网络模型中识别，如通顺河上的深江闸，常年保持开启状态，而螺山干渠的贾家堰闸，则通常处于关闭状态，故不宜放大单一闸站对区域连通性的影响。

3 结 论

本文考虑闸站等涉水工程对网络结构的阻隔效应，基于单位长度河道的闸门数量，提出了以适应性连通因子为边权值的改进图论连通度评价方法；并根据多维水系连通机制，利用层次分析法，建立了江汉平原河湖水系连通性的综合评价指标体系，对江汉平原河湖水系结构和功能连通性进行评价，主要结论如下。

（1）在网络结构方面，连通性得分为0.717 2，处于“较好”等级。研究区西部和东部连通性较高，中部连通性较低；其子流域通顺河流域连通性较高，四湖流域连通性较低；局部河段如通顺河下游、东荆河下游南北分叉区、排涝河、螺山干渠等节点连通度较低。

（2）在连通功能方面，连通性得分为0.688 5，处于“较好”等级。主要受闸门数量较多、分布均匀、控制程度较高、闭合时间较长等不利因素影响，通顺河干流、通州河、四湖西干渠、东干渠以及洪湖等河湖连通性较低，多项连通性指标正向化得分较少，体现了区域水网纵向、横向、时间多维度的连通性存在不足。

（3）江汉平原河湖水系结构和功能较为匹配，连通性评价等级相同，且通过改进图论与综合指标评价方法进行互补，识别出的连通性较低的重点区域基本一致，提高了水系连通评价结果的可靠性，为后续连通工程的优化与实施提供参考。

但限于平原地区河网密布，流向多变，区域干支流关系模糊，同时流域水文、河道地形、闸站调度等资料难以获取，目前对连通性的计算仍停留在流域尺度，未充分考虑灌溉、人工取水与降雨径流、河网调蓄等过程，下一步应结合水文-水动力模型，根据地区生态、防洪、与灌溉等目标，优化闸站运行调度方式与河道连通方案，调整灌排工程体系，建设生态河湖系统，为长江大保护与经济带高质量发展提供技术支撑。