河流分级方法研究及应用

董耀华 汪秀丽

摘要：广义的河流分级包括水系划分与狭义的河流分级;倡导Horton法，并提出了与水系划分相结合、选用“最小单元河流”和引入河流树状图表等3点主要改进。将长江水系推荐划分为干流水系与雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江、洞庭湖、汉江、鄱阳湖、太湖等8个支流水系;综合选取流域面积不小于2000km2或河长不小于100km的河流为“最小单元河流”，统计确定长江流域（不含太湖水系）的河流总数为374条;长江流域最高河流分级数为6级，依次为：6级河流1条，5级河流3条，4级河流6条，3级河流14条，2级河流71条，1级河流279条。提出了长江水系4种替代划分和综合划分，其中综合划分与推荐划分一致;基于流域面积、河长和河流分级数等3个指标，确定了长江流域24条重要河流水系;重新辨识了长江流域河流水系，提升了河流整体性和干流重要性认识，并提出了“分段河道不分级，分级河道不分段”思想。研究实现了水系划分与河流分级的方法统一与融合，开展了长江流域水系划分与河流分级的系统研究及应用。

关键词：河流分级;水系划分;长江;Horton法;“最小单元河流”;河流树状图表

文章编号：1006-0081（2019）01-0008-06

1 河流分级方法述评

广义的河流分级既包括“自大河而小河”的水系划分，也包括“自小河而大河”的河流分级（狭义）;其中，水系划分侧重河流流域的分区，河流分级强调河流水系的联系。通过河流分级的研究，定量上可确定河流水系的分级数，它是水系形态、河流发育及流域特性等的重要衡量指标;定性上可辨识河流水系的联系、归属、规模和地位等形态特性，进而建立河流水系形态与流域产流产沙、河道汇流输沙之间的内在联系。钱宁[1]总结认为，来自流域的水量、泥沙量及其过程与组成决定了河槽的形态与坡降”;董耀华[2]研究表明，长江流域复杂的水系形态与江湖关系是决定长江干流河道水沙特性及其变化的关键因素。

目前，长江流域的河流分级通常采用水系划分——以流域面积为主要划分指标，围绕干流及其区间和主要支流或湖泊进行水系划分，符合长江流域干支流和湖泊相对独立封闭的特性，既有利于流域水系分区规划与治理，也方便于流域与区域相结合的现状管护模式。但该方法也存在着明显的不足之处：仅限于2级划分，无法确定河流水系分级数;‚划分水系与河流之间可能出现非一一对应关系，无法实现水系划分与河流分级的方法统一;ƒ划分方法主观性较强，因具体河流与方法而异等。

河床演变学与河流地貌学通常采用“自小河而大河”的河流分级方法，常用的4种方法分别是Horton法，Strahler法， Shreve法和Scheidegger法【1、3】。其中，Horton法提出得最早，是其它方法的基础 ，基本思路为：“最小不分枝的河流属于第1级，仅仅接纳第1级支流的属于第2级，接纳1、2两级支流的属于第3级，依次类推”。Horton法的另一个显著特征是以河流而非河段为“不分枝的河流”。推荐采用该方法的理由是：符合大多数河流水系的形成模式，即整个水系是以从小到大的模式形成的[1]，分级自小而大与产流汇流方向一致;‚确定的河流分级数与河流特征量（如流域面积、河长、水量、泥沙量、河流数量、水系形态、河流发育等）呈正相关;ƒ易于多级划分，分级方法客观性较强等。

本文倡导河流分级Horton法，并对其提出了3点主要改进：與水系划分相结合;‚选用“最小单元河流”替代“最小不分枝的河流”;ƒ引入河流树状图表。以长江流域为例，本文对作者以往已经取得的长江流域水系划分与河流分级初步研究成果[4]进行完善和提升，并将研究成果综合应用于长江流域水系划分方法的改进、重要河流水系的辨识和河流水系认识的提升等方面。

2 长江流域水系划分

2.1 典型划分

目前，代表性与权威性的长江水系典型划分可总结归纳为如下4种方法。

（1）中国河流名称代码法[5]。将长江水系划分为长江干流、雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江、洞庭湖、汉江、鄱阳湖等8个水系和太湖流域。

（2）长江防洪地图集法[6]。将长江水系划分为金沙江、上游干流区间、中游干流区间、下游干流区间、岷沱江、嘉陵江、乌江、洞庭湖、汉江、鄱阳湖、太湖等11个水系。

（3）中国河湖大典法[7]。将长江水系划分为雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江、洞庭湖、汉江、鄱阳湖、太湖等8个水系和8个干流区间水系（河源、8个水系入江口之间）。

（4）长江流域综合规划法[8]（以下简称“长流规法”）。将长江水系划分为干流和支流，再将支流区分为：：峡谷地带河流（如：雅砻江、大渡河、清江、沅江等）、丘陵平原地区的河流（如：岷江、沱江、嘉陵江、汉江、湘江、资水、赣江等）和中下游地区直接汇入江湖的中小河流等3种类型。

2.2 推荐划分

本文将长江水系推荐划分为干流水系与雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江、洞庭湖、汉江、鄱阳湖、太湖等8个支流水系。推荐划分思想最接近于“长流规法”，推荐划分水系最接近于“中国河流名称代码法”，主要遵循了如下2条基本原则。

（1）干流水系优先原则。借鉴并采用“长流规法”先干流、后支流的划分思想，而且将支流水系之外与干流连通的支流、湖泊、分洪道等优先划入干流水系。

（2）河流水系一致原则。划分水系（流域）与分级河流（支流、湖泊、河道）“一致”原则（即“一一对应”）。具体而言：长江流域（长江水系）与长江干流（长江）“一致”，干流水系与干流河道（干流）“一致”，支流水系与同名的支流或湖泊“一致”。

依据这2条基本原则，推荐划分摒弃了“太湖流域”称谓，保留并规范为“太湖水系”;摒弃了长江干流所有区间及金沙江水系，全部划入干流水系;摒弃了岷沱江水系，保留岷江水系、将沱江划入干流水系;将与长江中游连通的荆江4口分洪道（松滋河、虎渡河、藕池河和调弦河）以及汇入松滋河的洈水等划入干流水系而非洞庭湖水系;将汇入长江口的黄浦江划入干流水系而非太湖水系等。

基于水系形态与流域特性，推荐划分水系可区分为“河道型”、“湖泊型”和“混合型”3种类型。

3 长江流域河流分级

3.1 河长与流域面积关系

以流域面积1 000 km2或河长50 km为初选原则，收集整理了长江流域581条河流的流域面积、河长、流量等基本特性资料;以流域面积1万km2为分界阈值，分别建立了中小河流与大型河流的河长（L）与流域面积（A）之间的相关关系;相关分析表明：长江流域河流的河长与流域面积之间呈约0.5次方关系。

3.2“最小单元河流”选取

综合选取流域面积不小于2000km2或河长不小于100km的河流为长江流域河流分级研究的“最小单元河流”，选取理由及其合理性分析概括如下。

（1）流域大小与坡降是河流的控制性指标，流域面积表征流域大小，河长与坡度有关，两者虽然相关但又独立，采用双重指标更加合理。相比较而言，流量属于河道的主要特性指标且年际变化大，不宜选用。

（2）“最小单元河流”越大，河流数量越少，河流分级数越小;选取太大，可能因为河流数量偏少、河流分级数偏小而难以区分河流水系;选取太小，又可能因为小河数量太多、河流辨识困难（因水系形态复杂、河流发生“袭夺”等原因）而影响河流计数的准确性和河流分级的可靠性。

（3）相对于长江流域总面积（180万km2）与干流河道总河长（6300 km），流域面积阈值2000km2与河长阈值100km较小（占比分别为0.11%和1.59%），而且两个阈值之间是相互协调的，由此确定的河流数量与河流分级数理论上是适中和适合的，但是仍有待实践检验。

3.3 河流数量统计分析

为了准确地统计确定长江流域河流数量，避免漏计或重计，本文引入了如下3项河流计数约定。

（1）长江干流计数约定。将长江干流或长江（对应于长江流域和长江水系）与干流河道或干流（对应于干流水系）视为分级数不同的同一条河流。

（2）湖泊型河流计数约定。与长江干流直接连通的独立计数，如：洞庭湖，鄱阳湖，梁子湖;经过通江河道与长江干流连通的合计为一条河流，如：巢湖-裕溪河，龙感湖-华阳河，菜子湖-枞阳河。

（3）河源河口计数约定。多河源、多河口河流最多保留一個河源（河段或支流）、河口（河段或支流）合计为一条河流;其余河源、河口视为独立河流。例如：干流水系沱沱河（河段）与干流合计，当曲、楚玛尔河（支流）视为独立河流;汉江水系唐白河的白河（支流）与唐白河合计（唐白河-白河），唐河（支流）视为独立河流;岷江水系青衣江的玉溪河（支流）与荥经河（支流）均视为独立河流等。

基于“最小单元河流”和河流计数约定，本文统计确定长江流域（不含太湖水系）河流总数为374条。作为参照，“长流规法”[8]认定的流域面积1000km2以上河流是484条。按照单位流域面积上河流数量（∑N）为河流频度（f）的定义，计算得到长江流域河流频度为1.40～2.70条/（万km2）。

3.4 河流树状图表制作

通过引入并制作河流树状图表，可辨识并建立划分水系内所有河流之间的相互联系，由此可确定划分水系及其河流的分级数。本文以划分水系为单元、以岷江水系为范例，制作了岷江水系河流树状图表。河流树状图的制作思想与方法借鉴了地铁运行图（最早见于1863年投运的英国伦敦地铁），除了保留确定河流分级数所必需的基本特征信息之外，还可以直观和定量地图示河流连通关系、分级数、流域面积、河长等河流水系的主要特性。

图示的主要特性及其示意方法包括：河流连通关系——图示河流的干支流、左右岸等;河流分级数——以灰度/颜色和分级数示意;流域面积——以线条宽度按比例示意;河长——以线条长度按比例示意;河流其它信息——标示主要河流名称等。

3.5 河流分级成果分析

基于上述方法研究及其成果，本文研究给出了长江流域各推荐划分水系（不含太湖水系）及其374条河流的河流分级定量成果（表1）。经过初步分析，得到了如下几点认识。

（1）长江流域最高河流分级数为6级，按照级别为u的河流数量（Nu）与高一级u+1的河流数量（Nu+1）之比为河流分枝比（Ru）的定义，计算得到长江流域河流分枝比为2.00～5.07。

（2）按河流统计，6级河流1条，占0.27%;5级河流3条，占0.80%;4级河流6条，占1.60%;3级河流14条，占3.74%;2级河流71条，占18.98%;1级河流279条，占74.60%。

（3）按水系统计，岷江、嘉陵江、鄱阳湖为5级河流水系;干流、雅砻江、洞庭湖、汉江为4级河流水系;乌江为3级河流水系;各推荐划分水系的河流分级数存在差异。

（4）长江流域河流水系6级划分实践上是适中和适合的，且与5分制（“优良中及差”）和7级生物分类法（“种属科目纲门界”）较为接近。

4 研究成果综合应用

4.1 长江水系划分方法改进

基于河流分级定量成果、水系划分2条基本原则和河流基本特性指标（流域面积和河长），本文提出了长江水系的4种替代划分和综合划分方法（表2）。

（1）“方法1”、“方法2”基于4级、3级及以上且汇入长江干流的河流，保留太湖水系。

（2）“方法3”、“方法4”基于流域面积大于3万km2、河长大于500km且汇入长江干流的河流。

（3）“综合划分”是在划分水系最少的“方法1”基础上增加了乌江水系，增加理由是：仅乌江同时满足“方法2”、“方法3”和“方法4”，且长江水系4种“典型划分”中也均有乌江水系。

（4）“综合划分”与本文“推荐划分”恰好一致，两者取到了相互佐证的效果。

4.2 长江重要河流水系辨识

基于流域面积、河长和河流分级数等3个河流特性指标，本文综合选取流域面积大于3万km2或者河长大于500km或者4级及以上或者3级及以上且汇入长江干流等4个并集阈值条件，确定长江流域24条重要河流水系分别为：长江干流，当曲，楚玛尔河，雅砻江及鲜水河、理塘河/无量河，岷江及大渡河，沱江，嘉陵江及渠江、涪江、白龙江，乌江，洞庭湖及湘江、沅江、资水，汉江，鄱阳湖及修水、赣江，巢湖-裕溪河，太湖等（表3）。作为参照，“长流规法”[8]认定的流域面积1万km2以上河流为49条。

（1）采用3个指标而非水系划分的单一指标（流域面积）和河流分级的双指标（流域面积和河长）辨识重要河流水系，其目的是为了能够更加准确地反映河流流域、河道与水系的综合特性。

（2）流域面积阈值3万km2与河长阈值500km之间是相互协调的，而长江流域3级河流的平均流域面积为3.94万km2、平均河长为531km。

（3）阈值“3级及以上且汇入长江干流”还体现了“干流水系优先原则”，满足此条件入选的3级河流有：当曲、沱江、乌江、巢湖-裕溪河;未能入选的3级河流有：青衣江、州河、潦河和抚河。

4.3 长江河流水系认识提升

（1）河流水系辨识。楚玛尔河流域面积超过2万km2、河长大于500km，但仅为1级河流;洞庭湖“4水”（湘、资、沅、澧）与鄱阳湖“5河”（赣、抚、信、饶、修）的河流分级数差异很大;陕西省境内的嘉陵江和汉江为4、5级河流，其它支流多为1级河流，缺少2、3级河流等。

（2）河流整体性认识。流域整体性：强调流域支配水系和河道的主导地位，由此应摒弃“太湖流域”称谓;水系整体性：强调干流与支流水系（特别是“湖泊型”水系）的连通性;干流整体性：强调河源、上中下游和河口的一致性，因此应摒弃金沙江和干流区间水系;河道整體性：强调河谷、阶地、故道、牛轭湖、河漫滩、边滩、洲滩、浅滩、深槽等河道地貌单元的不可分割性。

（3）干流重要性认识。干流是长江最高河流分级数、流域总面积和总河长的“代言人”;干流水系河流数量最多（139条，超过1/3），且与所有支流水系连通。这与2016年江苏长江防汛工作实践建议相一致[9]。

（4）“分段河道不分级，分级河道不分段”【[10]。“分段河道不分级”：同一河流水系应具有同一分级数，其目的是维护和强调河流水系整体性，同时也是最“经济”的河流分级方法;“分级河道不分段”：对于多河源或多河口河流，最多保留一个河源或一个河口，例如：长江只保留正源沱沱河，将北源楚玛尔河与南源当曲视为支流。

5 研究展望

有待深入研究的课题包括：“最小单元河流”对河流分级的影响研究;大江大河河流分级比较研究;复杂河流水系分级方法研究;河流水系形态学研究;河流水系形态与流域产流产沙和河道汇流输沙之间关系研究;河流分级与其它地物（湖泊、水库、岛屿、动植物等）分级分类比较研究等。

参考文献：

[1]钱宁，张仁，周志德. 河床演变学[M]. 北京：科学出版社， 1987.

[2]董耀华，惠晓晓，蔺秋生. 长江干流河道水沙特性与变化趋势初步分析[J]. 长江科学院院报. 25（2）：16-20， 2008.

[3]Horton， R.E.， Erosional. Development of streams and their draining basins： hydrophysical approach to quantitative morphology[J]， Bulletin of Geology Society of America， （l56）： 275-370， 1945.

[4]董耀华，汪秀丽. 长江流域水系划分与河流分级初步研究[J]. 长江科学院院报. 30（10）：1-5， 2013.

[5]中华人民共和国水利部. SL249-1999中国河流名称代码[S]， 2000.

[6]水利部长江水利委员会. 长江防洪地图集[M]. 北京：科学出版社. 2001.

[7]中国河湖大典编纂委员会. 中国河湖大典（长江卷）[M]. 北京：中国水利水电出版社. 2010.

[8]水利部长江水利委员会. 长江流域综合规划（2012～2030年）[R].武汉：水利部长江水利委员会， 2012.

[9]董耀华，胡波，李少龙. 2016年江苏长江防汛工作实践[J]. 水利水电快报. 38（4）：9-12， 2017.

[10]董耀华，汪秀丽. 河流5区分段方法与长江干流分段实践[J]. 长江科学院院报. 34（6）：1-6， 2017.