长江荆南三口水系调蓄能力演变及其与水系结构的关联性

李景保，于丹丹，杨 波，代 稳，李 欢

(湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081)

河流系统是自然界最重要的生态系统之一[1]，是水资源形成与演化的主要载体，是人类社会发展的重要支撑[2]。流域水系具有水资源调配、泄洪排涝、供水、蓄水、净化水质、航运、水景、生态修复等自然功能和社会功能，特别是河网调蓄在削减洪峰、降低洪水危害中具有重要作用。随着区域经济社会的发展，人类活动干扰下的河流结构趋于简化,河流数量减少[3]，进而削弱了河网的自然调蓄能力[4]。河网功能、河流结构与河网调蓄能力之间的关系越来越受到关注。目前对水系调蓄能力的研究, 主要侧重于4个方面：①对湖泊调蓄能力的研究[5-6], 从不同角度系统分析构造运动、围垦、泥沙淤积以及裁弯取直等影响湖泊调蓄能力的因素及其影响程度；②对不同尺度流域水系调蓄能力的研究[7], 其研究方法是通过建立DEM 模型和淹没水位、淹没面积和淹水量之间的回归关系，估算出区域水系的洪水调蓄容量；③对河网调蓄能力的研究[8-11]，通过建立河网产汇流模拟模型, 用不同的方式概化河网，计算其调蓄容量；④借助SOBEK 模型建立简化区域河网模型，并通过设置不同的河流形态和结构情景，模拟河网结构变化对河网调蓄能力的影响，为基于调蓄目标的河网改造和水系综合整治提供量化技术支持[12-14]。

荆南三口河系位长江中游(荆江)南岸,是连接荆江与洞庭湖的水流通道。近60多年来受纵横交错的水利工程影响，河网密度、水面率、河网复杂度、支流发育系数、分维数等水系结构特征值均呈较大幅度的减少或下降趋势[15],导致该地区河流断流时间延长,枯期水资源短缺[16-18]。本文首先对河网调蓄能力进行计算，然后分析不同等级河流调蓄能力的时间变化，再对比分析不同水系片区调蓄能力的空间差异，最后用相关分析法分析水系结构与调蓄能力的关联程度。该研究旨在对生态河网建设，恢复河流生态结构,维系河流健康,以及实施河湖水系连通工程提供借鉴。

1 站点选择与三口水系调蓄能力计算

1.1 研究时期与河网区系的划分

荆南三口水系是沟通长江与洞庭湖北部地区的水流通道, 主要由松滋河、虎渡河、藕池河、华容河(1958年堵口建闸)分泄长江水入洞庭湖北部的河道所组成的平原水网(图1)。为了便于比较研究，首先,依据水利工程运行时间将1951—2016年划分5个时期即1951—1955年、1956—1978年、1979—1990年、1991—2008年、2009—2016年,并选取1955年(相对稳定期即基准期)、1978年(下荆江三处裁弯工程后)、1990年(葛洲坝水利枢纽运行后)、2008年(三峡水库试验性蓄水运行及退田还湖工程初期)、2016年(三峡水库及退田还湖稳定期)的水系纸质图、地形纸质图和影像图, 其比例尺均为1∶50 000，以保持相关资料的一致性。基于水系的完整性，以天然水系为单元，将荆南三口水系划分为松滋河、虎渡河、藕池河、华容河4大水系片区(图1，表1)。依据河道普查资料对河网开展分析后确定1～2级河流河水深度取值2.00 m，3～4级河流河水深度取值5.00 m，5级主干河流河水深度取值6.00 m。

图1 荆南三口河系主要水文站点分布

1.2 水系调蓄能力指标的设定与计算方法

基于水系调蓄能力的内涵，同时考虑数据的可获取性，在松滋河、虎渡河、藕池河三大水系中各取一处具有代表性的水位站，分别为新江口、弥陀寺和管家铺站，并从荆州水文局获取以上3站的多年平均水位、警戒水位和历年最低日水位。基于荆南三地区河道特征资料的可取性,选择槽蓄容量、可调蓄容量、单位面积槽蓄容量和单位面积可调蓄容量4个指标，并进行量化，用其值表征三口水系调蓄能力。

a. 槽蓄容量。槽蓄容量代表的是河流水位在一般情景下河道所承载水体的总容量，在本文中代表的是荆南三口地区的河流水位在常水位时河道所承载水体的总容量。其数值的变化直接反映水系容蓄水量及涝水的调度能力，对区域水环境容量的确定、水资源调度以及防洪排涝都有重大意义。以黄海高程作为各水位站点的基准面，每个水位站点所对应的水位值应该是稍高于实际所测量的水位值。由于该地区位于洞庭湖以北地区，地形较为平缓，流域内河流众多，水系结构和连通变化较为复杂，因此，为使计算更加简便，把河道看作是矩形的，槽蓄容量C的计算公式为

表1 荆南三口地区水系片区划分及各片区的概况

C=(Ah-Dg)LW

(1)

式中：Ah为正常水位；Dg为河水深度；L为河道长度；W为河流的对应宽度。

b. 可调蓄容量。可调蓄容量是指河流在一般情况下，可以连续最大限度承载水体的总容量，或者说是河道从某一水位上升到一定水位(通常是指由低水位上升到警戒水位)时这一时段矩形河道所承载水体的总容量。在防洪的角度来看，河网可调蓄容量AC对洪水调蓄作用尤为明显，其计算公式为

AC=Cj-Ci

(2)

式中：Cj为河流在警戒水位时所对应的槽蓄容量；Ci为河流在最低水位时的槽蓄容量。

c. 单位面积槽蓄容量。单位面积槽蓄容量表示水位在一般条件下河网槽蓄容量和区域面积之比，它是对河网调蓄能力的一种直观反映。比值越大，也就直观地反映出研究区域内河网的蓄水能力相对较强。单位面积槽蓄容量SR的计算公式为

SR=C/A

(3)

式中A为研究区所对应的水系片区的面积。

d. 单位面积可调蓄容量。单位面积可调蓄容量是指河道水位由某一水位上升到一定水位时这一时段矩形河道所承载水体的总容量，即为与所计算河流的区域面积之间的比值，表示的是所计算对应区域河道对洪水的调节能力。单位面积可调蓄容量ASR的计算公式为

ASR=AC/A

(4)

基于参考文献[18-19]，获取荆南三口地区各水系片区及各不同等级河流的长度、宽度、数目等基本数据，并通过荆州水文局得到各水位站点相应的水位数据。再运用式(1)～(4)分别计算该研究地区各水系片区槽蓄容量C、可调蓄容量AC、单位面积槽蓄容量SR、单位面积可调蓄容量ASR。值得指出的是，在计算以上4个参数时，为了使计算得以实现做如下假设：①河流的河床假设其为矩形，这样的假设是为了使河断面宽度不随水深变化而产生不同的宽度；②假设研究区域人类活动对小河流的宽度变化影响不大，且河流宽度没有固定数值，处于不断变化之中。根据荆南三口地区的河势，1级河流的河宽度统一取值5.0 m，2级河流15.0 m，3级河流30.0 m，4级河流40.0 m，5级河流60.0 m。

2 水系调蓄能力的时空变化

水系调蓄能力指单位面积可调蓄容量与单位面积槽容量之和,其大小受河流水位、长度、数目和面积等方面的影响。

2.1 不同时期水系总调蓄能力的变化

基于荆南三口水系结构的一些特征参数如河长、河流数目等[18]，再运用式(1)～(4)得到不同时期该研究区水系总体调蓄能力(表2)。通过比较1955年、1978年、1990年、2008年、2016年5个不同时期的水系总调蓄能力，可以发现荆南三口地区水系总调蓄能力的各参数指标数值均呈逐期减小状态。其中,从1955年到2016年水系槽蓄容量C减少了26.17%，而河网调蓄容量AC减少了47.59%。就年均减幅而言，水系的槽蓄容量和可调蓄容量在1955—2016年间年均减少量分别为2 499.51万 m3和2 236.56万 m3。水系单位面积槽蓄容量由1955年的2.35万 m3/km2逐期减少到2016年的1.74万 m3/km2；水系单位面积可调蓄容量ASR由1955年的1.15万 m3/km2减少至2016年的0.60万 m3/km2。从阶段性变化来看，与1955年比较，SR在1956—1978年、1979—1990年、1991—2008年、2009—2016年4个阶段中的减少率分别为0.28%、0.85%、0.23%和0.74%；ASR在这4个阶段中的减少率依次为1.41%、0.83%、0.26%和0.67%。从总体来看，三口地区水系天然调蓄能力呈减弱趋势，且SR、ASR在各阶段的递减率有所差异，SR在1978—1990年间减少最为显著，ASR在1956—1978年间下降得最为明显，随后减少率有所下降，且在1990—2008年间SR、ASR减小幅度远小于其他阶段。

表2 不同时期三口地区水系总调蓄能力的变化

综上所述，荆南三口地区不同时期水系总调蓄能力均呈减弱趋势，这是由河流数量减少，水系发育趋向于主干化和单一化[20]所致。如果河流水位处于上升状态，又在河道入流水量相同情况下，水系调蓄能力的下降则有可能增大该地区的洪涝灾害风险。

2.2 不同时期不同等级河道调蓄能力的演变特征

采用斯特拉勒 (Strahler )法对河流进行分级[21]将荆南三口地区河流分5个等级。在此基础上, 运用式(1)和(2)计算该地区1955年、1978年、1990年、2008年、2016年5个时期所对应的不同等级河流的C和AC，计算结果见表3和表4。其中 1、2和3级河流的槽蓄容量从1955年到2016年分别减少了63.91%、26.32%和10.13%； 4级河流和5级河流的槽蓄容量从1955年到2016年分别增加了564.83万m3、173.47万m3。1、2级和3级河流可调蓄容量从1955年到2016年分别减少了409.08万m3、214.44万m3和136.41万m3；4和5级河流的可调蓄容量1955—2016年分别增加了50.78万m3和59.74万m3。上述分析表明，小河流(1、2和3级河流)的调蓄能力下降最为明显，即河流等级越小其调蓄能力减小程度越大。这是由于大量河道较窄的小河流，在人类活动(修筑房屋，建设道路、田园化等)过程中被人为填埋，或消失，或成为断头河，或由于水利工程的修建，来水量减少，或断流，导致低等级河流消失。而骨干河道(4级和5级河流)的调蓄能力在总体上呈上升趋势，且呈现先减少后增加的变化趋势，其主要原因与荆南三口地区近60多年来对骨干河道实施的疏浚、堵支强干、合支并流等治理工程密切相关。

由式(3)和(4)计算出荆南三口地区5个时期不同等级河流的SR和ASR(图2、图3)。由图2、图3可以看出，研究区域不同等级河道SR和ASR在不同时期的变化幅度有较大差异。在1955—2016年间，以5级河流的SR最大，1级河流的ASR最大。由此可见，骨干河流具有较大的蓄水功能，而低等级河流对于调蓄水量具有重要作用。4级河流和5级河流SR和ASR基本保持不变，其间有小幅增长；1、2和3级河流SR和ASR呈逐期减少趋势，特别是以低等级河流的ASR减幅最明显。

表3 研究区不同等级河网槽蓄容量 万m3

表4 研究区不同等级河网可调蓄容量 万m3

图2 研究区不同等级不同时期水系单位面积槽蓄容量的差异及变化

图3 研究区不同等级不同时期水系单位面积可调蓄容量的差异及变化

河道狭窄且数目较多的1级和2级河流槽蓄容量下降幅度较大。这一结论充分表明，受人类剧烈活动(水利工程的修建、城镇用地扩张、修建道路等)的影响，大量细小河道被封堵或填埋，不断减少，导致该地区内的水系整体调蓄能力逐期下降。再以水系SR和ASR的变化速率为例，1级河流在1978—1990年和2008—2016年的SR变化速率明显高于1956—1978年和1991—2008年，其中1978年、1990年、2008年、2016年分别减少0.008 7万m3/km2、0.012 6万m3/km2、0.007 1万m3/km2和0.011 9万m3/km2；4级河流在1978年、1990年、2008年、2016年的增长量为0.004 1万m3/km2、0.009 0万m3/km2、0.004 9万m3/km2和0.027 5万m3/km2，在1979—1990年和2009—2016年这两个阶段SR增加速度明显高于1956—1978年和1991—2008年。1956—2016年，4级和5级河流ASR分别增加了8.64%和14.44%；而1级、2级和3级河流ASR却分别减少35.09%、18.31%和18.24%， 4、5级河流的ASR一直呈上升趋势，但上升幅度不大，表明低等级河流的ASR降幅相对较大，而高等级河流的ASR降幅相对较小，这意味着荆南三口地区主干河流的调蓄能力有所增强，而河道较窄的低等级河流的调蓄能力在不断退化。

2.3 不同水系区河网调蓄能力的区域差异

通过式(1)～(4)计算分别得到1955年、1978年、1990年、2008年、2016年荆南3口地区三个水系片区的河网调蓄能力(表5和表6)。由表5和表6可以发现，1955—2016年各水系片区河网槽蓄能力均呈逐期下降态势，且各区系间的河网调蓄能力不尽相同。以C、AC而言，在各个时期各水系区C与AC均呈减少趋势。水系调蓄能力最大的是藕池河水系片区，调蓄能力退化最大的也是藕池河水系片区，1955—2016年其C与AC分别减少了23.73%、34.6%；松滋河水系片区C与AC分别减少了21.58%和34.6%；虎渡河水系区C与AC分别减少了23.83%和23.73%。再以SR、ASR而论，在1955年、1978年、1990年、2008年、2016年5个时期中，该地区各水系片区河网SR最强的是藕池水系片区，2016年其SR为2.86万m3/km2，ASR最强的也是藕池河水系片区，2016年其ASR为1.05万m3/km2，明显高于其他水系区。而河网SR和ASR最低的是虎渡河水系片区，1955年其SR和ASR分别为3.36万m3/km2和1.16万m3/km2。此外，不同水系区片的调蓄能力退化速率也存在一定的差异，其中以藕池河水系的退化速率最快，1955—2016年SR减少了1.15万m3/km2，递减速率为28.72%，ASR减少0.73万m3/km2，递减速率达41.15%，明显快于其他两个水系区片。

3 水系结构与河网调蓄能力的关联性

水系(河网)是由大小不同、长度不等的河槽相互交错组成的网络状泄水蓄水系统[17]。这一概念强调了水系调蓄能力与水系结构、连通能力(其内部的河流数量、水力、河流长度、面积等河流的基本属性)密切相关。鉴于此, 从水面率、河流等级、水系数量和河流结构等视角剖析荆南三口地区水系结构与河网调蓄能力之间的关联性，从而揭示水系结构、河流水文连通、水系连通度、水系连通性对河网调蓄能力强弱的影响程度。

3.1 水系结构与河网调蓄能力的相似性

为了分析水系结构与河网调蓄能力的空间变化相似性，将荆南三口地区各水系区片的水面率(Wp)和各水系区片的C、AC、SR和ASR等参数作比较，得出水面率的高低分布地区与调蓄能力参数的大小分布地区(表7)。由表7可知，松滋河水系区片与虎渡河水系区片的河网调蓄能力相对较弱，同时，这两个水系的水面率也相对较低；藕池河水系是水面率最高的水系区片，其对应的水系调蓄能力参数也明显大于其他水系区片, 也就是说，相对较大的水面率、分维和河网自然度仍然反映了调蓄能力与河流结构之间的关联。这表明河网调蓄能力与河流结构的空间变化具有明显的相似性, 河网调蓄能力与人类活动(水利工程)之间的逆变关系相对清晰, 意味着水利工程对调蓄能力的影响大于对河流结构的影响。由此认为，水系结构与河网调蓄能力在空间变化上呈明显的相似性。

3.2 河流等级与河网蓄水能力的关系

为揭示河流等级与河网调蓄能力的关系，基于研究区不同等级河流的SR和ASR(图2，图3)，计算其比值(图4)。荆南三口地区不同等级河流SR与ASR的比值关系表明，该比值是随着河流等级的增大而不断增大，即河流等级越大，比值越大，也就是说，河流SR相对于ASR而言数值越大，河流的蓄水能力越强。1、2级河流该比值都小于1，说明这两个等级河流的SR都小于ASR，其调蓄能力较强。3、4和5级河流SR、ASR比值都大于1，等级越高，比值越大，说明其蓄水能力越强，较小河流具有很强的调蓄能力，而主干河流具有很强的槽蓄能力,低等级河流调节功能显著, 而且低等级河流的数量和结构对河网调蓄能力的影响更大。由此进一步验证了河流结构对河网调蓄能力的影响。同时也说明了要提高河网调蓄能力, 不仅要规划和保持一定的水面率, 还要优化和修复河网结构, 维护河流自然的等级发育规律。

表5 研究区不同水系区片河网槽蓄容量及可调蓄容量 万m3

表6 研究区不同水系区片河网单位面积槽蓄容量及单位面积可调蓄容量 万m3/km2

表7 荆南三口地区不同水系区片的调蓄效应

图4 不同等级河流SR与ASR的比值关系

3.3 水系数量、河流结构与河网调蓄能力的关系

为系统分析水系数量、河流结构与河网调蓄能力的关联性，选取松滋河、虎渡河和藕池河3水系区片的水系结构指标数据、槽蓄能力指标数据和可调蓄能力指标数据，提取其对应年份及区片的水系结构参数与调蓄能力参数，并在SPSS软件中用Pearson法对提取的数据进行相关性分析，分析结果见表8。由表8可知，荆南三口地区河网调蓄能力与Wp呈高度正相关关系，其相关系数都高于0.995，这表明河网调蓄能力大小与水面率大小密切相关，同时调蓄能力还与发育系数K、河网复杂度CR、分维数D、河网密度DR相关，这反映出水系结构决定了调蓄能力的大小，即D值越大，Wp越高，K越大，所对应的河网调蓄能力也就越强。1955—2016年荆南三口地区修建水闸、矮围灭螺，堤垸合并、田园化、渠系化、平垸行洪、退田还湖等各种水利工程和下荆江裁弯取直工程，天然水系结构遭受破坏，使水系结构向单一化方向发展，这正是导致该地区河网整体调蓄能力下降的症结所在。

表8 河网调蓄能力指标和水系结构指标间的相关系数

注：**表示在0.01水平上显著相关；*表示在0.05水平上显著相关，下同。

4 水系连通性变化与河网调蓄能力的关联性

4.1 水力连通性与河网调蓄能力的关系

为分析水力连通性与河网调蓄能力的关系，选取松滋河系区、虎渡河系区和藕池河系区1955年、1978年、1990年、2008年、2016年5个时期的水文连通参数和槽蓄能力参数和可调蓄能力参数，提取其对应年份及各水系区的水文连通参数与调蓄能力参数，在SPSS软件中用Pearson法对提取的数据进行相关性分析，分析结果见表9。由表9可知，河网SR与ASR与水文连通性的相关系数均在0.01以上，且都为正数，即水文连通与SR和ASR水平呈显著正相关，这意味着两水位站点之间的水力连通值越高，所对应的河网调蓄能力越强。

表9 河网调蓄能力指标和水文连通指标间的相关系数

4.2 水系连通度、连通性与河网调蓄能力的关系

为分析水系连通度、连通性与河网调蓄能力的关系,选取松滋河、虎渡河和藕池河3区系的水系连通度指标值、连通性指标值、槽蓄能力指标值、可调蓄能力指标值，提取其对应年份及区系的水系连通度、连通性参数、槽蓄能力参数、可调蓄能力参数，在SPASS软件中用Pearson法对提取的数据进行相关性分析，分析结果见表10。由表10可知，荆南三口地区的河网调蓄能力与水系连通环度α、水系连通度γ、水系连通性E和水系连通性F均在0.01水平上呈显著正相关，且与河网节点连接率(β)在0.05水平上显著正相关，表明水系连通度和水系连通性与河网调蓄能力关系密切，即河网调蓄能力受水系连通的影响显著，水系连通环度、水系连通度、水系连通性E和水系连通性F值越高，河网调蓄能力就越强。

表10 河网调蓄能力指标和水系连通指标间的相关系数

综上所述, 该地区在以水利工程为代表的人类活动下的水系结构变化,引起了河网调蓄能力的变化，特别是水系连通性变化对河网调蓄能力的影响更为显著。由此可以认为，在不影响现有三口水系及江湖关系格局的前提下，一是结合疏浚河道、全面封堵交叉串河、“堵”支并流、“塞”支强干等工程措施优化水系结构；二是利用水闸改建、开闸引水、开挖新河调水等工程措施, 提高各河流的蓄水能力；三是疏挖枯水深槽, 因势利导兴修藕池河中西支平原水库、虎渡河下游平原水库, 与此同时，优化三峡水库调度方案，加大水库汛末蓄水期的下泄水量，从整体上增加三口河道的径流量, 缩短河流断流时间。通过这些措施沟通河流、湖泊、湿地等水体，形成引排顺畅、蓄泄协调、丰枯调剂、多源互补、可调可控的河湖水系格局, 最大限度地增强河湖水系的水力连通程度，进而提高荆南三口地区的河网调蓄能力。

5 结论与讨论

a. 河网总体调蓄能力呈逐期缩减趋势。河网调蓄能力的衰减，在河道入流水量相同的情况下，一方面在丰水期河网水位上升，增大洪涝风险；另一方面在枯水期河网水位下，则增大旱情风险。

b. 不同等级河流的调蓄能力具有差异性，其中以1级、2级和3级河流调蓄能力各指标参数减少最为明显，而4级和5级河流的调蓄能力各指标参数减少值相对较低，河网SR和ASR具有明显的等级差异，ASR以低等级河流(1、2、3级)减少幅度最大。

c. 各水系区河网槽蓄能力和可调蓄能力均呈逐期减弱态势，其中以藕池河水系区衰退最显著，藕池水系片区的SR和ASR最强，但缩减程度较大；虎渡河水系区的SR和ASR较弱。

d. 河网调蓄能力大小与发育系数、河网复杂度和分维数相关。水力连通与SR和ASR呈显著正相关，水系连通环度、水系连通度、水系连通性E和水系连通性F值越高，区域河网调蓄能力就越强，表明水系结构、河流水文连通、水系连通度、水系连通性对河网调蓄能力强弱的变化起着决定性作用。为保证该地区各水系区的河网调蓄能力不下降或者降低其下降速度，一方面要保护现有河道，尊重河网自然等级的发育规律，维持区域内水面率的稳定状态；另一方面结合农田水利与城镇化建设实施河湖水系连通工程，逐渐恢复水系结构功能与其调蓄能力。

e. 平原河网地区水系形态结构，如水面率、河面率、 分支比等与SR、ASR等参数具有显著的关联性。因此，应从保护河网水系结构和功能及提高水系调蓄能力的角度考虑荆南三口平原河网地区的平均水面率、平均河面率应保持的百分比。平原河网地区河流时空关系复杂, 如何建立更合理的平原河网地区的河流分类系统，如何通过实测、模拟和历史资料的系统分析, 探讨具有不同等级河流结构的河网调蓄能力。同时，三口河网属高强度人类活动区域，如何调控人类活动方式对水系结构与功能变化的影响，这些均是值得今后进一步探讨的问题。