城镇化进程中低丘山区水系连通性的初步研究与实践

赵思远，陈 菁，涂建琴，肖晨光，李金刚，毕 博，夏 欢

(1.河海大学农业工程学院， 南京 210098；2.河海大学水利水电学院， 南京 210098；3.南昌市新建区水利投资公司，南昌 330100)

1 研究背景

随着经济的发展和城镇化进程的加快，传统的农业灌排区在新一轮的建设中面临着诸多挑战，一部分地区对自身进行了升级改造，另一部分地区顺应城镇化的发展，成为了中心城镇或集中居住区[1]。城镇化的发展改变了传统农业区的灌排体系，使得河湖水系的纵横向连通状况与格局不断变化，水系保护、防洪除涝等一系列水问题突显出来，严重影响区域水生态环境的平衡，制约社会经济的发展[2]。基于上述问题，水利部多次强调了河湖水系连通的必要性。2010年1月召开的全国水利规划计划工作会上明确指出“提高我国水资源配置能力，必须做好河湖连通”[3]。2016和2018年，水利部办公厅相继向各省、自治区、直辖市、计划单列市水利(水务)厅(局)、财政局、新疆生产建设兵团水利局下达了关于开展全国江河湖库水系连通年度实施方案编制工作的通知，要求统筹城乡、全面谋划区域水系连通总体布局。水系连通性作为河流健康的重要指标，在新时代下的江河湖泊治理和水系规划中受到了高度重视。

近年来，国内外的专家学者们就河湖水系连通的概念和影响展开了广泛的研究讨论。Horton和Strahler分别在1945年和1957年提出了著名的河流分级定律[4,5]，为水系结构连通奠定了基础。Vannote R. L.等人强调了河流整体的连续性，提出在考虑水系连通时，需要注意河流结构、功能和流域特性的统一性[6]。李宗礼等人讨论研究了河湖水系连通的概念及内涵，提出可从机理分析、系统辨识与评价、连通工程规划、系统控制与调整4个方面展开，明确了水系连通的总体思路[7]。左其亭等人构建了河湖水系连通理论体系框架，阐述了关键理论及关键技术，并探讨了在水系连通中应注意的关系[8]。符传君等人通过分析河湖水系连通案例，总结相关研究成果，制定了一套相对完善的评价指标体系[9]。但河湖水系连通研究不仅需要理论基础，更需要实践支撑。因我国城镇化较晚，目前国内的水系连通案例主要集中在长江三角洲地区[10,11]、太湖流域[12]、淮河流域[13,14]等城镇化较快的平原河网地区，关于农业低丘山区水系连通性的研究相对较少。与平原河网密布、水流流向变化性大相反，低丘山区相对海拔较高，区域内河道大多为沿地势起伏自然形成的天然河道，水系结构相对简单，水流流向较为单一，城镇化进程一旦加快势必会对水系造成较大冲击，产生洪涝灾害问题，影响社会经济发展。本文以南昌市望城新区为例，通过构建水系连通性评价指标体系，对规划前后的水系进行对比分析，为我国低丘山区在城镇化进程中的水系规划及区域防洪减灾提供参考。

2 研究区概况

研究区位于南昌市新建区望城新区，面积为141.17 km2，具体位置见图1。区域为低山丘陵地貌，地势自西北向东南倾斜。全区属亚热带湿润季风型气候，四季分明，气候温和，雨量充沛。区内水库较多，河道、渠道均为西北—东南的纵向走向，防洪除涝标准低。望城新区是传统农业大区，属国家商品粮和优质米基地。2011年出台的城市总体规划提出，要积极推进对外开放和产业转型，至2030年，实现常住人口达到160万，城镇化水平达到78.1%。城镇化的不断加速，使得原有的水系结构遭受到了不同程度的破坏，众多河道、小型水库被填埋、淤堵，导致水系不畅和水面率下降，洪涝灾害频发，严重影响经济发展和社会稳定。

图1 研究区示意图Fig.1 Location of the research area

3 低丘山区水系连通性评价指标体系

长江水利委员会在2005年编写的《维护健康长江，促进人水和谐研究》报告中将水系连通性定义为河道干支流、湖泊及其他湿地等水系的连通情况，反映水流的连续性和水系的连通状况[15]。其包含2个基本要素：具有满足一定需求的保持流动性的水流和水流的连接通道。因此可从水流是否连续和连接通道是否通畅2个条件评价水系连通性的好坏[16]。本文参考符传君[9]等人的研究成果，将水系连通性分为结构连通性、水力连通性和地貌特性。

(1)结构连通性可反映水流是否具有相互连通的过水通道，可从承泄水体的河流数、河流和湖泊等水域的面积及相互间的连通性3个角度出发，评价区域内河流数量的发育程度、水系发育的规模和水系在空间上的连通性，是评价水系连通性优先考虑的要素。

(2)水力连通性可反映水流是否具有一定程度的流动性，可从河流动能、势能及过流总量的角度出发，评价区域内河流长度的发育程度和水体的过流能力。

(3)地貌特性可反映水流的连接通道是否受人工建筑物的阻隔及其阻隔程度，评价水系在空间结构上的纵横向的联系。

水力连通性和结构连通性密切相关，结构连通性是连通性调控的基础，水力连通性是内在目标，良好的结构连通性更有利于通过扩大河道规模、修建水利工程等措施，改善水系的水力连通性[17]。现有的研究往往着重考虑结构连通性的变化特征以保证水流的连通通道顺畅。而水体流动能力的强弱、排水能力是否充足和空间障碍物对水系的拦截作用等保障水流连续的因素容易被忽略。故本文在水系结构连通性的基础上，充分考虑研究区水体流动能力和输水效率对水系连通性的影响，构建了一套相对全面的评价指标体系，为准确评价水系连通性提供技术支撑。

3.1 结构连通性

综合考虑河流数量发育情况、水系规模和空间的连通程度，结构连通性的评价选取河频率、水面率、水系连通度3个指标。其中水系连通度基于图论和景观生态学指标，选取α、β、γ指数。

(1)河频率。河频率指单位区域面积上的河流数，反映河流数量的发育情况。河频率越大，单位面积上的河流数越多，即水体的容纳通道和排泄路径越多，河流的数量发育状况越好。计算公式为：

(1)

式中：Rf为河频率，条/km2；N为区域内河流数量，条；A为区域面积，km2。

(2)水面率。水面率是指河道和湖泊等水体多年平均水位下的水面积占区域总面积的比例，可从一定程度上反映研究区水系发育的规模[17]。计算公式为：

(2)

式中：Wp为水面率，%；Aw为区域内河流和湖泊的总面积，km2；A为区域面积，km2。

(3)水系连通度。水系连通度可体现水系的连通性水平，从空间上反映不同河道之间、河道与水域之间的连通程度。其评价源于景观生态学中的景观生态网络连接度的概念，借助于图论水系的连通性进行计算。目前景观生态网络连接度一般采用节点度数、廊道密度、水系环度α、连接率β、实际结合度γ和连接度C等评价指标。节点度数一般不用于水系连通，河道的廊道密度等价于河流密度[18]。故在本次研究中选取水系环度指标α、连接率指标β、实际结合度指标γ来评价低丘山区的水系连通度。

①水系环度指标α可反映河网水系实际成环水平，计算公式为：

(3)

式中：L为河链数；N为节点数。

②连接率指标β和实际结合度指标γ是以拓扑空间关系为基础而形成的，主要通过揭示节点和连通度的关系从而反映网络的复杂程度，不能反映实际距离、线性程度、连接线的方向及节点的确切位置[19]。计算公式为：

(4)

(5)

式中：L为河链数；N为节点数；Lmax为最大可能的连线数；γ在0到1之间，0表示节点没有连线，1表示每个节点都相互连通，对于网络连接，γ在1/3和1之间，当γ接近1/3时，网络为树状，接近1时，网络近似于最大平面网络，γ越大表明连接度越好。

为了更清晰地反映研究区内水系连通状况，参照《城市水系规划导则(SL431-2008)》和窦明[13]、马爽爽[18]等人的研究，制定低丘山区水系连通性指标α、β、γ的评价标准见表1。

表1 水系连通度评价标准Tab.1 Evaluation criteria of water system connectivity

3.2 水力连通性

水力连通性采用河网密度、水流动势、河道输水能力3个指标进行评价。

(1)河网密度。河网密度表示单位区域面积上的河流长度，可体现区域内排水的有效性。与地区的气候、岩层覆盖、植被和人类的改造措施有关，河网密度越大，区域单位面积上的河流越长，对降水的水文响应越快，排水性越好，可间接反映河流的发育与分布情况。计算公式为：

(6)

式中：Rd为河网密度，km/km2；Li为第i条河流的长度(i=1,2,…,n)，km；A为区域的总面积，km2。

(2)水流动势。水流动势可反映研究区内水流的流动能力，与河道比降、河道横断面形态等有关。水流动势越大，水体的流动能力越强，排水效率越高。对孟祥永[20]等人的研究进行改进，得到计算公式为：

(7)

式中：Ep为水流动势，J/km2；ρ水为水的密度，kg/m3；hi为河段平均水深，m；Di为河段水面面积，m2；Si为河段过水断面面积，m2；Qi为河段的过水流量，m3/s；A为区域的总面积，km2。

(3)河道输水能力。河道输水能力是指单位面积上河道的最大输水量，河道输水能力越强，区域内可承泄的水量越多，排水能力越强。计算公式为：

(8)

式中：P为河道输水能力，m3/(s·km2)；Qi为各河道的流量，m3/s；A为区域面积，km2。

3.3 地貌特性

地貌特性用来反映区域内水系的纵横向的联系。因水系环度指标α可反映水系的成环水平，可间接体现水系在横向的联系，故只采用纵向连通性指标对水系的纵向连接进行评价。纵向连通性指在河流系统内生态元素在空间结构上的纵向联系。计算公式为：

(9)

式中：W为纵向连通性系数，个/km，W越大，河流连通性越差；D为河流的断点等障碍物数量(如闸、坝等)，个；Li为第i条河流的长度(i=1,2,…,N)，km。

为了更清楚地反映水系的纵向的联系，结合郭亚萍[21]的研究成果，制定低丘山区纵向连通性指标的评价标准见表2。

表2 纵向连通性评价标准Tab.2 Evaluation criteria of vertical connectivity

4 水系数据

4.1 水系现状

研究区内现状水系数据主要依据卫星影像图和数字高程地形图，通过ArcGIS(10.6)软件提取，结合实地考察对水系数据进行核实，最终绘制出水系现状简图。研究区内北部有2座水库，自西向东分别为梦山水库和肖峰水库。梦山水库附属水系有西干渠、中干渠、东干渠和梦山河4条河道；肖峰水库附属水系有西干渠、肖峰河和东干渠3条河道。河道、渠道均为西北—东南走向。区域南部有众多小型水库、山塘和农渠等，但在目前的城镇化进程中，遭到了不同程度的破坏和填埋，为精简计算，本次只考虑水流走向显著的骨干河道，不考虑山塘、农渠等。研究区水系现状(河流名为现状)见图2。

图2 现状水系Fig.2 Current water system

4.2 水系现状存在问题

(1)防洪除涝标准低，工程设施老化。因社会发展水平相对滞后，研究区内闸坝、河道等修建年代较为久远，防洪除涝标准不足20 a一遇，施工质量差，工程设施老化现象严重，河道断面比较狭窄，调蓄和过流能力不足，部分河段河岸杂草丛生，河底淤积明显，严重影响洪水排泄。另外，因农业灌溉需要，行洪河道部分河段内建有抬水闸、坝、堰等工程，过流流量小，壅水作用明显，严重影响行洪。随着城镇化推进，地面硬化程度提高，区域水面率下降，雨水汇流时间缩短，洪峰流量变大，原有的防洪标准难以满足城镇化需求。

(2)水系结构简单、调配困难。研究区内河道、渠道均为西北—东南走向，缺少横向连通河道，水系在东西向上未连通，北部两水库水无法实现相互调配。虽然细碎的农渠、沟汊、池塘较多，但在城市建设过程中，土地的大量开发利用必将导致这些小型水系被填埋。余下的水系结构相对简单，连通性差，很难实现水资源统筹调配和协调行洪。

(3)未建立稳定的防洪除涝系统。非工程措施不健全，管理手段单一。现有管理手段科学化水平不高，难以适应现代化管理的要求。缺乏统一指挥调度系统，尚未建立一个完善的南昌市和望城新区防洪、排涝统一指挥调度系统，尤其是在遭遇特大山洪强降雨洪水时，望城新区北部水库及内部、外围南部的河流沟渠湖泊水库等设施在汛期难以实现统一调度。

4.3 水系优化布局

针对研究区水系存在的种种问题，遵循“水系布局顾全区域经济社会发展大局，尊重水系的自然条件和生态功能，挖大填小，大直小弯，随弯就弯，保证水面率”的原则[22]，对现状水系进行优化布局。拟在望城新区北部、中部、南部各新增一条东西流向的河道，实现梦山水系与肖峰水系的连通，并结合区域的地貌特性和土地利用规划，将现状小型水库和池塘相互连通，借助工程措施(拦河坝等)在规划区内形成水面，进而改善研究区内水景观和水环境。整治现有的纵向河道，并适当升级规划区内河道断面要素，提高河道的过流能力。形成“三河横通东西，两河纵贯南北”的骨干水系格局，构建以“联防联排联调”为核心的城镇防洪除涝体系。研究区规划后水系(根据当地水文化意境，以“梦”为主题对规划后河流进行重新命名)见图3。

图3 规划后水系Fig.3 Post-planning water system

4.4 水系图模型

在评价水系连通度时，为直观反映水系的河链和节点，可采用水系图模型方法。水系图模型方法是指利用图论中的图模型概念，将水系连通性状况通过几何图形的方式简单明了表达出来，之后利用图的性质进行分析[23]。规划前后水系的图模型见图4、图5。

图4 现状水系模型Fig.4 Model map of current water system

图5 规划后水系模型Fig.5 Model map of post-planning water system

5 研究结果

根据图2～图5，统计规划前后研究区内的河流数量、河流长度、河链数及节点数等水系特征参数见表3。

表3 水系特征参数对比Tab.3 Comparison of water system characteristic parameters

基于ArcGIS软件平台，应用低丘山区水系连通性评价指标体系，对规划前后的水系连通性进行评价，结果见表4。其中在计算纵向连通性时，需要考虑闸坝工程的影响，根据南昌市新建县水务局提供的资料，现状闸坝17座，规划后为9座。

表4 水系连通性评价结果Tab.4 Evaluation results of water system connectivity

规划后，为提供活水通道维持景观水面，新开设了多条河道，并对原有的部分河道进行了一定程度的更改和拓浚，水面率由5.95%增至7.13%。根据《城市水系规划导则》(SL 431-2008)2016年修订版，7.13%满足山区城市适宜水面率范围。在现状水系中，河频率为6.38 条/km2；水系环度指标α为0.05，等级为“中”；连接率指标β为2.0，等级为“差”；实际结合度指标γ为0.39，等级为“中”。

评价结果表明，原有水系单位区域面积上的河流数少，水系成环水平低，节点数和河链数少，为树状网络结构，连通性差。规划后，形成了“三横八纵”的水系格局，河频率增至9.92 条/km2；水系环度指标α为0.25，等级为“中”；连接率指标β为2.84，等级为“优”；实际结合度指标γ为0.51，等级为“良”。可见，由于新增了3条东西向的河道，节点数和河链数均得到了显著增加，河频率大幅度提高。水系环度指标α虽然仍为中等级别，但与规划前相比扩大了5倍，水系成环水平得到了大幅度提升。同时β、γ的等级均得到了提高，水系结构接近网状，连通性大大增强。趋于网状的水系结构可提供更多的排水路径，提高洪涝水的排泄和容纳能力。规划后的河网水系变化趋势由简单变为复杂、由单一变为多元，结构连通性显著提高。

经规划，区域内河流的总长度增加了30.01 km，河网密度由0.6 km/km2增为0.81 km/km2。新开了多条河道，并对原有河道进行了拓宽疏浚，河网密度得到了小幅度增长，但仍处于较低水平。原因是快速发展的城镇化过高的追求土地利用率，出现填埋河、湖、湿地等现象，留给水域和水系的用地急剧减少。水流动势增加了400 J/km2，河道最大输水能力增加了2.35 m3/(s·km2)，证明研究区内水体的流动能力和排水能力均得到增强，汛期时可更加高效地承泄更多的洪水，又可促进水体净化，改善河湖水质，有利于防洪除涝能力的提高和生态环境的改善。

现状水系纵向连通性系数为0.2 个/ km，评价等级为“差”，规划后，纵向连通性系数为0.08 个/ km，评价等级为“良”。主要原因是研究区现状为农业灌排区，建有17座中小型水闸和拦河坝，雍水效果明显，纵向对水系的阻断程度较高。规划后，拆除了原有的17座闸坝工程，新建了6座拦河坝和3座水闸，减少了河流断点障碍物的数量，水系的纵向连通性得到了加强。

由以上分析可得出，经过水系优化布局，望城新区水系的结构连通性达到了一定水平，通过合理布置水利工程，水力连通性和地貌特性也得到了相应改善。水系连通性的整体增强有效地提高了水资源统筹调配和防洪除涝能力，改善了水系生态环境，为社会经济的进一步发展提供了有力支撑。但基于水系连通格局的复杂性和气候影响的多变性，有关部门需要统筹协调，制定严格的运行调度准则，从而构建全面、安全、合理、稳定的低丘山区城镇防洪除涝系统。

6 结 论

目前国内对低丘山区水系连通性的定量研究案例较少。笔者以南昌市望城新区为例，选取9项指标，充分考虑结构连通性、水力连通性和地貌特性对水系连通性的影响，改进了水流动势的公式，建立了一套相对全面的水系连通性指标体系，并借助图论的相关理论，将河网水系概化为图模型，重点探讨了城镇化进程中低丘山区水系规划前后的连通性。应用的结果显示，本次构建的低丘山区水系连通性评价指标体系是可行的。研究表明，规划后研究区开设了多条与原河流走向相垂直的横向河道，河流数和节点数增加，各项指标呈不同幅度的增长，水系连通性增强。但由于城镇化的快速推进，一些指标虽增长但仍处于不理想状态，今后需根据新区的整体发展对水系进行有针对性的调整。水系连通性评价是一个涉及自然、社会、工程及环境等多方面的课题。笔者在建立低丘山区水系连通性评价指标体系时，以连通性的相关指标为主，存在一定的局限性，在今后的深入研究中可增加评价角度，丰富指标数量，从社会和自然功能等方面加强对水系连通的综合评价。