浑河水系连通性评价——以抚顺市境内水系为例

王朝宇

(辽宁省沈抚新区管理委员会城乡建设局，辽宁 抚顺 113000)

河流生态和水文研究的重要依据是河流结构及其形态，水系结构对河流水质、河网水情、洪水过程会产生明显影响，并且水循环、水资源配置以及水安全保障能力与河流连通格局密切相关。水系连通性对水生态保护和城市水系规划非常重要，新时期的经济发展提出了更新、更高的水资源配置要求[1- 4]。

对于水系连通性国内外学者做了大量研究，从连通方式、构成要素及驱动因素等方面探讨了河湖水系连通的内涵，依据水文连通和物理通道连通探讨了其定义，初步形成了水系连通理论体系及概念框架，通过对河网功能及特点的分析，揭示了河流健康、区域生态系统与水系连通性之间的作用关系，以及生态保护、水生态文明建设中河流连通性的重要程度。早期的水系连通性研究主要通过分析水文情势数据或定性描述地貌特征，间接反映水系连通性。近年来，景观生态学、连通性函数、水文水力学模型、复杂网络理论、图论等定量评价方法被越来越多的应用于河网连通性研究，部分学者利用水系格局连通性指标建立了综合评价指标体系。例如，Pedro等[8]对河网水系连通性利用图论法加以评价，提出清除障碍为快速提升水系连通度的有效措施；杨晓敏等[9]利用图论法评价了原始状态下引黄济青工程、胶东调水工程的水系连通性；邵玉龙等[10- 11]将河网连通性采用所有节点连通度的平均值进行分析，较为准确地揭示河流的变化情况；旭光来等[12]依据平均畅通度和水流阻力，构造了河网水系的加权连通度和矩阵模型。借鉴相关研究成果，以往的连通性评价方法多侧重于拓扑网络分析，而同时考虑水系空间网络特征和水系网络拓扑特征的研究还鲜有报道。鉴于此，本文选择抚顺市境内浑河水系为例，将水系网络利用空间网络和拓扑网络结构表征，对水系网络的连通性程度利用中心性、连接度、图论指标直观地分析，希望为河流生态治理、水系连通工程设计和完善水系连通性评价方法提供科学支持。

1 水系连通性评价思路

1.1 区域概况

抚顺市地处辽宁省东部，位于E123°55′、N41°52′，总面积11271km2，主城区位于浑河河谷冲积平原上。该地区属于长白山系龙岗山脉，地势呈西南、东北走向，地形特征为“八山一水一分田”，地貌特征以多山为主，平均海拔400～500m。抚顺市水资源储量充足，降水量充沛，年降水量750～790mm，主要有柴河、富尔江河、清河、浑河、柳河、太子河等12条河流，地表水资源丰富，径流量大。全市水资源总量39.82亿m3，可利用水域面积6667hm2，总供水量16.5亿m3，人均占有量1530m3，仅次于丹东和本溪地区[13- 15]。

浑河为抚顺市最大的河流，该河流流经县区最广、支流最多，主要有东州河、章党河、苏子河、英额河、社河、萌河、白塔河、古城子河、蒲河、拉古河、细河等支流。近年来，随着人口规模的扩大以及工业化、城镇化的迅速发展，境内具有储存和滞洪功能的池塘、湖泊、湿地面积逐渐消失，河流被侵占问题日趋突出，加之环境破坏、热岛效应进一步增强了区域降水频率和强度。植被减少和地表硬化加快了雨洪汇流速度，显著增大了水流流量及河道的不可控性，河水侵蚀、冲刷河岸及河床的作用增强致使城市洪涝灾害频发，采用科学的方法定量评价水系连通性极其重要[16- 18]。因此，本文选取完整性好、独立性强的抚顺市境内浑河水系为研究区，从地理国情监测信息中提取水系连通性评价相关数据。

1.2 评价思路

为科学评价河流系统的连通性引入水系网络分析法，将一段河流弧段(河链)利用拓扑网络分析法设定为节点，2条河链间存在邻接关系和水流交汇点，则代表存在连接边或两者相邻，通过连接和不连接的区分计算河湖水系的边连通度。河网中河流交汇的点利用空间网络分析法时设定为节点，河链为2个节点的连接边，结合水流速度、河链长度等因素确定连接边的值，在此基础上计算节点中心性程度，最终的河链连通度值为两端节点连通度平均值。此外，物种的移动在一定程度上受到水库的限制，结合相关资料以水系网络的隔断点作为网络中的水库。

2 水系连通性评价指标

2.1 拓扑网络评价指标

2.1.1图论指标

图论法可以定量反映水系的连通情况，属于一种利用图的性质分析河网水系的数学方法，现已在水文领域得到普遍应用。定义图论节点为河流交汇的点，河链为2个节点连接的边，采用河链和节点概化河网图形，将常用的图论指标利用网络中存在的子图、节点和边的数目计算。为更好地反映网络的复杂程度以及各种网络流可选择的迁徒路线程度，引入环度指标(α)，其表达式为：

(1)

式中，α—环度指标，取值区间为0～1，α取0或1分别代表没有形成网络回路和已最大限度的达到网络回路数；p—组分个数；m、n—河网中的河链数和节点个数。线点率(β)的计算公式为：

β=m/n

(2)

式中，β—线点率，取值区间为0～3，其值越大则代表节点连线数的平均值越大，水系网络的复杂程度越高，β取0代表不存在网络。网络连通性测度引入连通度指标(γ)，计算公式为：

(3)

式中，γ—连通度指标，取值区间为0～1，γ取0或1代表只存在孤立点没有连接成网络和网络中各个节点均相互连接。

2.1.2连接度指标

连接或不连接为水系网络河链连接性的2种状态，为准确度量水系网络的连接度特征引入IIC整体连接性指数，其数值越大则连接程度越高，IIC取值区间为[0，1]，计算公式为：

(4)

式中，nij—河链i与j的最短路径链接数；ai、aj—河链i和j的长度；AL—河网水系总面积。设I、Iremove为整体和河链i移除后的连接性指数，dIIC河链重要程度的数学表达式为：

(5)

2.2 空间网络评价指标

空间网络将河网中河流交汇点、河链作为节点和连接边，运用MCAM多中心分析模型评价空间网络。网络的整体结构特性、扩散特性和河链的重要性均可利用中心性指标衡量，其中特征向量度、接近中心性、中介度和节点度为较常见的中心性度量指标。本文对抚顺市境内浑河水系的网络中心性特征，运用UNA城市网络分析工具以及邻近、中介、直线中心性指标进行测度分析。

2.2.1邻近中心性

采用邻近中心性反映网络中节点的相对可达性，网络分析时利用所有节点与该节点的河链网络最短距离衡量，整个网络中邻近中心性值越大则节点的相对可达性越高，利用以下公式衡量邻近中心性，即：

(6)

式中，i、j—水系网络节点；N—节点总数；d[i，j]—节点i、j的网络路径最短距离；Closeness[i]为节点i的邻近中心性值。

2.2.2中介中心性

中介中心性可以反映节点的中介作用，其实质是经过2个节点的路径中最短路径所占比例，所以也称为中间中心性。整个网络中节点的枢纽转换或桥梁作用越好则中介中心性越高，数学表达式为：

(7)

式中，njk—节点j、k间的最短路径数；njk(i)—经过节点i、k时节点j的最短路径数量；Betweenness[i]—节点i的中介中心性质。

2.2.3直线中心性

节点与其他节点的水流通达效率利用直线中心性衡量，反映了实际网络距离与节点欧式距离的关系，其表达式为：

(8)

式中，dEucl[i，j]—节点i、j之间的欧式距离；Straightness[i]—节点i的直线中心性值。

3 结果分析

3.1 水系网络拓扑结构特征

抚顺市境内浑河水系网络图论指标利用Arc GIS10.2系统自带network工具进行计算。结果显示：环度指标(α)等于0.61，可见较多的回路数在水系网络中不存在；线点率指标(β)等于2.00，表明水系网络的复杂度较低；连通度指标(γ)等于0.72，表明每个节点之间并不完全相连，即水系网络的总体连接度不高。总体而言，抚顺市境内浑河水系的复杂程度较低，网络连接度不高，这符合水系分支状网络的特征。水系网络的整体连接特征可以用图论指标度量，仍需进一步衡量各河链、汇点在水系网络中的重要程度。

采用是否连接的边、节点替代河链的交汇处和河链，按照构造的水系网络拓扑结构确定整体连接性的重要程度指数。结果发现，整个水系网络中各河链的重要程度可以用整体连接性的重要程度指数来识别；抚顺市境内浑河水系网络中，长度长的河链和主要通道河链的连接度指标较高，而整体连接性的重要程度指数在孤立的水系组分中较低。

将连接度指标值利用自然断点法分级，见表1。连接度重要程度为中等、高、最高的河链有共10条，占河水系网络总河链的3.16%；连接度重要程度为中等、高、最高的河链长度为70.081km，占总长度的13.66%，可见单位长度上中等、高、最高重要程度的河链均较长。重要程度最低、低的河链数为262和45条，长度为286.815和156.024km，因此最低一级中的河链较多。

3.2 水系网络空间结构特征

水系网络数据集利用Arc GIS建立，然后对抚顺市境内浑河水系网络各汇流点的直线、中介、邻近中心性利用UNA城市网络分析工具进行计算，从空间分布上揭示各汇流点的中心性特征。研究表明：①不同指标所反映的水系网络汇流点的中心性特征具有一定差异，多维性特征揭示了水系网络各方面的重要度；然后对中心性值高值区进一步对比分析，结果发现中心性高值集中于孤立的小的水系组分，邻近中心性最高值由于存在较多小的孤立组分都分布于孤立组分中。②结合邻近中心性空间分布特征，核心边缘分布模式与地理学距离衰减规律不符；水系主干河流的汇流点和一些孤立的组分中均分布有中介中间性的高值，水系河网中高值呈分散分布状，表明这些汇流点具有最多的最短路径。总体上，主要组分中各汇流点的中介中心程度可以利用中介中心性分析来有效识别，由此可以降低孤立组分的影响程度。③水系主干河流的汇流点中和孤立组分中均有直线中心性较低值、最高值的分布，表明孤立组分的存在为该区域最高值分布的主要原因，直线中心性对主干河流汇流点的认识在一定程度上受到干扰作用。

表1 连接度指标分级

各水流点的直线中心性、邻近中心性受水系网络孤立组分的干扰作用较为明显，所以水系网络的空间结构难以利用中心性分析。对此，可以删除各孤立组分更好的反映其内部结构，对主干河流各汇流点的直线、中介、邻近中心性进行重新计算。结果表明，不删除情况下的邻近中心性与删除各孤立组分后的分布特征存在较大差异，核心边缘分布比较明显；此外，水系中较主要的主干水系可以依据邻近中心性分析来识别。在中介中心性分布差异较小的情况下可以不考虑孤立组分是否存在，对水系网络利用中介中心性分析有利于识别主要连通的河链或汇流点。较不删除孤立组分的直线中心性，水系网络出现一定的结构变化，直线路径与水系网络内任一汇流点到达直线性低的汇流点的最短路径存在最大偏离，该路径存在最低的汇流通行效率。由此表明，水系网络中较曲折的河链可以依据直线中心性能来确定，同时可以确定高通行效率的河链或汇流点。

4 结论

本文选取抚顺市境内浑河水系为例，对水系网络利用中心性、连接度、图论指标进行分析，主要结论如下。

(1)抚顺市境内浑河水系网络的复杂程度一般，连接程度较低，水系网络中各河链、汇点的重要程度无法依据图论指标衡量，图论指标只能对整体连接特征度量。整体连接特征的重要程度高值区为集中于水系网络的主干道或长度长的河链，各河链连接特征的重要程度能够利用水系网络连接度指标衡量。

(2)中心性高值区集中于孤立的小的水系组分内，直线、中介和邻近中心性有利于识别水系网络中曲折的河链、连通的河链或汇点、较主要的主干水系，不同方面上水系网络的重要程度可以利用中心性特征分析。

(3)研究方法日趋成熟和相关资料的不断丰富，未来仍需进一步探索连通性与水位、水文过程、水力坡度、连通目标之间的相互关系，加强生物多样性、河网泄洪排涝能力与各指标之间的作用规律研究。