洞庭湖区蓄洪垸内农田渠系连通性评价及优化

李凯轩，李志威,2，胡旭跃,2，王赞成，钱 湛

(1.长沙理工大学 水利工程学院，湖南 长沙 410114；2.洞庭湖水环境治理与水生态修复 湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114；3.湖南百舸水利建设股份有限公司，湖南 长沙 410007；4.湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007)

1 研究背景

洞庭湖区处在长江荆江河段的南岸，由西、南、东洞庭湖、数量众多的中小湖泊和环湖河流以及重点垸、蓄洪垸和一般垸组成。其中，洞庭湖区蓄洪垸对调蓄和分泄长江荆江段的超额洪水，确保洞庭湖区人民生命财产安全具有显著作用[1]。随着近年来荆江-洞庭湖关系的自然演变，加之人类活动的频繁干扰，湖区部分河湖与湿地的面积不断缩小，堤垸内局部农田渠系由于缺乏合理有效的治理与维护，遭遇洪水时难以快速分洪和泄洪。特别是蓄洪垸内部分农田渠系被不同程度地覆盖和填埋，导致缺乏连通或连而不通，影响其农业灌溉和行洪排涝功能的正常发挥。

已有工程实践表明，水系连通是合理配置水资源、提高供水保障率和增强局部洪旱灾害防治能力的重要方法[2]。水系连通性作为研究水系连通的关键一环，是指自然河道或人工渠道和与之连通的湿地之间的水力联系[3]，还可定义为水系景观空间的结构连接程度[4]。诸多研究结果表明，研究水系连通性对优化区域蓄水治涝能力具有指导意义。Cui等[5]基于图论法对小清河流域不同流量下的水系网络进行连通性评估，得出了河道畅通可减少高流量期的洪水风险的结论。李普林等[6]构建了水系连通性评价指标体系，运用于评价城镇的水系规划水平，结果表明水系连通性的提高可缩短洪涝排水时间。徐光来等[7]基于水流阻力和图论法，借助ArcGIS和MATLAB定量分析太湖流域嘉兴平原河网地区的水系连通性，得出连通疏浚河道可提高区域的泄洪能力。孟慧芳等[8]提出基于水文过程与水流阻力的水系连通度定量评价方法，揭示城市蓄洪排涝能力与河流连通程度呈正相关关系。现有研究结果主要针对大尺度的流域或城市自然河系，而对于“自然-人工”复合因素作用下断面窄小且连通受阻较严重的农田渠系连通性研究，尚缺少报道。

为治理洞庭湖区蓄洪垸的洪涝灾害，目前主要在蓄滞洪区的分类调整[9]、洪水的可视化模拟[10]和生态补偿[11]等方面展开了理论探讨。畅通的水系网络是地区防洪排涝和供水安全的重要保障[7-8]，蓄洪垸内自然河湖较少，农田渠系承担主要的灌排任务，其连通性亟待评价和优化。本研究通过定量评价洞庭湖区蓄洪垸内农田渠系的连通现状，分析其与灌溉、行洪和排涝的内在关联，提出合理的农田渠系连通工程思路，为提高蓄洪垸的防洪和调蓄能力提供借鉴。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

洞庭湖区蓄洪垸是指人类通过人工围垸垦殖形成的可进行农业生产并贮存超额洪水的蓄滞洪区。在遭遇极端洪水情景下，通过蓄洪和破堤行洪，降低洞庭湖区城镇和重点垸的洪水水位，减少区域生命和经济损失。随着长江上游干支流控制性水利工程建成后，中下游超额洪量减少，2020年后拟取消安化垸、六角山垸、和康垸及南顶垸等4个蓄洪垸，数量上由24个减少至20个[9]。蓄洪垸根据其启用频率和保护区域的作用由高到低分为重要蓄洪垸、一般蓄洪垸和蓄滞洪保留区。洞庭湖区水系及蓄洪垸分布见图1。

图1 洞庭湖区水系及蓄洪垸分布

2.2 数据来源

根据2019年Google Earth遥感影像，在不考虑水体流动变化的情况下，运用标尺工具描绘蓄洪垸内的农田渠系及垸内外的自然河系。洞庭湖区灌排渠道总长约29 407 km，其中小型渠道(底宽1～5 m)约占49.60 %，20世纪60-70年代基本建成后至今几乎未得到系统整治，急需清淤疏浚的渠道约占总渠长的68.02 %。由于蓄洪垸内渠系断面窄小，遥感影像的分辨率约为0.6 m，因此本研究仅描绘完全连通或堵塞较轻的干渠和支渠。根据湖南省洞庭湖区堤垸图集和洞庭湖区1∶300 000水利工程图对描绘的水系进行校对，借助ArcGIS平台的转换工具将Google Earth生成的图像转为水系格局图形，运用AutoCAD统计水系起点和交汇点的数量并计算水系的长度。

2.3 评价方法与指标

基于景观生态学中关于廊道与空间网络的分析方法，将水系概化为廊道，水系起点与交汇点概化为节点，廊道之间相互交错形成空间网络。选取河网密度Rd定量评价水系自身结构的连通形态，选取水系环度α、节点连接率β和水系连通度γ定量评价不同水系相互交汇连通的程度[12-14]。考虑渠道作为蓄洪垸内水体流通的主要载体，在打通河湖关系和调配水资源上与河道处于同等重要地位，因此将上述方法和指标的评价对象由自然河系延伸至农田渠系。

河网密度Rd表示水系通达程度，反映水系自身发育水平，计算公式为：

(1)

水系环度α表示不同节点形成环路的程度，反映水系连通成环的能力，计算公式为：

(2)

节点连接率β表示节点之间连接的难易程度，反映节点连接廊道的能力，计算公式为：

(3)

水系连通度γ表示水系中廊道间的相互连接数与最大可能廊道连接数之比，反映水系实际结合连通的能力，计算公式为：

(4)

式中：LR为区域内水系总长度，km；A为区域总面积，km2；L为河流数量;V为节点个数;Lmax为最大可能廊道连接数。

参考相关文献中对评价指标取值范围的界定[6,14-15]，结合洞庭湖区堤垸现状农田渠系的建设布局和新农村建设的发展需求，制定适用于评价洞庭湖区蓄洪垸内水系连通性的评价标准，见表1。

表1 蓄洪垸内水系连通性评价标准

2.4 蓄洪垸内水系连通性优化策略

农田水系通过发挥其灌排功能来巩固蓄洪垸的防洪体系。定量评价蓄洪垸内水系的连通状况后，需结合该蓄洪垸区域的防洪要求和农业生产需要，合理地确定连通格局并开展水系优化工程，以加强垸内水系的连通性。通过疏浚淤堵的水系，新建或翻新损毁的水闸和电排，提高其行洪、排涝和灌溉能力，保障“分得进，蓄得住，退得出”，达到“蓄泄兼筹，以泄为主”的目标[16-17]。对不同类别的蓄洪垸，应结合其蓄洪重要性和启用概率，因地制宜地进行分类指导。

(1)重要蓄洪垸的防洪启用概率为10～20年一遇，防洪地位最高，应尽快实施水系连通工程以适应堤垸行洪。以水系连通性指标为指导和参考，但不宜单纯为了提高水系连通性而连通，需注重与当地乡村建设规划的衔接，尽量避免对农田的占用。

(2)一般蓄洪垸的启用概率通常为20～30年一遇，对保障长江荆江段大堤和洞庭湖区四水尾闾地区的防洪排涝和供水安全具有显著作用。近20年来城镇化和工农业发展进程加快，应在不破坏原有水系、农田和道路的前提下，多通过清淤疏浚和扩宽断面的方式连通水系，尽量不开挖新渠道。

(3)蓄滞洪保留区虽启用概率较小，人口稠密，经济发展迅速，与重点垸无明显差别。但若发生特大超标准洪水，一旦启用，将造成巨大的财产损失。因此还需结合乡村城镇布局，适当优化水系连通性，保证适时泄洪。

3 结果与分析

3.1 洞庭湖区蓄洪垸内水系的连通性评价

计算得出的洞庭湖区20个蓄洪垸的连通性指标值和等级见表2。

表2 洞庭湖区20个蓄洪垸的连通性指标值和等级计算结果

由表2可知，总体的河网密度Rd、节点连接率β和水系连通度γ的水平良好，而水系环度α较差，表明水系的自身发育和相互通达程度良好，但未形成良好的水资源循环路径。建新垸的Rd指数最高，水系自身发育情况最好；共双茶垸的α、β和γ指数均为最高，渠系相互连通成环，可为农业灌排和调蓄城陵矶附近超额洪水提供支撑；集成安合垸各指标的达优率最高，表明水系已建立较好的连通关系；围堤湖垸、澧南垸、君山垸和屈原垸的城镇化进程快，道路阻隔了水系的互联互通，削弱了水系连通性；民主垸、城西垸、西官垸、建设垸、南汉垸、安昌垸、北湖垸和九垸的Rd、β和γ指数良好，α指数较低，表明垸内渠系虽多，但未得到合理的规划布置；义合垸有待通过退田还湖以恢复湖泊与渠道的连通；大通湖东垸的断头渠多，整体连通性不足；江南陆城垸由江南垸和陆城垸合并而成，是典型的湖汊型丘陵岗地，陆城垸规划的农田渠系少，水系环度和河网密度较低。

通过计算，重要蓄洪垸、一般蓄洪垸和蓄滞洪保留区的河网密度Rd平均值分别为2.15、1.95和1.95，水系环度α平均值分别为0.22、0.20和0.19，节点连接率β平均值分别为1.42、1.38和1.37，水系连通度γ平均值分别为0.48、0.47和0.47。对20个蓄洪垸的各连通性指标和3类蓄洪垸的各指标平均值进行单因素方差分析，结果如表3所示。由表3可见，水系环度α、节点连接率β和水系连通度γ在20个蓄洪垸之间和不同类蓄洪垸之间都无明显差异，表明不同类蓄洪垸的水系连通性水平与其防洪重要性不匹配，局部渠系规划不合理，均存在较大的优化空间。当前，通过新增、扩挖或疏浚连通渠系，新建或改造提水闸站和灌排泵站等水系连通措施，可完善洞庭湖区灌排体系[18-19]。

表3 洞庭湖区20个蓄洪垸和3类蓄洪垸的连通性指标单因素方差

3.2 典型蓄洪垸内水系的连通性评价与优化

从上述3类蓄洪垸中各取1个作为典型示范，具体展示其水系连通状况，并提出优化农田渠系连通性和加强治涝灌溉能力的连通思路。钱粮湖垸是调蓄城陵矶附近超额洪水启用最早的蓄洪垸，距离城陵矶最近，蓄洪量最大；屈原垸地处湘江、汨罗江尾闾，西、北濒临洞庭湖，防洪位置关键；安澧垸是长江洪水进入洞庭湖的必经要地，对蓄滞洪水以保障周边重点垸区域起重要作用。以上3个蓄洪垸的水系连通性偏低，农业供需水矛盾严重，灌排功能不足，与其防洪发展需求不匹配，开展水系连通工程的必要性较大。

(1)钱粮湖垸东临洞庭湖，南接藕池河东支，华容河与华洪运河分别由西北和东北部流入垸内。垸北部除华洪运河以北的局部渠系淤堵严重外，总体水系交织密集。垸中部渠系纵横交错，与西南部的东湖连通紧密。华容河两支和华洪运河沿线已建立较多的涵闸和电排站，可支撑洪涝排泄。现有工程通过新建泵站从长江提水，流经华洪运河向华容河补水。目前宜疏通华洪运河与其以北(涂家垱)和以南(华容河)地区的连通渠系，通过调度长江水资源来满足农业灌溉需求。针对藕池河东支和悦来河沿线局部缺乏连通的现状，应在南部通过新增渠系以建立藕池河东支与东湖、悦来河的“河-渠-湖”连通格局。此外还需建立垸内渠系与采桑湖和洞庭湖的连通，并在已有补水工程的基础上，改造或更新华容河和华洪运河沿线的涵闸和电排站。工程设想的具体优化方案如图2所示，该方案可在不削弱α、β和γ指标的前提下，将Rd提升5.09%(见表4)，为泄涝创造更多路径，缓解需水压力。

图2 钱粮湖垸现状水系及连通优化方案

(2)屈原垸是自然河系分布最密的蓄洪垸，垸内房屋和道路多靠近自然河流而建，东北部和西南部城镇面积较大。目前该垸局部的自然河流存在不同程度的淤塞情况，连通性不足。应考虑在不挤占城镇面积的前提下，对自然河系进行清淤疏浚，恢复其原有形态，并打通“河-河”之间的连接渠系。可根据实际需求在沿洞庭湖地区适当新增电排站和涵闸，并疏通断头渠，形成闭合的连通环路，实现多渠道引水和泄水，保证西北部的农田需水。工程设想的具体实施方案如图3所示，实施后河网密度可提升7.32%，节点连接率可提升3.99%，水系连通度可提升4.35%，特别是水系环度可提升16.67%(见表4)，由差等优化为良等，为水资源的循环畅通提供支撑。

图3 屈原垸现状水系及连通优化方案 图4 安澧垸现状水系及连通优化方案

(3)安澧垸夹于松滋东支和松滋中支之间，地势北高南低，地形平坦开阔，水系呈“井”字型的规整格局。水系连通工程的实施可首先考虑连通垸内的断头河和松滋中支附近的断头渠，若洪水破堤可快速分洪与行洪。其次清淤和扩宽内湖周围渠系，并连通渠道末端，创造“河-湖-渠”内循环路径。工程设想的具体实施方案如图4所示，实施后，河网密度可提升10.63%，水系环度可提升4.55%，节点连接率可提升2.16%，水系连通度可提升2.08%(见表4)，灌排体系可得到明显优化。

表4 典型蓄洪垸内水系优化后指标值及指标优化率

4 讨 论

(1)大批水利工程的兴建和城镇化的迅速发展，改变了自然河湖的连通关系，在局部地区形成了“河-渠-湖”的连通关系。现有关于水系连通的实践和理论研究主要聚焦于“河-河”和“河-湖”的连通性评价，人工渠系作为“河-湖”连通的纽带，在自然水系宏观格局的基础上发挥着微观连通作用，应对其连通性进行更多探讨。洞庭湖区蓄洪垸内的人工渠系以农田渠系为主，是农业生产取水和排水的直接通道。部分蓄洪垸内水系的连通性较低，首先是受限于前期的水系规划未综合考虑连通性需求，渠系及其配套设施建设年代久远，且因多年泥沙淤积而形成的阻塞问题未得到系统改善。其次，渠系往往是根据实际的农业灌溉和生产生活用途而设置于房屋或农田附近，或被道路阻隔，难以从空间分布上达到较高的连通性标准。建议今后通过多渠道筹措资金，对不同类蓄洪垸内水系因地制宜地进行科学整治和合理布局。

(2)由于农田渠系大部分时间都处于静水状态，因此本研究主要从连通通道的通达程度来研究水系格局及其连通性，未来可进一步探讨洪水期间渠系水流的动态连通过程以及连通与水质、水量和水生态系统的响应关系[20]。如何定量评估实施农村水系连通工程对农村生态环境和经济效益的影响，也值得深入研究。

5 结 论

本研究采用河网密度Rd、水系环度α、节点连接率β和水系连通度γ等水系连通性指标，定量评价洞庭湖区20个蓄洪垸内水系的连通现状。对重要蓄洪垸、一般蓄洪垸和蓄滞洪保留区提出不同的水系连通工程策略，重点分析钱粮湖垸、屈原垸和安澧垸的水系连通性，提出优化思路和方案，得到3点主要结论：

(1)蓄洪垸的总体河网密度、节点连接率和水系连通度良好，而水系环度差，表明水系的自身发育和相互连通程度良好，但未形成良好的水体循环路径。重要蓄洪垸和一般蓄洪垸的水系连通性与其防洪重要性不匹配，连通性存在较大的提升空间。

(2)重要蓄洪垸应重点实施水系优化工程，通过合理增强水系连通性，优化灌排体系，更好地发挥蓄洪作用。一般蓄洪垸多考虑在不占用已有水系、农田和交通道路的前提下，疏通和扩挖渠系。蓄滞洪保留区应确保在行洪时分泄顺畅，降低堤垸的经济损失。

(3)钱粮湖垸、屈原垸和安澧垸连通优化后，河网密度、水系环度、节点连接率和水系连通度均有不同程度的提高，可有效增强农业灌溉和治涝行洪能力，进而保障堤垸防洪安全。