张千发

(山东省胶东调水工程胶州管理处，山东 胶州 266300)

1 背景

水系是指海洋、河流、湖泊等构成的水网系统，各水系之间的连接或联系状况可称为水系连通状况[1]。当前，我国正在大力实施河湖水系连通战略[2]，它是实现我国水资源可持续利用的一种新的治水理念，有利于解决我国河网水系结构单一化、水资源短缺、洪水宣泄不畅和水生态环境恶化等问题[3]，因此水系连通成为我国水利行业一项新的重要课题。水系连通的研究尚处于起步阶段，相关研究大多以概念特征的研讨为主，而对水系连通作用机制的定量描述成果较少。郑州大学窦明教授等人[4]基于城市水功能需求对水系连通指标阈值进行了研究，为水系连通作用机制的定量描述提供了可能，而刘荚等人[5]又在该研究的基础上拓展了其应用范围，但目前的定量分析大多只针对某一特定流域或城市，较少考虑水利工程建设对水系连通状况的影响。中国水利水电科学研究院赵进勇等人[6]基于图论边连通度对平原水网地区的水系连通性进行了定量评价，该研究评价了胶东调水工程不同阶段的水系连通度，为工程影响下的水系连通分析奠定了基础。但该研究只考虑了水系的边连通度一项指标，而未对其它水系连通形态或功能指标进行评价，因此有进一步深入研究的必要，以提供更为全面的综合分析成果。在此背景下，本文以山东省胶东调水工程为例，分析该流域在原始状态、引黄济青和胶东调水3个不同工程阶段的水系环度、节点连接率和水系连通度3项形态指标，再根据水系连通的形态与功能之间的定量关系，评估各工程阶段的河道断流率、河流水质达标率、水体纳污能力指数、河道通航能力、生物多样性指数共5项功能指标，最后从水系连通角度评估了15项不同工程情景条件下的工程效果。

2 分析方法

2.1 工程概况与水系连通状况

胶东调水工程全称为“胶东地区引黄调水工程”，是我国南水北调东线工程的重要组成部分，从山东省滨州市打渔张引黄闸引黄河水，输送至威海市米山水库[7- 8]。输水线路长482km，自2015年10月至2017年12月累计调水23.38亿m3，有力保证了胶东地区的用水安全，并为其经济社会的发展提供了重要的支撑与保障。胶东调水工程利用已有的引黄济青输水线路160km，将工程分为3个不同的阶段，即原始状态、引黄济青阶段和胶东调水阶段，各阶段的水系连通状况模型图如图1所示。

图1 胶东调水工程不同阶段的水系连通状况模型图

2.2 水系连通形态指标

水系连通的形态指标主要是用于反映水系中每个节点的连通性能强弱以及物质能量交换能力的大小，并采用景观生态学中描述廊道之间连通性的一些指标来表征水系的连通情况。根据窦明等人和刘荚等人的研究成果，水系连通的形态指标主要包括水系环度α、节点连接率β、水系连通度γ，其中水系环度主要用于反映水系中每个节点的物质能量交换能力，节点连接率主要是反映水系中每个节点连接水系能力的强弱，而水系连通度主要是反映水系之间连通性强弱和水分输移能力。各形态指标的计算方程为：

(1)

式中，v—研究区域中的节点数，各节点由图1中的圆点表示；n—研究区域中的水系个数，各水系由图1中两个圆点之间的曲线表示。

2.3 水系连通功能指标

水系连通的功能指标主要用于表示水系连通的效果，如城市景观辐射率、河道断流率与水体纳污能力等。一般情况下，水系连通的形态指标可根据遥感影像信息或采用GIS平台来获取，其评估相对容易，而水系连通功能指标的评估则相对困难，因此窦明等人和刘荚等人建立了水系连通形态与连通功能之间的定量关系，据此可基于较易评估的形态指标来评估功能指标。本文选取与连通形态相关性最为显著的5项功能指标，分别为河道断流率Rd、河流水质达标率Rz、水体纳污能力指数Rn、河道通航能力Rt和生物多样性指数Rs。各功能指标与形态指标的关系式如下：

(2)

3 分析结果

3.1 水系连通形态指标

由图1可知，在原始状态下，研究区域中的节点数为19，水系数为23；在引黄济青阶段，新增节点D20，相应地增加了D13至D20一条水系，并将D14至D17分成D14至D20和D20至D17两条水系，因此其节点数和水系数分别变为20和25；在胶东调水阶段，新增节点D21和D22，新增水系包括D20至D21、D17至D21、D21至D22、D22至D19、D19至D9、D9至D10、D6至D1、D1至D2，因此其节点数和水系数分别变为22和33。根据以上分析结果及公式1，计算各阶段的水系连通形态指标，计算结果见表1。

表1 胶东调水工程不同阶段的水系连通形态指标值

3.2 水系连通功能指标

根据上述水系连通形态指标及功能指标计算公式，得到胶东调水工程不同阶段的水系连通功能指标值，见表2。由表2可知，引黄济青工程因为新增的节点与水系数较少，因此对水系连通功能的影响较小，该工程的建设可将该区域的河道断流率降低7.1%、河流水质达标率提升约1.9%、水体纳污能力指数提高1.6%、河道通航能力增强2.1%、生物多样性指数提高4.0%。胶东调水工程相对于原始状态的新增节点数和水系数分别达到3个和10个，相对较多，因此可大幅度改善该地区的水系连通功能，其建设可将该区域的河道断流率降低52.7%、河流水质达标率提升约15.2%、水体纳污能力指数提高12.7%、河道通航能力增强17.7%、生物多样性指数提高35.0%。

表2 胶东调水工程不同阶段的水系连通功能指标值

3.3 不同工程情景下水系连通功能分析

目前，水系连通功能分析主要是针对历史或现状情景，但有必要对未来不同工程情景下的水系连通功能进行分析。本文假设15种不同的工程情景，并对其水系连通功能进行评价。各情景可归为3个类别：类别A代表在胶东调水工程的基础之上，不增加新的节点，而只增加节点之间的水系连接数，如可将D2与D5进行连接；类别B表示增加节点，同时增加同等数量的水系数，如可在D12与D13之间建立新的节点(如修建大型泵站等)，将D12至D13分成两条水系；类别C表示增加节点，而每个新增的节点增加两条水系，如可在D12与D13之间建立新的节点并与D15进行连接。各情景下的水系连通形态与功能指标值计算结果分别见表3和图2，可知各工程情景均可对现状的水系连通功能进行改善或提升，其中A类情景的效果较好，主要因为此类模式通过增加每个节点的连接水系数，既增强了其物质能量交换与连接水系的能力，也增强了水系之间的连通性与水分输移能力；B类情景的效果相对A和C类则较差，主要是因为该模式增加的节点数较多而水系数较少，在提高水系连接程度的同时却影响了水系之间的网络化结构与连接通畅度。根据以上结果，可以从水系连通角度对各项工程方案的效益进行预估，为水系格局的合理构建和工程项目的规划与设计提供决策依据。

表3 不同工程情景设置及其水系连通形态指标值

图2 不同工程情景下水系连通功能指标值

4 结论

山东省胶东调水工程可大幅改善胶东地区的水系连通功能，其建设可将该区域的河道断流率降低52.7%、河流水质达标率提升约15.2%、水体纳污能力指数提高12.7%、河道通航能力增强17.7%、生物多样性指数提高35.0%。在未来，可继续加强该地区的水系连通工程建设，在胶东调水工程的基础之上，若采取不增加新的节点、只增加节点之间水系连接数的方案，则可以较为高效地改善该地区的水系连通功能。分析成果可为该胶东地区的水系连通工程提供借鉴，但存在一定的不足，以后的研究除考虑节点与水系数外，还应考虑河流的大小流量与地理位置等因素，同时应注重数据的收集，并对水系连通的形态与功能之间的定量关系进行修正，以提高分析方法的精确度。