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城镇水系连通效果评估研究

2024-12-20 78 上传者：管理员

摘要：水环境综合治理与河湖水系连通是当前解决城镇水环境问题和实现人水和谐的重要途径。针对城镇水系与水环境综合治理项目的特征,构建以数量、结构、空间特征为准则的城镇水系连通效果评估指标体系,对平舆县水环境综合治理与生态修复项目实施后水系连通效果进行评估。研究结果表明：水系连通后,河流支流增加,水域面积大幅提高,河流水系对降水的水文响应加快；水系均有较好的连接程度,河流结构良好。

关键词：
城镇水环境
平舆县
指标体系
水环境综合治理
水系连通
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1、引言

随着城市化进程加快, 水资源过度开发､污染加剧及水体生态系统退化等问题日益突出｡受工业排放､生活污水和雨水径流等多种污染源的影响 , 城镇地区水环境问题尤为普遍 , 供水不足､水质恶化､水生态系统破坏等现象严重影响了居民的健康和城市的绿色可持续发展｡在当前水资源面临的多重挑战下 , 为了从根本上提升水资源的统筹配置能力､促进水体生态恢复以及增强对极端水文事件的应对能力 , 河湖水系连通战略被提出 [1]｡

水系连通性可定义为:在自然和人工形成的江河湖库水系基础上 , 维系､重塑或新建满足一定功能目标的水流连接通道 , 以维持相对稳定的流动水体及其联系的物质循环的状况｡河湖水系通道畅通性主要包括两种情况:水系通道的过流能力 , 主要体现在河流连通对洪水的排泄能力方面;水系连通是否受人工建筑物阻隔 , 主要体现在水流通道､生物通道､航运通道是否受阻等方面 [2-3]｡

实施水系连通工程对于提高区域水资源利用效率､增强防洪抗旱能力､改善河湖健康状况､促进经济社会发展等方面都具有重要的意义[4]｡近些年来 , 全国各地开展了大量河湖水系连通工程实践 , 然而 , 部分不合理的水系连通工程 ,无法有效改善河湖水质健康问题 , 甚至破坏了河道健康生态系统的完整性｡如何科学评估水系连通工程效果成为众多学者探讨研究的热点 , 国内外学者也对此进行了大量的研究｡Horton[5] 和 Strahler[6] 开发了河流分级原则 , 研究了天然水系的发育规律｡Phillio 等 [7] 采用图论表示排水网络 , 把溪流河段表示成连接子流域节点的边 , 对流域尺度下河网的水文连通性进行了定量评估｡杨凯 [8] 基于平原河网地区河流分级方法 , 开展了水系结构形态和发育特征｡茹彪 [9] 提出了基于河道自然､社会双重属性的水系结构连通性评价方法｡李辉 [10]从河网密度､水面比例､节点连接率､水系环度等方面对水系结构和连通功能进行综合评价 , 并对其水系连通影响指标阈值区间进行确定｡国内外虽然从不同尺度和角度入手建立了水系连通效果评估体系并实现了连通性定量与定性评估 ,但主要针对重要江河湖库水系 , 适合平原河网城镇地区的河湖水系连通性评估并不多｡论文以平原河网地区 - 平舆县城镇为研究区域 , 构建平舆县城镇水系连通前后连通效果评价指标体系 , 利用数学统计和数值分析等方法对研究区水系格局及连通性进行分析｡

2、研究区域

平舆位于河南省东南部, 驻马店地区东部｡东与新蔡县､安徽省临泉县毗邻 , 北与上蔡县､项城市接壤 , 西与汝南县相连 , 南与正阳县交界｡平舆县境东西长 46.8 km, 南北宽 45 km,总面积 1282 km2｡

3、评估指标体系构建

水系连通效果评估指标体系的构建主要以层次分析法为理论基础｡将与水系连通相关的元素按属性分解成目标､准则､方案等层次, 在此基础上对水系连通效果进行分析评估｡构建城镇水系连通效果评估指标体系时 , 在水系连通机理上选取河网水系连通效果作为目标 , 列为第一层;数量特征､结构特征､空间特征列为第二层 , 即准则层;河长､河网密度､河频数､平均分枝比､节点连接率等指标为第三层 , 即方案层｡

表1 水系连通效果评估指标体系

4、结果与分析

4.1 水系连通前后河网变化

平舆县水系连通工程施工时间为2017 年 ~2018 年｡为了全面评估水系连通工程的成效 , 本文选取 2016 年城镇河网水系状况作为连通前的水系 , 选取 2020 年城镇河网水系状况作为连通后的水系｡通过对比连通前后的水系状况 , 科学地评价工程的实施效果｡

图1 平舆县城镇水系连通前后河网示意

图4.2 水系连通效果评估

(1)数量特征指标变化水系连通前后 , 河网密度分别为 0.43 km/km2､0.63 km/km2,水面率分别为 0.95%､2.26%, 河频数分别为 0.19 条 /km2､0.28 条 /km2;增幅分别为 46.5%､ 137.89%､52.63%｡河网密度增大代表区域水系相互交织 , 地表水流动加强 , 径流汇集加快｡水系连通工程实施后 , 通过新建多个人工调蓄湖泊和渠道 , 疏通干涸断流河段 , 改善原有的水系布局 , 使得河流支流数量得以增加 , 河网水系的覆盖面积和水域范围显著扩大 , 进而提升了水面率和河频数 , 河流的连续性和完整性得到加强｡水系连通后 , 河网密度､水面率和河频数得到提高｡

表2 平舆县城镇水系连通前后河流数量特征指标及变化

(2)结构特征指标变化

水系连通前后, 一级支流发育系数分别为 4.27､4.68, 增幅 9.51%;二级支流发育系数分别由 0 增至 2.22, 即二级支流总长度是一级支流长度的 2.22 倍｡河流的发育系数越大 , 表明支流长度超过干流长度越多 , 对径流的调节作用越有利 ,连通后河流系统具有较好的分水和集水能力 , 能够更有效地调节和分配径流｡通常情况下 , 在天然河流系统中 , 河流等级越低 , 其总长度越长｡平舆县城镇水系连通工程实施后 ,等级低的河流总长度均高于等级高的河流总长度 , 且支流发育系数增加 , 意味着连通后的河网水系结构得到了优化和改善 , 河流系统的连通性､调蓄能力和生态功能方面都得到了显著提升 , 同时优化后的河网结构也有助于提高河流的自净能力 , 通过增加水流的接触面积和停留时间 , 有助于水质的净化和改善｡

水系连通前后的干流面积与长度比维持稳定, 均为12.52 km2/km｡主干河流以小清河城镇河段为主 , 河道往年已经过治理 , 此次水系连通治理重点侧重于恢复河道的生态系统 , 因此 , 治理前后水域面积和河长未发生明显变化｡

水系连通前后干流对一级河流的平均分枝比均为1, 维持不变;一级河流对二级河流的平均分枝比由 0 增至 0.86, 意味着水系连通后一级河流数量是二级河流的 0.86 倍｡河流水系在长期自然演变过程中会形成一种相对稳定的结构 , 一般情况下 , 天然河道的河流分枝比皆小于 1｡平舆县城镇河流平均分枝比均未超过 1, 河流结构良好 , 但干流分枝比等于 1,表明城镇水系还存在完善和优化的空间｡

表3 平舆县城镇水系连通前后河流结构特征指标及变化

(3)空间特征指标变化为了直观地展现工程实施前后河网水系的变化情况 , 根据平舆县城镇地区连通工程实施前后的河网水系绘制有向图 , 见图 2｡

图2 平舆县城镇连通前后水系有向图

水系连通前后, 节点数分别为 16､31, 河链数分别为13､40, 增幅分别为 93.75%､207.69%;指数由 0 增至 0.18, 表明水系中存在环路 , 河网节点物质交换能力加强 , 但仍存在提升空间;节点连接率指数由 1.63 增至 2.58, 增幅 58.28%,表明水系连通后 , 网络中的结点连接状况较好;水系连通度指数由 0.31 增至 0.46, 增幅 48.39%, 表明水系单元间的连接状况和畅通程度较好 , 有利于水文调蓄､生态环境等多项河流功能的发挥｡

表4 平舆县城镇水系连通前后空间指标变化

5、结论

(1)综合考虑生态系统结构完整性 , 根据图论､景观生态学､水文 - 水力学等方法构建了系统客观的平原区城镇水系连通效果评估指标体系 , 科学地对平舆县城镇水系连通前后河流湖泊的水系结构和连通性进行评估｡

(2) 水系连通前后 , 平舆县城镇河流一级支流发育系数分别为 4.27､4.68;二级支流发育系数分别为 0､2.22;水系治理后河网水系结构更良好｡水系连通前后干流面积长度比均为 12.52 km2/km;干流对一级河流的平均分枝比均为 1, 城镇水系还存在提升空间;一级河流对二级河流的平均分枝比分别为 0､0.86, 河流结构良好｡水系连通前后 , 节点数分别为 16､31;河链数分别为13､40;指数由 0 增至 0.18, 表示水系连通后 , 水网结构中出现环路;节点连接率分别为 1.63､2.58;水系连通度分别为0.31､0.46, 大部分节点均有 2~3 根连接线 , 水系单元间的连接状况和畅通程度较好｡

(3) 建议进一步增加河流的分支数量 , 提高河流网络的连通性和多样性 , 改善河流的水质和生态环境 , 促进河湖生态系统健康稳定发展 , 营造绿色､生态､和谐､美丽的现代化居住环境｡

参考文献:

[1]王中根,李宗礼,刘昌明, 等.河湖水系连通的理论探讨 [J]. 自然资源学报 ,2011,26(03):523-529.

[2]张欧阳,卜惠峰 , 王翠平,等 . 长江流域水系连通性对河流健康的影响 [J]. 人民长江 ,2010,41(02):1-5+17.

[3]张欧阳,熊文,丁洪亮.长江流域水系连通特征及其影响因素分析 [J]. 人民长江 ,2010,41(01):1-5+78.

[4]左其亭 , 毛翠翠 . 正确认识河湖连通 [N]. 中国水利报 , 2012.

[8]杨凯.平原河网地区水系结构特征及城市化响应研究 [D]. 华东师范大学 ,2006.

[9]茹彪,陈星,张其成,等.平原河网区水系结构连通性评价 [J].水电能源科学 ,2013,31(05):9-12.

[10]李辉 . 沈阳市水系形态结构特征及水系连通指标阈值的确定[J].水利技术监督 ,2023(06):106-109.

文章来源:杨洋,翟文琰,赵娅新.城镇水系连通效果评估研究[J].陕西水利,2024,(12):25-27.