揚州市主城區水系連通性定量評價及改善措施

馬 棟，張 晶，趙進勇，劉業森，董哲仁，蔣 詠

(1.中國水利水電科學研究院水環境研究所，北京 100038； 2.江蘇省水資源服務中心，江蘇 南京 210029)

水系是維系自然生態系統的重要組成部分，也是社會經濟發展的重要支撐。隨著經濟社會的發展，水系的連通格局發生了重大變化。水系連通的概念源于對生態系統的認識，目前已從景觀生態學的角度延伸到對河湖、濕地水生態系統的結構和功能的研究。河流系統內部存在橫向、縱向和垂向的連接和聯系，水系連通是一個普遍意義上的連接[1]，是流域內河流與湖泊、河道與河漫灘之間物質流、能量流、信息流和物種流保持暢通的基本條件[2-4]。連通既是水文學的概念，也是景觀生態學的概念，是河流生態系統完備性和多樣性自我維持的基礎[5]。在結構上，主要通過維系、重塑或新建滿足一定功能目標的水流連接通道[6]，通過科學的調水、疏導、連通、調度等措施，對現有水體建立新的水力聯系[7-8]，以維持相對穩定的流動水體及其聯系的物質循環的狀況[9]。從景觀生態學的角度，連通度指斑塊間通過廊道、網絡而連接在一起的程度[10]，水文連通是水流從景觀的一處轉移到另一處的能力[11]。

圖論方法已逐步應用于水系連通性定量評價。將圖論方法應用于河網連通性定量評價，主要是考慮河網的拓撲特征，基于網絡圖連通性的判定法則，用點連通度或邊連通度表征河網結構連通性。Merriam[12]基于圖論方法，探討了葡萄牙塔霍河的中心度連通性和連通性指數的變化。趙進勇等[13-14]應用圖論方法，對水系的連通性進行了定量分析，為研究河湖水生態狀況及區域水資源合理配置提供了科學依據。

揚州市地處長江下游平原地帶，河網交錯密布，水系發達，充沛的水量為當地的生產生活帶來了極大的便利，也形成了獨特的水景觀。然而，在城市發展過程中，人們通過圍湖造田、填埋河道、修建堤壩等，改變了水系原有的連通狀態，出現了一系列的水生態問題。城市水系坡降較小，水流緩慢，主要依靠閘門、泵站來調節水流和改變水流方向。由于城市化及工業化影響，城市河流大多存在淤積、斷流的情況，打破了原有的水力連接，水系連通度受到了影響。本文基于圖論方法，利用GIS技術提取水系，建立水系圖模型，通過自主開發的計算機程序自動計算連通度來定量反映揚州市目前的水系連通程度，并提出了改善水系連通性的措施，可為改善揚州市水生態環境提供參考。

1 研究方法

1.1 平原水系的圖模型概化

水系圖模型概化的重點是將水系中的不同地貌特點利用圖論中的相關元素進行表征[14]。平原河網地區河流縱橫交錯，結構復雜，為滿足工農業發展，通常會在中下游建立圩堤，在河道上修建閘門、泵站，控制水量和水流的方向，導致平原水系與自然狀態下的河流地貌類型有很大的區別?？刹捎脽o向圖的圖模型來表示平原水系系統，用邊表示河道或者受水流沖積形成的河網，用頂點表示各條河道的匯合點，用懸掛點表示僅與一條河道相通的小型水域；兩點間有邊連接，表明兩點相鄰，并且說明兩點間有河道通過。本文計算的水系連通性未考慮河道的形狀，因此河流通道的寬度與深度并不影響河流系統中點與點之間的鄰接關系。圖模型概化的流程首先是根據研究區水系特點，選擇適宜的水系提取方法；其次是基于GIS水系圖形成圖模型。

1.1.1 水系的提取

目前比較常用的水系提取方法主要有3種：一是基于DEM高程數據進行水文分析，二是基于遙感影像自動或半自動提取，三是基于Google Earth對水系進行數字化提取。前兩種方法的使用頻率較高，但是DEM方法對于研究尺度小、坡度小的平原城市河網地帶準確度較差；遙感影像方法則易受到城區眾多建筑物的影響，產生較多雜質信息，處理復雜。針對城市平原河網，利用Google Earth工具提取水系方法可避免城市水系自然環境因素的影響，提取精度較高，方法簡單易用。在不考慮水系面積和長度的情況下，本文選用Google Earth方法提取水系，利用多邊形工具描繪影像中的水系，通過ArcGIS中的shp轉換工具獲取水系，并對水系的符號系統及屬性字段進行編輯[15-17]。

1.1.2 圖模型的建立

根據已提取的矢量水系數據，利用ArcGIS中的數據轉換及矢量分析工具，生成初步的圖模型。在圖模型中，將河道用平滑的細線條表示，在河流的交匯處設置節點，并用空心圓表示，湖泊或閉合的小水域也用空心圓表示。由于本文僅考慮圖模型中點線之間的連接關系，在由水系圖初步生成的圖模型基礎上，對部分邊的長度進行了調整，同時由于瘦西湖的形狀過于狹長，選擇用線來表示，形成最終的圖模型。閘壩作為控制水流的重要設施，其開啟或者關閉都會對圖模型的形狀產生影響，甚至會使連通度發生改變。當某閘壩關閉時，則該閘壩控制的兩個河段就失去了水力聯系，在圖模型中表現為去除了一條邊。

1.2 鄰接矩陣的建立

在ArcGIS中，根據屬性表中點線的相關關系可以判斷它們之間的鄰接關系，建立鄰接矩陣。建立鄰接矩陣步驟如下：①生成節點的緩沖區，當河流的兩個端點距離小于0.01 m時，認為這兩個端點是重合的，因此設置緩沖距離為0.01 m；②利用生成的緩沖區數據和水文模型中的線數據進行相交分析，若點和相鄰的線相交，在鄰接矩陣中就記為1，若不相交則記為0；③從所得結果的屬性表中找到點線之間的“一對一”或“一對多”的映射關系，在鄰接矩陣中，有映射關系的值為1，沒有映射關系的值為0，據此構建鄰接矩陣。

1.3 邊連通度的計算

利用生成的鄰接矩陣，編寫計算機程序來計算邊連通度。依據圖的連通性判定準則，判斷矩陣是否連通，如不連通，則該圖的邊連通度為零；如矩陣連通，則去除圖模型中的任意1條邊，生成新的鄰接矩陣。判斷新圖是否連通，若新圖不連通，則原圖的邊連通度為1；若新圖仍然連通，則再任意刪除原圖中的1條邊，再次生成新的鄰接矩陣，依次類推，當刪除n條邊后得到的新圖不連通，那么原圖的邊連通度就為n。

圖1 揚州市主城區水系

2 研究區概況

揚州市位于江蘇省中部，地勢平坦、河網稠密，南臨長江，是國家重點工程南水北調東線水源地。揚州市重要河流有京杭大運河、古運河、邗溝、唐子城河、新城河、七里河、小秦淮河等共計26條河。本文選擇揚州市主城區為研究區，研究對象為主城區范圍內的所有水系。揚州市主城區水系如圖1所示。揚州市主城區水系上水閘眾多，目前共計17個閘站和5個泵站。近年來部分河道由于淤積、阻水壩涵的影響，導致河道流水不暢，城區水環境、水生態、水安全面臨較大壓力。2015年揚州市城區實施了“九閘同開、活水潤城”工程，通過節點控制工程，同時開啟揚州閘、黃金壩閘、象鼻橋泵站、平山堂泵站、新城河閘、明月湖閘、四望亭閘、江陽路節制閘、通運閘等9閘，從高郵湖、邵伯湖引入活水，經由古運河各閘分流進入主城區，使得主城區范圍內的河流實現了活水環繞，水生態環境得以有效改善。

3 水系連通性評價

選擇2016年8月28日的Google Earth影像，分辨率為1 m，可以清晰分辨揚州城區的主要河流。根據Google Earth影像提取揚州市主城區水系，依據提取的矢量水系數據，通過實地調查校核主城區水系的實際連接狀況，對于不符合實際連通情況的地方進行調整，如西沙河在地圖上顯示為斷頭河，現狀是通過暗涵與蒿草河連接。經過調整后建立圖模型如圖2所示。

圖2 揚州市主城區水系圖模型

圖2所示圖模型共計50個節點72條邊，將水系圖矢量數據輸入到編寫好的計算程序中，根據點線的連接關系，自動生成鄰接矩陣，相比手動輸入鄰接矩陣更加高效、便捷。

根據鄰接矩陣連通性判定準則，計算得到揚州市主城區水系邊連通度為2，即至少刪除2條邊時水系不連通。

根據算法運行結果，有7種刪除邊的組合形成了孤立節點(圖3～9)，從而使連通圖變為不連通圖；另外有7種刪除邊的組合形成了懸掛節點(圖10～16)，根據當地東高西低、北高南低的水流特點，水系無法連通。

圖3 大運河與古運河交匯處不連通

圖4 曲江公園處不連通

圖5 運河與長江交匯處不連通

圖6 儀揚河與長江交匯處不連通

圖7 引潮河與趙家支溝交匯處不連通

圖8 真州河與攬月河交匯處不連通

圖9 明月湖處不連通

圖10 七里河與沙施河交匯處不連通

圖11 七里河與古運河交匯處不連通

圖13 儀揚河與趙家支溝交匯處不連通

圖14 西銀溝與引潮河交匯處不連通

圖15 沙施河與老沙河交匯處不連通

圖16 攬月河與引潮河交匯處不連通

4 水系連通性影響因素分析

4.1 影響水系連通的重要河流

通過對不連通情形的分析，在14種不連通組合中，七里河與沙施河交匯口至古運河段、儀揚河與趙家支溝交匯口至西銀溝段、攬月河閘至趙家支溝段以及老沙河與沙施河交匯口至曲江公園段分別出現了2次?？梢?，當這4段河段出現阻塞時，對主城區水系連通格局的影響最大。七里河段是溝通京杭大運河、沙施河、古運河的重要橋梁，且七里河位于揚州市的主城區，人口密集、工業企業較多，生態環境較為脆弱，現狀河道存在過水不暢、行洪能力不足、汛期排水受阻、水質不達標(發黑發臭)等問題，嚴重影響沿河的環境和景觀，亟待整治。儀揚河段作為揚州西部城區的重要防洪通道，擔負著疏解洪水、排解城市內澇的關鍵職能，維持該河段的水流暢通對于防御洪澇及內澇災害起著非常重要的作用。攬月河段沿岸現已建成健身步道以及生態公園，是城區西北部主要的觀光、休閑、健身場所，保證該河段的水流暢通，對于發揮其自身功能，保障居民良好的生活環境有非常重要的作用。老沙河是東部城區的主要河流之一，目前已有上千年歷史，剛建成時，主要發揮漕運作用，現作為東部城區的重要排水溝渠，擔負著城區防洪排澇的重任。

4.2 水閘對水系連通度的影響

研究區地處平原河網地帶，河流坡降很小，主要依閘壩來調節水流。選擇揚州市主城區“九閘同開”涉及的揚州閘、通運閘、黃金壩閘等9個閘站，建立不同閘站關閉情景下的水系圖模型，計算這9種情景下的連通度，結果如表1所示。

表1 關閉不同閘站時的水系連通度

從表1可知，揚州閘、黃金壩閘、平山堂泵站、明月湖閘等4個閘站的關閉分別使整體的連通度降低了50%。位于古運河上的揚州閘是揚州市生產、生態用水的主要引水口門，當揚州閘關閉時，不僅連通度下降，還會造成城區河道水量大幅減少，流速變緩，容易形成淤積。2014年揚州市實施了黃金壩閘站擴建工程，使得邗溝與古運河得以連通，為古運河以西的區域特別是瘦西湖水系補充生態水源，改善水動力條件；實施了平山堂取水泵站工程，由平山堂取水站抽取瘦西湖水體進入沿山河后，同時在明月湖閘開啟的情況下，利用沿山河的水位優勢，自流補充進入新城河、趙家支溝、攬月河等主城區西部水系，促進了水生態系統的良性循環。

5 水系連通性改善措施

雖然揚州市主城區局部地區水系連通性較好，但是城區水系整體連通度偏低，當至少有2條河流不連通時，整個揚州市主城區的水系連通度降為0，這將使得城區河道系統內的水流不能正常流通，會影響城區水系的生態過程，削弱整個水系的納污能力。七里河與沙施河交匯口至古運河段和儀揚河與趙家支溝交匯口至西銀溝段為影響主城區水系連通的敏感河段，為維持主城區水系較好的連通性，對這兩個敏感河段要重點監管、整治，保障河道水流暢通。主要的改善措施可分為工程措施和非工程措施兩類。

a. 河道清淤。七里河面臨的主要問題是河道被侵占嚴重，河道斷面變窄。另外，河道久未疏浚整治，干支河道淤積嚴重，目前淤泥深度可達1.8 m，同時岸坡雜物堆積，河道內還存在卡口建筑物，導致河道過流能力不足。因此，首先要清除河道內的固體垃圾和淤積物，拓寬重要的過水斷面，增加水流的通暢性，提高沙施河、七里河、古運河與京杭大運河之間的水系連通性。

b. 生態護坡建設。儀揚河是連接長江、古運河、烏塔溝等眾多城區河流的紐帶，同時擔負著西部城區防洪的重要任務。儀揚河段偏離市中心，受到的人為干擾較小，目前的主要問題是河道兩側的邊坡多為自然邊坡，水土流失較為嚴重，加重了西部城區的防洪風險。因此，儀揚河段宜主要實施生態護坡工程，做好兩岸的水土保持工作，建立起生態長廊。

c. 水閘調控。為保證揚州市主城區水系的整體連通情況，應使揚州閘、黃金壩閘、明月湖閘、平山堂泵站處于常年開啟狀態，其他閘站不宜同時關閉。

6 結 論

a. 基于圖論邊連通度方法，充分運用GIS技術，根據提取的水系數據，自動建立鄰接矩陣，相比傳統的手動輸入鄰接矩陣的方法大大提高了運算效率。同時，利用GIS方法，可以模擬城市水系中不同閘壩開啟或關閉的狀態，形成新的圖模型，計算不同情景下的水系邊連通度，從而提出維持較好連通性的閘壩調控方案。

b. 計算得出揚州市主城區水系連通度為2，影響水系整體連通度的4段關鍵河段為七里河與沙施河交匯口至古運河段、儀揚河與趙家支溝交匯口至西銀溝段、攬月河閘至趙家支溝段以及老沙河與沙施河交匯口至曲江公園段；關鍵水閘有揚州閘、黃金壩閘、平山堂泵站、明月湖閘，這4個閘站關閉后分別使整體的連通度降低了50%。

c. 根據七里河與儀揚河不同的自然條件，宜分別采用河道清淤和生態護坡等措施來改善揚州市主城區的水系連通性。