山東省膠東調水工程水系連通功能分析

張千發

(山東省膠東調水工程膠州管理處，山東 膠州 266300)

1 背景

水系是指海洋、河流、湖泊等構成的水網系統，各水系之間的連接或聯系狀況可稱為水系連通狀況[1]。當前，我國正在大力實施河湖水系連通戰略[2]，它是實現我國水資源可持續利用的一種新的治水理念，有利于解決我國河網水系結構單一化、水資源短缺、洪水宣泄不暢和水生態環境惡化等問題[3]，因此水系連通成為我國水利行業一項新的重要課題。水系連通的研究尚處于起步階段，相關研究大多以概念特征的研討為主，而對水系連通作用機制的定量描述成果較少。鄭州大學竇明教授等人[4]基于城市水功能需求對水系連通指標閾值進行了研究，為水系連通作用機制的定量描述提供了可能，而劉莢等人[5]又在該研究的基礎上拓展了其應用范圍，但目前的定量分析大多只針對某一特定流域或城市，較少考慮水利工程建設對水系連通狀況的影響。中國水利水電科學研究院趙進勇等人[6]基于圖論邊連通度對平原水網地區的水系連通性進行了定量評價，該研究評價了膠東調水工程不同階段的水系連通度，為工程影響下的水系連通分析奠定了基礎。但該研究只考慮了水系的邊連通度一項指標，而未對其它水系連通形態或功能指標進行評價，因此有進一步深入研究的必要，以提供更為全面的綜合分析成果。在此背景下，本文以山東省膠東調水工程為例，分析該流域在原始狀態、引黃濟青和膠東調水3個不同工程階段的水系環度、節點連接率和水系連通度3項形態指標，再根據水系連通的形態與功能之間的定量關系，評估各工程階段的河道斷流率、河流水質達標率、水體納污能力指數、河道通航能力、生物多樣性指數共5項功能指標，最后從水系連通角度評估了15項不同工程情景條件下的工程效果。

2 分析方法

2.1 工程概況與水系連通狀況

膠東調水工程全稱為“膠東地區引黃調水工程”，是我國南水北調東線工程的重要組成部分，從山東省濱州市打漁張引黃閘引黃河水，輸送至威海市米山水庫[7- 8]。輸水線路長482km，自2015年10月至2017年12月累計調水23.38億m3，有力保證了膠東地區的用水安全，并為其經濟社會的發展提供了重要的支撐與保障。膠東調水工程利用已有的引黃濟青輸水線路160km，將工程分為3個不同的階段，即原始狀態、引黃濟青階段和膠東調水階段，各階段的水系連通狀況模型圖如圖1所示。

圖1 膠東調水工程不同階段的水系連通狀況模型圖

2.2 水系連通形態指標

水系連通的形態指標主要是用于反映水系中每個節點的連通性能強弱以及物質能量交換能力的大小，并采用景觀生態學中描述廊道之間連通性的一些指標來表征水系的連通情況。根據竇明等人和劉莢等人的研究成果，水系連通的形態指標主要包括水系環度α、節點連接率β、水系連通度γ，其中水系環度主要用于反映水系中每個節點的物質能量交換能力，節點連接率主要是反映水系中每個節點連接水系能力的強弱，而水系連通度主要是反映水系之間連通性強弱和水分輸移能力。各形態指標的計算方程為：

(1)

式中，v—研究區域中的節點數，各節點由圖1中的圓點表示；n—研究區域中的水系個數，各水系由圖1中兩個圓點之間的曲線表示。

2.3 水系連通功能指標

水系連通的功能指標主要用于表示水系連通的效果，如城市景觀輻射率、河道斷流率與水體納污能力等。一般情況下，水系連通的形態指標可根據遙感影像信息或采用GIS平臺來獲取，其評估相對容易，而水系連通功能指標的評估則相對困難，因此竇明等人和劉莢等人建立了水系連通形態與連通功能之間的定量關系，據此可基于較易評估的形態指標來評估功能指標。本文選取與連通形態相關性最為顯著的5項功能指標，分別為河道斷流率Rd、河流水質達標率Rz、水體納污能力指數Rn、河道通航能力Rt和生物多樣性指數Rs。各功能指標與形態指標的關系式如下：

(2)

3 分析結果

3.1 水系連通形態指標

由圖1可知，在原始狀態下，研究區域中的節點數為19，水系數為23；在引黃濟青階段，新增節點D20，相應地增加了D13至D20一條水系，并將D14至D17分成D14至D20和D20至D17兩條水系，因此其節點數和水系數分別變為20和25；在膠東調水階段，新增節點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，因此其節點數和水系數分別變為22和33。根據以上分析結果及公式1，計算各階段的水系連通形態指標，計算結果見表1。

表1 膠東調水工程不同階段的水系連通形態指標值

3.2 水系連通功能指標

根據上述水系連通形態指標及功能指標計算公式，得到膠東調水工程不同階段的水系連通功能指標值，見表2。由表2可知，引黃濟青工程因為新增的節點與水系數較少，因此對水系連通功能的影響較小，該工程的建設可將該區域的河道斷流率降低7.1%、河流水質達標率提升約1.9%、水體納污能力指數提高1.6%、河道通航能力增強2.1%、生物多樣性指數提高4.0%。膠東調水工程相對于原始狀態的新增節點數和水系數分別達到3個和10個，相對較多，因此可大幅度改善該地區的水系連通功能，其建設可將該區域的河道斷流率降低52.7%、河流水質達標率提升約15.2%、水體納污能力指數提高12.7%、河道通航能力增強17.7%、生物多樣性指數提高35.0%。

表2 膠東調水工程不同階段的水系連通功能指標值

3.3 不同工程情景下水系連通功能分析

目前，水系連通功能分析主要是針對歷史或現狀情景，但有必要對未來不同工程情景下的水系連通功能進行分析。本文假設15種不同的工程情景，并對其水系連通功能進行評價。各情景可歸為3個類別：類別A代表在膠東調水工程的基礎之上，不增加新的節點，而只增加節點之間的水系連接數，如可將D2與D5進行連接；類別B表示增加節點，同時增加同等數量的水系數，如可在D12與D13之間建立新的節點(如修建大型泵站等)，將D12至D13分成兩條水系；類別C表示增加節點，而每個新增的節點增加兩條水系，如可在D12與D13之間建立新的節點并與D15進行連接。各情景下的水系連通形態與功能指標值計算結果分別見表3和圖2，可知各工程情景均可對現狀的水系連通功能進行改善或提升，其中A類情景的效果較好，主要因為此類模式通過增加每個節點的連接水系數，既增強了其物質能量交換與連接水系的能力，也增強了水系之間的連通性與水分輸移能力；B類情景的效果相對A和C類則較差，主要是因為該模式增加的節點數較多而水系數較少，在提高水系連接程度的同時卻影響了水系之間的網絡化結構與連接通暢度。根據以上結果，可以從水系連通角度對各項工程方案的效益進行預估，為水系格局的合理構建和工程項目的規劃與設計提供決策依據。

表3 不同工程情景設置及其水系連通形態指標值

圖2 不同工程情景下水系連通功能指標值

4 結論

山東省膠東調水工程可大幅改善膠東地區的水系連通功能，其建設可將該區域的河道斷流率降低52.7%、河流水質達標率提升約15.2%、水體納污能力指數提高12.7%、河道通航能力增強17.7%、生物多樣性指數提高35.0%。在未來，可繼續加強該地區的水系連通工程建設，在膠東調水工程的基礎之上，若采取不增加新的節點、只增加節點之間水系連接數的方案，則可以較為高效地改善該地區的水系連通功能。分析成果可為該膠東地區的水系連通工程提供借鑒，但存在一定的不足，以后的研究除考慮節點與水系數外，還應考慮河流的大小流量與地理位置等因素，同時應注重數據的收集，并對水系連通的形態與功能之間的定量關系進行修正，以提高分析方法的精確度。