河流分級方法研究及應用

董耀華 汪秀麗

摘要：廣義的河流分級包括水系劃分與狹義的河流分級;倡導Horton法，并提出了與水系劃分相結合、選用“最小單元河流”和引入河流樹狀圖表等3點主要改進。將長江水系推薦劃分為干流水系與雅礱江、岷江、嘉陵江、烏江、洞庭湖、漢江、鄱陽湖、太湖等8個支流水系;綜合選取流域面積不小于2000km2或河長不小于100km的河流為“最小單元河流”，統計確定長江流域（不含太湖水系）的河流總數為374條;長江流域最高河流分級數為6級，依次為：6級河流1條，5級河流3條，4級河流6條，3級河流14條，2級河流71條，1級河流279條。提出了長江水系4種替代劃分和綜合劃分，其中綜合劃分與推薦劃分一致;基于流域面積、河長和河流分級數等3個指標，確定了長江流域24條重要河流水系;重新辨識了長江流域河流水系，提升了河流整體性和干流重要性認識，并提出了“分段河道不分級，分級河道不分段”思想。研究實現了水系劃分與河流分級的方法統一與融合，開展了長江流域水系劃分與河流分級的系統研究及應用。

關鍵詞：河流分級;水系劃分;長江;Horton法;“最小單元河流”;河流樹狀圖表

文章編號：1006-0081（2019）01-0008-06

1 河流分級方法述評

廣義的河流分級既包括“自大河而小河”的水系劃分，也包括“自小河而大河”的河流分級（狹義）;其中，水系劃分側重河流流域的分區，河流分級強調河流水系的聯系。通過河流分級的研究，定量上可確定河流水系的分級數，它是水系形態、河流發育及流域特性等的重要衡量指標;定性上可辨識河流水系的聯系、歸屬、規模和地位等形態特性，進而建立河流水系形態與流域產流產沙、河道匯流輸沙之間的內在聯系。錢寧[1]總結認為，來自流域的水量、泥沙量及其過程與組成決定了河槽的形態與坡降”;董耀華[2]研究表明，長江流域復雜的水系形態與江湖關系是決定長江干流河道水沙特性及其變化的關鍵因素。

目前，長江流域的河流分級通常采用水系劃分——以流域面積為主要劃分指標，圍繞干流及其區間和主要支流或湖泊進行水系劃分，符合長江流域干支流和湖泊相對獨立封閉的特性，既有利于流域水系分區規劃與治理，也方便于流域與區域相結合的現狀管護模式。但該方法也存在著明顯的不足之處：?僅限于2級劃分，無法確定河流水系分級數;?劃分水系與河流之間可能出現非一一對應關系，無法實現水系劃分與河流分級的方法統一;?劃分方法主觀性較強，因具體河流與方法而異等。

河床演變學與河流地貌學通常采用“自小河而大河”的河流分級方法，常用的4種方法分別是Horton法，Strahler法， Shreve法和Scheidegger法【1、3】。其中，Horton法提出得最早，是其它方法的基礎 ，基本思路為：“最小不分枝的河流屬于第1級，僅僅接納第1級支流的屬于第2級，接納1、2兩級支流的屬于第3級，依次類推”。Horton法的另一個顯著特征是以河流而非河段為“不分枝的河流”。推薦采用該方法的理由是：?符合大多數河流水系的形成模式，即整個水系是以從小到大的模式形成的[1]，分級自小而大與產流匯流方向一致;?確定的河流分級數與河流特征量（如流域面積、河長、水量、泥沙量、河流數量、水系形態、河流發育等）呈正相關;?易于多級劃分，分級方法客觀性較強等。

本文倡導河流分級Horton法，并對其提出了3點主要改進：?與水系劃分相結合;?選用“最小單元河流”替代“最小不分枝的河流”;?引入河流樹狀圖表。以長江流域為例，本文對作者以往已經取得的長江流域水系劃分與河流分級初步研究成果[4]進行完善和提升，并將研究成果綜合應用于長江流域水系劃分方法的改進、重要河流水系的辨識和河流水系認識的提升等方面。

2 長江流域水系劃分

2.1 典型劃分

目前，代表性與權威性的長江水系典型劃分可總結歸納為如下4種方法。

（1）中國河流名稱代碼法[5]。將長江水系劃分為長江干流、雅礱江、岷江、嘉陵江、烏江、洞庭湖、漢江、鄱陽湖等8個水系和太湖流域。

（2）長江防洪地圖集法[6]。將長江水系劃分為金沙江、上游干流區間、中游干流區間、下游干流區間、岷沱江、嘉陵江、烏江、洞庭湖、漢江、鄱陽湖、太湖等11個水系。

（3）中國河湖大典法[7]。將長江水系劃分為雅礱江、岷江、嘉陵江、烏江、洞庭湖、漢江、鄱陽湖、太湖等8個水系和8個干流區間水系（河源、8個水系入江口之間）。

（4）長江流域綜合規劃法[8]（以下簡稱“長流規法”）。將長江水系劃分為干流和支流，再將支流區分為：：峽谷地帶河流（如：雅礱江、大渡河、清江、沅江等）、丘陵平原地區的河流（如：岷江、沱江、嘉陵江、漢江、湘江、資水、贛江等）和中下游地區直接匯入江湖的中小河流等3種類型。

2.2 推薦劃分

本文將長江水系推薦劃分為干流水系與雅礱江、岷江、嘉陵江、烏江、洞庭湖、漢江、鄱陽湖、太湖等8個支流水系。推薦劃分思想最接近于“長流規法”，推薦劃分水系最接近于“中國河流名稱代碼法”，主要遵循了如下2條基本原則。

（1）干流水系優先原則。借鑒并采用“長流規法”先干流、后支流的劃分思想，而且將支流水系之外與干流連通的支流、湖泊、分洪道等優先劃入干流水系。

（2）河流水系一致原則。劃分水系（流域）與分級河流（支流、湖泊、河道）“一致”原則（即“一一對應”）。具體而言：長江流域（長江水系）與長江干流（長江）“一致”，干流水系與干流河道（干流）“一致”，支流水系與同名的支流或湖泊“一致”。

依據這2條基本原則，推薦劃分摒棄了“太湖流域”稱謂，保留并規范為“太湖水系”;摒棄了長江干流所有區間及金沙江水系，全部劃入干流水系;摒棄了岷沱江水系，保留岷江水系、將沱江劃入干流水系;將與長江中游連通的荊江4口分洪道（松滋河、虎渡河、藕池河和調弦河）以及匯入松滋河的洈水等劃入干流水系而非洞庭湖水系;將匯入長江口的黃浦江劃入干流水系而非太湖水系等。

基于水系形態與流域特性，推薦劃分水系可區分為“河道型”、“湖泊型”和“混合型”3種類型。

3 長江流域河流分級

3.1 河長與流域面積關系

以流域面積1 000 km2或河長50 km為初選原則，收集整理了長江流域581條河流的流域面積、河長、流量等基本特性資料;以流域面積1萬km2為分界閾值，分別建立了中小河流與大型河流的河長（L）與流域面積（A）之間的相關關系;相關分析表明：長江流域河流的河長與流域面積之間呈約0.5次方關系。

3.2“最小單元河流”選取

綜合選取流域面積不小于2000km2或河長不小于100km的河流為長江流域河流分級研究的“最小單元河流”，選取理由及其合理性分析概括如下。

（1）流域大小與坡降是河流的控制性指標，流域面積表征流域大小，河長與坡度有關，兩者雖然相關但又獨立，采用雙重指標更加合理。相比較而言，流量屬于河道的主要特性指標且年際變化大，不宜選用。

（2）“最小單元河流”越大，河流數量越少，河流分級數越小;選取太大，可能因為河流數量偏少、河流分級數偏小而難以區分河流水系;選取太小，又可能因為小河數量太多、河流辨識困難（因水系形態復雜、河流發生“襲奪”等原因）而影響河流計數的準確性和河流分級的可靠性。

（3）相對于長江流域總面積（180萬km2）與干流河道總河長（6300 km），流域面積閾值2000km2與河長閾值100km較小（占比分別為0.11%和1.59%），而且兩個閾值之間是相互協調的，由此確定的河流數量與河流分級數理論上是適中和適合的，但是仍有待實踐檢驗。

3.3 河流數量統計分析

為了準確地統計確定長江流域河流數量，避免漏計或重計，本文引入了如下3項河流計數約定。

（1）長江干流計數約定。將長江干流或長江（對應于長江流域和長江水系）與干流河道或干流（對應于干流水系）視為分級數不同的同一條河流。

（2）湖泊型河流計數約定。與長江干流直接連通的獨立計數，如：洞庭湖，鄱陽湖，梁子湖;經過通江河道與長江干流連通的合計為一條河流，如：巢湖-裕溪河，龍感湖-華陽河，菜子湖-樅陽河。

（3）河源河口計數約定。多河源、多河口河流最多保留一個河源（河段或支流）、河口（河段或支流）合計為一條河流;其余河源、河口視為獨立河流。例如：干流水系沱沱河（河段）與干流合計，當曲、楚瑪爾河（支流）視為獨立河流;漢江水系唐白河的白河（支流）與唐白河合計（唐白河-白河），唐河（支流）視為獨立河流;岷江水系青衣江的玉溪河（支流）與滎經河（支流）均視為獨立河流等。

基于“最小單元河流”和河流計數約定，本文統計確定長江流域（不含太湖水系）河流總數為374條。作為參照，“長流規法”[8]認定的流域面積1000km2以上河流是484條。按照單位流域面積上河流數量（∑N）為河流頻度（f）的定義，計算得到長江流域河流頻度為1.40～2.70條/（萬km2）。

3.4 河流樹狀圖表制作

通過引入并制作河流樹狀圖表，可辨識并建立劃分水系內所有河流之間的相互聯系，由此可確定劃分水系及其河流的分級數。本文以劃分水系為單元、以岷江水系為范例，制作了岷江水系河流樹狀圖表。河流樹狀圖的制作思想與方法借鑒了地鐵運行圖（最早見于1863年投運的英國倫敦地鐵），除了保留確定河流分級數所必需的基本特征信息之外，還可以直觀和定量地圖示河流連通關系、分級數、流域面積、河長等河流水系的主要特性。

圖示的主要特性及其示意方法包括：河流連通關系——圖示河流的干支流、左右岸等;河流分級數——以灰度/顏色和分級數示意;流域面積——以線條寬度按比例示意;河長——以線條長度按比例示意;河流其它信息——標示主要河流名稱等。

3.5 河流分級成果分析

基于上述方法研究及其成果，本文研究給出了長江流域各推薦劃分水系（不含太湖水系）及其374條河流的河流分級定量成果（表1）。經過初步分析，得到了如下幾點認識。

（1）長江流域最高河流分級數為6級，按照級別為u的河流數量（Nu）與高一級u+1的河流數量（Nu+1）之比為河流分枝比（Ru）的定義，計算得到長江流域河流分枝比為2.00～5.07。

（2）按河流統計，6級河流1條，占0.27%;5級河流3條，占0.80%;4級河流6條，占1.60%;3級河流14條，占3.74%;2級河流71條，占18.98%;1級河流279條，占74.60%。

（3）按水系統計，岷江、嘉陵江、鄱陽湖為5級河流水系;干流、雅礱江、洞庭湖、漢江為4級河流水系;烏江為3級河流水系;各推薦劃分水系的河流分級數存在差異。

（4）長江流域河流水系6級劃分實踐上是適中和適合的，且與5分制（“優良中及差”）和7級生物分類法（“種屬科目綱門界”）較為接近。

4 研究成果綜合應用

4.1 長江水系劃分方法改進

基于河流分級定量成果、水系劃分2條基本原則和河流基本特性指標（流域面積和河長），本文提出了長江水系的4種替代劃分和綜合劃分方法（表2）。

（1）“方法1”、“方法2”基于4級、3級及以上且匯入長江干流的河流，保留太湖水系。

（2）“方法3”、“方法4”基于流域面積大于3萬km2、河長大于500km且匯入長江干流的河流。

（3）“綜合劃分”是在劃分水系最少的“方法1”基礎上增加了烏江水系，增加理由是：僅烏江同時滿足“方法2”、“方法3”和“方法4”，且長江水系4種“典型劃分”中也均有烏江水系。

（4）“綜合劃分”與本文“推薦劃分”恰好一致，兩者取到了相互佐證的效果。

4.2 長江重要河流水系辨識

基于流域面積、河長和河流分級數等3個河流特性指標，本文綜合選取流域面積大于3萬km2或者河長大于500km或者4級及以上或者3級及以上且匯入長江干流等4個并集閾值條件，確定長江流域24條重要河流水系分別為：長江干流，當曲，楚瑪爾河，雅礱江及鮮水河、理塘河/無量河，岷江及大渡河，沱江，嘉陵江及渠江、涪江、白龍江，烏江，洞庭湖及湘江、沅江、資水，漢江，鄱陽湖及修水、贛江，巢湖-裕溪河，太湖等（表3）。作為參照，“長流規法”[8]認定的流域面積1萬km2以上河流為49條。

（1）采用3個指標而非水系劃分的單一指標（流域面積）和河流分級的雙指標（流域面積和河長）辨識重要河流水系，其目的是為了能夠更加準確地反映河流流域、河道與水系的綜合特性。

（2）流域面積閾值3萬km2與河長閾值500km之間是相互協調的，而長江流域3級河流的平均流域面積為3.94萬km2、平均河長為531km。

（3）閾值“3級及以上且匯入長江干流”還體現了“干流水系優先原則”，滿足此條件入選的3級河流有：當曲、沱江、烏江、巢湖-裕溪河;未能入選的3級河流有：青衣江、州河、潦河和撫河。

4.3 長江河流水系認識提升

（1）河流水系辨識。楚瑪爾河流域面積超過2萬km2、河長大于500km，但僅為1級河流;洞庭湖“4水”（湘、資、沅、澧）與鄱陽湖“5河”（贛、撫、信、饒、修）的河流分級數差異很大;陜西省境內的嘉陵江和漢江為4、5級河流，其它支流多為1級河流，缺少2、3級河流等。

（2）河流整體性認識。流域整體性：強調流域支配水系和河道的主導地位，由此應摒棄“太湖流域”稱謂;水系整體性：強調干流與支流水系（特別是“湖泊型”水系）的連通性;干流整體性：強調河源、上中下游和河口的一致性，因此應摒棄金沙江和干流區間水系;河道整體性：強調河谷、階地、故道、牛軛湖、河漫灘、邊灘、洲灘、淺灘、深槽等河道地貌單元的不可分割性。

（3）干流重要性認識。干流是長江最高河流分級數、流域總面積和總河長的“代言人”;干流水系河流數量最多（139條，超過1/3），且與所有支流水系連通。這與2016年江蘇長江防汛工作實踐建議相一致[9]。

（4）“分段河道不分級，分級河道不分段”【[10]。“分段河道不分級”：同一河流水系應具有同一分級數，其目的是維護和強調河流水系整體性，同時也是最“經濟”的河流分級方法;“分級河道不分段”：對于多河源或多河口河流，最多保留一個河源或一個河口，例如：長江只保留正源沱沱河，將北源楚瑪爾河與南源當曲視為支流。

5 研究展望

有待深入研究的課題包括：“最小單元河流”對河流分級的影響研究;大江大河河流分級比較研究;復雜河流水系分級方法研究;河流水系形態學研究;河流水系形態與流域產流產沙和河道匯流輸沙之間關系研究;河流分級與其它地物（湖泊、水庫、島嶼、動植物等）分級分類比較研究等。

參考文獻：

[1]錢寧，張仁，周志德. 河床演變學[M]. 北京：科學出版社， 1987.

[2]董耀華，惠曉曉，藺秋生. 長江干流河道水沙特性與變化趨勢初步分析[J]. 長江科學院院報. 25（2）：16-20， 2008.

[3]Horton， R.E.， Erosional. Development of streams and their draining basins： hydrophysical approach to quantitative morphology[J]， Bulletin of Geology Society of America， （l56）： 275-370， 1945.

[4]董耀華，汪秀麗. 長江流域水系劃分與河流分級初步研究[J]. 長江科學院院報. 30（10）：1-5， 2013.

[5]中華人民共和國水利部. SL249-1999中國河流名稱代碼[S]， 2000.

[6]水利部長江水利委員會. 長江防洪地圖集[M]. 北京：科學出版社. 2001.

[7]中國河湖大典編纂委員會. 中國河湖大典（長江卷）[M]. 北京：中國水利水電出版社. 2010.

[8]水利部長江水利委員會. 長江流域綜合規劃（2012～2030年）[R].武漢：水利部長江水利委員會， 2012.

[9]董耀華，胡波，李少龍. 2016年江蘇長江防汛工作實踐[J]. 水利水電快報. 38（4）：9-12， 2017.

[10]董耀華，汪秀麗. 河流5區分段方法與長江干流分段實踐[J]. 長江科學院院報. 34（6）：1-6， 2017.