長江荊南三口水系調蓄能力演變及其與水系結構的關聯性

李景保，于丹丹，楊 波，代 穩，李 歡

(湖南師范大學資源與環境科學學院，湖南 長沙 410081)

河流系統是自然界最重要的生態系統之一[1]，是水資源形成與演化的主要載體，是人類社會發展的重要支撐[2]。流域水系具有水資源調配、泄洪排澇、供水、蓄水、凈化水質、航運、水景、生態修復等自然功能和社會功能，特別是河網調蓄在削減洪峰、降低洪水危害中具有重要作用。隨著區域經濟社會的發展，人類活動干擾下的河流結構趨于簡化,河流數量減少[3]，進而削弱了河網的自然調蓄能力[4]。河網功能、河流結構與河網調蓄能力之間的關系越來越受到關注。目前對水系調蓄能力的研究, 主要側重于4個方面：①對湖泊調蓄能力的研究[5-6], 從不同角度系統分析構造運動、圍墾、泥沙淤積以及裁彎取直等影響湖泊調蓄能力的因素及其影響程度；②對不同尺度流域水系調蓄能力的研究[7], 其研究方法是通過建立DEM 模型和淹沒水位、淹沒面積和淹水量之間的回歸關系，估算出區域水系的洪水調蓄容量；③對河網調蓄能力的研究[8-11]，通過建立河網產匯流模擬模型, 用不同的方式概化河網，計算其調蓄容量；④借助SOBEK 模型建立簡化區域河網模型，并通過設置不同的河流形態和結構情景，模擬河網結構變化對河網調蓄能力的影響，為基于調蓄目標的河網改造和水系綜合整治提供量化技術支持[12-14]。

荊南三口河系位長江中游(荊江)南岸,是連接荊江與洞庭湖的水流通道。近60多年來受縱橫交錯的水利工程影響，河網密度、水面率、河網復雜度、支流發育系數、分維數等水系結構特征值均呈較大幅度的減少或下降趨勢[15],導致該地區河流斷流時間延長,枯期水資源短缺[16-18]。本文首先對河網調蓄能力進行計算，然后分析不同等級河流調蓄能力的時間變化，再對比分析不同水系片區調蓄能力的空間差異，最后用相關分析法分析水系結構與調蓄能力的關聯程度。該研究旨在對生態河網建設，恢復河流生態結構,維系河流健康,以及實施河湖水系連通工程提供借鑒。

1 站點選擇與三口水系調蓄能力計算

1.1 研究時期與河網區系的劃分

荊南三口水系是溝通長江與洞庭湖北部地區的水流通道, 主要由松滋河、虎渡河、藕池河、華容河(1958年堵口建閘)分泄長江水入洞庭湖北部的河道所組成的平原水網(圖1)。為了便于比較研究，首先,依據水利工程運行時間將1951—2016年劃分5個時期即1951—1955年、1956—1978年、1979—1990年、1991—2008年、2009—2016年,并選取1955年(相對穩定期即基準期)、1978年(下荊江三處裁彎工程后)、1990年(葛洲壩水利樞紐運行后)、2008年(三峽水庫試驗性蓄水運行及退田還湖工程初期)、2016年(三峽水庫及退田還湖穩定期)的水系紙質圖、地形紙質圖和影像圖, 其比例尺均為1∶50 000，以保持相關資料的一致性。基于水系的完整性，以天然水系為單元，將荊南三口水系劃分為松滋河、虎渡河、藕池河、華容河4大水系片區(圖1，表1)。依據河道普查資料對河網開展分析后確定1～2級河流河水深度取值2.00 m，3～4級河流河水深度取值5.00 m，5級主干河流河水深度取值6.00 m。

圖1 荊南三口河系主要水文站點分布

1.2 水系調蓄能力指標的設定與計算方法

基于水系調蓄能力的內涵，同時考慮數據的可獲取性，在松滋河、虎渡河、藕池河三大水系中各取一處具有代表性的水位站，分別為新江口、彌陀寺和管家鋪站，并從荊州水文局獲取以上3站的多年平均水位、警戒水位和歷年最低日水位。基于荊南三地區河道特征資料的可取性,選擇槽蓄容量、可調蓄容量、單位面積槽蓄容量和單位面積可調蓄容量4個指標，并進行量化，用其值表征三口水系調蓄能力。

a. 槽蓄容量。槽蓄容量代表的是河流水位在一般情景下河道所承載水體的總容量，在本文中代表的是荊南三口地區的河流水位在常水位時河道所承載水體的總容量。其數值的變化直接反映水系容蓄水量及澇水的調度能力，對區域水環境容量的確定、水資源調度以及防洪排澇都有重大意義。以黃海高程作為各水位站點的基準面，每個水位站點所對應的水位值應該是稍高于實際所測量的水位值。由于該地區位于洞庭湖以北地區，地形較為平緩，流域內河流眾多，水系結構和連通變化較為復雜，因此，為使計算更加簡便，把河道看作是矩形的，槽蓄容量C的計算公式為

表1 荊南三口地區水系片區劃分及各片區的概況

C=(Ah-Dg)LW

(1)

式中：Ah為正常水位；Dg為河水深度；L為河道長度；W為河流的對應寬度。

b. 可調蓄容量。可調蓄容量是指河流在一般情況下，可以連續最大限度承載水體的總容量，或者說是河道從某一水位上升到一定水位(通常是指由低水位上升到警戒水位)時這一時段矩形河道所承載水體的總容量。在防洪的角度來看，河網可調蓄容量AC對洪水調蓄作用尤為明顯，其計算公式為

AC=Cj-Ci

(2)

式中：Cj為河流在警戒水位時所對應的槽蓄容量；Ci為河流在最低水位時的槽蓄容量。

c. 單位面積槽蓄容量。單位面積槽蓄容量表示水位在一般條件下河網槽蓄容量和區域面積之比，它是對河網調蓄能力的一種直觀反映。比值越大，也就直觀地反映出研究區域內河網的蓄水能力相對較強。單位面積槽蓄容量SR的計算公式為

SR=C/A

(3)

式中A為研究區所對應的水系片區的面積。

d. 單位面積可調蓄容量。單位面積可調蓄容量是指河道水位由某一水位上升到一定水位時這一時段矩形河道所承載水體的總容量，即為與所計算河流的區域面積之間的比值，表示的是所計算對應區域河道對洪水的調節能力。單位面積可調蓄容量ASR的計算公式為

ASR=AC/A

(4)

基于參考文獻[18-19]，獲取荊南三口地區各水系片區及各不同等級河流的長度、寬度、數目等基本數據，并通過荊州水文局得到各水位站點相應的水位數據。再運用式(1)～(4)分別計算該研究地區各水系片區槽蓄容量C、可調蓄容量AC、單位面積槽蓄容量SR、單位面積可調蓄容量ASR。值得指出的是，在計算以上4個參數時，為了使計算得以實現做如下假設：①河流的河床假設其為矩形，這樣的假設是為了使河斷面寬度不隨水深變化而產生不同的寬度；②假設研究區域人類活動對小河流的寬度變化影響不大，且河流寬度沒有固定數值，處于不斷變化之中。根據荊南三口地區的河勢，1級河流的河寬度統一取值5.0 m，2級河流15.0 m，3級河流30.0 m，4級河流40.0 m，5級河流60.0 m。

2 水系調蓄能力的時空變化

水系調蓄能力指單位面積可調蓄容量與單位面積槽容量之和,其大小受河流水位、長度、數目和面積等方面的影響。

2.1 不同時期水系總調蓄能力的變化

基于荊南三口水系結構的一些特征參數如河長、河流數目等[18]，再運用式(1)～(4)得到不同時期該研究區水系總體調蓄能力(表2)。通過比較1955年、1978年、1990年、2008年、2016年5個不同時期的水系總調蓄能力，可以發現荊南三口地區水系總調蓄能力的各參數指標數值均呈逐期減小狀態。其中,從1955年到2016年水系槽蓄容量C減少了26.17%，而河網調蓄容量AC減少了47.59%。就年均減幅而言，水系的槽蓄容量和可調蓄容量在1955—2016年間年均減少量分別為2 499.51萬 m3和2 236.56萬 m3。水系單位面積槽蓄容量由1955年的2.35萬 m3/km2逐期減少到2016年的1.74萬 m3/km2；水系單位面積可調蓄容量ASR由1955年的1.15萬 m3/km2減少至2016年的0.60萬 m3/km2。從階段性變化來看，與1955年比較，SR在1956—1978年、1979—1990年、1991—2008年、2009—2016年4個階段中的減少率分別為0.28%、0.85%、0.23%和0.74%；ASR在這4個階段中的減少率依次為1.41%、0.83%、0.26%和0.67%。從總體來看，三口地區水系天然調蓄能力呈減弱趨勢，且SR、ASR在各階段的遞減率有所差異，SR在1978—1990年間減少最為顯著，ASR在1956—1978年間下降得最為明顯，隨后減少率有所下降，且在1990—2008年間SR、ASR減小幅度遠小于其他階段。

表2 不同時期三口地區水系總調蓄能力的變化

綜上所述，荊南三口地區不同時期水系總調蓄能力均呈減弱趨勢，這是由河流數量減少，水系發育趨向于主干化和單一化[20]所致。如果河流水位處于上升狀態，又在河道入流水量相同情況下，水系調蓄能力的下降則有可能增大該地區的洪澇災害風險。

2.2 不同時期不同等級河道調蓄能力的演變特征

采用斯特拉勒 (Strahler )法對河流進行分級[21]將荊南三口地區河流分5個等級。在此基礎上, 運用式(1)和(2)計算該地區1955年、1978年、1990年、2008年、2016年5個時期所對應的不同等級河流的C和AC，計算結果見表3和表4。其中 1、2和3級河流的槽蓄容量從1955年到2016年分別減少了63.91%、26.32%和10.13%； 4級河流和5級河流的槽蓄容量從1955年到2016年分別增加了564.83萬m3、173.47萬m3。1、2級和3級河流可調蓄容量從1955年到2016年分別減少了409.08萬m3、214.44萬m3和136.41萬m3；4和5級河流的可調蓄容量1955—2016年分別增加了50.78萬m3和59.74萬m3。上述分析表明，小河流(1、2和3級河流)的調蓄能力下降最為明顯，即河流等級越小其調蓄能力減小程度越大。這是由于大量河道較窄的小河流，在人類活動(修筑房屋，建設道路、田園化等)過程中被人為填埋，或消失，或成為斷頭河，或由于水利工程的修建，來水量減少，或斷流，導致低等級河流消失。而骨干河道(4級和5級河流)的調蓄能力在總體上呈上升趨勢，且呈現先減少后增加的變化趨勢，其主要原因與荊南三口地區近60多年來對骨干河道實施的疏浚、堵支強干、合支并流等治理工程密切相關。

由式(3)和(4)計算出荊南三口地區5個時期不同等級河流的SR和ASR(圖2、圖3)。由圖2、圖3可以看出，研究區域不同等級河道SR和ASR在不同時期的變化幅度有較大差異。在1955—2016年間，以5級河流的SR最大，1級河流的ASR最大。由此可見，骨干河流具有較大的蓄水功能，而低等級河流對于調蓄水量具有重要作用。4級河流和5級河流SR和ASR基本保持不變，其間有小幅增長；1、2和3級河流SR和ASR呈逐期減少趨勢，特別是以低等級河流的ASR減幅最明顯。

表3 研究區不同等級河網槽蓄容量 萬m3

表4 研究區不同等級河網可調蓄容量 萬m3

圖2 研究區不同等級不同時期水系單位面積槽蓄容量的差異及變化

圖3 研究區不同等級不同時期水系單位面積可調蓄容量的差異及變化

河道狹窄且數目較多的1級和2級河流槽蓄容量下降幅度較大。這一結論充分表明，受人類劇烈活動(水利工程的修建、城鎮用地擴張、修建道路等)的影響，大量細小河道被封堵或填埋，不斷減少，導致該地區內的水系整體調蓄能力逐期下降。再以水系SR和ASR的變化速率為例，1級河流在1978—1990年和2008—2016年的SR變化速率明顯高于1956—1978年和1991—2008年，其中1978年、1990年、2008年、2016年分別減少0.008 7萬m3/km2、0.012 6萬m3/km2、0.007 1萬m3/km2和0.011 9萬m3/km2；4級河流在1978年、1990年、2008年、2016年的增長量為0.004 1萬m3/km2、0.009 0萬m3/km2、0.004 9萬m3/km2和0.027 5萬m3/km2，在1979—1990年和2009—2016年這兩個階段SR增加速度明顯高于1956—1978年和1991—2008年。1956—2016年，4級和5級河流ASR分別增加了8.64%和14.44%；而1級、2級和3級河流ASR卻分別減少35.09%、18.31%和18.24%， 4、5級河流的ASR一直呈上升趨勢，但上升幅度不大，表明低等級河流的ASR降幅相對較大，而高等級河流的ASR降幅相對較小，這意味著荊南三口地區主干河流的調蓄能力有所增強，而河道較窄的低等級河流的調蓄能力在不斷退化。

2.3 不同水系區河網調蓄能力的區域差異

通過式(1)～(4)計算分別得到1955年、1978年、1990年、2008年、2016年荊南3口地區三個水系片區的河網調蓄能力(表5和表6)。由表5和表6可以發現，1955—2016年各水系片區河網槽蓄能力均呈逐期下降態勢，且各區系間的河網調蓄能力不盡相同。以C、AC而言，在各個時期各水系區C與AC均呈減少趨勢。水系調蓄能力最大的是藕池河水系片區，調蓄能力退化最大的也是藕池河水系片區，1955—2016年其C與AC分別減少了23.73%、34.6%；松滋河水系片區C與AC分別減少了21.58%和34.6%；虎渡河水系區C與AC分別減少了23.83%和23.73%。再以SR、ASR而論，在1955年、1978年、1990年、2008年、2016年5個時期中，該地區各水系片區河網SR最強的是藕池水系片區，2016年其SR為2.86萬m3/km2，ASR最強的也是藕池河水系片區，2016年其ASR為1.05萬m3/km2，明顯高于其他水系區。而河網SR和ASR最低的是虎渡河水系片區，1955年其SR和ASR分別為3.36萬m3/km2和1.16萬m3/km2。此外，不同水系區片的調蓄能力退化速率也存在一定的差異，其中以藕池河水系的退化速率最快，1955—2016年SR減少了1.15萬m3/km2，遞減速率為28.72%，ASR減少0.73萬m3/km2，遞減速率達41.15%，明顯快于其他兩個水系區片。

3 水系結構與河網調蓄能力的關聯性

水系(河網)是由大小不同、長度不等的河槽相互交錯組成的網絡狀泄水蓄水系統[17]。這一概念強調了水系調蓄能力與水系結構、連通能力(其內部的河流數量、水力、河流長度、面積等河流的基本屬性)密切相關。鑒于此, 從水面率、河流等級、水系數量和河流結構等視角剖析荊南三口地區水系結構與河網調蓄能力之間的關聯性，從而揭示水系結構、河流水文連通、水系連通度、水系連通性對河網調蓄能力強弱的影響程度。

3.1 水系結構與河網調蓄能力的相似性

為了分析水系結構與河網調蓄能力的空間變化相似性，將荊南三口地區各水系區片的水面率(Wp)和各水系區片的C、AC、SR和ASR等參數作比較，得出水面率的高低分布地區與調蓄能力參數的大小分布地區(表7)。由表7可知，松滋河水系區片與虎渡河水系區片的河網調蓄能力相對較弱，同時，這兩個水系的水面率也相對較低；藕池河水系是水面率最高的水系區片，其對應的水系調蓄能力參數也明顯大于其他水系區片, 也就是說，相對較大的水面率、分維和河網自然度仍然反映了調蓄能力與河流結構之間的關聯。這表明河網調蓄能力與河流結構的空間變化具有明顯的相似性, 河網調蓄能力與人類活動(水利工程)之間的逆變關系相對清晰, 意味著水利工程對調蓄能力的影響大于對河流結構的影響。由此認為，水系結構與河網調蓄能力在空間變化上呈明顯的相似性。

3.2 河流等級與河網蓄水能力的關系

為揭示河流等級與河網調蓄能力的關系，基于研究區不同等級河流的SR和ASR(圖2，圖3)，計算其比值(圖4)。荊南三口地區不同等級河流SR與ASR的比值關系表明，該比值是隨著河流等級的增大而不斷增大，即河流等級越大，比值越大，也就是說，河流SR相對于ASR而言數值越大，河流的蓄水能力越強。1、2級河流該比值都小于1，說明這兩個等級河流的SR都小于ASR，其調蓄能力較強。3、4和5級河流SR、ASR比值都大于1，等級越高，比值越大，說明其蓄水能力越強，較小河流具有很強的調蓄能力，而主干河流具有很強的槽蓄能力,低等級河流調節功能顯著, 而且低等級河流的數量和結構對河網調蓄能力的影響更大。由此進一步驗證了河流結構對河網調蓄能力的影響。同時也說明了要提高河網調蓄能力, 不僅要規劃和保持一定的水面率, 還要優化和修復河網結構, 維護河流自然的等級發育規律。

表5 研究區不同水系區片河網槽蓄容量及可調蓄容量 萬m3

表6 研究區不同水系區片河網單位面積槽蓄容量及單位面積可調蓄容量 萬m3/km2

表7 荊南三口地區不同水系區片的調蓄效應

圖4 不同等級河流SR與ASR的比值關系

3.3 水系數量、河流結構與河網調蓄能力的關系

為系統分析水系數量、河流結構與河網調蓄能力的關聯性，選取松滋河、虎渡河和藕池河3水系區片的水系結構指標數據、槽蓄能力指標數據和可調蓄能力指標數據，提取其對應年份及區片的水系結構參數與調蓄能力參數，并在SPSS軟件中用Pearson法對提取的數據進行相關性分析，分析結果見表8。由表8可知，荊南三口地區河網調蓄能力與Wp呈高度正相關關系，其相關系數都高于0.995，這表明河網調蓄能力大小與水面率大小密切相關，同時調蓄能力還與發育系數K、河網復雜度CR、分維數D、河網密度DR相關，這反映出水系結構決定了調蓄能力的大小，即D值越大，Wp越高，K越大，所對應的河網調蓄能力也就越強。1955—2016年荊南三口地區修建水閘、矮圍滅螺，堤垸合并、田園化、渠系化、平垸行洪、退田還湖等各種水利工程和下荊江裁彎取直工程，天然水系結構遭受破壞，使水系結構向單一化方向發展，這正是導致該地區河網整體調蓄能力下降的癥結所在。

表8 河網調蓄能力指標和水系結構指標間的相關系數

注：**表示在0.01水平上顯著相關；*表示在0.05水平上顯著相關，下同。

4 水系連通性變化與河網調蓄能力的關聯性

4.1 水力連通性與河網調蓄能力的關系

為分析水力連通性與河網調蓄能力的關系，選取松滋河系區、虎渡河系區和藕池河系區1955年、1978年、1990年、2008年、2016年5個時期的水文連通參數和槽蓄能力參數和可調蓄能力參數，提取其對應年份及各水系區的水文連通參數與調蓄能力參數，在SPSS軟件中用Pearson法對提取的數據進行相關性分析，分析結果見表9。由表9可知，河網SR與ASR與水文連通性的相關系數均在0.01以上，且都為正數，即水文連通與SR和ASR水平呈顯著正相關，這意味著兩水位站點之間的水力連通值越高，所對應的河網調蓄能力越強。

表9 河網調蓄能力指標和水文連通指標間的相關系數

4.2 水系連通度、連通性與河網調蓄能力的關系

為分析水系連通度、連通性與河網調蓄能力的關系,選取松滋河、虎渡河和藕池河3區系的水系連通度指標值、連通性指標值、槽蓄能力指標值、可調蓄能力指標值，提取其對應年份及區系的水系連通度、連通性參數、槽蓄能力參數、可調蓄能力參數，在SPASS軟件中用Pearson法對提取的數據進行相關性分析，分析結果見表10。由表10可知，荊南三口地區的河網調蓄能力與水系連通環度α、水系連通度γ、水系連通性E和水系連通性F均在0.01水平上呈顯著正相關，且與河網節點連接率(β)在0.05水平上顯著正相關，表明水系連通度和水系連通性與河網調蓄能力關系密切，即河網調蓄能力受水系連通的影響顯著，水系連通環度、水系連通度、水系連通性E和水系連通性F值越高，河網調蓄能力就越強。

表10 河網調蓄能力指標和水系連通指標間的相關系數

綜上所述, 該地區在以水利工程為代表的人類活動下的水系結構變化,引起了河網調蓄能力的變化，特別是水系連通性變化對河網調蓄能力的影響更為顯著。由此可以認為，在不影響現有三口水系及江湖關系格局的前提下，一是結合疏浚河道、全面封堵交叉串河、“堵”支并流、“塞”支強干等工程措施優化水系結構；二是利用水閘改建、開閘引水、開挖新河調水等工程措施, 提高各河流的蓄水能力；三是疏挖枯水深槽, 因勢利導興修藕池河中西支平原水庫、虎渡河下游平原水庫, 與此同時，優化三峽水庫調度方案，加大水庫汛末蓄水期的下泄水量，從整體上增加三口河道的徑流量, 縮短河流斷流時間。通過這些措施溝通河流、湖泊、濕地等水體，形成引排順暢、蓄泄協調、豐枯調劑、多源互補、可調可控的河湖水系格局, 最大限度地增強河湖水系的水力連通程度，進而提高荊南三口地區的河網調蓄能力。

5 結論與討論

a. 河網總體調蓄能力呈逐期縮減趨勢。河網調蓄能力的衰減，在河道入流水量相同的情況下，一方面在豐水期河網水位上升，增大洪澇風險；另一方面在枯水期河網水位下，則增大旱情風險。

b. 不同等級河流的調蓄能力具有差異性，其中以1級、2級和3級河流調蓄能力各指標參數減少最為明顯，而4級和5級河流的調蓄能力各指標參數減少值相對較低，河網SR和ASR具有明顯的等級差異，ASR以低等級河流(1、2、3級)減少幅度最大。

c. 各水系區河網槽蓄能力和可調蓄能力均呈逐期減弱態勢，其中以藕池河水系區衰退最顯著，藕池水系片區的SR和ASR最強，但縮減程度較大；虎渡河水系區的SR和ASR較弱。

d. 河網調蓄能力大小與發育系數、河網復雜度和分維數相關。水力連通與SR和ASR呈顯著正相關，水系連通環度、水系連通度、水系連通性E和水系連通性F值越高，區域河網調蓄能力就越強，表明水系結構、河流水文連通、水系連通度、水系連通性對河網調蓄能力強弱的變化起著決定性作用。為保證該地區各水系區的河網調蓄能力不下降或者降低其下降速度，一方面要保護現有河道，尊重河網自然等級的發育規律，維持區域內水面率的穩定狀態；另一方面結合農田水利與城鎮化建設實施河湖水系連通工程，逐漸恢復水系結構功能與其調蓄能力。

e. 平原河網地區水系形態結構，如水面率、河面率、 分支比等與SR、ASR等參數具有顯著的關聯性。因此，應從保護河網水系結構和功能及提高水系調蓄能力的角度考慮荊南三口平原河網地區的平均水面率、平均河面率應保持的百分比。平原河網地區河流時空關系復雜, 如何建立更合理的平原河網地區的河流分類系統，如何通過實測、模擬和歷史資料的系統分析, 探討具有不同等級河流結構的河網調蓄能力。同時，三口河網屬高強度人類活動區域，如何調控人類活動方式對水系結構與功能變化的影響，這些均是值得今后進一步探討的問題。