遼河流域水利工程建設對水系結構的影響研究

曲 峰

（遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118000）

水系結構是影響河流生態健康發展的重要因素之一。水利工程項目的建設和人類城市化進程是人類利用自然并且改造自然最深刻的實踐[1]。有研究指出，河流與湖泊水系互相連通的主要因素是：天然水系結構、水利工程建設和運行標準，并認為水利工程項目的建成，將大大影響到水系之間的連通性，從而改變水系的天然結構，直接威脅到河流生態系統的健康穩定[2]。所以，判定水利工程建設對水系結構的影響，是地區生態可持續發展的重要點。

1 研究區概況

遼河主要流經鐵嶺市、盤錦市、沈陽市康平縣、法庫縣，然后流入渤海遼東灣。全長528 km，流域面積552 km2，支流眾多。整個流域有100 多條支流，包括西遼河、東遼河、渾河、太子河、修水河、響尾河、六合河、饒陽河。遼河水系發達，地形破碎，溝壑縱橫，切割性強[3]。它是典型的低山丘陵地形。該區海拔由西北向中南逐漸降低，最高處和最低處分別約為1650 m 和860 m，流域內支流交錯曲折。主要支流有渾河、太子、柴河等。遼河流域地處半干旱半濕潤氣候過渡區，冬冷夏熱。降雨和流量的時空分布極不均勻。從東南到西北的總降雨量正在減少。年平均降雨量320 mm～860 mm，其中62%集中在7 月～8 月，多以暴雨或暴雨形式出現[4]。平原地區氣溫較高，年平均氣溫6℃～9℃，年蒸發量由南向北依次遞減，在982 mm～1650 mm 之間。

2 研究數據來源及方法

本文從1∶10000 電子地形圖中提取出1958 年遼河流域DEM矢量數據，從2000 年spot 衛星和2009 年資源三號遙感數據中得到DEM作為空間分析以及個指標計算的基礎。制作出兩個時期（大型水庫建成前，水庫建成過程中與大型水庫建成后）的水系分布見圖2。

圖1 遼河流域概況圖

圖2 ARCGIS 提取遼河（遼寧段）水系圖

河流長度及數量數據可以在ARCGIS 軟件的“屬性表”功能欄中直接計算得到（見圖3）。

圖3 利用DEM 計算河長及河數步驟圖

水利工程建設數據來源于中國水利工程數據庫，研究區已經建成的水庫有10 座，其中遼河干流有6 座，渾河流域有1座，太子河流域有3 座[5]。水庫位置、庫容量及建成時間見表1。

表1 遼河大型水庫數據表

2.1 指標選取

在我國社會經濟快速發展的現狀下，水源的利用對城市的可持續發展至關重要。在修建水利工程設施的同時，也會帶來一定程度的負面影響。水利工程數量和庫容量是反應地區水利工程項目建設的重要因素，因此，本次研究將選取水利工程建設數量和庫容量指標來刻畫遼寧省水利工程的建設水平[6]。河流的數量和長度可以作為分析水系結構的直接指標，河頻率、水面率、河網密度和分形維數是不能直接從水系圖中直接提取的指標，作為間接指標[6]。這些指標對于水利工程項目的選址、運行等起著至關重要的影響。因此，本文將以河流頻率、水面率、河網密度和分形維數這四個間接指標分析水利工程項目對水系結構特征的影響[7]。建立的指標體系見表2。

表2 指標體系表

2.2 計算方法

關聯度是指測量兩個系統之間的因素與對象或時間的關聯度。隨著系統的發展，如果兩個系統的因素趨于一致，則相關度較高；如果兩個系統的因素相差很大，則相關度較低[8]。灰色關聯分析是分析因素發展的相似性或相異性程度，“灰色”是指部分因素是可見的，但部分因素是不可見的程度。灰色關聯度法可以評價各個因素之間的相關性，雖然其不需要具有分布規律典型的樣本，且對樣本數量的要求不高，但其分析結果與定性評價的結果相當吻合，準確率高[9]。具體計算步驟如下：

（1）基于所選取的數據，建立適合的參考序列x0=（x01，x02，…，xon）和比較序列xi=（xi1，xi2，…，xin），其中i=1，2，…，n。

（2）運用初值法對變量序列進行無量綱化處理。使數據具有相同的量綱，便于比較。

（3）求出最大差值和最小差值、差序列，為計算關聯系數作支撐。其中，差序列為：；最大差為：M=maxixmaxkΔi（k）；最小差為：M=minimaxkΔi（k）。

（4）計算關聯系數

i=1，2，……，m；ρ 作為分辨系數，通常取值為0.5。

（5）求關聯度。根據關聯系數可以計算平均關聯程度：

（6）結果分析，將得出的關聯度排列大小次序，描述因素之間的關聯程度，因素與參考序列之間的關聯程度越大，則關聯度越大，反之則越小。

3 計算結果

3.1 河頻率、水面率及河網密度變化

表3 河頻率（Rf）、水面率（Wp）及河網密度(Rd)

河頻率反映了該地區河網的密度。遼河流域河道頻率由1958 年的0.85 下降到2009 年的0.71，呈下降趨勢。區域水面率是指在一定區域內，承載水域功能的面積與區域總面積的比值，它可以在自然力和人類活動的雙重作用下，評價人類社會與水域的協調發展程度[10]。遼河流域水面率由1985 年的17.21下降到2009 年的15.88。河網密度是指流域內主要支流的河長與流域面積之比，或單位面積內天然河、人工河的總長度。河網密度呈先減小后增大的趨勢。

3.2 分形維度

計盒維數法是目前分形學研究中最常用的方法，它是計算水系分形維數的常用方法[11]。其基本思想是取邊長為R 的小方盒（可以理解為拓撲維數為D 的小方盒），用這樣的小方盒覆蓋分形圖形。因為分形中有不同層次的空間和間隙，所以一些小盒子是沒有覆蓋任何東西的，另一些小盒子覆蓋了分形的一部分。將非空盒數記為n（R）。然后減小R 盒的大小，n（R）自然增大。當R→0 時，得到了用盒維數法定義的分形維數[12]：

在實際應用中只能取有限的r。通常做法是求一系列的r1，r2，r3，……rk和N（r1），N（r2），N（r3），……N（rk）,然后由雙對數坐標中的lgN～lgr 直線的斜率求D0，且必須要求存在有標度關系[13]。

同時，也得到rk和N（rk）取r=1，2，3，……k，時，等式兩邊同時取對數可以得到：

式中：A 為常數；D 為水系的分形維數，其值等于等式中切線斜率值的絕對值。

李后強等學者認為，河流系統的分形維數反映了河流發展的三個階段。在發育初期，當D≤1.6 時，河流發育不足，河網密度較小；在發育成熟期，當D≤1.9 時，流域逐漸發育，河網密度增大；在發育后期，當D＞1.9 時，流域侵蝕嚴重，河流發展趨于穩定[14]。遼河（遼寧段）的分形維數均在1.3～1.6 之間。處于發育初期，表4 可以看出遼河流域的水系分維值呈現出增大的趨勢。符合自然界的客觀事實。

表4 水系分維值D 計算結果

3.3 水利工程與水系結構灰色關聯度

建立水利工程建設數量變化與水系結構變化的灰色關聯模型，分辨系數0.5，其灰色關聯系數及關聯度見表5。

表5 水利工程數量變化與水系結構關聯

由表5 可知，研究區內水利工程與河頻率、水面率、河網密度、分形維數的灰色關聯度分別為：0.533、0.672、0.681、0.598。而各項指標均大于0.5，說明，水系的結構特征受到了水利工程建設的影響。關聯度排序為：Yn-Rd＞Yn-Wp＞Yn-D＞Yn-Rf。說明水利工程數量的變化對河網密度影響最大，對河頻率影響最小。

水利工程各項指標與水系結構變化的關聯度大小為：水庫總庫容＞水利工程數量。水利工程庫容量變化與水系結構的關聯 度 為0.699、0.776、0.834、0.791。Yn-Rd＞Yn-Wp＞Yn-D ＞Yn-Rf。庫容量的變化對遼河流域的河網密度影響最大，對河頻率影響最小。見表6。

表6 庫容量變化與水系結構關聯

4 結論

水利工程的建設會從水源地、徑流、流程和流域分布等方面對天然水系結構造成一定的影響，本文基于遼河流域地形圖、spot 衛星以及美國政府向公眾發布的最高分辨率的SRTM DEM數據，利用灰色關聯度法，計算了水利工程的建設對遼河流域水系結構的影響，得出，遼河流域河頻率、水面率從1958 年～2009 年呈現降低的趨勢，河網密度從1958 年～2000 年降低，從2000 年～2009 年出現增加。遼河流域水系分形維度呈現出逐年增加的趨勢。研究區內水利工程與河頻率、水面率、河網密度、分形維數的灰色關聯度指標均大于0.5，說明水利工程的建設對水系結構有著明顯的影響。