水工建筑物調度下的小微水體水系連通性評價

高雨慧, 徐 慧, 唐華燕, 林小明, 周 強, 閆懷春

(1.河海大學 水文水資源學院, 江蘇 南京 210098; 2.常州市溧陽市水利局, 江蘇 常州 213300;3.江蘇省水土保持生態環境監測總站, 江蘇 南京 210012)

1 研究背景

水系連通是指區域水體在必要的水工建筑物維系與調度下,重塑或構建起較為完整的水流通道網絡與較為穩定的水力聯系,從而形成具有一定規模且能夠滿足一定功能目標的河湖水系格局[1],是增強防洪抗旱能力、促進水資源合理配置[2]、改善水生態環境[3]的最基本、最有效的方式之一。目前大多數水系連通研究關注的對象是區域性河網水系,通過模擬比較不同工況得到水系連通工程的最優方案,常用方法有圖論[4-6]、水力模型[7-9]、連通性函數[10-12]和綜合評價[13-16]等。綜合評價體系能從多個學科角度出發,對水系連通進行更加全面地量化。隨著近年來大中型河流綜合整治工程的穩步落實,水系連通治理的對象逐步向中小河流乃至小微水體過渡。小微水體是指主要分布于鄉鎮地區的溝、渠、溪、塘等各類小型水體[17],一般河道級別較低、水體規模較小、流動性較差、自凈能力有限,被喻為江河湖庫的“毛細血管”[18]。小微水體與河網水系相比,其區域范圍小、水面與斷面形狀各異,因而具有復雜的流速差異性,若直接按照河網水系連通性評價指標體系進行計算則有欠妥當。閆欣等[19]基于生態系統理論的景觀生態學提供了將水域視為“斑塊”的研究角度,對水面形狀各異的小微水體具有較好的適用性,而水質改善程度也是水系連通工程重要的考核指標之一[20],該理論為小微水體水系連通研究提供了新視角。

太湖流域是典型的城市化平原河網地區[21],其現存的塘浦圩田具有源遠流長的古水系特征[22]。在人類活動的強烈干預下[23],大多數圩內河道經現代化治理與建設,已成為依賴水工建筑物調度程度極高的小微水體,一般無法獨立維持水體的循環流動[24]。水工建筑物對小微水體連通性的影響可分為兩大類,一類如閘、壩等阻隔了自然狀態下的水體流動[25],僅根據調度需要短時恢復暢通狀態;另一類則為水體流動提供通道或能量,以促進水體交換,如涵洞、泵站等。因此,水工建筑物能在很大程度上決定水系的水位、流量等連通要素。目前已有研究一般關注水系連通性在自然因素影響下的動態變化規律[26],而如何在水系連通評價中體現出水工建筑物工況帶來的影響尤為重要。

本文重點討論以下兩方面的內容:(1)根據小微水體與河網水系的形狀特征差異,對小微水體水系連通性指標進行選取與修正;(2)根據小微水體受水工建筑物調度影響的特點,在水系連通性指標計算時考慮各水工建筑物啟閉工況組合及相應運行時長,得到水系連通動態變化值與長時間范圍內較為穩定的綜合平均值。將所提出的小微水體水系連通性評價指標體系應用于溧陽市同字水系,對其綜合整治前后的水系連通改善情況進行量化評價。

2 小微水體水系連通性評價體系構建

2.1 指標選取

小微水體是河網水系中的“繁枝細節”,具有水系連通的一般物理特征。研究表明,擁有“活水”的小微水體可通過復雜的物化過程改變所屬河湖生態系統中的物質通量,進而影響水系的結構和功能[27]。因此,根據水系連通評價體系構建原則,河網水系連通性評價體系常用的水系格局、結構連通性和水力連通性3個準則層對小微水體仍具有較好的適用性。考慮到小微水體在河湖生態系統中的服務功能[28-29]和水質提升[30-31]方面的特點,補充景觀連通性和水質改善兩項準則層。

在對各準則層進行指標選取時,均需根據小微水體影響生態服務功能的形狀特征和受水工建筑物調度的水力條件等特點來修正指標和計算方法。相較于河網而言,小微水體水系形狀帶狀特征不明顯,因此在水系格局中弱化與河道“長度”相關的指標,而強調水體所占面積與體積,改進的小微水體水系連通性評價指標體系如表1所示。

表1 小微水體水系連通性評價指標體系

2.2 評價方法

太湖流域小微水體水系連通受到人工的強烈干預,通過水工建筑物的啟閉調度,能引起水系網絡連通通道以及水流流動能量大小的變化,從而需區分不同工況下的結構連通性和水力連通性,計算各工況的對應值與均化工況時長后的綜合平均值。另外,本文認為水系格局、景觀連通性和水質改善準則層內的指標受水工建筑物調度影響較小,可忽略不計。

2.2.1 水系格局 河網水系格局研究主要源于河流地貌學,描述水系本身整體形態、規模與發育程度,進而反映其對徑流、沉積物等物質轉移的促進或阻礙作用[32],常選取河網密度、水面率、河頻率、槽蓄量等指標。針對小微水體,河流帶狀形態不明顯,河網密度、河頻率等指標難以定量,但水面率、槽蓄量對小微水體仍適用。水面率是指河流湖泊多年平均水位以下水體所占水域面積與區域總面積之比,該指標表征區域水域范圍的大小。槽蓄量為河流湖泊在設計水位以下的蓄水總量[33-34],反映該區域水系儲蓄水資源的能力,也是該區域瞬時參與循環流動的總水量。

2.2.2 結構連通性 水系連通包含橫向、縱向和垂向3個維度的連接與聯系[35]。結構連通性評價將水系概化為二維圖模型,衡量橫向與縱向的連通情況。該評價方法源于交通路網領域,遵循圖論原理反映節點與邊所構建的網狀結構的連通狀況[36],也在景觀生態學中用于描述廊道之間的連通性。現有文獻中對結構連通性的研究大多關注水系自身的結構屬性,本文認為,結構連通性存在水系自身以及水工建筑物調度兩個層面。對于水系自身層面,各類水工建筑物運行期內若相關水流通道互通,則該處水系連通結構在任何時間均成立,不考慮非運行期水工建筑物對地表水流流動產生的阻礙影響;對于水工建筑物調度層面,區分為水工建筑物運行期與非運行期,根據閘門啟閉狀態,判斷不同工況下各水工建筑物所處位置的水系結構連通與否,進而根據各工況時長占比賦權,加權得到一定時間范圍內動態穩定的綜合結構連通性。

小微水體的圖模型概化原則與河網水系一致,利用圖論中的元素表征水系結構的不同幾何要素。考慮到小微水體內部水系流向復雜、蜿蜒曲折,為簡化圖模型僅取主流向,即細長形水體采用長度方向的邊E表示,水體匯合處、水工建筑物所處位置以及邊界等結構連通條件突變處用點V表示。其中,依托泵站、暗涵、橋洞等水工建筑物構建而成的輸水通道,其斷面尺寸與塘體寬度相差較大,將該類輸水通道的起點與終點概化為點,將通道自身概化為直線邊,忽略通道內的水流流向。

綜合考慮點線之間的關系,選取環度、節點連接率和實際結合度指標進行評價[37]。環度定義為網狀結構的實際回路數與在不改變點線數量、僅改變點線互接結構的情況下可能形成的最大回路數之比,其反映了河網回路的豐富度。環度越大,則實際回路越豐富、水系內物質能量的循環路徑越多、交換能力越強。節點連接率為網狀結構內每個節點所鄰接邊數的平均值,表征節點間相互聯系的難易程度。節點連接率越大,則節點之間的聯系渠道越順暢、節點間互通水流的能力越強。實際結合度是網狀結構的實際邊數與在不改變點數量的情況下可能構成的最大邊數之比,主要衡量水系通道的密度。實際結合度越大,則水系通道越密、用于水分輸移的場所越多、水系溝通能力越強。上述3個指標的計算公式如下:

(1)

(2)

(3)

式中:α為環度;β為節點連接率;γ為實際結合度;e為網狀結構的邊數;ν為網狀結構的節點數。

2.2.3 水力連通性 在結構連通性二維基礎上進一步考慮垂向維度,即在水流通道作為結構“載體”的基礎上探討水流流動時的水力條件,進行水力連通性評價。水力連通性是衡量水體在網狀結構中的實際流動能力,河網水系常采用流速、流量、換水周期、水位、水力坡度、水流動勢[38]等指標,歸根結底這些指標都可轉化為穩定流速的能量大小。小微水體內部水流流速偏低且不穩定,流向復雜,難以選定典型斷面以獲取平均流速等信息。同時,小微水體中水流流動幾乎完全受水工建筑物運行所操控,因此可由水工建筑物的運行參數計算其為水流流動供給的外部能量,進而反算出平均水力條件。考慮到小微水體流量數據普遍缺乏,換水周期受到槽蓄量大小的影響,因此選取流速作為指標之一。

同時,小微水體大多無法依靠天然地勢高差形成的水力坡度獨立維持穩定的水位差,需借助外力提供勢能。假定水流循環中的所有水頭損失均由水工建筑物產生,不再單獨計算糙率影響。從能量供給的結果角度,采用水工建筑物提供的水位差計算水力連通能力[39],公式如下:

(4)

式中:Ch為水力連通能力,m-1; ΔZ為小微水體內部設計最高水位點與設計最低水位點之間的水位差,m。

2.2.4 景觀連通性 景觀連通性是從景觀生態學的角度對斑塊間通過廊道相連程度的定量描述[40],主要取決于斑塊的形狀、面積與空間分布情況。景觀格局指數可以較好地衡量斑塊的聚集或分散程度對物質輸移、能量交換、信息傳遞等所起的作用,進而反映水流從景觀范圍內的一處轉移到另一處的能力大小[41]。

運用Fragstats4.0軟件計算小微水體水域在類型水平上的分離度指數和景觀分割度[19]。景觀連通和生境破碎是相反的兩個過程,因此分離度指數和景觀分割度是水系連通性的負向指標。分離度指數是某類型各斑塊面積的平方和與區域總面積平方之比,其數值越大表明景觀破碎越嚴重。景觀分割度是某類型各斑塊面積與總景觀面積之比的平方和比1小的程度,反映同一類型內不同斑塊的分布離散程度,其數值越大表明斑塊越分散。分離度指數和景觀分割度計算公式如下:

(5)

(6)

式中:SPLIT為分離度指數;DIVISION為景觀分割度;A為區域總面積,m2;aij為第i種類型的第j塊斑塊的面積,m2。

2.2.5 水質改善 根據目標的不同,水系連通工程可分類為水災害防御型、水質改善型、資源調配型、綜合治理型4大類[42]。小微水體納污能力較小,水系連通對水資源、水安全等方面起到的提升效果有限,而對水質改善的效果較為明顯且便于定量評價,近年來以水質改善為目標的黑臭小微水體治理逐漸在平原城市化地區興起[43]。本文采用的內梅羅污染指數法(Nemerow index method)是衡量水質綜合污染應用最廣泛的方法之一[44],該指數為負向指標。

3 應用實例與分析

3.1 研究區概況

同字水系位于江蘇省常州市溧陽市昆侖街道方里村,屬于北豐聯圩的重要村級河道,由9塊方塘組成,整體呈“同”字形。外方分為東、西、南、北、中5塘,占地面積約為27 hm2,內方共有4小塘,占地面積約為3 hm2,河道總長3.8 km。明嘉靖二十三年(公元1543年),溧陽地區大旱,吏部主事史際提出以工代賑,主持開挖低洼處為堰池,平整地勢較高處為農田。外堤抵擋洪水,內池進行養殖與灌溉,于乾隆五十一年(公元1786年)完工并延用至今。溧陽市方里村美麗鄉村規劃與溧陽市方里村同字水系水環境綜合整治工程于2019年7月開工,2021年5月已基本完成水環境整治、生態清淤和基地修復工程,整治前、后研究區及周邊水系與水工建筑物概覽圖見圖1。北豐聯圩以中河、丹金溧漕河、竹簀河與蕪申運河為界,同字水系由方里北河連通至丹金溧漕河,由北豐圩內河與中河及竹簀河相通。目前外方設計水位為1.7 m(1985國家高程基準,下同),內方設計水位為1.9 m。同字水系內、外方互通,并與塘外水系具有緊密的水力連通,有較為獨立的水循環系統,屬于水工建筑物調度下的網狀循環小微水體。根據地面高程劃分匯水區作為研究區范圍。

圖1 整治前、后研究區及周邊水系與水工建筑物概覽圖

3.2 數據來源

本文采用溧陽市別橋鎮航空遙感影像,攝于2015和2021年,空間分辨率分別為0.8和0.1 m;河道斷面數據來源于《常州溧陽市方里村同字水系水環境綜合整治方案》;水質數據來自《常州市生態環境監控中心溧陽分中心水和廢水監測結果表》。

3.3 評價指標計算

3.3.1 水系格局評價指標 通過ArcGIS軟件分別對整治前、后的遙感影像進行目視解譯,檢驗總體精度分別為96.42%和97.33%,Kappa系數分別為0.912 8和0.936 5,符合要求。將所得同字水系水域范圍評價指標進行統計,水面率分別為45.76%和47.52%,整治后水面面積增大了1.16 hm2,水面率增加了1.76%。

根據整治前、后斷面圖計算槽蓄量。整治前同字水系淤積嚴重,斷面呈自然對稱梯形狀,邊坡比約為1∶9,平均水深為1.6 m。生態清淤工程平均清淤深度為0.6 m,總清淤量為17.82×104m3。經斷面設計,內方四塘近似矩形斷面,河底高程約為-0.3 m;外方5塘采用直立式護岸的復式斷面,河底高程約為-1.0～-0.5 m,平臺寬20 m,距水面0.5～0.7 m,平臺下坡比為1∶2.5。計算得出整治前、后槽蓄量分別為33.14×104和50.99×104m3,清淤工程使得槽蓄量增大了53.86%。

3.3.2 結構連通性評價指標 因同字水系內水流流速較緩,流向復雜多變,易受風力、游船等干擾,為簡化計算,只取因內、外方塘水位差產生的單向重力流。整治前,內、外方塘均用于魚塘養殖,因而設有魚塘隔離壩,僅有西方北方、西方南方、東方北方以及內方隔離壩體上有用于人工換水的閘口。閘口平時處于關閉狀態(工況1),換水時開啟(工況2),并與外部北豐圩內河和方里北河連通。經整治,魚塘隔離壩已全部拆除,且在西方中方修建引水泵站維持內、外方水位差,記引水泵站關閉狀態為工況3,開啟狀態為工況4。

根據水工建筑物的啟閉情況繪制整治前、后不同工況下的同字水系圖模型,如圖2所示。基于圖2模型計算整治前、后各工況同字水系結構連通性指標,并根據平水年水工建筑物啟閉時長加權計算年內平均結構連通值。其中,由環度的定義可得工況1、2的環度為0,其余指標采用公式(1)～(3)計算,結果見表2。

表2 整治前、后各工況同字水系結構連通性評價指標計算結果

由表2可知,整治前工況1同字水系各塘體間無通道,無法形成回路,基本處于孤立狀態。拆除魚塘隔離壩后,結構連通性的3項指標均有顯著提升,即使在引水泵站關閉時期(工況3),也比整治前開啟閘口(工況2)換水時的結構連通性更好。開啟引水泵站后(工況4),雖然僅比工況3增加了1條連通通道(E19),但3項指標均有所增大。比較整治前、后的年內平均情況值,環度值增大0.075,節點連接率與實際結合度增量超過1倍。

3.3.3 水力連通性評價指標 同字水系缺少完整的流速流量監測資料,需通過換水量與換水周期換算平均流速。同字水系既有用于內外連通/阻隔的水工建筑物,又有用于內部水體循環流動的水利設施,因此換水周期可分為內部水循環周期和內、外水體交換周期。在水力連通性評價中,換水周期指內部水流循環量達到總槽蓄量所需的時間。若無法實現較為穩定的內部循環,則該換水周期與內、外水體交換量達到總槽蓄量時所需時間相同。

整治前同字水系幾乎無法維持穩定水流,須周期性與外部水系連通進行人工換水。換水歷時為隔離壩閘口開啟時長,即工況2;整治后,內部水流循環依靠西方中方引水泵站提供動力,即工況4。同時,整治后方里灌排站(2臺(套)混流泵500HW-6)、方里排澇站、后桑園翻板閘與手動雙向蝶閥泵站聯合運行進行內、外水體交換,引北豐圩內河水入同字水系,并排入方里北河,且此時用于供給內部水流循環的引水泵站同步工作,記為工況5。單次換水率為單次換水量與槽蓄總量之比;換水周期為年內平均換水間隔與單次換水率之比。整治前、后工況2、4、5的平水年換水周期見表3。

表3 整治前、后工況2、4、5同字水系平水年換水周期

由表3可知,因整治前內部水循環無法實現,工況1同字水系中水體流速幾乎為0,只能借助工況2的內、外水體交換來實現水力流動,工況2換水周期約為18 d,單次換水率高達65.52%,流速為20.13 m/s。根據時長占比綜合工況1、2,得到整治前年內平均流速為0.21 m/s。整治后借助引水泵站(工況4)的內部水循環換水周期為115 d,比工況2顯著增長,但換水間隔縮短,單次換水率減小,該工況以少量多次的方式維持水流循環,平均流速為0.31 m/s;工況3平均流速可近似取與工況4一致;工況5平均流速為1.10 m/s,換水周期為129 d。通過工況3、4、5的時長占比加權計算,得到整治后年內平均流速為0.34 m/s,平均流速較整治前增大了61.9%。

整治前,換水時長較短,且需借助方里灌排站與方里排澇站促使水體流動達到換水目的,內、外方水位差幾乎為0。整治后,引水泵站將內、外方水位差維持在約0.2 m,由公式(4)計算得出水力連通能力為0.83 m-1。

3.3.4 景觀連通性評價指標 在Fragstats4.0軟件中處理目視解譯得到的水域范圍,選擇類型水平的分離度指數和景觀分割度來衡量水域的景觀連通性。通過計算得出,整治前同字水系分離度指數和景觀分割度分別為21.60、0.95,整治后分別為5.42、0.82。整治后分離度指數和景觀分割度分別減小了74.9%、13.7%。整治工程拆除魚塘隔離壩后,相鄰水域斑塊合并,因此水域斑塊數量減少且距離拉近,分離度指數顯著降低,景觀分割度減小,二者表現出一致性,可見整治工程大大提高了同字水系的景觀連通性。

3.3.5 水質改善評價指標 同字水系主要由中河進行水源補給,中河現狀水質總體穩定,保持在國家Ⅲ類水標準。根據2019年9月15日和2021年6月22日同字水系5個采樣點(S1～S5)的水質檢測結果,選擇高錳酸鹽指數、氨氮、總磷3個水質參數利用內梅羅污染指數法計算,標準值采用整治的目標水質Ⅲ類水相應標準,所得結果如圖3所示。對5個采樣點的內梅羅污染指數求均值,得到整治前、后綜合內梅羅污染指數分別為2.56和0.58,整治后綜合內梅羅污染指數減小了77.3%,水質得到了明顯提升。

圖3 同字水系采樣點分布及相應水質內梅羅污染指數

3.4 討 論

在表3的基礎上進一步計算,探討連通性和年均換水量之間的關系。整治前,平水年每年需要外部提供652×104m3的水,才能滿足魚塘養殖的水質與水量要求,而整治后僅需133×104m3的水即可保證景觀生態用水。結合整治前、后的水質污染情況(圖3)來看,盡管整治后內、外水體交換周期比整治前更長,但整治后的水質明顯優于整治前。這也從側面驗證,簡單直接的換水方式不僅會導致治理效果不佳、水質問題反復出現,還會造成優質水源的大量浪費。引水治污必須以控源截污為前提,建立較為完整穩定的水系連通系統,從根本上恢復河湖生態活力[45]。

本文從多角度探討了在水工建筑物調度下的小微水體水系連通性指標體系,并以同字水系為例分析了整治前、后水系連通各方面的改善成效,但數據量仍不足以計算得出如文獻[13]中的指標權重并得出綜合水系連通性指數,因而還需進一步研究。

太湖流域小微水體的水系連通受到配套水工建筑物的調度,在本文提出的小微水體水系連通性評價指標體系中結構連通與水力連通情況系根據不同工況開展計算,得到了波動值以及長期內較為穩定的綜合平均值。本文的思路也可應用于水工建筑物調度情況更為復雜、受人為因素影響更為劇烈的水系連通性計算,根據工況分解掌握其年內、年際動態變化過程及階段綜合情況。同時,本文針對帶狀特征不明顯的小微水體進行了水系連通性指標修正,并將水域視為“斑塊”進行景觀生態學角度的探究,在計算“水量”循環的同時考慮“水質”,對太湖流域圩內小微水體的水系連通性評價有較好的適用性。

4 結 論

本文針對小微水體在提供生境和凈化水質方面的突出貢獻,增設景觀連通性和水質改善兩大準則層,同時根據小微水體形態特征和受水工建筑物調度影響的特點選取相關指標,探索性地提出了包含5大準則層共10項指標的小微水體水系連通性評價指標體系。利用該評價體系對溧陽市同字水系小微水體整治前、后的水系連通性進行量化,得出以下主要結論:

(1)水系格局中的水面率、槽蓄量指標能較好地反映出小微水體的整體形態與規模,同字水系經清淤整治后,水面率略有增大,而槽蓄量增長幅度超過1倍;環度、節點連接率和實際結合度能從多個角度反映不同工況下小微水體的結構連通性,同字水系整治后環路從無到有,節點連接率和實際結合度增量超1倍;流速與水力連通能力在多個水工建筑物聯合運行的小微水體中能夠合理又簡潔地衡量水力連通性的強弱及動態變化,同字水系年內平均流速較整治前提高了61.9%,水力連通能力增至0.83 m-1;分離度指數和景觀分割度指標可量化水域斑塊的破碎化程度,以此表征景觀連通性,同字水系該兩項指標均在整治后降低,其中分離度指數降低尤為顯著;用內梅羅污染指數法計算得到的水質改善情況能從側面反映出水系連通帶來的生態環境效益,同字水系整治后內梅羅污染指數顯著降低,水質大幅提升。

(2)各項指標在同字水系小微水體整治后均體現出水系連通性的改善,整個評價指標體系能夠較為全面、合理地衡量小微水體在各類水工建筑物聯合調度下的水系連通性。

(3)科學的水系連通措施與簡單直接的換水方式相比,不僅能更有效地提高水系連通性,也能在節約換水量的同時達到更優的水質提升效果。