2024年9月26日，中国城市规划学会流域空间规划分会第十期月度交流会成功举办。本次流域月度交流会由天津大学水利工程系李发文教授以“大型流域水网格局解析与功能评价研究”为题进行分享。学术交流会主持人为西安外国语大学旅游学院杨晓俊教授，北京大学汪芳教授担任会议的组织召集人。2021年习近平总书记在推进南水北调后续工程高质量发展座谈会上强调：要加强互联互通，加快构建国家水网主骨架和大动脉，为全面建设社会主义现代化国家提供有力的水安全保障。当前，水网建设已被提升至国家战略高度，而南水北调后续工程的高质量发展则是“十四五”规划期间构建国家水网的首要任务。目前，我国已/在建大中型调水设施166项目，调水规模达到1397亿立方米，规划中的调水工程还有100多项。然而，在水网建设与规划的推进中，仍存在水网骨干工程与区域水网间统筹规划不足、生态环境效益与社会经济效益考虑不充分的问题亟待解决。李发文教授首先介绍了本次报告的研究背景，本研究以海河流域作为研究区域。海河流域是中国七大流域之一，历史上水旱频发，流域缺水严重。建国后国家大力开发治理海河，在上游大量修建水库、水坝以拦截汛期洪水；下游修建人工减河，排泄汛期洪水，输配水渠道增加，水网拓扑结构不断变化，形成了扇形网状水网结构。![]()
图1 自然水网与现状水网对比图
然而，这种水网演变也引发了一系列问题：下游河道流低，部分河道长期无水，生态系统功能性减弱，影响流域生态系统健康；流域农业耗水量较大，城市和工业用水需求量增加，但径流表现出下降趋势，流域面临着缺水等问题。针对上述问题，引发了对于人工水网建设的深刻反思：人工修建的水网是否导致水量分散，不足以养河？人工修建的水网改变了地形对水流的驱动作用，是否符合海河水系的自然演变规律？基于此，从水网格局特征研究、水网格局与地形地貌关联性、水网连通性与空间一致性研究、水网功能评估四个方面展开研究。
接下来，李发文教授讲述了流域水网空间特征与网络特征解析的研究成果。通过几十年的大规模建设，海河流域下游自然水系大为改观，减轻了海河流域的防洪压力，也彻底改变了海河水系的历史格局，在海河平原上出现了统一入海的水系系统和分流入海的分流水系并存的水网格局。可以看出，现状水网与自然水网存在较大的差异性，因此在评估过程中主要通过空间特征与网络特征两方面进行评估。在空间分布特征评估方面，海河流域人工河道众多，水网特征与自然水系大不相同，由于不满足自然的树状结构，末段河段中流序并不确定，难以计算霍顿比率、分支角等表征自然水系的指标，因此根据海河流域实际水网特征选择了河网密度、盒维数、交汇数、人工河道比例四个水网指标。在研究过程中，将海河流域划分为空间分辨率4km×4km的正方形网络，划分多个空间分析尺度。在空间统计分析上，从水网空间的均衡性、自相关性和相似性研究水网演变的特征。在水网网络特征评估方面，引入了水网图模型和小世界网络，选取了节点中心性、社区检测、同配性三个拓扑指标。图2 研究所选水网指标
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图3 研究所选拓扑指标
空间分布特征评估结果显示：从均衡性分析，现状水网与自然水网相比，流域水网格局的均衡性增强、空间差异性减弱，山区相对于过渡区和平原区，变化幅度相对较小。人工河道的加入，改变了自然河流空间分布特征，流域水网趋于一致和均衡。从自相关性分析，现状水网与自然水网相比，空间自相关性显著增强，人工河道建设非常集中，主要分布于海河流域平原区。从自相关分析，可知山区水网受人类干扰较弱，水网特征变化较小，保持着一定的相似性，平原区水网分类变化较大，不存在占比很大的一类水网。网络特征解析结果显示：自然水网与现状水网相比，水网更倾向于高连通、大整体、高密度的小世界特征，这说明海河流水网结构更加合理，抗风险的能力增强。从拓扑特征结果来看，海河流域水网的社区结构在不断变化，人工河道集中的下游地区逐渐消除原本的水系边界，趋于整体化；流域分区水网在人类影响下均发生了剧烈演变，但网络特征指标之间并未呈现一致的变化规律，水网变化在空间上存在较大差异。从河网演变规律来看，现状水网的同配性指数高于自然水网，水网节点度呈现幂律分布特征；演变过程模糊了原本的自然网络分量，在空间网络中难以清晰划分不同的子河网，人工河道的连接长度大大降低，片段化程度不断提高，现状河网趋于不规则“井”字形分布。人类对海河流域水网的改造和重建使其空间特征和网络特征变化剧烈，其水网格局与地形地貌之间的内在关系受到影响，这关系到流域水网格局的长期稳定和健康运行。研究建立了水网指标体系和地形地貌指标体系，采用冗余分析法进行关联性定量化研究，将水网指标作为响应变量，地形地貌特征作为解释变量。通过对水网指标和地形地貌指标进行相关性分析，发现水网指标与地形地貌指标之间存在良好的相关性。
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冗余分析结果显示：海河流域地形地貌对水网指标的方差解释率为53.39%，地形地貌对水网格局差异解释性较强，不同区域的水网的解释度存在一定差异性，山区和过渡区比平原区解释度更高。同时，对比人工河道对关联性的影响，将水网指标中人工河道比例这一指标去除，使用河网密度、盒维数、交汇数三个指标表征水网格局，结果显示人工河道的修建改变了自然水网与地形地貌原本的内在关系，人工河道的修建使原本自然河网格局与地形地貌之间的关联性大幅度降低。
由上述研究得知，水网与地形地貌之间的关联性已显著降低，这可能对河道水网运动产生较大影响。基于持续变化的水网，研究拓扑结构演变下系统连通性对水网剧烈变化的响应，厘清水网结构特征与连通性的内在关系和相互作用具有重要意义。研究选取了55个具有代表性的断面进行研究，选取动态连通指数、持续连通时间、联通起讫时刻、连通间歇指数4个指标，以生态流量作为连通性阈值，以断面的实际流量与生态流量的比值大小关系确定连通性指标。
研究结果显示：对于动态联通指数来说，山区断面流量连通性较高，接近于自然河道；平原区断面所处河网演变剧烈，受到多因素干扰作用，断面之间连通指数差异较大。对于持续联通时间来说，山区断面与平原区断面持续连通时间差异显著，山区断面平均在年内可连续保持210天连通，而平原区断面只有62天持续连通，降低了70%。对于连通的起讫时间来说，分区断面在一年的第45天即可达到连通阈值，平原区断面在163天才能超过连通阈值，达到连通状态。从连通的间歇指数来看，平原区间歇指数明显高于平原区，即中间间断程度更高，侧面反映山区的连通性更好。可见，在人类影响下，河网从自然地形特征逐渐演变为“自然+人工”的双重特征，水网的剧烈演变导致了连通性的变化。
在这一部分，主要解决的问题是：现状网下的结构连通与功能连通在空间上是否具有一致性？结构连通性如何更好适应于变化环境下的水文连通性评价？在研究过程中，通过组内相关系数评估功能连通性和结构连通性一致性。结构连通指标可以从网络视角和地形视角定义，选择的网络定义指标为树状连通性指数、整体连通指数、介中心性指数；地形地貌定义指标为地形湿度指数、地形连通指数。之后，选择流域的55个典型断面数据进行研究。为了深入分析数据连通与功能连通的空间一致性，评价断面在空间上划分为山区和平原区，并且选择多年平均、枯水年、丰水年三种水文情景进行对比。
研究发现，山区和平原区的水网结构连通一致性存在很大的差异性，不同的结构指标分布差异性较大，同一标准下难以共同衡量河网连通性，一致性较差。指标适用性在独立使用中难以界定，导致没有形成明确标准以选择合适的结构指标。原因为海河流域河网复杂，连通动态受到多因素影响，为其精细化评价带来了挑战，所选择结构指标与功能指标一致性不高，表明常用结构指标难以准确表征复杂和网的实际联通情况。对于海河流域人类不断干预和改造下，河网发生了剧烈变化，河网结构与功能之间已经丧失了一致性关联，影响着河网水文连通的动态过程。因此，鉴于目前河网观测数据限制结构指标仍是表征和网联通的有效途径，提出适用性更强的结构指标来描述复杂和网的连通性至关重要。研究在此基础上提出了考虑网络因素和地形地貌因素的组合指数，由修正指数计算得到，具有物理可解释性。研究结果显示，组合指标与功能联通具有更高的一致性，然而，相较于先前的指标，其提升幅度相对有限，这指出了未来研究的一个潜在方向。这一部分内容主要是从整体和局部两个尺度评估流域的防洪功能、供水功能和生态功能。整体功能评估方法中，使用防洪功能指数反映洪水的传播时间与量级大小，综合提出防洪综合指标，并使用河网空间演变的差异性评估生态功能，将网络效率和河网密度结合评估河网供水功能。局部功能评估方法是针对水网中单一河道的计算与分析。在防洪功能的评估中，计算河段的行洪能力并概化为无量纲指数，在通过大型工程的位置和滞蓄洪能力加权计算每条河道的防洪功能指数；在生态功能评估中，以水文连通性表征河网生态功能，采用组合指标作为生态功能指数；在供水功能评估中，采用网络效率指数和受水范围内耕地分布评估每条河流的基础供水功能。整体功能评估结果显示，现状小世界河网防洪功能提升了65%，供水功能提升了222%，但生态功能降低了78%。河网改造更侧重于防洪和供水安全，而忽略了生态安全。结果表明，人类建设下逐步形成了“分区防守，分流入海”的水系格局，并且促进了水资源配置骨干网的形成。但是水网建设未遵循自然演化规律，致使水生态和水环境的问题逐渐凸显。流域河湖开发利用过度，需要依靠人工补水维持生态。基于出现的问题，研究提出了“功能优化区间”的概念，即三条功能曲线的交汇区表示潜在的综合功能最优区域，网络演变在此区间内具有相对最优的综合功能，不会出现某项功能过度减弱、影响河网平衡的局面。局部功能评估结果显示，海河流域水网的防洪功能在地形梯度上具有显著分布趋势，山区水网的防洪功能指数分布区间显著高于平原区，山区河道防洪功能较高，经过过渡区进入平原区后，河道的泄洪能力显著减弱。水网的防控功能与其洪水风险空间分布表现出较强的非协调性，下游地区行洪河道提防达标率较低。从供水功能来看，山区的供水功能弱于平原区，河网供水功能与农业用水需求在空间上存在一致的分布关系。从生态功能来看，生态功能的空间分布差异较大，平原区水网生态功能低于山区；生态功能与生态需求之间的空间协调性较差。
李发文教授在报告最后提出了未来水网研究展望。他提出，大型流域水网复杂，并受到人类活动、区域发展等多因素持续影响，其拓扑结构和功能将长期动态变化，未来还需要进一步开展研究工作。
首先，需要考虑更实际的水网因素。本次研究忽略了河道宽度等水力特征，对实际调度措施和工程影响考虑不足。未来可收集详尽的流域水网数据、工程数据、调度方案等开展进一步验证和研究，考虑更多实际因素以更细致评估水网特征。
其次，水网存在发展的“度”，即水网改造和重建的功能性界限。本文定性描述了水网格局演变的“度”。未来可选择局部小流域水网为对象，完善相关理论和方法，结合水网演变的历史数据，定量化的明确水网发展的“度”。
最后，考虑更全面的因素，基于水网实际情况进一步完善和细化水网过程，结合实际流域水网需求和限制开展优化治理研究。同时，可结合数字孪生技术和水网相关理论和框架，以全方位时空数据为基础，打造“流域+水网”的数字化平台。
天津大学教授，博士，博士生导师。兼任中国水利学会城市水利专业委员会委员、中国水利学会水利政策研究专业委员会委员和中国城市规划学会流域空间规划学术委员会委员。长期从事水文学及水资源、水资源系统工程、生态水文学、地下水管理、流域水网、洪水灾害工程等研究工作。近年主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划专题项目、国家自然科学基金面上项目等30余项。获得中国大坝工程学会科技进步奖、河北省科学技术进步奖、河北省水利学会科技进步奖等多项奖项。已发表论文100余篇，其中SCI论文60余篇。西安外国语大学教授，城乡规划/人文地理学专业。研究方向“城乡融合发展与乡村文化遗产活化”，担任陕西旅游研究院副院长，陕西省文化和旅游厅A级景区评定专家、科技创新专家，陕西省安康市生态康养旅游专家工作站站长，丝路交旅出行研究院副院长。主持和参与国家和省部级基金项目8项，主持地方政府项目40多项，发表文章40多篇，获得陕西省高等学校科学技术二等奖。
本次“流域”月度交流会由中国城市规划学会流域空间规划分会、北京大学建筑与景观设计学院 / 流域人居系统研究中心、流域地方性建成环境山西省重点实验室共同举办，并得到国家自然科学基金重点项目“宜居城乡地方性景观生态规划理论及方法”(编号52130804)的支持。
