水系连通的类型及连通模式

水系连通是保证河流系统健康完整、功能正常发挥的重要条件,水系连通性衰退问题备受社会关注。为了深入了解河流系统的连通性,基于河流系统的组成单元和主要功能,系统分析了水系连通性的内涵、连通类型和连通模式。水系连通性的内涵包括边界的流畅性和稳定性、水流的连续性和流动性、泥沙的输移和交换以及生物的生长繁衍与多样性。水系连通可分为河道连通、水系连通及流域间水系连通三个层次;进而提出了主流连通模式、分-汇流连通模式和滩槽连通模式等3种连通模式,并讨论了各种连通模式的关键问题。     

基于图论与层次分析法耦合的荆江水系连通性评价

近年来长江荆江河段冲刷下切严重,导致荆江三口分流入洞庭湖的水量急剧减少,使得长江与洞庭湖的江湖关系发生了变化。为了分析荆江水系连通性变化过程,首先根据研究区域的水系结构形态建立河网图模型;然后将河道(湖库)连通性综合评价函数值作为河网图模型中连通通道边的权重,构建加权邻接矩阵和畅通度矩阵;最后利用Matlab等工具计算整个水系的连通度。研究结果表明,1955—2015年荆江水系连通性整体上有增加的趋势;荆江干流河道的连通性函数值在1972年前变化不大,1972年后呈增加的趋势;而三口通道和洞庭湖的连通性函数值在2003年前逐渐减小,2003年后呈增加趋势。另外,从河道冲刷、分流分沙、湖泊萎缩等角度分析了连通性变化的主要原因,并从加强水库群优化调度、开展河道整治、实施湖泊治理等角度给出了荆江水系连通性的治理建议。     

水系连通性的指标体系及其应用

水系连通指标是分析和评价连通性的关键。本文基于水系连通性的内涵、分析模式和连通机理,从河流边界、水流、泥沙、生态环境等方面提出河道(湖库)连通指标;根据连通指标的基本含义、计算过程和层次属性,将连通指标分为基本指标、过渡指标和功能指标,建立了水系连通性的功能评价指标体系;针对黄河下游河道的特点,建立了河道连通性的评价模型,对近几十年黄河下游河道连通性的变化过程进行了分析评价。评价结果表明,黄河下游河道连通性在1959年前为优等状态,1960年至1985年期间基本处于中等以上状态,1986至1990年代末由状态迅速恶化为差的状态,2000年以后河道连通性又逐渐恢复变为优良状态。     

平原河网区水系连通改善水环境效果评估

河流水系是城市重要的资源和环境载体,经济社会快速发展的同时,城市发展与水环境保护之间的矛盾日益突出,尤其是平原河网地区,由于地貌条件制约,城市河道水环境改善难度大。城市水系的可持续发展将直接关系到城市乃至整个社会的健康发展,贯彻现代水系治理思路,通过水系连通促进水环境的改善成为城市治水的重要一环。论文选择常熟市城区作为研究区,以引水实验与水量水质模型作为技术支撑,找出水系连通改善水环境的关键问题,基于此整合水系结构连通性与水力连通性概念,提出水系连通度评价方法。引水实验成果表明,骨干河道水流交换通畅,重要河道水质在引水实验中改善率平均在20%~30%,但主城区河道存在连通受阻。河道连通性的提升与水利工程的合理调度对于以水环境改善为目标的连通体系有着重要影响,以本文两个连通情景为例,河道的整治使得结构连通性增强,河道水质平均改善率提升至30%~50%。从连通性指数的变化来看,结构性连通的提升提高了调水效率,极大地促进了水力连通与水质改善。论文建立的水系连通改善水环境的方法体系能够为水系连通决策提供理论依据,对我国城市水系连通实践提供参考。     

太湖流域平原河网区水系连通性评价

河湖水系连通是流域及区域防洪、供水和水生态安全的重要基础。现有的基于水流阻力与图论的水系连通性评价方法并不适用于连通性受闸门工程调度影响较大的平原河网区,为此提出了改进的水系连通性评价方法,不仅考虑河网中不同类型河道的实际输水能力,还考虑了闸门启闭的开启度。以太湖流域平原河网区为例,运用太湖流域水量水质模型中的概化河网绘制河网图,结合模型计算出各河道水位及闸门开启度,构建出加权邻边矩阵,并利用MATLAB编程算出每个节点连通性,进行了平原河网区典型年时河网水系连通性评价。总体评价结论为太湖流域平原区总体水系连通性较高,但各水利分区的连通性有一定差异,其中阳澄淀泖区和太湖区水系连通性较高。评价结论符合太湖流域平原河网区的实际情况,和前期研究方法的结论基本一致。该方法实现了受闸门调度影响较大河网水系的连通性定量化评价,可用于河网水系连通性变化评估、改善水系连通工程设计等领域。     

辽阳市水系连通对城市水系生态格局影响评价

对辽阳市水系生态格局利用综合生态连通度评价指标进行定量评价,依据评价结果和区域水系连通情况提出了有效的改善措施。研究表明:水系连通性的两个重要主成分为河系节点率、水系环连通度,城市水系生态连通性相比于规划前得到显著的提升;城市水系连通性在关闭水闸措施下降低40%,为改善城市水系生态连通性可采取生态护坡、河道清淤及优化水闸等措施。     

长江流域水系连通特征及其影响因素分析

水系的连通性是河流健康评价的一个重要指标,它影响到河道生态需水量、通航水深、湿地保留率等。在健康长江评价体系的14个指标中,水系的连通性作为一个重要指标被首次提出。通过对水系连通性基本概念的探讨,归纳了长江水系连通的基本类型,包括河流与河流连通、河流纵向连通和河湖连通3类;分析了长江流域水系连通基本特征和影响水系连通的原因。从地质历史时期及人类历史时期的时间尺度看,新构造运动、气候变化等自然因素在水系连通的阻碍方面是主导因子,但从100~10 a和年时间尺度上看,特别是近百年来,人类活动对水系的连通在很多地方起着决定性的作用。     

水工建筑物调度下的小微水体水系连通性评价

为探究太湖流域圩内小微水体综合整治工程的水系连通成效,在考虑水系格局、结构连通性、水力连通性准则层的基础上,针对小微水体在生态系统保护和水质净化方面的突出功能,进一步提出景观连通性和水质改善两大准则层。根据小微水体的形状特征修正传统指标,使其能更好地适用于多形态水系;因小微水体受水工建筑物调度而形成不同的连通通道与水力条件,结构连通性与水力连通性均按照不同工况分别计算,再由工况时长加权得到较为稳定的年内平均值。应用该小微水体水系连通性评价指标体系对溧阳市同字水系整治前、后的水系连通性进行评价。结果表明：综合整治工程对水系连通性提升效果显著,该评价指标体系能较为客观、全面地体现小微水体与各类水工建筑物协同运作下的水系连通性。     

基于连通性的城镇水系规划研究

从水系连通性的内涵出发,选取河网密度、水面率、河频率、网络环通度、节点连接率和网络连通度等6项指标建立水系连通性评价指标体系,对研究区水系规划前后进行连通性评价,得出规划后水系各项指标呈不同幅度的增加,水系连通性得到明显改善。最后通过主成分分析得出决定水系连通性的第一大主成分是网络环通度、节点连接率和网络连通度,河网密度、水面率、河频率是评价水系连通性的基础。     

高淳区农村水系连通方案研究

农村水系是农村水环境的重要载体,而水系的连通是保持农村生态环境的稳定、维持生态系统可持续发展的重要保障。江苏省高淳区河道大部分为圩区内部河道,现状区域水系大部分已能保障连通性,但仍存在部分河道之间的连通节点未打通或无控制、现状引排水设施规模不足等问题。高淳区水系连通及农村水系综合整治试点工程中,对农村水系连通关键节点提出了符合实际并切实有效的总体设计方案,可为类似水系连通工程提供技术参考。     

黄河下游河槽萎缩与防洪

河道的形态是在一定边界条件下来水来沙过程长期塑造的结果，通过定性分析探讨了河道滩槽结构形成的机理，证明了天然河流中滩槽稳定结构是洪水与枯水长期作用的动态平衡结果，来水来沙条件的趋势性改变将导致滩槽结构的改变，在一定条件下甚至出现无明显主槽的局面，一些季节性河流的例子进一步证实了这种推论，从黄河下游这些年河床变化的特征分析，如不能有效改变长期断流和主槽泥沙淤积状况，大堤约束较小的河南河段也有向无明显主槽的完全游荡性河流变化的趋势，顺堤行洪，大堤偎水的频率将大大增加，从防洪减灾角度出发，提出了黄河下游今后河道治理可能主要在于来水来源的合理调度，河道河势控制工程的管理和滩区防洪减灾软环境的建设等几个方面。     

黄河下游典型河段滩槽分界二维洪水数值模拟

采用平面二维水沙数学模型,在黄河下游河道现存生产堤条件下,针对典型洪水进行洪水模拟计算研究。通过对黄河下游典型河段的洪水数值模拟,分析研究该区域洪水演进、漫滩及河势变化状况、滩槽流速分布及单宽流量分布,给出滩槽分流比及滩区不同程度的淹没范围。这一研究对于明确滩槽范围、为滩区受洪水灾害补偿提供明确范围、为滩区发展创造良好环境及维持黄河健康生命具有非常重要的意义。     

黄河下游洪峰流量对断面塑造作用的试验研究

根据泥沙动床模型试验结果,探讨了黄河下游不同洪水洪峰流量下断面的冲淤及形态响应、洪峰含沙量对河槽塑造过程中水流运动、泥沙冲淤、主槽形态及过流输沙能力影响等问题,研究结果表明,断面响应与洪峰流量大小、历时、来沙系数及初始断面形态有关,大漫滩与一般漫滩洪峰流量对断面塑造特性有明显的不同,弯顶断面和顺直断面具有不同的冲淤特性,研究得到大漫滩、一般漫滩及不漫滩洪峰流量下断面的响应模式,建立了典型断面形态参数对一般漫滩及不漫滩洪峰流量下水量、来沙系数参数响应的经验关系式.     

Changes in river connectivity indexes in the lower Yellow River between 1960 and 2015

Channel connectivity in the lower Yellow River has changed in recent decades as a result of climate change and human activities. Developing indexes that can be used to assess channel connectivity is a key issue in the lower Yellow River and beyond. We propose a suite of connectivity indexes based on several components of a river channel, including boundary, flow, and sediment indicators. Through an analysis of river connectivity over time in the lower Yellow River, we found that a decrease in precipitation was the main cause of poor river connectivity conditions in the 1990s. Since 1999, the year of impoundment of the Xiaolangdi Reservoir, river connectivity has improved, as shown by boundary, sediment, and ecology indexes, as a result of reservoir operation and regulation. However, water diversion may increase channel sedimentation, leading to a decline in sediment connectivity. The suite of river connectivity indexes developed in this paper and applied to the Yellow River can be used in similar sediment‐laden streams in other semiarid regions worldwide.     

不同时期黄河下游河道泥沙沉积与纵横断面调整

黄河以水少沙多而著称于世。泥沙沉积受制于水沙条件的变化和河道边界的约束。堤防的约束在防御洪水泛滥的同时,使得河道沉积速率明显加大。纵、横断面随水沙条件的变化而调整,河道边界的约束使得主流趋于稳定的同时,带来主槽沉积速率大于滩地,局部河段“二级悬河”发展严重。目前下游河道萎缩是一定水沙条件下的产物,遇到有利水沙,断面仍会发生相应调整,主槽萎缩的局面会得到改善,下游河道的过洪能力会逐步提高。     

Ecological connectivity in alluvial river ecosystems and its disruption by flow regulation

The dynamic nature of alluvial floodplain rivers is a function of flow and sediment regimes interacting with the physiographic features and vegetation cover of the landscape. During seasonal inundation, the flood pulse forms a ‘moving littoral’ that traverses the plain, increasing productivity and enhancing connectivity. The range of spatio-temporal connectivity between different biotopes, coupled with variable levels of natural disturbance, determine successional patterns and habitat heterogeneity that are responsible for maintaining the ecological integrity of floodplain river systems. Flow regulation by dams, often compounded by other modifications such as levee construction, normally results in reduced connectivity and altered successional trajectories in downstream reaches. Flood peaks are typically reduced by river regulation, which reduces the frequency and extent of floodplain inundation. A reduction in channel-forming flows reduces channel migration, an important phenomenon in maintaining high levels of habitat diversity across floodplains. The seasonal timing of floods may be shifted by flow regulation, with major ramifications for aquatic and terrestrial biota. Truncation of sediment transport may result in channel degradation for many kilometres downstream from a dam. Deepening of the channel lowers the water-table, which affects riparian vegetation dynamics and reduces the effective base level of tributaries, which results in rejuvenation and erosion. Ecological integrity in floodplain rivers is based in part on a diversity of water bodies with differing degrees of connectivity with the main river channel. Collectively, these water bodies occupy a wide range of successional stages, thereby forming a mosaic of habitat patches across the floodplain, This diversity is maintained by a balance between the trend toward terrestrialization and flow disturbances that renew connectivity and reset successional sequences. To counter the influence of river regulation, restoration efforts should focus on reestablishing dynamic connectivity between the channel and floodplain water bodies.     

滩区公路建设对黄河下游宽滩河段行洪影响的分析

为了协调社会发展与河流健康,选择黄河下游某宽滩区河段为对象,研究了拟建占滩公路对河道行洪的影响。首先采用系统分析方法,研究了近50年来该河段洪水泥沙变化与河床冲淤演变特征,分析了大型水利工程运用对下游河势的不同阶段影响,评估了河势未来发展及边界条件调整趋势。在此基础上,借助一维水动力模拟计算,分析研究了在现状及未来条件下行洪期拟建公路对河道水位、流速的影响。研究表明:公路布置路线与河道行洪方向基本一致且远离主槽,可以使公路对滩区的行洪干扰保持在较低水平;规划线路最大阻水面积仅占总过流面积的2. 47%,局部路段最大壅水高度不超过0. 064 m。综合分析表明:线路优化布局使工程对中小洪水河势没有影响,大洪水河势基本保持原有状态,沿河整治工程基本不受影响。研究成果对科学规划、管理河流,探索河漫滩公路建设与河道安全行洪的协调机制,具有一定参考价值。     

辽河干流河道演变与维持河道稳定的输沙水量研究

在对辽河干流河道冲淤演变特性观测研究的基础上，对维持河道稳定的输沙水量进行了分析计算。研究成果表明，辽河河道输沙水量与来沙量大小成正比，上中游河段输沙水量为16.15亿m3，下游河段输沙水量为26.22亿m3，辽河干流下游河段多年平均输沙水量小于不淤(高效)输沙水量，说明现有的来水量不足以维持下游河道的冲淤平衡，要保证下游河道不发生持续性淤积，还需要采取其它措施增加输沙水量，以便维持下游河道的相对稳定。     

大洪水条件下黄河下游河道冲淤及滩区安全

在大洪水期行洪滞洪沉沙是黄河下游宽滩区的主要功能之一。近十几年来,随着黄河水沙的变化和小浪底水库的建成运用,对宽滩区运用方式的争论更为激烈,却一直缺乏系统的对比研究。为此,黄科院利用小浪底至陶城铺河道实体模型,采用2013年汛前地形,开展了黄河下游宽滩区是否修建防护堤两种不同运用方式下,大洪水期的洪水演进试验,通过对比分析不同运用方式下的下游河道在冲淤演变、洪水位变化和滩区防洪安全等方面的问题,探讨了大洪水条件下黄河下游河道冲淤及滩区的安全形势,以期为黄河下游河道治理措施的决策提供科学的参考依据。结果表明,宽滩区修建防护堤后,中常高含沙洪水条件下主槽淤积量小于不修防护堤方案,大洪水条件下主槽冲刷量大于不修防护堤方案,说明主槽过流能力和输沙能力均有所增大。但是,修建防护堤后的嫩滩淤积量,两种洪水条件下均呈现出明显大于不修防护堤方案,河道的横断面形态和"二级悬河"形势均有所恶化。同时,由于目前地形条件下夹河滩以上河段主河槽过流能力达到了6 000m3/s,洪水向下游的演进速度和水量明显增加,导致高村以下的洪水位比不修防护堤时显著提升,增大了高村以下河段的防洪压力,滩区的防洪安全受到严重威胁。     

叶尔羌河平原区游荡河型成因及治理方略探讨

以叶尔羌河中下游平原区主要水文观测断面和典型河段来水来沙条件及河床边界组成条件的分析为依据,以影响冲积平原河流河床演变的三大主要影响因素的辨识分析为基础,进行了叶尔羌河平原区游荡河型形成原因的分析,得到了叶尔羌河平原区游荡河型的首要成因是河床边界组成条件,辅助条件是来水来沙条件的初步结论,并据此建议流域治理应秉持中下游河道防洪护岸工程建设与上游大型枢纽控导工程并举的方略.