基于论的河道-滩区系统连通性评价方法

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1、基于图论的河道-滩区系统连通性评价方法赵进勇，董哲仁，翟正丽，孙东亚（中国水利水电科学研究院，北京100038）摘要：河流系统的连通性是维持河流生态系统健康的重要因素。基于图论连通度理论，将河道-滩区系统中的水流通道、鬃岗地形、小型封闭水域和牛轭湖等微地貌单元概化为图模型，并利用ArcGIS平台和DEM模型实现其表述。在此基础上，建立图的邻接矩阵，进行连通性分析和水流通道连通度计算，实现了河道-滩区系统连通程度分析的定量化。最后以瓯江丽水河段的河道-滩区系统为例，进行了一定水位条件下的连通状况模拟和连通程度定量分析。案例分析结果表明：通过确定

2、关键性水流通道和水流通道汇合点，可对河流生态修复工程设计方案进行优化；利用本文所提出的方法对河道-滩区系统的连通性进行定量评价是有效可行的。该方法可用于河流健康评估、河流生态修复工程优化、河湖水网连通程度的定量分析等。关键词：河道-滩区系统；连通性；河流生态修复；图论；邻接矩阵中图分类号：X143文献标示码：A1概述河流系统的连通性是维持河流生态系统结构和功能的重要基础。自然河流在横向上主要由三部分组成，即主河槽、河漫滩和过渡带，其典型断面如图1所示。其中，主河槽和河漫滩构成了河道-滩区系统。图1河道断面形态示意图（修改自FISRWG，200

3、1）[1]在河流连续体概念(RiverContinuumConcept)中,河流被看作是一个连续的整体系统，强调河流生态系统的结构、功能与流域特性的统一性。在河流生态系统结构功能整体性概念模型中，对河流连续体概念进行了完善，认为河流连续体概念以河流水文-水力学的三维连续性、生物群落结构连续性、营养物质流和能量流以及信息流的连续性为主体，并强调这些连续性特征对应的河流生境[2]与生物群落的交互作用。在河道-滩区系统中，河流与水塘、湿地等地貌单元的连通性是洪水脉冲效应的地貌学基础，而洪水脉冲效应是河道-滩区系统诸如生产、分解和消费等基本生态过程的

4、主要[3]驱动力，因此恢复河道-滩区系统的连通性是河流生态修复的一项重要任务。同时，与主河道相连[4-5]的河漫滩是进行生物地球化学循环的重要区域，并且是水生环境和陆生环境之间过渡的群落交错[6]区。为了更好理解河道-滩区系统的生态系统状况，需要对其地貌特征、泥沙输移、淹没模式等情[7]况进行了解。水流在连通各种地貌单元的过程中发挥了重要作用，这种连通作用使碳、营养物质的交换成为可能，从而影响河流系统的整体生产力。水文连通性对于大型无脊椎动物的组成和多样[8]性在时空尺度上均有重要影响。同时，浮游藻类、水生附着生物和大型植物的分布也受到河道－

5、滩区系统连通程度的影响。出于防洪、引水、围垦、航运等目的对河道和河漫滩进行的大规模整治，建设的大量堤防和水闸，都将导致主河道、河漫滩和支流栖息地之间连通性不同程度的降低或丧失，从而使水生物种多样性受到威胁。从河流生态系统的整体性角度出发，河道-滩区系统的连通性与河流生态系统的健康具有正相关关系，即连通性越高，河流生态系统的整体性越强，生态系统的自修复能力越强。收稿日期：2010-07-191基金项目：水利部公益性行业科研专项（200801023）；中国水科院科研专项（防集1019）；中国水科院科研专项（防集05ZD01）作者简介：赵进勇（19

6、76-），男，山东人，博士，高级工程师，主要从事防洪减灾、河流生态修复等的研究，E-mail：zhaojy@iwhr.com因此，河流系统的连通性是河流生态保护与修复工作中的一项重要评价指标。例如，在河流健康评估中，需要对连通性作定量化描述；在河流生态修复工程规划设计中，需通过选择最优的措施恢复河道-滩区系统的连通性，制定河流生态修复措施，并对多种河流生态修复规划方案进行比较论证；在河湖及水网地区，需通过连通性分析，提出河湖连通及闸坝运行调度的优化方案。不过，目前国内外对于河道-滩区系统的连通性定量评价方法研究较少，大多数是利用河流地貌调查方

7、法进行地貌特征的定性描述或通过水文情势数据的分析间接反映河道滩区系统的连通性，或将侧向连通性[6][7][9]作为河流健康评价全指标体系中的单一指标进行简单的定量分析。同时，根据河道-滩区系统的地貌特点和图论相关理论，可利用图论理论对河道-滩区系统进行数学概化，并利用图论的连通度概念描述河道-滩区系统的连通程度。针对上述实际需求、研究现状及问题特点，本文提出应用图论理论对地貌单元尺度下的河道-滩区系统连通性进行定量评价的一套方法。2河道-滩区系统连通性分析方法2.1图论连通度概念图论中的“图”是以一种抽象形式来表达事物之间相互联系的数学模型，

8、为实际对象建立图模型后，可利用图的性质进行分析，从而为研究各种系统特别是复杂系统提供了一种有效的方法。如图2所示，图G中的一条uv链W指的是G的一个顶点序列，其从