1 引言

　　流域河流空間分布與交叉組合方式?jīng)Q定地表物質(zhì)流動(dòng)過(guò)程，對(duì)水系水文模式、河道中物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程以及內(nèi)部生物信息交流具有重要影響，進(jìn)而影響人類(lèi)對(duì)河流水資源利用方式.河流及其組成的水網(wǎng)處于不斷演化過(guò)程中，影響環(huán)境承載力及服務(wù)功能.水流是塑造河流地貌與河流過(guò)程直接驅(qū)動(dòng)力，水流沖刷和侵蝕作用導(dǎo)致河道形態(tài)變化，進(jìn)而改變河流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).氣候、地質(zhì)、地貌、植被等因子作用影響河流水文、河道形態(tài)與化學(xué)屬性.隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)是影響河流水系結(jié)構(gòu)變化主要因素.高強(qiáng)度的人為干擾可使河流密度明顯縮減，人為干擾和自然因素共同作用，形成河流的曲折程度及其變化.

　　海河流域是人為高度干擾區(qū)域，具有重要的政治、經(jīng)濟(jì)和文化地位，也是國(guó)家重要糧食生產(chǎn)基地，在國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中具有重要戰(zhàn)略地位.河流生態(tài)系統(tǒng)是流域內(nèi)人類(lèi)社會(huì)重要支持系統(tǒng)，但是隨著流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，水資源利用率提高、排污加重，海河流域已經(jīng)成為我國(guó)水污染最為嚴(yán)重的流域，水資源不足與水污染是流域內(nèi)河流生態(tài)系統(tǒng)面臨重要問(wèn)題.同時(shí)，人類(lèi)活動(dòng)(種植、灌溉、森林砍伐、城市化、水利工程等)極大地影響流域水文節(jié)律及可用水量時(shí)空分布，河流生境質(zhì)量退化，水生生物多樣性減少，尤其平原段河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能退化問(wèn)題突出.為保障河流生態(tài)系統(tǒng)的自我維持和流域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，需要從機(jī)理方面診斷河流水污染問(wèn)題，宏觀方面進(jìn)行河流生態(tài)治理和修復(fù)，研究流域河網(wǎng)結(jié)構(gòu)及演化趨勢(shì)是開(kāi)展流域水環(huán)境研究和治理的基礎(chǔ).

　　海河流域內(nèi)河網(wǎng)分布格局及演變趨勢(shì)尚缺乏系統(tǒng)性的研究，部分研究人員定性描述水系歷史變遷，李紅有將海河水系變遷分為3個(gè)時(shí)期(初步形成期，最終形成期和再次變遷期)，探討人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水系變遷影響;譚徐明研究海河流域河道演變及下游湖泊洼淀面積變化.本文通過(guò)研究海河流域河流空間分布現(xiàn)狀，探討20世紀(jì)60年代至今演變趨勢(shì)，為流域河流水環(huán)境研究、河流治理與修復(fù)工作提供技術(shù)支撐.

　　2 材料與方法

　　2.1 研究區(qū)概況

　　海河流域位于東經(jīng)112°～120°，北緯35°～43°，東臨渤海，南界黃河，西靠云中、太岳山，北依蒙古高原.流域具有山地、高原、盆地、平原等地貌形態(tài)，西部為山西高原和太行山區(qū)，北部為內(nèi)蒙古高原和燕山山區(qū);東部和東南部為廣闊平原，山地與平原近于直接交接，丘陵過(guò)渡區(qū)甚短.流域面積31.8萬(wàn)km2，其中山丘和高原面積18.9萬(wàn)km2，占60%;平原面積12.9萬(wàn)km2，占40%.流域氣候?qū)贉貛О敫珊怠霛駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫0～14 ℃，多年平均降水量547 mm，75%～85%集中在6—8月.

　　海河流域包括海河和灤河兩大水系.灤河水系位于流域東北部，由灤河和冀東沿海諸河組成.海河水系位于灤河水系西南部，由北三河、永定河、大清河、子牙河、漳衛(wèi)南運(yùn)河、徒駭馬頰河、黑龍港運(yùn)東、海河干流水系組成，其中北三河和永定河稱(chēng)為海河北系，大清河、子牙河和漳衛(wèi)南運(yùn)河稱(chēng)為海河南系.海河流域水系從南到北，呈扇形分布，整體上具有次級(jí)水系分散、河系復(fù)雜、支流眾多、過(guò)渡帶短、源短流急的特點(diǎn).

　　2.2 數(shù)據(jù)分析方法

　　流域數(shù)字高程?hào)鸥駡D由中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所提供，分辨率30 m.區(qū)域邊界包括海河流域邊界，流域范圍內(nèi)有地級(jí)市邊界、區(qū)縣邊界，九大水系邊界.

　　利用GLOBAL MAPPER12.0對(duì)流域數(shù)字高程圖形(Colarco，Toon et al.)進(jìn)行等高線(xiàn)計(jì)算，得到等高線(xiàn)數(shù)據(jù)，并利用ARCGIS10處理得到九大水系等高線(xiàn)數(shù)據(jù)，獲取上游山區(qū)、中部平原、下游濱海邊界.

　　閘壩位置通過(guò)《海河流域水利手冊(cè)》中國(guó)水閘名稱(chēng)代碼》、《海河志第一卷中相關(guān)資料確定，形成矢量文件.

　　3 結(jié)果

　　3.1 河流空間分布特征

　　3.1.1 河流地貌

　　地貌與氣候作為自然基底環(huán)境，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)及物質(zhì)過(guò)程具有重要影響.流域西起山西省，東至山東省，南起河南省，北至遼寧、內(nèi)蒙古，地形地貌復(fù)雜，差異性大，覆蓋華北山地區(qū)和平原區(qū)，以及內(nèi)蒙古高原部分.基于河流比降對(duì)海河河流進(jìn)行區(qū)段劃分，流域河流可劃分為上游山區(qū)段、中部平原段和下游濱海段.前兩者界線(xiàn)：山海關(guān)撫寧灤縣豐潤(rùn)玉田薊縣密云昌平房山易縣滿(mǎn)城曲陽(yáng)獲鹿贊皇內(nèi)丘邯鄲安陽(yáng)鶴壁新鄉(xiāng)焦作一線(xiàn);后兩段界線(xiàn)：唐海縣唐山寶坻香河廊坊紅橋大城泊頭東光京津惠民一線(xiàn).流域內(nèi)2～5級(jí)主要河流河流比降分析表明，山區(qū)和高原區(qū)河流比降屬于陡峭(>20‰)、偏陡峭(10‰～20‰)、偏平緩(1‰～10‰)3級(jí);平原區(qū)河流比降為平緩(1‰～10‰)到平坦(<0.1‰)逐漸過(guò)渡，下游濱海段河流比降僅含平緩(0.1‰～1‰)、平坦(<0.1‰)2級(jí)(表 1).上游山區(qū)段地形多為山地，中部平原段為山前沖擊洪積平原、湖積平原，下游濱海段為濱海沖擊海積平原.

表1 海河流域河流區(qū)段劃分

?　　上游山區(qū)段面積約18.78萬(wàn)km2，占據(jù)流域面積60%，地形多為山地、丘陵，少有高原，海拔高于100 m，包括灤河、北三河、永定河、大清河、子牙河與漳衛(wèi)河等6個(gè)水系部分區(qū)域.覆蓋河北省和山西省的163個(gè)市、區(qū)、縣，主要城市包括河北省的承德、張家口，山西省的大同、朔州、忻州、陽(yáng)泉和長(zhǎng)治;土地利用類(lèi)型以山地喬灌木植被和草地植被為主.區(qū)段河流多處于源頭或上游段，發(fā)源于西北部燕山山脈和太行山山脈迎風(fēng)坡，或北部?jī)?nèi)蒙古高原及西部黃土高原，源短流急，含沙量較大，沖刷頻繁，河岸帶窄.中部平原段面積約10萬(wàn)km2，約占流域面積31%，地形地貌為山前沖擊洪積平原、湖積平原，海拔介于10～100 m之間，坡降減小.中部平原段涵蓋了北京、河北、山東、河南等區(qū)域的260個(gè)市、區(qū)、縣，主要城市包括北京，河北省的唐山、廊坊、保定、石家莊、衡水、邢臺(tái)、邯鄲，河南省的安陽(yáng)、新鄉(xiāng)、焦作和山東省的德州和聊城，土地開(kāi)發(fā)利用類(lèi)型主要為農(nóng)田，占80%以上，其次為城鎮(zhèn)及居住用地、建筑用地等.河流水資源利用強(qiáng)度極高，河流污水排放量大.河流斷流、干涸現(xiàn)象普遍.下游濱海段面積約3萬(wàn)km2，約占流域面積10%，地形地貌為濱海沖擊海積平原.濱海段海拔普遍低于10 m，坡降進(jìn)一步減小.下游濱海段覆蓋75個(gè)市，主要城市包括天津，以及河北省滄州市和山東省濱州市.土地開(kāi)發(fā)利用程度較大，但農(nóng)田面積比例有所減少，濕地面積增加，大陸澤寧晉泊、白洋淀文安洼和黃莊洼三大洼淀群是海河流域重要濕地群.濱海段河流受到內(nèi)陸和源自潮汐作用的海洋的雙重影響，具有獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)過(guò)程.

　　3.1.2 水系結(jié)構(gòu)

　　海河水系類(lèi)型復(fù)雜，包括樹(shù)枝狀、亞樹(shù)枝狀、編織狀、平行狀、羽狀、格子狀、向心狀、鉤狀等.受地形地貌和人類(lèi)活動(dòng)影響，水系結(jié)構(gòu)類(lèi)型在次級(jí)水系中分布區(qū)域和面積有所差異.不同區(qū)中，上游山區(qū)段一般為緊密型和中等型的水系，下游濱海段多為稀疏狀水系，中部平原段水系結(jié)構(gòu)為緊密型、中等型或稀疏型.

　　次級(jí)水系中主要水系結(jié)構(gòu)類(lèi)型有所差異，反映人為干擾程度的大小.灤河水系和北三河水系山區(qū)段均為樹(shù)枝狀水系，且為中等型和緊密型，反映較弱人為干擾.永定河與大清河水系山區(qū)段為緊密型羽狀水系，人為干擾弱.子牙河山區(qū)段為緊密型格子狀水系，漳衛(wèi)河山區(qū)段為緊密型鉤狀水系，均體現(xiàn)較弱人為干擾.濱海段多為人為干擾強(qiáng)烈的水系結(jié)構(gòu)類(lèi)型，包括灤河、徒駭馬頰河、黑龍港運(yùn)東水系的稀疏型編織狀水系結(jié)構(gòu).中部平原段水系結(jié)構(gòu)包括受人為干擾較強(qiáng)和較弱的類(lèi)型，如大清河、徒駭馬頰河、黑龍港運(yùn)東水系的平行狀水系，受人為干擾較弱;灤河、徒駭馬頰河、黑龍港運(yùn)東水系的稀疏型編織狀水系結(jié)構(gòu)體系較強(qiáng)的人為干擾.

　　3.1.3 河道連續(xù)性

　　海河流域人為修建水庫(kù)是影響河流縱向連續(xù)性重要因素.流域山區(qū)建成大中小型水庫(kù)1967座，總庫(kù)容264億m3;其中大型水庫(kù)29座，總庫(kù)容220億m3，控制山區(qū)面積81%;中型水庫(kù)98座，總庫(kù)容30億m3;小型水庫(kù)1840座，總庫(kù)容約13億m3.平原大中型水庫(kù)22座，總庫(kù)容13億m3(其中北大港、團(tuán)泊兩座大型水庫(kù)，庫(kù)容6.21億m3)，此外還有一批小型水庫(kù).山區(qū)水庫(kù)已經(jīng)控制山區(qū)面積83%，其中漳河、滹沱河、永定河等山區(qū)流域面積控制98%以上.

　　山區(qū)與平原區(qū)過(guò)渡地帶水庫(kù)分布尤為集中，形成明顯山前水庫(kù)帶.山前水庫(kù)帶對(duì)上游水資源大量截留，嚴(yán)重減弱中下游河段水流動(dòng)力，并造成平原河段地表水資源匱乏.1998年至2010年，流域大中型水庫(kù)平均蓄水量68億m3，而水系年均地表水資源量118億m3，河流流量73%被水庫(kù)截留.在水庫(kù)截流作用下，加之中部平原段和下游濱海段水閘大量建設(shè)，導(dǎo)致中部平原段河流水動(dòng)力和水資源缺失，部分河道流動(dòng)緩慢甚至斷流，河道連續(xù)性受阻.河流連續(xù)性用連續(xù)性指數(shù)來(lái)表征，反映水利工程障礙物控制河道長(zhǎng)度，指數(shù)值越小，河道連續(xù)性越差.結(jié)果表明，海河流域水系連續(xù)性指數(shù)范圍介于2.08～16.56，最小值出現(xiàn)在永定河水系，其次是大清河、北三河、子牙河、灤河、漳衛(wèi)河水系，表明上述水系河流連續(xù)性較差.其他水系連續(xù)性指數(shù)值均在10以上的水系只有徒駭馬頰河水系和黑龍港運(yùn)東水系(表 2).(需要分析連續(xù)性指數(shù)空間分布的因素)

表2 海河流域河流連續(xù)性

?　　3.2 河流演變趨勢(shì)

　　海河流域河流水系在時(shí)間尺度和空間尺度上均存在變化過(guò)程，河流曲率和河網(wǎng)密度具有一定時(shí)空變化趨勢(shì)，且在不同次級(jí)水系中有所差異.從20世紀(jì)60年代—80年代—2000年，流域平原段河流平均曲率逐漸減小，這與平原區(qū)人口密度增大，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河流的干擾逐漸增強(qiáng)有關(guān).山區(qū)段河流平均曲率從60年代的1.18減小到80年代的1.14后維持穩(wěn)定(表 4)，說(shuō)明80年代后人類(lèi)活動(dòng)對(duì)山區(qū)河道的影響較小.不同時(shí)期平原段河流曲率均低于山區(qū)段(表 4)，體現(xiàn)了平原區(qū)更強(qiáng)的人為干擾.從60年代—80年代，中部平原段河網(wǎng)密度從0.20下降到0.15，之后保持穩(wěn)定(表 4);下游濱海段河網(wǎng)密度從0.17下降到0.12，到2000年又上升到0.15(表 4)，推測(cè)由濱海區(qū)人為開(kāi)挖的渠網(wǎng)增加所致.

　　不同次級(jí)水系河流曲率和河網(wǎng)密度變化趨勢(shì)存在差異.從60年代—80年代—2000年不同時(shí)期內(nèi)，大清河、永定河、徒駭馬頰河和黑龍港運(yùn)東水系中平原段河流評(píng)價(jià)曲率均低于山區(qū)段，其余水系河流曲率呈現(xiàn)不規(guī)則變化.與60年代相比，80年代和2000年河流平均曲率均減小.不同時(shí)期內(nèi)，北三河和大清河水系下游濱海段河網(wǎng)密度均低于中部平原段，其他水系河網(wǎng)密度呈不規(guī)則變化.從60年代到80年代，平原段和濱海段河網(wǎng)密度均有所減小;從80年代到2000年，中部平原段河網(wǎng)密度減小的水系有灤河、大清河、永定河水系，其余水系河網(wǎng)密度增大，下游濱海段河網(wǎng)密度增大的水系包括灤河、北三河、大清河、子牙河、黑龍港運(yùn)東以及永定河水系，其余水系河網(wǎng)密度減小(表 3).

表3 海河流域各水系河網(wǎng)曲率和密度

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　　4 討論

　　研究流域河流空間分布及變化是一項(xiàng)很有意義的基礎(chǔ)性工作，目前的研究手段主要包括：① 通過(guò)歷史資料的收集與分析，探究一定區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)的演變過(guò)程及其與人類(lèi)活動(dòng)的關(guān)系，如李紅友運(yùn)用歷史分析方法，分為3個(gè)時(shí)期(初步形成期、最終形成期和再次變遷期)，探討了人類(lèi)活動(dòng)對(duì)海河水系變遷的影響;韓春鮮結(jié)合歷史資料和實(shí)地調(diào)研，研究了18世紀(jì)以來(lái)塔里木河河道變化與人類(lèi)活動(dòng)的互動(dòng)關(guān)系.程江等利用文獻(xiàn)和歷史資料，分析了上海中心城區(qū)河流水系1860—2003年變化情況.由于歷史資料的局限性，該方法通常得以對(duì)河流水網(wǎng)的整體變化趨勢(shì)加以分析，而精確性相對(duì)較低.② 通過(guò)遙感圖像和資料分析，分析河流水網(wǎng)形態(tài)及數(shù)學(xué)參數(shù)的變化.如孟飛等運(yùn)用遙感圖像分析方法，詳細(xì)研究了浦東新區(qū)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響.張樹(shù)文等利用L and sat7 ETM+影像、地形圖、數(shù)字高程數(shù)據(jù)，研究了黑龍江上中游河道曲率及其穩(wěn)定性.該方法在基礎(chǔ)遙感數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，直觀且準(zhǔn)確度較高.將以上兩種方法結(jié)合運(yùn)用效果更好，如韓龍飛等運(yùn)用遙感分析手段，結(jié)合歷史資料，研究了秦淮河中、下游城市化對(duì)水系結(jié)構(gòu)及其連通性的影響.由于海河流域缺乏詳盡的水系歷史資料，本文使用地理信息分析手段，研究了海河流域河流水網(wǎng)的具體參數(shù)變化，結(jié)果較為準(zhǔn)確而可靠.

　　海河流域河流水系的重要變化之一是連續(xù)性的破壞.河流連續(xù)性破壞使得其自然屬性非常微弱，河道連續(xù)性降低導(dǎo)致河流水體自?xún)裟芰Σ蛔悖鹚w富營(yíng)養(yǎng)化，生物多樣性減小等水環(huán)境和水生態(tài)退化等問(wèn)題.目前，已有一些河流水網(wǎng)連續(xù)性方面的研究，如茹彪等分析了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連通性評(píng)價(jià)方法在水網(wǎng)中的適用性基礎(chǔ)上，提出了基于河道自然、社會(huì)雙重屬性的水系結(jié)構(gòu)連通性評(píng)價(jià)方法，并通過(guò)對(duì)吳江市骨干水系結(jié)構(gòu)連通性進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證了該方法的可行性研究表明，秦淮河中、下游，連通性參數(shù)連接率由1979年的1.28下降到2006年的0.79，河流的連通性呈下降趨勢(shì);孟慧芳等從水文學(xué)角度，探索建立了基于水流阻力與水文過(guò)程的平原河網(wǎng)河流連通性評(píng)價(jià)方法，并在鄞東南平原河網(wǎng)區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用.海河流域修建的大量水庫(kù)和閘壩是阻斷河流連續(xù)性的主要因素.水壩對(duì)河流天然連續(xù)性阻斷，不僅改變地理空間和水流過(guò)程，而且引起水環(huán)境變遷.流域中的五大水系(灤河、北三河、永定河、大清河、子牙河)連續(xù)性指標(biāo)值低于5，可見(jiàn)連續(xù)性破壞嚴(yán)重.

　　流域水系河流曲率和河網(wǎng)密度變化反映了人為干擾趨勢(shì).總體來(lái)講，山區(qū)和平原區(qū)水系河流曲率均不斷減小，體現(xiàn)人為干擾強(qiáng)度不斷加劇.從河網(wǎng)密度來(lái)看，海河流域水系河網(wǎng)密度變異性較大，從60年代到80年代，中部平原段河網(wǎng)密度從0.20減小到0.15，推測(cè)這與該時(shí)期河流水資源開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度大，河道因斷流而廢棄，以及人為改道有關(guān).下游濱海段河網(wǎng)密度從0.17下降到0.12，而到2000年又上升到0.15，這可能由于隨著濱海區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人為開(kāi)挖的大量渠網(wǎng)增加了水網(wǎng)密度.從河流曲率來(lái)看，20世紀(jì)60年代—80年代—2000年，流域平原段河流平均曲率逐漸減小，推測(cè)其主要原因是平原區(qū)城市化進(jìn)程加快和人類(lèi)活動(dòng)加強(qiáng).山區(qū)段河流平均曲率從60年代的1.18減小到80年代的1.14后維持穩(wěn)定，即人類(lèi)活動(dòng)對(duì)山區(qū)河道形態(tài)的影響相對(duì)較小.

　　海河流域河流水系的天然屬性已經(jīng)極大地受到人類(lèi)活動(dòng)的負(fù)面影響，存在水生態(tài)水環(huán)境退化的潛在風(fēng)險(xiǎn).今后應(yīng)在保持經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)上，減少對(duì)平原區(qū)河流水系自然演變的干擾，加強(qiáng)對(duì)山區(qū)河流的保護(hù);在進(jìn)行河流生態(tài)治理與修復(fù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮河流地貌、水系結(jié)構(gòu)、河流曲率和河網(wǎng)密度等因素.具體參見(jiàn) 污水處理技術(shù)資料或污水技術(shù)資料更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　5 結(jié)論

　　從河流地貌、河流縱向連續(xù)性，河網(wǎng)形態(tài)以及河網(wǎng)曲率和密度等方面，對(duì)海河流域河流空間分布特征及演變趨勢(shì)進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：

　　1)海河流域河流地貌可劃分為上游山區(qū)段、中部平原段、和下游濱海段.上游山區(qū)段河流水系形狀為受干擾程度較低類(lèi)型，下游濱海段水系形狀多易受干擾，中部平原段居中.

　　2)海河流域修建大量水庫(kù)和水閘，使得河流縱向連續(xù)性遭到嚴(yán)重破壞，引發(fā)水環(huán)境問(wèn)題.山前水庫(kù)帶截留作用使得平原區(qū)水資源量不足，而平原區(qū)水閘進(jìn)一步導(dǎo)致河流流動(dòng)緩慢.

　　3)時(shí)間尺度上，河流曲率減小，河網(wǎng)密度呈不規(guī)則波動(dòng)，揭示流域強(qiáng)烈人為干擾.從20世紀(jì)60年代—80年代—2000年，流域河流平均曲率減小，河網(wǎng)密度不定向波動(dòng)，表明人為調(diào)控對(duì)河道天然形態(tài)改變影響程度大.

　　今后應(yīng)在保持經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)上，減少對(duì)河流天然屬性的改變.在河流生態(tài)治理與修復(fù)過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮河流地貌、水系結(jié)構(gòu)、河流曲率和河網(wǎng)密度等因素.