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地理科学 >

2025 , Vol. 45 >Issue 3: 627 - 639

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.20230667

流域与生态环境

考虑水系三维连通特征的湘江流域洪水风险评价

  • 杨柳 , 1, 2, 3 ,
  • 刘丹 1 ,
  • 冯畅 , 1, 2, 3, * ,
  • 项瑾 1 ,
  • 彭璐璐 1 ,
  • 潘光波 1, 2
展开
  • 1.衡阳师范学院地理与旅游学院，湖南 衡阳 421002
  • 2.湖南省环境教育与可持续发展研究基地，湖南 衡阳 421002
  • 3.古村古镇文化遗产数字化传承协同创新中心，湖南 衡阳 421002
冯畅。E-mail:

杨柳（1986—），女，湖南永州人，博士，副教授，研究方向为流域水文效应与防灾减灾。E-mail:

收稿日期: 2023-09-17

  修回日期: 2023-12-25

  网络出版日期: 2025-04-07

基金资助

国家自然科学基金项目(41901026)

国家自然科学基金项目(42001024)

湖南省自然科学基金项目(2025JJ50199)

湖南省自然科学基金项目(2022JJ40015)

版权

版权所有，未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
收起

Considering characteristics of three-dimensional river system connectivity on flood risk assessment in the Xiangjiang River Basin

  • Yang Liu , 1, 2, 3 ,
  • Liu Dan 1 ,
  • Feng Chang , 1, 2, 3, * ,
  • Xiang Jin 1 ,
  • Peng Lulu 1 ,
  • Pan Guangbo 1, 2
Expand
  • 1. Faculty of Geography and Tourism, Hengyang Normal University, Hengyang 421002, Hunan, China
  • 2. Research Base of Environmental Education and Sustainable Development in Hunan Province, Hengyang 421002, Hunan, China
  • 3. Digital Inheritance of Cultural Heritage in Ancient Villages and Towns, Collaborative Innovation Center, Hengyang 421002, Hunan, China

Received date: 2023-09-17

  Revised date: 2023-12-25

  Online published: 2025-04-07

Supported by

National Natural Science Foundation of China(41901026)

National Natural Science Foundation of China(42001024)

Hunan Province Natural Science Foundation(2025JJ50199)

Hunan Province Natural Science Foundation(2022JJ40015)

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Copyright reserved © 2025.
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摘要

针对传统洪水风险评价中考虑距水远近或部分水系数量指标而未考虑水系连通性对区域洪水风险的影响问题，本研究建立水系连通性三维度综合评价体系，基于此构建考虑水系连通性的洪水风险评价指标体系，采用更为客观的博弈论组合赋权法确定最优权重，自然与行政边界结合应用地图学中范围法绘制专题地图，并以湘江流域为例，研究基于水系连通性相较于传统洪水风险评价体系是否更具可行性与优越性。结果表明：①湘江流域的结构连通性和综合连通性自南向北增强，功能连通性北部水系也强于南部；干流水力连通性高于支流，下游支流水力连通性高于上中游支流。②流域内洪水风险整体从南向北递增，中风险区和较低风险区面积占59.25%，其中，中等风险区集中于湘江流域北部，及湘江流域西南部和南部中部地区，面积占25.01%；低与较低风险区集中于南部山区及西部边缘区，面积分别占22.48%、34.24%；高与较高风险区集中于湘江下游，面积分别占9.34%、8.94%。③传统洪水风险评价低估了流域上游地区洪水风险，而高估了下游地区的洪水风险。结合湘江流域近年实际洪灾情况发现考虑水系连通性相较于传统方式刻画洪水风险评价结果更为客观细腻，能进一步提高洪水风险评价的科学性。

关键词： 洪水风险评价; 水系连通; 博弈论组合赋权法; 城镇化; 湘江流域

本文引用格式

杨柳 , 刘丹 , 冯畅 , 项瑾 , 彭璐璐 , 潘光波 . 考虑水系三维连通特征的湘江流域洪水风险评价[J]. 地理科学, 2025 , 45(3) : 627 -639 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.20230667

Abstract

The traditional flood risk evaluation takes into account the effects of regional flood risk solely, based on proximity to water or the number of partial river network systems, without considering the impact of river network system connectivity. To address the problem, this study proposes a three-dimensional comprehensive evaluation system for assessing the connectivity within a river network system. The flood risk assessment index system, which considers the connectivity of river systems, is developed based on this framework. Furthermore, a more objective game-theoretic combination weighting method is employed to determine the optimal weights, and the cartographic method for thematic mapping is applied by integrating natural and administrative boundaries. In the case of the Xiangjiang River Basin, this study investigates the feasibility and superiority of the system compared to the conventional flood risk assessment approach. The findings indicate that: 1) The structural connectivity and comprehensive connectivity of the Xiangjiang River Basin increase from south to north, and the functional connectivity of the northern rivers is stronger than that of the southern rivers. The hydraulic connectivity of the main stream is higher than that of the tributaries, and the hydraulic connectivity of the downstream tributaries is higher than that of the upper and middle reaches. 2) The overall flood risk in the Xiangjiang River Basin increases from south to north, and the medium risk area and the lower risk area account for 59.25%. The medium risk area is concentrated in the northern part of the Xiangjiang River Basin, and the southwest and central part of the south of the Xiangjiang River Basin, accounting for 25.01%. The low and lower risk areas are concentrated in the southern mountainous area and the western edge area, accounting for 22.48% and 34.24% respectively. The high and higher risk areas are concentrated in the lower reaches of the Xiangjiang River, accounting for 9.34% and 8.94% respectively. 3) The traditional flood risk assessment underestimates the flood risk in the upstream area of the basin and overestimates the flood risk in the downstream area. However, combined with the actual flooding situation in the Xiangjiang River Basin in recent years, we found that considering the river system connectivity is more objective and delicate than the traditional way to portray the flood risk evaluation results. The results of this study can further improve the scientificity of flood risk evaluation.

Key words： flood risk assessment; river system connectivity; game-theoretic combination weighting method; urbanization; the Xiangjiang River Basin

洪涝灾害突发性强、频率高和破坏性大，是全球影响人数最多、造成经济损失最多的自然灾害之一，根据全球紧急事件数据库（EM-DAT）（https://www.emdat.be/ [2023-05-12]）记录，2000—2019年，全球洪水发生次数为3254次，影响人数达16.5亿人，造成直接经济损失约6510亿美元。洪水风险评价相关研究兴起于19世纪50年代美国、德国等国家[1]，早期学者主要从致灾因子、孕灾环境、承灾体对洪水的危险性和易损性进行研究[2]，后期有学者从承灾体的暴露性、承灾减灾能力方面深入研究[3]。目前洪水风险评价的方法主要有基于历史洪水资料、应用二维水动力模型[4-5]模拟分析以及构建洪水风险评价指标体系模型[6]。
在目前水系连通性评价研究中，大部分学者的研究方向以城市水系格局变化、水利水电工程建设为主[6-11]，将水系连通性作为影响洪水风险影响因素的研究较少，但实际上，水系结构变化、水体连通性情况对洪涝灾害有显著影响，目前的洪涝风险评价研究中，对水系的考虑主要从河网密度及河流缓冲区等城镇距水系距离与水系分布展开研究[12]，极少数的学者研究了水系结构演变[13]对洪水危险性的影响，其结论表明基于水系演变的洪水风险评价与同研究区传统洪水风险评价相比更科学、细腻，更符合实际受灾情况，少数学者[14-17]通过HEC-HMS模型模拟洪水情景、风险分析模型模拟计算等方法研究水系连通性与洪涝灾害间联系，发现两者存在负相关关系。水系作为洪水宣泄通道，水系连通性对洪水灾害发生频次、滞时及洪水历时有极为重要的影响。在城镇快速发展背景下，人类活动对下垫面扰动极大，河流水系数量、形态和格局发生改变，水系连通性也随之发生巨变，如水系结构呈现出主干化、简单化特点，因此河道汇水时间缩短，比以往更早形成洪峰，由此大大提高了区域洪水风险。其次，流域水系中水利设施增加，水系连通性受到严峻挑战，再叠加全球气候变化复杂背景，极端气候频发，区域洪涝风险大为提升。因此，考虑水系连通性的洪水风险评价研究对当下流域防洪减灾规划具有迫切性和现实意义。
综上所述，本研究区别于传统洪水风险评价的评价体系，考虑水系连通性对洪水风险的影响，从水系结构连通性、水力连通性、功能连通性3方面考虑选取水系环度、节点连接率、水系连通度、水系水力连通性、纵向连续性、树状河网连通性6个指标，建立流域水系连通性三维度综合评价体系，从致灾因子、孕灾环境、承灾体和承灾减灾能力4个维度，构建考虑水系连通性的洪水风险评价指标体系，同时为减少赋权主观性，将运用相对客观并兼顾决策者经验的博弈论组合赋权法确定权重，以洪涝灾害频发、水利设施建设密集、经济活动频繁的湘江流域为例，研究考虑水系连通性的洪水风险评价的可行性与优越性，为流域洪水风险管理和防洪减灾规划提供参考。

1 研究方法与评价体系构建

1.1 水系连通性三维度综合评价体系

河流水系连通性指在自然发展和人工干预的影响下，流域内处于同一脉络的河流、湖泊等水体之间，以水为介质进行物质循环、能量循环和信息传输的情况[18]。
本研究根据水系连通性对洪水风险的影响，从结构连通性、水力连通性与功能连通性3方面研究湘江流域水系连通性。本研究基于图论法构建水系拓扑图，选取水系环度、节点连接率及水系连通度3个指标评价水系结构连通性；水系水力连通性在保证水体环境与调蓄能力方面十分重要，本研究选取水位来衡量水力连通情况；在水系功能连通性方面选取纵向连续性、树状河网连通性量化水利工程对水体流动起到阻碍作用（表1）。
表1 水系连通性三维度综合评价体系

Table 1 Three-dimensional comprehensive evaluation system for river system connectivity

目标层 准则层 指标层
（最终权重）		 计算公式 涵义
　　注：指标层括号内数据为其各指标通过博弈优化赋值所得最终权重。
水系连通性三维度综合评价体系 水系结构
连通性		 水系环度（$ \alpha $）
（0.170）		 $ \alpha =\dfrac{n-v+1}{2v-5} $ n、v分别代表水系拓扑图中的河链数与节点数；α取值（0,1]，反映了水体流动通道的选择程度及水系复杂程度，α越小，水系网络中水体流动通道选择越少，水体疏散速度越慢，洪水风险越大，则洪水风险与水系环度之间呈负相关性[14-15]
节点连接率（$ \beta $）
（0.141）		 $ \beta =\dfrac{n}{v} $ β取值（0,3]，反映水系节点间连通的难易程度，β越大，表明网络中每一节点的平均河链数越多，网络越复杂，水体宣泄通道越多，洪水风险越小，则洪水风险与节点连接率之间呈负相关性[14-15]
水系连通度（$ \gamma $）
（0.151）		 $ \gamma =\dfrac{n}{3\left(v-2\right)} $ γ取值（0,1]，反映水系内部的连通程度，γ=1时，水系网络中每个节点都与其它节点相连，当局部出现极端天气时，水体能通过水系网络快速分散，避免堆积在局部区域，减小局部洪水风险，则洪水风险与水系连通度之间呈负相关性[14-15]
水系水力
连通性		 水力连通性（Ch）
（0.171）		 $ C_h=\dfrac{1}{\left|\mathit{\Delta}Z\right|+1} $ ΔZ为上下游站点a、b两站点之间的水位差，m；Ch为同一河流上下游水位站a和b之间的水力连通性，反映河流水系的水体流动能力；Ch越接近1，河流水体流能力越强，当局部出现极端降水情况或发生洪涝灾害时，水体能快速宣泄，降低局部洪水灾害或缩短洪涝持续时间，则水力连通性与洪水风险呈负相关性[16]
水系功能
连通性		 纵向连续性（C）
（0.148）		 $ C=\dfrac{D}{N} $ D为区域内河流长度，km；N为区域内水利工程等障碍物的数量，座；C为区域内水系长度与水利工程等障碍物的数量的比值，反映闸坝等障碍物对河流水文过程的影响；C越接近D，表明闸坝等障碍物越少，水利设施建构密度小，其对河流水体流动影响越小，水体能快速宣泄，降低洪水风险；反之，则水利设施密度大，导致洪水流路受阻，延长泄洪时间，增加洪水风险，因此纵向连续性与洪水风险呈负相关性
树状河网连通性（DCI）
（0.219）		 $ DCI=\displaystyle\sum_{i=1}^g\displaystyle\sum _{j=1}^gC_{ij}\dfrac{l_i}{L}\dfrac{l_j}{L}\times100 $
$ {C}_{ij}=\prod _{m=1}^{M}{P}_{m} $
$ {P}_{m}={p}_{m}^{u}{p}_{m}^{d} $		 DCI主要根据水利工程设施的数量、通达性以及空间分布，定量评估河网的水系连通性状况，取值[0,100]，其值越高，表明河网的连通性越好，则由极端天气带来的洪涝灾害风险越低，则其与洪水风险之间呈负相关性；g为河网被水利工程切割得到的河段数量；Cij为河段i与河段j的连通性；L为河网总长度；li及lj分别为河段i与河段j的长度；M为河段i与河段j之间存在的水利设施个数；Pm为第$ m $座水利工程的通过率；${p}_{m}^{u} $为从上游到下游的第m座水利工程的通过率，$ {p}_{m}^{d}$从下游到上游的第m座水利工程通过率，参考文献[8]，本研究中${p}_{m}^{u} $、${p}_{m}^{d} $均假设为0.8

1.2 考虑水系连通性的洪水风险评价体系

1.2.1 洪水风险评价体系

目前研究中，大部分学者主要从致灾因子、孕灾环境、承灾体3方面选取指标建立洪水风险综合评价体系，其中承灾体又从其暴露性与社会脆弱性进一步深入研究。承灾体的暴露性为受灾地区的人口、建筑生产能力和其余有形资产分布状况；而承灾体的社会脆弱性则普遍指暴露于自然灾害冲击范围内社会内部敏感性及其应灾能力的差异而使社会受损的特定属性[19-20]，受经济、人口、基础建设情况等社会因素影响，大部分洪水风险评价在社会脆弱性与社会暴露性方面的指标选取具有一定相似性，且社会脆弱性选取范围大于社会暴露性，因此，本研究综合考虑社会暴露性与社会脆弱性选取指标，并统一归纳为社会脆弱性指标。而承灾体本身具有的医疗、经济及相关基础设施能减少洪涝灾害带来的损失，具有一定的承灾减灾能力。
因此，在现有的洪水风险评价系统的基础上，本研究融合水系连通性综合评价，构建并应用考虑水系连通性的洪水风险评价指标体系，从致灾因子危险性与孕灾环境敏感性综合评价洪水危险性，从承灾体的社会脆弱性和承灾减灾能力评价社会易损性，研究流域内水系连通性对洪水风险的影响，洪水风险各计算公式如下：
$ x\left(s\right)=\displaystyle\sum _{i=1}^{i}\left[{w}_{j}{x}_{i}\left(s\right)\right](\mathrm{其}\mathrm{中}x=H,U,V,Q) $
$ K={W}_{H}H+{W}_{U}U $
$ G={W}_{V}V-{W}_{Q}Q $
$ R={W}_{K}K+{W}_{G}G $
式中，x（s）为各准则层致灾因子、孕灾环境、社会脆弱性及承灾减灾能力各指标标准化后按权重分析出的风险值，wj为指标对应权重，xi（s）为第i个指标标准化后的值；R为洪水风险，$ K $为洪水危险性，$ G $为社会易损性；H为致灾因子危险性，U为孕灾环境危险性，V为社会脆弱性，Q为承灾减灾能力，Wi（i=$ K,G,H,U,V,Q $）分别为各自权重。

1.2.2 博弈论组合赋权法

博弈组合赋权法的基本思想是采取多种方法对博弈因素进行赋权，将单一方法下不同的赋权结果进行任意线性组合与矩阵微分计算组合赋权结果向量及各方法赋权结果向量偏差，当偏差最小时得到最优权重系数，通过最优系数计算不同赋权方法的赋权结果获得最优组合赋权权重，即假设每个备选方法均为理性的选择，以获得最大收益为最终目标进行组合计算，该方法目前广泛用于灾害风险评估[21]。本研究以熵权法和层次分析法为基础通过博弈论组合赋权法优化赋权结果，确定各项权重。首先，通过熵权法衡量各项指标客观权重，然后通过层次分析法设立问卷，邀请从事水文与水资源环境方面包括高校教师及研究生和本科生共计10人，对水系综合连通性及考虑水系连通性洪水风险各项指标进行评价，确定各指标权重，再应用博弈论组合赋权法优化确定权重，最大程度提高权重的客观性，减少主观赋权性。博弈组合赋权步骤如下：
首先，建立基本权重向量集$ {w}_{k}=\left\{{w}_{1},{w}_{2},\cdots {w}_{n}\right\}(k=\mathrm{1,2},\cdots ,L,) $，其中$ w $为第$ L $种赋权法确定的权重集合，$ n $为评价指标个数，$ L $为单一赋权方法个数，本研究中$ L=2 $。设$ {\theta }_{k}=\left\{{\theta }_{1},\right.\left.{\theta }_{2}\right\} $为线性组合系数，$ \theta _{\kappa} $为权重系数，WT为不同赋权方法的基本权重向量集的转置，则2个权重向量线性组合为：
$ {w}_{1}={\theta }_{1}{w}_{1}^{T}+{\theta }_{2}{w}_{2}^{T} $
基于博弈集结模型思想，以离差最小化为目标，优化2个线性组合系数，获得$ {w}_{1} $中的最优权重系数，建立目标函数为：
$ {\mathrm{min}}\Bigg|\Bigg|\displaystyle\sum _{k=1}^{L}{\theta }_{k}{w}_{k}^{T}-{w}_{g}\Bigg|\Bigg|^{2} $
式中，$ {w}_{g} $为博弈论组合赋权结果。将式（6）等价变换为最优化一阶导数条件的线性方程组：
$ \left[\begin{array}{c}\begin{array}{c}{w}_{1}{w}_{1}^{T}{w}_{1}{w}_{2}^{T}\\ {w}_{2}{w}_{1}^{T}{w}_{2}{w}_{2}^{T}\end{array}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\theta }_{1}\\ {\theta }_{2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{w}_{1}{w}_{1}^{T}\\ {w}_{2}{w}_{2}^{T}\end{array}\right] $
依据上式求得最优权重系数后，进行归一化处理代入式（5），得到组合赋权权重。
通过计算，考虑水系连通性洪水风险评价最优主观赋权系数为0.3834，最优客观赋权系数为0.6166，水系综合连通性评价最优主观赋权系数为0.249 0，最优客观赋权系数为0.751 0。研究区具体指标确定权重如表2。
表2 考虑水系连通性洪水风险评价指标体系及水系连通性三维综合评价指标体系赋权结果

Table 1 Considering flood risk evaluation index system of river system connectivity and weighting results of three-dimensional comprehensive evaluation index system

目标层准则层指标层与洪水风险的
正负关系		权重
AHP熵权法博弈优化
后权重
　　注：准则层括号内为水系连通性三维度综合评价准则层权重；加粗部分为考虑水系连通性洪水风险评价各指标组合权重；极端降水指24 h内降雨量≥50 mm的降水情况；县域评价单位指本研究内以县级行政单位划分的评价单位；人均可支配收入为指居民人均可用于最终消费支出和储蓄的总和；床位数指县域评价单位内年底固定实有床位总数（非编制床位）；卫生机构包括从行政部门取得许可证或取得法人单位登记证书，为社会提供卫生服务或从事科研、培训的机构。
考虑水系连
通性洪水
风险评价		致灾因子
危险性（H）
（0.233）		1960—2020年年均极端降水量+0.0620.0680.066
1960—2020年年均极端降水天数+0.1180.0430.072
最大连续降水量+0.0260.0610.047
最大持续降水天数+0.0660.0370.048
孕灾环境
敏感性（U）
（0.171）		绝对高程−0.0290.0160.021
相对高程−0.0750.0210.042
水系连通性三维度综合评价−0.2000.0530.109
　　水系环度（α）−0.1960.1610.170
　　节点连接率（β）−0.1190.1490.141
　　水系连通度（γ）−0.1380.1550.151
　　水力连通性−0.1850.1670.171
　　纵向连续性−0.1220.1560.148
　　树状河网连通性−0.2400.2120.219
社会脆
弱性（V）
（0.466）		单位面积人口数量+0.060.1950.143
单位面积GDP产值+0.0230.2830.183
县域评价单位建设面积+0.0840.1730.139
承灾减灾
能力（Q）
（0.130）		人均可支配收入−0.0810.0110.037
县域评价单位床位总数−0.0210.0180.019
单位面积卫生机构数量−0.1030.0080.044
单位面积水库数量−0.0530.0150.030

2 考虑水系连通性洪水风险评价体系应用

2.1 研究区概况

湘江是洞庭湖水系中最大河流，位于亚热带季风气候区，干流全长856 km，湖南省内流域面积为8.5万km2[22]，水系发达、支流众多，河流分布如树枝分叉，且大部分集中在右岸（不含洞庭湖区）；省内流域范围主要涉及长沙市、株洲市、湘潭市、衡阳市、永州市、娄底市和郴州市，涉及主要县级行政单位共59个，本研究从评价单位面积与社会经济数据统计2方面考虑，各市辖区统一为一个评价单位，统一后有43个研究区评价单位（图1）。湘江流域发生较大洪灾年份有1954年、1976年、1994年、1996年、2017年等，受灾范围主要位于湘江干流沿岸及中下游地区[23-24]。
图1 湘江流域概况

Fig. 1 Overview of the Xiangjiang River Basin

2.2 数据来源与处理

本研究中1960—2020年湖南省内32个水文站点逐日降水数据来于中国气象信息中心（ http://data.cma.cn/）；1990—2021年省内22个站点逐日水位数据来源于湖南水文 （http://slt.hunan.gov.cn/hnsw/），因各站点基准面不一，本研究对水位数据进行统一基准面校准，对水位数据不连续的站点采用插补法补齐缺失的少量数据；大、中型水闸数据来自2020年《中国水利统计年鉴》（https://slnj.digiwater.cn/index.jspx?locale=zh_CN&locale=zh_CN）；地形数据来源于地理空间数据云（https://www.gscloud.cn/），空间分辨率为 30 m；社会经济数据来自于2022年《湖南统计年鉴》（http://222.240.193.190/2022tjnj/indexch.htm），从人口、经济、基础设施3方面选取年末常住人口、地区GDP、人均GDP、人均可支配收入、卫生机构数量、床位数和水库数等数据构建洪水风险指标体系；评价单位面积数据来自中华人民共和国民政部 （https://www.mca.gov.cn/）；县域建设面积数据来自于GlobeLand 30①，属于2020年、空间分辨率为30 m的数据，应用地理信息系统进行统计分析。
水系数据运用来自地理空间数据云，空间分辨率30 m的Landsat数据，2015年湘江流域遥感数据通过遥感图像处理平台进行大气校正、影像镶嵌等处理后，运用归一化水指数波段运算指数进行水系分类，将初步提取的水系与Google地球影响叠加，在1∶5000的比例尺下进行目视解译，去除建筑物及阴影造成的误差，补充缺少的水系，根据研究需要选择湘江干流、一级支流、二级支流、三级支流的水系数据建立湘江水系拓扑连通图。

2.3 湘江水系综合连通性分析

建立湘江流域水系连通拓扑图，计算水系环度、节点连接率、水系连通度3个指标，再根据自然断点法分5级赋值绘制湘江流域水系结构连通性分布情况，按相等间隔分5级，其中值越接近15表明水系结构连通性越高。
通过分析各指标具体数值与整体水系结构连通性分布得出：$ \alpha $值为0.0252，属于极低水平，表明湘江水系中各个河道之间形成闭合回路，相互连通的数量极少；$ \beta $值为1.0442，属于较低水平，表明水系节点之间的连通程度较差；$ \gamma $值为0.3520，属于较低水平，表明湘江水系中每一个节点并不与其余节点都连接。整体上，湘江流域水系网络连接度低，环度低，结构简单，与湘江水系自身整体呈分支树枝状分布的特征相符；局部上，下游水系结构连通性各指标均略高于上中游，但依旧处于较低水平（图2）。水系水力连通性方面，湘江流域整体水力连通性偏低，干流地区最高为0.2618，从湘江干流向周边递减，湘江干流水力连通性高于支流，一级支流中蒸水、渌水、涟水、沩江水力连通性相对较高，原因主要为湘江干流水位站点较多，且干流整体地势起伏小于支流（图2）。
图2 2016—2021年湘江流域水系连通性综合评价单项指标分布

Fig. 2 Distribution of single indicators for comprehensive evaluation of river system connectivity in the Xiangjiang River Basin from 2016 to 2021

根据树枝状河网连通性与纵向连续性2个指标计算结果，按自然断点法分5级赋值绘制湘江流域水系功能连通性分布图（图2），相等间隔分5级，数值越接近10，表明功能连通性越强。整体上看，潇水上游、舂陵水、沩江、涟水、浏阳河、渌水功能连通性强，湘江干流、蒸水功能连通性较弱。从单个指标上看，根据水利工程的通达性及各个被分割的河段长度，计算得到湘江干流树状河网连通性指数为27.77，耒水树状河网连通性指数为41.27，其余支流树状河网连通性指数均在69及以上，其中沩江最高，为98.33，由于湘江支流相对于干流上的水利工程少，干流树状河网连通性低于支流；根据各个研究区评价单位内水闸设施与湘江水系长度比较来看，长沙市、湘潭市、韶山市等湘江下游地区，水系发育较好，河流长，纵向连续性最高，为21.05，其中娄星区纵向连续性最高，达29.27；江永县、蓝山县、资兴市、桂东县等地区，属河流上游地区，河流长度短，纵向连续性最低，平均为2.32；总体看，湘江流域纵向连续性为11.82，下游地区及中游中部较高，上游较低。
将水系综合连通性各指标归一化处理后按自然断点法分为5级进行重分类后，按权重进行叠加，按相等间隔划分为5级得到湘江水系综合连通性分布图。总体上看，湘江流域水系综合连通性从南部向北部递增，从湘江上游向中游、下游依次递增（图3），在长沙市北部达到最高，在江永县、宁远县最低，在中游地区，耒水、蒸水相对中游其他支流水系连通性较低。
图3 2016—2021年湘江流域水系综合连通性

Fig. 3 Comprehensive evaluation of river system connectivity in the Xiangjiang River Basin from 2016 to 2021

2.4 考虑水系连通与传统洪水风险评价结果对比与验证

2.4.1 考虑水系连通性洪水风险评价与传统洪水风险评价对比

1） 洪水危险性评价。 致灾因子与孕灾环境各项指标按自然断点法分为5级后按指标与洪水关系赋值进行重分类，再按权重计算综合得出湘江流域洪水危险性评价，根据计算数值按自然间断点分级法分为5级（图4），其中传统洪水风险评价水系方面用考虑距河流距离取代水系综合连通性这一指标。考虑水系连通性洪水危险性评价与传统洪水危险性评价相比，两者在高、较高及中等危险区分布上差异较为显著，前者高危险区在研究区西南部范围更大，在东北部高与较高危险区范围相对较小，而中等危险区更大、研究区南部危险性显著升高，在研究区水系综合连通性较差的地区，如江永县、资兴市等地区危险性明显提高，在浏阳市、醴陵市等水系综合连通性较好的地区危险性相对下降；后者极端风险区分布范围更大，且研究区东部显著危险性高于前者。
图4 2016—2021年湘江流域洪水危险性分布

Fig. 4 Flood hazard distribution in the Xiangjiang River Basin from 2016 to 2021

2） 社会易损性评价。传统洪水风险评价与考虑水系连通性洪水风险评价的社会易损性评价指标相同，两者结果大体相似，同样进行赋值加权计算后，根据计算数值按自然间断点分级法分为5级（图5）。易损性高与次高地区均为研究区北部人口稠密，经济发达地区；易损性较低地区集中于研究区南部，易损性最低地区集中在研究区南部边缘山区。传统洪水风险评价相较于考虑水系连通性洪水风险评价，由于前者承灾减灾能力权重更重，后者社会脆弱性占比更重，考虑水系连通性洪水风险评价中衡山县、双牌县、炎陵县、桂东县、江永县承灾减灾能力较弱，易损性更高。
图5 2016—2021年湘江流域社会易损性分布

Fig. 5 Social vulnerability distribution in the Xiangjiang River Basin from 2016 to 2021

3） 洪水风险综合评价。根据综合风险评价公式（4），将上文洪水危险性与易损性评价结果进行综合分析，按自然间断点分级法分级后得到研究区洪水风险等级分布图（图6）。
图6 2016—2021年湘江流域洪水风险分布

Fig. 6 Flood risk distribution in the Xiangjiang River Basin from 2016 to 2021

按自然断点法划分，考虑水系连通性洪水风险评价与传统洪水风险评价结果在低与较低风险区分布上差异较大，前者低风险区与较低风险区面积占比分别为22.48%、34.24%，后者占比分别为16.97%、38.4%，中等、较高风险区占比两者相近，高风险区前者占比9.34%，后者占比10.11%，从数据上看，前者低风险区相对较大，高风险区较小，整体洪水风险程度较小 （图6）。从各风险区分布上看，考虑水系连通性洪水风险评价与传统洪水风险评价相比较，后者低估了区域水系上游水系连通性较差地区的洪涝风险、高估了区域水系下游水系连通性较好地区的洪涝风险；湘江下游及株洲市、衡东县水系综合连通性较好地区，整体风险前者相对较低；研究区南部的永州市、道县、郴州市等湘江上游及其支流上游水系综合连通性较差地区，整体风险前者相对较高。

2.4.2 基于历史洪水资料的洪水风险评价验证

考虑本研究数据选取时间，整理2016—2021年湖南省湘江流域历史洪水受灾情况绘制分布图，并绘制传统洪水风险评价相对考虑水系连通性洪水风险评价结果差异图（图7），通过实际受灾地区中属于洪水风险中高风险区比例及两者洪水风险评价结果差异与实际情况的吻合度验证本研究结果的可靠性。
图7 2016—2021年湘江流域传统相对考虑水系连通性洪水风险评价差异分布及洪涝灾害次数

Fig. 7 Differential distribution of flood risk assessment based on traditional relative consideration of river system connectivity and frequency of flood disasters of the Xiangjiang River Basin from 2016 to 2021

从历史数据中2016—2021年实际受灾地区中属于中高风险区占比可得，考虑水系洪水风险评价中较高、中等风险区与实际受灾地区吻合度约为56.33%，相较传统洪水风险评价同等级风险区吻合度的49.05%较高，表明考虑水系连通性洪水风险评价结果与近年历史受灾情况更加吻合[24-26]。结合图6与图7看，在2016—2021年历史洪水数据中，株洲市市辖区、娄星区发生3次洪涝灾害，在传统洪水风险评价高估了其风险程度；而资兴市、永州市、道县发生2次洪涝灾害，耒阳市、永兴县、宁远县、江华瑶族自治县发生3~4次洪涝灾害，且上述地区在考虑水系连通性洪水风险评价风险程度均高于传统评价。整体上，考虑水系连通性洪水风险评价与历史洪水受灾地区更加吻合，且其评价结果进一步体现了河流上游与山区突发洪灾的风险。

3 结论与展望

1） 湘江流域整体水系综合连通性自南向北增强。其中结构连通性自南向北增强，整体处于较低水平，水系网络连接度较低，河网中闭合流路数量少，河网复杂程度不高，下游水系发育相较好于中游；湘江流域北部水系功能连通性整体高于南部，干流水力连通性高于其支流、下游支流高于上中游支流，原因在于湘江下游地形相对上中游地区平坦，水利设施多，干流水位站点多且地势起伏相对支流小。
2） 考虑水系连通性洪水风险评价表明，湖南省内湘江流域洪水风险整体从南向北递增，以中等风险区和较低风险区为主。高风险区集中分布于长沙市、长沙县、浏阳市、株洲市、衡阳市，面积占9.34%，较高风险区除围绕较高风险区分布外，研究区南部零星分布，面积占8.94%，中等风险除北部围绕较高风险区分布外，还包括湘江流域西南部及南部中部地区，面积占25.01%；低与较低风险区分布于湘江流域西部及东南部，面积分别占22.48%、34.24%。
3） 传统洪水风险评价低估了区域洪涝风险，轻视了水系流域上游地区突发山洪的可能性，高估了水系流域中下游的洪涝风险，结合湘江流域2016—2021年实际洪灾情况发现考虑水系连通相较于传统方式刻画洪水风险评价结果更为客观细腻，能进一步提高洪水风险评价的准确性。传统洪水风险评价和考虑水系连通性洪水风险评价相比较，后者较高风险区与低风险区范围减小、中等风险区显著增大，湘江流域整体洪水风险程度上升，且2016—2021年湘江上游地区实际受灾地区与其评价结果吻合度更高。未来在考虑水系连通性洪水风险评价中，水利设施的建设一方面缓解区域洪涝压力，另一方面，水利设施构建不科学又会导致洪水流路受阻，一定程度上延长了泄洪时间。因此，水系连通性与洪涝灾害并不一定是简单的正负向线性关系，如纵向连续性等评价指标与洪涝灾害可能存在不同阈值范围需要分情况讨论的问题，还有待进一步深入研究。

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