1 引言
流域河流空間分布與交叉組合方式決定地表物質流動過程，對水系水文模式、河道中物質遷移轉化過程以及內部生物信息交流具有重要影響，進而影響人類對河流水資源利用方式.河流及其組成的水網處于不斷演化過程中，影響環境承載力及服務功能.水流是塑造河流地貌與河流過程直接驅動力，水流沖刷和侵蝕作用導致河道形態變化，進而改變河流網絡結構.氣候、地質、地貌、植被等因子作用影響河流水文、河道形態與化學屬性.隨著經濟社會的迅速發展，人類活動是影響河流水系結構變化主要因素.高強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域，具有重要的政治、經濟和文化地位，也是國家重要糧食生產基地，在國家社會經濟發展過程中具有重要戰略地位.河流生態系統是流域內人類社會重要支持系統，但是隨著流域社會經濟不斷發展，水資源利用率提高、排污加重，海河流域已經成為我國水污染最為嚴重的流域，水資源不足與水污染是流域內河流生態系統面臨重要問題.同時，人類活動(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律及可用水量時空分布，河流生境質量退化，水生生物多樣性減少，尤其平原段河流生態系統結構和功能退化問題突出.為保障河流生態系統的自我維持和流域經濟的可持續發展，需要從機理方面診斷河流水污染問題，宏觀方面進行河流生態治理和修復，研究流域河網結構及演化趨勢是開展流域水環境研究和治理的基礎.
海河流域內河網分布格局及演變趨勢尚缺乏系統性的研究，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個時期(初步形成期，最終形成期和再次變遷期)，探討人類活動對水系變遷影響;譚徐明研究海河流域河道演變及下游湖泊洼淀面積變化.本文通過研究海河流域河流空間分布現狀，探討20世紀60年代至今演變趨勢，為流域河流水環境研究、河流治理與修復工作提供技術支撐.
2 材料與方法
2.1 研究區概況
海河流域位于東經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，西部為山西高原和太行山區，北部為內蒙古高原和燕山山區;東部和東南部為廣闊平原，山地與平原近于直接交接，丘陵過渡區甚短.流域面積31.8萬km2，其中山丘和高原面積18.9萬km2，占60%;平原面積12.9萬km2，占40%.流域氣候屬溫帶半干旱、半濕潤季風氣候區，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、漳衛南運河、徒駭馬頰河、黑龍港運東、海河干流水系組成，其中北三河和永定河稱為海河北系，大清河、子牙河和漳衛南運河稱為海河南系.海河流域水系從南到北，呈扇形分布，整體上具有次級水系分散、河系復雜、支流眾多、過渡帶短、源短流急的特點.
2.2 數據分析方法
流域數字高程柵格圖由中國科學院遙感應用研究所提供，分辨率30 m.區域邊界包括海河流域邊界，流域范圍內有地級市邊界、區縣邊界，九大水系邊界.
利用GLOBAL MAPPER12.0對流域數字高程圖形(Colarco，Toon et al.)進行等高線計算，得到等高線數據，并利用ARCGIS10處理得到九大水系等高線數據，獲取上游山區、中部平原、下游濱海邊界.
閘壩位置通過《海河流域水利手冊》中國水閘名稱代碼》、《海河志第一卷中相關資料確定，形成矢量文件.
3 結果
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境，對水生態系統及物質過程具有重要影響.流域西起山西省，東至山東省，南起河南省，北至遼寧、內蒙古，地形地貌復雜，差異性大，覆蓋華北山地區和平原區，以及內蒙古高原部分.基于河流比降對海河河流進行區段劃分，流域河流可劃分為上游山區段、中部平原段和下游濱海段.前兩者界線：山海關撫寧灤縣豐潤玉田薊縣密云昌平房山易縣滿城曲陽獲鹿贊皇內丘邯鄲安陽鶴壁新鄉焦作一線;后兩段界線：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.流域內2～5級主要河流河流比降分析表明，山區和高原區河流比降屬于陡峭(>20‰)、偏陡峭(10‰～20‰)、偏平緩(1‰～10‰)3級;平原區河流比降為平緩(1‰～10‰)到平坦(<0.1‰)逐漸過渡，下游濱海段河流比降僅含平緩(0.1‰～1‰)、平坦(<0.1‰)2級(表 1).上游山區段地形多為山地，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 海河流域河流區段劃分
? 上游山區段面積約18.78萬km2，占據流域面積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、子牙河與漳衛河等6個水系部分區域.覆蓋河北省和山西省的163個市、區、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、陽泉和長治;土地利用類型以山地喬灌木植被和草地植被為主.區段河流多處于源頭或上游段，發源于西北部燕山山脈和太行山山脈迎風坡，或北部內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、河南等區域的260個市、區、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、邯鄲，河南省的安陽、新鄉、焦作和山東省的德州和聊城，土地開發利用類型主要為農田，占80%以上，其次為城鎮及居住用地、建筑用地等.河流水資源利用強度極高，河流污水排放量大.河流斷流、干涸現象普遍.下游濱海段面積約3萬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，坡降進一步減小.下游濱海段覆蓋75個市，主要城市包括天津，以及河北省滄州市和山東省濱州市.土地開發利用程度較大，但農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.濱海段河流受到內陸和源自潮汐作用的海洋的雙重影響，具有獨特的生態系統結構和物質過程.
3.1.2 水系結構
海河水系類型復雜，包括樹枝狀、亞樹枝狀、編織狀、平行狀、羽狀、格子狀、向心狀、鉤狀等.受地形地貌和人類活動影響，水系結構類型在次級水系中分布區域和面積有所差異.不同區中，上游山區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，中部平原段水系結構為緊密型、中等型或稀疏型.
次級水系中主要水系結構類型有所差異，反映人為干擾程度的大小.灤河水系和北三河水系山區段均為樹枝狀水系，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段為緊密型羽狀水系，人為干擾弱.子牙河山區段為緊密型格子狀水系，漳衛河山區段為緊密型鉤狀水系，均體現較弱人為干擾.濱海段多為人為干擾強烈的水系結構類型，包括灤河、徒駭馬頰河、黑龍港運東水系的稀疏型編織狀水系結構.中部平原段水系結構包括受人為干擾較強和較弱的類型，如大清河、徒駭馬頰河、黑龍港運東水系的平行狀水系，受人為干擾較弱;灤河、徒駭馬頰河、黑龍港運東水系的稀疏型編織狀水系結構體系較強的人為干擾.
3.1.3 河道連續性
海河流域人為修建水庫是影響河流縱向連續性重要因素.流域山區建成大中小型水庫1967座，總庫容264億m3;其中大型水庫29座，總庫容220億m3，控制山區面積81%;中型水庫98座，總庫容30億m3;小型水庫1840座，總庫容約13億m3.平原大中型水庫22座，總庫容13億m3(其中北大港、團泊兩座大型水庫，庫容6.21億m3)，此外還有一批小型水庫.山區水庫已經控制山區面積83%，其中漳河、滹沱河、永定河等山區流域面積控制98%以上.
山區與平原區過渡地帶水庫分布尤為集中，形成明顯山前水庫帶.山前水庫帶對上游水資源大量截留，嚴重減弱中下游河段水流動力，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%被水庫截留.在水庫截流作用下，加之中部平原段和下游濱海段水閘大量建設，導致中部平原段河流水動力和水資源缺失，部分河道流動緩慢甚至斷流，河道連續性受阻.河流連續性用連續性指數來表征，反映水利工程障礙物控制河道長度，指數值越小，河道連續性越差.結果表明，海河流域水系連續性指數范圍介于2.08～16.56，最小值出現在永定河水系，其次是大清河、北三河、子牙河、灤河、漳衛河水系，表明上述水系河流連續性較差.其他水系連續性指數值均在10以上的水系只有徒駭馬頰河水系和黑龍港運東水系(表 2).(需要分析連續性指數空間分布的因素)
表2 海河流域河流連續性
? 3.2 河流演變趨勢
海河流域河流水系在時間尺度和空間尺度上均存在變化過程，河流曲率和河網密度具有一定時空變化趨勢，且在不同次級水系中有所差異.從20世紀60年代—80年代—2000年，流域平原段河流平均曲率逐漸減小，這與平原區人口密度增大，人類活動對河流的干擾逐漸增強有關.山區段河流平均曲率從60年代的1.18減小到80年代的1.14后維持穩定(表 4)，說明80年代后人類活動對山區河道的影響較小.不同時期平原段河流曲率均低于山區段(表 4)，體現了平原區更強的人為干擾.從60年代—80年代，中部平原段河網密度從0.20下降到0.15，之后保持穩定(表 4);下游濱海段河網密度從0.17下降到0.12，到2000年又上升到0.15(表 4)，推測由濱海區人為開挖的渠網增加所致.
不同次級水系河流曲率和河網密度變化趨勢存在差異.從60年代—80年代—2000年不同時期內，大清河、永定河、徒駭馬頰河和黑龍港運東水系中平原段河流評價曲率均低于山區段，其余水系河流曲率呈現不規則變化.與60年代相比，80年代和2000年河流平均曲率均減小.不同時期內，北三河和大清河水系下游濱海段河網密度均低于中部平原段，其他水系河網密度呈不規則變化.從60年代到80年代，平原段和濱海段河網密度均有所減小;從80年代到2000年，中部平原段河網密度減小的水系有灤河、大清河、永定河水系，其余水系河網密度增大，下游濱海段河網密度增大的水系包括灤河、北三河、大清河、子牙河、黑龍港運東以及永定河水系，其余水系河網密度減小(表 3).
表3 海河流域各水系河網曲率和密度
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4 討論
研究流域河流空間分布及變化是一項很有意義的基礎性工作，目前的研究手段主要包括：① 通過歷史資料的收集與分析，探究一定區域內河網的演變過程及其與人類活動的關系，如李紅友運用歷史分析方法，分為3個時期(初步形成期、最終形成期和再次變遷期)，探討了人類活動對海河水系變遷的影響;韓春鮮結合歷史資料和實地調研，研究了18世紀以來塔里木河河道變化與人類活動的互動關系.程江等利用文獻和歷史資料，分析了上海中心城區河流水系1860—2003年變化情況.由于歷史資料的局限性，該方法通常得以對河流水網的整體變化趨勢加以分析，而精確性相對較低.② 通過遙感圖像和資料分析，分析河流水網形態及數學參數的變化.如孟飛等運用遙感圖像分析方法，詳細研究了浦東新區人類活動對河網結構的影響.張樹文等利用L and sat7 ETM+影像、地形圖、數字高程數據，研究了黑龍江上中游河道曲率及其穩定性.該方法在基礎遙感數據資料的基礎上進行分析，直觀且準確度較高.將以上兩種方法結合運用效果更好，如韓龍飛等運用遙感分析手段，結合歷史資料，研究了秦淮河中、下游城市化對水系結構及其連通性的影響.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的具體參數變化，結果較為準確而可靠.
海河流域河流水系的重要變化之一是連續性的破壞.河流連續性破壞使得其自然屬性非常微弱，河道連續性降低導致河流水體自凈能力不足，引起水體富營養化，生物多樣性減小等水環境和水生態退化等問題.目前，已有一些河流水網連續性方面的研究，如茹彪等分析了傳統網絡連通性評價方法在水網中的適用性基礎上，提出了基于河道自然、社會雙重屬性的水系結構連通性評價方法，并通過對吳江市骨干水系結構連通性進行計算，驗證了該方法的可行性研究表明，秦淮河中、下游，連通性參數連接率由1979年的1.28下降到2006年的0.79，河流的連通性呈下降趨勢;孟慧芳等從水文學角度，探索建立了基于水流阻力與水文過程的平原河網河流連通性評價方法，并在鄞東南平原河網區進行了應用.海河流域修建的大量水庫和閘壩是阻斷河流連續性的主要因素.水壩對河流天然連續性阻斷，不僅改變地理空間和水流過程，而且引起水環境變遷.流域中的五大水系(灤河、北三河、永定河、大清河、子牙河)連續性指標值低于5，可見連續性破壞嚴重.
流域水系河流曲率和河網密度變化反映了人為干擾趨勢.總體來講，山區和平原區水系河流曲率均不斷減小，體現人為干擾強度不斷加劇.從河網密度來看，海河流域水系河網密度變異性較大，從60年代到80年代，中部平原段河網密度從0.20減小到0.15，推測這與該時期河流水資源開發利用強度大，河道因斷流而廢棄，以及人為改道有關.下游濱海段河網密度從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經濟發展，人為開挖的大量渠網增加了水網密度.從河流曲率來看，20世紀60年代—80年代—2000年，流域平原段河流平均曲率逐漸減小，推測其主要原因是平原區城市化進程加快和人類活動加強.山區段河流平均曲率從60年代的1.18減小到80年代的1.14后維持穩定，即人類活動對山區河道形態的影響相對較小.
海河流域河流水系的天然屬性已經極大地受到人類活動的負面影響，存在水生態水環境退化的潛在風險.今后應在保持經濟發展的基礎上，減少對平原區河流水系自然演變的干擾，加強對山區河流的保護;在進行河流生態治理與修復時，應綜合考慮河流地貌、水系結構、河流曲率和河網密度等因素.具體參見 污水處理技術資料或污水技術資料更多相關技術文檔。
5 結論
從河流地貌、河流縱向連續性，河網形態以及河網曲率和密度等方面，對海河流域河流空間分布特征及演變趨勢進行研究，主要結論如下：
1)海河流域河流地貌可劃分為上游山區段、中部平原段、和下游濱海段.上游山區段河流水系形狀為受干擾程度較低類型，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和水閘，使得河流縱向連續性遭到嚴重破壞，引發水環境問題.山前水庫帶截留作用使得平原區水資源量不足，而平原區水閘進一步導致河流流動緩慢.
3)時間尺度上，河流曲率減小，河網密度呈不規則波動，揭示流域強烈人為干擾.從20世紀60年代—80年代—2000年，流域河流平均曲率減小，河網密度不定向波動，表明人為調控對河道天然形態改變影響程度大.
今后應在保持經濟發展的基礎上，減少對河流天然屬性的改變.在河流生態治理與修復過程中，應綜合考慮河流地貌、水系結構、河流曲率和河網密度等因素.
