人工干预对海河流域水系结构与鲁棒性的影响：基于复杂网络理论的系统评估

针对高强度人类活动下流域水系功能退化问题，Shuhui Shi和Fawen Li运用复杂网络理论构建自然与现状河网拓扑模型，通过节点/边移除模拟（静态/动态攻击策略）和功能权重分析（FPF/WSF/EF），揭示人工干预使网络连通性提升20%、全局效率提高5倍，但关键节点（如永定河）失效可致最大组件规模骤降42.25%，为流域韧性优化提供新视角。

　　

海河流域作为华北水资源战略要地，长期面临"水少灾多"的双重挑战。随着气候变化加剧和人类活动强度攀升，大规模水利工程（如水库、人工河道、跨流域调水系统）彻底重塑了自然水系形态，形成复杂的"自然-人工"混合网络。这种改造虽提升了水资源调配能力，却也引发新的科学问题：人工干预如何系统性改变河网拓扑结构？不同功能（防洪、供水、生态）的空间分布如何演化？网络在极端事件或工程失效时的脆弱性阈值何在？这些问题的解答对保障京津冀城市群水安全至关重要。

天津大学水利工程智能建设与运维国家重点实验室的研究团队在《Journal of Immunological Methods》发表研究，首次采用复杂网络理论对比分析海河流域自然与现状河网的结构差异。通过构建包含5697个节点、6720条边的现状网络模型，结合DEM数据提取河道水力参数，量化FPF（防洪功能指数）、WSF（供水功能指数）和EF（生态功能指数）的空间异质性；采用度分布、集聚系数、全局效率等指标评估拓扑演变；设计基于中心性（度/接近度/介数）和功能权重的静态/动态攻击策略，模拟节点/边移除对网络鲁棒性的影响。

研究结果显示：人工干预显著改变了网络结构特征。现状河网平均节点度提升至2.348（自然状态1.957），最大连通组件规模从0.218增至0.981，全局效率提高5倍至0.026，但平均路径长度增加42%至42.335。功能空间分布呈现明显梯度差异：山区FPF均值（0.48）显著高于平原（0.29），而WSF在平原区提升17.4%，人工河道WSF（0.080）高于自然河道（0.075）。

静态攻击暴露关键脆弱点。移除永定河支流桑干河导致自然网络最大组件规模骤降42.25%，当前网络中移除南水北调中线0.55%区段会使全局效率降低5.31%。动态攻击揭示阈值效应：按介数中心性移除20%节点可使当前网络崩溃（V=0.452），WSF加权边攻击在移除18%时引发性能陡降。

讨论部分强调，人工干预虽增强网络整体连通性，但也造成功能失衡与新型依赖。南水北调中线、京杭运河等工程成为"双刃剑"——提升供水效率的同时，其失效可能引发级联风险。该研究提出的"拓扑-功能-鲁棒性"集成分析框架，为识别关键脆弱节点、优化应急调度策略提供了量化工具，尤其适用于高强度人类活动区的流域综合管理。未来研究可结合水动力模型，进一步揭示结构变化对实际水文过程的影响机制。