《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Measuring hydrological functional connectivity and its associations with flood processes in river network plains: Insights from flow smoothness and continuity
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研究区域为中国东部长三角核心区的太湖流域中部平原。研究焦点在于提出一个新的指标——水文功能连通性指数（Hydrological Functional Connectivity Index, HFCI），该指标整合了水流平滑度与连续性，用以量化河道尺度的功能连通
研究区域为中国东部长三角核心区的太湖流域中部平原。研究焦点在于提出一个新的指标——水文功能连通性指数（Hydrological Functional Connectivity Index, HFCI），该指标整合了水流平滑度与连续性，用以量化河道尺度的功能连通性。以太湖流域中部平原为案例，研究人员刻画了HFCI的时空动态特征，并量化了其与洪水过程的关联。新的水文认知表明：1970—2019年间，太湖流域中部平原的平均HFCI为0.72，指示总体良好的功能连通性。吴澄锡虞（WCXY）地区的HFCI高于阳澄淀泖（YCDM）地区。HFCI以每十年0.033的速率显著下降（p<0.01）。相对高值主要出现在WCXY和YCDM的内部河网中，而低值则集中在沿长江岸段以及大型城市防洪包围圈和出口控制区周围。退水速率（FE）与HFCI呈正相关，而洪峰水位（FM）、水位涨幅（FA）和上涨速率（FR）则呈负相关，尤其在较高降雨强度下更为明显。其中，FM与HFCI的分层关联最强（q=0.202），其次为FR（0.131）、FE（0.125）和FA（0.118）。这些发现为变化中的河流连通性条件下的防洪提供了有价值的见解。
河网平原水文功能连通性测度及其与洪水过程的关联——论文解读
一、研究背景与科学问题
水文连通性（Hydrological Connectivity）描述了水体单元之间通过水流实现物质、能量和生物体传递的基本属性，是河流系统的核心特征，支撑着区域水安全。然而，在平原河网地区，日益增强的人类活动已经破坏了这种连通性，导致调蓄能力下降、洪灾风险增加，从而威胁水安全和可持续的社会经济发展。
现有研究将水文连通性分为结构连通性（Structural Connectivity）和功能连通性（Functional Connectivity）两大类。结构连通性描述河道的空间连续性，其评价指标已相对成熟；而功能连通性反映空间配置如何与流域过程相互作用以实现水的传输，在受密集调控的平原河网中由于强烈响应于水工基础设施及其运行方式而更难以量化。
已有的功能连通性评价指标虽然考虑了闸门数量、可通过性和空间分布等因素，但很少能体现不同降雨条件下运行规则对连通性的改变。例如，Lu等人提出的水闸纵向连通性指数虽将开闸概率与气象水文条件相联系，却未考虑影响水流平滑度的河道属性（如宽度、糙率）。因此，亟需一个能够整合水流平滑度与连续性的统一测度。
此外，水工基础设施及其运行会通过改变功能连通性来改变水文情势。已有洪水研究主要关注洪峰水位和洪峰流量等量级指标，而对涨水速率和退水速率的关注不足。因此，有必要同时评估洪水量级和波动性，以阐明功能连通性与洪水过程不同方面的关联。
基于此，本研究的目标为：（1）基于水流平滑度与连续性开发水文功能连通性指数（HFCI）；（2）刻画1970—2019年太湖流域中部平原在水力调控下的HFCI时空变异；（3）利用地理探测器（GeoDetector）量化HFCI与洪水过程指标的分层关联。
二、主要技术方法
研究人员首先提出了水文功能连通性指数（HFCI）的量化框架，该指数由两个分量构成：水流平滑度指数（Flow Smoothness Index, FSI）和水流连续性指数（Flow Continuity Index, FCI）。FSI基于河道断面几何形态和糙率量化形态控制的相对输水能力，代表被动的传输潜力；FCI则量化水闸在其运行规则下开启或水力可通过的概率，代表依赖运行的连续性。二者的组合HFCI表征复合的功能连通性。
在FSI计算中，研究人员采用曼宁公式（Manning Equation）计算实际平均流速，该流速由河道糙率系数、水力半径和水力坡降共同控制。对于梯形渠道，水力半径由过水断面面积与湿周的比值确定，涉及底宽、边坡系数和水深等参数。曼宁糙率系数依据当地水文记录按河道类型和表面状况赋值，边坡系数来自实测断面数据，水深由相应水位和河床高程数据计算。
在FCI计算中，研究人员基于水闸的运行规则和历史开闸记录，量化了水闸在不同降雨和水位条件下的开启概率，以此表征水流的连续性。
为量化HFCI与洪水过程的关联，研究人员使用了地理探测器（GeoDetector）方法，该方法可以检测自变量对因变量的分层异质性影响，即某个洪水指标在不同HFCI分层上的差异程度。
三、研究结果
3.1 HFCI的总体水平
1970—2019年间，太湖流域中部平原的平均HFCI为0.72，表明该区域总体上具有良好的功能连通性。这一数值反映了河道形态与水闸运行共同作用下的综合输水能力。
3.2 子区域对比
吴澄锡虞（WCXY）地区的HFCI高于阳澄淀泖（YCDM）地区。这揭示了不同子区域在河道形态特征和水闸调控模式上的差异，WCXY地区的河道条件和运行管理更有利于维持较高的功能连通性。
3.3 时间趋势分析
HFCI呈现显著的下降趋势（p<0.01），下降速率为每十年0.033。这表明在过去50年间，随着人类活动的加剧（如城市化、水利工程建设），区域的水文功能连通性持续退化。
3.4 空间分布格局
相对高值的HFCI主要出现在WCXY和YCDM的内部河网区域，这些区域受外部干扰较小，河道网络较为完整。相反，低值区域集中在沿长江岸段以及大型城市防洪包围圈和出口控制区周围，这些区域受到强烈的工程调控，水闸关闭频繁，限制了水流的顺畅传输。
3.5 HFCI与洪水过程的关联
退水速率（FE）与HFCI呈正相关关系，意味着功能连通性越高，洪水消退越快，有利于减轻后续降雨的压力。而洪峰水位（FM）、水位涨幅（FA）和上涨速率（FR）与HFCI呈负相关，特别是在较高降雨强度下更为明显，表明高功能连通性有助于抑制洪峰抬升和水位快速上涨。在地理探测器的分层分析中，FM表现出与HFCI最强的分层关联（q=0.202），其次是FR（0.131）、FE（0.125）和FA（0.118），说明功能连通性对洪峰水位的控制作用最为突出。
四、讨论与结论
研究人员指出，所提出的HFCI框架能够从河道尺度量化受调控平原河网的水文功能连通性，弥补了以往指标忽视水流平滑度或运行连续性的不足。研究结果揭示了功能连通性在时间和空间上的显著变异，以及其对洪水过程不同方面（特别是洪峰水位）的重要影响。
研究结论强调，在变化环境下，维持或提升河网的功能连通性对于防洪减灾具有重要意义。尤其是在高降雨强度事件中，较高的功能连通性可以有效降低洪峰水位和上涨速率，加速洪水消退。这些发现为受调控河网平原地区的洪水风险评估和适应性管理提供了科学支撑。
