1 引 言
北运河流域深受人类影响，重建并探讨其水系结构演变及驱动原因对理解历史时期人类—河流系统作用机制具有重要理论及现实意义。人类系统已被国际水文科学协会（International Association of Hydrological Science， IAHS）视为水循环过程中的重要因子。在这一背景下，愈发需要人类系统与水的作用机制的研究［1］，而从时空角度研究这一机制也是地理学和环境史等诸多领域的显著特色［2］。历史河流研究需要借助多源数据及手段，Fernandes等［3］基于历史地图和水文数据利用GIS对葡萄牙中部Tagus河形态变化进行重建并揭示影响其变化的因素。同时，历史河流研究在对象和范式方面也需要由单一河流向整体水系研究转变［4］，水系和河网结构是这一转变的重要内容。河网结构与人类密切相关，如与城市的关系［5~7］。河网结构受到干扰或破坏也会引发系列生态问题［8~10］。Belletti等［11］对欧洲河流障碍物的研究，揭示了障碍物分布空间差异及这一差异的影响因素。对这一主题研究有助于生物多样性的保护。对于上海地区河网结构，珠江三角洲河网最大槽蓄容量等研究，也揭示了近百年来人类活动与河网的密切关系［10，12，13］。相比之下，北运河水系受人类影响更为强烈，通过对其结构演变驱动的分析有助于更好地理解人类干预下水系演变特点。
2 资料来源与研究方法
2.1 研究区概况
2.2 资料与数据来源
本文采用历史文献、历史和现代电子地图与数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）。其中DEM数据来自地理空间数据云平台ASTER GDEM 30 m分辨率数字高程数据（
表1 水系形态数据来源与地图概述
Table 1
2.3 研究路径与方法
我们利用地图数字化，水文分析、河网分级和水系结构分析，结合历史文献解读，历史地理回溯等方法重建16世纪以来的北运河流域水系变迁，分析其演变的驱动因素。
首先，基于DEM数据在GIS环境下使用水文分析方法提取北运河流域范围和水系。其中提取流量（Flow Accumulation）大于5 000的栅格作为集水区（Watershed），考虑到本流域受人为干扰较深，且历史上潮白河与北运河的紧密关系（潮白河与北运河在1939年分离），为了保证水系结构标准分析的一致性，以此作为北运河流域基本轮廓。
表2 基于斯特拉勒(Strahler)的河流分级方案
Table 2
| 时间 | 1级河流数量/条 | 2级河流数量/条 | 3级河流数量/条 | 干流—河流数量比例 | 河网级别 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1582年 | 14 | 8 | 0 | 0.36 | 2 |
| 1820年 | 27 | 11 | 5 | 0.12 | 3 |
| 1933年 | 26 | 15 | 9 | 0.18 | 3 |
| 2011年 | 25 | 14 | 6 | 0.13 | 3 |
图1
| 参数名称 | 计算公式 | 参数意义 |
|---|---|---|
| 河网密度( | 单位区域内河流长度，表示区域河流长度发育，区域内河流分布与流域切割程度 | |
| 河频率( | 河流数量与区域面积之比，表示区域河流数量发育程度 | |
| 支流发育系数(T) | 河网干、支流发育状况，越小表示干流化（水系主干化）程度越高 | |
| 连续性指标(C) | 水系长度与水利障碍物之比，数值越小，河流连续性越差 | |
| 河网复杂度(CR) | 河网层次的丰富性，数值越大说明支撑干流的支流水系越发达 |
3 16世纪末以来北运河流域及水系结构变迁
3.1 流域范围与河流分布
我们提取出16世纪末以来本流域的水系变迁序列，分别为1582年、1820年、1933年和2011年（图2）。
图2
图2
16世纪以来北运河流域水系变迁
Fig.2
Changes in the water system of the North Canal since the 16th century
直观上看，北运河流域水系逐渐呈破碎化。从流域范围角度，明代至当代有逐渐缩小的趋势。如16世纪后期潞河通过漷河与卢沟河连接，在1820年剖面这一连接已经消亡。1939年潮白河大水之后，北运河与潮白河系正式分离，这一分离导致北运河流域面积缩小并使补给来源减少。水系形状显示，北运河在通州以上区域水系属于树枝状格局，这一格局自16世纪以来并无明显变化。而通州—杨村段自明代至21世纪初逐渐由亚树枝状向混合状形态演变。
3.2 水系结构参数的变化
表4 16世纪以来北运河流域各水系结构参数变化
Table 4
| 参数名称 | 1582年 | 1820年 | 1933年 | 2011年 | 参数变化率/% | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| V1582—1820年 | V1820—1933年 | V1933—2011年 | |||||
| 河网密度 | 0.0430 | 0.0641 | 0.0548 | 0.0566 | 0.0089 | -0.0082 | 0.0023 |
| 河频率 | 0.0007 | 0.0013 | 0.0015 | 0.0014 | 0.0003 | 0.0002 | -0.0001 |
| 支流发育系数 | 1.9570 | 9.2004 | 7.2655 | 6.6162 | 3.0434 | -1.7123 | -0.8324 |
| 北运河连续性指标 | - | 3.8509 | - | 4.9174 | - | V1820—2011年=0.5584 | |
| 河网复杂度 | 5.9140 | 30.601 | 24.7966 | 22.8487 | 10.3727 | -5.1366 | -2.4973 |
据表4可知，河网密度1582—1820年呈增加趋势，1820—1933年减少，至现代略有增加，变化幅度最大的时段在1582—1820年。河频率1582—1933年持续增加，至今略有减少，其中增幅最大时段在1582—1820年。支流发育系数方面，1582—1820年大幅增多，之后略有减少。连续性指标1820—2011年由低至高，反映了建国后对水系控制力度的增强。河网复杂度1582—1820年大幅增加，1820年后持续小幅降低。
（1）以指征河流数量的河网密度与河频率2项指标来看，趋势基本相同，1582—1820年是河流长度发育与河流数量增多最显著的阶段。说明河流发育与流域切割呈增强—降低—增强的态势。
（2）水系结构以支流发育系数和连续性指标为主要指征，1582—1820年是支流发育系数增加最为显著的阶段，之后略有减少但趋于平稳，反映了主干化程度降低，体现了去干流化（1582—1820年）—主干化（干流化）（1820—2011年）过程。从连续性指标看，相比于现代，以1820年为断面，人类对河流连续性已经施加了较重干扰。
（3）河网复杂度基本与上述变化一致，河网层次丰富性增强、支流水系发达（1582—1820年），此后持续减弱（1820—2011年）。因此，各参数年变化速率表明，相比于其他时段，1582—1820年流域水系结构变化最为显著。
4 水系结构演变的驱动因素
4.1 水系结构受影响的背景
北运河流域年际及年内降水量分配不平均，上下游河道坡度的高低急缓差异明显，河身弯曲，地势低洼，造成洪涝频发［17］，但在枯水期水浅沙多。因而人为对于水系结构的干预基本围绕“易淤易决”展开。
综上所述，北运河漕运面临的问题显而易见。首先是高程因素。从北运河河段高程剖面图（图3a，b）可见，自南至北，河道高程呈上升趋势（红线为500 m滑动平均），这种状况增加了漕船行驶困难。其次，水情具有不稳定性。据现存北运河漕运档案可知，每年2~8月测量河道水深，此举与北运河的季节性河流特征相吻合。这一时段正是漕运的最佳季节。根据河道实情，漕船平稳行进的水深上限约为3 m，过高容易引起溃决，过浅容易造成搁浅。因嘉庆朝具有连续年份，较具有代表性，因此，以其水势清单为主，绘制北运河各汛点夏季水情变化图（图3c）。可知最低水深为1 m左右，最高水深约2 m，低于3 m的标准，坡度总体平缓。因此，受制于高程、坡度、水情和泥沙淤积，这里漕运常陷入困境。为维持转运，需要从水源补给、疏浚河道、开挖引河和设置闸坝等方面来应对。
图3
图3
清代北运河主河道坡度、高程与部分时段水深
(a)北运河北京—天津段坡度分级及地表水环境； (b)北京—天津段高程剖面； (c)1810—1822年档案记录的北运河水深状况
Fig.3
The slope, elevation and water depth of the main channel of the North Canal in the Qing Dynasty
(a)The slope classification and surface water environment in the Beijing-Tianjin section of the North Canal; (b)Beijing-Tianjin section elevation profile; (c)The water depth of the North Canal recorded in the archives from 1810 to 1822
4.2 水源补给与水系结构
水源对水系结构的影响表现在：一方面人类开挖新河补给运河水量，另一方面洪涝所引起的河流上游或支流改道常使其失去补给甚至消亡，引起流域面积增减。
河流消亡与流域面积增减方面，1912年潮白河夺箭杆河改道与北运河水系开始分离，至1939年苏庄闸被彻底冲毁后两河彻底分开。该事件使北运河流域补给面积大为缩小，客观上减轻了下游排涝压力，但缺少水量补给使航运逐渐衰落［17］。
4.3 开挖引河与水系结构
通过开凿引河或称减河，以宣泄洪水，也是人类应对流域夏秋河水暴涨的重要举措。开挖引河或减河直接影响水系干支流数量与长度比。根据表4分析可知，河流发育与切割程度、去干流化及河网层次丰富性增强集中在1582—1820年的明清时期。史料验证：1690年至今开挖引河15次，其中12次在1690—1840年。自康熙、雍正以来，于沿河修筑减河，以泄水势，其中筐儿港和青龙湾引河最具代表性［26］。这一治理方式具有连续性，如20世纪60年代开挖的凤港减河和运潮减河［17］。清代之后漕运衰落，水源济运（4.2部分）与引河排涝需求减少，加之现代水利建设治理使支流发育系数持续降低，水系发育与流域切割减弱，水系呈干流化、简单化发展。
4.4 河流障碍物与水系结构
河流障碍物一方面影响径流流量，使下游河道流量模式发生改变，另一方面使河流连续性降低。与现今海河流域诸河流相比，清代北运河连续性指数与北三河等河相差不大［30］。说明历史上闸坝修建已经使流域自然属性退化，引起水环境问题。筑堤和裁弯取直工程改变河流形态，进而对河流的分维趋势与河网水系盒维数产生影响。
4.5 洪涝灾害与水系结构
5 结 论
本文基于历史文献和DEM数据，在ArcGIS环境中，采用数字化方法重建16世纪末以来4个断面的北运河流域水系变化。同时采用水文分析和河网分级对水系进行标准化处理，采用河网密度、河频率、支流发育系数、连续性指标和河网复杂度等指标来评估水系结构演变。结果表明，1582—1820年，河网密度、支流发育系数、河网复杂度和连续性指标都呈大幅增加趋势。1820—1933年，除河频率略有增加外，河网密度、支流发育系数和河网复杂度均略有减少。1933—2011年，除河网密度略有增加外，河频率、支流发育系数和河网复杂度均略有降低。上述4项参数变化率最大的时段均发生在1582—1820年。而19世纪末与现代连续性指标比较说明，清代以来人类对北运河连续性施加了较深的干扰。
以上变化说明：河流发育程度与流域切割程度呈增强—降低—增强过程；河流数量发育程度呈增强—降低过程，支流发育系数表明水系呈去干流化—主干化（干流化）过程，河网复杂度变化情况说明，1582—1820年河网层次丰富性增强、支流水系发达，1820—2011年持续减弱。1582—1820年为了保障漕运通畅，人类对水系进行了强有力干预，清末民国阶段随着海运及铁路兴起，干预力度下降，建国后经整治干流化得到增强。结合历史文献和地形分析表明，为适应流域“易淤易决”特点，水源引入，水库、水闸、水坝等河流障碍物的修建，开挖引河和洪涝灾害使河流数量、河流形态增减和改变，作用于水系结构参数，是水系结构改变的驱动因素。人类活动深刻地改变了北运河水系格局。
参考文献
Long-term human-generated alterations of Tagus River： Effects of hydrological and land-use changes in distinct river zones
［J］.
Thoughts on the development of historical physical geography and frontier issues
［J］.
历史自然地理学发展和前沿问题的思考
［J］.
City walking-trace： How watershed structure and river network changes influenced the distribution of cities in the northern part of the North China Plain
［J］.
Impact of urbanization on stream structure and connectivity of plain river network in the Taihu Basin
［J］.
太湖流域城市化对平原河网水系结构与连通性影响
［J］.
River network evolution and fluvial process responses to human activity in a hyper-arid environment—Case of the Tarim River in Northwest China
［J］.
River health assessment： Theory， methods and practice
［D］.
河流健康评价：理论、方法与实践
［D］.
Influence of stream structure change on regulation capacity of river networks in Taihu Lake Basin
［J］.
太湖平原区河网结构变化对调蓄能力的影响
［J］.
Stream structure characteristics and its urbanization response in dense river network plain： A case study of Shanghai
［D］.
平原河网地区水系结构特征及城市化响应研究
［D］.
More than one million barriers fragment Europe's rivers
［J］.
Reconstruction of river network structure in the Pearl River Delta Plain and its max channel storage capacity during
20世纪30年代珠江三角洲平原河网结构重建及最大槽蓄容量
［J］.
Water transport of North Canal and Zhangjiawan River diversion in the Qing Dynasty
［J］.
清代北运河漕运与张家湾改道
［J］.
The wetland restoration of the Yongding River in the Jingnan Plain during the Qianlong reign
［J］.
清乾隆朝京南永定河湿地恢复
［J］.
Automated extraction of drainages in China based on DEM in GIS environment
［J］.
GIS环境下基于DEM的中国流域自动提取方法研究
［J］.
Study on basin partition scheme of China based on basin structure analysis
［J］.
基于流域结构分析的中国流域划分方案
［J］.
A dataset of Chinese river basins and river networks extracted based on DEM
［DS］.
基于DEM提取的中国流域、河网数据集
［DS］.
CHGIS
［EB/OL］.（
中国历史地理信息系统（CHGIS）
［EB/OL］.（
第1-16册
［M］.
Effect of urbanization on the Plain River Network Structure in the Lower Reaches of the Yangtze River
［J］.
城市化进程对长江下游平原河网水系格局演变的影响
［J］.
Study on impacts from water conservancy projects on river network connectivity—A case of Xizhaoxi River Sub-catchment of Taihu Lake Basin
［J］.
水利工程对河网连通性的影响研究——以太湖西苕溪流域为例
［J］.
The spatial distribution and evolution trend of rivers in Hai River Basin
［J］.
海河流域河流空间分布特征及演变趋势
［J］.
Stream structure characteristics and their impact on storage and flood control capacity in the urbanized plain river network
［J］.
平原河网地区河流结构特征及其对调蓄能力的影响
［J］.
Effect of urbanization on the river network structure and functions—A case study in Suzhou City
［J］.
城市化对平原河网水系结构及功能的影响——以苏州市为例
［J］.
甘公网安备62010202000687
