城市化對水系結(jié)構(gòu)及其連通性的影響:以秦淮河中、下游為例*

韓龍飛，許有鵬，邵玉龍，石 怡

(南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210093)

城市化的發(fā)展導(dǎo)致流域下墊面性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)的變化.尤其在長三角地區(qū)，經(jīng)過近三十年城市化發(fā)展，城市不透水面積劇增，大量河流水系遭到破壞，河流連通能力變差[1]，導(dǎo)致城市化地區(qū)暴雨洪水過程中匯流時間縮短、洪峰增加、徑流系數(shù)增大，加之河網(wǎng)的調(diào)蓄能力下降，致使大多城市汛期”逢雨必澇”.城市化引起的洪澇災(zāi)害與水環(huán)境惡化等問題，已嚴(yán)重威脅到人類的生存和區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展.探討城市化對下墊面、水系結(jié)構(gòu)及其連通性影響的特點與機制，是社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要.

城市化使河道結(jié)構(gòu)簡化，低等級河流不斷減少.目前國內(nèi)已有一些關(guān)于城市化對河網(wǎng)特征的影響研究，研究區(qū)域集中在上海[2-4]、太湖流域[5-6]、深圳[7]、鄞東南地區(qū)[8]等.但是這些研究并沒有結(jié)合下墊面的變化進行分析，并且在河流連通方面很少涉及.僅有的關(guān)于連通的文獻也主要側(cè)重于內(nèi)涵、意義方面的探討[9-12].因此，本文以秦淮河中、下游為例，對城市化背景下的下墊面及水系特征變化進行分析，并借鑒景觀生態(tài)學(xué)中河流廊道空間結(jié)構(gòu)分析方法，對研究區(qū)河流連通性進行初步探討.近些年秦淮河中、下游城市化發(fā)展加快，研究區(qū)較為典型，該研究可為改善該區(qū)域水系結(jié)構(gòu)及其連通性和實現(xiàn)水環(huán)境的可持續(xù)利用提供參考.

1 研究區(qū)概況

秦淮河流域大部分位于江蘇省南京市境內(nèi)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，降水充沛，年平均降雨量1047.8 mm.四面環(huán)山，中間低平，為典型山間盆地，低山丘陵面積約占74.3%，平原面積約占25.7%.地勢由東南向西北傾斜.研究區(qū)位于秦淮河的中、下游(圖1)，面積為497.08 km2.該區(qū)近30年經(jīng)歷了一個快速城市化階段，2000年流域人口城市化水平已達59.3%.城市化的快速發(fā)展，在促進經(jīng)濟快速發(fā)展的同時也帶來一系列的環(huán)境問題.河網(wǎng)水系數(shù)量銳減，河流連通性驟降，引發(fā)河流水質(zhì)惡化，河中生物多樣性減弱，河網(wǎng)調(diào)蓄能力降低，流域洪澇風(fēng)險加大等一系列水文、水資源與水環(huán)境問題.

秦淮河中、下游干支流縱橫交錯，根據(jù)各支流的匯水范圍，參考流域的河流地貌狀況，并結(jié)合《南京市水資源綜合規(guī)劃》，把研究區(qū)分為10 個水利分區(qū).根據(jù)城市土地擴展強度指數(shù)，10 個水利分區(qū)分為高度城市化區(qū)、中度城市化區(qū)與低度城市化區(qū).另從中選取下墊面變化較大的面積為117.75 km2的平原區(qū)來探討其連通性變化.

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Location of the study area

2 研究方法與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

選取河網(wǎng)密度、水面率[2]及河網(wǎng)復(fù)雜度(CR)和河網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度(SR)[3]來表示水系結(jié)構(gòu)特征，并選取連接率(β)和實際結(jié)合度(γ)指數(shù)來分析流域連通性變化.

2.1 水系結(jié)構(gòu)參數(shù)

河網(wǎng)密度，即單位流域面積上的河流長度，本文用研究區(qū)中河流總長與研究區(qū)面積之比得到.水面率，指河道(湖泊)多年平均水位上的水面積與區(qū)域總面積之比.CR 用于描述河網(wǎng)數(shù)量和長度的發(fā)育程度，其數(shù)值越大，說明該區(qū)域河網(wǎng)的構(gòu)成層次越豐富.SR 用河網(wǎng)長度和河道面積的比值來表示，長度和面積的不同步演變是由河網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化引起的，選取此指標(biāo)可定量描述一段時段內(nèi)河網(wǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度.

式中，Nc為河網(wǎng)等級數(shù);L 和Lm分別代表河流總長度和河網(wǎng)主干河長;SRt表示第t年時，河網(wǎng)在過去n年時間內(nèi)的穩(wěn)定程度;Lt、RAt和Lt-n、RAt-n分別代表第t年和第t-n年研究區(qū)河流總長度、河道總面積.SR 值大于1 表示河流長度發(fā)育大于面積發(fā)育，反之則表示河流面積發(fā)育強于長度發(fā)育.

2.2 連通性參數(shù)

景觀生態(tài)學(xué)中，河流廊道是重要的生態(tài)廊道之一.在河流廊道空間結(jié)構(gòu)特征的度量分析指標(biāo)中，河流廊道連通性對于河流水文調(diào)節(jié)、生物多樣性保護等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能有重大意義，景觀斑塊之間的水文連通是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中重要的驅(qū)動因素[13-16].本文借鑒景觀生態(tài)學(xué)中河流廊道連通性的分析方法，選取β 和γ指數(shù)來計算和評價研究區(qū)河流結(jié)構(gòu)的連通性[17-18]:

式中，Lc指河網(wǎng)中的河鏈數(shù)，N 指河網(wǎng)節(jié)點數(shù).β 在景觀生態(tài)學(xué)中是用來表示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中廊道與節(jié)點間通達程度，這里用于表示河網(wǎng)的通達度.γ 指數(shù)在景觀生態(tài)學(xué)中是用來度量廊道在空間上的連續(xù)程度，用網(wǎng)絡(luò)中實際的河鏈數(shù)與最大可能連接河鏈數(shù)之比得到，以便描述河網(wǎng)各結(jié)點被連接的程度.本文選取秦淮河中游平原區(qū)，利用ArcGIS 軟件對水系的河鏈與節(jié)點進行提取，從而得到不同時期的β、γ 值，以此分析研究區(qū)水系連通性的變化.

2.3 數(shù)據(jù)資料

在分析研究區(qū)土地利用變化中，本研究利用遙感影像進行下墊面特征的信息提取.選取1979、2006年2個時段具有代表性的Landsat TM 影像14 景，包括1979年7 景和2006年7 景，遙感影像的空間分辨率均為30 m.遙感影像經(jīng)過輻射校正、幾何校正、直方圖匹配、圖像拼接和裁切及圖像濾波和增強等一系列預(yù)處理工作，綜合多種遙感圖像分類算法，結(jié)合研究區(qū)的地物類型及影像光譜差異的特點和對研究區(qū)實地的考察分析，將土地類別分為旱地、城鎮(zhèn)用地、水田、水域和林草地5 大類別進行影像的解譯.

在對水系結(jié)構(gòu)的分析中，數(shù)據(jù)源為南京市1980s 1∶50000 紙質(zhì)地形圖、2009年1∶50000 電子地形圖和部分遙感影像.平原地區(qū)河網(wǎng)密布，河道縱橫，分級難度大，為此本文根據(jù)河流寬度進行分級，即河流寬度大于20 m 河道定為 1 級、10 ～ 20 m 為 2 級、10 m 以下為 3 級.在數(shù)字化中，1 級河道、湖泊、池塘作為面狀地物，其它河道作為線狀地物來處理，提取2 期地圖水系要素，得到1980s 和2009年水系圖(圖2).河道的面積由面狀河流與線狀河流面積構(gòu)成，線狀河流面積由其長度乘以其寬度得到，其中2、3 級河道的寬度分別取其平均值15 和5 m.

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用時空變化

隨著城市的擴張以及江寧區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，研究區(qū)下墊面的土地利用發(fā)生了較大的變化，較大面積的林草地轉(zhuǎn)化成城鎮(zhèn)用地(圖3).1979年林草地的面積達到242.26 km2，經(jīng)過將近30年的城市化發(fā)展，林草地面積銳減，到2006年僅為108.85 km2，面積減少133.41 km2，減少近55.07%.除林草地外，水田和旱地面積存在不同幅度的減少.水田、旱地面積在1979年分別為101.74、124.17 km2，到2006年分別減少到77.86、111.91 km2，減少了23.47%、9.87%.水域面積也存在一定幅度的減少.而城鎮(zhèn)用地面積則呈劇增的趨勢，1979年流域的城鎮(zhèn)面積只有17.2 km2，到2006年城鎮(zhèn)用地劇增到101.74 km2，相比于1979年增加了9 倍多.林草地、水田、旱地以及水域面積均在減少，城鎮(zhèn)用地面積卻大幅度增加.可以看出，30年的城市化發(fā)展侵占了大量林草地、耕地以及水域，這也是城市擴張的必然結(jié)果.

3.2 水系結(jié)構(gòu)及連通性變化

3.2.1 水系結(jié)構(gòu)變化 計算各水系參數(shù)，得到研究區(qū)1980s 和2009年的水系結(jié)構(gòu)特征:

1)河網(wǎng)密度下降，河道主干化.隨著城市化的發(fā)展，從1980s 到2009年，大部分水系指標(biāo)呈顯著下降趨勢.流域內(nèi)河流長度縮短了345.9 km，河網(wǎng)密度減少了41.18%(表1).隨著城市的擴張，人為進行填埋河道，使得河流的密度變疏.城市化程度越高，河流長度縮減的趨勢越明顯.河流長度的減少與流域內(nèi)低等級河流的大量消失有關(guān).水體面積增加了32.28 km2，相應(yīng)地水面率增加17.87%(表1).水面率的增加與郊區(qū)魚塘大量開挖以及主干河流河面拓寬有關(guān).

從1980s 到2009年，1 級河流長度縮減了58.9%，面積縮小了20.5%;2 級河流長度減少23.36 km，面積減少0.35 km2;3 級河流長度減少了171.46 km(表2).可以看出，低等級河流受城市化影響明顯，長度大量減少;高等級河流長度與面積也均減少，但面積減少的幅度少于長度，這主要由近20年人工渠道、閘、壩、堤防等水利工程建設(shè)所造成的，以秦淮河干流為例，1980s 河寬僅90 m，2009年已達到150 m.對于主干河流以下的同等級河流而言，城市化水平越高，河流的長度與面積減少得越多;對于不同等級河流，等級越低，受城市化影響越顯著，高等級河流受城市化影響較小.

圖2 1980s 和2009年研究區(qū)水系Fig.2 Stream systems of study area in 1980s and 2009

2)河網(wǎng)穩(wěn)定程度減弱.不同等級河流長度和面積的變化表現(xiàn)出不同步的狀況，3 級河流寬度較窄，長度與面積變化呈現(xiàn)出同步的狀況;1 級河流由于河流主干化，面積發(fā)育強于長度(表2).秦淮河總體的SR 值低于1，說明秦淮河河流長度的減少先于河道面積的減少，河流水系的穩(wěn)定度在減弱.從水利片來看(表3)，低度城市化區(qū)的穩(wěn)定度是最高的，穩(wěn)定度達到0.95，該區(qū)河流長度與面積的發(fā)育符合自然發(fā)展規(guī)律，受人類活動影響較小.而對于中度和高度城市化區(qū)，河流的穩(wěn)定度值就低很多，如秦淮河干流片、秦淮新河片穩(wěn)定度值只有0.45、0.43.總的來說，受城市化影響發(fā)育的由主干河道所支撐的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度在減弱.

圖3 秦淮河中、下游1979 和2006年土地利用/覆蓋狀況Fig.3 Land-use and coverage change in the mid-lower reaches of Qinhuai River in 1979 and 2006

表1 1980s 和2009年河網(wǎng)密度、水面率Tab.1 River density and water area rate in 1980s and 2009

表2 1980s 和2009年流域不同等級河流變化Tab.2 Changes of length and area of different grade rivers in 1980s and 2009

3)河網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡化.從總區(qū)域上來看(表3)，CR 在1980s年為18.50，到2009年下降到了14.11，下降了23.72%，河網(wǎng)復(fù)雜度下降，結(jié)構(gòu)簡化.各個水利片的河網(wǎng)復(fù)雜度均呈下降的趨勢，下降的幅度在空間上表現(xiàn)出不均衡性.下降最快的是高度城市化區(qū)的外港河片，下降幅度達62.10%;中度城市化區(qū)的章村片、秦淮河干流片、秦淮河北支片，低度城市化區(qū)的云臺山片，下降幅度均超過40%.總的看來，城市化水平越高，河網(wǎng)復(fù)雜度下降越明顯.高度城市化區(qū)河網(wǎng)復(fù)雜度下降最快，下降達50%，絕大部分中度城市化區(qū)和低度城市化區(qū)的水利片復(fù)雜度下降也都超過25%.城市化的影響下，河網(wǎng)主干化趨勢明顯，支撐主干河道的支流水系越發(fā)薄弱，河網(wǎng)的數(shù)量及長度的發(fā)育呈現(xiàn)弱化趨勢，構(gòu)成層次越發(fā)簡化，河網(wǎng)水系發(fā)育呈現(xiàn)出由多元到單一、由復(fù)雜到簡單的變化趨勢.

表3 研究區(qū)不同水利片1980s 和2009年水系結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Parameters of river system structure in different zones of study area in 1980s and 2009

表4 不同時期研究區(qū)連通各參數(shù)Tab.4 Parameters of river connectivity in study area in 1980s and 2009

3.2.2 水系連通性變化 研究區(qū)河鏈和節(jié)點數(shù)均大幅減少，河鏈數(shù)在1980s 達915條，到2009年減少到不足97，減少率高達89.4%;節(jié)點數(shù)也由1980s 的713 個減少到2009年的123 個(表4).城市擴張，大量支流小河道被填埋消失，這些低等級河流的消亡在地圖上表現(xiàn)為河鏈數(shù)的減少，同時引起節(jié)點數(shù)的減少.相應(yīng)地，河鏈密度由1980s年的 7.77 下降到 2009年的 0.82.這與3.2.1 中提到河網(wǎng)密度減少相一致.而河鏈平均長度卻呈現(xiàn)出增加的趨勢，這與河流主干化密切相關(guān).低等級河流大量消亡，高等級河流卻不斷進行拓寬維護，使得這一數(shù)值由原來的0.27 上升到2009年的1.05.由此可見，這些指標(biāo)也同時反映了河流結(jié)構(gòu)的變化情況.

城市化對河流水系的連通性影響顯著，廊道的連接率明顯下降，由1980s 的1.28 下降到2009年的0.79，說明廊道與各節(jié)點之間的通達能力在減弱，河道之間不再暢通.同時，實際結(jié)合度也同樣呈現(xiàn)下降的趨勢，1980s 為0.43，2009年則下降到0.26，河流之間空間上的連續(xù)程度在下降.隨著城市的擴張，原來的一些小河道被填埋變成城鎮(zhèn)用地，小河道逐漸消失，大河道與小河道之間不再連通.原來縱橫交錯的河網(wǎng)連通性變差，以城市化為代表的人類活動影響了河流水系結(jié)構(gòu)及連通性，使得河系的連通性降低.河流連通性的下降使得流域洪災(zāi)風(fēng)險加大，嚴(yán)重制約著社會經(jīng)濟的發(fā)展.

4 結(jié)論與展望

1)由土地利用分析得出，城市化對流域的土地利用/覆被變化影響顯著.城鎮(zhèn)用地面積劇增，大量非城鎮(zhèn)用地變成城鎮(zhèn)用地，南京江寧區(qū)的城市擴張以占用林草地、耕地以及水域為主.

2)低等級河流受人類活動影響較高等級河流更大，大量低等級河流因城市化的發(fā)展而填埋、消失，而主干河流所受的影響主要體現(xiàn)在河道拓寬.城市的發(fā)展的同時，河網(wǎng)的穩(wěn)定程度減弱.空間上講，穩(wěn)定程度與城市化程度的高低呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.城市化水平越高，河網(wǎng)復(fù)雜度下降越明顯，河網(wǎng)的構(gòu)成層次越簡化，發(fā)育呈由復(fù)雜到簡單的趨勢.

3)河流連通的變化體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的變化，大量支流的消失，引起研究區(qū)河鏈和節(jié)點數(shù)均大幅減少，導(dǎo)致廊道的連接率和實際結(jié)合度值亦下降66.4%、67.1%，連通性明顯降低，流域的防洪壓力加大.

由于平原水網(wǎng)地區(qū)，河流流向不定，基于圖論采用景觀生態(tài)學(xué)的指標(biāo)，能較好地反映平原河網(wǎng)的實際情況，具有一定的指導(dǎo)意義.但在汛期，河網(wǎng)連通情況還受閘門與泵站調(diào)度影響，因此具有一定的局限性.城市化對河流水系結(jié)構(gòu)及其連通性的影響是一個復(fù)雜的過程，從河流地貌學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)的角度，選取一些典型指標(biāo)來表征水系結(jié)構(gòu)及其連通性，為兩者之間關(guān)系定量化描述提供一些參考，為以后深入研究打下基礎(chǔ).本文的研究只是一個初步結(jié)果，如何更加全面地開展平原水網(wǎng)地區(qū)河流水系與連通性變化規(guī)律研究，還有待進一步探索分析.

[1]許有鵬.長江三角洲地區(qū)城市化對流域水系與水文過程的影響.北京:科學(xué)出版社，2012:13-35.

[2]楊 凱，袁 雯，趙 軍等.感潮河網(wǎng)地區(qū)水系結(jié)構(gòu)特征及城市化響應(yīng).地理學(xué)報，2004，59(4):557-564.

[3]袁 雯，楊 凱，徐啟新.城市化對上海河網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能的發(fā)育影響.長江流域資源與環(huán)境，2005，14(2):133-138.

[4]程 江，楊 凱，趙 軍等.上海中心城區(qū)河流水系百年變化及影響因素分析.地理科學(xué)，2007，27(1):85-91.

[5]蘇偉忠，楊桂山.太湖流域南河水系無尺度結(jié)構(gòu).湖泊科學(xué)，2008，20(4):514-519.

[6]王柳艷，許有鵬，余銘婧.城鎮(zhèn)化對太湖平原河網(wǎng)的影響——以太湖流域武澄錫虞區(qū)為例.長江流域資源與環(huán)境，2012，21(2):151-156.

[7]黃奕龍，王仰麟，劉振環(huán)等.快速城市化地區(qū)水系結(jié)構(gòu)變化特征.地理研究，2008，27(5):1212-1220.

[8]陳云霞，許有鵬，付維軍.浙東沿海城鎮(zhèn)化對河網(wǎng)水系的影響分析.水科學(xué)進展，2007，18(1):68-73.

[9]唐傳利.關(guān)于開展河湖連通研究有關(guān)問題的探討.中國水利，2011，6:86-89.

[10]夏 軍，高 揚，左其亭等.河湖水系連通特征及其利弊.地理科學(xué)進展，2012，31(1):26-31.

[11]李宗禮，劉曉潔，田 英等.南方河網(wǎng)地區(qū)河湖水系連通的實踐與思考.資源科學(xué)，2011，33(12):2221-2225.

[12]張歐陽，熊 文，丁洪亮.長江流域水系連通特征及其影響因素分析.人民長江，2010，(1):1-5.

[13]Junk WJ，Bayley PB，Sparks RE.The flood pulse concept in river-floodplain systems.In:Dodge DP ed.Proceedings of the International Large River Symposium.Canadian Special Publication in Fisheries and Aquatic Sciences，1989，106:110-127.

[14]Amoros C，Bornette G.Connectivity and biocomplexity in waterbodies of riverine floodplains.Freshwater Biology，2002，47(4):761-776.

[15]Pringle C.What is hydrologic connectivity and why is it ecologically important?Hydrological Processes，2003，17(13):2685-2689.

[16]Thorp JH，Thoms MC，Delong MD.The riverine ecosystem synthesis:biocomplexity in river networks across space and time.River Research and Applications，2006，22:123-147.

[17]何曉蓉，李輝霞，范建容等.青藏高原流域廊道體系對生態(tài)環(huán)境的影響.水土保持研究，2004，11(2):97-99.

[18]羅 坤，蔡永立，郭紀(jì)光等.崇明島綠色河流廊道景觀格局.長江流域資源與環(huán)境，2009，18(10):908-913.