蘇南地區(qū)快速城鎮(zhèn)化對水系變化的影響研究

張 鵬 張倩玉 施紅怡 丁 虎

（1.江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室，江蘇 南京 210029；2.南京大學地理與海洋科學學院，江蘇 南京 210023；3.江蘇省水利廳，江蘇 南京 210029）

近年來，我國城市化快速發(fā)展，經(jīng)濟水平不斷提高，人口、產(chǎn)業(yè)高度集聚，對資源、環(huán)境的需求日趨增長，給自然環(huán)境帶來了沉重的壓力。城市化發(fā)展使得下墊面不透水面大量增加，尤其在河網(wǎng)密布的平原河網(wǎng)地區(qū)，出現(xiàn)了“與水爭地”的局面，城市擴張使得眾多湖泊水系衰減，甚至消亡，嚴重破壞了區(qū)域水系結(jié)構(gòu)，影響區(qū)域水生態(tài)環(huán)境的平衡，制約社會、經(jīng)濟的發(fā)展［1］。各地洪澇災害頻發(fā)，水環(huán)境問題加劇造成巨大的社會損失及經(jīng)濟損失，而水系衰減與洪澇和水環(huán)境問題直接相關(guān)。因此，有必要對河流水系進行研究，尋求水系變化的規(guī)律，分析城鎮(zhèn)化對區(qū)域水系結(jié)構(gòu)的影響，以盡量減少在城鎮(zhèn)化過程中對河流水系產(chǎn)生的負面影響，維持河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)原有的健康面貌。

關(guān)于城鎮(zhèn)化對水系變化的影響，國內(nèi)外已開展一些研究分析。陳云霞等［2］以寧波鄞東南平原為例，探討了城鎮(zhèn)化發(fā)展對河網(wǎng)水系的影響，提出隨著城鎮(zhèn)化水平不斷提高，河網(wǎng)結(jié)構(gòu)趨于簡單化、主干化，河網(wǎng)水系的變化使得河網(wǎng)的調(diào)蓄能力下降，對區(qū)域行洪排澇產(chǎn)生了影響。袁雯等［3］通過對上海市河流水系結(jié)構(gòu)的研究，提出城市化是影響城市地區(qū)河流結(jié)構(gòu)發(fā)育的主導因素，城市化使得河網(wǎng)長度發(fā)育能力弱化、河網(wǎng)結(jié)構(gòu)趨于簡單化等。孟飛等［4］以上海浦東新區(qū)為例，對城市化下河流水系結(jié)構(gòu)進行時空動態(tài)分析，研究表明，在2000～2003年間浦東新區(qū)河網(wǎng)水系銳減，河網(wǎng)結(jié)構(gòu)向簡單化發(fā)展，并且水系結(jié)構(gòu)和數(shù)量的變化有著顯著的區(qū)域差異。國外相關(guān)研究偏向于土地利用變化、城市化、水利工程建設等人類活動對河道或河流形態(tài)產(chǎn)生的影響［5，6］。

筆者以城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的蘇南地區(qū)為例，通過對本地區(qū)不同年代河網(wǎng)水系數(shù)量及結(jié)構(gòu)的對比研究，分析蘇南地區(qū)快速城鎮(zhèn)化對河流水系的影響，為本地區(qū)制定河流保護對策和水系規(guī)劃提供支撐。

1 區(qū)域概況

蘇南地區(qū)即江蘇南部地區(qū)，地處長江三角洲的中心區(qū)域，是我國城鎮(zhèn)化發(fā)展最快、人口最為密集、經(jīng)濟水平最高的地區(qū)之一，城鎮(zhèn)化率超過70%。由于近年來蘇南地區(qū)城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，經(jīng)濟水平不斷提高，對本地自然環(huán)境產(chǎn)生了沉重壓力，尤其是在城鎮(zhèn)化過程中，侵占水域、改造河流水系等嚴重破壞了本地區(qū)的河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)，加劇了區(qū)域的水資源、水環(huán)境問題。

為便于研究，本文根據(jù)水利分區(qū)及行政分區(qū)情況，研究區(qū)選取位于武澄錫虞區(qū)的常州市轄區(qū)、無錫市轄區(qū)、江陰市和張家港市，位于陽澄淀泖區(qū)的蘇州市轄區(qū)、昆山市、吳江市、太倉市、常熟市。其行政區(qū)劃屬于蘇州、無錫、常州三市，地處太湖流域腹部區(qū)，該區(qū)地勢平坦，河網(wǎng)縱橫交錯，水系情況復雜，是典型的平原河網(wǎng)區(qū)。研究區(qū)概況見圖1。

圖1 研究區(qū)概況圖

2 不同城市化發(fā)展階段水系結(jié)構(gòu)變化分析

筆者選取1980年城市化發(fā)展初期、2010年城市化穩(wěn)步發(fā)展時期這兩個城市化典型階段的下墊面河流水系資料進行城市化背景下水系結(jié)構(gòu)變化特征的研究和分析。

2.1 水系結(jié)構(gòu)指標的選取及計算

河網(wǎng)密度（DR）、水面率（Wp）分別表示單位面積的河流長度和水面積，反映水系的數(shù)量特征。支流發(fā)育系數(shù)（K）表示河流支流的發(fā)育程度，其值越小，反映河流的主干化趨勢越明顯，反映水系的結(jié)構(gòu)特征。因此，選用河網(wǎng)密度、水面率、支流發(fā)育系數(shù)能夠從數(shù)量和結(jié)構(gòu)上充分揭示水系變化的特征［7］，具體計算方法如式（1）和式（2）所示。

式中：

L—區(qū)域內(nèi)河流總長度；

A—區(qū)域總面積；

AW—區(qū)域內(nèi)主干河流與湖泊的總面積；

LS—支流總長度；

Lm—干流總長度。

水系指標計算的數(shù)據(jù)源為武澄錫虞和陽澄淀泖兩個水利分區(qū)的1980年的1∶50000 紙質(zhì)地形圖和2010年電子地形圖，其中，紙質(zhì)地形圖經(jīng)數(shù)字化后可提取水系數(shù)據(jù)，電子地形圖需結(jié)合遙感解譯分析和水利普查資料進行水系的核對校正。最后，通過Arc GIS 建立1980年和2010年研究區(qū)水系空間信息數(shù)據(jù)庫，以便于水系指標的處理與計算。為計算支流發(fā)育系數(shù)與干流面積長度比，需對河流水系進行分級處理，其中，干流為實際寬度大于20 m 的河道，支流為實際寬度小于20 m 的河道。

2.2 不同城市化階段研究區(qū)水系變化特征分析

對研究區(qū)各縣市進行1980年、2010年兩個典型時期水系結(jié)構(gòu)指標的計算，從時間和空間上分析河流水系數(shù)量和結(jié)構(gòu)的變化特征。

2.2.1 研究區(qū)河流水系數(shù)量的變化特征

研究區(qū)各縣市2010年相比1980年河網(wǎng)密度與水面率均呈現(xiàn)下降的趨勢（見表1）。從河網(wǎng)密度上看，1980年河網(wǎng)密度最大的地區(qū)為太倉、昆山、常熟與張家港，這些縣市的河網(wǎng)密度均超過4 km/km2。然而到了2010年，河網(wǎng)密度超過4 km/km2的地區(qū)僅有太倉與常熟，分別為4.9 km/km2，4.09 km/km2。1980年河網(wǎng)密度超過4 km/km2的昆山和張家港其河網(wǎng)密度在2010年分別下降到3.8 km/km2及3.79 km/km2。從1980～2010年河網(wǎng)密度的下降幅度上看，蘇州市轄區(qū)、無錫市轄區(qū)、常州市轄區(qū)、昆山和吳江的河網(wǎng)密度下降幅度超過10%，尤其是無錫市轄區(qū)與常州市轄區(qū)河網(wǎng)密度下降的幅度分別達25.79%和35.25%。與其他地區(qū)相比，太倉的河網(wǎng)密度減少的幅度較少，僅為2%。從水面率上看，1980年水面率最大的地區(qū)為吳江、昆山、常熟、蘇州市轄區(qū)，水面率均超過10%。到了2010年，水面率最大的區(qū)域仍然是這四個地區(qū)，除蘇州市轄區(qū)的水面率降到9.6%外，其他三個地區(qū)水面率仍然超過10%。從1980～2010年水面率的下降幅度上看，各地區(qū)水面率下降均超過7%，下降幅度較為顯著，尤其是蘇州市轄區(qū)、無錫市轄區(qū)、常州市轄區(qū)、昆山、江陰水面率下降幅度均超過15%。

表1 不同時期研究區(qū)各縣市水系指標

在空間尺度上，蘇州市轄區(qū)、無錫市轄區(qū)與常州市轄區(qū)均屬于蘇南地區(qū)城市化水平較高的地區(qū)，這些地區(qū)河網(wǎng)密度與水面率減少的幅度較大，水系衰減程度較為嚴重，而太倉、常熟與這些市轄區(qū)相比，城鎮(zhèn)化水平較低，其河網(wǎng)密度和水面率下降幅度較小。因此，城鎮(zhèn)化與水系數(shù)量在空間尺度上呈現(xiàn)一定的負相關(guān)關(guān)系。

2.2.2 研究區(qū)河流水系結(jié)構(gòu)的變化特征

1980年支流發(fā)育系數(shù)最大的地區(qū)為太倉、張家港，分別為8.65、8.35，到了2010年支流發(fā)育系數(shù)最大的地區(qū)仍是太倉與張家港，其中，太倉的支流發(fā)育系數(shù)大幅增加，張家港的支流發(fā)育系數(shù)減少到7.5。從整體上看，1980～2010年，除太倉外，各縣市支流發(fā)育系數(shù)均減少，減少幅度最大的地區(qū)為蘇州市轄區(qū)、無錫市轄區(qū)、常州市轄區(qū)、昆山和吳江。支流發(fā)育系數(shù)越小反映河流水系主干化趨勢越強，根據(jù)支流發(fā)育系數(shù)計算公式并結(jié)合該地區(qū)河網(wǎng)密度大幅度減少的實際，說明河流發(fā)育系數(shù)減少的主要原因是河流支流數(shù)量的大量減少，水系結(jié)構(gòu)整體趨于簡單化。太倉的支流發(fā)育系數(shù)增加了28.79%，但其河網(wǎng)密度卻整體減少了2%。從數(shù)量上看，太倉的河網(wǎng)密度減少幅度較小，即干流與支流的總長度變化不大，這主要是大量開挖人工溝渠使干流總長度增加，人工填埋和支流自然衰減使支流總長度減少所致，因此，雖然太倉的支流發(fā)育系數(shù)增長，但由于其干流增加的長度與支流減少的長度相抵消，故導致河網(wǎng)密度總體上變化較小。

2.2.3 研究區(qū)水系指標變化同步性分析

在對研究區(qū)各縣市水系指標進行分析時，發(fā)現(xiàn)各指標的變化率有顯著的一致性，各指標的變化率之間具有一定的相關(guān)關(guān)系。對1980～2010年河網(wǎng)密度變化率、水面率變化率與支流發(fā)育系數(shù)變化率兩兩進行雙變量相關(guān)分析，得出以下結(jié)果：（1）河網(wǎng)密度的變化率與水面率變化率在0.01水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達0.852。（2）河網(wǎng)密度變化率與支流發(fā)育系數(shù)變化率在0.05 水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達0.688。（3）支流發(fā)育系數(shù)變化率與水面率變化率不具有顯著相關(guān)性。

相關(guān)分析結(jié)果表明，河網(wǎng)密度與水面率的變化具有同步性，研究區(qū)各縣市河網(wǎng)密度與水面率的減少幅度一致。河網(wǎng)密度變化率與支流發(fā)育系數(shù)變化顯著相關(guān)，呈現(xiàn)正相關(guān)性，即河網(wǎng)密度減少越多，支流發(fā)育系數(shù)減少越多，說明水系總長度的減少主要是支流的大量消失造成的。

3 研究區(qū)城鎮(zhèn)化對水系結(jié)構(gòu)的影響分析

蘇南地區(qū)作為城鎮(zhèn)化最為劇烈的地區(qū)之一，無論是人口、經(jīng)濟還是城鎮(zhèn)用地面積在近幾十年里均急劇增長。在城鎮(zhèn)化過程中，通過占用水域來滿足城市的快速發(fā)展，以及人為地對水系進行改造或?qū)χЯ鬟M行填埋，以滿足城鎮(zhèn)建設的需要，使得水系數(shù)量銳減，水系結(jié)構(gòu)破壞，削弱了天然河流水系之間的連通性，對調(diào)蓄、生態(tài)凈化等河流的功能產(chǎn)生嚴重影響。為了考察不同城鎮(zhèn)化水平對河流水系的影響，需根據(jù)不同城鎮(zhèn)化水平對研究區(qū)進行分區(qū)。筆者通過計算土地城鎮(zhèn)化率即城鎮(zhèn)用地面積占區(qū)域總面積的比值來衡量城鎮(zhèn)化水平，其中，城鎮(zhèn)用地面積為2010年Landsat TM 遙感影像解譯結(jié)果，各地區(qū)城鎮(zhèn)化率如表2 所示。蘇州市轄區(qū)、無錫市轄區(qū)、常州市轄區(qū)城鎮(zhèn)化率分別為57.76%、49.94%、58.15%，而各縣級市城鎮(zhèn)化率均低于40%。因此，根據(jù)城鎮(zhèn)化率計算結(jié)果將這9 個行政單元分為高度城鎮(zhèn)化區(qū)與中度城鎮(zhèn)化區(qū)，其中，高度城鎮(zhèn)化區(qū)由蘇州市轄區(qū)、無錫市轄區(qū)、常州市轄區(qū)組成，中度城鎮(zhèn)化區(qū)為各縣級市，包括張家港、太倉、昆山、吳江、常熟、江陰。

分別計算高度城鎮(zhèn)化區(qū)與中度城鎮(zhèn)化區(qū)的河網(wǎng)密度平均減少率、水面率平均減少率及支流發(fā)育系數(shù)平均減少率，如圖2 所示。對于河網(wǎng)密度平均減少率，高度城鎮(zhèn)化區(qū)為24.65%，中度城鎮(zhèn)化區(qū)僅為9.55%；對于水面率平均減少率，高度城鎮(zhèn)化區(qū)為25.27%，中度城鎮(zhèn)化區(qū)為11.26%；對于支流發(fā)育系數(shù)，高度城鎮(zhèn)化區(qū)為24.28%，中度城鎮(zhèn)化區(qū)為11.57%。這說明蘇南地區(qū)的高度城鎮(zhèn)化區(qū)河網(wǎng)密度、水面率和支流發(fā)育系數(shù)減少比中度城鎮(zhèn)化區(qū)更顯著，即高度城鎮(zhèn)化區(qū)河流水系數(shù)量減少更多，水系結(jié)構(gòu)更為簡單化、主干化。

表2 各縣市城鎮(zhèn)化率

圖2 不同城鎮(zhèn)化區(qū)水系結(jié)構(gòu)指標變化對比圖

4 結(jié)論

筆者通過對蘇南地區(qū)1980年與2010年河流水系數(shù)量及結(jié)構(gòu)進行時空分析研究，得出以下結(jié)論：

（1）1980～2010年，蘇南地區(qū)各縣市河網(wǎng)密度與水面率均下降，除太倉外，其余地區(qū)的支流發(fā)育系數(shù)均下降。其中，蘇州市轄區(qū)、無錫市轄區(qū)、常州市轄區(qū)等這些城鎮(zhèn)化水平較高地區(qū)的河網(wǎng)密度、水面率及支流發(fā)育系數(shù)下降幅度最大。

（2）蘇南地區(qū)河網(wǎng)密度的減少與水面率的減少具有同步性，城鎮(zhèn)化對河網(wǎng)密度與水面率的影響程度一致。河網(wǎng)密度減少與支流發(fā)育系數(shù)減少具有同步性，表明蘇南地區(qū)的水系數(shù)量減少，主要源于支流的大量消失。

（3）在1980～2010年的蘇南地區(qū)，相比于中度城鎮(zhèn)化地區(qū)，高度城鎮(zhèn)化地區(qū)城鎮(zhèn)化對河流水系的影響程度更顯著。

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