基于GIS的婁底市河流廊道寬度確定方法研究

程燦輝 許乙青

(湖南大學(xué) 湖南 長沙 410000)

基于GIS的婁底市河流廊道寬度確定方法研究

程燦輝 許乙青

(湖南大學(xué) 湖南 長沙 410000)

根據(jù)河流廊道的特征和結(jié)構(gòu)，研究河流廊道寬度確定方法；以湖南省婁底市為例，根據(jù)100年一遇的洪水淹沒范圍、行洪斷面和現(xiàn)有堤防范圍，綜合確定河道和河漫灘寬度，硬化的河道部分寬度被嚴重縮小，因此需大致確定其自然河道范圍，采用GIS分析硬化河道緩沖帶和整條河流自然河道緩沖帶，對兩者進行特征比較，選出與硬化河段特征大致相同的自然河道緩沖帶，通過剖面大致確定硬化河道自然邊界；同時，根據(jù)河流廊道不同的特征和問題以及土地利用情況，將河流廊道分成3段，以500m一個單位，將各段河流分成若干段，通過CAD建立每點的剖面圖和高層數(shù)據(jù)，以GIS緩沖分析和寬度與坡度關(guān)系式的結(jié)合確定各個單位河岸帶點的位置，連接各點得出河岸帶的位置，以緩沖區(qū)為界，超出的點可省略。

河流廊道；寬度；GIS定量分析；土地利用

隨著社會的發(fā)展，城市的生態(tài)環(huán)境受到嚴重破壞，城市內(nèi)水體污染嚴重，河流大面積被填埋，整體河流廊道受到人為干預(yù)和破壞，尤其在城市中心區(qū)段。河流廊道的建立，可以保護洪乏區(qū)以及濱河濕地，提高河流的洪水調(diào)蓄能力；對水生和濱水棲息地生物有恢復(fù)和保護作用；對水質(zhì)的保護，以及可控制泥沙和農(nóng)業(yè)區(qū)的面源污染；提高環(huán)境的舒適性和休閑娛樂價值。但這些功能的實現(xiàn)都需要給予河流廊道一定的寬度，才能更好的發(fā)揮。

一、河流廊道的概念

河流廊道的概念出于景觀生態(tài)學(xué)理論。Forman主要從空間結(jié)構(gòu)來定義，認為河流廊道是指沿河流分布而不同于基質(zhì)的植被帶；從河流廊道的功能和價值方面，Gardiner和Cole認為河流廊道是河流及因河流的存在而具有現(xiàn)有的或者潛在價值的土地，價值包括休閑娛樂、自然資源的保護和環(huán)境的友好等；從河流廊道的連續(xù)性方面，Petersen認為河流與周圍之間的地帶，稱為河岸帶或緩沖帶，流域有一定長度時，才得稱為河流廊道。河流廊道的定義較多。本文綜合各個對河流廊道的定義，針對研究主題，將河流廊道定義為：由河岸帶、河道和河漫灘組成，具有一定連續(xù)性和寬度的線性廊道。

二、河流廊道的結(jié)構(gòu)組成和功能

(一)河流廊道的結(jié)構(gòu)組成

從景觀生態(tài)學(xué)的角度研究，河流廊道的結(jié)構(gòu)主要由五部分組成：河道、河漫灘、邊坡、河堤，部分高地。

河流廊道有著各種各樣的形態(tài)，但是大部分的河流廊道由三部分組成：河道、河漫灘和河岸帶。河流廊道的寬度主要由這三部分決定，河道和河漫灘的寬度決定著其對洪水的緩沖能力，河岸帶(也叫河岸植被帶)的寬度決定著是否能形成足夠的內(nèi)部環(huán)境，為陸生動物提供遷徙通道，這也決定著物種的豐富度。并且在一定程度上能截留污染物。

(二)河流廊道的功能

城市河流廊道總體來說具備兩大塊的功能，一個社會廊道功能，另一個自然廊道功能。從社會廊道功能出發(fā)分析，它包括經(jīng)濟、歷史文化遺產(chǎn)、景觀等功能，景觀功能可表現(xiàn)為城市中的濱水公共空間可以給城市民眾提供休閑娛樂場地，歷史文化遺產(chǎn)功能表現(xiàn)為城市的歷史往往也反應(yīng)河流歷史，城市河流兩岸往往也坐落著歷史性的建筑和古跡，另外對于經(jīng)濟功能來說，濱水住宅、休閑商業(yè)場所、娛樂文化等大大的促進了城市的經(jīng)濟發(fā)展。

從自然廊道功能分析， 首先，河岸帶對城市熱島效應(yīng)有一定的抑制作用，植被通過蒸騰作用調(diào)節(jié)周圍小氣候，這稱之為氣候調(diào)節(jié)功能。河岸帶對水凈化、水土流失、降低噪聲污染等有著明顯的效益，這可稱之為其防護功能。地下水的補給、保持河流流量、對污染物的截留和凈化，以及養(yǎng)分循環(huán)，這叫做河流廊道的物質(zhì)功能。對河流的防洪是每一個濱水城市必做的一項措施，而河流廊道中的河岸帶對城市的防洪起著重要的作用，這稱為河流廊道的防洪功能。

河流廊道的功能還有很多，如維持生物多樣性，農(nóng)田灌溉等，從核心來講河流廊道功能主要是社會廊道功能和自然廊道功能。這些功能的發(fā)揮都與河流廊道的寬度息息相關(guān)，如果沒有適當?shù)膶挾龋@些功能也不能得到很好的發(fā)揮。因此河流廊道寬度的合理確定也應(yīng)成為一個重要的研究內(nèi)容。

三、河流廊道寬度確定現(xiàn)狀研究

就目前來說，關(guān)于定量確定河流廊道寬度的方法很少，因為涉及到眾多的因素，比如鄰近河流的土地利用狀況、水質(zhì)狀況、周邊植被生長狀況、土壤地質(zhì)狀況等，因此要將其量化需要花費大量的精力。

目前要確定河流廊道各部分的寬度，主要根據(jù)其所承載的各種功能綜合確定，由于河道和河漫灘內(nèi)部密切的水文和生物聯(lián)系，是一個不可分割的部分，所以將其看作一個整體，共同確定其寬度。另一部分則是河岸帶寬度的確定。這一部分寬度的確定較為靈活和復(fù)雜，大部分對其范圍的確定只是通過經(jīng)驗，沒有一個統(tǒng)一的計算標準，并且，針對不同的河流廊道和周邊環(huán)境等因素有不同的確定方法。

(一)河道和河漫灘的寬度確定方法

河道和河漫灘的主要功能是，水生和濕地生物的保護以及對洪水的控制。寬度可根據(jù)行洪要求和天然河道的游蕩范圍較明確的確定，通常通過洪水分析或者采用現(xiàn)有的標準，主要有：通過100年一遇的洪水淹沒范圍、當?shù)胤篮橐?guī)劃確定的行洪斷面、現(xiàn)有堤防范圍和恢復(fù)天然游蕩河道所需要的范圍等。

本文的案例中中心區(qū)段的河道完全被硬化，現(xiàn)有河道邊界遠小于自然邊界，因此需要借助GIS分析，首先分析出硬化段河流的緩沖區(qū)，同時也建立河流自然段的緩沖區(qū)，通過對比分析，大致確定硬化段河流的邊界。

(二)河岸帶寬度確定方法

第一種方法是基于數(shù)學(xué)模型的河岸緩沖帶寬度確定方法，主要有河岸帶生態(tài)管理模型(簡稱REMM)；農(nóng)田管理系統(tǒng)化合物、徑流及侵蝕模型(簡稱CREAMS)；植被過濾帶模型(簡稱VFSMOD)。

河岸帶生態(tài)管理模型需要四類數(shù)據(jù)才能運行，分別是河岸帶土壤數(shù)據(jù)、氣候數(shù)據(jù)、田間數(shù)據(jù)以及植被數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)加上若干指標可以模擬河岸緩沖帶的水文特征，不同緩沖帶的寬度、坡度、土壤和植被類型對水質(zhì)的影響；所以，當植被土壤類型和坡度大小固定時，可通過REMM模型的模擬找到最優(yōu)的緩沖帶寬度。

農(nóng)田管理系統(tǒng)化合物、徑流及侵蝕模型是在20世紀70年代由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究所建立的，是基于田塊尺度的模型，它主要包括三個模塊：水文模塊、侵蝕模塊和化合物模塊，水文模塊根據(jù)降雨量計算徑流量，進而通過水文模型輸出的結(jié)果和降雨量的大小、土壤可蝕性計算侵蝕模塊的侵蝕量，最后結(jié)合前兩者輸出的結(jié)果及化合物的特性估算化合物模塊的化合物流失量，三者是相互聯(lián)系相互作用的過程。該模型根據(jù)植被、土壤和降雨的特征，結(jié)合它的三個模型來模擬田塊的徑流、侵蝕和農(nóng)用化合物流失過程，評價不同耕作措施對面源污染負荷的影響，以此來確定河岸緩沖帶寬度和污染物去除率之間的關(guān)系。

植被過濾帶模型是計算河岸緩沖帶對坡面地表徑流中泥沙凈化效果的數(shù)學(xué)模型，該模型能夠計算緩沖帶的出流水量、下滲水量和泥沙截留效果。不同寬度的緩沖帶泥沙過濾效果不一樣。

上述方法都是基于物理過程的模擬模型，模擬整個污染物沉積的過程，從而推出對于預(yù)期污染物去除效率所需要的河岸緩沖帶寬度。

第二種方法基于回歸方程的應(yīng)用，定量確定河岸帶寬度，主要有Phillips水文模型、Phillips時間模型、Nieswand模型、Mander模型、SWAT模型。Phillips水文模型只考慮河岸帶攔截地標徑流中的沉積物和污染物的物理過程，除污效率低；Phillips時間模型綜合考慮了地表徑流和地下徑流的水文過程，既考慮了攔截吸附等物理過程，也考慮土壤微生物的化學(xué)效率，除污效果較好。Nieswand模型主要考慮寬度與坡面坡度關(guān)系，當坡度大于15%時，緩沖帶寬度需要加寬。Mander模型的計算，很大成分偏向經(jīng)驗，比如模型中的坡長因子，就是一個純粹的經(jīng)驗值。SWAT模型需經(jīng)過現(xiàn)場實測，并用實測數(shù)據(jù)校正不同植被、寬度和坡度下回歸方程中的變化常數(shù)、寬度變化指數(shù)和坡度變化指數(shù)。

另外還有夏繼紅等總結(jié)的統(tǒng)計回歸模型計算法、動態(tài)基質(zhì)的數(shù)學(xué)模型計算法以及綜合優(yōu)化模型計算法，通過建立河岸帶寬度和坡度、氮素、坡面流速和時間、泥沙沉降速度等因素的數(shù)學(xué)關(guān)系式，以定量的方式確定河岸帶寬度。

第三種方法是基于GIS的分析方法，通過建立流域內(nèi)的水文、地形、土壤特征、土地利用和土地覆蓋信息數(shù)據(jù)庫等一系列數(shù)據(jù)，以上述回歸方程為模型，把模型需要的數(shù)據(jù)疊加到同一個圖層上，用GIS得出緩沖帶寬度，然后把矢量轉(zhuǎn)化成柵格形式得到河岸帶范圍。這種方法目前的運用較少，GIS定量計算河岸帶寬度的方法逐漸成為重要的工具，并且針對不同的環(huán)境和條件，GIS的運用也不同。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，運用GIS定量分析和定量公式結(jié)合，研究婁底市河流廊道河岸帶的寬度問題。同時針對婁底市河流的問題和現(xiàn)狀，確定河岸帶寬度的方法。主要的創(chuàng)新點在于先用GIS確定河岸帶的緩沖區(qū)，再結(jié)合Mayer等針對河岸帶的坡度和寬度的定量公式，算出所選點的河岸帶寬度，以緩沖區(qū)作為最大控制范圍，連接各個點得出河岸帶邊界。

四、婁底市河流廊道寬度確定研究

(一)研究區(qū)概況

婁底市位于湖南省中部，其地理位置東經(jīng)110°45′40″～112°31′05″,北緯27°12′28″～ 28°14′27″。轄區(qū)總面積為8117 km2，婁底市區(qū)位于市域東部。

婁底市境內(nèi)河流密布，水系較多，主要河流有：東部漣水河，為湘江中游一大支流，源于新邵觀音山，自西向東，流經(jīng)漣源市、婁星區(qū)、雙峰縣，經(jīng)湘鄉(xiāng)至湘潭縣河口入湘江，境內(nèi)全長85.85 km，沿途納孫水河、湄江河、測水河等1～4級支流89條，控制流域面積3906 km2。西部資水河，由南向北，流經(jīng)冷水江、新化，經(jīng)安化柘溪，過益陽注入洞庭湖，貫穿境內(nèi)西半部，境內(nèi)流程112 km，有1～4級支流100條，控制流域面積3985 km2。

根據(jù)婁底市水系概況可知，婁底境內(nèi)的主干河流(或稱為一級河流)為漣水河，由西向東橫跨婁底市市區(qū)，它是婁底市最具有代表性的河流廊道，因此，以漣水河為研究對象，確定其河流廊道寬度計算的方法。

根據(jù)3中所述，將整個河流廊道寬度分成兩部分來確定，以河道和河漫灘作為一部分，河岸帶作為另外一部分來研究。

(二)確定河道和河漫灘寬度的方法

河道也稱為河床，是指河流流經(jīng)的路線，它的寬度就是自然河流兩邊邊界點的長度，但是婁底市河流的某些河段被填過，導(dǎo)致有些河段并不是自然河流的寬度，尤其在土地價值較大的地方，如市中心區(qū)地段，大部分河段河渠被硬化，河道的自然邊界線嚴重被縮小。因此要采用適當?shù)姆椒ù_定河道自然邊界線，具體操作是：在地形圖中找到這一段被硬化的河道，以500m作為一個單位等分，將這一段導(dǎo)入GIS建立緩沖區(qū)。然后可得到每一段等分后的河流廊道的平面橫斷面剖面線，利用CAD中GeoSection工具得出每段剖面線的剖面圖及剖面圖上的高層點數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS中。

將未被硬化的天然河段地形圖導(dǎo)入GIS，按同樣的距離建立緩沖區(qū)。在其中找尋一段與被硬化河道緩沖區(qū)相似特征的，對比分析。并在CAD中標注這一段天然河道，也同樣以500m為一個等分單位，得出剖面圖和高層點數(shù)據(jù)。大致確定每個點的自然邊界線位置。然后進一步對比分析，進而大致得出硬化河道的自然邊界線。

其他的河段按照現(xiàn)有寬度計算，確定完河道寬度后，進一步綜合100年一遇的洪水淹沒范圍、當?shù)胤篮橐?guī)劃確定的行洪斷面、現(xiàn)有堤防范圍。

圖一 河段對比示意圖

(三)確定河岸帶寬度的方法

河岸帶寬度確定是最為復(fù)雜和最為關(guān)鍵的，河岸帶具有許多至關(guān)重要的功能，它的確定要考慮許多因素，在前面已經(jīng)詳細明述其各個設(shè)計方法，但不同的方法適用于不同的河岸帶環(huán)境，并不是任何一種方法都會適用于所有的條件，針對不同的環(huán)境，確定河岸帶寬度的方法也不一樣。

婁底市漣水河貫穿湖南省婁底市和湘鄉(xiāng)市境內(nèi)，婁星區(qū)內(nèi)漣水河位于城區(qū)中部，為漣鋼和中心城區(qū)的分界線，兩岸用地以居住和商業(yè)為主，現(xiàn)狀只有婁底一大橋至二大橋北岸建設(shè)了防洪堤，南岸部分地段建設(shè)防洪墻，按50年一遇洪水位標準建設(shè)。

經(jīng)實地調(diào)查，漣水河每一段呈現(xiàn)的問題不同，比如中心區(qū)段主要問題是水體的污染和建筑沿岸而建，而在周邊的郊區(qū)地段，主要的問題在于河流廊道寬度太小，甚至有些河流直接被填埋，水體污染較小，在郊野地段，雖然水質(zhì)較好，但河岸帶寬度較小，兩邊的植被單一雜亂。因此，根據(jù)問題分析以及漣水河不同河段的問題特點，可將其分成三段，針對不同的問題確定其河流廊道寬度計算方法(見下表)。

區(qū)段具體地段問題中心區(qū)段漣鋼大橋—婁底大橋—梅子灣大橋水質(zhì)污染嚴重,氮磷含量超標郊區(qū)段漣鋼大橋—漣鋼北大橋—婁漣公路大橋;梅子灣大橋—吉星大橋—江龍灘橋大量河床被填埋,河流河岸帶被占用甚至荒廢,致使河流廊道斷裂郊野段婁漣公路大橋—石井鎮(zhèn)的黃泥塘街道江龍灘橋—大埠橋河岸帶植被單一,滿足不了生物多樣性的要求,提供良好的陸生生物棲息地

1.中心區(qū)段河岸帶寬度確定方法研究

中心區(qū)段河岸帶以降低周邊氮磷為主要目標，達到改善水質(zhì)的目的。同時提高河岸帶環(huán)境質(zhì)量，提供休閑娛樂場地。并且，中心城區(qū)用地較為緊張，很多建筑沿岸而建，拆遷難度較大，因此，河岸帶的寬度受到一定限制。對于限定在建筑與河漫灘之間的河岸帶范圍，要達到降低氮磷的效果，需要一些靈活的方式。

首先，可通過定量公式計算中心區(qū)段河流廊道河岸帶的理想寬度，將其與實際被限定的河岸帶范圍進行比較，一般來說，理論寬度會大于實際河岸帶范圍，因此，需要改變其他因素來彌補所缺少的河岸帶寬度，如通過坡度的改變、植被的配置等。

氮素去除率和河岸帶寬度的回歸關(guān)系式：WRZ=(15.24 S1/2)，RZN=39.5WRZ0.1644；S:河岸平均坡度；WRZ：河岸帶寬度；RRN：氮素去除率。從公式可知，河岸帶寬度和坡度以及與氮素去除率成正比，即當寬度越大時，也就是水流通過河岸帶的時間越長，氮素去除率越大。就婁底中心區(qū)段而言，只能通過改變植物種植密度或植被覆蓋度來降低水流的速度。

因此，河岸帶寬度就是建筑后退之后的邊界到河漫灘的距離，寬度雖達不到要求，但可通過在有限的范圍里達到降低氮磷的效果，即通過增加植被密度。

圖二 區(qū)段示意圖

2.郊野段河岸帶寬度確定方法研究

郊野區(qū)段以滿足河岸帶生物棲息地為目標，河岸帶擴展范圍較為自由，周邊基本以農(nóng)田和山體為主，因此可根據(jù)GIS定量確定。

首先對郊野段的河流廊道做緩沖區(qū)分析，緩沖區(qū)距離設(shè)為3km(因河岸帶寬度基本在這個范圍以內(nèi))，得到緩沖區(qū)的目的是為了給河岸帶寬度一個上限值。得到緩沖區(qū)距離后，以500m為單位將郊野段河流廊道分為若干段，將等分后的圖導(dǎo)入CAD中與地形圖中的等高線疊加，這樣就可得到每一段等分后河流廊道的平面橫斷面剖面線，進而利用CAD中GeoSection工具得出每段剖面線的剖面圖及剖面圖上的高層點數(shù)據(jù)。

得到剖面圖和高層點數(shù)據(jù)之后，計算每個剖面的坡度，在一定程度上為了更好削減氮磷的含量，同時截留和吸收一些污染物。因此可根據(jù)公式WRZ=(15.24 S1/2)計算出寬度，將每個計算的寬度值標在橫斷面剖面上與高層點值相對應(yīng)，最后將對應(yīng)的點數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS中，建立河岸帶邊界點圖層，與所得出的緩沖區(qū)疊加。超過緩沖區(qū)范圍的點以緩沖區(qū)邊界的點替代。將在緩沖區(qū)內(nèi)的點連接成線，即為河岸帶的范圍。

圖三 河岸帶邊界選取示意圖

3.郊區(qū)段河岸帶寬度確定方法研究

郊區(qū)段以提高對地表和地下水的保護功能以及提供休憩空間為目標和基礎(chǔ)，盡量拓寬河岸帶寬度。這一段不存在上一段土地利用緊張的問題，但是仍然有一些建筑緊鄰河岸而建，大多數(shù)河段的土地利用較為充裕。對于建筑緊鄰河岸的河段，采用與中心區(qū)段同樣的方法，即通過改變坡度和增加植被密度。

對于土地利用較為充裕的地段采用與郊野段同樣的方法，即通過GIS和CAD確定范圍，主要的區(qū)別在于，郊區(qū)段河流廊道緩沖區(qū)的范圍不同，因為周邊有一些待開發(fā)用地，盡量減少對待開發(fā)土地的肆意利用，因此緩沖區(qū)的范圍設(shè)為800m，滿足基本寬度要求。

五、結(jié)論

確定河流廊道的寬度要考慮的因素眾多，并且不同的河流廊道特征所涉及的因素會不同，如本文分析的婁底市，周邊土地的利用對其寬度有決定性的影響，同時還有植被狀況，以及土壤地質(zhì)特征等。

本文利用河流廊道范圍確定的，相關(guān)研究結(jié)合GIS技術(shù)，研究婁底市河流廊道寬度的確定方法。河道和河漫灘寬度的確定通過百年一遇的洪水淹沒范圍和行洪斷面以及現(xiàn)有堤防綜合確定，被硬化的河道部分，利用GIS分析硬化河道緩沖帶和整條河流自然河道緩沖帶，對比分析得出結(jié)果，這種方法存在一定的缺陷，依據(jù)GIS分析之后的緩沖區(qū)特點，找尋與硬化河道相同特征的自然河段并不容易，并且有些偏向主觀性；河岸帶寬度根據(jù)所要建立的河岸帶功能確定，功能不同，河岸帶的寬度也不同。在確定河岸帶功能后，采用定量公式或者GIS的方法綜合確定。但是針對不同環(huán)境和不同特征的河流廊道，采用的定量公式也會有所差異。

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程燦輝(1992.12-)，男，漢族，江西景德鎮(zhèn)人，碩士研究生，湖南大學(xué)建筑學(xué)院，丘陵城市生態(tài)規(guī)劃;許乙青(1965.11-)，男，漢族，湖南長沙人，碩士生導(dǎo)師，高級工程師，湖南大學(xué)建筑學(xué)院，丘陵城市規(guī)劃設(shè)計。