基于連通性的城鎮(zhèn)水系規(guī)劃研究

李普林 陳菁 孫炳香 肖晨光 陳睿東

摘要：從水系連通性的內(nèi)涵出發(fā)，選取河網(wǎng)密度、水面率、河頻率、網(wǎng)絡環(huán)通度、節(jié)點連接率和網(wǎng)絡連通度等6項指標建立水系連通性評價指標體系，對研究區(qū)水系規(guī)劃前后進行連通性評價，得出規(guī)劃后水系各項指標呈不同幅度的增加，水系連通性得到明顯改善。最后通過主成分分析得出決定水系連通性的第一大主成分是網(wǎng)絡環(huán)通度、節(jié)點連接率和網(wǎng)絡連通度，河網(wǎng)密度、水面率、河頻率是評價水系連通性的基礎。

關鍵詞：水系連通性；水系結構；規(guī)劃；主成分分析

中圖分類號：TV212.5+3 文獻標志碼：A doi ：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.008

近年來，隨著新型城鎮(zhèn)化建設的不斷推進，我國城鎮(zhèn)水系出現(xiàn)諸多問題，防洪排澇壓力加大，河道密度和水面率減小，水系結構及生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞[1]。人與水爭地，大量末級河流被填埋，人水和諧的局面被打破。水利部部長陳雷在《在全國水利規(guī)劃計劃工作會議上的講話》中指出，受大規(guī)模人類活動的影響，我國不少地區(qū)水資源通道阻斷，河湖萎縮嚴重，水系循環(huán)性變差[2]。城鎮(zhèn)化過程中的人類活動是影響城鎮(zhèn)水系連通性的關鍵因素，水系問題已經(jīng)成為制約城鄉(xiāng)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)健康的重要因素。水系連通性改善措施作為新形勢下城鎮(zhèn)水系規(guī)劃的一個新方向，已經(jīng)受到國家政府部門的重視。

水系連通性評價作為一個新的課題，已經(jīng)被越來越多的國內(nèi)外學者所關注。我國水系連通性研究以河湖水系連通的理論體系框架研究、特征分析、功能及適應性分析、影響評價指標體系研究[3-7]等定性研究為主，而在水系連通性定量研究方面相對較少。竇明等[8]以淮河流域為研究對象，利用GIS數(shù)據(jù)淮河流域廊道一節(jié)點示意圖，采用景觀生態(tài)學理論方法，提出水系連通性評價方法和評價標準并定量評價淮河流域水系連通狀況；孟慧芳等[9]通過建立基于水流阻力及水文過程的平原河網(wǎng)河流連通性評價方法，并通過實例驗證該評價方法的可行性。筆者從水系連通性的定義、特征、功能、內(nèi)涵等出發(fā)，建立城鎮(zhèn)水系連通性評價指標體系，并采用實例進行驗證，分析城鎮(zhèn)水系規(guī)劃前后的狀況，探討連通性在城鎮(zhèn)水系中的重要性，以期為城鎮(zhèn)水系規(guī)劃中有效改善河網(wǎng)水系連通性提供參考。

1 水系連通的內(nèi)涵

城鎮(zhèn)水系是城鎮(zhèn)徑流雨水自然排放的重要通道、受納及調蓄空間，在城鎮(zhèn)排水、防澇、防洪以及改善城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮著重要作用[10]。古往今來，城鎮(zhèn)因水而生，因水而興?！豆茏印こ笋R》曰“凡立國都，非于大山之下，必于廣川之上，高毋近旱，而用水足，下毋近水，而溝防省”[11]。以往在城鎮(zhèn)水系規(guī)劃研究中，多以改善水系景觀、提高濱水區(qū)水生態(tài)服務功能、改善城鎮(zhèn)河流水質等為主，多考慮加高堤防、提高排澇能力，但這些措施不能從根本上解決城鎮(zhèn)“逢雨必澇”的現(xiàn)狀。基于上述背景，水系連通作為一個新的概念被提出來，用于指導城鎮(zhèn)水系規(guī)劃，減小高強度雨水徑流造成城鎮(zhèn)內(nèi)澇的風險，提高城鎮(zhèn)防洪避澇的能力。

關于水系連通的內(nèi)涵，國內(nèi)不少學者提出了自己的看法。唐傳利[12]認為，水系連通是在自然力和人力的雙重作用下，人類有意識地改造水系、實現(xiàn)水資源有效配置的行為；王中根等[13]認為，“脈絡相通”就是水系的連通性；張歐陽等[14]將水系連通性定義為河道干支流、湖泊及其濕地等水系的連通情況，其反映了水流的連續(xù)性和水系的連通狀況；竇明等[4]認為，水系連通的功能主要表現(xiàn)在提高水資源統(tǒng)籌調配能力、改善生態(tài)環(huán)境狀況、抵御水旱災害等?；诓煌瑢W者的研究，筆者就水系連通的內(nèi)涵作幾點解釋。

（1）城鎮(zhèn)水系連通的基本構成要素有水系、水利工程、水資源條件。要實現(xiàn)水系連通，最基本的條件是要有水系；水系連通的保障是要有河流、湖泊、洼地、行蓄滯洪區(qū)等水流通行、集結的場所和塘壩、水庫、渠系等水利工程；水資源條件是實現(xiàn)水系連通的后續(xù)環(huán)節(jié)。在實現(xiàn)水系連通的過程中，可以通過調節(jié)水流速度、水位、流量等實現(xiàn)水資源的合理調配，使水系連通的內(nèi)涵得到充分體現(xiàn)。

（2）城鎮(zhèn)水系連通可以通過一系列水利工程措施，使城鎮(zhèn)河流、湖泊等能循環(huán)地流動，達到水體交換的目的。循環(huán)流動的水體攜帶物質流、能量流、信息流，能更好地服務城鎮(zhèn)社會及生態(tài)系統(tǒng)。水系連通后，水體循環(huán)流動，不斷交換，能有效改善城鎮(zhèn)河流、湖泊等水體的水質，改善城鎮(zhèn)水生態(tài)環(huán)境。

（3）在城鎮(zhèn)發(fā)展過程中，水系連通的功能主要表現(xiàn)在提高城鎮(zhèn)防洪除澇能力、改善城鎮(zhèn)生態(tài)景觀和改善城鎮(zhèn)河流水質。

（4）在進行城鎮(zhèn)水系規(guī)劃時，要統(tǒng)籌規(guī)劃，減少水系連通造成的負面生態(tài)效應，如水系連通后，原本水質好的區(qū)域水質變差，原本水量充足的區(qū)域水量急劇減少等。因此，在實施水系連通方案時，要進行實地考證，對實施方案進行可行性評價，并預測各種可能出現(xiàn)的情況，采取應對措施，使水系連通利遠大于弊，盡可能發(fā)揮連通方案的正面效應，使水系連通方案更好地服務城鎮(zhèn)發(fā)展。

2 城鎮(zhèn)水系連通性評價指標體系

根據(jù)《城市水系規(guī)劃規(guī)范》及《城市水系規(guī)劃導則》等相關規(guī)范，從水系結構和水系連通性兩個方面建立水系連通性評價指標體系。分析研究區(qū)規(guī)劃前后水系連通性各項指標的變化，探討城鎮(zhèn)水系規(guī)劃與水系連通之間的關系。

在對河流形態(tài)及結構進行研究時，需要對河流進行分級。傳統(tǒng)的水系分級方法有Horton分級、Strahler分級、Shreve分級等。對于平原河網(wǎng)地區(qū)，水系多為網(wǎng)狀結構，邊界難以確定，上下游高程差不明顯，不一定符合Horton定律。本文研究區(qū)位于平原河網(wǎng)地區(qū)，傳統(tǒng)的地貌學分級方法可能不適用，故借鑒楊凱等提出的河流分級方案[15]，將研究區(qū)河流分為市級、鎮(zhèn)級、村級3個等級。

2.1 水系結構評價

選取河網(wǎng)密度、水面率、河頻率等3個指標來表示水系結構特征，進行水系結構評價。

（1）河網(wǎng)密度。河網(wǎng)密度（Rd）是用來表示單位面積內(nèi)河流的總長度，河網(wǎng)密度越大，流域水文響應越快。其計算公式為式中：Rd為河網(wǎng)密度，km/km2；Li為第i條河流的長度，km；A為研究區(qū)面積，k2M；n為研究區(qū)河流條數(shù)。

（2）水面率。水面率（Wp）是指河流與湖泊等水體多年平均水位下水面面積占研究區(qū)域總面積的比例。其計算公式為式中：Wp為水面率，%；AN為研究區(qū)域水面總面積，km2。

（3）河頻率。河頻率（Rb）是指單位面積內(nèi)的河流條數(shù)，表示河流的數(shù)量發(fā)育狀況，河頻率越大，河流的數(shù)量發(fā)育狀況越好。其計算公式為

2.2 水系連通性評價

廊道是不同于兩側本底的狹長地帶，可以看作一個線狀或者帶狀斑塊。在景觀生態(tài)學中，廊道可提供特殊的生物生境，在維持生物多樣性、保護景觀多樣性中具有重要意義。景觀生態(tài)學生物廊道一般指連接破碎化生境并適宜生物生活、移動或擴散的通道[16]。在景觀生態(tài)學中，河流廊道是指河流及其兩側分布的、與周圍本底不同的植被帶，河流廊道具有控制水流和營養(yǎng)流的功能。廊道的連通性是廊道在空間上連續(xù)程度的量度[17]。為了評價水系連通性，本文借鑒景觀生態(tài)學中景觀破碎化理論，采用景觀生態(tài)學中網(wǎng)絡環(huán)通度（α指數(shù)）、節(jié)點連接率（β指數(shù)）和網(wǎng)絡連通度（γ指數(shù)）來評價水系連通性。

（1）α指數(shù)。α指數(shù)表示網(wǎng)絡中連接現(xiàn)有節(jié)點的環(huán)路存在的程度。α指數(shù)為網(wǎng)絡中實際環(huán)路數(shù)與最大可能的環(huán)路數(shù)之比，計算公式為式中；Mmax為最大可能的河流連接廊道數(shù)。

為了更清楚地反映水系連通狀況，本文結合景觀生態(tài)學法則、城鎮(zhèn)水系規(guī)劃相關標準和竇明等[8]的研究成果，制定適合張家港平原河網(wǎng)地區(qū)水系連通性評估標準（見表1）。

3 實例分析

3.1 研究區(qū)概況

張家港經(jīng)濟開發(fā)區(qū)北區(qū)拓展區(qū)屬平原濱江河網(wǎng)區(qū)，區(qū)內(nèi)河道縱橫交錯、水網(wǎng)密布。第一級為市級河道，包括一干河、二干河、南橫套河、朝東圩港、太字圩港5條河道；第二級為鎮(zhèn)級河道，包括晨中河、晨新中心河、木排港、壽興橫套、七圩港、勞圩港等9條河道，河道底寬多在3～6m之間，主要發(fā)揮著區(qū)域內(nèi)部的引排、調蓄、工農(nóng)業(yè)用水及水系連通等作用；第三級為村級河道，大部分斷面尺寸較小，主要功能是將農(nóng)村居住區(qū)及農(nóng)田的澇水排人骨干河網(wǎng)，蓄水調節(jié)，以及從骨干河網(wǎng)引水灌溉等。研究區(qū)河道布局不合理，河道斷面較小，河道彎曲，水系較凌亂；部分河道淤積嚴重，通暢性差，大大削弱了河道引水、排水和調蓄等功能。

3.2 水系優(yōu)化布局

依據(jù)“高水高排，低水低排，就近排澇”和“獨立排水，聯(lián)合排澇”的原則，以現(xiàn)狀水系為基礎，結合路網(wǎng)、水系規(guī)劃及研究區(qū)地形地貌，將研究區(qū)分為3個水利片區(qū)（見圖1），各片區(qū)排澇相對獨立。本次水系規(guī)劃的思路為：尊重水系原有的生態(tài)和環(huán)境功能，統(tǒng)籌考慮路網(wǎng)規(guī)劃，保證水面率和排澇斷面、河道疏密均勻、連通性好，考慮現(xiàn)有河道水利設施等。根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)狀水系布局可知，3個分區(qū)相對獨立，除一干河作為應急水源地不能用于排水外，其他河道均可用于排水。根據(jù)上述規(guī)劃思路，結合各分區(qū)功能，對每個分區(qū)進行水系優(yōu)化布局。

Ⅰ區(qū)范圍內(nèi)已建成主要公路兩條和鐵路一條，很多村莊逐河而建，布局隨意且拆遷困難。規(guī)劃新開長八圩埭河，與現(xiàn)有河道晨中北河和五圩埭西河連通；對老套河進行疏浚，排水不暢處進行裁彎取直；溝通鄭家埭后河。按照規(guī)劃，Ⅰ區(qū)將形成“四橫三縱”的骨干水系格局（見圖2），水系趨于網(wǎng)狀，水流循環(huán)性得到提高。

Ⅱ區(qū)內(nèi)公路較多，規(guī)劃時需充分協(xié)調水網(wǎng)和路網(wǎng)的關系。該區(qū)北部河流稀少，排水得不到保證，規(guī)劃新開科技河，西起朝東圩港，東與南港河相接；新開興南河，與北橫套河相接；一干河可作為n區(qū)的引水水源地；對大新港—太字圩港進行河道拓浚；新開南港河，作為片區(qū)主要的引排水及景觀河道。整個規(guī)劃完成后，Ⅱ區(qū)將形成“六橫六縱”的骨干水系格局（見圖3），河道引排能力和通暢性得到提高。

Ⅲ區(qū)內(nèi)有多條規(guī)劃公路，很多村莊民居臨水而建。片區(qū)內(nèi)永協(xié)六圩河河道淤塞，本次規(guī)劃主要對原河道拓寬疏浚，溝通縱向水系，實現(xiàn)引水的功能定位；對老圩港河河道進行拓寬疏浚，部分河道裁彎取直，使?jié)乘芨斓嘏湃四蠙M套河，減少洪澇災害。規(guī)劃實施后，Ⅲ區(qū)將形成“五橫五縱”的骨干水系格局（見圖4），片區(qū)排澇和引水能力得到提升，水系連通性得到改善。

規(guī)劃完成后，對研究區(qū)進行防洪和排澇計算，結果表明：3個片區(qū)防洪排澇能力較規(guī)劃前均有所提升，在降雨量不變的情況下，洪澇水排出片區(qū)的時間縮短，說明本次城鎮(zhèn)水系規(guī)劃基本上趨于合理。

3.3 結果與討論

根據(jù)圖2～圖4，統(tǒng)計規(guī)劃前后各個片區(qū)的河流數(shù)量、河段數(shù)目及節(jié)點數(shù)等水系特征參數(shù)（見表2）。

基于GIS平臺，計算出規(guī)劃前后3個水利片區(qū)的水系結構和連通性指標的數(shù)值，對研究區(qū)進行水系連通性評價，結果見表3、表4。

基于SPSS平臺，利用主成分分析法對水系連通6項指標進行分析，結果見表5～表7。

根據(jù)表2和表3可知，本次規(guī)劃的3個水利片區(qū)，在規(guī)劃前，Ⅱ區(qū)的河流條數(shù)、河流連接廊道數(shù)和節(jié)點數(shù)明顯多于Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)的，河頻率、網(wǎng)絡環(huán)通度、節(jié)點連接率、網(wǎng)絡連通度也優(yōu)于其他兩個區(qū)。原因是Ⅱ區(qū)原來為農(nóng)業(yè)區(qū)，人類活動對該水利片區(qū)水系的干擾弱于上述兩個區(qū)。隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，低等級的河流大量消失，水系河網(wǎng)密度、水面率、河頻率參數(shù)均處于較低水平。本次規(guī)劃的重點是改善城鎮(zhèn)水系連通狀況，規(guī)劃實施后，3個水利片區(qū)的水系特征參數(shù)均有所增大，其中11區(qū)增幅最大。規(guī)劃實施后，3個區(qū)平均河網(wǎng)密度、水面率、河頻率、網(wǎng)絡環(huán)通度、節(jié)點連接率、網(wǎng)絡連通度分別增大了23.50%、23.82%、25.69%、15.66%、7.10%、5.25%。規(guī)劃實施后研究區(qū)水系呈較密的網(wǎng)狀結構，水流循環(huán)得到增強。網(wǎng)狀的水系為該區(qū)引排水提供多種路徑，片區(qū)洪澇水排泄和容納能力增強，水質和河道生態(tài)環(huán)境得到改善。根據(jù)表1、表3和表4可知，規(guī)劃前Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)網(wǎng)絡環(huán)通度、節(jié)點連接率和網(wǎng)絡連通度均處于中等水平，規(guī)劃后Ⅰ區(qū)網(wǎng)絡環(huán)通度、節(jié)點連接率和網(wǎng)絡連通度達到良好，Ⅲ區(qū)該3項指標均有所提升；Ⅱ區(qū)節(jié)點連接率和網(wǎng)絡連通度提升幅度較大，由規(guī)劃前的良好到規(guī)劃后的優(yōu)秀等級。研究區(qū)上述3項指數(shù)得到提升的原因，一方面是新開了部分河道，河流連接廊道數(shù)增加，河流與河流交匯的節(jié)點數(shù)增加，使得a指數(shù)、β指數(shù)和γ指數(shù)的計算值增大，水系連通性增強；另一方面是規(guī)劃對部分河道進行了拓寬和疏浚，使得水流循環(huán)更加通暢，河網(wǎng)調蓄能力有所增強。

由主成分分析結果（見表5）可以得出，河網(wǎng)密度、水面率、河頻率三者相關性高，一般情況下，河網(wǎng)密度越大，水面率越大，河頻率也越大；網(wǎng)絡環(huán)通度、節(jié)點連接率、網(wǎng)絡連通度三者相關性也較高，說明這三者在評價城鎮(zhèn)水系連通性中具有對等的地位。表7中這6項指標被分為兩大主成分，其中：第一大主成分為網(wǎng)絡環(huán)通度、節(jié)點連接率、網(wǎng)絡連通度，第二大主成分為河網(wǎng)密度、水面率、河頻率。第一大主成分能更好地反映水系連通性，第二大主成分是評價水系連通性的基礎，二者有效結合能更好地評價水系，為改善城鎮(zhèn)水系狀況、提升防洪除澇能力、改善生態(tài)景觀和改善河流水質提供參考。

4 結語

目前關于水系連通的研究還處于起步階段，水系連通性評價指標的選取千差萬別。本文通過選取水系結構和連通性6項指標，對研究區(qū)規(guī)劃前后水系連通性進行評價，結果表明規(guī)劃后研究區(qū)水系連通性得到有效改善。

受城鎮(zhèn)化發(fā)展的影響，大量末級河道被填埋，水系連通性變差的情況屢見不鮮。在城鎮(zhèn)水系規(guī)劃中，應考慮恢復部分被填埋的河道，改善城鎮(zhèn)水系循環(huán)能力。水系連通性關乎城鎮(zhèn)防洪排澇、生態(tài)景觀、社會經(jīng)濟等多個方面，連通性良好的水系是支撐城鎮(zhèn)綠色發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的前提。水系連通性評價是一個復雜的課題，涉及景觀生態(tài)學、水文學、河流動力學等多學科。筆者在建立水系連通性評價指標體系時，主要以靜態(tài)指標為主，在今后的研究中，應注重河流動能及勢能、河道輸水能力等動態(tài)指標的選取，使水系連通性評價指標體系更加完善合理。

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