鄭州市水系結(jié)構(gòu)特征演變趨勢分析

郭　科　王鴻翔　郭文獻　王乃賀

摘 要：通過遙感影像的處理，提取鄭州近30年以來各典型時期河網(wǎng)水系圖，借鑒已有的研究經(jīng)驗，分析1992年、2002年、2007年、2010年、2013年和2015年6個不同時期的河網(wǎng)水系，選取河長、水域面積、河網(wǎng)密度和水面率這4個指標，對鄭州城區(qū)近30年以來的河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)特征變化進行分析。結(jié)果表明：與1992年相比，2015年河流長度、水域面積、河網(wǎng)密度和水面率減幅分別為9.4%，45%，10.6%和45.6%。河長從496.22km減少至449.52km，水域面積從83.51km2減少到45.94km2，河網(wǎng)密度從0.47km/km2減少到0.42km/km2，水面率從0.079%減少到0.043%。

關(guān)鍵詞：河網(wǎng)水系；結(jié)構(gòu)特征；鄭州

中圖分類號：TV211.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）05-0080-04

Analysis on Evolution Trend Characteristics of River

System in Zheng Zhou City

GUO Ke WANG Hongxiang GUO Wenxian WANG Naihe

（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： Through the processing of remote sensing image， extraction of zhengzhou for almost 30 years since the period of typical river water system diagram， draw lessons from existing research experience， analysis of the 1992， 2002， 2007， 2010， 2013， 2015， six different periods of river water system， selection of long river， water area， drainage density and surface rate of these four indicators， the Zhengzhou city for nearly 30 years of river water system structure characteristic changes were analyzed. The results show that compared with 1992， the length of river， water area， river network density and water surface rate of 2015 are 9.4%， 45%， 10.6% and 45.6% respectively. The river length decreased from 496.22km to 449.52km， the water area decreased from 83.51km2 to 45.94km2， and the river network density decreased from 0.47km/km2 to 0.42km/km2， and the water surface rate decreased from 0.079% to 0.043%.

Keywords： stream network；structural characteristics；Zhengzhou

近幾十年來，隨著城市化進程的快速推進，土地利用的類型發(fā)生了劇烈變化，許多河道被淤積和填埋，改變了河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)，破壞了原有河網(wǎng)的水生態(tài)平衡，導(dǎo)致其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能急劇退化，并引發(fā)了水環(huán)境惡化和生物多樣性降低等眾多生態(tài)環(huán)境問題，從一定程度上制約了區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。因此，加強對城市化引起的水系變化的研究顯得尤為重要[1]。

中國從20世紀80年代開始進入快速城市化階段，因此有關(guān)城市化對河流影響的研究相對較晚。韓昌來[2]通過對太湖水系研究得出，環(huán)太湖河道已由20世紀初300余條減少至1993年的125條。陳德超[3]對浦東開發(fā)以來的河網(wǎng)變遷進行研究發(fā)現(xiàn)，河網(wǎng)密度下降了三分之一，水網(wǎng)面積急劇下降，嚴重破壞了浦東的水鄉(xiāng)特色。楊凱[4]通過研究感潮河網(wǎng)地區(qū)水系結(jié)構(gòu)特征，得出城市化是改變感潮河網(wǎng)地區(qū)水系結(jié)構(gòu)的重要因素。許有鵬[5]對長江三角洲地區(qū)的城市化水文效應(yīng)進行研究，發(fā)現(xiàn)城市化快速發(fā)展對流域不透水面積與河流水系造成了較大影響。邵玉龍[6]對太湖流域城市化發(fā)展下水系結(jié)構(gòu)與河網(wǎng)連通變化進行分析，發(fā)現(xiàn)近50年來蘇州市中心區(qū)河流總成減少了約84km，河網(wǎng)密度下降了約19.7%。隨著城市化進程的進一步推進，城市化對河流水系的影響引起了政府、學者和公眾的廣泛關(guān)注。

本文以鄭州市城區(qū)為研究對象，以遙感和地理信息技術(shù)為支撐，選取不同時期的河流長度和水面面積進行量算統(tǒng)計，并以表征水系結(jié)構(gòu)的河網(wǎng)密度、河網(wǎng)水面率等參數(shù)作為指標，分析探討研究區(qū)水系格局演變的主要特征，揭示其對城市化過程的響應(yīng)機制。

1 研究區(qū)概況

鄭州市是河南省省會，居河南省中部偏北，位于東經(jīng)113°27′～113°52′，北緯34°36′～34°57′，全市東西長135～143km，南北寬70～78km，總面積約7 446km2。屬北溫帶大陸性季風氣候，冷暖適中，四季分明，多年年平均氣溫為14.2℃，多年平均降雨量615mm。2015年，城區(qū)人口達到489.3萬人，市轄區(qū)生產(chǎn)總值達3 702億元。鄭州城區(qū)內(nèi)的河流水系屬于淮河流域分支賈魯河水系，賈魯河在鄭州城區(qū)內(nèi)河段長25.6km，流域面積1 818km2。流經(jīng)鄭州境內(nèi)的賈魯河支流主要包括賈魯河支河、潮河、七里河熊兒河、金水河、東風渠和索須河。

2 研究方法

2.1 水系特征指標選取

本研究從河網(wǎng)水系格局方面選取指標，分析城市化對水系格局的影響。指標包括河網(wǎng)水系長度、水域面積、河網(wǎng)密度、水面率。

2.2 城市化評價指標體系

本研究從人口城市化、經(jīng)濟城市化、地域景觀城市化和設(shè)施城市化4個方面選取指標，建立綜合評價指標體系。

2.2.1 數(shù)據(jù)標準化處理。由于城市化各指標的量綱、數(shù)量級均有差異，所以，為消除量綱不同對評價結(jié)果的影響，需要對各指標進行標準化處理，公式如下：

當指標為正向時：

[Xi=Xi-XminXmax-Xmin，Yj=Yj-YminYmax-Ymin] （1）

當指標為負向時：

[Xi=Xmax-XiXmax-Xmin，Yj=Ymax-YjYmax-Ymin] （2）

式中：[Xi]和[Yj]為標準化后的數(shù)據(jù)；[Xi]和[Yj]為原始觀測值；[Xmax]、[Ymax]和[Xmin]、[Ymin]分別為原始觀測值中的最大值和最小值。

2.2.2 指標權(quán)重的確定——熵值法。熵值法是一種客觀賦權(quán)法，其根據(jù)各項指標觀測值所提供的信息的大小來確定指標權(quán)重，具體公式如下：

[ej=-ki=1mp（xij）lnp（xij）] （3）

其中，[pij]和[k]的取值為：

[pij=xiji=1mxij，k>0] （4）

①計算第[j]項指標的熵值：

[ej=-ki=1mpijlnpij] （5）

式中，[k>0]，[ln?]為自然對數(shù)，[ej≥0]。如果對于給定[xij]的[j]全部相等，那么[ej=-ki=1m1mln1m=klnm]。若設(shè)[k=1lnm]，于是有[0≤ej≤1]。

②計算第[j]項指標的差異性系數(shù)：

[gj=1-ej] （6）

③計算權(quán)重[aj]：

[aj=gjj=1ngj] （7）

④計算綜合得分：

[vi=j=1najpij] （8）

3 結(jié)果與分析

3.1 河網(wǎng)水系的變化

在本研究中，利用ENVI5.1對鄭州的原始遙感影像進行融合、裁剪，得到研究區(qū)域的圖像，同時采用波段運算和決策樹分類對研究區(qū)域的影像進行處理，進而得到鄭州市的河網(wǎng)水系圖（見圖1）。

近20多年來，鄭州城區(qū)的河流長度、水域面積、河網(wǎng)密度和水面率先減少后增加再減少，但整體呈現(xiàn)減少的趨勢。與1992年相比，2015年河流長度、水域面積、河網(wǎng)密度和水面率減幅分別為9.4%、45%、10.6%和45.6%。河長從496.22km減少至449.52km，水域面積從83.51km2減少到45.94km2，河網(wǎng)密度從0.47km/km2減少到0.42km/km2，水面率從0.079%減少到0.043%。

3.2 水系結(jié)構(gòu)特征變化與城市化的關(guān)系

根據(jù)熵值法的計算步驟，首先對來源于《中國城市統(tǒng)計年鑒》和《鄭州市統(tǒng)計年鑒》中的鄭州市區(qū)1992—2015年24年10項指標的240個原始數(shù)據(jù)（見表4）進行標準化處理。由于選取的指標均是區(qū)域城市化發(fā)展的理想性指標，采用正則化公式進行標準化處理，最后計算出 1992—2015年鄭州市城市化水平的綜合值。

地質(zhì)、地形、氣候和人類活動都是城市區(qū)域河網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化的影響因素。但在短時間內(nèi)，人類活動是河流水系變化的主要影響因素，城市的建設(shè)導(dǎo)致地面硬化，徑流的下墊面條件發(fā)生變化。本文采用回歸分析對城市化水平和河流水系結(jié)構(gòu)特征間的關(guān)系進行定量描述見表5，以反映城市化進程對河網(wǎng)水系的影響。

以城市化水平和河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)特征值的正態(tài)分布檢驗為基礎(chǔ)，采用回歸分析得到變量間的曲線回歸方程（見圖2），結(jié)果表明：城市化水平和河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)特征指標[LR]、[AW]、[DR]和[WP]的決定系數(shù)[R2]分別為0.677、0.966、0.676和0.966。

總體來看，城市化水平與河長、水域面積、河網(wǎng)密度和水面率相關(guān)性顯著，在城市化初始階段隨著城市化水平的提高，河長、水域面積減少，河網(wǎng)密度、水面率縮減。需要指出的是，當城市化發(fā)展到更高水平時，即城市的發(fā)展定位不僅是以社會、經(jīng)濟發(fā)展為導(dǎo)向，亦注重人與自然和諧相處的理念，尊重自然規(guī)律和社會發(fā)展規(guī)律，因水制宜、量水而行、人水和諧，城市化的發(fā)展則不會與河流水系的自然生態(tài)環(huán)境保護相斥，發(fā)揮水生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境和城市化發(fā)展的協(xié)調(diào)發(fā)展模式。

4 結(jié)論

1992—2015年，鄭州河網(wǎng)水系發(fā)生了快速的變化，河流長度和面積總體下降，河網(wǎng)密度、水面率減少。主要原因是自21世紀進入快速城鎮(zhèn)化以來，人口大量涌入，使城市化過程加快，建設(shè)用地需求持續(xù)增加，繼而侵占河道，致使河流長度縮減，水域面積減少。

但是，隨著鄭州市城市化進程的進一步推進，特別是城市化質(zhì)量的提高，人們逐步重視對河網(wǎng)系統(tǒng)的保護。同時，2007年，鄭州市對水系河網(wǎng)進行了生態(tài)規(guī)劃，提出“水通水清水美，健康安全，生態(tài)環(huán)保，人水和諧”的理念。開展了生態(tài)治理行動，包括河道主槽擴挖、河道局部擴挖成湖、新建攔蓄水建筑物以對水面進行擴展，河流生態(tài)環(huán)境的惡化得到緩解。

參考文獻：

[1]鄧曉軍，許有鵬，韓龍飛，等.城市化背景下嘉興市河流水系的時空變化[J].地理學報，2016（1）：75-85.

[2]韓昌來，毛銳.太湖水系結(jié)構(gòu)特點及其功能的變化[J].湖泊科學，1997（4）：300-306.

[3]陳德超，陳中原.浦東開發(fā)以來的河網(wǎng)變遷研究[J].蘇州科技學院學報，2004（4）：1-7.

[4]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)[J].地理學報，2004（4）：557-564.

[5]許有鵬，丁瑾佳，陳瑩.長江三角洲地區(qū)城市化的水文效應(yīng)研究[J].水利水運工程學報，2009（4）：67-73.

[6]邵玉龍，許有鵬，馬爽爽.太湖流域城市化發(fā)展下水系結(jié)構(gòu)與河網(wǎng)連通變化分析——以蘇州市中心區(qū)為例[J].長江流域資源與環(huán)境，2012（10）：1167-1172.