湘江流域城市群的水系形態(tài)格局演變規(guī)律分析

楊柳，張迎盈，馮暢*，聶孟洋

(1. 衡陽師范學(xué)院 城市與旅游學(xué)院，湖南 衡陽 421000； 2. 湖南省人居環(huán)境基地，湖南 衡陽 421000； 3.古村古鎮(zhèn)文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳承協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 衡陽 421000)

水系與人類生產(chǎn)生活密切相關(guān)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的水系受到影響。水系形態(tài)格局的演變主要來自兩個方面，一方面是自然演變，另一方面是人為強(qiáng)干擾[1]。人口增多，人類活動干預(yù)水系形態(tài)格局的演變，建設(shè)用地的增加，導(dǎo)致低等級河道被填埋，破壞了水系結(jié)構(gòu)，影響了水系調(diào)蓄能力，導(dǎo)致洪澇災(zāi)害頻發(fā)[2-3]。水資源形勢日益嚴(yán)峻，河湖水系關(guān)系到水資源分配格局、洪澇災(zāi)害風(fēng)險等方面，這將會是今后水資源治理和管理工作的重點(diǎn)。從短時間尺度來看，人類活動的影響已遠(yuǎn)超過水系自然演變的影響。與此同時，對于水系形態(tài)格局的研究也成為了一些學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的方向。歷史地圖解讀法、歷史地理學(xué)溯源法等古老方法是國內(nèi)關(guān)于水系形態(tài)結(jié)構(gòu)方面的研究最早采用的方法[4]。從20世紀(jì)末期國內(nèi)普遍開始重視水系形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究，例如吳杰[5]分析了深圳市水系在城市化進(jìn)程影響下河流水系與城市空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系及其驅(qū)動機(jī)制；高青峰[6]研究了哈爾濱主城區(qū)的河網(wǎng)水系。目前水資源的保護(hù)越來越受到重視，但是相關(guān)研究多集中在長江、珠江等大江大河的下游平原地區(qū)[7-9]。本研究以湘江流域城市群水系為例，基于遙感數(shù)據(jù)，利用ENVI平臺提取研究區(qū)水系，ArcGIS進(jìn)行水系校準(zhǔn)和分析工作，選定描述水系形態(tài)格局的指標(biāo)體系，開展關(guān)于城鎮(zhèn)化背景下，湘江流域城市群水系形態(tài)格局的演變規(guī)律分析。本研究具有一定的典型性，有助于中國內(nèi)陸省份水系的保護(hù)與合理開發(fā)，降低流域洪澇風(fēng)險，改善“人-水”關(guān)系等方面起到重要作用。

1 研究區(qū)域概況、數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

圖 1 湘江流域長株潭城市群空間分布Figure 1 Flow chart for the extraction of river network systems in study area

湘江流域長株潭城市群位于長江經(jīng)濟(jì)帶中游(112°48′E～114°20′E，20°50′N～28°22′N)，北部為洞庭湖平原區(qū)，山地和丘陵多分布在東部、西部和南部。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和濕潤。長株潭城市群屬湖南省東部，包括長沙、株洲和湘潭市，三市呈“品”字型緊密結(jié)構(gòu)，被譽(yù)為“湖南金三角”[10-11]。長株潭城市群是湖南省經(jīng)濟(jì)社會重點(diǎn)發(fā)展的核心區(qū)域，城市群面積達(dá)到28 096 km2，占全省總面積的13.2%(圖1)，常住人口達(dá)到1 425.6萬人，占全省總?cè)丝诘?1%，生產(chǎn)總值達(dá)到12 548.34億，占全省的41.2%(截止2015年數(shù)據(jù))。湘江水系河網(wǎng)密布，因南面和東面山勢較高，瀏陽河、撈刀河、洣水、淥水等較大支流均來自東南面，使得湘江發(fā)育為一個東部水系發(fā)達(dá)，西部水系欠發(fā)達(dá)的不對稱樹枝狀水系。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)

以湘江流域長株潭城市群水系為研究對象，采用于美國地質(zhì)調(diào)查局2001年和2015年共14幅的Landsat遙感影像(分辨率為30 m×30 m)和同時期Google 高清影像圖作為校核數(shù)據(jù)展開研究。選取的遙感影像盡可能地保證年份、月份相近，且云量少于3%。具體來源信息見表1。

表 1 遙感影像詳情列表Table 1 Detailed list of remote sensing images

數(shù)據(jù)名稱條帶號數(shù)據(jù)來源時間Landsat8OLI_TIR數(shù)據(jù)122/41地理空間數(shù)據(jù)云2015-10-18Landsat8OLI_TIR數(shù)據(jù)122/42地理空間數(shù)據(jù)云2015-10-18Landsat8OLI_TIR數(shù)據(jù)123/40地理空間數(shù)據(jù)云2015-10-09Landsat8OLI_TIR數(shù)據(jù)123/41地理空間數(shù)據(jù)云2015-10-25Landsat8OLI_TIR數(shù)據(jù)123/42地理空間數(shù)據(jù)云2015-04-16Landsat8OLI_TIR數(shù)據(jù)124/40地理空間數(shù)據(jù)云2015-10-16Landsat8OLI_TIR數(shù)據(jù)124/41地理空間數(shù)據(jù)云2015-10-16Landsat4-5 TM數(shù)據(jù)122/41地理空間數(shù)據(jù)云2001-12-30Landsat4-5 TM數(shù)據(jù)122/42地理空間數(shù)據(jù)云2001-12-30Landsat4-5 TM數(shù)據(jù)123/40地理空間數(shù)據(jù)云2001-12-21Landsat4-5 TM數(shù)據(jù)123/41地理空間數(shù)據(jù)云2001-11-19Landsat7 TM數(shù)據(jù)123/42地理空間數(shù)據(jù)云2001-12-29Landsat7 TM數(shù)據(jù)124/40地理空間數(shù)據(jù)云2001-09-15Landsat7 TM數(shù)據(jù)124/41地理空間數(shù)據(jù)云2001-09-15

1.2.2 統(tǒng)計數(shù)據(jù)

統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于2001年和2015年的《湖南省統(tǒng)計年鑒》，主要選取2015年長株潭城市群的常住人口和城市人口以及長株潭城市群的面積和建成區(qū)面積等數(shù)據(jù)展開研究。

1.3 研究方法

為從不同角度全面體現(xiàn)湘江流域城市群的水系形態(tài)格局的演變規(guī)律，本研究參考國內(nèi)外相關(guān)研究常用的水系特征參數(shù)與指標(biāo)[12-15]，主要選取2類6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行水系定量描述，分別從數(shù)量特征和形態(tài)結(jié)構(gòu)特征2個方面表達(dá)。數(shù)量特征為河流長度，同一等級的河流條數(shù)，河網(wǎng)密度和水面率；形態(tài)結(jié)構(gòu)特征為支流發(fā)育系數(shù)和干流面積長度比。具體指標(biāo)見表2。

表 2 水系形態(tài)格局演變的指標(biāo)體系Table 2 Indicator system for the river network pattern

目標(biāo)層準(zhǔn)則層指標(biāo)層水系特征 數(shù)量特征河流長度河流數(shù)量河網(wǎng)密度水面率 形態(tài)結(jié)構(gòu)特征支流發(fā)育系數(shù)干流面積長度比

1.3.1 水系形態(tài)格局評價指標(biāo)

水系數(shù)量和形態(tài)格局的指標(biāo)計算方法匯總于表3。

表 3 水系形態(tài)格局評價指標(biāo)的涵義和計算方法Table 3 Meaning and method for evaluation index of river network pattern

指標(biāo)名稱計算公式備注物理意義河網(wǎng)密度RdRd=Lr/ALr為研究區(qū)域內(nèi)河流總長度表示河網(wǎng)長度發(fā)育情況水面率WpWp=Aw/AA為研究區(qū)域總面積表示河網(wǎng)面積發(fā)育情況支流發(fā)育系數(shù)KwKw=Lw/LmAw為研究區(qū)域內(nèi)的水域面積表示河網(wǎng)各級支流的發(fā)育狀況干流面積長度比RmRm=Am/LmLw級河流長度表示干流的主干化程度Lm干流河長Am干流面積

其中河網(wǎng)密度(Rd)，水面率(Wp)是最常見的水系結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)，反映河流水系的數(shù)量特征，Rd即河流總長度與研究區(qū)域面積的比值。Rd的大小不僅與自然環(huán)境(如氣候、巖性、土壤、植被覆蓋等)相關(guān)，還與人類對自然的各種改造有關(guān)。流域河網(wǎng)密度越大，表示流域水系的調(diào)蓄能力越強(qiáng)，河網(wǎng)密度低則表示對降水的自然蓄積能力和行洪排澇能力弱。而Wp是指河道和湖泊等水體多年平均水位下的水面積占區(qū)域總面積的比例。

Rd=Lr/A

(1)

Wp=Aw/A

(2)

式(1～2)中：Lr為研究區(qū)域內(nèi)河流總長度；A為研究區(qū)域總面積；Aw為研究區(qū)域內(nèi)的水域面積。

結(jié)構(gòu)參數(shù)包括支流發(fā)育系數(shù)(Kw)、干流面積長度比(Rm)。支流發(fā)育系數(shù)(Kw)是各級支流河流長度與主干河流長度的比值，表示各級支流的發(fā)育程度。河流面積長度比(Rm)是流域內(nèi)主干河流的面積與河流的總長度比值，面積長度比越大，表明單位河長的河流過水能力越強(qiáng)。

Kw=Lw/Lm

(3)

Rm=Am/Lm

(4)

式(3～4)中：Lw級河流長度；Lm干流河長；Am干流面積。

1.3.2城市化進(jìn)程評價指標(biāo)及其含義

城市化一般是指農(nóng)村人口向非農(nóng)村人口轉(zhuǎn)化，并且城市不斷完善的過程，本研究選用三維城市化[3]開展進(jìn)一步研究，即經(jīng)濟(jì)城市化、空間城市化、人口城市化，具體指標(biāo)見表4。

表 4 城市化進(jìn)程評價指標(biāo)及其含義Table 4 Evaluation index of urbanization process and its meaning

指標(biāo)名稱含義經(jīng)濟(jì)城市化非農(nóng)業(yè)GDP占總GDP中的比例空間城市化建成區(qū)面積和區(qū)域總面積的比值人口城市化城鎮(zhèn)人口數(shù)和總?cè)丝跀?shù)的比值

1.3.3水系分級

根據(jù)《湖南省水資源公報》，湘江作為干流，瀏陽河、撈刀河等直接流入干流的作為一級支流，直接匯入一級支流的河流為二級支流[16]。因資料的局限性，本研究只針對長株潭城市群的干流，一二級支流共計3個等級的水系展開研究。

2 水系數(shù)據(jù)資料的提取

針對本研究目的，遙感影像的預(yù)處理工作主要運(yùn)用相關(guān)專業(yè)處理軟件(ENVI和ArcGIS)，處理獲取的遙感影像。運(yùn)用ENVI對兩期共計14幅的30 m×30 m Landsat遙感影像中歸一化水指數(shù)(NDWI)進(jìn)行波段運(yùn)算，先得到初步水系。然后通過高分辨率的Google影像資料，將比例尺固定在1∶5萬，通過對水系的邊界精確化，丟失水系補(bǔ)足，誤判水系刪除、糾正等步驟校核水系，經(jīng)過反復(fù)校核后，獲得研究區(qū)最終水系數(shù)據(jù)。通過ArcGIS工具，對得到可靠的水系資料進(jìn)行幾何計算，獲取研究區(qū)水系定量數(shù)據(jù)。具體流程如圖2。

圖 2 研究區(qū)水系提取的流程Figure 2 Flow chart for the extraction of river network systems in study area

本研究遙感影像處理的操作流程主要包括：波段融合、影像裁剪、波段運(yùn)算、決策樹分類和二值化結(jié)果轉(zhuǎn)矢量圖像等步驟，具體如下(圖2)。首先，在ENVI軟件中打開要融合的7個波段，運(yùn)用Basic Tools當(dāng)中的Layer Stacking工具，對7個波段進(jìn)行融合。然后，將影像與地圖對照，在ENVI軟件中的Basic Tools，打開 Resize Data，把影像周圍的黑色部分裁剪，并裁剪出研究區(qū)域影像。接著，在ENVI軟件Basic Tools中的Band Math模塊當(dāng)中的enter an expression中輸入對應(yīng)的表達(dá)式(float(b2)-float(b4))/(b2+b4)，分別選取對應(yīng)的原始遙感影像波段進(jìn)行歸一化波段運(yùn)算，這里的b2選擇波段2，b4選擇波段4。通過簡單的歸一化水體指數(shù)運(yùn)算，可以初步將水體和其他地物信息進(jìn)行分離，水體以外的其他地物在一定程度上得到了普遍的抑制，水體提取效果良好，得到水體指數(shù)影像。基于此，為了將影像當(dāng)中的水體和非水體進(jìn)行區(qū)分，在ENVI 軟件中打開Classification中的Decision Tree模板下的Build new decision tree，點(diǎn)擊Node1，在Expression中輸入公式b1 GT 0.09，根據(jù)影像的實(shí)際情況，將得到的灰度影像與原始遙感影像比對，經(jīng)過人工的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，選擇合適的閾值，這一幅影像輸入0.01。最后，將得到的二值化結(jié)果在ENVI當(dāng)中轉(zhuǎn)變?yōu)槭噶?，選擇classification中的post classification，再選擇classification to vector。在Raster To Vector Parameters窗口中選擇Class 1，再選擇輸出路徑。最后在available vector lists窗口中，選擇 file->export layers to shapefile，將.evf轉(zhuǎn)成shapefile文件，獲取初始的水系矢量圖。

隨后，將初始水系圖進(jìn)行反復(fù)校核工作，從而得到可靠的水系分析資料。具體包括：圖像合并、圖像裁剪、賦予水系屬性、校核水系和幾何計算等步驟(圖2)。首先，為了得到一張完整的概括長株潭的影像，將得到的矢量文件在ArcGIS當(dāng)中運(yùn)用Data Management Tools當(dāng)中的常規(guī)工具中的合并工具，將同一類別合并為一個水系圖層。然后，運(yùn)用ArcGIS中的Analysis Tools中的裁剪工具，再根據(jù)獲取的長株潭的矢量邊界范圍對矢量文件進(jìn)行裁剪。最終獲取長株潭城市群的矢量水系。接著，將提取的水系矢量數(shù)據(jù)與原始遙感影像比對，提取的矢量數(shù)據(jù)中還包括了很多非水體信息，例如山體陰影等。需要將得到的矢量數(shù)據(jù)與高清圖像進(jìn)行疊加，將一些非水體信息進(jìn)行刪除，將未提取到的水系進(jìn)行補(bǔ)充。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的，將矢量數(shù)據(jù)當(dāng)中面積小于1 800 m2的小斑塊進(jìn)行刪除，右鍵點(diǎn)擊圖層打開屬性表，打開編輯器，點(diǎn)擊“開始編輯”，選擇所有小于1 800 m2的小斑塊，按Delete鍵刪除。然后，校核水系，刪除不必要的斑塊后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的，需要對矢量數(shù)據(jù)添加面積字段。添加好字段以后，打開編輯器，選擇“開始編輯”，根據(jù)高清影像將沒有提取到的河流手動添加面狀矢量數(shù)據(jù)。再根據(jù)同樣的方法手動添加線狀矢量，將水系反復(fù)校準(zhǔn)以獲得可靠資料。最后，通過計算幾何，得到研究區(qū)域河流的長度和水系的總體面積。再分別計算2001年和2015年的湖泊面積和各級河流的長度等指標(biāo)參數(shù)。

3 研究結(jié)果分析與討論

3.1 提取結(jié)果

提取結(jié)果得到2001年和2015年的水系圖(圖3)。從圖3可以看出，2001年到2015年水系有明顯的變化，河流的長度，湖泊的面積都呈現(xiàn)減少的趨勢，特別是在湘江流域下游的長沙市境內(nèi)，水系的衰減尤為明顯，表現(xiàn)出簡單化和主干化的突出特征。

圖 3 2001年、2015年水系Figure 3 The river networks of 2001 and 2015

3.2 湘江流域城市群城市化進(jìn)程

本研究主要通過3個維度來表征長株潭的城市化進(jìn)程：空間城市化、經(jīng)濟(jì)城市化、人口城市化。根據(jù)國內(nèi)外常見的城市化發(fā)展階段劃分方法[17]，可知人口城市化低于30%是緩慢城市化時期，30%～70%是快速城市化時期。研究表明，在15年間，長株潭城市群處于快速城市化時期，3個城市化指標(biāo)都呈上升趨勢(圖4)?？臻g城市化的變化率為114%。本研究的空間城市化率是指建成區(qū)面積與研究區(qū)的總面積的比值。例如2015年，長株潭的區(qū)域總面積為28 096 km2，建成區(qū)面積為530.09 km2，所以空間城市化率為1.890%。經(jīng)濟(jì)城市化相對2001年來說提高了30.75%，人口城市化相對2001年的變化率為64.76%。通過表5分析，空間城市化數(shù)值的增加表明城市建成區(qū)的面積越來越大，出現(xiàn)逐漸擴(kuò)張的趨勢，在一定程度上一部分林地、耕地、水體等用地將要變?yōu)槌鞘薪ㄔO(shè)用地。近15年來，研究區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，第二、第三產(chǎn)業(yè)都在飛速增長，人口也隨之不斷增加。城市化率越高，與自然的矛盾就會日益凸顯，例如城市化改變了下墊面，導(dǎo)致洪澇災(zāi)害的加劇，對水資源的需求增大，導(dǎo)致水資源污染嚴(yán)重，水資源短缺等。

圖 4 2001年至2015年研究區(qū)三維城市化率變化Figure 4 Changes of urbanization in research area from 2001 to 2015

3.3 長株潭城市群水系特征分析

3.3.1 數(shù)量特征

表 5 水系數(shù)量特征總體變化Table 5 Overall changes in quantitative characteristics of river network systems

年份河流長度/km河網(wǎng)密度/(km·km-2)水系面積/km2水面率/%2001年2 912.056(總長度)0.104616.7722.2001 122.491(一級支流)1 511.779(二級支流)2015年2 809.559(總長度)0.100592.5922.1001 077.144(一級支流)1 454.629(二級支流)

表 6 水系形態(tài)結(jié)構(gòu)特征變化Table 6 Changes in morphological and structural characteristics of river network systems

年份支流發(fā)育系數(shù)/(km·km-1)干流面積長度比/(km2·km-1)2001年1級支流4.041.852級支流5.442015年1級支流3.881.842級支流5.24

基于對長株潭2001年和2015年的遙感影像對水系的提取，計算表5中的數(shù)量指標(biāo)，可以得出近15年來，各數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)衰減的趨勢。從總體上看，長株潭城市群的河流長度由2 912.06 km減少到2 809.56 km，減少了102.5 km，減少了3.5%。河流縮減主要體現(xiàn)在湘江的支流，一級支流減少了45.3 km，二級支流減少了57.2 km，長株潭區(qū)域干流的長度變化不大。水系面積下降了3.92%，減少的水系面積主要是湖泊面積。河網(wǎng)密度由2001年的10.36%下降到了2015年的9.99%，長株潭城市群的河流的集中程度有所下降，水系的調(diào)蓄能力也會大幅下降。

與長三角等地區(qū)相比[18]，長株潭區(qū)域的河網(wǎng)密度明顯偏低，這是因?yàn)殚L三角地區(qū)是大江大河的下游，平原河網(wǎng)密布，此外研究的數(shù)據(jù)來源不同也是重要原因。水面率下降不明顯的原因在于，水系的保護(hù)受到越來越多的重視，也由于人民的生活需求日益增多，越來越多的公園內(nèi)人工湖的出現(xiàn)，例如梅溪湖，以及新建的一些水庫的出現(xiàn)，例如洮水水庫，有效地抑制了水面率的下降。盡管這在一定程度上恢復(fù)了一定的水面率，但是并不遵從自然水系的發(fā)展規(guī)律。

由此可見，研究結(jié)果所呈現(xiàn)的趨勢與國內(nèi)的上海、深圳等河網(wǎng)地區(qū)的相關(guān)研究結(jié)果有一定一致性[19-22]。15年來，一直在對長株潭河湖水系進(jìn)行治理，例如對一些病險水庫的治理擴(kuò)建，退耕還湖，對一些河道的疏通，通過這一些舉措增加了河湖的面積，也實(shí)施了一定規(guī)模的農(nóng)田水利工程建設(shè)。在此期間，主要任務(wù)是疏通淤積的河流，整合分散的堤防，新挖掘的灌溉溝渠，以及從湖泊和沼澤地開墾土地。主要目標(biāo)是控制農(nóng)田內(nèi)澇，增加耕地面積，保證農(nóng)業(yè)高產(chǎn)。同時，這些水利工程的建設(shè)也使許多末端河流衰減、被填埋，湖區(qū)急劇縮小，最終導(dǎo)致河網(wǎng)密度和水面率下降。與此同時，為了提高湖泊的蓄洪能力，許多原本被改造成農(nóng)田和魚塘的湖濱地區(qū)又重新回歸湖泊，有效遏制了湖泊面積急劇減少的趨勢。然而，由于氣候變化、泥沙淤積等自然因素，湖泊的自然收縮也導(dǎo)致了水系的減少。

3.3.2 形態(tài)結(jié)構(gòu)特征

長株潭的主干河流面積長度比變化不大(表6)，與長三角的主干河流的研究結(jié)果一致，主要原因是1998年、2014年和2015年湘江發(fā)生過嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，流域防洪形勢嚴(yán)峻，所以相關(guān)部門一直都在采取有效的措施保護(hù)主干河流湘江，以此緩解洪澇災(zāi)害，例如修建新的排洪干道與拓寬原有湘江主干河道。2001年和2015年的河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)都呈下降趨勢，1級支流的支流發(fā)育系數(shù)下降了0.24，2級支流的支流發(fā)育系數(shù)下降了0.2。水系的穩(wěn)定程度都受到一定的影響，河網(wǎng)隨著城市化的進(jìn)程趨于主干化。研究區(qū)的支流發(fā)育系數(shù)較杭嘉湖平原的支流發(fā)育系數(shù)來看，杭嘉湖平原部分地區(qū)的支流發(fā)育系數(shù)下降明顯，從9.8下降到1.2[21]，而長株潭水系有輕微波動，相對來說是微小衰減。

3.4 水系時空變化分析

城市群水系變化存在明顯的空間差異，本研究將分別從長沙、株洲、湘潭3個城市的水系變化來探討。長沙的河流長度減少了63.4 km，占了長株潭地區(qū)河流長度減少量的61.9%。

表 7 長株潭水系數(shù)量和形態(tài)變化Table 7 The number and morphological changes in the study area

區(qū)域年份河流長度/km水系面積/km2河網(wǎng)密度/(km·km-2)水面率/%長沙2001年1 271.1288.50.112.442015年1 207.7257.20.102.18株洲2001年1 117.2185.00.101.642015年1 121.7203.10.111.80湘潭2001年523.4143.30.12.862015年479.9131.70.12.63

長沙的河湖水系面積減少了31.3 km2，減少了10.85%。而株洲的河湖水系面積增加了19.78%，河流長度也增加了4.5 km。株洲水系面積增加的原因主要在于洮水水庫。洮水水庫建于2006—2009年，總庫容達(dá)到5.15億m3。河流長度的增加是株洲區(qū)域內(nèi)湘江和淥水新開挖的一些河道。湘潭的河流長度減少了8.31%，面積減少了11.6 km2(表7)。

圖 5 2001—2015年水系變化Figure 5 Changes of river network from 2001 to 2015

將兩期水系進(jìn)行疊加分析得到圖5，長沙、株洲、湘潭都有河流和大量湖泊面積的萎縮，株洲有新增加的水庫。2015年，長沙的人口城市化率為74.28%，株洲的人口城市化率為62.10%，湘潭的人口城市化率為41.72%，長沙的城市化程度最高，河流的衰減也最為明顯，河流的長度和河湖面積的減少在三市中最多。水面率和河網(wǎng)密度與城市化進(jìn)程呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，城市化程度越高，水系衰減越厲害。株洲的水系增加為特殊情況，在2009年修建了一個大面積的水庫，導(dǎo)致水面率的增加，也增加了一些河流的長度。結(jié)合研究區(qū)資料分析與實(shí)地情況的掌握，上述湘江流域城市群水系的變化，與實(shí)際情況相符，城鎮(zhèn)建設(shè)用地的增加使得河流河道變窄，一些低等級的河道被填埋。但是2001年到2015年長株潭城市群的城市化進(jìn)程逐漸趨于平穩(wěn)?？傮w而言，人類活動對于水系的強(qiáng)干擾已是不爭的事實(shí)[23-26]。2015年后隨著科學(xué)技術(shù)和社會的進(jìn)步，人們對于自然保護(hù)意識的增強(qiáng)，城鎮(zhèn)化對河流的影響依然存在，但對河流水系的保護(hù)意識會越來越強(qiáng)，水系與城鎮(zhèn)的發(fā)展會逐漸走向和諧發(fā)展的良性階段。

4 結(jié)論

本研究選取2001年和2015年共14幅Landsat遙感影像，利用歸一化差異水體指數(shù)NDWI，結(jié)合GIS技術(shù)，與人工目視解譯相結(jié)合，反復(fù)校準(zhǔn)水系，從而提取可靠的湘江流域城市群湘江干流和一二級支流水系資料，對湘江流域城市群的河網(wǎng)密度、水面率、支流發(fā)育系數(shù)和面積長度比等水系形態(tài)格局演變規(guī)律進(jìn)行了研究，從數(shù)量特征和形態(tài)結(jié)構(gòu)特征兩方面對研究區(qū)水系進(jìn)行了分析。結(jié)論如下：

(1)近15年來，湘江流域城市群的河流水系伴隨著城市化進(jìn)程呈現(xiàn)減少的趨勢。主要表現(xiàn)在河流長度和河網(wǎng)密度的減少，河流長度減少了102.5 km，河網(wǎng)密度減少了0.46%，一二級支流的支流發(fā)育系數(shù)降低，河網(wǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定度有所下降，河流趨向主干化。相對干流和一級支流，二級支流更容易受人類活動的影響。

(2)相對于地貌發(fā)育的長時間尺度而言，短時間尺度內(nèi)，水系的演變受城鎮(zhèn)化影響劇烈，二者表現(xiàn)出較為明顯的正相關(guān)性。從空間尺度上看，湘江流域城市群中，城鎮(zhèn)化率最高的長沙，研究期內(nèi)的河網(wǎng)密度、水面率和支流發(fā)育系數(shù)均下降，說明一定程度上水系的數(shù)量下降，水系的結(jié)構(gòu)簡單化；而相對而言，湘潭水系的結(jié)構(gòu)變化不大。株洲因新修水庫成為特例。隨著城鎮(zhèn)的發(fā)展與人類對于環(huán)境要求的提高，保護(hù)人居環(huán)境意識的提高，水系與城鎮(zhèn)發(fā)展的良性循環(huán)將越來越好。

本研究只對研究區(qū)2001年和2015年的數(shù)量特征和結(jié)構(gòu)特征的演變進(jìn)行了探討，在今后的研究中，可增加歷史水系，深入分析研究區(qū)水系演變規(guī)律與長時段城鎮(zhèn)化的關(guān)系。