考慮水功能需求的?？谑兴颠B通指標閾值研究

張嘉輝，葉長青，朱麗蓉，冉中陽，陳成豪

(1.海南大學 熱帶農林學院，海南 ?？?570228；2.山東大學 環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266237；3.海南省水文水資源勘測局，海南 ?？?570203)

1 研究背景

河湖水系對水資源有重要作用，與環(huán)境有著密切聯系，其連通狀態(tài)影響城市發(fā)展[1-2]。近年來?？谑薪洕鐣l(fā)展迅速，但存在許多水資源利用問題，同時出現了河流長度縮短、河湖水域面積減少、連通度下降等環(huán)境問題[3]。為解決出現的相關環(huán)境問題，應加強生態(tài)保護、科學實現河湖水系連通[4]。水系連通問題已受到國內外學者高度重視，Bond[5]、Brierley等[6]、Mcguier等[7]、Spence等[8]分別對河湖水系連通概念等進行探討，并引入水文學、景觀生態(tài)學、河流地貌學等相關研究領域。李宗禮等[9]探討了河湖水系連通的內涵、特征等方面的內容；趙軍凱等[10]分析總結已有研究，提出改進的水系連通概念；符傳君等[11]對河流水系連通內涵進行探討；王妍等[12]介紹了水系連通的和諧問題。分析總結國內外研究成果及進展，可知目前對河湖水系連通的研究大多是在定義、內涵、分類、工程的利弊等方面，近年來對其機制以及計算有了進一步的研究，但水系連通與城市發(fā)展相互作用等方面的應用研究仍欠缺。基于以上認識，本文分析了?？谑?000、2002、2005、2007、2010和2016年6年的水系連通情況，在考慮水功能需求的情況下，對海口市水系連通指標閾值進行研究。通過研究得到的相關結論可被應用于構建城市水系連通合理布局、使河湖水系更好地為城市社會生活、維持生態(tài)安全提供理論依據。

2 研究方法

首先是水系連通形態(tài)指標和功能指標體系的確定，以及從文獻及遙感影像圖中獲取相關指標的數據；接下來將相關性良好的指標篩選出來，需要通過SPSS軟件分析?？谑泻雍颠B通形態(tài)指標和功能指標相關性；并將篩選出的指標構建方程式，定量描述?？谑兴颠B通形態(tài)變化對連通功能的影響，建立定量關系表達式；最后，求解相關性方程組，并結合?？谑谐鞘幸?guī)劃和水資源需求情況確定河湖水系連通閾值。

2.1 水系連通形態(tài)指標

由于自然因素和人為因素，連通的河流和湖泊形成了水系格局。水系網絡是由各水系之間連接、交錯而形成[13]，分析指標有河流長度、區(qū)域面積、水域面積、節(jié)點數、連接率、連通度等[14]?？捎媒Y構形態(tài)指標和連通形態(tài)指標描述河湖水系空間格局，其中指標需根據實際情況選取[15-16]。分析總結現有研究成果，水系連通形態(tài)格局的指標體系得以構建，如表1、2所示。

注：式中Li為河流的長度；Ar為區(qū)域的總面積；Aw為水域面積。

表2 水系連通形態(tài)指標體系

注：計算公式中n為區(qū)域中的水系個數；v為區(qū)域中的節(jié)點數。

2.1.1 遙感影像圖處理 表1中各指標的數據信息的獲取可采用遙感技術，相比傳統(tǒng)方法可快速準確地獲取信息[17]。本文的河湖水體信息提取采用ENVI軟件[18],其中，采用多波段法對歸一化差異水體指數(NDWI)進行提取[19]，NDWI主要用于描述開闊水域的特征，可增強它們在遙感數字圖像中的存在，同時消除土壤和陸地植被特征[20]。其中，歸一化差異水體指數的公式為：

NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR)

(1)

式中：NIR、Green分別為TM影像中的第5波段和第2波段。

運用ENVI軟件的決策樹分類法對水體信息進一步提取。決策樹是一種樹狀結構，可從主干開始進行搜索，一步步細致到達分支，從而可得到決策結果[21]。研究表明，在遙感影像等數據的基礎上，通過運用決策樹分類法可以極大提高分類精度[22]。本文運用決策樹分類方法提取水體信息，分類規(guī)則為：(1)水體：NDWI>0；(2)其他地貌：NDWI<0。

2.1.2 指標值的獲取步驟 運用ENVI、ArcGIS軟件處理TM影像圖[23-24]，其中ENVI軟件的運用包括對歸一化差異水體指數進行計算、運用決策樹分類方法，得到不同年份水系圖，進而可將相應年份的水系連通形態(tài)指標提取出來:裁剪、校正和增強處理衛(wèi)星圖像，得到所要的研究區(qū)域[25]；計算研究區(qū)域NDWI指數；對以上步驟的結果進行決策樹分類，從而提取出河湖水系信息。最后將ENVI軟件處理得到的數據輸入ArcGIS中，對前面提取出的信息進行處理統(tǒng)計，即可獲得所需河湖水系指標數據[26]。

2.2 水系連通功能指標

河湖水系有自然功能和社會功能兩方面，城市的發(fā)展和人類對河湖水系的改造利用，加快了水系之間自然功能和社會功能的相互作用。城市的發(fā)展使河湖水系發(fā)生改變，影響了河湖水系原本的自然功能，但隨著人們環(huán)保意識提高，水體污染現象也有所改善，因此需要進行綜合評價。社會功能方面，河湖水系的社會價值隨著城市的發(fā)展而提高。根據相關研究，可依據科學性、代表性和目的性兼?zhèn)湫缘仍瓌t從自然功能和和社會功能出發(fā)，選出18個指標。這18個指標分為兩個目標層，每個目標層又分有4個準則層。根據?？谑泻雍嶋H情況、歷年數據以及海口市河湖發(fā)展規(guī)劃等，從各個準則層篩選出8個功能指標。這些指標可較全面地反應海口市河湖水系連通功能情況，并且數據可在海口市河湖水系水資源公報和年鑒中查得。具體指標選取情況參見文獻[27]。

2.3 指標相關性分析

利用SPSS統(tǒng)計軟件進行數據分析處理可較為便捷、準確地得到結果[28]，兩個變量之間是否存在相關關系可用雙變量分析法進行分析?；赟PSS軟件的靈活準確及實用性強等優(yōu)點，對于相關性較好的指標，本文采用SPSS軟件進行統(tǒng)計和分析，在此運用雙變量分析方法，由此可減少其他變量的干擾，從而得到較為精確的結果。

2.4 方程的建立與指標閾值的確定

研究步驟如下：首先，利用SPSS軟件分析水系，將形態(tài)指標和功能指標聯系起來，篩選出相關性較好的指標，自變量為功能指標，因變量為形態(tài)指標，繪制圖像。由此建立了相關的方程，在對方程進行檢驗后即可確定其是否具有重要意義。得到函數表達式后運用ZX數學函數作圖軟件作圖，公共區(qū)域即為所求。ZX數學函數作圖軟件應用靈活，數學函數圖像可自動做出[29]。水系連通評價指標標準制定依據如下：一是參照國家或有關部門規(guī)定的標準，如《城市水系規(guī)劃導則》(SL431-2008)等；二是參考文獻或據具有代表性的最新研究數值，例如《海南省水力資源開發(fā)規(guī)劃》、《海南省水資源綜合規(guī)劃總體布局與實施方案》、還有李麗等[30]，李宗禮等[9]的研究成果?？梢愿鶕笜嗽u價標準確定數值范圍。結合以上步驟得到的相關性較好的水系連通功能指標、形態(tài)指標來構造函數表達式，運用軟件做出圖像并對公共區(qū)域求解，水系連通形態(tài)指標閾值即為可求。

3 研究區(qū)域分析

?？谑锌偯娣e為 2 304.84 km2，南渡江為?？谑兄饕恿?，另外有 6 條南渡江支流流經?？?，除了南渡江水系，海口市還有 9 條獨流入海的河流。?？谑杏形鍌€主要景觀湖泊，建有永莊、鳳譚等十座中型水庫，另外有中小型水庫及塘壩分布在海口市城鎮(zhèn)滿足城市發(fā)展的需要。?？谑须m水源豐富、降水充裕但存在水資源分布不均、供需不平衡的問題，基于以上問題，若干水系連通工程現已在?？谑薪ㄔO，使不同地區(qū)的用水需求得以滿足。

3.1 水系連通形態(tài)指標的計算

采用ENVI軟件提取水體信息，運用波段運算和決策樹分類對影像進行處理，從而得到海口市6年的水系網絡圖，如圖1。接下來將處理好的影像圖輸入到ArcGIS軟件中進行指標信息的分析提取，進而得到各形態(tài)指標數值，如表3。

3.2 水系連通功能指標的計算

首先結合?？谑袑嶋H情況，選取表征水系連通的自然功能和社會功能的最具代表性的指標；然后，開展水系連通功能評價，方法是根據《海南省水資源綜合規(guī)劃總體布局與實施方案》、《海南省水資源公報》(2000-2016)、《?？谑协h(huán)境質量公報》等文獻，得到海口市不同年份河湖水系基本信息的評價數據，見表4。

羅邦堯等[3]用鎂治療心絞痛34例，方法是25%硫酸鎂5ml加入25%葡萄糖溶液40ml中靜注，每日1次，12次為1療程。結果病人癥狀均有所改善。灌注鎂溶液可刺激前列腺環(huán)素的釋放，對冠狀動脈疾病患者產生的作用與灌注前列腺環(huán)素作用是相似的。這類作用包括使冠狀血管阻力下降，靜息時冠狀動脈血流量增加，心肌乳酸產生減少，快速心房起搏誘發(fā)心絞痛所需的時間延長。

3.3 功能指標與形態(tài)指標相關性分析

運用SPSS軟件，對獲取的2000-2016年份數據進行雙變量相關分析，對功能指標和形態(tài)指標分別進行相關性分析，可得如下分析結果，見表5。

形態(tài)指標與功能指標間的相關性可分為置信度水平α=0.1和α=0.05上進行相關計算。功能指標中的濕地面積變化率、水庫調節(jié)能力指數、年平均徑流保證率和生態(tài)流量保證率與形態(tài)指標之間的相關性不顯著,功能指標中的水力發(fā)電效率、水體納污能力、河流水質達標、地表水城鎮(zhèn)供水比率與水系連通度、節(jié)點連接率、水系環(huán)度、河網密度、河道槽蓄容量、河長形態(tài)指標具有相關性。其中，在置信度水平α=0.1上相關的指標為：水體納污能力、地表水城鎮(zhèn)供水比率與河長、河網密度，河流水質達標率與節(jié)點連接率、水系環(huán)度、河道槽蓄容量；在置信度水平α=0.05上相關的指標為：功能指標中的水力發(fā)電效率、水體納污能力均與形態(tài)指標中的水系連通度、水系環(huán)度、節(jié)點連接率指標顯著相關，此外還有地表水城鎮(zhèn)供水比率與水系環(huán)度、節(jié)點連接率、水系連通度，河流水質達標率與河網密度、河長。

3.4 水系連通形態(tài)指標閾值確定

第一步，確定 2030 年水功能需求目標值，查閱相關文獻資料，從《海南省統(tǒng)計年鑒》(2000-2016)、《海南省水資源公報》(2000-2016)以及《海南省水資源綜合規(guī)劃總體布局與實施方案》等規(guī)劃文件可獲得相應數據，由此進行分析計算；第二步，根據計算得到的方程組以及?？谑?030年水域規(guī)劃等進行推算，可得到水系連通形態(tài)指標的理論值；最后，對結果進行驗證，可通過參考《海南省水力資源開發(fā)規(guī)劃》《海南省水資源綜合規(guī)劃總體布局與實施方案》、李麗等[30]，李宗禮等[9]的研究成果得到對未來水系建設的規(guī)劃值。具體步驟如下：通過相關性分析及圖像分析可得到線性方程組，檢驗線性方程組的顯著性，通過SPSS軟件經過分析可得到系數項，見表6。

圖1 ?？谑胁煌攴菟堤崛D

表3 ?？谑兴颠B通形態(tài)指標數值

表4 不同年份?？谑兴颠B通功能指標數值

表5 功能指標與形態(tài)指標的相關分析結果

注：表中r為兩個指標間的Pearson相關性；α為指標的顯著性水平(雙側)。

表6 多元線性方程組系數項

由表6中數據可以得到以功能指標為因變量，以對應形態(tài)指標為自變量的多元線性回歸方程式。如水體納污能力為因變量，河網密度、水系環(huán)度、節(jié)點連接率、水系連通度為自變量。同理，可得到其余3個方程式。關于河流水質達標率、地表水城鎮(zhèn)供水比率、水利發(fā)電效率和水體納污能力4個功能指標，整理得關系式如下：

y1=5195.51+7.85x1+649.80x2+10762.53x3-5181.71x4

(2)

y2=-18286.14-1914.83x2-40250.72x3+20633.99x4-6253.50x5

(3)

y3=9790.11+14443.51x3-7518.61x4-6714.37x5

(4)

y4=43897.31+18611.35x2+102271.59x3-66105.67x4+137079.58x5

(5)

式中：x1為河道槽蓄容量；x2為河網密度；x3為水系環(huán)度；x4為節(jié)點連接率；x5為水系連通度；y1為河流水質達標率；y2為地表水城鎮(zhèn)供水比率；y3為水力發(fā)電效率；y4為水體納污能力。

選取自變量最少的方程進行求解，可使求解過程簡化，并且可根據往年數據確定一定自變量的取值區(qū)間。方程式(4)自變量個數最少，并且方程式(4)中的y3可根據相關文件得到，可將方程式(4)中的y3、x3作為常量，通過數據查閱，指標x4的取值區(qū)間可求得。由以上數據可對方程式進行整理，得方程式(5)，進而可解出x5。

(6)

求解時將方程組作圖，并結合功能指標y4和形態(tài)指標x4的取值區(qū)間進行繪制，結果如圖2所示。水系河網密度、水系環(huán)度和連節(jié)點連接率的公式(7)～(9)中的變量可由方程式(2)、(3)、(5)求得，同理，可得圖2，各指標的取值區(qū)間即可求得。

(7)

(8)

(9)

圖2中，實線與虛線中間的陰影部分即為功能指標和形態(tài)指標的取值區(qū)間。由圖2可知，陰影區(qū)域四個角坐標中左下角縱坐標為最小值，右上角坐標為最大值，由此可得4副圖像中縱坐標的取值區(qū)間，即x5：[0.3384,0.3541]、x2：[0.0585，0.1786]、x3：[0.0049,0.0111]、x4：[1.0152,1.2471]。參考海口市相關規(guī)劃，給出到2030年水功能需求如下：河流水質達標率達到80.92%、地表水城鎮(zhèn)供水比率達到92.23%、水力發(fā)電效率達56.91 %、水體納污能力達24 708(CODcr)t/a?；谝陨辖Y果即可得出?？谑兴敌螒B(tài)指標的取值區(qū)間：節(jié)點連接率[1.0152,1.2471]、水系環(huán)度[0.0049,0.0111]、河網密度[0.0585，0.1786]、水系連通度[0.3384,0.3541]。根據?？谑邢嚓P規(guī)劃以及成果，將依據方程得到的理論值與規(guī)劃值進行驗證，認為本文得到的水系連通形態(tài)指標閾值合理。

圖2 水系連通形態(tài)的閾值確定

4 結 論

通過構建?？谑谐鞘谢瘜λ颠B通性影響的定量分析指標體系，通過ENVI、ArcGIS軟件以及資料收集，得到2000-2016年來?？谑兴颠B通形態(tài)和功能指標，最后運用統(tǒng)計學方法分析了水系連通功能指標和水系連通形態(tài)指標關系，并結合?？谑兴档奈磥硭δ?，確定了水系連通指標閾值。結論如下：

(1)海口市河長、河網密度、水系環(huán)度、節(jié)點連接率、水系連通度指標均在呈減少趨勢，并且河湖水系日趨單一化。

(2)分析水系連通形態(tài)指標與功能指標之間的相關關系。4個功能指標和6個形態(tài)指標相關性顯著，即功能指標中的水力發(fā)電效率、水體納污能力、河流水質達標、地表水城鎮(zhèn)供水比率與形態(tài)指標水系連通度、節(jié)點連接率、水系環(huán)度、河網密度、河道槽蓄容量、河長具有相關性。

(3)通過分析其相關性趨勢確定?？谑谢诔鞘兴δ苄枨蟮乃颠B通指標閾值，節(jié)點連接率的閥值為[1.0152,1.2471]，水系環(huán)度的閥值為[0.0049,0.0111]，河網密度的閥值為[0.0585，0.1786]，水系連通度的閥值為[0.3384,0.3541]。若水系連通指標數值在此范圍之內，說明河湖水系可較好地滿足?？谑杏盟枨?，有利于城市發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善。此閾值的確定可為城市化對水系連通影響地區(qū)的水資源規(guī)劃管理，以及城市建設等提供參考。今后研究工作應進一步豐富應用實例，選取不同城市河湖作為研究對象，使結果更具代表性。