太湖流域城市化對(duì)平原河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)與連通性影響*

魏鎣鎣,李一平**,翁晟琳,徐蕓蔚,朱 立

(1：河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,南京 210098)(2：河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210098)(3：張家港市水資源管理處,張家港 215617)

河湖水系雖然是自然演化的重要產(chǎn)物,但是其發(fā)展過程也與人類活動(dòng)息息相關(guān)[1],它為人類的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了支撐,同時(shí)也成為了受人類活動(dòng)影響最強(qiáng)烈的生態(tài)系統(tǒng)之一[2]. 城市化是各種人類活動(dòng)中對(duì)河網(wǎng)水系影響最明顯的,全球60%的河流因?yàn)槌鞘谢l(fā)生了形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變[3],由此會(huì)帶來水環(huán)境惡化、河網(wǎng)調(diào)蓄能力下降等一系列問題. 因此研究城市化進(jìn)程下河網(wǎng)水系的變化具有重要的意義.

對(duì)河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)的研究是分析河網(wǎng)形態(tài)和功能的基礎(chǔ)[4]. 近年來我國對(duì)河流水系結(jié)構(gòu)形態(tài)及連通性的研究主要集中在江西[5-6]、河南[7]、浙東沿海[8]、太湖流域[9-11]等地區(qū). 河網(wǎng)在城市化進(jìn)程中受到破壞后,主要表現(xiàn)出河道數(shù)量減少,河網(wǎng)密度下降,河道趨于主干化等問題. 連通性是河網(wǎng)功能性指標(biāo)之一,現(xiàn)代城市洪澇災(zāi)害的頻發(fā)與河網(wǎng)連通性降低有關(guān)[12]. 關(guān)于河網(wǎng)水系連通性的研究于20世紀(jì)后開始發(fā)展,主要涉及的理論基礎(chǔ)包括景觀生態(tài)學(xué)[13]、圖論[14]、水文模型[15]等. 已有對(duì)太湖流域地區(qū)平原河網(wǎng)的研究主要集中在以自然發(fā)育河流為主的水系區(qū)域,缺少長江中下游沿江城市典型的人工河渠與自然河流共同存在下的綜合水系河網(wǎng)結(jié)構(gòu)及連通性的研究.

太湖流域位于長江三角洲,該地區(qū)是我國的經(jīng)濟(jì)核心區(qū)之一,同時(shí)也是河網(wǎng)最密集的地區(qū)之一[16]. 本文以太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)的沿江城市張家港為例開展研究具有典型性,張家港在近年來城市化發(fā)展迅速,河網(wǎng)結(jié)構(gòu)及連通性的變化較大,因此研究該區(qū)域平原河網(wǎng)在城市化背景下的變化有實(shí)際意義,有助于理解在高強(qiáng)度人類活動(dòng)干擾下平原河網(wǎng)的演變以及其對(duì)水環(huán)境、水資源帶來的影響,能為修復(fù)平原地區(qū)河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)河網(wǎng)連通性提供重要的依據(jù).

1 研究區(qū)域概況

張家港市(31°43′12′′～32°02′N,120°21′57′′～120°52′E)位于江蘇省東南部,北臨長江,是位于沿海及長江三角洲經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)交匯地區(qū)的新興工業(yè)城市. 張家港市全市的總面積是986.73 km2,其中陸地面積為791.05 km2,屬于太湖流域武澄錫虞水系,區(qū)域內(nèi)河流眾多、縱橫交錯(cuò),形態(tài)南北各異,南部多彎曲河流,北部多順直河流[17],目前境內(nèi)河道總長約1079 km,屬典型的平原河網(wǎng)地區(qū)(圖1),區(qū)域中河網(wǎng)水系為天然發(fā)育河流與人工開挖河渠共存的綜合水系. 張家港市自改革開放以來,人均GDP持續(xù)增長,工業(yè)水平飛速提升,城市化進(jìn)程顯著,在此過程中,許多河流被淤堵、填埋,水系形態(tài)發(fā)生了較大的改變. 本文對(duì)張家港市八鎮(zhèn)一區(qū)的河網(wǎng)水系變化進(jìn)行探討,不考慮地理位置較為獨(dú)立的雙山島旅游度假區(qū).

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Location of the study area

2 研究方法和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

由于平原地區(qū)河網(wǎng)密度高、復(fù)雜度高,河流流向不定,且有大量的人工介入,Horton、Strahler等經(jīng)典的河流分級(jí)方法不適合直接應(yīng)用[9],所以按照河流寬度對(duì)河網(wǎng)水系進(jìn)行分級(jí),河寬大于20 m的為一級(jí)河流；河寬為10～20 m的為二級(jí)河流；河寬小于10 m的為三級(jí)河流[18]. 根據(jù)《張家港城區(qū)河道控制性詳細(xì)規(guī)劃》,將研究區(qū)范圍內(nèi)區(qū)域性河道與通江主干河道定義為干流.

2.1 水系結(jié)構(gòu)參數(shù)

選取水面率、河網(wǎng)密度、河頻率[6,19]和干流面積長度比[20]、河網(wǎng)復(fù)雜度來表示水系結(jié)構(gòu)特征[5,10]，計(jì)算公式如下：

Wp=(Aw/A)×100%

(1)

Rd=L/A

(2)

Rf=N/A

(3)

RAL=Am/Lm

(4)

CR=N0(L/Lm)

(5)

式中，Aw為水域面積；A為研究區(qū)域總面積；L為河網(wǎng)總長度；N為研究區(qū)內(nèi)河流總數(shù)；Am為主干河流面積；Lm為主干河流長度；N0為河流等級(jí)數(shù).

水面率(WP),即多年平均水位下河道水體的實(shí)際水面積與區(qū)域總面積之比，表示河流面積發(fā)育程度；河網(wǎng)密度(Rd)是指單位流域面積上的河流長度,本文中用研究區(qū)域河流總長度與研究區(qū)域總面積之比得到，表示河流長度發(fā)育程度；河頻率(Rf)為區(qū)域內(nèi)河流數(shù)量與河網(wǎng)總長度之比，表示河網(wǎng)數(shù)量發(fā)育程度；干流面積長度比(RAL)為區(qū)域內(nèi)主干河流面積與總長度之比，表示主干河流長度與面積發(fā)育的不同步性.

另外,由于高度城市化地區(qū)人為干預(yù)的增多,河網(wǎng)水系的自相似性已被破壞[10,21],選取河網(wǎng)復(fù)雜度(CR)表征河網(wǎng)層次的豐富程度[9],數(shù)值越大,說明該地區(qū)河網(wǎng)構(gòu)成的層次越豐富,支撐干流的支流水系越發(fā)達(dá).

2.2 水系連通性參數(shù)

本文基于景觀生態(tài)學(xué)中景觀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接度的概念[22],利用圖論的相關(guān)理論對(duì)河網(wǎng)結(jié)構(gòu)連通性進(jìn)行分析[23]. 在河網(wǎng)水系中,將河道概化為線,將河流交匯的點(diǎn)定義為節(jié)點(diǎn),連接兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的河道定義為河鏈. 本文借助圖論中連通度的概念[13,23-24],選取線點(diǎn)率β和實(shí)際連通度γ來計(jì)算并評(píng)價(jià)河流結(jié)構(gòu)的連通性,計(jì)算公式如下：

β=Le/N

(6)

γ=Le/[3(N-2)]

(7)

式中,Le為河網(wǎng)中的河鏈數(shù)；N為河網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)數(shù).

表1 2001-2006年武澄錫虞區(qū)土地利用類型面積變化

Tab.1 The change of each land use type area in Wuchengxiyu district from 2001 to 2006

土地利用類型面積變化/km22001年2006年增加量/%城鎮(zhèn)1028.81671.262.4水田2616.81871.4-28.5旱地69.1177.9157.5林地77.576.7-1.0水域46.041.0-10.9

表2 張家港國民經(jīng)濟(jì)主要指標(biāo)

Tab.2 Major economic indicators of Zhangjiagang

國民經(jīng)濟(jì)主要指標(biāo)2002年2015年總?cè)丝?(萬人)85.27125.31非農(nóng)業(yè)人口/(萬人)34.9683.94城鎮(zhèn)化水平/%41.0066.99地區(qū)生產(chǎn)總值/(億元)365.022229.82人均生產(chǎn)總值/(億元)4.2824.20農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值/(億元)19.4433.89農(nóng)作物播種面積/km2714.53521.40

β為河網(wǎng)中河鏈數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)之比,反映了每個(gè)節(jié)點(diǎn)平均所連的河鏈數(shù),β小于1時(shí),水系為樹狀結(jié)構(gòu)；β大于1時(shí),水系為格狀結(jié)構(gòu)或回路結(jié)構(gòu).γ為河網(wǎng)中實(shí)際連接線數(shù)與最大可能連接線數(shù)之比,反映了河網(wǎng)水系各河道間實(shí)際連通程度,取值在0～1之間、接近1/3時(shí),水系為樹狀結(jié)構(gòu)；接近1時(shí),水系各節(jié)點(diǎn)間都相互連通[19-20,25].

2.3 研究區(qū)城市化進(jìn)程

城市化通常是指農(nóng)村人口向城市遷移的過程[26],表現(xiàn)為非農(nóng)村人口所占比例的增加,農(nóng)業(yè)用地向城市建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變. 本文主要采用非農(nóng)業(yè)人口比重來表征張家港區(qū)域城市化水平.

由2001-2006年武澄錫虞區(qū)土地利用類型面積[11]的變化可以看出,城鎮(zhèn)用地和旱地的面積有快速增加的趨勢(shì),而水田、林地、水域的面積呈減小趨勢(shì)(表1). 旱地面積的增加量最為明顯,5年約增加了1.5倍,同時(shí)城鎮(zhèn)用地面積增加了62.4%,因此位于該區(qū)域的張家港在此期間城市化進(jìn)程明顯.

2002-2015年張家港非農(nóng)業(yè)人口的比重發(fā)生了顯著的變化,由41.00%上升至66.99%(表2),因此該階段研究區(qū)城市化進(jìn)程明顯. 同時(shí)總?cè)丝?、地區(qū)生產(chǎn)總值與人均生產(chǎn)總值也增長迅速,但是與此同時(shí)農(nóng)作物播種面積卻發(fā)生了減少,減少了約27%,從另一方面表現(xiàn)出了張家港在這13年間城市化成果顯著,原本用于農(nóng)作物播種的區(qū)域逐漸向城鎮(zhèn)發(fā)展用地轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化過程中的填河造地等活動(dòng)導(dǎo)致了河道面積的縮減.

2.4 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

本文河網(wǎng)水系分析研究使用的數(shù)據(jù)資料為張家港市水資源管理處提供的2002年和2015年兩個(gè)時(shí)期的張家港市1∶50000的數(shù)字化水系圖,在數(shù)字化中,將湖泊、池塘作為面狀水系,河流作為線狀水系,由于張家港地區(qū)面狀水系較少,便于統(tǒng)計(jì)將其忽略,本文主要統(tǒng)計(jì)線狀水系,同時(shí)忽略兩端不與河網(wǎng)相連的河道. 在繪制水系圖時(shí),將干流繪制為寬度2 mm的河道,其余河道線寬為1.5 mm(圖2).

圖2 2002年和2015年研究區(qū)水系Fig.2 River system of research area in 2002 and 2015

表3 各時(shí)期全區(qū)河道水系結(jié)構(gòu)參數(shù)值

Tab.3 Structural parameters of river system of whole region in each period

水系結(jié)構(gòu)參數(shù)2002年2015年變化率河流長度/km1234.411078.85-12.6%水面積/km226.7522.54-15.7%水面率WP/%3.382.85-15.7%河網(wǎng)密度Rd/(km/km2)1.561.36-12.6%河頻率Rf/(條/km2)0.570.38-33.3%干流面積長度比RAL/(km2/km)0.03050.0284-7.0%

3 結(jié)果與討論

3.1 水系結(jié)構(gòu)變化

3.1.1 全區(qū)水系結(jié)構(gòu)變化 圖2為研究區(qū)不同時(shí)期的水系圖,區(qū)域水系結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3.

隨著城市化的發(fā)展,研究區(qū)的河流總數(shù)減少了約149條,總長度減少約155.6 km,年均減少12.0 km,總面積減少約4.2 km2,與河道長度相比,總面積變化較小. 從河流形態(tài)上看,2002-2015年間三級(jí)河道大幅減少,變化劇烈,長度減少了192.9 km,面積減少了約4.0 km2,占總消失面積的95.2%,這與城市化進(jìn)程中河網(wǎng)水系的改造有關(guān),河寬較小的低等級(jí)河道被填埋. 與此同時(shí),由于平原河網(wǎng)地區(qū)防洪排澇及調(diào)水引流的需求,部分河道進(jìn)行了拓寬工程,另外,城市化進(jìn)程中河道出現(xiàn)降級(jí)現(xiàn)象,部分一級(jí)河流寬度降低被劃分為二級(jí)河流,因此二級(jí)河道總長度增加了102.1 km,占原二級(jí)河道長度的21.1%,面積增加了約1.3 km2,一級(jí)河道總長度減少了64.8 km,總面積減少了1.5 km2,由于一級(jí)河道多為城市水系規(guī)劃中的骨干河道,總體變化相對(duì)較小.

研究區(qū)水面率從3.38%(2002年)降低到2.85%(2015年),變化率為-15.7%(表3),楊凱等[21]從保護(hù)平原河網(wǎng)水系和保證河網(wǎng)功能為目的,建議上海平原河網(wǎng)地區(qū)的水面率不低于9%,在未考慮張家港地區(qū)面狀水系及雙山島旅游度假區(qū)水系的前提下,研究區(qū)平均水面率遠(yuǎn)低于該值,需引起重視. 河網(wǎng)密度從1.56 km/km2(2002年)減少到1.36 km/km2(2015年),降低了12.6%. 與此同時(shí),河頻率的變化達(dá)到-33.3%,遠(yuǎn)大于水面率與河網(wǎng)密度降低的程度,這是因?yàn)樵诔鞘邪l(fā)展建設(shè)中人為進(jìn)行了河流的填埋,低等級(jí)河流大量消失,而低等級(jí)河流本身的河長、河寬相對(duì)較小,因此整體河網(wǎng)密度與水面率的衰減程度小于河頻率. 干流面積長度比減小幅度較小,基本維持在0.03 km/km2左右,說明研究區(qū)主干河流面積與長度的發(fā)育同步性較好.

3.1.2 水系結(jié)構(gòu)變化的空間分異 (1)各區(qū)水系結(jié)構(gòu)參數(shù)變化.

1)水面率：如圖3所示,除常陰沙現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)外,其余8鎮(zhèn)的水面率都有所降低,減小幅度在4.8%～28.0%,常陰沙的水面率在此期間增加了52.3%,增幅較大. 8鎮(zhèn)的變化具有同步性,雖然衰減率有所差別,但變化前后水面率高低排序變化較小. 2002年水面率最大的是楊舍鎮(zhèn),為4.6%,最小的是大新鎮(zhèn)(2.2%),同時(shí)大新鎮(zhèn)也是水面率衰減程度最小的地區(qū),13年間僅減少了4.8%,而楊舍鎮(zhèn)是衰減率最大的地區(qū),達(dá)到了28.0%,這與楊舍鎮(zhèn)是張家港的城市中心有關(guān),由于城市的建設(shè)需求,中小型河流被大量填埋. 常陰沙主要以發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)為主,灌溉和養(yǎng)殖的需求使該地區(qū)在發(fā)展中進(jìn)行了有規(guī)劃的新河道開挖工程,從水系圖(圖2)可以看出該地區(qū)河道分布較為規(guī)律.

2)河網(wǎng)密度：常陰沙與大新鎮(zhèn)的河網(wǎng)密度增幅分別為39.8%、17.2%,其余7鎮(zhèn)河網(wǎng)密度的變化率在-30.2%～-2.3%范圍內(nèi). 除常陰沙外,2002年河網(wǎng)密度最大的地區(qū)為楊舍鎮(zhèn),為2.0 km/km2,最小的是樂余鎮(zhèn)(1.2 km/km2),大新鎮(zhèn)的河網(wǎng)密度經(jīng)過城市化發(fā)展由1.3 km/km2增加到1.5 km/km2,成為2015年河網(wǎng)密度第二高的地區(qū),僅次于楊舍鎮(zhèn)(1.6 km/km2). 河網(wǎng)密度衰減程度最高的是南豐鎮(zhèn),衰減率達(dá)到了30.2%；衰減程度最低的地方是塘橋鎮(zhèn),只有2.3%. 水面率與河網(wǎng)密度的衰減表現(xiàn)出了河網(wǎng)面積與長度變化的不同步性,水面率衰減程度最高的是楊舍鎮(zhèn)、金港鎮(zhèn),而河網(wǎng)密度衰減程度最高的是南豐鎮(zhèn)、錦豐鎮(zhèn),后二者河網(wǎng)密度減小的主要原因是區(qū)域內(nèi)寬度較小的低等級(jí)河流的消失. 常陰沙河網(wǎng)密度的增幅小于水面率.

3)河頻率：8鎮(zhèn)的河頻率衰減率在4.0%～68.0%之間,地區(qū)差異大,常陰沙在此期間的增長率為26.9%. 河頻率的分布在2002年空間差異明顯,最高的是南豐鎮(zhèn)和鳳凰鎮(zhèn),最低的樂余鎮(zhèn)，為0.3條/km2. 經(jīng)歷了平原河網(wǎng)的多年衰減后,除常陰沙外,2015年各區(qū)河頻率空間差異減小,分布較為均衡,原先河頻率較高的3個(gè)地區(qū)(南豐鎮(zhèn)、鳳凰鎮(zhèn)和塘橋鎮(zhèn))變化程度較大,分別為-68.0%、-53.2%和-53.4%,衰減后河頻率最大的地區(qū)為鳳凰鎮(zhèn)(0.5條/km2),樂余鎮(zhèn)幾乎沒有衰減. 常陰沙現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)在發(fā)展中除了新河道的開挖,也對(duì)已有河道進(jìn)行了拓寬、延長等工程,因此河道數(shù)量(河頻率)的增長率小于水面率與河網(wǎng)密度.

4)河網(wǎng)復(fù)雜度：常陰沙和金港鎮(zhèn)的河網(wǎng)復(fù)雜度隨著城市化分別增加了65.8%、12.7%,其余7鎮(zhèn)河網(wǎng)復(fù)雜度的衰減率在-51.4%～-20.0%之間,從這個(gè)變化中可以看出整個(gè)張家港地區(qū)的河網(wǎng)在城市化進(jìn)程中有主干化的趨勢(shì). 河網(wǎng)復(fù)雜度的空間差異性非常明顯,大新鎮(zhèn)在2002年的河網(wǎng)復(fù)雜度最大,為20.3,在經(jīng)過了-22.2%的變化后為15.8,依然是最高的地區(qū),從大新鎮(zhèn)17.2%的河網(wǎng)密度增長率可以看出,雖然該地區(qū)河網(wǎng)復(fù)雜度下降,但河道總長的增加使該地區(qū)河網(wǎng)復(fù)雜程度依然高于其他區(qū)域. 常陰沙現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)的河網(wǎng)復(fù)雜度在2002年最低,為4.5,在水系變化的過程中,大量中小型河流的增加使主干河道比例減小,因此經(jīng)歷24.3%的增長后變?yōu)?.6. 金港鎮(zhèn)位于長江邊,原本河網(wǎng)中干流水系發(fā)達(dá),城市化進(jìn)程中該地區(qū)干流的衰減程度大于其他河流,因此2002-2015年主干河道所占比重減小,使該地區(qū)河網(wǎng)復(fù)雜度增長了12.7%. 南豐鎮(zhèn)3.9 的河網(wǎng)復(fù)雜度在2015年為最低,衰減率也是全區(qū)最高,達(dá)到了51.4%,這與其河頻率、河網(wǎng)密度的變化相符,大量低等級(jí)河道的消失使它成為主干化最明顯的地區(qū),河網(wǎng)層次趨于簡單化.

圖3 2002年和2015年各行政單元水系結(jié)構(gòu)參數(shù)及變化率Fig.3 Structural parameters of river system and its change rate of each administrative unit in 2002 and 2015

(2)空間分異性.

從空間分布來看,水面率與河網(wǎng)密度較大的地區(qū)都集中在張家港支流水系較為發(fā)達(dá)的南部,沿江的北部地區(qū)較??；水面率衰減程度最劇烈的區(qū)域位于西南部,東部衰減程度較低(圖4a)；除南豐鎮(zhèn)、錦豐鎮(zhèn)和大新鎮(zhèn)外,其余地區(qū)河網(wǎng)密度的衰減率較為平均(圖4b). 2002年河頻率最高的東南部地區(qū)在經(jīng)過13年的城市化后衰減程度最劇烈(圖4c),衰減后除常陰沙外,其余地區(qū)河頻率較為接近,但總體上南部比北部更高. 河網(wǎng)復(fù)雜度衰減最劇烈的地區(qū)位于張家港東北部(圖4d).

張家港南北河流形態(tài)具有差異性,南部多為自然發(fā)育形成的河流,呈彎曲型,形態(tài)多樣化；北部多為人工開挖的河流,呈順直型[17],因此在城市化帶來的水系改造活動(dòng)大量進(jìn)行前,南部較北部水系在河道面積、長度、數(shù)量上有優(yōu)勢(shì). 水系的“井型結(jié)構(gòu)”被認(rèn)為是平原地區(qū)經(jīng)人工改造后一種可以滿足河道各種功能需求的水系結(jié)構(gòu)[27],由圖2可以看出,2002年張家港北部沿江的樂余鎮(zhèn)、錦豐鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)有較為明顯的近“井型結(jié)構(gòu)”水系,經(jīng)過13年城市化改造后,北部區(qū)域的“井型結(jié)構(gòu)”更為明顯,南部區(qū)域有向“井型結(jié)構(gòu)”變化的趨勢(shì),該區(qū)域經(jīng)自然發(fā)育形成的低等級(jí)河流大量消失,以此來滿足城市化導(dǎo)致的建設(shè)用地需求的增加,這與美國俄克拉荷馬雷鳥湖流域的研究[28]結(jié)果相似,因此南部區(qū)域的水面率和河頻率較北部有更大程度的衰減.

由此看出城市化對(duì)水系結(jié)構(gòu)的影響程度不但取決于城市的發(fā)展建設(shè),也基于原來水系的形態(tài). 太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)的水系為自然發(fā)育河流與人工河渠共存的綜合水系,隨著城市化發(fā)展,自然發(fā)育河流為主的水系在水面率(河道面積)、河網(wǎng)密度(河道長度)、河頻率(河道數(shù)量)上會(huì)有較大的衰減,而人工河渠為主的水系變化相對(duì)較小.

圖4 各時(shí)期分區(qū)水系結(jié)構(gòu)參數(shù)及變化率Fig.4 Structural parameters and change rate of water system in each period

3.2 連通性變化

城市化對(duì)水系結(jié)構(gòu)連通性變化影響顯著. 研究區(qū)河鏈數(shù)由2002年的1748減少到2015年的949,減少率達(dá)到了45.7%,減少了近一半；節(jié)點(diǎn)數(shù)在2002年為1445,2015年只有719,減少率高達(dá)50.2%. 隨著城市的發(fā)展,大量低等級(jí)河流的消失導(dǎo)致地圖上河鏈與節(jié)點(diǎn)數(shù)的大幅減少,但河鏈的平均長度卻在這期間有所增加,由原來的0.71 km增加為1.14 km,這與城市化中河流的主干化趨勢(shì)有關(guān),與低等級(jí)河流不斷消失同時(shí)發(fā)生是高等級(jí)河流的拓寬與建設(shè),因此河鏈平均長度增加了；同時(shí),由節(jié)點(diǎn)數(shù)減少率大于河鏈數(shù)可知,相同長度河鏈上出現(xiàn)的平均節(jié)點(diǎn)數(shù)必定有所減少,由此也能解釋河鏈平均長度的增加(表4).

研究區(qū)整體與各區(qū)不同時(shí)期的河網(wǎng)水系線點(diǎn)率與實(shí)際連通度如表4和圖5所示,2015年與2002年相比,整體的線點(diǎn)率β由1.21增加到1.32,實(shí)際連通度由0.40增加到0.44,變化較小,連通性略有提高. 但是從各區(qū)分別來看,其中楊舍鎮(zhèn)、塘橋鎮(zhèn)、鳳凰鎮(zhèn)、南豐鎮(zhèn)與常陰沙現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)五個(gè)地區(qū)內(nèi),線點(diǎn)率與實(shí)際連通度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),河網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)之間的連通能力在減弱,河道之間的暢通程度隨著城市化發(fā)展而變?nèi)? 與此同時(shí),金港鎮(zhèn)、錦豐鎮(zhèn)、樂余鎮(zhèn)和大新鎮(zhèn)的線點(diǎn)率與實(shí)際連通度有所增加,說明該區(qū)域河網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)間的通達(dá)能力有所加強(qiáng).

從空間上來看,河網(wǎng)連通能力加強(qiáng)的地區(qū)集中在張家港西北部地區(qū),而東南部區(qū)域河網(wǎng)暢通程度減弱,這與上文所提到的張家港水系的南北差異有關(guān),東南部地區(qū)為離江較遠(yuǎn)的內(nèi)河區(qū)域,原本的支流水系較沿江地區(qū)更為發(fā)達(dá),在城市化進(jìn)程中受人類活動(dòng)干擾,水系結(jié)構(gòu)變化更多,同時(shí),為低洼農(nóng)田修建的圩區(qū)的增加影響了自然水系的毛細(xì)結(jié)構(gòu),加速了低等級(jí)河道的消亡,使原本的水系格局被打亂,河道被切斷[17].

表4 研究區(qū)河網(wǎng)連通性參數(shù)變化情況

在研究區(qū)水系由自然型向主干型與“井型結(jié)構(gòu)”變化的過程中,河網(wǎng)原本自身調(diào)蓄與排水的功能遭到破壞,水動(dòng)力減弱,進(jìn)而需借助新建水閘、泵站增強(qiáng)河流的調(diào)蓄能力,而水閘、泵站的調(diào)度需要基于歷史觀測數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)情況、各區(qū)域需求甚至局部水質(zhì)情況及時(shí)調(diào)整,不合理的調(diào)度不但無法增強(qiáng)河流的調(diào)蓄能力,還會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境,對(duì)水資源造成不可逆的損害. 目前城市化帶來的人工河渠為主的河網(wǎng)需要更合理的人工干預(yù)才能增強(qiáng)并維持水體的連續(xù)性和連通性,讓河流保持健康,水資源可持續(xù)利用,實(shí)現(xiàn)水系的調(diào)蓄功能與生態(tài)效益[29].

圖5 各時(shí)期分區(qū)河網(wǎng)連通性參數(shù)情況Fig.5 The connectivity parameters of the river network in different periods

3.3 城市化與水系結(jié)構(gòu)指標(biāo)的關(guān)系

對(duì)不同行政區(qū)不同時(shí)期河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)參數(shù)與人口、GDP進(jìn)行相關(guān)水平分析表明：在兩個(gè)時(shí)期,水面率與人口、GDP之間相關(guān)水平均較高,呈正相關(guān)關(guān)系,說明不論什么時(shí)期,河網(wǎng)地區(qū)的水面率與可表征城市化水平的國民經(jīng)濟(jì)指標(biāo)密切相關(guān)；2002年河網(wǎng)密度(Rd)與人口、GDP、水面率之間相關(guān)水平較高,2015年水面率與河頻率密切相關(guān). 因此不同行政區(qū)河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)參數(shù)的空間分異與各地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及城市化水平有關(guān).

將對(duì)河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)參數(shù)變化與國民經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化進(jìn)行相關(guān)水平分析表明：GDP變化率、水面率變化率與河網(wǎng)密度變化率兩兩之間相關(guān)水平普遍較高,其中GDP變化與水面率變化、河網(wǎng)密度變化均為負(fù)相關(guān)關(guān)系,顯示隨著GDP的迅速增長,水面率與河網(wǎng)密度的衰減程度較高. 因此各區(qū)域河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)參數(shù)變化率的空間分異與不同地區(qū)GDP水平變化(城市化水平變化)的地區(qū)差異密切相關(guān).

表5 2002年河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)參數(shù)與國民經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之間的相關(guān)分析

表6 2015年河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)參數(shù)與國民經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之間的相關(guān)分析

表7 河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)參數(shù)變化與國民經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化之間的相關(guān)分析

*0.05水平上顯著相關(guān),**0.01水平上顯著相關(guān),***0.001水平上顯著相關(guān)(表中數(shù)據(jù)均為R2值).

3.4 城市化與連通性指標(biāo)的關(guān)系

將研究區(qū)整體河網(wǎng)連通性參數(shù)與總?cè)丝?、城?zhèn)化水平、農(nóng)作物播種面積的變化率進(jìn)行對(duì)比分析表明(表8)：隨著城市化進(jìn)程,河鏈數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)變化率與總?cè)丝?、城?zhèn)化水平變化率的數(shù)值具有同步性,河鏈數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)與農(nóng)作物播種面積有相似的減小趨勢(shì),說明河鏈與節(jié)點(diǎn)受城市化影響較大,這與河網(wǎng)主干化趨勢(shì)有關(guān),河網(wǎng)的衰退必然導(dǎo)致河鏈數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)的減少.

研究區(qū)整體的線點(diǎn)率、實(shí)際連通度變化較小,沒有隨城市化指標(biāo)而改變,這是因?yàn)楸疚乃徇B通性為結(jié)構(gòu)連通性,從水系結(jié)構(gòu)來看,南部與北部的河網(wǎng)變化具有空間分異性,河網(wǎng)暢通程度減弱與增強(qiáng)的地區(qū)同時(shí)存在,因此整體變化不大,由此看出,無法通過地區(qū)的城市化程度直接推斷該地區(qū)河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)連通性的變化.

表8 河網(wǎng)連通性參數(shù)與國民經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化

4 結(jié)論

1)太湖流域典型沿江城市張家港在2002-2015年間,水面率變化幅度為-15.7%,河網(wǎng)密度降低了12.6%,河頻率變化了-33.3%,河網(wǎng)衰減,低等級(jí)河道大量消失,有主干化趨勢(shì),但干流面積與長度發(fā)育的同步性較好；河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)在城市化影響下的變化具有明顯的空間分異. 常陰沙現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)河網(wǎng)呈發(fā)展趨勢(shì),河道數(shù)量、長度、密度均有增加；南部水系較北部水面率與河頻率衰減更劇烈；河網(wǎng)密度除東北部地區(qū)衰減較為劇烈外,其余區(qū)域變化較為平均；從河網(wǎng)復(fù)雜度的變化可以明顯看出主干化較為明顯的是東北部；太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)以自然發(fā)育河流為主的水系隨著城市化會(huì)有較大的衰減,人工河渠為主的水系變化相對(duì)較小.

2)全區(qū)連通性略有提高,但地區(qū)分異明顯,沿江的西北部地區(qū)河網(wǎng)連通能力有所加強(qiáng),而東南部內(nèi)河區(qū)域河網(wǎng)暢通程度減弱； 被圩區(qū)、水閘與泵站切斷的水系需要更合理的調(diào)度方案才能增強(qiáng)并維持水體的連通度,實(shí)現(xiàn)水系的調(diào)蓄功能與生態(tài)效益.

3)水面率與人口、GDP之間相關(guān)水平均較高；GDP變化與水面率變化、河網(wǎng)密度變化均為密切的負(fù)相關(guān)關(guān)系；各地區(qū)水系結(jié)構(gòu)參數(shù)與其變化率的空間分異與該地區(qū)人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平密切相關(guān)；

4)河網(wǎng)河鏈數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)受城市化影響較大,河網(wǎng)的衰退必然導(dǎo)致河鏈數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)的減少；研究區(qū)河網(wǎng)線點(diǎn)率、實(shí)際連通度的變化與城市化指標(biāo)相關(guān)性較弱,無法通過太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)的城市化程度直接推斷該地區(qū)河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)連通性的變化.

本文所選取的評(píng)價(jià)水系結(jié)構(gòu)的基本指標(biāo)與基于景觀生態(tài)學(xué)、圖論的連通性指標(biāo)可以基本反映太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)河道的變化情況,為后期該地區(qū)如何更好地優(yōu)化水系結(jié)構(gòu),合理發(fā)揮河道的防洪、調(diào)蓄功能提供了基礎(chǔ),并且基于分片區(qū)的研究更有利于各行政區(qū)域開展因地制宜的管理. 但太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)河道水流受閘、泵開閉影響大,在不同調(diào)度情況下連通性有所差別,所以本文連通性的研究具有一定局限性,如何使人工河渠為主的河網(wǎng)水系保持較好的結(jié)構(gòu)連通性與水文連通性還有待進(jìn)一步探索.