基于調(diào)蓄能力與水系結(jié)構(gòu)關(guān)系分析的城市合理水面率研究
——以常熟市為例

史書華 陳 星

(河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院,南京210098)

水域作為城市建設(shè)與社會發(fā)展的重要基礎(chǔ),是維持生態(tài)系統(tǒng)平衡與人居環(huán)境改善的藍色空間[1],保證城市的持續(xù)健康發(fā)展離不開適宜河湖水面的支撐[2].城市的水域面積受諸多因素影響,它與城市的經(jīng)濟社會以及自然資源條件密切相關(guān)[3].城市化期間,大部分城市為滿足不同建設(shè)需求對土地的需求,選擇侵占水面以獲得更多建設(shè)用地,謀求更迅速的經(jīng)濟發(fā)展,導(dǎo)致河道水面積、長度等大幅度減少,洪澇災(zāi)害頻發(fā)、河流功能受到影響、生態(tài)問題嚴峻[4].上海浦東新區(qū)河網(wǎng)水系總面積自2000年至2010年由117.11 km2縮減到98.51 km2[5]；蘇州市吳江區(qū)20世紀60年代至21世紀初水面率由27.88%下降到18.79%,多表現(xiàn)為區(qū)域湖泊水面的天然縮減及人為侵占[6]；江淮下游鹽都區(qū)自20世紀70年代至21世紀10年代初河網(wǎng)密度及水面率分別下降了21.3%、10.2%[7].水面率的不斷降低削弱了城市的防洪排澇能力,降低水體的自凈能力,嚴重影響城市的水安全問題,導(dǎo)致人居生活水平降低.因而對于水面率的控制規(guī)劃具有十分重要的現(xiàn)實意義.

當(dāng)前關(guān)于水面率的研究多著眼于防洪排澇和水資源開發(fā)上.郭元裕,白憲臺,錢緒來[8]利用線性規(guī)劃方法計算最優(yōu)水面率；溫進化,楊鐵鋒[9]利用Mike11系列軟件分別模擬計算滿足防洪排澇要求及達到水資源承載力需求的合理水面率；楊樹灘,仲兆林,華萍[10]將前人的研究成果類比參考,根據(jù)江蘇省的水域特點,采用類比分析法得出多個地級市的適宜水面率；張云龍,王烜,李春暉,等[11]通過改變下墊面條件來提升區(qū)域行洪除澇能力,進而確定蚌埠市合理水面率閾值.這些研究多從傳統(tǒng)水文學(xué)或水資源管理的角度考慮水面率的計算,本文擬從研究城市調(diào)蓄能力與水系結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系入手,以水系結(jié)構(gòu)的不同描述流域調(diào)蓄能力的差異,探究調(diào)蓄能力與水系結(jié)構(gòu)參數(shù)特別是水面率之間的定量關(guān)系,進而確定不同調(diào)蓄能力下的水面率要求.

1 研究區(qū)概況

常熟市為蘇州市代管的縣級市,位于蘇州市的北部、長江的西南岸,與南通隔江相望.全市總面積1 264.39 km2(其中長江江灘水域面積106.49 km2),區(qū)域地形以平原為主,總體地勢由西北向東南傾斜.全市屬北亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均降水量1 030.8 mm,降水量年內(nèi)分配不均勻,年際變化也很大.望虞河、鹽鐵塘縱橫貫穿全境,境內(nèi)市級以上河道26條、湖泊24個,水網(wǎng)密布,湖蕩較多,水面率約為16.6%(不包括長江水面面積),水系圖如圖1所示.在常熟市快速城市化進程中,出現(xiàn)了侵占河道、水體掩埋等現(xiàn)象,城市水面面積減少,1990～2015年城市水面率由25.4%減少到16.6%,衰減速率相對較大,城市水面率的控制刻不容緩.

圖1常熟市水系圖

2 研究方法

本文考慮常熟市水系特點、水系連通需求和不同地理位置河流調(diào)蓄能力的差異,分析區(qū)域調(diào)蓄水體分布、流向等,將其分為6個水利分區(qū),分別為Ⅰ區(qū):望虞河以西-張家港河以北地區(qū)；Ⅱ區(qū):望虞河以東-常滸河以西-張家港河以北地區(qū)；Ⅲ區(qū):常滸河以東-白茆塘以北地區(qū)；Ⅳ區(qū):望虞河以東-昆承湖以西地區(qū)；Ⅴ區(qū):昆承湖西岸-白茆塘以南地區(qū)；Ⅵ區(qū):望虞河以西-張家港河以南地區(qū).常熟市水利分區(qū)示意圖如圖2所示,不同水利分區(qū)河流分級示意圖如圖3所示.

圖2常熟市水利分區(qū)示意圖

圖3常熟市不同水利分區(qū)河流分級示意圖

本文水系數(shù)據(jù)采用2015年常熟市全市水系圖、全市地形圖、水利普查數(shù)據(jù)及項目現(xiàn)場測流數(shù)據(jù)等,統(tǒng)計各分區(qū)水利要素,計算各分區(qū)水面率、河網(wǎng)密度、河頻率、盒維數(shù)等水系結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)及調(diào)蓄能力參數(shù)指標(biāo),評價分析調(diào)蓄能力與水系結(jié)構(gòu)的相關(guān)關(guān)系,建立定量相關(guān)關(guān)系方程,從兩者內(nèi)在聯(lián)系入手探究滿足不同調(diào)蓄能力要求下的城市水面率,進而由城市實際調(diào)蓄能力需求得到合理水面率.

2.1 水系結(jié)構(gòu)參數(shù)

1)水面率(WP):區(qū)域內(nèi)河流及湖泊水面面積占總面積的比例,其計算公式如下:

式中:AW為河湖總面積(km2)；A為區(qū)域總面積(km2).

2)河網(wǎng)密度(Rd):區(qū)域單位面積內(nèi)的河道總長度,表示區(qū)域內(nèi)河流長度的發(fā)育程度,其值越大,流域內(nèi)水文響應(yīng)速率越快,其計算公式如下:

式中:LR為區(qū)域河道總長度(km).

3)河頻率(RF):區(qū)域內(nèi)單位面積內(nèi)的河流條數(shù),與指標(biāo)河網(wǎng)密度結(jié)合可以更好表征流域河網(wǎng)的發(fā)育程度,其計算公式如下:

式中:N為區(qū)域河流總條數(shù).

4)河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)(KP):本文將全市河流(不包括長江)分為市級及以上河流(一級河流)、鎮(zhèn)級河流(二級河流)、村級河流(三級河流)3個等級[12].KP表示區(qū)域內(nèi)二級河流、三級河流總長度與一級河流總長度的比值,表征區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)水系的主干化程度,其計算公式如下:

式中:Lw為二級、三級河流總長度(km)；L0為一級河流總長度(km).

5)面積長度比(RAL):區(qū)域內(nèi)一級河流總面積與其總長度的比值,其值越大,說明河道過水面積越大,其計算公式如下:

式中:A0為一級河流總面積(km2).

6)曲度(Sr):表示一級與二級河流現(xiàn)狀實際長度之和與該河流截彎取直的直線長度之和的比值,其值越大,表示區(qū)域內(nèi)河流彎曲程度越大,其計算公式如下:

式中:Lb為一級與二級河流實際長度之和(km)；LS為一級與二級河流直線長度之和(km).

7)節(jié)點通達度(β 指數(shù)):從圖論和幾何學(xué)的角度出發(fā),將區(qū)域主要河網(wǎng)概化為網(wǎng)絡(luò)N,β指數(shù)指網(wǎng)絡(luò)N內(nèi)每一個節(jié)點所鄰接的邊的平均數(shù)目,主要表示區(qū)域內(nèi)節(jié)點之間的相互聯(lián)系難易程度,其計算公式如下:

式中:e 為網(wǎng) 絡(luò)N的邊 數(shù)；n 為網(wǎng) 絡(luò)N的節(jié) 點數(shù).

8)盒維數(shù)(D):盒維數(shù)利用分形理論從總體上說明河網(wǎng)水系對特定區(qū)域的覆蓋程度,以及反映河網(wǎng)水系的復(fù)雜性特征[13],其計算公式如下:

式中:r為覆蓋片區(qū)水系的正方形網(wǎng)格邊長(mm)；N(r)為在ArcGIS用邊長為r 的正方形網(wǎng)格覆蓋不同片區(qū)水系得到的覆蓋水系的非空網(wǎng)格的數(shù)量；C為擬合線性方程的常量項.

2.2 流域洪水調(diào)蓄能力參數(shù)

采用單位面積槽蓄容量(SR)、單位面積可調(diào)蓄容量(ASR)表征片區(qū)洪水調(diào)蓄能力大小.

1)單位面積槽蓄容量(SR).SR 表示單位面積上在一定水位條件下河網(wǎng)所能蓄積的水量,其值大小表征河網(wǎng)的蓄水能力,其計算公式如下:

式中:b 為河道底寬(m)；h為河道水深(m)；k為 邊坡系數(shù)；L為單條河道長度(m).

2)單位面積可調(diào)蓄容量(ASR).ASR 表示單位面積上最高水位與常水位時河網(wǎng)槽蓄能力的差值,其值大小反映河網(wǎng)的調(diào)洪能力大小,其計算公式如下:

式中:SRi為最高水位下單位面積槽蓄容量(104m3/km2)；SR0為常水位下單位面積槽蓄容量(104m3/km2).

2.3 相關(guān)性分析方法

本文基于SPSS軟件中的雙變量相關(guān)分析法對調(diào)蓄能力指標(biāo)與水系結(jié)構(gòu)指標(biāo)進行相關(guān)性分析,從而得出相關(guān)性顯著指標(biāo).相關(guān)系數(shù)計算原理如下:

式中:R2為線性相關(guān)系數(shù),0≤R2≤1,當(dāng)R2越接近于1時,相關(guān)性越顯著；xi、yi分別為兩個指標(biāo)變量的系列值；分別為指標(biāo)變量的均值.

3 結(jié)果與分析

3.1 指標(biāo)計算

根據(jù)上述水利分區(qū),不同分區(qū)相關(guān)河道長度、區(qū)域面積運用MapInfo獲值,河網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與邊數(shù)統(tǒng)計區(qū)域水系概化圖獲值(見表1),分別計算不同區(qū)域水系結(jié)構(gòu)和調(diào)蓄能力參數(shù)(見表2).

表1常熟市不同水利分區(qū)河道水系參數(shù)統(tǒng)計表

表2常熟市不同水利分區(qū)河道水系結(jié)構(gòu)參數(shù)和調(diào)蓄能力參數(shù)計算統(tǒng)計表

基于GIS平臺,得到不同水利分區(qū)ln N(r)～ln r的關(guān)系圖(如圖4所示),6個分區(qū)ln N(r)～ln r 的擬合呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系,顯著性系數(shù)全部大于0.99,均為顯著性相關(guān),因而可根據(jù)其斜率達到片區(qū)的水系盒維數(shù).

圖4常熟市不同水利分區(qū)水系盒維數(shù)計算曲線擬合圖

根據(jù)表2計算的不同分區(qū)水系結(jié)構(gòu)參數(shù)和調(diào)蓄能力參數(shù),為進一步了解不同分區(qū)參數(shù)的變化情況,繪制不同水利分區(qū)水系結(jié)構(gòu)參數(shù)變化圖(如圖5所示)和不同水利分區(qū)調(diào)蓄能力柱狀變化圖(如圖6所示).

圖5常熟市不同水利分區(qū)水系結(jié)構(gòu)參數(shù)折線變化圖

圖6常熟市不同水利分區(qū)調(diào)蓄能力柱狀變化圖

由圖5與圖6可見,不同水利分區(qū)的水系結(jié)構(gòu)參數(shù)不是同步變化,由于各分區(qū)城市化水平不同,各分區(qū)不同水系結(jié)構(gòu)參數(shù)的大小都有差異.

Ⅰ區(qū):區(qū)域水系面積長度比、河頻率值相對較大,河網(wǎng)密度、水面率、節(jié)點通達度較小,調(diào)蓄能力最低,說明該片區(qū)河道長度較短,部分河道規(guī)模偏小,局部水系較為破碎.

Ⅱ區(qū):區(qū)域城市化水平相對較高,為常熟市主城區(qū)所在地,區(qū)域節(jié)點通達度、河網(wǎng)密度較大,河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)較小,調(diào)蓄能力僅高于Ⅰ區(qū),說明該片區(qū)河網(wǎng)連接度較好,但由于城市快速發(fā)展區(qū)域二三級河流發(fā)育較差,導(dǎo)致片區(qū)調(diào)蓄能力較差.

Ⅲ區(qū)、Ⅴ區(qū)、Ⅵ區(qū):該三片大多屬于圩區(qū)河網(wǎng),位于陽澄圩區(qū)與濱江區(qū),區(qū)域河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)、河頻率、河網(wǎng)密度較大,水系結(jié)構(gòu)相對較完整,水面率較Ⅰ、Ⅱ區(qū)偏大,調(diào)蓄能力處于中等偏上水平.

Ⅳ區(qū):區(qū)域內(nèi)包含昆承湖、尚湖兩大湖泊,水面率、盒維數(shù)較大,河頻率、河網(wǎng)密度、河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)較小,區(qū)域調(diào)蓄能力較大,說明該片區(qū)湖泊的調(diào)蓄能力顯著,明顯反映了區(qū)域水面率與調(diào)蓄能力之間的關(guān)聯(lián).

3.2 相關(guān)性分析

結(jié)合上述計算的6 個分區(qū)不同參數(shù)數(shù)據(jù)(見表2),分別對8個水系結(jié)構(gòu)參數(shù)與2個調(diào)蓄能力參數(shù)基于SPSS軟件逐一進行雙變量相關(guān)性分析,經(jīng)整理后的相關(guān)性分析結(jié)果見表3.由表3可知,在8個水系結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)中有2個參數(shù)指標(biāo)與調(diào)蓄能力參數(shù)指標(biāo)顯著相關(guān),即水系結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)的“水面率”、“盒維數(shù)”與調(diào)蓄能力參數(shù)指標(biāo)中的“單位面積槽蓄容量”、“單位面積可調(diào)蓄容量”顯著相關(guān).水面率與單位面積槽蓄容量、單位面積可調(diào)蓄容量是在0.01水平上相關(guān)的；盒維數(shù)與單位面積槽蓄容量、單位面積可調(diào)蓄容量分別在0.01與0.05水平上相關(guān),說明流域的調(diào)蓄能力與區(qū)域水面率高度正相關(guān),與盒維數(shù)也呈正相關(guān)關(guān)系,水系結(jié)構(gòu)影響流域的調(diào)蓄能力,水面率越低、盒維數(shù)越小,流域調(diào)蓄能力越小.其他參數(shù)如河頻率與單位面積槽蓄容量在0.05水平上相關(guān),但從防洪排澇方面考慮可調(diào)蓄容量比槽蓄容量更重要,其兩者相關(guān)性相對較差,其余水系結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)與調(diào)蓄能力參數(shù)指標(biāo)相關(guān)性不顯著.

表3水系結(jié)構(gòu)參數(shù)與調(diào)蓄能力參數(shù)相關(guān)性分析結(jié)果統(tǒng)計表

根據(jù)單位面積槽蓄容量、單位面積可調(diào)蓄容量與水面率、盒維數(shù)顯著相關(guān)性,通過回歸分析,建立SR、ASR 與水面率的線性擬合關(guān)系以及SR、ASR 與水面率、盒維數(shù)的多元線性擬合關(guān)系:

將表2中的水面率WP與盒維數(shù)D的值帶入上述擬合方程中,得到不同水利分區(qū)的SR、ASR 的估算值,與表2中的計算值進行對比,繪制折線圖得到圖7,分析定量相關(guān)關(guān)系方程計算的準確性.

圖7常熟市不同水利分區(qū)調(diào)蓄能力參數(shù)指標(biāo)計算值與估算值對比圖

由圖7可見,由水面率與盒維數(shù)估算流域調(diào)蓄能力比僅以水面率估算更合理,因而本文后續(xù)合理水面率計算采用水面率、盒維數(shù)與單位面積槽蓄容量的相關(guān)關(guān)系進行估算.

3.3 合理水面率計算

考慮到不同區(qū)域的防洪標(biāo)準不同,本文采取面積加權(quán)平均法計算常熟市合理水面率.根據(jù)《常熟市水資源綜合規(guī)劃》中的防洪規(guī)劃部分,主城區(qū)防洪標(biāo)準采用100年一遇,非城鎮(zhèn)區(qū)及村居防洪標(biāo)準采用50年一遇,圩區(qū)防洪標(biāo)準采用20年一遇.本文參考城市滿足行洪排澇要求的調(diào)蓄能力研究結(jié)構(gòu)圖[14],利用Mike11水力學(xué)模擬計算,外排能力均設(shè)為最大值,通過改變區(qū)域內(nèi)部調(diào)蓄能力大小分別計算滿足1%、2%、5%頻率暴雨的行洪排澇要求的研究區(qū)槽蓄容量,計算結(jié)果見表4.

表4常熟市不同頻率暴雨調(diào)蓄能力計算成果表

常熟市主城區(qū)面積117.7 km2,非城鎮(zhèn)區(qū)及村居面積457.5 km2,圩區(qū)面積582.7 km2,考慮到水系結(jié)構(gòu)的影響,全市水系盒維數(shù)取1.4,以此計算得到常熟市主城區(qū)合理水面率為28.57%,非城鎮(zhèn)區(qū)及村居合理水面率為23.64%,圩區(qū)合理水面率為16.25%.通過面積加權(quán)平均法得到,常熟市綜合合理水面率為20.42%.現(xiàn)狀條件常熟市水面率約為16.6%,低于計算出的合理水面率,需通過疏浚拓寬河道,溝通水系,加強區(qū)域水系的保護與管理,提高區(qū)域調(diào)蓄能力,促進人類社會與自然的可持續(xù)發(fā)展.

4 結(jié)論

本文通過統(tǒng)計計算6個水利分區(qū)的水系結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)與調(diào)蓄能力參數(shù)指標(biāo),以水系結(jié)構(gòu)的不同描述流域調(diào)蓄能力的差異,建立了調(diào)蓄能力與區(qū)域水面率的線性擬合方程,提出了易于參考及推廣使用的基于滿足行洪需求的合理水面率計算方法.具體研究表明:

1)常熟市不同水利分區(qū)水系結(jié)構(gòu)特征存在差異,調(diào)蓄能力也相應(yīng)存在明顯的空間差異,綜合來看水面面積越大且保持一定合理的水系結(jié)構(gòu)形態(tài)的區(qū)域調(diào)蓄能力越大；

2)流域的調(diào)蓄能力與區(qū)域水面率高度正相關(guān),與盒維數(shù)也呈正相關(guān)關(guān)系,水面率與調(diào)蓄能力是在0.01水平上相關(guān)的；盒維數(shù)與單位面積槽蓄容量、單位面積可調(diào)蓄容量分別在0.01與0.05水平上相關(guān)；

3)結(jié)合常熟市不同區(qū)域行洪排澇標(biāo)準及水面率與調(diào)蓄能力相關(guān)關(guān)系線性擬合方程,得出常熟市綜合合理水面率約為20.42%.