秦淮河流域水系結(jié)構(gòu)及連通度變化分析

高玉琴，劉云蘋，閆光輝，何 平，陸曉華,3

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225321；3.中水北方勘察設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

隨著城市化的快速推進(jìn)，天然水系格局遭到破壞，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀慌c人工相結(jié)合的復(fù)雜格局[1]，部分天然河道萎縮消失，水系結(jié)構(gòu)及連通度發(fā)生改變，導(dǎo)致洪澇災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重制約了區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[2]。秦淮河流域位于江蘇省西南部，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速的典型區(qū)域，近年來(lái)下墊面不透水率增加，人河爭(zhēng)地問(wèn)題突出，水系自然結(jié)構(gòu)及水系連通遭到破壞，水系結(jié)構(gòu)及連通度研究成為區(qū)域河湖整治和防洪排澇的重要研究問(wèn)題之一[3]。

水系結(jié)構(gòu)是一個(gè)地區(qū)或者流域水系的空間分布形態(tài)特征，對(duì)水系結(jié)構(gòu)的研究多集中于水系分形特征和水系發(fā)育定量化研究方面[4]，其中影響較大的是美國(guó)河流地貌學(xué)家Horton提出的河流分級(jí)定律，后經(jīng)Stralher修正被廣泛地運(yùn)用于河流結(jié)構(gòu)研究中[5-6]。隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感技術(shù)(RS)的發(fā)展，尤其是DEM的引入對(duì)水系提取和結(jié)構(gòu)分析帶來(lái)了深刻的影響[7]。水系連通度通常被視為上下游之間的縱向連接[8-9]，其中包括干支流、湖泊及其濕地等的連通情況、水體的連續(xù)性、水系的過(guò)流能力和暢通能力[3,10]?；A(chǔ)的水系連通度評(píng)價(jià)方法有景觀生態(tài)學(xué)法[11-12]、圖論法[13-15]、水文模型法[16-17]等，隨著研究的深入，逐漸出現(xiàn)改進(jìn)圖論法[18]、站點(diǎn)間水位差[19]以及水流阻力與水文過(guò)程[20]等水系連通度評(píng)價(jià)方法，使得水系連通度定量化評(píng)價(jià)更加準(zhǔn)確。

當(dāng)前關(guān)于水系結(jié)構(gòu)和連通度評(píng)價(jià)方面的研究相對(duì)較為成熟，但存在評(píng)價(jià)過(guò)程中忽略水文過(guò)程及當(dāng)?shù)亟涤陱搅鞯膯?wèn)題，且多集中于城市化的影響研究，關(guān)于水系結(jié)構(gòu)與水系連通度之間的內(nèi)在聯(lián)系缺乏較為系統(tǒng)和完整的研究。本文選取秦淮河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，運(yùn)用圖論等方法，定量分析近年來(lái)秦淮河流域水系結(jié)構(gòu)及連通度變化情況，并運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法對(duì)水系結(jié)構(gòu)與水系連通度進(jìn)行相關(guān)性分析，為水系格局的合理構(gòu)建和水系功能的發(fā)揮提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

秦淮河流域位于長(zhǎng)江下游，介于東經(jīng)118°39′～119°10′、北緯31°34′～32°10′之間，總面積2 631 km2，涉及南京、句容兩市，其中南京占66.6%，約為1 751 km2；句容占33.4%，約為880 km2，為江蘇省經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。流域內(nèi)商貿(mào)發(fā)達(dá)，第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平高，城鎮(zhèn)化特征顯著。改革開放后，南京城鎮(zhèn)化發(fā)展度過(guò)了4個(gè)階段：1985年以前，農(nóng)村體制改革推動(dòng)城鎮(zhèn)化發(fā)展階段；1986—1992年，城市體制改革拉動(dòng)城鎮(zhèn)化發(fā)展階段；1993—1999年，城鎮(zhèn)化穩(wěn)步加快階段；2000—2010年，城鎮(zhèn)化快速提高階段；2010年以后，城鎮(zhèn)化水平趨于平穩(wěn)，至2018年城鎮(zhèn)化率達(dá)82.5%[21]。句容市相較于南京市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低，1995—2000年城鎮(zhèn)化年均增長(zhǎng)率為7.96%；2000—2010年城鎮(zhèn)化年均增長(zhǎng)率為11.83%；2010—2015年城鎮(zhèn)化年均增長(zhǎng)率為4.17%[22]。從秦淮河流域整體看，2000年之后城鎮(zhèn)化進(jìn)程明顯加快，2010年之后城鎮(zhèn)化速度放緩，基本保持穩(wěn)定。

1.2 數(shù)據(jù)處理

結(jié)合研究區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程，選取1990年、2000年、2010年和2015年4個(gè)時(shí)期進(jìn)行水系處理和分級(jí)。1990年水系圖通過(guò)紙質(zhì)地圖掃描和對(duì)比修正得到，其余通過(guò)中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)下載獲得DEM數(shù)據(jù)，其中2000年選用分辨率為90 m的SRTM高程數(shù)字模型，2010年和2015年選用分辨率為30 m的ASTER GDEM高程數(shù)字模型，通過(guò)ArcGIS軟件進(jìn)行水文分析提取得到不同時(shí)期的水系矢量圖，并將生成的河網(wǎng)水系對(duì)照Google Earth歷史影像圖進(jìn)行適當(dāng)修正。根據(jù)秦淮河流域水系實(shí)際情況及相關(guān)文獻(xiàn)[7,23]，將流域水系分成3個(gè)等級(jí)：河流寬度大于40 m的定義為主干河道，即一級(jí)河道，一般屬于區(qū)域行洪排澇骨干河道；河流寬度小于40 m的定義為支流，其中河流寬度在20～40 m之間的為二級(jí)河道，0～20 m之間的為三級(jí)河道，支流在河網(wǎng)水系中主要起調(diào)蓄作用。不同時(shí)期水系分布圖如圖1所示。

圖1 秦淮河流域不同時(shí)期水系分布

2 研究方法

2.1 水系結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)方法

水系結(jié)構(gòu)是進(jìn)行河網(wǎng)形態(tài)和功能分析的重要研究基礎(chǔ)[24]，主要通過(guò)不同地貌指標(biāo)對(duì)河流進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文根據(jù)秦淮河流域平原河網(wǎng)特征，選取河網(wǎng)密度、水面率、河網(wǎng)復(fù)雜度和河網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度等水系結(jié)構(gòu)參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示，表中L為流域內(nèi)河流的總長(zhǎng)度；A為流域總面積；AL為流域內(nèi)的水域面積；N0為河流等級(jí)數(shù)；Lm為主干河流(一級(jí)河道)長(zhǎng)度；Li+n、Li分別為第i+n年和第i年的河流總長(zhǎng)度；ARi+n、ARi分別為第i+n年和第i年的河流總面積。

表1 水系結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算方法及含義

2.2 水系連通度評(píng)價(jià)方法

水系連通度由河流各項(xiàng)特征參數(shù)及水文過(guò)程所決定，為全面考慮河網(wǎng)形態(tài)特征、不同類型河道的輸水能力及流域內(nèi)的水文過(guò)程，本文運(yùn)用水流阻力與圖論方法計(jì)算河網(wǎng)連通度，運(yùn)用站點(diǎn)間水位差計(jì)算水文連通度，并將兩者計(jì)算結(jié)果加權(quán)得到水系連通度。

a. 將秦淮河流域數(shù)字河網(wǎng)概化為圖模型，考慮不同河道輸水能力的差別，將水流阻力RH的倒數(shù)作為邊權(quán)值ω[25]。

(1)

(2)

式中：v為平均流速；l為河長(zhǎng)；n為曼寧系數(shù)；b為河道底寬；h為水深；m為邊坡系數(shù)。

b. 用鄰接矩陣R表示河網(wǎng)圖，rij是頂點(diǎn)ui和uj之間的關(guān)系，即頂點(diǎn)ui和uj之間的水流通暢程度[26]。為防止rij為0或rij較小時(shí)，頂點(diǎn)ui和uj之間的水流通暢度無(wú)法計(jì)算或錯(cuò)算漏算，運(yùn)用矩陣乘法得到Rk。

(3)

(4)

式中：mij為頂點(diǎn)ui和uj之間連接的河道數(shù)；RHij,q為頂點(diǎn)ui和uj之間第q條相連河道的水流阻力；rij,k為頂點(diǎn)ui和uj間有k-1個(gè)其他節(jié)點(diǎn)時(shí)的水流通暢度；p為頂點(diǎn)編號(hào)。

c. 根據(jù)河網(wǎng)鄰接矩陣建立水流通暢度矩陣F=(fij)s×s(fij為ui和uj之間水流通暢度的最大值，s為節(jié)點(diǎn)數(shù))。進(jìn)而計(jì)算出任一節(jié)點(diǎn)的水流通暢度Di以及河網(wǎng)連通度D。

(5)

(6)

(7)

d. 水文連通度主要是指水流或以水為介質(zhì)的有機(jī)物、能量的轉(zhuǎn)移效率，這一效率可以通過(guò)水流運(yùn)行時(shí)間、流量、水位、水溫等指標(biāo)進(jìn)行定量計(jì)算[23]。秦淮河流域?qū)倨皆泳W(wǎng)地區(qū)，其水位變化與河網(wǎng)縱向連通性基本一致，具有顯著的相關(guān)性，且區(qū)域內(nèi)各站點(diǎn)之間的水位聯(lián)系較大[9,27]，故本文基于站點(diǎn)間的水位差來(lái)定義水文連通度。為避免水位差為0時(shí)無(wú)法計(jì)算，以及水位差為負(fù)時(shí)水文連通度為負(fù)的情況出現(xiàn)，于是定義：

(8)

式中：Ch為水文連通度；ΔZ為相鄰站點(diǎn)的水位差。

e. 由于河網(wǎng)連通度與水文連通度計(jì)算結(jié)果單位不同且常常不在同一個(gè)量級(jí)，為方便進(jìn)行加權(quán)求和，將其結(jié)果進(jìn)行歸一化處理：

(9)

(10)

式中：Dmin、Chmin分別為河網(wǎng)連通度和水文連通度的最小值；Dmax、Chmax分別為河網(wǎng)連通度和水文連通度的最大值。

f. 將歸一化后的河網(wǎng)連通度與水文連通度加權(quán)，得到流域的水系連通度E：

(11)

式中：w1、w2為對(duì)應(yīng)的權(quán)重，其和為1，可依據(jù)河道自然與功能屬性、區(qū)域防洪排澇重要性等來(lái)確定。

2.3 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是用以描述隨機(jī)變量之間相關(guān)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，通常用Pearson相關(guān)系數(shù)r來(lái)反映變量間的相關(guān)性強(qiáng)弱和方向[28]，計(jì)算公式如式12所示。相關(guān)系數(shù)僅能刻畫變量間線性相關(guān)程度，表示兩變量間的共變聯(lián)系，在實(shí)際應(yīng)用中，變量常常受多個(gè)因素共同影響，僅使用相關(guān)系數(shù)r進(jìn)行相關(guān)性分析，不能真實(shí)準(zhǔn)確地反映兩變量間的相關(guān)關(guān)系[29]。故本文在運(yùn)用Pearson相關(guān)系數(shù)對(duì)水系結(jié)構(gòu)指標(biāo)與水系連通度進(jìn)行簡(jiǎn)單相關(guān)分析的同時(shí)，采用偏相關(guān)系數(shù)排除其他因素的影響，得到單個(gè)因素與目標(biāo)值之間的凈相關(guān)關(guān)系，N階偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算通式如式(13)所示，偏相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值的大小表示各變量間的相關(guān)程度，也可表示各變量間的相對(duì)重要性[30-31]，其值越大相關(guān)程度越高，也越為重要。

(12)

(13)

(14)

3 結(jié)果與討論

3.1 水系結(jié)構(gòu)變化分析

秦淮河流域近25年來(lái)河網(wǎng)密度由0.253 8減少至0.162 1，水面率由1.45%減少至1.01%，河網(wǎng)復(fù)雜度由6.148 1減少至5.043 0，河網(wǎng)密度、水面率和河網(wǎng)復(fù)雜度總體呈降低趨勢(shì)，流域河網(wǎng)整體規(guī)模呈較劇烈的萎縮態(tài)勢(shì)；河網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度由1.035 9變?yōu)?.985 6，秦淮河流域水系變化規(guī)律表現(xiàn)為：先水域面積(河道寬度)減少，后河流長(zhǎng)度減少，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度變化呈“先減后增”變化趨勢(shì)，說(shuō)明城鎮(zhèn)化發(fā)展越快，河網(wǎng)穩(wěn)定度越低，當(dāng)城鎮(zhèn)化達(dá)到一定程度時(shí)，河道長(zhǎng)度與面積縮小速度趨于一致，河網(wǎng)穩(wěn)定度提高。

秦淮河流域不同時(shí)期河網(wǎng)密度、水面率和河網(wǎng)復(fù)雜度呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)(表2和表3)。河網(wǎng)密度在2000—2010年期間變化最為劇烈，下降速度將近1990—2000年的2倍，2010—2015年變化速率放緩；水面率在1990—2000年間變化較大，2000—2010年次之，2010—2015年變化最小。河網(wǎng)復(fù)雜度在1990年、2000年、2010年、2015年分別為6.148 1、6.421 3、5.272 2、5.043 0，在1990—2000年期間有明顯的提升，但到2000年之后開始迅速下降，至2010年下降速度放緩。從不同階段變化趨勢(shì)上來(lái)看，不同水系結(jié)構(gòu)指標(biāo)存在明顯差異，進(jìn)一步探索其原因，將水系按照一、二和三級(jí)河道進(jìn)行比較分析，其中一級(jí)河道河網(wǎng)密度和水面率降低趨勢(shì)呈現(xiàn)“快-慢-慢”的特征，而二、三級(jí)河道河網(wǎng)密度和水面率呈現(xiàn)“慢-快-慢”的變化趨勢(shì)，說(shuō)明秦淮河流域河網(wǎng)密度的改變主要由二、三級(jí)河道減少導(dǎo)致，水面率的變化主要由一級(jí)河道減少導(dǎo)致。第一階段一級(jí)河道減少速率大于二、三級(jí)河道，導(dǎo)致總河長(zhǎng)下降速度小于一級(jí)河道下降速度，河網(wǎng)復(fù)雜度在第一階段小幅度增長(zhǎng)，第二、三階段一級(jí)河道下降速度放緩，二、三級(jí)河道下降速度提升，河網(wǎng)復(fù)雜度降低，河網(wǎng)主干化特征逐漸形成。

表2 秦淮河流域不同時(shí)期河網(wǎng)密度及其變化

表3 秦淮河流域不同時(shí)期水面率及其變化 %

城市快速發(fā)展是導(dǎo)致河網(wǎng)水系發(fā)展改變的重要因素之一，而城市的快速發(fā)展主要表現(xiàn)為人口的快速增長(zhǎng)和土地利用方式的改變。城市人口的快速增長(zhǎng)導(dǎo)致區(qū)域環(huán)境發(fā)生巨大改變，生活垃圾的隨意傾倒導(dǎo)致河道淤積甚至填埋，造成河道長(zhǎng)度、河道面積減少，其中低等級(jí)河道影響最為顯著[32]。秦淮河流域城市化率，即區(qū)域內(nèi)城市人口占總?cè)丝诒壤陙?lái)呈不斷遞增趨勢(shì)(表4)，其中2000—2010年間人口增長(zhǎng)最為劇烈，因河道淤積、人為干擾等原因，此階段二、三級(jí)河道被大量填堵侵占，河道長(zhǎng)度迅速下降，河網(wǎng)密度、河網(wǎng)復(fù)雜度迅速降低，分別下降21.44%和17.90%，一級(jí)河道受影響相對(duì)較小，河道變化不大，水面率減少速度較河網(wǎng)密度和河網(wǎng)復(fù)雜度低。除此之外，秦淮河流域近幾十年來(lái)土地利用變化顯著，不透水率由 3.2%(1988年)增長(zhǎng)至19.09%(2015年)，年均增長(zhǎng)6.04%，增長(zhǎng)近 4倍[33]，導(dǎo)致區(qū)域產(chǎn)匯流過(guò)程發(fā)生變化，影響河道沖淤過(guò)程，最終導(dǎo)致水系結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

表4 秦淮河流域不同時(shí)期城市化率 %

3.2 水系連通度變化分析

3.2.1時(shí)間變化特征

根據(jù)前述水系連通度計(jì)算方法，參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[34-35]、秦淮河流域水文資料及水系特征確定河道相關(guān)參數(shù)，其中一級(jí)河道曼寧系數(shù)為0.022 5，邊坡系數(shù)為1∶3，平均水深為3.5 m；二級(jí)河道曼寧系數(shù)為0.025 0，邊坡系數(shù)為1∶2，平均水深為2.2 m；三級(jí)河道曼寧系數(shù)為0.027 5，邊坡系數(shù)為1∶1.5，平均水深為1.8 m。w1、w2依據(jù)河道自然與功能屬性、區(qū)域防洪排澇重要性等來(lái)確定，對(duì)于河道規(guī)模差異大，區(qū)域控制河道和主干河道占主導(dǎo)，防洪排澇重要性高的地區(qū)，水系連通性主要取決于一級(jí)河道的防洪排澇能力，而其防洪排澇能力的大小與河道水流阻力密切相關(guān)，則w1取較大值；對(duì)于河道規(guī)模差異小，防洪排澇壓力小的地區(qū)，區(qū)域水系連通性主要取決于當(dāng)?shù)氐乃倪^(guò)程，則w2取較大值。秦淮河流域河道規(guī)模差異較大，一級(jí)河道行洪排澇功能的重要性高，參考已有研究成果[20,36]，確定w1取值為0.7，w2取值為0.3。將秦淮河流域按照城市化發(fā)展特點(diǎn)將其分南京市主城區(qū)、江寧區(qū)、句容市和溧水區(qū)四片，計(jì)算得到不同時(shí)期水系連通度如表5所示。

表5 秦淮河流域不同時(shí)期水系連通度及其變化

秦淮河流域整體水系連通度呈下降趨勢(shì)，水系連通度由1990年的0.828 0下降至2015年的0.353 9，降低57.25%，以2000年為界，后期較前期變化速率明顯增加。對(duì)比不同行政區(qū)水系連通變化過(guò)程，南京主城區(qū)水系連通變化主要集中在1990—2000年，2000年之后水系連通度略有提升后又下降，整體變化幅度較??；江寧區(qū)水系連通變化最為顯著，1990—2015年水系連通度降低65.98%，其中2000—2010年變化速率最大，2010年之后變化速度略微降低；溧水區(qū)和句容市水系連通變化進(jìn)程較為近似，1990—2000年期間水系連通變化速率相對(duì)較小，2000年之后水系連通度迅速下降。結(jié)合秦淮河流域土地利用變化特征[33,37]，南京市主城區(qū)城市發(fā)展相對(duì)靠前，至2000年基本穩(wěn)定，建設(shè)步伐放緩，水系連通度在一定區(qū)間內(nèi)上下浮動(dòng)，變化較??；江寧區(qū)25年來(lái)整體發(fā)展較快，2010年后發(fā)展速度減慢，水系連通變化也經(jīng)歷先快后慢的變化過(guò)程；溧水區(qū)和句容市城市發(fā)展相對(duì)滯后，2000年之前不透水面積緩慢增加，2000年之后迅速提升，導(dǎo)致水系連通度持續(xù)下降。

3.2.2空間變化特征

秦淮河流域不同行政區(qū)域的水系連通變化快慢存在明顯差異(圖2)，1990—2000年秦淮河流域城市化建設(shè)以南京主城區(qū)和江寧區(qū)為主，導(dǎo)致水系連通發(fā)生巨大變化，其中江寧區(qū)和南京主城區(qū)水系連通變化最為顯著，其次為溧水區(qū)和句容市；2000—2010年期間城市化擴(kuò)張主要集中于江寧區(qū)、溧水區(qū)和句容市，而南京城區(qū)城市化建設(shè)已接近飽和狀態(tài)，增速大大減慢，水系連通變化主要體現(xiàn)在江寧區(qū)、溧水區(qū)和句容市3個(gè)地區(qū)，其中江寧區(qū)變化最為顯著，變化率增長(zhǎng)近2倍，其次為句容市、溧水區(qū)和南京主城區(qū)；2010—2015年期間江寧區(qū)城市化建設(shè)放緩，溧水區(qū)和句容市城市化建設(shè)持續(xù)加快，不透水面積增加，水系連通度持續(xù)下降，水系連通變化主要集中于溧水區(qū)和句容市，其次為江寧區(qū)和南京主城區(qū)。

圖2 秦淮河流域不同地區(qū)水系連通度變化率

進(jìn)一步對(duì)比同一時(shí)期不同行政區(qū)域水系連通、水系結(jié)構(gòu)指標(biāo)和河長(zhǎng)變化過(guò)程(圖3)，發(fā)現(xiàn)1990—2000年期間，不同地區(qū)水系連通變化快慢與河網(wǎng)復(fù)雜度變化一致，江寧區(qū)和溧水區(qū)水系連通變化與河網(wǎng)密度和水面率變化快慢相同，其水系連通變化主要受一級(jí)河道變化影響，句容市和南京市主城區(qū)水系連通變化主要受二、三級(jí)河道變化影響；2000—2010年期間，除南京主城區(qū)外，其他地區(qū)水系連通變化與水面率、河網(wǎng)密度和河網(wǎng)復(fù)雜度變化快慢一致，此階段水系連通變化受到所有等級(jí)河道變化的共同作用，南京主城區(qū)此階段河網(wǎng)密度和復(fù)雜度變化較大，水面率變化較小，水系連通變化主要受二、三級(jí)河道變化影響；2010—2015年期間，不同地區(qū)水系連通變化與河網(wǎng)密度、河網(wǎng)復(fù)雜度變化快慢一致，與水面率變化快慢相反，南京水系連通變化主要受一級(jí)河道影響，其他水系連通變化受到二、三級(jí)河道變化的主要影響。

圖3 秦淮河流域不同地區(qū)水系結(jié)構(gòu)及河長(zhǎng)變化情況

3.3 水系結(jié)構(gòu)與連通度相關(guān)性分析

城市化建設(shè)，不透水面積增加，導(dǎo)致河網(wǎng)水系被填埋擁堵，水系結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，河網(wǎng)水系密度、水面率和河網(wǎng)復(fù)雜度發(fā)生巨大變化，水系連通度隨之改變，為定量分析水系結(jié)構(gòu)與水系連通間的響應(yīng)關(guān)系，運(yùn)用Pearson相關(guān)系數(shù)來(lái)刻畫水系結(jié)構(gòu)各指標(biāo)與水系連通度之間的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算結(jié)果如表6所示。水面率、河網(wǎng)密度和河網(wǎng)復(fù)雜度均與水系連通度呈正相關(guān)關(guān)系，水面率、河網(wǎng)密度、河網(wǎng)復(fù)雜度與水系連通度之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.487、0.703和0.605，t檢驗(yàn)的顯著性概率分別為0.029<0.05、0.001<0.01和0.005<0.01，即河網(wǎng)密度和河網(wǎng)復(fù)雜度與水系連通度在0.01水平上顯著相關(guān)，水面率與水系連通度在0.05水平上顯著相關(guān)。河網(wǎng)穩(wěn)定性與水系連通度之間相關(guān)性較弱，且t檢驗(yàn)均大于0.05，相關(guān)性不顯著。

表6 水系結(jié)構(gòu)指標(biāo)與連通度的Pearson相關(guān)分析

為進(jìn)一步分析水面率、河網(wǎng)密度和河網(wǎng)復(fù)雜度對(duì)水系連通度影響程度的強(qiáng)弱關(guān)系，采用偏相關(guān)分析方法進(jìn)行計(jì)算分析，分析結(jié)果如表7所示。在河網(wǎng)密度、河網(wǎng)復(fù)雜度和河網(wǎng)穩(wěn)定性作為控制變量的情況下，水面率與水系連通度的三階偏相關(guān)系數(shù)為0.473，顯著性概率為0.120>0.05，表明河道長(zhǎng)度保持不變時(shí)，河道寬度與水系連通度呈正相關(guān)，但對(duì)其作用不顯著；在水面率、河網(wǎng)復(fù)雜度和河網(wǎng)穩(wěn)定性作為控制變量的情況下，河網(wǎng)密度與水系連通度的三階偏相關(guān)系數(shù)為-0.432，顯著性概率為0.161>0.05，表明河道寬度保持不變時(shí)，河道長(zhǎng)度與水系連通度呈負(fù)相關(guān)，但關(guān)系不顯著；在水面率、河網(wǎng)密度和河網(wǎng)穩(wěn)定性作為控制變量的情況下，河網(wǎng)復(fù)雜度與水系連通度的三階偏相關(guān)系數(shù)為0.578，顯著性概率為0.049<0.05，表明河網(wǎng)密度和水面率保持不變時(shí)，河網(wǎng)復(fù)雜度與水系連通呈正相關(guān)關(guān)系。

表7 水面率、河網(wǎng)密度與連通度的偏相關(guān)分析

以上相關(guān)分析結(jié)果表明：河網(wǎng)密度、水面率、河網(wǎng)復(fù)雜度與水系連通度均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，即河道長(zhǎng)度與水域面積直接影響水系連通性，河網(wǎng)密度、水面率和河網(wǎng)復(fù)雜度越大，水系連通性越好。保持水面率、河網(wǎng)復(fù)雜度不變，單方面減少河網(wǎng)密度(河道長(zhǎng)度降低，河道寬度拓寬)可提高水系連通度，但提升效果不顯著；保持河網(wǎng)密度、河網(wǎng)復(fù)雜度不變，單提升水面率(河道長(zhǎng)度不變，河道寬度拓寬)可提高水系連通度，同樣提升效果并不顯著；保持河網(wǎng)密度、水面率不變時(shí)，河網(wǎng)復(fù)雜度越高，即降低一級(jí)河道長(zhǎng)度，提升二、三級(jí)河道長(zhǎng)度，且拓寬河道寬度可有效提高水系連通度。綜上，水系結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)對(duì)水系連通的影響相輔相成，單通過(guò)提高或降低某一指標(biāo)并不能有效改變水系連通度，在河湖水系治理工作中，應(yīng)將三者相結(jié)合，同時(shí)改變河網(wǎng)密度、水面率和河網(wǎng)復(fù)雜度，并尋求其最優(yōu)解，快速有效地提高水系連通度。

在當(dāng)前河網(wǎng)水系中，水系連通變化多由河道長(zhǎng)度降低、河道寬度減少引起，并隨著城市建設(shè)的快速推進(jìn)，二、三級(jí)河道大量填堵消失，河網(wǎng)水系主干化特征逐漸明顯。針對(duì)此現(xiàn)象，在進(jìn)行區(qū)域水系治理過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)河湖水系保護(hù)措施，在保持二、三級(jí)河道長(zhǎng)度和寬度不再減少的同時(shí)，加強(qiáng)一級(jí)河道治理工作，通過(guò)清淤、局部拓浚等措施拓寬河道寬度，提高河網(wǎng)密度和水面率，有效提高水系連通度，降低洪澇災(zāi)害。

4 結(jié) 論

a. 秦淮河流域隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，水系結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，河網(wǎng)密度和水面率呈不斷降低趨勢(shì)，河道萎縮現(xiàn)象日漸嚴(yán)重。

b. 秦淮河流域河網(wǎng)復(fù)雜度表現(xiàn)出“先增后減”的變化趨勢(shì)，城市化建設(shè)初期主要表現(xiàn)為一級(jí)河道部分河寬減少，降為二、三級(jí)河道，河網(wǎng)復(fù)雜度呈現(xiàn)短暫性的增長(zhǎng)，隨著城市化快速推進(jìn)，人口劇增和不透水面的快速增加導(dǎo)致大量二、三級(jí)河道被淤積、填埋，河網(wǎng)趨于主干化，河網(wǎng)復(fù)雜度降低。

c. 秦淮河流域河網(wǎng)穩(wěn)定性呈“先減后增”的變化趨勢(shì)，同步性不高，并且城鎮(zhèn)化發(fā)展越快，河網(wǎng)穩(wěn)定度越低，當(dāng)城鎮(zhèn)化達(dá)到一定程度時(shí)，河道長(zhǎng)度與面積縮小速度趨于一致，河網(wǎng)穩(wěn)定度提高。

d. 秦淮河流域水系連通變化趨勢(shì)與河網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)相同，呈不斷下降趨勢(shì)，不同區(qū)域水系連通變化與城鎮(zhèn)化發(fā)展歷程的不同呈現(xiàn)明顯差異性，其中南京主城區(qū)水系連通變化主要集中在1990—2000年之間，2000年后整體變化幅度較小，江寧區(qū)水系連通變化在2000—2010年期間變化最為顯著，2010年之后變化速度略微降低，溧水區(qū)和句容市水系連通變化進(jìn)程較為近似，1990—2000年期間水系連通變化速率相對(duì)較小，2000年之后水系連通度迅速下降。

e. 水系連通度與河網(wǎng)密度、水面率、河網(wǎng)復(fù)雜度具有顯著相關(guān)性，河網(wǎng)密度、水面率和河網(wǎng)復(fù)雜度對(duì)水系連通的影響相輔相成，在河湖水系保護(hù)過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮河網(wǎng)密度、水面率和河網(wǎng)復(fù)雜度等指標(biāo)，合理確定區(qū)域的最優(yōu)水面率、河網(wǎng)密度和河網(wǎng)復(fù)雜度，加強(qiáng)河湖水系保護(hù)措施，通過(guò)清淤、局部拓浚等措施有效提高河網(wǎng)水系連通度。