基于城市功能需求的錦州市水系連通形態(tài)指標(biāo)分析

王丹丹

(遼寧省盤錦水文局，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，城市河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)的單一化趨勢(shì)也來越顯著，水系連通功能影響下的水生態(tài)環(huán)境、洪水宣泄的問題呈現(xiàn)頻發(fā)、多發(fā)的態(tài)勢(shì)。當(dāng)前高度關(guān)注的治水方針和策略在于河湖水系連通功能的規(guī)劃和治理。國內(nèi)對(duì)于水系連通功能的研究起步較晚，2005年長江健康指標(biāo)體系首次在國內(nèi)作為水系連通評(píng)估的一個(gè)重要指標(biāo)被提出。此后國內(nèi)多個(gè)學(xué)者針對(duì)水系連通的概念、內(nèi)涵、影響因素、關(guān)鍵技術(shù)以及具體案例進(jìn)行了分析[1-3]。但是以上研究成果對(duì)于水系連通定性描述較多，而對(duì)于城市化水平對(duì)城市河湖水系連通功能的定量評(píng)估研究還相對(duì)較少。為此文章從城市化水平角度出發(fā)，以阜新市為實(shí)例，對(duì)阜新市城市化水平下城市水系連通功能進(jìn)行探討，并確定其城市化規(guī)劃水平下的水系連通閾值范圍，從而為城市化發(fā)展合理規(guī)劃布局以及發(fā)揮水系功能提高參考依據(jù)。

1 研究方法

為對(duì)城市水系連通功能進(jìn)行評(píng)估，首先需要對(duì)水系形態(tài)進(jìn)行分析，形態(tài)指標(biāo)結(jié)構(gòu)體系見表1。文章采用遙感影像對(duì)各形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行提?。?/p>

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

(1)

式中：NDWI為水體差異化指數(shù)；Green為遙感影像的的第二個(gè)波段；NIR為遙感影像的的第五個(gè)波段。水系密度提取方程為：

(2)

式中：Ri為水系密度；Li為第i段河段的長度，km；M為河流條數(shù)；Ar為水系連通面積，km，水面比例提取方程為：

(3)

式中：rp為提取的水面比例，%；Aw為水域面積，km2。水系環(huán)度提取方程為：

(4)

式中：a為提取的水系系環(huán)度；n為水系數(shù)目；v為水系連通節(jié)點(diǎn)數(shù)。節(jié)點(diǎn)連接比例提取方程為：

(5)

在水系連通節(jié)點(diǎn)連接率基礎(chǔ)上，對(duì)連通度進(jìn)行計(jì)算：

(6)

式中：r為連通度。文章結(jié)合雙變量方法對(duì)各指標(biāo)相關(guān)性進(jìn)行計(jì)算：

(7)

yt=β0+β1xt1+β2xt2+…+βkxtk+ut

(8)

式中：yt為水系連通閾值；xt1，xt2…xtk為形態(tài)指標(biāo)；u為隨機(jī)誤差；k為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

表1 河流水系形態(tài)指標(biāo)體系

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 區(qū)域概況

以錦州為具體實(shí)例，錦州市位于遼寧省偏西部，地處E120°43′-122°36′，N40°48′-42°08′,總行政面積為10034km2，現(xiàn)轄3個(gè)區(qū)、2個(gè)縣級(jí)、2個(gè)縣。流經(jīng)錦州市10km2以上的河流共計(jì)246條，其中流域面積5000km2以上的河流3條，1000-5000km2有4條，100-1000km2有41條，50-100km2有28條，10-50km2有170條。較大的河流有大凌河、繞陽河、小凌河、東沙河、西沙河等。

3.2 數(shù)據(jù)來源

錦州市城市化發(fā)展水平從其對(duì)水系功能影響上主要體現(xiàn)在土地利用方式及功能的變化，阜新市土地利用變化數(shù)據(jù)主要來源于統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，河流形態(tài)指標(biāo)提取主要基于MODIS遙感影像數(shù)據(jù)，通過遙感影像處理后，對(duì)各形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行提取分析。

3.3 水系形態(tài)指標(biāo)雙側(cè)檢驗(yàn)

結(jié)合錦州市城市化發(fā)展土地類型變化比例數(shù)據(jù)，采用雙變量分析方法對(duì)錦州市不同水系形態(tài)指標(biāo)與各土地利用類型指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 錦州市城市化水平和形態(tài)指標(biāo)雙變量檢驗(yàn)結(jié)果

從相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果可看出，河流各形態(tài)指標(biāo)與城市功能用地相關(guān)性不同，農(nóng)業(yè)用地和河流長度的城市化水平具有較好的相關(guān)性，雙變量檢驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.635，達(dá)到95%的顯著相關(guān)，其次為其他用地。對(duì)于水域面積而言，城市綠地和水域面積具有較高的負(fù)相關(guān)，負(fù)相關(guān)系數(shù)為-0.521，和農(nóng)業(yè)用地為正相關(guān)，也可達(dá)到95%的顯著相關(guān)[4-6]。水系密度表示城市河流水系的發(fā)達(dá)程度，從該指標(biāo)的雙變量檢驗(yàn)結(jié)果可看出，和河流長度以及水域面積相似，均和農(nóng)業(yè)用地及其他用地具有顯著相關(guān)，這主要是因?yàn)樗蛎娣e、河流長度以及水系密度具有較高的關(guān)聯(lián)度，因此這三個(gè)指標(biāo)和城市化功能用地的相關(guān)性較高。水面比例是城市水系連通較為重要的形態(tài)指標(biāo)，從雙變量顯著性檢驗(yàn)結(jié)果可看出，該指標(biāo)和城市綠地及農(nóng)業(yè)用地具有較高的顯著相關(guān)[7-9]。水系環(huán)度是城市水系連通性能重要的評(píng)定指標(biāo)，但該指標(biāo)和城市功能用地相關(guān)性較低，這主要是因?yàn)樗淡h(huán)度主要受到城市河道整治的綜合影響。節(jié)點(diǎn)連接率與城市綠地為負(fù)相關(guān)，雙變量檢驗(yàn)均未達(dá)到90%的顯著相關(guān)水平。水系連通度和水系環(huán)度具有相似性，兩種形態(tài)指標(biāo)和城市功能用地的相關(guān)性均較低。

3.4 水系功能與形態(tài)指標(biāo)相關(guān)性分析

結(jié)合錦州新市水系連通8個(gè)主要功能的數(shù)據(jù)，對(duì)水系連通功能指標(biāo)及形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行雙變量相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表3所示。

表3 錦州市水系連通功能指標(biāo)和形態(tài)指標(biāo)的雙變量相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從各形態(tài)指標(biāo)分析結(jié)果可看出，城市功能的各指標(biāo)與水系形態(tài)指標(biāo)中均具有一定的相關(guān)性，其中水質(zhì)達(dá)標(biāo)率和水域面積、河流長度、水系密度以及水系節(jié)點(diǎn)連接率均達(dá)到95%的顯著性檢驗(yàn)水平。城鎮(zhèn)供水比例與水域面積以及節(jié)點(diǎn)連接率達(dá)到95%的顯著檢驗(yàn)生物多樣性指數(shù)、河道通航功能指標(biāo)與水系連通度、環(huán)度以及節(jié)點(diǎn)連接率顯著相關(guān)，與水系連通度、環(huán)度達(dá)到95%的雙側(cè)顯著檢驗(yàn)水平，與節(jié)點(diǎn)連接率達(dá)到90%的雙側(cè)檢驗(yàn)水平。濕地面積變化率、水庫調(diào)節(jié)能力、親水舒適度以及斷流比例與各形態(tài)指標(biāo)的顯著相關(guān)度不高[10-12]。

3.5 水系連通形態(tài)指標(biāo)閾值分析

錦州市水系連通形態(tài)指標(biāo)閾值確定首先結(jié)合區(qū)域水資源公報(bào)和統(tǒng)計(jì)年鑒的歷史數(shù)據(jù)。同時(shí)結(jié)合水資源規(guī)劃以及城市總體發(fā)展規(guī)劃數(shù)據(jù)，采用差值方法對(duì)城市化水平下的水功能需求目標(biāo)進(jìn)行確定。最后結(jié)合構(gòu)建的定量方程對(duì)滿足水功能需求目標(biāo)進(jìn)行反推，從而得到水系連通形態(tài)指標(biāo)的閾值范圍。結(jié)合區(qū)域水系規(guī)劃數(shù)據(jù)對(duì)閾值范圍進(jìn)行驗(yàn)證，若結(jié)果合理則規(guī)劃值和理論值具有一定的吻合度[13]。具體計(jì)算步驟為結(jié)合功能指標(biāo)和形態(tài)指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果，建立功能指標(biāo)和形態(tài)指標(biāo)的多元回歸方程，結(jié)合SPSS軟件對(duì)回歸方程進(jìn)行檢驗(yàn)，再確定方程的常數(shù)和系數(shù)項(xiàng)，通過以上步驟確定整個(gè)多元回歸方程組，如表4所示。

表4 錦州市水系連通功能指標(biāo)與形態(tài)指標(biāo)的多元回歸方程

按照錦州城市規(guī)劃數(shù)據(jù)分析，對(duì)水系連通各形態(tài)指標(biāo)的范圍進(jìn)行確定，從建立的各形態(tài)指標(biāo)與城市功能指標(biāo)的回歸方程可看出，各指標(biāo)閾值區(qū)間分別為節(jié)點(diǎn)連接率閾值在[1.72,2.43]之間，水系連通度閾值在[0.62,0.82]之間，水系密度的閾值為[0.32,0.47]，水系環(huán)度閾值為[0.37,0.62]。為對(duì)各水系連通指標(biāo)范圍進(jìn)行合理性分析，結(jié)合水系規(guī)劃數(shù)據(jù)，2025年錦州市規(guī)劃的水系連通節(jié)點(diǎn)率目標(biāo)值為1.83，水系連通度為0.74，水系密度將達(dá)到0.41，可見文章基于城市功能目標(biāo)下確定的水系連通各指標(biāo)閾值范圍均符合錦州市城市水系連通規(guī)劃指標(biāo)。文章確定的各水系連通指標(biāo)閾值較為合理。

4 分析結(jié)論

1)水系環(huán)度是城市水系連通性能重要的評(píng)定指標(biāo)，但該指標(biāo)和城市功能用地相關(guān)性較低，這主要是因?yàn)樗淡h(huán)度主要受到城市河道整治的綜合影響。節(jié)點(diǎn)連接率與城市綠地為負(fù)相關(guān)，雙變量檢驗(yàn)均未達(dá)到90%的顯著相關(guān)水平[14]。

2)通過評(píng)估分析，錦州市水系連通各指標(biāo)閾值區(qū)間分別為節(jié)點(diǎn)連接率閾值在[1.72,2.43]之間，水系連通度閾值在[0.62,0.82]之間，水系密度的閾值為[0.32,0.47]，水系環(huán)度閾值為[0.37,0.62]。