環(huán)度分析方法在遼河鐵嶺段水系形態(tài)指標(biāo)評(píng)估中的應(yīng)用

孫 健

(沈陽(yáng)市蘇家屯區(qū)財(cái)政事務(wù)服務(wù)中心， 遼寧 沈陽(yáng) 110101)

城市水系環(huán)度是水系連通性能評(píng)估的重要指標(biāo)，也是城市水系健康發(fā)展的重要基礎(chǔ)[1]。水系環(huán)度主要是表示各水系連通的節(jié)點(diǎn)率，通過節(jié)點(diǎn)率的分析表征其水系環(huán)度值[2]。水系環(huán)度主要通過水系形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行分析和確定[3]。水系形態(tài)指標(biāo)主要包括河流長(zhǎng)度、水域面積、水系密度、水面比例、節(jié)點(diǎn)連接率、水系連通度等指標(biāo)，早期由于這些形態(tài)指標(biāo)獲取難度較大，因此對(duì)于水系環(huán)度的分析研究還較少，近些年來(lái)，隨著遙感和地理信息技術(shù)的快速發(fā)展，為河流形態(tài)指標(biāo)的提取提供了一種重要的及時(shí)手段，在許多地區(qū)河流形態(tài)指標(biāo)提取中得到應(yīng)用[6- 12]。通過河流形態(tài)指標(biāo)的提取，結(jié)合水系環(huán)度的計(jì)算方法[13]，可以實(shí)現(xiàn)城市水系環(huán)度的定量計(jì)算。為此本文以遼河鐵嶺段為研究實(shí)例，多個(gè)研究成果表明[14- 15]，遼河鐵嶺段水系環(huán)度發(fā)生一定程度的變化，需要對(duì)其水系環(huán)度進(jìn)行分析，從而為水系連通規(guī)劃提供重要的支撐。因此本文基于水系環(huán)度計(jì)算方法，結(jié)合河流水系形態(tài)指標(biāo)提取值，對(duì)遼河鐵嶺段水系環(huán)度進(jìn)行定量評(píng)估，研究成果對(duì)于城市水系連通規(guī)劃具有重要的參考價(jià)值。

1 河流形態(tài)指標(biāo)提取方法

為對(duì)水系環(huán)度進(jìn)行分析，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。本文采用遙感影像對(duì)各形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行提?。?/p>

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

(1)

式中，NDWI—水體差異化指數(shù)；Green—遙感影像的的第二個(gè)波段；NIR—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—水系密度；Li—第i段河段的長(zhǎng)度，km；M—河流條數(shù)；Ar—水系連通面積，km2。水面比例提取方程為：

(3)

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

(4)

式中，a—提取的水系系環(huán)度；n—水系數(shù)目；v—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—連通度。本文結(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—水系連通閾值；xt1，xt2…xtk—形態(tài)指標(biāo)；u—隨機(jī)誤差；k—指標(biāo)個(gè)數(shù)。

表1 河流水系形態(tài)指標(biāo)體系

2 遼河鐵嶺段水系環(huán)度計(jì)算

2.1 區(qū)域概況

以遼河鐵嶺段為研究實(shí)例，鐵嶺市位于遼寧省東北部，地處東經(jīng)123°27′～125°06′，北緯41°59′～43°29′流經(jīng)鐵嶺市10km2以上河流共計(jì)301條，其中，流域面積在5000km2以上的河流3條，1000～5000km2河流6條，100～1000km2河流38條，50～100km2河流20條，10～50km2河流234條；主要河流有遼河、清河、招蘇臺(tái)河、寇河、二道河等。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

鐵嶺市城市化發(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(lái)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。

2.3 水系形態(tài)指標(biāo)雙側(cè)檢驗(yàn)

結(jié)合鐵嶺市城市化發(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)鐵嶺市不同水系形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

從水系各形態(tài)指標(biāo)的雙變量檢驗(yàn)結(jié)果可看出，水系形態(tài)指標(biāo)的雙變量檢驗(yàn)結(jié)果差異程度較大，不同河流水系形態(tài)指標(biāo)和城市功能指標(biāo)的檢驗(yàn)值不同，對(duì)于河流長(zhǎng)度而言，和城市綠地功能的雙變量檢驗(yàn)結(jié)果較好，但均未達(dá)到95%的雙側(cè)檢驗(yàn)水平。水域面積與其他用地的雙變量顯著相關(guān)水平達(dá)到95%的顯著水平，這主要是因?yàn)樗蛎娣e受到其他用地比如建筑用地功能影響程度較大。水系密度表示為水系發(fā)展程度，可以看出水系密度和其他用地的雙變量檢驗(yàn)也達(dá)到95%的顯著相關(guān)，這主要是因?yàn)樗蛎娣e和水系密度具有較好的相關(guān)度，因此兩個(gè)指標(biāo)的雙變量檢驗(yàn)較為相似。節(jié)點(diǎn)連接率與城市綠地的雙邊量檢驗(yàn)結(jié)果較好，水系連通度由于和節(jié)點(diǎn)連接率具有較好的相關(guān)性，因此兩個(gè)形態(tài)指標(biāo)的雙變量檢驗(yàn)結(jié)果也較為接近。

表2 鐵嶺市水系形態(tài)指標(biāo)雙變量檢驗(yàn)結(jié)果

2.4 水系形態(tài)指標(biāo)相關(guān)性分析

結(jié)合鐵嶺新市水系連通8個(gè)主要功能的數(shù)據(jù)，對(duì)水系形態(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)果見表3。

表3 鐵嶺市水系形態(tài)指標(biāo)的雙變量相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從遼河鐵嶺段各水系形態(tài)指標(biāo)與城市功能指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果可看出，各形態(tài)指標(biāo)與城市水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、城鎮(zhèn)供水比例、濕地變化率、生物多樣性指數(shù)、水庫(kù)調(diào)節(jié)力、親水舒適度、河段斷流比均具有較好的雙變量相關(guān)性，對(duì)于水質(zhì)達(dá)標(biāo)率指標(biāo)而言，水系密度與該指標(biāo)的雙變量相關(guān)系數(shù)最大，水系密度越高，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率程度越好，其次是水系環(huán)度，水系環(huán)度是連通重要評(píng)估指標(biāo)，水系環(huán)度越大，表明連通功能越強(qiáng)，而水系連通的好壞直接影響城市水質(zhì)的達(dá)標(biāo)率。從城鎮(zhèn)供水比與其他形態(tài)指標(biāo)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可看出，城鎮(zhèn)供水比與河流長(zhǎng)度的雙變量相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果最大，河流長(zhǎng)度越大，可以提供城鎮(zhèn)供水的水量越高，也相應(yīng)的提高城鎮(zhèn)供水比例，此外水系密度與城鎮(zhèn)供水比也具有較好的雙變量相關(guān)性，水系密度越大，城鎮(zhèn)供水比例也越高。生物多樣指數(shù)是河流水生態(tài)環(huán)境重要評(píng)估參數(shù)，從相關(guān)性分析結(jié)果可看出，節(jié)點(diǎn)連接率與生物多樣性指數(shù)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.766，表明節(jié)點(diǎn)連接率越高，生物多樣性指數(shù)越大。水庫(kù)調(diào)節(jié)能力對(duì)水系形態(tài)指標(biāo)影響要高于其他指標(biāo)，從指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果可看出，水庫(kù)調(diào)節(jié)能力與形態(tài)指標(biāo)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，水庫(kù)調(diào)節(jié)能力越高，河流水系形態(tài)指標(biāo)越低。從親水舒適度指標(biāo)分析可看出，親水舒適度和河流長(zhǎng)度的相關(guān)性最大，河流長(zhǎng)度越大，親水舒適度越高。河流斷流比對(duì)于河流健康十分重要，河流斷流比和水系形態(tài)指標(biāo)呈現(xiàn)較為顯著的負(fù)相關(guān)，河流斷流比越大，水系形態(tài)指標(biāo)越低。

2.5 鐵嶺市水系形態(tài)指標(biāo)閾值分析

鐵嶺市水系連通形態(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。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，見表4。

表4 鐵嶺市水系形態(tài)指標(biāo)的多元回歸方程

結(jié)合鐵嶺市城市水系規(guī)劃數(shù)據(jù)，建立各水系形態(tài)指標(biāo)與水系功能指標(biāo)的多元回歸方程，各指標(biāo)閾值區(qū)間分別為節(jié)點(diǎn)連接率閾值在[1.82，2.52]之間，水系連通度閾值在[0.73，0.94]之間，水系密度的閾值為[0.56，0.28]，水系環(huán)度閾值為[0.42，0.59]。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年鐵嶺市規(guī)劃的水系連通節(jié)點(diǎn)率目標(biāo)值為11.94，水系連通度為0.81，水系密度將達(dá)到0.62，可見水系形態(tài)各指標(biāo)閾值范圍符合鐵嶺市城市水系規(guī)劃。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)節(jié)點(diǎn)連接率與城市用地的雙邊量檢驗(yàn)結(jié)果較好，水系連通度由于和節(jié)點(diǎn)連接率具有較好的相關(guān)性，因此兩個(gè)形態(tài)指標(biāo)的雙變量檢驗(yàn)結(jié)果也較為接近。

(2)河流斷流比對(duì)于河流健康十分重要，河流斷流比和水系形態(tài)指標(biāo)呈現(xiàn)較為顯著的負(fù)相關(guān)，河流斷流比越大，水系形態(tài)指標(biāo)越低。

(3)鐵嶺市水系形態(tài)指標(biāo)閾值區(qū)間分別為節(jié)點(diǎn)連接率閾值在[1.82，2.52]之間，水系連通度閾值在[0.73，0.94]之間，水系密度的閾值為[0.56，0.28]，水系環(huán)度閾值為[0.42，0.59]。