基于城市化水平的阜新市水系連通閾值區(qū)間的分析

王安琪

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

0 引 言

中國河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)單一化的趨勢隨著城市化進程越來越明顯，洪水宣泄以及生態(tài)環(huán)境惡化等次生環(huán)境受水系連通功能影響頻頻出現(xiàn)問題[1]。河湖水系連通已經(jīng)逐步成為當(dāng)前形勢下高度關(guān)注的重要治水方針和策略[2]。對于水系連通功能的研究也逐步得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。國外早期對于水系連通功能的研究起步于河流生態(tài)功能研究，從河流景觀功能逐步向河流、濕地等水生態(tài)系統(tǒng)的功能研究。Ward[3]在1997年首次將河流連接度作為水資源在河流景觀內(nèi)的度量指標(biāo)進行相互傳遞能力的分析。Brierkey[4]、Bracken[5]、Tetzlaff[6]以及Ali[7]分別對水系連通度的評估方法進行應(yīng)用探討，并逐步在景觀生態(tài)、水文生態(tài)、地形等領(lǐng)域中進行拓展。2005年健康長江指標(biāo)體系首次在國內(nèi)作為水系連通評估的一個重要指標(biāo)被提出[8]。此后國內(nèi)多個學(xué)者針對水系連通的概念、內(nèi)涵、影響因素、關(guān)鍵技術(shù)以及具體案例進行了分析[9-12]。但是以上研究成果對于水系連通定性描述較多，而對于城市化水平對城市河湖水系連通功能的定量評估研究還相對較少。為此文章從城市化水平角度出發(fā)，以阜新市為實例，對阜新市城市化水平下城市水系連通功能進行探討，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)揮水系功能提供參考。

1 研究方法

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

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

(1)

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

(2)

其中：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(km2)。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)點數(shù)。節(jié)點連接比例提取方程為：

(5)

在水系連通節(jié)點連接率基礎(chǔ)上，對連通度進行計算：

(6)

式中：r為連通度。文章結(jié)合雙變量方法對各指標(biāo)相關(guān)性進行計算：

(7)

yt=β0+β1xt1+β2xt2+……+βkxtk+ut

(8)

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

表1 河流水系形態(tài)指標(biāo)體系

2 應(yīng)用實例

2.1 區(qū)域概況

以阜新為具體實例，阜新市水系密度在0.4左右，隨著城市化水平的不斷發(fā)展，阜新市水系結(jié)構(gòu)有所變化，阜新市有2條河流水域面積在5000km2以上，有6條河流水域面積在1000-5000km2之間，36條河流水域面積在100-1000km2之間，31條河流水域面積在50-100km2之間，194條河流水域面積在10-50km2之間。河道平均比降為0.93‰，河道彎曲系數(shù)和形狀系數(shù)分別為1.2和0.15。

2.2 數(shù)據(jù)來源

阜新市城市化發(fā)展水平從其對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，對各形態(tài)指標(biāo)進行提取分析。

2.3 水系形態(tài)指標(biāo)雙側(cè)檢驗

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

表2 阜新市城市化水平和形態(tài)指標(biāo)雙變量檢驗結(jié)果

對于河流長度而言，農(nóng)業(yè)用地Person相關(guān)通過95%顯著檢驗水平，對河流長度影響較大，其各指標(biāo)和城市化水平雙側(cè)顯著性相關(guān)都不高，為呈現(xiàn)顯著性影響。水域面積和河流長度Person相關(guān)檢驗結(jié)果較為相似，河流長度和水域面積具有較為直接的關(guān)聯(lián)性。對于水系密度而言，其他用地類型和其水系密度的通過95%顯著檢驗水平，但雙側(cè)顯著性相關(guān)都未能達到90%的顯著水平。道路廣場和水系環(huán)度呈現(xiàn)負的Person相關(guān)，且達到95%的相關(guān)水平，也未能通過90%的雙側(cè)顯著性相關(guān)水平。水系連通度總體和各指標(biāo)相關(guān)度不高。

2.4 水系功能與形態(tài)指標(biāo)相關(guān)性分析

結(jié)合阜新市水系連通8個主要功能的數(shù)據(jù)，對水系連通功能指標(biāo)及形態(tài)指標(biāo)進行雙變量相關(guān)統(tǒng)計分析，統(tǒng)計分析結(jié)果如表3所示。

表3 阜新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)計結(jié)果

從統(tǒng)計分析結(jié)果可知，阜新市8個水系連通功能指標(biāo)中有4個指標(biāo)與水系形態(tài)指標(biāo)具有較高的顯著相關(guān)水平。水質(zhì)達標(biāo)率和水域面積、河流長度、水系密度以及水系節(jié)點連接率均達到95%的顯著性檢驗水平。城鎮(zhèn)供水比例與水域面積以及節(jié)點連接率達到95%的顯著檢驗水平。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)點連接率顯著相關(guān)，與水系連通度、環(huán)度達到95%的雙側(cè)顯著檢驗水平，與節(jié)點連接率達到90%的雙側(cè)檢驗水平。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。

2.5 水系連通形態(tài)指標(biāo)閾值分析

阜新市水系連通形態(tài)指標(biāo)閾值確定首先結(jié)合區(qū)域水資源公報和統(tǒng)計年鑒的歷史數(shù)據(jù)。同時結(jié)合水資源規(guī)劃以及城市總體發(fā)展規(guī)劃數(shù)據(jù)，采用差值方法對城市化水平下的水功能需求目標(biāo)進行確定。最后結(jié)合構(gòu)建的定量方程對滿足水功能需求目標(biāo)進行反推，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)對閾值范圍進行驗證，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軟件對回歸方程進行檢驗，再確定方程的常數(shù)和系數(shù)項，通過以上步驟確定整個多元回歸方程組，如表4所示。

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

依據(jù)阜新市相關(guān)規(guī)劃數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定其未來水系功能的目標(biāo)區(qū)間，河流水質(zhì)達標(biāo)率高于80%，生物多樣性指數(shù)大于0.65，城鎮(zhèn)供水能力高于50%，以及建立的各水系連通功能指標(biāo)和水系形態(tài)指標(biāo)之間的多元回歸方程，對水系連通的指標(biāo)的閾值范圍進行確定，各指標(biāo)閾值區(qū)間分別為節(jié)點連接率閾值在[1.65,2.31]之間，水系連通度閾值在[0.59,0.78]之間，水系密度的閾值為[0.32,0.45]，水系環(huán)度閾值為[0.43,0.51]。結(jié)合阜新市水系規(guī)劃數(shù)據(jù)對閾值區(qū)間的合理性進行分析，阜新市進行年來水系規(guī)劃治理取得一定的成效，水域面積的年增比率可達到3.5%，在水域面積提高的同時水系密度也得到一定程度的增加。2025年阜新市水系連通節(jié)點率的目標(biāo)為1.83，水系連通度為0.62，將規(guī)劃值和理論區(qū)間進行驗證對比可看出，阜新市節(jié)點連接率閾值區(qū)間為[1.65,2.31]，區(qū)域水系規(guī)劃和理論計算閾值較為接近，因此文章確定的阜新市各水系形態(tài)指標(biāo)總體計算結(jié)果較為合理。

3 分析結(jié)論

水系連通問題是當(dāng)前城市化背景下水科學(xué)研究的重要課題。文章在城市化功能需求的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建水系連通形態(tài)和功能的指標(biāo)體系，對阜新市城市化發(fā)展水平下的水系連通功能與形態(tài)進行了定量化的研究，在此基礎(chǔ)上建立了水系連通功能和形態(tài)的多元回歸方程，確定了發(fā)展規(guī)劃條件下水系連通形態(tài)指標(biāo)的閾值區(qū)間。成果可以為城市水系連通以及水資源開發(fā)利用提供重要的借鑒。但研究方法中需要從構(gòu)建的定量方程和樣本數(shù)據(jù)長度來對水系連通形態(tài)閾值區(qū)間的理論計算值進行驗證，從而提高理論成果的實用性和精度。