城市發(fā)展與河網(wǎng)演變間的相互作用
——以鄭州市主城區(qū)為例

羅英菡, 劉 暢, 田國(guó)行

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院, 河南 鄭州 450002)

城市河流肩負(fù)著行洪排澇、蓄水調(diào)節(jié)的功能，是城市水資源的重要載體。快速城市化發(fā)展以來(lái)，河網(wǎng)水系受到人類活動(dòng)影響最為強(qiáng)烈[1-2]，不透水面的急速擴(kuò)張改變了城市河網(wǎng)格局[3]，帶來(lái)洪澇頻發(fā)、水質(zhì)惡化等一系列水安全、水生態(tài)問題，制約了城市可持續(xù)發(fā)展[4]，引起了廣大學(xué)者的關(guān)注，對(duì)城市水系的研究也從治污、保質(zhì)轉(zhuǎn)移到恢復(fù)生態(tài)河網(wǎng)水系[5]，因此，研究了解城市發(fā)展與河網(wǎng)水系間的相互作用具有重要意義。從1945年提出的Horton定律和Strahler河流分級(jí)方法到結(jié)合GIS空間技術(shù)，對(duì)城市化下河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)與功能的變化進(jìn)行了許多研究，結(jié)果表明，全球60%的河流隨著城市化進(jìn)程而改變[6]，不少高度城市化地區(qū)失去了至少85%的河道，芝加哥和洛杉磯等大都市出現(xiàn)了“城市河流沙漠”現(xiàn)象[7-8]。國(guó)內(nèi)則多以東南沿海平原地區(qū)高城市化的上海、深圳以及長(zhǎng)三角、珠三角等城市群流域?yàn)檠芯繉?duì)象，袁雯等人分析得出上海河流結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)自然型—井型—干流型演變趨勢(shì)[9]，蔣祺等人發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)沙市各個(gè)時(shí)期城市發(fā)展速度與水系衰減速度呈正相關(guān)關(guān)系[10]，楊柳等[11-12]發(fā)現(xiàn)蘇州市近50 a城市化對(duì)水系衰減的貢獻(xiàn)率達(dá)67%以上，在長(zhǎng)三角平原區(qū)，城市化影響了河網(wǎng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)和空間格局，主干河流被渠化、次支河流淤積被填埋，導(dǎo)致水系衰退。但城市發(fā)展與河網(wǎng)水系之間的影響不是單向的，城市發(fā)展給河網(wǎng)帶來(lái)破壞與促進(jìn)作用，同時(shí)河網(wǎng)也會(huì)給城市發(fā)展以支撐與約束作用，兩者在發(fā)展中通過正向與反向的動(dòng)態(tài)反饋以達(dá)到耦合共生[13-14]。當(dāng)前文獻(xiàn)較多闡述了平原河網(wǎng)區(qū)高度城市發(fā)展對(duì)河網(wǎng)形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，研究區(qū)域與方向多相似，而對(duì)于系統(tǒng)分析城市發(fā)展過程中與河網(wǎng)水系間耦合協(xié)調(diào)性測(cè)定分析的文獻(xiàn)較少，尤其是高速發(fā)展的中原地區(qū)，水資源總量較少使得對(duì)河網(wǎng)的保護(hù)更為重要。

鄭州市地跨黃河、淮河兩大水系，正處于國(guó)家中心城市的擬建設(shè)階段，是中原地區(qū)交通、貿(mào)易的重要樞紐，超大的城市尺度和迅速的城市化發(fā)展強(qiáng)烈地改變了地表河流，并嚴(yán)重影響了雨水資源的時(shí)空分布?；谝陨戏治觯疚倪x取河南省鄭州市主城區(qū)為研究區(qū)，在分析河網(wǎng)特征變化同時(shí)建立城市發(fā)展與河網(wǎng)演變的耦合模型，通過計(jì)算綜合發(fā)展指數(shù)、耦合度和耦合協(xié)調(diào)度來(lái)分析城市發(fā)展與河網(wǎng)間耦合協(xié)調(diào)度變化，為內(nèi)在結(jié)構(gòu)的調(diào)整與合理保護(hù)和城市從開拓和建設(shè)轉(zhuǎn)向以統(tǒng)籌協(xié)調(diào)資源保護(hù)的發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鄭州市主城區(qū)位于鄭州市中部偏北區(qū)域，地處黃河沖積形成的平原地區(qū)，地勢(shì)平坦，地跨北緯34°36′6.80″—34°58′17.09″，東經(jīng)113°26′48.90″—113°51′53.33″，主要包括二七區(qū)、金水區(qū)、中原區(qū)、惠濟(jì)區(qū)、管城區(qū)，總面積1 033.47 km2。主要河流有賈魯河、金水河、熊耳河及東風(fēng)渠等，均為季節(jié)性河流，屬淮河水系，其中除賈魯河和七里河下游、潮河有少量基流外，均無(wú)自然基流且多為排污河道，年降水量由南向北逐漸遞減。鄭州市作為中部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、交通運(yùn)輸?shù)鹊臉屑~，城市化發(fā)展程度高、速度快、尺度大，致使河流兩側(cè)多被占用為建設(shè)用地，河道變窄并趨于硬化，擺動(dòng)范圍縮小，河流水域面積縮小，改變了城市水循環(huán)過程。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

2.1.1 空間數(shù)據(jù) 本文空間數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云，結(jié)合1994年前后的“民工大潮”擴(kuò)大了城市建設(shè)隊(duì)伍；2003年將河流生態(tài)建設(shè)納入規(guī)劃建設(shè)理念的鄭東新區(qū)開工；到2012年?yáng)|區(qū)龍湖開始蓄水和2014年南水北調(diào)的完工，豐富了鄭州的河湖水系；再到2018年鄭州擬建國(guó)家中心城市，因而選擇1994，2002，2009和2019年作為研究年份，下載Landsat系列遙感影像，通過ENVI軟件對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理并采用監(jiān)督分類法目視解譯結(jié)合實(shí)際情況，將主城區(qū)分為水體、建設(shè)用地、綠地和農(nóng)田4類土地利用類型，得到土地利用數(shù)據(jù)。

2.1.2 水系提取 通過影像的多波段融合并采用徐涵秋的改進(jìn)歸一化差異水體指數(shù)提取水系，進(jìn)一步結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)、谷歌影像人工解譯得到主城區(qū)河流分布圖(圖1)。

圖1 鄭州市主城區(qū)1994，2002，2009和2019年河網(wǎng)變化

(1)

式中：Green,MIR分別為綠波段和中紅外波段,可增強(qiáng)水體與建筑物的反差,增加水體提取的準(zhǔn)確[15]。

2.1.3 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 城市發(fā)展數(shù)據(jù)來(lái)源于河南省鄭州市統(tǒng)計(jì)局1994，2002，2009和2019年的《鄭州市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》。

2.2 研究方法

2.2.1 網(wǎng)格化密度 網(wǎng)格化河網(wǎng)密度(Dr)：體現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)河流分布的疏密程度，與地形坡度有緊密聯(lián)系，值越大表明流域內(nèi)地勢(shì)平坦且調(diào)蓄能力強(qiáng)：

(2)

式中：l為網(wǎng)格中河流長(zhǎng)度;r2為網(wǎng)格面積。

河網(wǎng)密度與網(wǎng)格邊長(zhǎng)通常運(yùn)用均值變點(diǎn)分析法進(jìn)行突變點(diǎn)的檢驗(yàn)[16]得到最佳網(wǎng)格尺度。

在有序數(shù)列{Xi}，i=1，2，…，N中，以Xi點(diǎn)為界分為兩段，計(jì)算每段樣本的算術(shù)平均值和樣本平均值，統(tǒng)計(jì)S，Si，兩者差值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)即突變點(diǎn)[17]。

(3)

(4)

式中：t1=1,2,…i-1，t2=i,i+1,…，N分別代表以Xi點(diǎn)為界的兩段樣本。

2.2.2 河網(wǎng)特征指數(shù)

(1) 水面率(W)：該值越大河湖總面積越大。

(5)

式中：a為河湖總面積(km2);A為流域總面積(km2)。

(2) 支流發(fā)育系數(shù)(K)：該值越大河網(wǎng)支流發(fā)育程度越好。

(6)

式中：Lt表示支流總長(zhǎng)度(km);Lm為干流總長(zhǎng)度(km2)。

(3) 主干流面積長(zhǎng)度比(Rw)：該值越大則單位長(zhǎng)度主干河流面積越大。

(7)

式中：Am為主干河流總面積(km);Lm為主干流總長(zhǎng)度(km)。

(4) 河流曲度(Sr)：該值越大河流形態(tài)越自然化。

(8)

式中：L流域內(nèi)河流總長(zhǎng)度(km);Ls流域內(nèi)各條河流的直線距離之和(km)。

2.2.3 城市擴(kuò)展強(qiáng)度 擴(kuò)展強(qiáng)度(G)表示研究時(shí)間內(nèi)主要建成區(qū)變化的快慢程度[18]。

(9)

式中：La，Lb為研究時(shí)段初期和末期主建成區(qū)的面積(km2);t為研究時(shí)段長(zhǎng)(年)。

2.2.4 耦合模型

(1) 標(biāo)準(zhǔn)化處理。采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱處理，計(jì)算公式為：

(10)

(11)

式中：Sij，Oij分別為第i年的第j項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值與原始數(shù)值; max，min分別對(duì)應(yīng)各年份中最大值和最小值[19],其中，指標(biāo)數(shù)據(jù)越大對(duì)系統(tǒng)發(fā)展越有利的正趨向性數(shù)據(jù)采用公式(10)，相反負(fù)趨向性數(shù)據(jù)采用公式(11)。

(2) 權(quán)重計(jì)算。采用主觀與客觀賦值相結(jié)合的辦法[20]，一級(jí)指標(biāo)采用主觀賦權(quán)法，二級(jí)指標(biāo)利用客觀賦值變異系數(shù)法計(jì)算權(quán)重，計(jì)算公式為：

(12)

(13)

式中：CVj為標(biāo)準(zhǔn)化后第j項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù);Dj為標(biāo)準(zhǔn)化后第j項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差;Sj為標(biāo)準(zhǔn)化后第j項(xiàng)指標(biāo)的平均值[21]。

(3) 綜合指數(shù)計(jì)算。為避免系統(tǒng)自身組成因素的穩(wěn)定性、非線性過程的影響[22]，利用線性加權(quán)法計(jì)算各系統(tǒng)綜合指數(shù)，計(jì)算公式為：

E=∑wiei(i=1,2,3,…,n)

(14)

R=∑wjej(j=1,2,3,…,n)

(15)

式中：E,R分別為城市化發(fā)展與河網(wǎng)演變系統(tǒng)的綜合指數(shù);Wi，Wj分別為兩個(gè)系統(tǒng)的第i,j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值;ei,ej分別為兩個(gè)系統(tǒng)的第i,j項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。

(4) 耦合度與耦合協(xié)調(diào)度。反映城市發(fā)展與河網(wǎng)演變間的耦合程度，計(jì)算公式為：

T=a×E+b×R

(16)

(17)

(18)

式中：T為城市發(fā)展與河網(wǎng)演變系統(tǒng)的綜合協(xié)調(diào)指數(shù);C為耦合度;D為耦合協(xié)調(diào)度；a,b為待定系數(shù),取a=b=0.5；k為調(diào)節(jié)系數(shù),這里k=2。

耦合度C取值范圍為[0,1]，值越大表示發(fā)展越有序，但不能反映系統(tǒng)自身的發(fā)展水平，于是引入耦合協(xié)調(diào)度D，劃分標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)廖重斌等學(xué)者的成果[23]以0.5為界大體分為失調(diào)和協(xié)調(diào)兩個(gè)區(qū)間，具體劃分詳見表1。

表1 系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)等級(jí)[23]

3 結(jié)果與分析

3.1 城市發(fā)展對(duì)河網(wǎng)特征影響

3.1.1 最適格網(wǎng)密度分析 將網(wǎng)格邊長(zhǎng)分別設(shè)置為1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0，6.5，7.0，7.5，8.0，8.5，9.0，9.5和10 km共19個(gè)網(wǎng)格梯度，分別繪制網(wǎng)格邊長(zhǎng)與河網(wǎng)密度的關(guān)系圖(圖2)，得到研究區(qū)各個(gè)年份變化趨勢(shì)均為隨著網(wǎng)格邊長(zhǎng)的增加，河網(wǎng)密度不斷下降，則河網(wǎng)密度與網(wǎng)格邊長(zhǎng)存在一定冪函數(shù)曲線關(guān)系。將數(shù)據(jù)分為兩段樣本，分別計(jì)算總體樣本的平均值和方差以及分段樣本的算術(shù)平均值和方差，繪制S-Si與網(wǎng)格梯度的變化曲線圖(圖2)，結(jié)果顯示1994，2002，2009和2019年這4 a變化趨勢(shì)整體一致，均隨著網(wǎng)格梯度的增加，S與Si的差值呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，前3個(gè)網(wǎng)格梯度下曲線上升趨勢(shì)迅猛，在第3梯度處差值達(dá)到最大，在第3梯度后曲線逐步下降，符合均值變點(diǎn)法突變點(diǎn)的特征，則第3分割點(diǎn)即為格網(wǎng)密度的最佳網(wǎng)格尺度，與網(wǎng)格邊長(zhǎng)與河網(wǎng)密度關(guān)系圖對(duì)應(yīng)可得最適網(wǎng)格邊長(zhǎng)為2 km。

圖2 鄭州市主城區(qū)最適單元網(wǎng)格分析

以2 km×2 km網(wǎng)格為標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)1994，2002，2009和2019年河流單元網(wǎng)格密度進(jìn)行分析得到整體密度降低、密集區(qū)塊不斷分散的變化特點(diǎn)，由1994年的兩個(gè)主要高密度區(qū)演變?yōu)?019年中低密度區(qū)廣散分布。其中西南部丘陵地區(qū)，受城市開發(fā)影響顯著，密度降低最大，減小了1.56；東部由于新區(qū)的規(guī)劃建設(shè)使得主干河道得到一定保護(hù)，而支流明顯減少，以龍子湖北部區(qū)域?yàn)槔?，初期河道支流豐富、形態(tài)自然化，隨著城市進(jìn)一步的建設(shè)發(fā)展，到2019年支流消失，河道渠干化。

本文以建設(shè)用地占比來(lái)表示土地城市化率，結(jié)合河網(wǎng)密度的變化進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)[24-25]，在研究時(shí)間段內(nèi)河網(wǎng)密度隨著土地城市化率的增加呈現(xiàn)先降后升的變化趨勢(shì)。初期城市一味的發(fā)展忽視了對(duì)河網(wǎng)水系的保護(hù)與建設(shè)，建設(shè)用地不斷擴(kuò)張并開始擠壓侵占河流用地，改變了土地利用類型，河道的減少較大程度地改變了河網(wǎng)的數(shù)量與布局，直接影響了河網(wǎng)密度等數(shù)量特征的變化，到后期人們開始注重河流生態(tài)的建設(shè)，疏通河道、開鑿湖泊運(yùn)河等人工生態(tài)水系的一些列措施的實(shí)施，提高了河流密度，一定程度改善了河網(wǎng)結(jié)構(gòu)與布局。說(shuō)明城市發(fā)展對(duì)河網(wǎng)既有破壞作用也有促進(jìn)作用(圖3)。

圖3 鄭州主城區(qū)1994，2002，2009和2019年土地城市化率與河流格網(wǎng)密度關(guān)系

3.1.2 河網(wǎng)特征指數(shù)變化 通過對(duì)1994，2002，2009和2019年各項(xiàng)水系指數(shù)的計(jì)算可以得到，城市化帶來(lái)的“他組織”效應(yīng)對(duì)河網(wǎng)影響較大，地下水的過度開采導(dǎo)致河道水源減少，主干河流被硬質(zhì)渠化、末端支流干枯消失，使河網(wǎng)支流數(shù)量明顯減少、形態(tài)線型、結(jié)構(gòu)單一化，特征指數(shù)整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(表2)，1994—2019年支流發(fā)育系數(shù)下降0.13，水面率縮減了0.78%。城市發(fā)展一方面通過用地?cái)D壓與資源索取的路徑對(duì)河網(wǎng)演變產(chǎn)生破壞作用，另一方面則通過可持續(xù)發(fā)展與社會(huì)需求路徑促進(jìn)河網(wǎng)的發(fā)展。在政策指導(dǎo)與鼓勵(lì)下，城市大步發(fā)展，而城市發(fā)展的突出表現(xiàn)即為土地利用的轉(zhuǎn)變，隨著人群向城市的涌入和硬質(zhì)下墊面的增加，用地緊張導(dǎo)致建設(shè)用地開始擠壓河流用地。同時(shí)對(duì)地下水的過度開發(fā)和對(duì)環(huán)境資源的過度索取，導(dǎo)致河流水源減少、末端支流干枯消失，加上河岸濕地的減少、河道渠化等極大的破壞了河網(wǎng)形態(tài)與結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致河網(wǎng)退化。而河網(wǎng)水系與城市儲(chǔ)水排水、氣候調(diào)節(jié)、環(huán)境安全等方面聯(lián)系密切，河網(wǎng)的退化會(huì)帶來(lái)水源減少、城市內(nèi)澇、城市熱島、水污染等問題隱患，同時(shí)，人們開始重視生活質(zhì)量，追求自然化的生活環(huán)境。因而，城市開始重視可持續(xù)性發(fā)展，從2003年鄭州東區(qū)的建設(shè)開始，將河網(wǎng)建設(shè)納入規(guī)劃系統(tǒng)，到2007年《鄭州市生態(tài)水系規(guī)劃》的發(fā)布，采取疏通河道、微彎整治、支流改道等人工措施干預(yù)，再到2015年鄭州市環(huán)城生態(tài)水系循環(huán)工程建設(shè)，建設(shè)生態(tài)引水工程和重要河流生態(tài)保護(hù)帶限制性規(guī)劃調(diào)控[26]的實(shí)施，使河網(wǎng)形態(tài)較長(zhǎng)時(shí)期保持穩(wěn)定，穩(wěn)固了河網(wǎng)結(jié)構(gòu)，特征指數(shù)也有所回升。如金水河，1992年硬質(zhì)河段約為18.4 km，2000年后快速發(fā)展使硬質(zhì)河道在2017年達(dá)到35 km，城區(qū)河道基本硬質(zhì)化[27]，后期適當(dāng)?shù)厝斯じ深A(yù)，構(gòu)建綠色生態(tài)廊道，形成以金水河為紐帶，周邊綠地公園環(huán)繞的空間格局；如潮河與魏河，拓寬河面并依托賈魯河開鑿湖面與運(yùn)河打造人工水系，提高了河網(wǎng)特性，但仍存在河流走向線型的問題，說(shuō)明在城市發(fā)展同時(shí)，對(duì)河網(wǎng)水系采取適當(dāng)人工措施的干預(yù)對(duì)河流結(jié)構(gòu)保護(hù)與重塑起到了一定促進(jìn)作用，但仍需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)河網(wǎng)的修復(fù)與保護(hù)。

表2 鄭州主城區(qū)1994，2002，2009和2019年河網(wǎng)特征指數(shù)變化

3.2 城市發(fā)展過程地形對(duì)河網(wǎng)演變的影響

河流的演變與地形也有較大聯(lián)系，選取主城區(qū)的幾何中心為圓心，適當(dāng)半徑畫圓將主城區(qū)等分為北方(N)、東北方(NE)、東方(E)、東南方(SE)、南方(S)、西南方(SW)、西方(W)、西北方(NW)8個(gè)方向，疊加不同時(shí)期下主要建成區(qū)矢量圖，得到主城區(qū)各個(gè)方向在時(shí)間上的擴(kuò)展情況。通過表3可以看出，鄭州主城區(qū)在NE-SE和NW-W方向上擴(kuò)展強(qiáng)度大，SW-S方向上擴(kuò)展強(qiáng)度最低，整體向東擴(kuò)展。結(jié)合地形高程與河網(wǎng)可知，主城區(qū)總的地勢(shì)為西南高東北低，河流走向?yàn)槲髂系綎|北，位于上游的西南地區(qū)地面溝壑縱橫，開發(fā)難度大，同時(shí)南水北調(diào)干渠東西向穿過，水源保護(hù)也為城區(qū)向西南擴(kuò)展增加了一定阻礙，擴(kuò)展強(qiáng)度僅為6.05%，仍使河網(wǎng)密度下降了1.56，而東北部多為平原地區(qū)，地勢(shì)平坦，且賈魯河、金水河和索須河等在此區(qū)域交匯，NE-SE區(qū)域擴(kuò)展強(qiáng)度達(dá)21.36%。則河網(wǎng)對(duì)城市發(fā)展的影響表現(xiàn)為支撐與約束作用：支撐作用通過城市擴(kuò)展與物質(zhì)供給路徑體現(xiàn)：鄭州主城區(qū)東部平原地區(qū)建設(shè)成本低，見效快，為龍湖、龍子湖、南北運(yùn)河等人工水系的修建提供了便利，強(qiáng)化了東部地區(qū)的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)，主干河流影響著城市發(fā)展形態(tài)，支流控制引導(dǎo)著城市的擴(kuò)張，因而東區(qū)生態(tài)水系與綠色廊道的進(jìn)一步修建使之逐漸成為城市的支架與血脈，引導(dǎo)著城市擴(kuò)展，并確保了水源和城市的生態(tài)循環(huán)、氣候調(diào)節(jié)與水質(zhì)凈化，提供了城市發(fā)展必須的物質(zhì)基礎(chǔ)，支撐著城市的持續(xù)發(fā)展。約束作用則通過建設(shè)成本與環(huán)境質(zhì)量路徑體現(xiàn)：隨著城市發(fā)展，人類活動(dòng)的影響和對(duì)環(huán)境需求量的不斷增加，硬質(zhì)地面取代河道兩岸灘地，河道渠化、水面縮小、水源減少、河流干枯等問題使河網(wǎng)水系的承受能力逐漸趨于閾值，生態(tài)平衡的破壞與環(huán)境質(zhì)量的下降，增加了人工修復(fù)的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)生態(tài)脆弱地區(qū)更是帶來(lái)不可逆的破壞而失去生存空間，這些都增加了城市建設(shè)成本，對(duì)城市的持續(xù)發(fā)展起到了一定約束作用。

表3 鄭州市主城區(qū)1994，2002，2009和2019年各方位擴(kuò)展強(qiáng)度

3.3 城市發(fā)展與河網(wǎng)水系的耦合協(xié)調(diào)分析

城市發(fā)展與河網(wǎng)具有相互限制、相互促進(jìn)的關(guān)系。引用耦合模型，當(dāng)城市發(fā)展水平較低時(shí)，河網(wǎng)對(duì)城市發(fā)展的約束力不大，耦合作用較低，隨著城市發(fā)展對(duì)河流索取的增加，使河網(wǎng)系統(tǒng)的承受能力趨于閾值，開始阻礙城市的發(fā)展，于是城市規(guī)劃建設(shè)者開始改善河網(wǎng)特性，提高承受力，緩和二者矛盾，使城市進(jìn)一步發(fā)展，直到河網(wǎng)系統(tǒng)的承受力再次趨于閾值，如此往復(fù)，兩者的耦合協(xié)調(diào)度也在過程中不斷地調(diào)整、磨合、提升[28]。

3.3.1 模型指標(biāo)確定 城市發(fā)展選擇空間、經(jīng)濟(jì)和人口城市化三方面構(gòu)建6個(gè)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)算，河網(wǎng)演變則選取數(shù)量、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性三方面構(gòu)建了5個(gè)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)算(表4)。11個(gè)指標(biāo)中建設(shè)用地占比為負(fù)向型指標(biāo)，即指標(biāo)值越小越利于城市發(fā)展與河網(wǎng)演變的協(xié)調(diào)發(fā)展，其余10個(gè)指標(biāo)均為正向型指標(biāo)，即指標(biāo)值越大越利于兩者協(xié)調(diào)發(fā)展。衡量一個(gè)城市的發(fā)展程度離不開對(duì)空間、經(jīng)濟(jì)、人口三方面的分析，因此本文認(rèn)為一級(jí)指標(biāo)中3個(gè)方面對(duì)城市發(fā)展的貢獻(xiàn)是相等的，基于權(quán)重總量為1，則各項(xiàng)權(quán)重占比均為0.333，同理，數(shù)量、結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性方面的描述對(duì)河網(wǎng)的演變分析同樣重要，所以一級(jí)指標(biāo)中三項(xiàng)權(quán)重均為0.333。通過公式計(jì)算得到二級(jí)各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，發(fā)現(xiàn)河流曲度權(quán)重最大，為0.30，最能反映城市發(fā)展對(duì)河網(wǎng)形態(tài)造成的影響，其次為人均GDP，是衡量城市發(fā)展程度的重要指標(biāo)。

表4 鄭州市主城區(qū)城市發(fā)展與河網(wǎng)演變協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系指標(biāo)權(quán)重

3.3.2 河網(wǎng)演變系統(tǒng)指數(shù)分析 通過計(jì)算得到河網(wǎng)演變指數(shù)變化圖(圖4)，其中數(shù)量和結(jié)構(gòu)特征曲線走勢(shì)相近，整體上在波動(dòng)中下降，在1994—2002年時(shí)間段內(nèi)下降幅度最大，分別下降了0.29和0.24，這時(shí)期受到我國(guó)房地產(chǎn)改革影響，住房建設(shè)興起，較多河道分支等被侵占，導(dǎo)致河網(wǎng)支流數(shù)量減少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，干流受影響較小，因而河網(wǎng)穩(wěn)定性即河流曲度初期呈現(xiàn)先增后降的變化。2002—2009年時(shí)間內(nèi)，快速城市化帶來(lái)的一系列問題使河網(wǎng)達(dá)到了最大承受能力，開始影響到城市的發(fā)展，于是開始著手河流生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)保護(hù)，基于《鄭州市生態(tài)水系規(guī)劃》的河道疏通、水質(zhì)治理、人工運(yùn)河開鑿、引黃供水等措施達(dá)到良好的成效，河網(wǎng)特征指數(shù)緩慢回升，提高了河網(wǎng)系統(tǒng)的承載力，數(shù)量與結(jié)構(gòu)指數(shù)分別提升了0.07和0.05。2009—2019年時(shí)間內(nèi)，內(nèi)陸地區(qū)對(duì)旅游服務(wù)等第三產(chǎn)業(yè)的重視與新型工業(yè)化的不斷發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了城市的發(fā)展，對(duì)主要河道實(shí)施生態(tài)修復(fù)雖維護(hù)了河流穩(wěn)定性，但城市發(fā)展對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)的破壞存在不可逆性，支流的減少、結(jié)構(gòu)的單一化，使河網(wǎng)發(fā)展遠(yuǎn)落后于城市發(fā)展，仍處于河網(wǎng)水系滯后型狀態(tài)。

圖4 鄭州市主城區(qū)城市發(fā)展與河網(wǎng)演變系統(tǒng)關(guān)系變化

3.3.3 城市發(fā)展與河網(wǎng)演變綜合指數(shù)分析 通過城市發(fā)展和河網(wǎng)演變綜合指數(shù)變化圖(圖4)可以看出，在研究時(shí)間范圍內(nèi)鄭州主城區(qū)的城市發(fā)展綜合評(píng)價(jià)指數(shù)由1994年的0.27增加到2019年的0.72，人均GDP從1994年的0.49萬(wàn)元上升到2019年的11.31萬(wàn)元，在小幅度變化中呈現(xiàn)明顯上升的趨勢(shì)，城市水平穩(wěn)步提升。河網(wǎng)演變系統(tǒng)對(duì)城市發(fā)展帶來(lái)的影響較為敏感，整體變化幅度大，有明顯的響應(yīng)。在1994—2002年時(shí)間內(nèi)，河網(wǎng)受城市發(fā)展影響綜合指數(shù)直線下降了0.56，水系的持續(xù)惡化反作用阻礙了城市的發(fā)展，2002—2006年，城市發(fā)展減緩，同時(shí)河道的微彎整治、變化的河岸灘地、部分河道支流的改道等建設(shè)措施，提高了河網(wǎng)承載力，綜合指數(shù)回升，2006年之后，城市發(fā)展加快，表現(xiàn)為河網(wǎng)演變滯后型，但對(duì)河流的長(zhǎng)期規(guī)劃建設(shè)使河網(wǎng)曲線隨著城市發(fā)展呈穩(wěn)中略升的趨勢(shì)。

綜合兩者變化曲線，城市發(fā)展與河網(wǎng)演變兩者差值先縮小再反向增大再到逐漸縮小，經(jīng)歷了城市發(fā)展滯后型到河網(wǎng)演變滯后型，說(shuō)明初期城市一味地追求高速度、高密度、高強(qiáng)度的發(fā)展而忽視了城市河流生態(tài)環(huán)境的承載力，渠道化、結(jié)構(gòu)單一化、主干化及河水污染等給河網(wǎng)水系生態(tài)系統(tǒng)造成了一定不可逆的破壞，而且對(duì)河網(wǎng)水系的保護(hù)規(guī)劃開始較晚，修復(fù)及成效落后于城市發(fā)展進(jìn)程，因而城市發(fā)展綜合指數(shù)仍高于河網(wǎng)的綜合指數(shù)。

3.3.4 城市發(fā)展與河網(wǎng)演變耦合關(guān)系分析 ①由圖4可以看出，研究時(shí)間范圍內(nèi)，兩系統(tǒng)的耦合度值處于0.63～0.94之間，在磨合階段與高水平耦合間的波動(dòng)幅度較大，在研究時(shí)間段前后整體有所提高。兩者耦合協(xié)調(diào)度的值從1994年的0.56到2019年的0.61，其過程可分為3個(gè)時(shí)期： 波動(dòng)階段(1994—2002年)。這一時(shí)期兩系統(tǒng)間協(xié)調(diào)度波動(dòng)幅度大，對(duì)照表1協(xié)調(diào)等級(jí)可知，1994年的協(xié)調(diào)度為0.56處于勉強(qiáng)協(xié)調(diào)階段，2000年的協(xié)調(diào)度則高達(dá)0.66處于初級(jí)協(xié)調(diào)階段，而2002年降到0.44處于瀕臨失調(diào)階段。說(shuō)明初期城市發(fā)展水平較低，隨著不斷的發(fā)展對(duì)河流的依賴與利用不斷提升，接著不透水面的增加、用地?cái)D壓、河道占用使河網(wǎng)綜合指數(shù)從0.72下降到0.16，河網(wǎng)承受力趨于閾值，帶來(lái)水質(zhì)污染、河道斷流、環(huán)境變差等一系列城市問題，并反向影響了城市的發(fā)展進(jìn)程，兩者協(xié)調(diào)度急速下滑。 ② 磨合階段(2002—2014年)。這一階段屬于兩者的磨合調(diào)整期，城市問題的出現(xiàn)使得人們開始重視河網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)，2007年《鄭州市生態(tài)水系規(guī)劃》的發(fā)布與實(shí)施使取得了一定成效，水質(zhì)初步改善、水面得到擴(kuò)張、水循環(huán)加強(qiáng)，河網(wǎng)綜合指數(shù)由2002年的0.16增加到2014年的0.27，提高了河網(wǎng)的整體水平，因此城市得以進(jìn)一步發(fā)展，兩者協(xié)調(diào)度增加，2006年達(dá)到0.61處于初級(jí)協(xié)調(diào)階段。但城市的發(fā)展仍高于河網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展，會(huì)再次達(dá)到河網(wǎng)系統(tǒng)的承受閾值，因而兩者協(xié)調(diào)度由2006年的0.61下降到2014年的0.56處于勉強(qiáng)協(xié)調(diào)階段。 ③穩(wěn)發(fā)展階段(2014—2019年)。河流水系保護(hù)建設(shè)的實(shí)施有效緩解了河網(wǎng)生態(tài)的進(jìn)一步惡化，因而在城市發(fā)展的同時(shí)也開始注重河網(wǎng)體系的修復(fù)與合理發(fā)展。從廣泛的污水治理和拓寬河道落實(shí)到針對(duì)賈魯河、索須河等具體河流的綜合治理，再到環(huán)城生態(tài)水系工程的實(shí)施，河流廊道和濕地生態(tài)的建設(shè)使得城市河流水面寬了、水質(zhì)清了、水體動(dòng)了。此時(shí)期在城市持續(xù)發(fā)展下河網(wǎng)綜合指數(shù)在2019年增加到0.32，兩系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)度也提升到0.61處于初級(jí)協(xié)調(diào)等級(jí)。雖然兩者協(xié)調(diào)度已處于初級(jí)協(xié)調(diào)階段，并呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)，但是兩者的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展過程具有一定波動(dòng)性，因而在之后的發(fā)展過程中仍應(yīng)重視并加強(qiáng)對(duì)城市河流水系的保護(hù)與修復(fù)，并逐漸減弱河網(wǎng)對(duì)“他組織”作用的依賴，通過生態(tài)修復(fù)與改造，提高河流水系系統(tǒng)自身的恢復(fù)力，使兩系統(tǒng)向協(xié)調(diào)共生階段發(fā)展。

4 討論與結(jié)論

(1) 城市發(fā)展對(duì)河網(wǎng)具有破壞與促進(jìn)作用。城市發(fā)展初期較大程度的改變了河網(wǎng)的形態(tài)與結(jié)構(gòu)，水面縮減、結(jié)構(gòu)單一化，特征指數(shù)整體呈下降趨勢(shì)，空間布局也由高密度集中轉(zhuǎn)向中低密度分散，西南區(qū)域河網(wǎng)密度下降明顯，減少了1.56；后期關(guān)于水系保護(hù)建設(shè)政策與人工措施的發(fā)布實(shí)施緩解了水系的進(jìn)一步退化，對(duì)河網(wǎng)的保護(hù)起到一定成效。

(2) 河網(wǎng)也支撐并約束著城市的發(fā)展。因西南部丘陵地貌導(dǎo)致建設(shè)成本大，擴(kuò)展強(qiáng)度僅為6.05%，而東部平原地區(qū)開發(fā)成本低，見效快，推動(dòng)了東區(qū)湖泊、運(yùn)河等人工水系的建設(shè)，穩(wěn)固了河網(wǎng)水系，也引導(dǎo)著城市的擴(kuò)展，NE-SE區(qū)域擴(kuò)展強(qiáng)度達(dá)21.36%。同時(shí)隨著城市發(fā)展，環(huán)境壓力增大，河網(wǎng)的承受能力趨于閾值，生態(tài)平衡的破壞增加了城市建設(shè)成本，約束著城市的持續(xù)發(fā)展。

(3) 城市發(fā)展與河網(wǎng)演變耦合協(xié)調(diào)變化可分為波動(dòng)、磨合和穩(wěn)發(fā)展3個(gè)階段，從初期城市的一味發(fā)展，對(duì)水系帶來(lái)了嚴(yán)重影響，河網(wǎng)系統(tǒng)指數(shù)下降了0.56；到開始重視河網(wǎng)的保護(hù)與建設(shè)，一系列人工措施的干預(yù)緩解了河網(wǎng)的惡化，兩者耦合協(xié)調(diào)度增加了0.12；后期對(duì)水系的綜合治理與修復(fù)成效顯著，河網(wǎng)綜合指數(shù)增加了0.05，兩者協(xié)調(diào)度也提升到了0.61，處于初級(jí)協(xié)調(diào)等級(jí)。但其發(fā)展過程具有一定波動(dòng)性，因而在之后的發(fā)展過程中仍應(yīng)重視并加強(qiáng)對(duì)城市河網(wǎng)水系的保護(hù)與修復(fù)，逐步恢復(fù)提升河網(wǎng)系統(tǒng)自身的發(fā)展活力。

下一步可選取更全面的指標(biāo)體系評(píng)價(jià)，結(jié)合人工措施的干預(yù)對(duì)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，對(duì)調(diào)整河網(wǎng)形態(tài)，合理分配雨水資源，構(gòu)建與城市相匹配的河網(wǎng)水系提出建議。