城市化水平對(duì)城市水系形態(tài)及水系連通的影響

張 野

(遼寧省盤錦水文局，遼寧 盤錦 124010)

城市化發(fā)展對(duì)城市水系形態(tài)結(jié)構(gòu)特征影響顯著，隨著城市化水平的提高，城市水系的格局及其水系連通性受到較大影響[1-2]。為提高城市化水系功能性，提高水系連通度，需要定量分析方法對(duì)城市化影響下的城市水系結(jié)構(gòu)及連通性，從而最大程度降低城市化的發(fā)展對(duì)城市水系功能性的影響[3-4]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者展開城市化發(fā)展對(duì)城市水系形態(tài)功能性的影響[5-9]，但大多定性描述較多，存在一定的研究主觀性。本文采用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，構(gòu)建一套城市化水系功能與形態(tài)結(jié)構(gòu)之間的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，定量評(píng)估城市化發(fā)展對(duì)城市水系形態(tài)結(jié)構(gòu)特征及其水系連通的影響，并確地滿足城市未來發(fā)展下的水系連通指標(biāo)閾值范圍。研究成果對(duì)于城市功能與水系形態(tài)的協(xié)調(diào)提高重要的參考價(jià)值。

1 評(píng)估指標(biāo)的計(jì)算方法

城市水系形態(tài)結(jié)構(gòu)特征評(píng)估指標(biāo)包括水域面積、河流長(zhǎng)度、河道槽蓄容量、河網(wǎng)密度、水面比例，水系連通特征指標(biāo)包括水系環(huán)度、節(jié)點(diǎn)連接率及水系連通度指標(biāo)，其中水域面積及河流長(zhǎng)度可以通過遙感影響進(jìn)行水體差異化指數(shù)的提取，提取公式為：

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

(1)

式中，NDWI—水體差異化指數(shù)；Green—TM影像中的第二個(gè)波段；NIR—TM影像中的第5個(gè)波段。

河網(wǎng)密度的計(jì)算公式為：

(2)

式中，Li—第i段河段的長(zhǎng)度，km；M—城市河流數(shù)目(條)；Ar—水系連通面積，km2。

水面比例的計(jì)算公式為：

(3)

式中，Aw—水域面積，km2。

水系環(huán)度的計(jì)算公式為：

(4)

式中，n—區(qū)域水系個(gè)數(shù)；v—區(qū)域節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

節(jié)點(diǎn)連接率的計(jì)算公式：

(5)

式中，n、v同式(4)中變量含義。

水系連通度的計(jì)算公式為：

(6)

式中，n、v同式(4)中變量含義。

本文采用雙變量分析方法來計(jì)算不同指標(biāo)的相關(guān)性，計(jì)算公式為：

(7)

表1 城市化影響城市水系各指標(biāo)雙變量檢驗(yàn)值

水系連通要素指標(biāo)閾值的確定公式為：

yt=β0+β1xt1+β2xt2++βkxtk+ut

(8)

式中，yt—應(yīng)變量；xt1,xt2xtk—自變量；u—隨機(jī)誤差；k—自變量個(gè)數(shù)。

2 研究實(shí)例

2.1 區(qū)域概況

本文以遼寧中部某城市為研究實(shí)例，該城市水系較為復(fù)雜，水系密度在0.6以上，近些年來，隨著城市化的發(fā)展，城市水系的形態(tài)特征影響較為明顯，為分析其城市化下的城市水系功能及連通性的影響，建立水系形態(tài)指標(biāo)與城市化發(fā)展水平之間的相關(guān)公式，并確定其城市化發(fā)展下各水系連通的閾值范圍。結(jié)合區(qū)域水系調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合各水系形態(tài)指標(biāo)計(jì)算方法對(duì)其指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并分期城市化影響下水系形態(tài)特征的影響程度，并建立城市化以城市水系形態(tài)特征的相關(guān)公式，確定城市水系連通指標(biāo)要素的閾值。

2.2 城市水系形態(tài)指標(biāo)檢驗(yàn)

結(jié)合城市化發(fā)展的5類功能指標(biāo)分析其與水系形態(tài)指標(biāo)的顯著性，結(jié)果見表1，并統(tǒng)計(jì)分析各指標(biāo)與城市水形態(tài)主要指標(biāo)之間的相關(guān)性，見表2。

從表1中可以看出，河流發(fā)展系數(shù)與城市化功能指標(biāo)的顯著性檢驗(yàn)值最高，其次是水面率，河網(wǎng)復(fù)雜度與城市化功能指標(biāo)的顯著性在各指標(biāo)中最低，總體而言，城市化各功能指標(biāo)對(duì)城市水系形態(tài)指標(biāo)的顯著性都偏高，影響均較大。從表2中可看出，城市化水系的各形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的雙側(cè)Spearman相關(guān)系數(shù)差異性較大，總體而言，水面率的雙側(cè)Spearman相關(guān)系數(shù)相關(guān)性較大，而河網(wǎng)復(fù)雜度的雙側(cè)Spearman相關(guān)系數(shù)較低。

表2 城市化影響城市水系各指標(biāo)雙側(cè)檢驗(yàn)值

2.3 城市水平發(fā)展影響及相關(guān)公式的建立

結(jié)合城市化水平指數(shù)，建立了城市水系各指標(biāo)與城市化發(fā)展水平的相關(guān)公式，如圖1所示，城市化發(fā)展水平指數(shù)主要來源于城市統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)。

從圖1中可以看出，城市化水平和城市水系各形態(tài)結(jié)構(gòu)指標(biāo)都呈現(xiàn)較為明顯的線性相關(guān)，隨著城市化發(fā)展水平的逐步增加，各指標(biāo)的功能性逐步減小，下降斜率逐步較大，其中城市水系水面率的下降比例最大，河流頻率指標(biāo)的傾斜率較小，各指標(biāo)的平均傾斜率在-0.2～-0.7之間。

2.4 城市水系功能與形態(tài)指標(biāo)相關(guān)性及其閾值范圍分析

在上述公式構(gòu)建和檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定城市化發(fā)展下城市水系功能指標(biāo)與形態(tài)指標(biāo)的相關(guān)性，見表3，并建立兩者的相關(guān)性公式，公式系數(shù)見表4，結(jié)合該公式確定城市化下水系連通指標(biāo)的閾值范圍。

圖1 城市化水平與城市水系形態(tài)指標(biāo)的相關(guān)公式

功能指標(biāo)形態(tài)指標(biāo)河流長(zhǎng)度水域面積槽蓄量河網(wǎng)密度水面率水系度節(jié)點(diǎn)率連通度水質(zhì)達(dá)標(biāo)率城鎮(zhèn)供水比濕地變化率生物多樣性水庫調(diào)節(jié)力通航能力親水舒適度河道斷流比r0.72350.82450.92310.62560.53420.25780.02750.3634a0.52530.42310.62750.52950.42830.52950.03840.2956r0.62150.52430.58750.62340.29830.31530.43520.5148a0.52530.54820.55750.61420.59830.61420.59480.5745r0.48750.25780.45310.52650.55850.57410.62410.5875a0.55430.62410.59740.52630.51450.50560.55750.6126r0.42350.52310.52450.58750.48370.43450.55650.4289a0.52350.53450.61430.49780.51250.52630.54310.5241r0.31340.27830.55750.51420.53460.62760.42310.6251a0.29870.33430.55430.55450.55780.82430.32190.5598r0.33650.52650.52960.66260.66260.92410.42180.4293a0.43570.57430.62340.55450.61430.54230.52060.5145r0.51420.55830.66350.61260.55950.42310.51450.6214a0.62150.62750.59720.43540.62410.52650.48760.5978r0.58750.61430.61430.51870.42350.48750.49830.5575a0.61260.66430.66260.52960.38950.33250.51160.4873

表4 各功能指標(biāo)與城市水系結(jié)構(gòu)多指標(biāo)線性公式系數(shù)項(xiàng)

從表3中可看出，城市水系的各個(gè)形態(tài)指標(biāo)與功能指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)差異性較大，城鎮(zhèn)供水比與各形態(tài)結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)的相關(guān)性較高，而城市水生態(tài)功能如濕地變化率、生物多樣性指數(shù)與城市水系結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)的相關(guān)性相比于其他指標(biāo)略低。從總體而言，生態(tài)多樣性指數(shù)、通航能力以及城市供水比與城市水系形態(tài)指標(biāo)的相關(guān)性較高。濕地變化率、城市河流親水舒適度與城市河流水系形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)性較低。結(jié)合城市各功能指標(biāo)與水系形態(tài)特征，建立相關(guān)公式，其相關(guān)公式各系數(shù)見表4，從表4中可以看出，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率河網(wǎng)密度及節(jié)點(diǎn)連接率相關(guān)，生物多樣性與節(jié)點(diǎn)連接率、水系連通度以及水系環(huán)度相關(guān)，而城鎮(zhèn)供水比與水系連通度以及水系環(huán)度的相關(guān)度較高。城市河流通航能力則與水系連通度的相關(guān)性最高，系數(shù)也最大。結(jié)合城市2025年規(guī)劃發(fā)展，確定各指標(biāo)的閾值范圍分別為：①河網(wǎng)密度為[0.37，0.41]，②節(jié)點(diǎn)連接率為[1.38，1.56]，③水系連通度為[0.51，0.59]，④水系環(huán)度閾值為[0.42，0.45]。

3 結(jié)語

城市化下城市河流形態(tài)結(jié)構(gòu)特征影響是當(dāng)下研究的科學(xué)熱點(diǎn)，本文通過建立一套評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建指標(biāo)相關(guān)公式來定量分析城市化水平對(duì)城市水系格局及其連通性的影響，并給出城市未來發(fā)展下各水系指標(biāo)變化的閾值范圍，該范圍可為城市水系保護(hù)及其連通性規(guī)劃提供重要的參考價(jià)值。研究，未能結(jié)合長(zhǎng)系列數(shù)據(jù)，且未能對(duì)相關(guān)公式的合理性進(jìn)行分析，存在一定的不足，需要對(duì)定量公式進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，從而提供數(shù)據(jù)的分析精度。