徐州市水系規(guī)劃方案研究及水系連通性評(píng)價(jià)

王 剛,代 晴,牛平平,單慶安,張桂霞

(1.徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院,江蘇 徐州 221000；2.邳州市水利工程管理總站,江蘇 邳州 221300)

1 概述

隨著城市人口的不斷增加，城市居民人口密度不斷加大，城鎮(zhèn)化建設(shè)速度加快，城鎮(zhèn)水系出現(xiàn)了一系列急需解決的問題，如：城市防洪排澇壓力增大、水面率以及河道密度減小，水環(huán)境生態(tài)產(chǎn)生破壞。李麗等[1]通過系統(tǒng)仿真的方法對(duì)南渡江河湖水的水系連通性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，選取5個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比分析，研究了5個(gè)水文年中水系連通系數(shù)的等級(jí)。崔廣柏等[2]以常熟地區(qū)為研究對(duì)象，通過引水試驗(yàn)和水量水質(zhì)模型研究水系結(jié)構(gòu)連通性和水力連通性的概念，并提出了一種評(píng)價(jià)水系連通性的方法。王欣等[3]以?？谑袨檠芯繉?duì)象，結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀坏乩憝h(huán)境對(duì)兩種工況下的二十多種流量組合構(gòu)成的水動(dòng)力模型，對(duì)?？谑兴颠B通現(xiàn)狀和格局進(jìn)行分析。郭樹河等[4]以嶺南丘陵地區(qū)為例，研究當(dāng)前海綿城市的背景條件下的水系規(guī)劃方案，從多個(gè)層面提出水系規(guī)劃方案。馬棟[5]使用GIS方法提取揚(yáng)州地區(qū)的水系分布特征，對(duì)揚(yáng)州市水系連通性進(jìn)行研究。孫靜月等[6]以武漢一水系連通工程味研究對(duì)象，研究水系連通工程對(duì)水質(zhì)改善的影響，結(jié)果表明水系連通工程可以有效改善城市水質(zhì)量。高玉琴等[7]選取多個(gè)指標(biāo)使用圖論法對(duì)水系連通性進(jìn)行評(píng)價(jià)。許多的專家學(xué)者[8- 11]對(duì)河湖連通的驅(qū)動(dòng)力和水系連通等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，取得了較好的效果。

2 研究區(qū)概況及規(guī)劃方案

2.1 研究區(qū)概況

徐州臨水而居，市區(qū)水系曾是全面貫通、四通八達(dá)，但是在后期建設(shè)中，城區(qū)河道陸續(xù)由貫通變成“斷頭”，由活水變成死水，水環(huán)境也受到影響。近幾年來，徐州市各級(jí)政府根據(jù)相關(guān)規(guī)劃要求，針對(duì)徐州城市水系存在的問題，進(jìn)行了大力整治，實(shí)施了城市防洪排澇工程、治污工程、“水更清”行動(dòng)計(jì)劃和城市黑臭河道治理工程等，取得了顯著成效。徐州市水源一共可以分為11個(gè)排水片區(qū)。云龍湖排水區(qū)、奎河排水區(qū)、瑯河排水區(qū)、灌溝河排水區(qū)、故黃河排水區(qū)、拾屯河排水區(qū)、丁萬河排水區(qū)、荊馬河排水區(qū)、三八河排水區(qū)、老不牢河(大黃山段)排水區(qū)、大廟以上房亭河片區(qū)。

2.2 規(guī)劃方案

以云龍湖排水區(qū)和奎河排水區(qū)為例對(duì)徐州市水系貫通規(guī)劃方案進(jìn)行研究。

云龍湖排水區(qū)涉及王窯河、玉帶河、軍民河、老玉帶河、丁塘湖中溝、漢王大寨河和青年山中溝等7條主要河道，河道相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 云龍湖排水區(qū)主要河道相關(guān)參數(shù)表

2.2.1 云龍湖排水區(qū)規(guī)劃方案

(1)玉帶河片區(qū)地面高程39.0～40.5m，閘河白頭閘閘上正常蓄水位38.0m。規(guī)劃在老玉帶河河口處新建提水泵站，翻引閘河水入老玉帶河；貫通閘河和漢王大寨河，并在漢王大寨河河口處新建提水泵站，翻引閘河水入漢王大寨河，形成區(qū)域水循環(huán)。

(2)王窯河片區(qū)地面高程38.5～40.0m，故黃河丁樓閘閘上規(guī)劃蓄水位39.0m，現(xiàn)狀正常蓄水位38.0m左右，目前故黃河和王窯河已貫通，可滿足水系貫通要求。

奎河排水區(qū)涉及溢洪道、塔東大溝、泰奎大溝、候山窩大溝、孟莊大溝、七里溝大溝、十里大溝、姚莊大溝、翟山大溝、十里南大溝和東風(fēng)河等11條主要河道，河道相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 奎河排水區(qū)主要河道相關(guān)參數(shù)表單位：m

2.2.2 奎河排水區(qū)規(guī)劃方案

(1)塔東大溝、泰奎大溝、候山窩大溝、孟莊大溝、七里溝大溝和十里大溝等6條河道均為暗管，《徐州市奎河水環(huán)境綜合整治提升工程》(以下簡(jiǎn)稱《奎河提升工程》)規(guī)劃對(duì)沿線片區(qū)實(shí)施雨污分流工程，工程實(shí)施后河道水質(zhì)可得到較好保證。

(2)翟山大溝片區(qū)地面高程31.5～32.0m，奎河楊山頭閘閘上正常蓄水位30.0m。根據(jù)《奎河提升工程》規(guī)劃于翟山大溝溝口處新建提水泵站，沿翟山大溝北側(cè)新建補(bǔ)水管道連通至翟山大溝上游，翻引奎河水入翟山大溝，形成活水循環(huán)。

(3)姚莊大溝片區(qū)地面高程31.5～32.0m，奎河楊山頭閘閘上正常蓄水位30.0m。規(guī)劃于姚莊大溝溝口處新建提水泵站，沿姚莊大溝北新建補(bǔ)水管道至河道上游，翻引奎河水入姚莊大溝，形成河道活水循環(huán)。

(4)東風(fēng)河片區(qū)地面高程31.5～32.0m，奎河楊山頭閘閘上正常蓄水位30.0m。目前奎河和東風(fēng)河已貫通，可從十里南大溝溝口泵站翻奎河水入東風(fēng)河，實(shí)現(xiàn)河道水循環(huán)。

通過對(duì)兩個(gè)片區(qū)規(guī)劃后的效果進(jìn)行分析，防洪排澇、水循環(huán)均得到明顯的提升。說明規(guī)劃方案切實(shí)可行有效。

3 基于主成分分析法水系連通性評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

查閱相關(guān)規(guī)范，水系連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)可以分為兩個(gè)方面：水系結(jié)構(gòu)和水系連通性。通過對(duì)規(guī)劃治理方案前后各個(gè)指標(biāo)的變化對(duì)治理后水系連通性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

水系結(jié)構(gòu)主要包括河頻率(X1)、水面率(X2)和河網(wǎng)密度(X3)。

河頻率(X1)是指單位面積內(nèi)河流的條數(shù)，主要表示研究區(qū)內(nèi)河流的發(fā)育密度，一般情況下，河頻率越大表示區(qū)域內(nèi)河流數(shù)量多，河流較發(fā)育?？刹捎孟率接?jì)算：

(1)

式中，Rp—河頻率；n—河流數(shù)量；A—區(qū)域總面積。

水面率(X2)是指水體多年平均水面面積與研究區(qū)總面積的比值?？刹捎孟率接?jì)算：

(2)

式中，W—水面率；Aw—水面面積。

河網(wǎng)密度(X3)是指單位面積中河流的總長(zhǎng)度?？刹捎孟率接?jì)算：

(3)

式中，P—河網(wǎng)密度；L—河流總長(zhǎng)度。

結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)中的景觀破碎理論選取水系連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)環(huán)通度(X4)、節(jié)點(diǎn)連接率(X5)和網(wǎng)絡(luò)連通度(X6)。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)通度(X4)是指網(wǎng)絡(luò)中連接現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)的程度。可采用下式計(jì)算：

(4)

式中，M—河流連接廊道數(shù)；V—節(jié)點(diǎn)數(shù)。

節(jié)點(diǎn)連接率(X5)表示單個(gè)節(jié)點(diǎn)的水系連通作用強(qiáng)弱程度?？刹捎孟率接?jì)算：

(5)

網(wǎng)絡(luò)連通度(X6)是指網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)與最大可能網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)的比值。計(jì)算方法如下：

(6)

因此，評(píng)級(jí)指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.2 基于主成分分析法水系連通性評(píng)價(jià)

通過對(duì)水系規(guī)劃前后數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，治理前后各評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)見表3—4。

表3 規(guī)劃前各參數(shù)取值

表4 規(guī)劃后各參數(shù)取值

使用SPSS軟件，使用主成分分析法對(duì)影響水系連通性的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。計(jì)算方法見表5—6。

表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)矩陣

表6 評(píng)價(jià)指標(biāo)成分矩陣

4 結(jié)語

(1)通過對(duì)規(guī)劃前后影響水系連通性指標(biāo)參數(shù)取值的統(tǒng)計(jì)和分析，發(fā)現(xiàn)通過水系規(guī)劃各項(xiàng)指標(biāo)均得到了相應(yīng)的提升。說明徐州市兩個(gè)水區(qū)水系規(guī)劃取得了較好的效果。

(2)通過主成分分析方法對(duì)水系連通性進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)河頻率、水面率以及節(jié)點(diǎn)連接率是影響水系連通性等級(jí)的重要因素，具有較高的權(quán)重。

(3)水系連通規(guī)劃方案設(shè)計(jì)是一個(gè)多學(xué)科綜合的工程。需要充分考慮生態(tài)、環(huán)境、景觀、水文地質(zhì)等多方面的因素。本次僅從水環(huán)境方面考慮水系連通性，關(guān)于多學(xué)科綜合評(píng)價(jià)有待下一步進(jìn)行研究。