平山造城工程下的延安新區(qū)河網(wǎng)水系演變

許曉露，郝利娜，2，劉漢湖，趙美齡，孟田，蔣川東

（1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059）

0 引 言

河流是自然界重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，不僅具有棲息地、過濾、屏蔽等生態(tài)功能，而且還承擔(dān)了運(yùn)輸水道、防洪排澇等社會(huì)功能［1-2］。目前，我國城市化進(jìn)程加快，城市擴(kuò)張過程中對(duì)坑塘河流等大多采取填埋、硬化或改造為暗渠等措施，改變了河流水系的數(shù)量與結(jié)構(gòu)［3-4］。已有對(duì)河網(wǎng)密集、城市化進(jìn)程較快平原地區(qū)河流的研究多集中于長江中下游平原與東南沿海區(qū)域，如林芷欣等［5］通過探討不同城市擴(kuò)張方式對(duì)不同等級(jí)水系的干擾程度，揭示城市化進(jìn)程對(duì)蘇州市河流結(jié)構(gòu)發(fā)育的顯著影響，河流結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨城市化進(jìn)程的加快而降低；蔣祺等［6］運(yùn)用城市擴(kuò)張強(qiáng)弱與快慢和同期水系變化指標(biāo)分析，得到長沙市城市建設(shè)用地對(duì)城市水系數(shù)量及形態(tài)變化有直接影響，各時(shí)期城市擴(kuò)展強(qiáng)度與水系衰減速度呈正相關(guān)關(guān)系；鄧曉軍等［7］通過構(gòu)建定量描述河流水系變化特征的指標(biāo)體系，表明嘉興市城市化對(duì)河流變化的影響十分顯著，城市化水平越高的地區(qū)河流水系變化越劇烈；周洪建等［8］利用多源數(shù)據(jù)分析了近30年深圳觀瀾河流域河網(wǎng)變化規(guī)律，表明城市化水平越高，城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展對(duì)河網(wǎng)的影響越小。地勢(shì)復(fù)雜的丘陵山地地區(qū)有關(guān)河網(wǎng)演變的研究較少。此外，河流水系形成及演變與所處的地理環(huán)境和人類活動(dòng)緊密相關(guān)，不同地理環(huán)境和人類活動(dòng)影響下，河網(wǎng)水系的演變規(guī)律存在較大差異［9］。因此，對(duì)河網(wǎng)水系的演變研究應(yīng)結(jié)合區(qū)域的具體特征開展。延安地處黃土高原中南部丘陵溝壑區(qū)，城市發(fā)展空間不足嚴(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。因此，實(shí)施了平山造城工程對(duì)城市進(jìn)行擴(kuò)容，在延安北部建造了總占地面積為78.5 km2的新區(qū)［10］。平山造城工程實(shí)施過程中，削山、填溝等工程活動(dòng)對(duì)該區(qū)域的水文地質(zhì)和河流水系產(chǎn)生了較大影響。

本文以ASTER GDEM和資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以延安新區(qū)為研究對(duì)象，利用ArcGIS水文分析模塊對(duì)延安新區(qū)平山造城工程實(shí)施前（2009年）、實(shí)施前期（2013年）和實(shí)施中后期（2017年）的水系進(jìn)行提取與對(duì)比，分析延安新區(qū)河網(wǎng)水系演化特征，結(jié)合不同時(shí)期平山造城工程進(jìn)展，探討平山造城工程對(duì)河網(wǎng)水系演化的影響。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

延安市位于黃河中游的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，區(qū)內(nèi)地勢(shì)起伏較小，海拔900～1 297 m，地貌以黃土高原、丘陵為主，主要出露第四系黃土地層，下覆基巖為侏羅系砂巖、泥巖。延安城區(qū)水系較多，延河穿城而過，西川、杜甫川等支流密集，地形復(fù)雜，為典型的線形城市。寶塔山、清涼山、鳳凰山高高聳峙，夾在周圍，三面合圍的山崖底部，延安城區(qū)密集地分布在一個(gè)“Y”字形的三條主川道中（圖1）。該區(qū)為高原大陸性季風(fēng)氣候，受制于季風(fēng)環(huán)流，降水多集中于夏季，且多暴雨［11］。延安新區(qū)位于延安市清涼山北部、寶塔山東南及鳳凰山西側(cè)的黃土溝壑地帶，按照“依托老城，沿川展開，整流域治理”的原則，實(shí)施“中疏外擴(kuò)、上山建城”的發(fā)展戰(zhàn)略，通過“削山、填溝、造地、建城”對(duì)城市進(jìn)行擴(kuò)容，最終建成了建設(shè)面積為78.5 km2的新區(qū)。延安新區(qū)平山造城工程是目前世界上在濕陷性黃土溝壑地區(qū)開展的規(guī)模最大的巖土工程，在世界建城史上也少有先例。如此宏大的平山造城工程建設(shè)相當(dāng)于在黃土溝壑地區(qū)進(jìn)行一次“大手術(shù)”，其作用速度和強(qiáng)度遠(yuǎn)超地質(zhì)營力，嚴(yán)重影響地質(zhì)環(huán)境，使得黃土高原生態(tài)環(huán)境脆弱性問題進(jìn)一步加劇，并導(dǎo)致災(zāi)變不斷發(fā)生［12］。

圖1 研究區(qū)位置圖（Landsat TM 321波段組合）Fig.1 Location diagram of the study area（Landsat TM 321 band combination）

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

延安新區(qū)城市擴(kuò)容動(dòng)態(tài)變化研究采用2009年Landsat TM影像數(shù)據(jù)和2013，2017年LandsatOLI影像數(shù)據(jù)。通過輻射定標(biāo)、大氣校正等處理后對(duì)研究區(qū)平山造城工程范圍進(jìn)行人工解譯。

河流水系變遷研究所用DEM數(shù)據(jù)分別來自2009年的ASTER GDEM影像數(shù)據(jù)和2013，2017年的資源三號(hào)影像數(shù)據(jù)。其中ASTER GDEM影像數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 m，提取的水系結(jié)果基于同期Google Earth高分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比修改；資源三號(hào)影像數(shù)據(jù)包括空間分辨率為2.1 m的正視影像、3.5 m的前后視影像和5.8 m的多光譜影像，利用正視和后視影像，通過輸入立體像對(duì)→相對(duì)定向→絕對(duì)定向→生成核線影像→DEM提取與編輯等過程獲得空間分辨率為10 m的DEM數(shù)據(jù)，最后校正DEM數(shù)據(jù)［13-15］。

以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用ArcGIS水文分析模塊提取研究區(qū)水系。由于本次水系提取未考慮降雨、土壤滲透率和植被吸水等因素，因此采用D8算法獲取流向數(shù)據(jù)［16］。首先根據(jù)流向數(shù)據(jù)獲得研究區(qū)中的洼地區(qū)域并計(jì)算洼地深度，以最大洼地深度為參考設(shè)置合理填洼閾值對(duì)洼地進(jìn)行填充，填充完后檢查無洼地DEM數(shù)據(jù)，反復(fù)填充直至洼地DEM數(shù)據(jù)生成；再根據(jù)生成的無洼地DEM數(shù)據(jù)獲取流向，計(jì)算匯流累積量，采用地表徑流漫流模型［17］，以水流方向和匯流累積量為基礎(chǔ)，設(shè)置合理的集水面積閾值提取水系，通過設(shè)置12個(gè)大小不同的0.1～1.6 km2集水面積閾值，獲得不同的河流柵格數(shù)據(jù)，以所得河流柵格數(shù)據(jù)和流向柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，獲取研究區(qū)子流域，將獲得的流域數(shù)據(jù)矢量化，依據(jù)面積大小對(duì)子流域統(tǒng)計(jì)和編號(hào)；最后對(duì)河流柵格數(shù)據(jù)矢量化，生成河網(wǎng)。通過計(jì)算不同閾值下的河網(wǎng)密度［18-20］，確定研究區(qū)河網(wǎng)水系的最佳集水面積閾值為1.1 km2，水系提取流程如圖2所示，提取的不同時(shí)期水系分布見圖3。此時(shí)，河網(wǎng)曲線較光滑，未產(chǎn)生斷線，地勢(shì)較緩區(qū)域的平行線消失，偽河道消除，水系提取結(jié)果與實(shí)際地形地貌相符。

圖2 水系提取流程Fig.2 Flow chart of drainage extraction

圖3 研究區(qū)不同時(shí)期水系分布Fig.3 Drainage distribution of the study area in different period

2 研究方法

對(duì)提取的水系分別采用斯特拉勒（STRAHLER）分級(jí)法、施里夫（SHREVE）分級(jí)法和傳統(tǒng)地理學(xué)河流分級(jí)法進(jìn)行分級(jí)并對(duì)比研究，分級(jí)結(jié)果表明，STRAHLER分級(jí)法和SHREVE分級(jí)法區(qū)分干流和支流較混亂，在對(duì)比分析各級(jí)河流變化時(shí)描述不準(zhǔn)確，因此根據(jù)研究區(qū)河流水系的自然特征，采用傳統(tǒng)地理學(xué)河流分級(jí)法將區(qū)內(nèi)河流分為三級(jí)［21-22］：延河干流為Ⅰ級(jí)河流，直接匯入延河干流的次級(jí)河流為Ⅱ級(jí)河流，匯入Ⅱ級(jí)河流的次級(jí)河流為Ⅲ級(jí)河流。河流水系的演化研究選取河流長度和河網(wǎng)密度分析水系數(shù)量變化特征，選取河流發(fā)育系數(shù)和河流彎曲系數(shù)分析河網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征［23-24］。

2.1 水系數(shù)量特征

（1）河流長度LR。通過對(duì)比分析不同時(shí)期、不同級(jí)別的河流長度，揭示河流的數(shù)量變化特征。

（2）河網(wǎng)密度DR。研究區(qū)內(nèi)河流長度LR與流域面積A的比值。河網(wǎng)密度越大，表明流域內(nèi)河流總長度越大，用于表征河流長度發(fā)育程度［23，25］。計(jì)算式為

2.2 水系結(jié)構(gòu)特征

（1）河流發(fā)育系數(shù)Kω。研究區(qū)內(nèi)各級(jí)河流長度與干流長度的比值，河流發(fā)育系數(shù)越大，表明支流發(fā)育程度越高，對(duì)徑流的調(diào)節(jié)越有利［23，25］。計(jì)算式為

式中：Lω為ω級(jí)河流長度；L1為干流長度。

（2）河流彎曲系數(shù)S。河流干流長度LI與干流兩端點(diǎn)間直線距離La的比值，河流彎曲系數(shù)越大，表明河流自然特性越強(qiáng)［23，25］。計(jì)算式為

3 結(jié) 果

3.1 延安新區(qū)發(fā)展變化

為解決延安城市發(fā)展空間不足、城景爭地、交通擁堵、群眾難以安居、革命舊址被擠壓蠶食等問題，延安新區(qū)平山造城工程項(xiàng)目于2012年4月開工。一期項(xiàng)目主要為土地整理、邊坡防護(hù)、防洪等基礎(chǔ)建設(shè)，即削山填谷（圖4）。圖4顯示，2009年平山造城工程還未啟動(dòng)，為原始地貌；2013年，工程新區(qū)范圍增至12.36 km2，占研究區(qū)總面積的3.98%，此時(shí)大量山脊被削平，溝谷被填平，大部分區(qū)域呈推土狀，僅有部分建筑；2017年，工程范圍增加到20.84 km2，相比2013年增加了8.48 km2，增幅達(dá)68.61%，工程擴(kuò)大區(qū)域呈推土狀，原推土范圍內(nèi)建筑林立，已初具城市規(guī)模。

圖4 平山造城工程范圍進(jìn)展Fig.4 Progress of mountain excavation and city construction region

3.2 水系數(shù)量特征變化

2009—2017 年平山造城工程區(qū)域內(nèi)水系河流長度和河網(wǎng)密度呈下降趨勢(shì)，如表1～2所示。河流長度從224.89 km減少至208.01 km，下降了7.51%；河網(wǎng)密度從0.751 km／km2減少至0.700 km／km2，下降了6.84%。其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)河流長度分別減少了0.26，3.24，13.38 km，Ⅲ級(jí)河流減幅最大，占減少總長度的79.27%。

表1 各級(jí)河流不同時(shí)期的長度Tab.1 Lengths of rivers in different periods

從河流減少幅度看，2009—2013年，河流長度減少了11.53 km，其中Ⅲ級(jí)河流減幅最大，減少了10.35 km，Ⅰ、Ⅱ級(jí)河流長度分別減少了0.05，1.13 km；河網(wǎng)密度從0.751 km／km2減少至0.718 km／km2，減幅為4.43%。2013—2017年，河流長度減少了5.35 km，其中Ⅲ級(jí)河流減少3.03 km，Ⅰ、Ⅱ級(jí)分別減少0.21，2.11km；河網(wǎng)密度從0.718 km／km2減少至0.700 km／km2，降幅為2.51%。

從河流減少速度看，2009—2013年河流長度減少11.53 km，河網(wǎng)密度減少0.033 km／km2；2013—2017年河流長度減少5.35 km，河網(wǎng)密度減少0.018 km／km2。2013—2017年河流長度與河網(wǎng)密度減少速度較2009—2013年慢，說明大規(guī)模的削山、填溝活動(dòng)發(fā)生在工程前期。其中Ⅲ級(jí)河流長度在2009—2013年減少了10.35 km，2013—2017年減少了3.03 km，減速速較2009—2013年慢；而Ⅰ、Ⅱ級(jí)河流長度在2009—2013年分別減少了0.05，1.13 km，2013—2017年分別減少了0.21，2.11 km，減速均較2009—2013年快，表明工程前期對(duì)低級(jí)別河流影響較大，中后期高級(jí)別河流逐漸被影響。

表2 研究區(qū)不同時(shí)期的河網(wǎng)密度Tab.2 Network densities of rivers in different periods

3.3 水系結(jié)構(gòu)特征變化

從水系的河流彎曲系數(shù)看，2009—2017年，延河的河流彎曲系數(shù)從1.67降至1.64，其中2009—2013年，河流彎曲系數(shù)下降了0.01，降幅達(dá)0.38%，2013—2017年降幅達(dá)1.36%（表3）。從河流發(fā)育系數(shù)看（表4），2009—2017年，Ⅱ、Ⅲ級(jí)河流發(fā)育指數(shù)均呈下降趨勢(shì)，分別下降了1.86%和16.53%，表明Ⅱ、Ⅲ級(jí)河流調(diào)蓄作用被削弱。2009—2013年，Ⅱ、Ⅲ級(jí)河流發(fā)育系數(shù)呈下降趨勢(shì)，Ⅱ級(jí)河流發(fā)育系數(shù)下降了0.04，降幅達(dá)0.79%，Ⅲ級(jí)河流發(fā)育系數(shù)降幅較大，為13.21%；2013—2017年，Ⅱ、Ⅲ級(jí)河流發(fā)育系數(shù)仍呈下降趨勢(shì)，但Ⅱ級(jí)河流發(fā)育系數(shù)降幅較Ⅲ級(jí)的小，表明等級(jí)越低的河流受工程影響越大。此外，與2009—2013年相比，2013—2017年Ⅲ級(jí)河流發(fā)育系數(shù)下降更為緩慢，Ⅱ級(jí)河流發(fā)育系數(shù)下降更快，河流彎曲系數(shù)下降更快，表明前期低級(jí)別河流減少更多，變化更快，高級(jí)別河流變化較小，隨著時(shí)間推移，高級(jí)別河流逐漸被影響。

表3 延河不同時(shí)期的河流彎曲系數(shù)Tab.3 River bending coefficients of Yanhe River in different periods

表4 各級(jí)河流不同時(shí)期的河流發(fā)育系數(shù)Tab.4 River development coefficients of all levels in different periods

4 平山造城工程對(duì)河流水系影響

2009，2013和2017 年提取的水系格局結(jié)果表明，隨著時(shí)間推移，研究區(qū)河流長度和河網(wǎng)密度持續(xù)下降，水系衰減的主要特征為低等級(jí)河流持續(xù)減少，高等級(jí)河流變化較小。2009—2017年，河流長度減少16.88 km，河網(wǎng)密度減少0.051 km／km2，其中Ⅲ級(jí)河流長度減少了13.38 km，占減少總長度的79.27%；2009—2013年，Ⅲ級(jí)河流長度減少了10.35 km，河流減少主要集中在平山造城工程項(xiàng)目的中心區(qū)域（圖5），Ⅰ、Ⅱ級(jí)河流長度變化不大，表明在項(xiàng)目初期，大量工程建設(shè)導(dǎo)致低等級(jí)河流通過削山、填溝等方式被迅速掩埋以至消失（圖4）；2013—2017年，隨著工程推進(jìn)，工程范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，高一級(jí)河流逐漸受到影響，Ⅲ級(jí)河流被填平的同時(shí)，部分Ⅱ級(jí)河流被掩埋。同時(shí)，新區(qū)建設(shè)工程在逐步開展，為了更好地防洪排水，對(duì)河流進(jìn)行改造，使得河流形態(tài)進(jìn)一步發(fā)生改變，由于平山造城工程選址距延河主干流較遠(yuǎn)，對(duì)其影響較小，因此主干流僅產(chǎn)生了微小變化，共減少0.26 km，主要集中在距新區(qū)約3.2 km的河莊坪鎮(zhèn)附近。該區(qū)域干流變化是由于增加了河流防洪等功能，開展新邦河堤工程，對(duì)河道裁彎取直造成的［26］。

圖5 研究區(qū)河流變化Fig.5 River variations in the study area

水系結(jié)構(gòu)變化顯示，Ⅲ級(jí)河流發(fā)育系數(shù)低于Ⅱ級(jí)河流的。2009—2017年，延河河流彎曲系數(shù)從1.67下降至1.64，河流自然特性減弱；Ⅲ級(jí)河流發(fā)育系數(shù)由2.66下降到2.22，Ⅱ級(jí)河流發(fā)育系數(shù)由4.06下降到3.98，表明隨著平山造城工程項(xiàng)目開展，大量低等級(jí)河流減少直至消失，支流衰減，河流結(jié)構(gòu)受到干擾，調(diào)蓄能力減弱，發(fā)生洪澇等自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)增大。

水系數(shù)量和結(jié)構(gòu)演變過程顯示，工程前期削山填溝等活動(dòng)（圖4）對(duì)Ⅲ級(jí)河流影響較大，導(dǎo)致部分Ⅲ級(jí)河流消失，而對(duì)Ⅱ級(jí)和Ⅰ級(jí)河流影響較小。隨著工程持續(xù)推進(jìn)，削山、填溝活動(dòng)逐漸減弱，被大規(guī)?！敖ǔ恰被顒?dòng)取而代之（圖4），造成Ⅲ級(jí)河流減少甚至消失，Ⅲ級(jí)河流的持續(xù)減少逐漸影響到Ⅰ和Ⅱ級(jí)河流，并造成少量Ⅰ和Ⅱ級(jí)河流消失。

5 結(jié) 論

（1）2009—2013年，研究區(qū)河流長度和河網(wǎng)密度呈下降趨勢(shì)，其中Ⅲ級(jí)河流減幅最大，減少區(qū)域主要集中在延安新區(qū)，與平山造城工程項(xiàng)目開展有關(guān)；到2017年，河流長度與河網(wǎng)密度仍呈下降趨勢(shì)，但較2009—2013年下降更為緩慢。

（2）從水系結(jié)構(gòu)特征看，2009—2017年，延河河流彎曲系數(shù)下降，河流自然特性減弱；Ⅱ、Ⅲ級(jí)河流發(fā)育系數(shù)呈下降趨勢(shì)，表明Ⅱ、Ⅲ級(jí)河流調(diào)節(jié)作用減弱。Ⅲ級(jí)河流發(fā)育系數(shù)降幅較Ⅱ級(jí)河流的大，表明等級(jí)越低的河流發(fā)育系數(shù)減少得越多，受平山造城工程活動(dòng)影響越大。

（3）隨著平山造城工程項(xiàng)目開展，低級(jí)河流被改造、填埋，研究區(qū)河流長度與河網(wǎng)密度持續(xù)下降，河流彎曲系數(shù)也呈下降趨勢(shì)，河流自然特性減弱，Ⅱ、Ⅲ級(jí)河流發(fā)育系數(shù)下降，Ⅲ級(jí)河流發(fā)育系數(shù)遠(yuǎn)低于Ⅱ級(jí)河流的，降幅也更大，表明隨著時(shí)間推移，支流衰減，河流結(jié)構(gòu)受到干擾，河流水系的自然調(diào)蓄能力減弱，使得在極端降雨等事件下遭受洪澇等自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)增大。

在平山造城過程中，需注重協(xié)調(diào)城市發(fā)展與河流保護(hù)的關(guān)系，提升高級(jí)別河道水系應(yīng)對(duì)洪澇災(zāi)害的調(diào)蓄能力，利用工程措施等提升干流泄洪能力，如實(shí)施河道清淤疏浚、河湖復(fù)堤等整治拓浚工程，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)各級(jí)支流的保護(hù)，替代性恢復(fù)被填平河道和低等級(jí)水系，增溝造渠，提高區(qū)域水系調(diào)蓄能力。