基于質量變異法的城市河網水系空間結構分異研究

劉長高

(大連金石灘國家旅游度假區農林管理中心，遼寧 大連 116650)

基于質量變異法的城市河網水系空間結構分異研究

劉長高

(大連金石灘國家旅游度假區農林管理中心，遼寧 大連 116650)

為客觀評估辨識城鎮化背景下城市河網水系空間分異特征，本文通過選取城市河網結構初始狀態，闡明了城市水系空間結構分異辨識標準，進而基于質量變異法揭示了城市河網水系空間結構的分異進程。應用實例表明，質量變異法在城市河網水系空間結構分異評估中具有較強適用性，研究可為城鎮化進程中城市水系空間分異評估與規劃提供決策依據。

城市河網水系;質量變異法;分異進程

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.024

隨著我國城鎮化進程的持續推進實施，城市范圍內涵蓋河網水系以及土地植被等自然空間結構正遭受人為活動的嚴重擾動［1］。近年來，在人為要素及自然要素的雙重擾動作用下，隨著城市建設步伐的不斷加快，城市河網水系空間結構正逐步發生分異變遷［2］。因此，通過辨識城市河網水系空間結構的分異規律，闡明水系結構演化趨勢，對生態文明城市建設以及城市水系規劃設計具備重要實踐理論價值。受城鎮化進程的影響，城市河網水系的分異程度亟待深入研究。傳統辨識指標分異的理論主要包括貝葉斯法、有序聚類法以及秩檢驗法等方法模型，然而，上述理論通常基于較長基礎數據系列，在城市河網水系空間結構歷史統計數據匱乏的地區適用性較差［3］。鑒于此，本文通過采用質量變異理論，以期實現對河網水系統計數據相對匱乏的城市，實現其河網水系空間結構分析進程的評估。

1 城市河網水系空間結構分異評估準則

在城鎮化建設背景下，城市河網水系相繼實施一系列渠系順直、裁彎取直以及河道水流管控等工程舉措，從而造成城市水系結構變化并嚴重破壞了自然河網生態功能。近年來，部分城市河網水系空間結構逐步由自然密集型演變為井字型、干流型以及川字型，城市河網結構干流化以及單一化趨勢十分顯著［4］。為了綜合描述城市河網水系空間結構分異程度，本文選取分維數D分、河網分支比Rb、線點比β、河道曲度Rs、市政管網系數Cp、管排比值Rd、城市建設用地比值 Ru、環通度 α以及河道控制指標Rcon等九項要素作為河網水系空間結構分異評判指標。上述各指標中，分維數及河網分支比表示河網空間復雜水平;曲度表示河道平面形態彎曲水平，其范圍介于1～2，其值越接近2表示河道越彎曲，即河網空間結構越好;線點比值表示河網空間結構復雜水平，其范圍介于1～3，其值越大則河網水系越復雜，河網連通性越強;管排面積比值表示城市河網水系空間下墊面產匯流特征，代表城市水系由市政管網代替的水平;河道控制指標表示河道單位長度中涵洞、內橋、壩以及泵站、閘門的布設數量，代表人為擾動城市水系空間結構水平;環通度表示河網復雜水平，其范圍介于0～1，其值越大則河網空間結構回路越多;城市用地比值表示下墊面產匯流變異程度［5］。上述各指標判別準則如表1所示。

表1 城市河網水系空間結構分異評估判別準則

2 城市河網水系空間結構分異進程評估

自然界中事物普遍存在兩種發展階段趨勢，即為量變過程以及由量變引發的質變進程。量變反映出事物在數量方面所產生的變化，呈現出不明顯的連續變化趨勢;質變則代表事物根本特性的突變，反映事物形態漸進演化的中斷。因此，自然界事物隨著量變而不斷發展，在量變到達臨界極限時則發生質變，即舊事物演化為新事物［6］。綜合描述量變進程應首先明晰其發展初始狀態，在遵循事物分級標準基礎上，推算其發生質變的臨界極限允許距值M。

式中，M+與M-分別代表發生質變時的左、右極限臨界允許距值;x+j、xj、x+j與x-j代表第j項要素發生質變時的左項、右項以及邊界值;yjmax與yjmin表示第j項要素在標準等級中的最大與最小值［7］。其中，質變距值表示為:

式中，Dik表示由第i級別到第k級別發生質變的距離值;xij表示第i等級中第j項要素邊界數值;xkj表示第k等級中第j項要素邊界數值。其中，量變距值表示為:

式中，d表示由1狀態發展為2狀態時的量變距值;x2j與x1j表示處于2狀態以及1狀態時第j項要素數值。

因此，若 d＜M-，則自然事物未產生分異變化。若則表示自然事物產生 n等級分異變化。采用質量變異法平事物分異進程應遵循如下步驟:①首先明晰事物所處初始發展方向與位置;②推求事物發生質變時由1等級至n等級時距值D以及允許距值M;③推求事物發生量變時的距值［8］;④綜合分異判別準則評估事物所產生的分異水平。

3 應用實例與分析

隨著城鎮化建設步伐的加快，我國北方某城市城市化人口比率持續上升，城市河網水系空間結構產生顯著分異變化。因此，以1990年該城市河網水系空間結構為初始狀態年份，選取城市河網結構產生較大變化的2000年、2005年以及2012年的城市河網水系空間結構特征為研究對象并實施分異評估。該城市河網水系空間結構要素指標值如表2所示。

表2 城市河網水系空間結構要素指標值

本次分析將該城市河網水系空間結構1990年時量變距值小于臨界允許距值視作未產生分異。在1990年基礎狀態基礎上分異至臨近水系狀態結構時視作可糾正分異。在1990年基礎狀態基礎上分異至相隔水系狀態結構時視作中等程度分異。在1990年基礎狀態基礎上分異至相隔 n(n≥2)等級水系狀態結構時視作嚴重分異變化。由表2可知，該城市1990年城市河網水系空間結構屬于自然型式。同時，遵循表1所示分異判別準則，推求發生質變時的允許臨界距值M、質變距值D以及2000、2005與2012年發生量變時的距值，如表3所示。

表3 城市河網水系空間結構分異判別

由表3可知，該城市河網水系空間結構由1990年至2000年、2005年以及2012年過程中，呈現出中等分異特征，城市河網水系空間結構整體表現處于M++D井+D川(川字型)與M++D井(井字型)之間過渡結構類型，城市進程造成河網水系空間結構逐步退化。同時，結合表2可知，該城市2000年、2005年以及2012年的河網水系空間結構分維數、河網分支比、線點比以及河道曲度均比1990年明顯下降，表明該城市河網水系結構由1990年的自然型式逐步分異演變至井字型結構，同時趨向于川字型水系結構的分異進程，河網整體呈現為順直化以及主干化的分異特征。此外，該城市市政管網系數以及城市建設用地比值其余年份均較1990年明顯變大，即該城市河網水系空間結構由1990年的自然型式逐步分異演變至川字型式，同時有進一步分異為干流型式的趨勢，表明該城市整體處于暗管化以及干流化分異進程中。城市管排比值、環通度與河道控制系數同樣呈現分異特征，表明該城市河網水系空間結構遭受嚴重割裂破壞，堤防標準過高且控河工程過于密布，城市河網連通性遭到嚴重損害且整體表現為破碎分異趨勢。

4 結語

我國城鎮化進程的持續推進造成城市土地大面積開發，土地利用系數逐年擴大且侵占城市河網水系用地問題屢見不鮮，從而造成城市河網水系空間急劇萎縮，城市內水域占地面積逐步削減。同時，城市河網水系空間的侵占以及不合理的河道拓寬疏浚、河槽硬化、裁彎取直等措施加劇了城市內澇災害，從而制約了河網水體生態環境功能的發揮。本文結合質量變異理論實現了對城市河網水系空間結構分異進程的評估，應用實例表明城鎮化造成了城市河網水系空間結構分異，河網水系連通性下降且整體呈現破碎分析態勢。質量變異法在城市河網水系空間結構分異評估中具有較強的適用性。研究可為城市河網水系空間結構評估及規劃提供技術支撐。

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1672-2469(2016)08-0074-03

2016-05-26

劉長高(1974年—)，男，工程師。