李普林 陳菁 孫炳香 肖晨光 陳睿東



摘要:從水系連通性的內(nèi)涵出發(fā),選取河網(wǎng)密度、水面率、河頻率、網(wǎng)絡(luò)環(huán)通度、節(jié)點(diǎn)連接率和網(wǎng)絡(luò)連通度等6項(xiàng)指標(biāo)建立水系連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)研究區(qū)水系規(guī)劃前后進(jìn)行連通性評(píng)價(jià),得出規(guī)劃后水系各項(xiàng)指標(biāo)呈不同幅度的增加,水系連通性得到明顯改善。最后通過主成分分析得出決定水系連通性的第一大主成分是網(wǎng)絡(luò)環(huán)通度、節(jié)點(diǎn)連接率和網(wǎng)絡(luò)連通度,河網(wǎng)密度、水面率、河頻率是評(píng)價(jià)水系連通性的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:水系連通性;水系結(jié)構(gòu);規(guī)劃;主成分分析
中圖分類號(hào):TV212.5+3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A doi :10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.008
近年來,隨著新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn),我國城鎮(zhèn)水系出現(xiàn)諸多問題,防洪排澇壓力加大,河道密度和水面率減小,水系結(jié)構(gòu)及生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞[1]。人與水爭地,大量末級(jí)河流被填埋,人水和諧的局面被打破。水利部部長陳雷在《在全國水利規(guī)劃計(jì)劃工作會(huì)議上的講話》中指出,受大規(guī)模人類活動(dòng)的影響,我國不少地區(qū)水資源通道阻斷,河湖萎縮嚴(yán)重,水系循環(huán)性變差[2]。城鎮(zhèn)化過程中的人類活動(dòng)是影響城鎮(zhèn)水系連通性的關(guān)鍵因素,水系問題已經(jīng)成為制約城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)健康的重要因素。水系連通性改善措施作為新形勢(shì)下城鎮(zhèn)水系規(guī)劃的一個(gè)新方向,已經(jīng)受到國家政府部門的重視。
水系連通性評(píng)價(jià)作為一個(gè)新的課題,已經(jīng)被越來越多的國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注。我國水系連通性研究以河湖水系連通的理論體系框架研究、特征分析、功能及適應(yīng)性分析、影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[3-7]等定性研究為主,而在水系連通性定量研究方面相對(duì)較少。竇明等[8]以淮河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,利用GIS數(shù)據(jù)淮河流域廊道一節(jié)點(diǎn)示意圖,采用景觀生態(tài)學(xué)理論方法,提出水系連通性評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并定量評(píng)價(jià)淮河流域水系連通狀況;孟慧芳等[9]通過建立基于水流阻力及水文過程的平原河網(wǎng)河流連通性評(píng)價(jià)方法,并通過實(shí)例驗(yàn)證該評(píng)價(jià)方法的可行性。筆者從水系連通性的定義、特征、功能、內(nèi)涵等出發(fā),建立城鎮(zhèn)水系連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并采用實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證,分析城鎮(zhèn)水系規(guī)劃前后的狀況,探討連通性在城鎮(zhèn)水系中的重要性,以期為城鎮(zhèn)水系規(guī)劃中有效改善河網(wǎng)水系連通性提供參考。
1 水系連通的內(nèi)涵
城鎮(zhèn)水系是城鎮(zhèn)徑流雨水自然排放的重要通道、受納及調(diào)蓄空間,在城鎮(zhèn)排水、防澇、防洪以及改善城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮著重要作用[10]。古往今來,城鎮(zhèn)因水而生,因水而興。《管子·乘馬》曰“凡立國都,非于大山之下,必于廣川之上,高毋近旱,而用水足,下毋近水,而溝防省”[11]。以往在城鎮(zhèn)水系規(guī)劃研究中,多以改善水系景觀、提高濱水區(qū)水生態(tài)服務(wù)功能、改善城鎮(zhèn)河流水質(zhì)等為主,多考慮加高堤防、提高排澇能力,但這些措施不能從根本上解決城鎮(zhèn)“逢雨必澇”的現(xiàn)狀。基于上述背景,水系連通作為一個(gè)新的概念被提出來,用于指導(dǎo)城鎮(zhèn)水系規(guī)劃,減小高強(qiáng)度雨水徑流造成城鎮(zhèn)內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn),提高城鎮(zhèn)防洪避澇的能力。
關(guān)于水系連通的內(nèi)涵,國內(nèi)不少學(xué)者提出了自己的看法。唐傳利[12]認(rèn)為,水系連通是在自然力和人力的雙重作用下,人類有意識(shí)地改造水系、實(shí)現(xiàn)水資源有效配置的行為;王中根等[13]認(rèn)為,“脈絡(luò)相通”就是水系的連通性;張歐陽等[14]將水系連通性定義為河道干支流、湖泊及其濕地等水系的連通情況,其反映了水流的連續(xù)性和水系的連通狀況;竇明等[4]認(rèn)為,水系連通的功能主要表現(xiàn)在提高水資源統(tǒng)籌調(diào)配能力、改善生態(tài)環(huán)境狀況、抵御水旱災(zāi)害等。基于不同學(xué)者的研究,筆者就水系連通的內(nèi)涵作幾點(diǎn)解釋。
(1)城鎮(zhèn)水系連通的基本構(gòu)成要素有水系、水利工程、水資源條件。要實(shí)現(xiàn)水系連通,最基本的條件是要有水系;水系連通的保障是要有河流、湖泊、洼地、行蓄滯洪區(qū)等水流通行、集結(jié)的場(chǎng)所和塘壩、水庫、渠系等水利工程;水資源條件是實(shí)現(xiàn)水系連通的后續(xù)環(huán)節(jié)。在實(shí)現(xiàn)水系連通的過程中,可以通過調(diào)節(jié)水流速度、水位、流量等實(shí)現(xiàn)水資源的合理調(diào)配,使水系連通的內(nèi)涵得到充分體現(xiàn)。
(2)城鎮(zhèn)水系連通可以通過一系列水利工程措施,使城鎮(zhèn)河流、湖泊等能循環(huán)地流動(dòng),達(dá)到水體交換的目的。循環(huán)流動(dòng)的水體攜帶物質(zhì)流、能量流、信息流,能更好地服務(wù)城鎮(zhèn)社會(huì)及生態(tài)系統(tǒng)。水系連通后,水體循環(huán)流動(dòng),不斷交換,能有效改善城鎮(zhèn)河流、湖泊等水體的水質(zhì),改善城鎮(zhèn)水生態(tài)環(huán)境。
(3)在城鎮(zhèn)發(fā)展過程中,水系連通的功能主要表現(xiàn)在提高城鎮(zhèn)防洪除澇能力、改善城鎮(zhèn)生態(tài)景觀和改善城鎮(zhèn)河流水質(zhì)。
(4)在進(jìn)行城鎮(zhèn)水系規(guī)劃時(shí),要統(tǒng)籌規(guī)劃,減少水系連通造成的負(fù)面生態(tài)效應(yīng),如水系連通后,原本水質(zhì)好的區(qū)域水質(zhì)變差,原本水量充足的區(qū)域水量急劇減少等。因此,在實(shí)施水系連通方案時(shí),要進(jìn)行實(shí)地考證,對(duì)實(shí)施方案進(jìn)行可行性評(píng)價(jià),并預(yù)測(cè)各種可能出現(xiàn)的情況,采取應(yīng)對(duì)措施,使水系連通利遠(yuǎn)大于弊,盡可能發(fā)揮連通方案的正面效應(yīng),使水系連通方案更好地服務(wù)城鎮(zhèn)發(fā)展。
2 城鎮(zhèn)水系連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
根據(jù)《城市水系規(guī)劃規(guī)范》及《城市水系規(guī)劃導(dǎo)則》等相關(guān)規(guī)范,從水系結(jié)構(gòu)和水系連通性兩個(gè)方面建立水系連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。分析研究區(qū)規(guī)劃前后水系連通性各項(xiàng)指標(biāo)的變化,探討城鎮(zhèn)水系規(guī)劃與水系連通之間的關(guān)系。
在對(duì)河流形態(tài)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí),需要對(duì)河流進(jìn)行分級(jí)。傳統(tǒng)的水系分級(jí)方法有Horton分級(jí)、Strahler分級(jí)、Shreve分級(jí)等。對(duì)于平原河網(wǎng)地區(qū),水系多為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),邊界難以確定,上下游高程差不明顯,不一定符合Horton定律。本文研究區(qū)位于平原河網(wǎng)地區(qū),傳統(tǒng)的地貌學(xué)分級(jí)方法可能不適用,故借鑒楊凱等提出的河流分級(jí)方案[15],將研究區(qū)河流分為市級(jí)、鎮(zhèn)級(jí)、村級(jí)3個(gè)等級(jí)。
2.1 水系結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)
選取河網(wǎng)密度、水面率、河頻率等3個(gè)指標(biāo)來表示水系結(jié)構(gòu)特征,進(jìn)行水系結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)。
(1)河網(wǎng)密度。河網(wǎng)密度(Rd)是用來表示單位面積內(nèi)河流的總長度,河網(wǎng)密度越大,流域水文響應(yīng)越快。其計(jì)算公式為式中:Rd為河網(wǎng)密度,km/km2;Li為第i條河流的長度,km;A為研究區(qū)面積,k2M;n為研究區(qū)河流條數(shù)。
(2)水面率。水面率(Wp)是指河流與湖泊等水體多年平均水位下水面面積占研究區(qū)域總面積的比例。其計(jì)算公式為式中:Wp為水面率,%;AN為研究區(qū)域水面總面積,km2。
(3)河頻率。河頻率(Rb)是指單位面積內(nèi)的河流條數(shù),表示河流的數(shù)量發(fā)育狀況,河頻率越大,河流的數(shù)量發(fā)育狀況越好。其計(jì)算公式為
2.2 水系連通性評(píng)價(jià)
廊道是不同于兩側(cè)本底的狹長地帶,可以看作一個(gè)線狀或者帶狀斑塊。在景觀生態(tài)學(xué)中,廊道可提供特殊的生物生境,在維持生物多樣性、保護(hù)景觀多樣性中具有重要意義。景觀生態(tài)學(xué)生物廊道一般指連接破碎化生境并適宜生物生活、移動(dòng)或擴(kuò)散的通道[16]。在景觀生態(tài)學(xué)中,河流廊道是指河流及其兩側(cè)分布的、與周圍本底不同的植被帶,河流廊道具有控制水流和營養(yǎng)流的功能。廊道的連通性是廊道在空間上連續(xù)程度的量度[17]。為了評(píng)價(jià)水系連通性,本文借鑒景觀生態(tài)學(xué)中景觀破碎化理論,采用景觀生態(tài)學(xué)中網(wǎng)絡(luò)環(huán)通度(α指數(shù))、節(jié)點(diǎn)連接率(β指數(shù))和網(wǎng)絡(luò)連通度(γ指數(shù))來評(píng)價(jià)水系連通性。
(1)α指數(shù)。α指數(shù)表示網(wǎng)絡(luò)中連接現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)的環(huán)路存在的程度。α指數(shù)為網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際環(huán)路數(shù)與最大可能的環(huán)路數(shù)之比,計(jì)算公式為式中;Mmax為最大可能的河流連接廊道數(shù)。
為了更清楚地反映水系連通狀況,本文結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)法則、城鎮(zhèn)水系規(guī)劃相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和竇明等[8]的研究成果,制定適合張家港平原河網(wǎng)地區(qū)水系連通性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)(見表1)。
3 實(shí)例分析
3.1 研究區(qū)概況
張家港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)北區(qū)拓展區(qū)屬平原濱江河網(wǎng)區(qū),區(qū)內(nèi)河道縱橫交錯(cuò)、水網(wǎng)密布。第一級(jí)為市級(jí)河道,包括一干河、二干河、南橫套河、朝東圩港、太字圩港5條河道;第二級(jí)為鎮(zhèn)級(jí)河道,包括晨中河、晨新中心河、木排港、壽興橫套、七圩港、勞圩港等9條河道,河道底寬多在3~6m之間,主要發(fā)揮著區(qū)域內(nèi)部的引排、調(diào)蓄、工農(nóng)業(yè)用水及水系連通等作用;第三級(jí)為村級(jí)河道,大部分?jǐn)嗝娉叽巛^小,主要功能是將農(nóng)村居住區(qū)及農(nóng)田的澇水排人骨干河網(wǎng),蓄水調(diào)節(jié),以及從骨干河網(wǎng)引水灌溉等。研究區(qū)河道布局不合理,河道斷面較小,河道彎曲,水系較凌亂;部分河道淤積嚴(yán)重,通暢性差,大大削弱了河道引水、排水和調(diào)蓄等功能。
3.2 水系優(yōu)化布局
依據(jù)“高水高排,低水低排,就近排澇”和“獨(dú)立排水,聯(lián)合排澇”的原則,以現(xiàn)狀水系為基礎(chǔ),結(jié)合路網(wǎng)、水系規(guī)劃及研究區(qū)地形地貌,將研究區(qū)分為3個(gè)水利片區(qū)(見圖1),各片區(qū)排澇相對(duì)獨(dú)立。本次水系規(guī)劃的思路為:尊重水系原有的生態(tài)和環(huán)境功能,統(tǒng)籌考慮路網(wǎng)規(guī)劃,保證水面率和排澇斷面、河道疏密均勻、連通性好,考慮現(xiàn)有河道水利設(shè)施等。根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)狀水系布局可知,3個(gè)分區(qū)相對(duì)獨(dú)立,除一干河作為應(yīng)急水源地不能用于排水外,其他河道均可用于排水。根據(jù)上述規(guī)劃思路,結(jié)合各分區(qū)功能,對(duì)每個(gè)分區(qū)進(jìn)行水系優(yōu)化布局。
Ⅰ區(qū)范圍內(nèi)已建成主要公路兩條和鐵路一條,很多村莊逐河而建,布局隨意且拆遷困難。規(guī)劃新開長八圩埭河,與現(xiàn)有河道晨中北河和五圩埭西河連通;對(duì)老套河進(jìn)行疏浚,排水不暢處進(jìn)行裁彎取直;溝通鄭家埭后河。按照規(guī)劃,Ⅰ區(qū)將形成“四橫三縱”的骨干水系格局(見圖2),水系趨于網(wǎng)狀,水流循環(huán)性得到提高。
Ⅱ區(qū)內(nèi)公路較多,規(guī)劃時(shí)需充分協(xié)調(diào)水網(wǎng)和路網(wǎng)的關(guān)系。該區(qū)北部河流稀少,排水得不到保證,規(guī)劃新開科技河,西起朝東圩港,東與南港河相接;新開興南河,與北橫套河相接;一干河可作為n區(qū)的引水水源地;對(duì)大新港—太字圩港進(jìn)行河道拓浚;新開南港河,作為片區(qū)主要的引排水及景觀河道。整個(gè)規(guī)劃完成后,Ⅱ區(qū)將形成“六橫六縱”的骨干水系格局(見圖3),河道引排能力和通暢性得到提高。
Ⅲ區(qū)內(nèi)有多條規(guī)劃公路,很多村莊民居臨水而建。片區(qū)內(nèi)永協(xié)六圩河河道淤塞,本次規(guī)劃主要對(duì)原河道拓寬疏浚,溝通縱向水系,實(shí)現(xiàn)引水的功能定位;對(duì)老圩港河河道進(jìn)行拓寬疏浚,部分河道裁彎取直,使?jié)乘芨斓嘏湃四蠙M套河,減少洪澇災(zāi)害。規(guī)劃實(shí)施后,Ⅲ區(qū)將形成“五橫五縱”的骨干水系格局(見圖4),片區(qū)排澇和引水能力得到提升,水系連通性得到改善。
規(guī)劃完成后,對(duì)研究區(qū)進(jìn)行防洪和排澇計(jì)算,結(jié)果表明:3個(gè)片區(qū)防洪排澇能力較規(guī)劃前均有所提升,在降雨量不變的情況下,洪澇水排出片區(qū)的時(shí)間縮短,說明本次城鎮(zhèn)水系規(guī)劃基本上趨于合理。
3.3 結(jié)果與討論
根據(jù)圖2~圖4,統(tǒng)計(jì)規(guī)劃前后各個(gè)片區(qū)的河流數(shù)量、河段數(shù)目及節(jié)點(diǎn)數(shù)等水系特征參數(shù)(見表2)。
基于GIS平臺(tái),計(jì)算出規(guī)劃前后3個(gè)水利片區(qū)的水系結(jié)構(gòu)和連通性指標(biāo)的數(shù)值,對(duì)研究區(qū)進(jìn)行水系連通性評(píng)價(jià),結(jié)果見表3、表4。
基于SPSS平臺(tái),利用主成分分析法對(duì)水系連通6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析,結(jié)果見表5~表7。
根據(jù)表2和表3可知,本次規(guī)劃的3個(gè)水利片區(qū),在規(guī)劃前,Ⅱ區(qū)的河流條數(shù)、河流連接廊道數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)明顯多于Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)的,河頻率、網(wǎng)絡(luò)環(huán)通度、節(jié)點(diǎn)連接率、網(wǎng)絡(luò)連通度也優(yōu)于其他兩個(gè)區(qū)。原因是Ⅱ區(qū)原來為農(nóng)業(yè)區(qū),人類活動(dòng)對(duì)該水利片區(qū)水系的干擾弱于上述兩個(gè)區(qū)。隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展,低等級(jí)的河流大量消失,水系河網(wǎng)密度、水面率、河頻率參數(shù)均處于較低水平。本次規(guī)劃的重點(diǎn)是改善城鎮(zhèn)水系連通狀況,規(guī)劃實(shí)施后,3個(gè)水利片區(qū)的水系特征參數(shù)均有所增大,其中11區(qū)增幅最大。規(guī)劃實(shí)施后,3個(gè)區(qū)平均河網(wǎng)密度、水面率、河頻率、網(wǎng)絡(luò)環(huán)通度、節(jié)點(diǎn)連接率、網(wǎng)絡(luò)連通度分別增大了23.50%、23.82%、25.69%、15.66%、7.10%、5.25%。規(guī)劃實(shí)施后研究區(qū)水系呈較密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),水流循環(huán)得到增強(qiáng)。網(wǎng)狀的水系為該區(qū)引排水提供多種路徑,片區(qū)洪澇水排泄和容納能力增強(qiáng),水質(zhì)和河道生態(tài)環(huán)境得到改善。根據(jù)表1、表3和表4可知,規(guī)劃前Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)網(wǎng)絡(luò)環(huán)通度、節(jié)點(diǎn)連接率和網(wǎng)絡(luò)連通度均處于中等水平,規(guī)劃后Ⅰ區(qū)網(wǎng)絡(luò)環(huán)通度、節(jié)點(diǎn)連接率和網(wǎng)絡(luò)連通度達(dá)到良好,Ⅲ區(qū)該3項(xiàng)指標(biāo)均有所提升;Ⅱ區(qū)節(jié)點(diǎn)連接率和網(wǎng)絡(luò)連通度提升幅度較大,由規(guī)劃前的良好到規(guī)劃后的優(yōu)秀等級(jí)。研究區(qū)上述3項(xiàng)指數(shù)得到提升的原因,一方面是新開了部分河道,河流連接廊道數(shù)增加,河流與河流交匯的節(jié)點(diǎn)數(shù)增加,使得a指數(shù)、β指數(shù)和γ指數(shù)的計(jì)算值增大,水系連通性增強(qiáng);另一方面是規(guī)劃對(duì)部分河道進(jìn)行了拓寬和疏浚,使得水流循環(huán)更加通暢,河網(wǎng)調(diào)蓄能力有所增強(qiáng)。
由主成分分析結(jié)果(見表5)可以得出,河網(wǎng)密度、水面率、河頻率三者相關(guān)性高,一般情況下,河網(wǎng)密度越大,水面率越大,河頻率也越大;網(wǎng)絡(luò)環(huán)通度、節(jié)點(diǎn)連接率、網(wǎng)絡(luò)連通度三者相關(guān)性也較高,說明這三者在評(píng)價(jià)城鎮(zhèn)水系連通性中具有對(duì)等的地位。表7中這6項(xiàng)指標(biāo)被分為兩大主成分,其中:第一大主成分為網(wǎng)絡(luò)環(huán)通度、節(jié)點(diǎn)連接率、網(wǎng)絡(luò)連通度,第二大主成分為河網(wǎng)密度、水面率、河頻率。第一大主成分能更好地反映水系連通性,第二大主成分是評(píng)價(jià)水系連通性的基礎(chǔ),二者有效結(jié)合能更好地評(píng)價(jià)水系,為改善城鎮(zhèn)水系狀況、提升防洪除澇能力、改善生態(tài)景觀和改善河流水質(zhì)提供參考。
4 結(jié)語
目前關(guān)于水系連通的研究還處于起步階段,水系連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取千差萬別。本文通過選取水系結(jié)構(gòu)和連通性6項(xiàng)指標(biāo),對(duì)研究區(qū)規(guī)劃前后水系連通性進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果表明規(guī)劃后研究區(qū)水系連通性得到有效改善。
受城鎮(zhèn)化發(fā)展的影響,大量末級(jí)河道被填埋,水系連通性變差的情況屢見不鮮。在城鎮(zhèn)水系規(guī)劃中,應(yīng)考慮恢復(fù)部分被填埋的河道,改善城鎮(zhèn)水系循環(huán)能力。水系連通性關(guān)乎城鎮(zhèn)防洪排澇、生態(tài)景觀、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多個(gè)方面,連通性良好的水系是支撐城鎮(zhèn)綠色發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的前提。水系連通性評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的課題,涉及景觀生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、河流動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科。筆者在建立水系連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí),主要以靜態(tài)指標(biāo)為主,在今后的研究中,應(yīng)注重河流動(dòng)能及勢(shì)能、河道輸水能力等動(dòng)態(tài)指標(biāo)的選取,使水系連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系更加完善合理。
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