徐州市水系規劃方案研究及水系連通性評價

王 剛,代 晴,牛平平,單慶安,張桂霞

(1.徐州市水利建筑設計研究院,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，城鎮化建設速度加快，城鎮水系出現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，水環境生態產生破壞。李麗等[1]通過系統仿真的方法對南渡江河湖水的水系連通性進行定量評價，選取5個方案進行對比分析，研究了5個水文年中水系連通系數的等級。崔廣柏等[2]以常熟地區為研究對象，通過引水試驗和水量水質模型研究水系結構連通性和水力連通性的概念，并提出了一種評價水系連通性的方法。王欣等[3]以海口市為研究對象，結合當地自然地理環境對兩種工況下的二十多種流量組合構成的水動力模型，對海口市水系連通現狀和格局進行分析。郭樹河等[4]以嶺南丘陵地區為例，研究當前海綿城市的背景條件下的水系規劃方案，從多個層面提出水系規劃方案。馬棟[5]使用GIS方法提取揚州地區的水系分布特征，對揚州市水系連通性進行研究。孫靜月等[6]以武漢一水系連通工程味研究對象，研究水系連通工程對水質改善的影響，結果表明水系連通工程可以有效改善城市水質量。高玉琴等[7]選取多個指標使用圖論法對水系連通性進行評價。許多的專家學者[8- 11]對河湖連通的驅動力和水系連通等級進行評價，取得了較好的效果。

2 研究區概況及規劃方案

2.1 研究區概況

徐州臨水而居，市區水系曾是全面貫通、四通八達，但是在后期建設中，城區河道陸續由貫通變成“斷頭”，由活水變成死水，水環境也受到影響。近幾年來，徐州市各級政府根據相關規劃要求，針對徐州城市水系存在的問題，進行了大力整治，實施了城市防洪排澇工程、治污工程、“水更清”行動計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個排水片區。云龍湖排水區、奎河排水區、瑯河排水區、灌溝河排水區、故黃河排水區、拾屯河排水區、丁萬河排水區、荊馬河排水區、三八河排水區、老不牢河(大黃山段)排水區、大廟以上房亭河片區。

2.2 規劃方案

以云龍湖排水區和奎河排水區為例對徐州市水系貫通規劃方案進行研究。

云龍湖排水區涉及王窯河、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，河道相關參數見表1。

表1 云龍湖排水區主要河道相關參數表

2.2.1 云龍湖排水區規劃方案

(1)玉帶河片區地面高程39.0～40.5m，閘河白頭閘閘上正常蓄水位38.0m。規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，形成區域水循環。

(2)王窯河片區地面高程38.5～40.0m，故黃河丁樓閘閘上規劃蓄水位39.0m，現狀正常蓄水位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、十里南大溝和東風河等11條主要河道，河道相關參數見表2。

表2 奎河排水區主要河道相關參數表單位：m

2.2.2 奎河排水區規劃方案

(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，《徐州市奎河水環境綜合整治提升工程》(以下簡稱《奎河提升工程》)規劃對沿線片區實施雨污分流工程，工程實施后河道水質可得到較好保證。

(2)翟山大溝片區地面高程31.5～32.0m，奎河楊山頭閘閘上正常蓄水位30.0m。根據《奎河提升工程》規劃于翟山大溝溝口處新建提水泵站，沿翟山大溝北側新建補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。

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

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

通過對兩個片區規劃后的效果進行分析，防洪排澇、水循環均得到明顯的提升。說明規劃方案切實可行有效。

3 基于主成分分析法水系連通性評價

3.1 評價指標體系

查閱相關規范，水系連通性評價指標可以分為兩個方面：水系結構和水系連通性。通過對規劃治理方案前后各個指標的變化對治理后水系連通性進行評價。

水系結構主要包括河頻率(X1)、水面率(X2)和河網密度(X3)。

河頻率(X1)是指單位面積內河流的條數，主要表示研究區內河流的發育密度，一般情況下，河頻率越大表示區域內河流數量多，河流較發育。可采用下式計算：

(1)

式中，Rp—河頻率；n—河流數量；A—區域總面積。

水面率(X2)是指水體多年平均水面面積與研究區總面積的比值。可采用下式計算：

(2)

式中，W—水面率；Aw—水面面積。

河網密度(X3)是指單位面積中河流的總長度。可采用下式計算：

(3)

式中，P—河網密度；L—河流總長度。

結合景觀生態學中的景觀破碎理論選取水系連通性評價指標。網絡環通度(X4)、節點連接率(X5)和網絡連通度(X6)。

網絡環通度(X4)是指網絡中連接現有節點的程度。可采用下式計算：

(4)

式中，M—河流連接廊道數；V—節點數。

節點連接率(X5)表示單個節點的水系連通作用強弱程度。可采用下式計算：

(5)

網絡連通度(X6)是指網絡連接數與最大可能網絡連接數的比值。計算方法如下：

(6)

因此，評級指標體系如圖1所示。

圖1 評價指標體系

3.2 基于主成分分析法水系連通性評價

通過對水系規劃前后數據的統計分析，治理前后各評價指標參數見表3—4。

表3 規劃前各參數取值

表4 規劃后各參數取值

使用SPSS軟件，使用主成分分析法對影響水系連通性的各個指標進行分析。計算方法見表5—6。

表5 評價指標相關矩陣

表6 評價指標成分矩陣

4 結語

(1)通過對規劃前后影響水系連通性指標參數取值的統計和分析，發現通過水系規劃各項指標均得到了相應的提升。說明徐州市兩個水區水系規劃取得了較好的效果。

(2)通過主成分分析方法對水系連通性進行評價，發現河頻率、水面率以及節點連接率是影響水系連通性等級的重要因素，具有較高的權重。

(3)水系連通規劃方案設計是一個多學科綜合的工程。需要充分考慮生態、環境、景觀、水文地質等多方面的因素。本次僅從水環境方面考慮水系連通性，關于多學科綜合評價有待下一步進行研究。