基于城市功能需求的錦州市水系連通形態指標分析

王丹丹

(遼寧省盤錦水文局，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

隨著城市化進程的不斷發展，城市河網水系結構的單一化趨勢也來越顯著，水系連通功能影響下的水生態環境、洪水宣泄的問題呈現頻發、多發的態勢。當前高度關注的治水方針和策略在于河湖水系連通功能的規劃和治理。國內對于水系連通功能的研究起步較晚，2005年長江健康指標體系首次在國內作為水系連通評估的一個重要指標被提出。此后國內多個學者針對水系連通的概念、內涵、影響因素、關鍵技術以及具體案例進行了分析[1-3]。但是以上研究成果對于水系連通定性描述較多，而對于城市化水平對城市河湖水系連通功能的定量評估研究還相對較少。為此文章從城市化水平角度出發，以阜新市為實例，對阜新市城市化水平下城市水系連通功能進行探討，并確定其城市化規劃水平下的水系連通閾值范圍，從而為城市化發展合理規劃布局以及發揮水系功能提高參考依據。

1 研究方法

為對城市水系連通功能進行評估，首先需要對水系形態進行分析，形態指標結構體系見表1。文章采用遙感影像對各形態指標進行提取：

NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR)

(1)

式中：NDWI為水體差異化指數；Green為遙感影像的的第二個波段；NIR為遙感影像的的第五個波段。水系密度提取方程為：

(2)

式中：Ri為水系密度；Li為第i段河段的長度，km；M為河流條數；Ar為水系連通面積，km，水面比例提取方程為：

(3)

式中：rp為提取的水面比例，%；Aw為水域面積，km2。水系環度提取方程為：

(4)

式中：a為提取的水系系環度；n為水系數目；v為水系連通節點數。節點連接比例提取方程為：

(5)

在水系連通節點連接率基礎上，對連通度進行計算：

(6)

式中：r為連通度。文章結合雙變量方法對各指標相關性進行計算：

(7)

yt=β0+β1xt1+β2xt2+…+βkxtk+ut

(8)

式中：yt為水系連通閾值；xt1，xt2…xtk為形態指標；u為隨機誤差；k為指標個數。

表1 河流水系形態指標體系

2 應用實例

2.1 區域概況

以錦州為具體實例，錦州市位于遼寧省偏西部，地處E120°43′-122°36′，N40°48′-42°08′,總行政面積為10034km2，現轄3個區、2個縣級、2個縣。流經錦州市10km2以上的河流共計246條，其中流域面積5000km2以上的河流3條，1000-5000km2有4條，100-1000km2有41條，50-100km2有28條，10-50km2有170條。較大的河流有大凌河、繞陽河、小凌河、東沙河、西沙河等。

3.2 數據來源

錦州市城市化發展水平從其對水系功能影響上主要體現在土地利用方式及功能的變化，阜新市土地利用變化數據主要來源于統計年鑒數據，河流形態指標提取主要基于MODIS遙感影像數據，通過遙感影像處理后，對各形態指標進行提取分析。

3.3 水系形態指標雙側檢驗

結合錦州市城市化發展土地類型變化比例數據，采用雙變量分析方法對錦州市不同水系形態指標與各土地利用類型指標進行檢驗，檢驗結果如表2所示。

表2 錦州市城市化水平和形態指標雙變量檢驗結果

從相關性檢驗結果可看出，河流各形態指標與城市功能用地相關性不同，農業用地和河流長度的城市化水平具有較好的相關性，雙變量檢驗的相關系數可達到0.635，達到95%的顯著相關，其次為其他用地。對于水域面積而言，城市綠地和水域面積具有較高的負相關，負相關系數為-0.521，和農業用地為正相關，也可達到95%的顯著相關[4-6]。水系密度表示城市河流水系的發達程度，從該指標的雙變量檢驗結果可看出，和河流長度以及水域面積相似，均和農業用地及其他用地具有顯著相關，這主要是因為水域面積、河流長度以及水系密度具有較高的關聯度，因此這三個指標和城市化功能用地的相關性較高。水面比例是城市水系連通較為重要的形態指標，從雙變量顯著性檢驗結果可看出，該指標和城市綠地及農業用地具有較高的顯著相關[7-9]。水系環度是城市水系連通性能重要的評定指標，但該指標和城市功能用地相關性較低，這主要是因為水系環度主要受到城市河道整治的綜合影響。節點連接率與城市綠地為負相關，雙變量檢驗均未達到90%的顯著相關水平。水系連通度和水系環度具有相似性，兩種形態指標和城市功能用地的相關性均較低。

3.4 水系功能與形態指標相關性分析

結合錦州新市水系連通8個主要功能的數據，對水系連通功能指標及形態指標進行雙變量相關統計分析，統計分析結果如表3所示。

表3 錦州市水系連通功能指標和形態指標的雙變量相關統計結果

從各形態指標分析結果可看出，城市功能的各指標與水系形態指標中均具有一定的相關性，其中水質達標率和水域面積、河流長度、水系密度以及水系節點連接率均達到95%的顯著性檢驗水平。城鎮供水比例與水域面積以及節點連接率達到95%的顯著檢驗生物多樣性指數、河道通航功能指標與水系連通度、環度以及節點連接率顯著相關，與水系連通度、環度達到95%的雙側顯著檢驗水平，與節點連接率達到90%的雙側檢驗水平。濕地面積變化率、水庫調節能力、親水舒適度以及斷流比例與各形態指標的顯著相關度不高[10-12]。

3.5 水系連通形態指標閾值分析

錦州市水系連通形態指標閾值確定首先結合區域水資源公報和統計年鑒的歷史數據。同時結合水資源規劃以及城市總體發展規劃數據，采用差值方法對城市化水平下的水功能需求目標進行確定。最后結合構建的定量方程對滿足水功能需求目標進行反推，從而得到水系連通形態指標的閾值范圍。結合區域水系規劃數據對閾值范圍進行驗證，若結果合理則規劃值和理論值具有一定的吻合度[13]。具體計算步驟為結合功能指標和形態指標的相關分析結果，建立功能指標和形態指標的多元回歸方程，結合SPSS軟件對回歸方程進行檢驗，再確定方程的常數和系數項，通過以上步驟確定整個多元回歸方程組，如表4所示。

表4 錦州市水系連通功能指標與形態指標的多元回歸方程

按照錦州城市規劃數據分析，對水系連通各形態指標的范圍進行確定，從建立的各形態指標與城市功能指標的回歸方程可看出，各指標閾值區間分別為節點連接率閾值在[1.72,2.43]之間，水系連通度閾值在[0.62,0.82]之間，水系密度的閾值為[0.32,0.47]，水系環度閾值為[0.37,0.62]。為對各水系連通指標范圍進行合理性分析，結合水系規劃數據，2025年錦州市規劃的水系連通節點率目標值為1.83，水系連通度為0.74，水系密度將達到0.41，可見文章基于城市功能目標下確定的水系連通各指標閾值范圍均符合錦州市城市水系連通規劃指標。文章確定的各水系連通指標閾值較為合理。

4 分析結論

1)水系環度是城市水系連通性能重要的評定指標，但該指標和城市功能用地相關性較低，這主要是因為水系環度主要受到城市河道整治的綜合影響。節點連接率與城市綠地為負相關，雙變量檢驗均未達到90%的顯著相關水平[14]。

2)通過評估分析，錦州市水系連通各指標閾值區間分別為節點連接率閾值在[1.72,2.43]之間，水系連通度閾值在[0.62,0.82]之間，水系密度的閾值為[0.32,0.47]，水系環度閾值為[0.37,0.62]。