基于城市化水平的阜新市水系連通閾值區間的分析

王安琪

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

0 引 言

中國河網水系結構單一化的趨勢隨著城市化進程越來越明顯，洪水宣泄以及生態環境惡化等次生環境受水系連通功能影響頻頻出現問題[1]。河湖水系連通已經逐步成為當前形勢下高度關注的重要治水方針和策略[2]。對于水系連通功能的研究也逐步得到國內外學者的廣泛關注和研究。國外早期對于水系連通功能的研究起步于河流生態功能研究，從河流景觀功能逐步向河流、濕地等水生態系統的功能研究。Ward[3]在1997年首次將河流連接度作為水資源在河流景觀內的度量指標進行相互傳遞能力的分析。Brierkey[4]、Bracken[5]、Tetzlaff[6]以及Ali[7]分別對水系連通度的評估方法進行應用探討，并逐步在景觀生態、水文生態、地形等領域中進行拓展。2005年健康長江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[8]。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[9-12]。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供參考。

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)

其中：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)

其中：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(km2)。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

以阜新為具體實例，阜新市水系密度在0.4左右，隨著城市化水平的不斷發展，阜新市水系結構有所變化，阜新市有2條河流水域面積在5000km2以上，有6條河流水域面積在1000-5000km2之間，36條河流水域面積在100-1000km2之間，31條河流水域面積在50-100km2之間，194條河流水域面積在10-50km2之間。河道平均比降為0.93‰，河道彎曲系數和形狀系數分別為1.2和0.15。

2.2 數據來源

阜新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。

2.3 水系形態指標雙側檢驗

結合阜新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阜新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 阜新市城市化水平和形態指標雙變量檢驗結果

對于河流長度而言，農業用地Person相關通過95%顯著檢驗水平，對河流長度影響較大，其各指標和城市化水平雙側顯著性相關都不高，為呈現顯著性影響。水域面積和河流長度Person相關檢驗結果較為相似，河流長度和水域面積具有較為直接的關聯性。對于水系密度而言，其他用地類型和其水系密度的通過95%顯著檢驗水平，但雙側顯著性相關都未能達到90%的顯著水平。道路廣場和水系環度呈現負的Person相關，且達到95%的相關水平，也未能通過90%的雙側顯著性相關水平。水系連通度總體和各指標相關度不高。

2.4 水系功能與形態指標相關性分析

結合阜新市水系連通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 阜新市水系連通功能指標和形態指標的雙變量相關統計結果

從統計分析結果可知，阜新市8個水系連通功能指標中有4個指標與水系形態指標具有較高的顯著相關水平。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%的顯著檢驗水平。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。

2.5 水系連通形態指標閾值分析

阜新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。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 阜新市水系連通功能指標與形態指標的多元回歸方程

依據阜新市相關規劃數據的基礎上，確定其未來水系功能的目標區間，河流水質達標率高于80%，生物多樣性指數大于0.65，城鎮供水能力高于50%，以及建立的各水系連通功能指標和水系形態指標之間的多元回歸方程，對水系連通的指標的閾值范圍進行確定，各指標閾值區間分別為節點連接率閾值在[1.65,2.31]之間，水系連通度閾值在[0.59,0.78]之間，水系密度的閾值為[0.32,0.45]，水系環度閾值為[0.43,0.51]。結合阜新市水系規劃數據對閾值區間的合理性進行分析，阜新市進行年來水系規劃治理取得一定的成效，水域面積的年增比率可達到3.5%，在水域面積提高的同時水系密度也得到一定程度的增加。2025年阜新市水系連通節點率的目標為1.83，水系連通度為0.62，將規劃值和理論區間進行驗證對比可看出，阜新市節點連接率閾值區間為[1.65,2.31]，區域水系規劃和理論計算閾值較為接近，因此文章確定的阜新市各水系形態指標總體計算結果較為合理。

3 分析結論

水系連通問題是當前城市化背景下水科學研究的重要課題。文章在城市化功能需求的基礎上，通過構建水系連通形態和功能的指標體系，對阜新市城市化發展水平下的水系連通功能與形態進行了定量化的研究，在此基礎上建立了水系連通功能和形態的多元回歸方程，確定了發展規劃條件下水系連通形態指標的閾值區間。成果可以為城市水系連通以及水資源開發利用提供重要的借鑒。但研究方法中需要從構建的定量方程和樣本數據長度來對水系連通形態閾值區間的理論計算值進行驗證，從而提高理論成果的實用性和精度。