遼陽市中型河流水系形態指標定量分析

齊 麗

(法庫縣農業技術推廣與行政執法中心，遼寧 法庫 110400)

0 引 言

水系形態是河道治理設計的重要指標，水系形態主要包括河流長度、集水面積、水系密度、水系環度、節點連接率、水系連通度等指標[1]。這些指標大都傳統采用實地測量的方式進行分析。而近些年來，隨著地理信息技術的發展，遙感影像數據逐步被應用于河流水系形態指標的提取[2-9]。這些研究成果表明通過高分辨率遙感影像數據的提取，可以較好的完成水系形態指標的量化和分析，成為區域河道水系形態指標量化分析的一種重要方式[10]。當前，河道水系形態指標的分析已在國內展開不同程度的研究[11-14]，這些研究成果均表明河道水系形態指標的變化和城市化之間具有較大的關聯度，在分析水系形態指標的同時需要分析城市化對其形態指標的影響，從而調整城市化發展規劃的方向，提高城市水系健康發展的程度。

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：

表1 河流水系形態指標體系

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，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。

2 遼陽水系概況

以遼陽市為具體實例，遼陽地處E122°35′-123°41′，N40°42′-41°36′，流經遼陽市10km2以上河流共計131條，其中，山地河流121條，平原河流10條。在山地河流中，流域面積5000km2以上河流2條，1000-5000km2河流3條，100-1000km2河流10條，50-100km2河流12條，10-50km2河流94條；主要河流有渾河、太子河、湯河、蘭河、北沙河等。

3 數據來源

遼陽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。

4 水系形態指標雙側檢驗

結合遼陽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 遼陽市城市化水平和形態指標雙變量檢驗結果

在遼陽市水系形態指標提取后，重點分析城市化土地利用方式對河流水系形態指標的影響，從影響分析結果可看出，不同城市化水平對河流水系形態指標的相關度不同，從各指標中可看出，工業和農業用水與遼陽市各水系形態指標的雙變量檢驗的相關系數均較高，可通過該95%的顯著檢驗水平。而其他用地和道路廣場對各水系形態指標的關聯度均較低，均未能達到雙變量90%的顯著檢驗水平。從各形態指標分析可看出，河流長度和農業、工業用地的關聯度較高，和城市綠地關聯度較低。而水域面積受到工業用地影響也較高，隨著工業用地的增加，河流水域面積有所擠占。水面比例和水域面積有著直接的關聯度，水域面積越大，水域面積比例越高。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。

5 水系功能與形態指標相關性分析

結合遼陽市水系連通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

從遼陽市8個水系連通功能指標分析結果可看出，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。

6 形態指標閾值分析

遼陽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 錦州市水系連通功能指標與形態指標的多元回歸方程

結合遼陽市水系規劃數據可看出，水質達標率、生物多樣性、城鎮供水比和各形態指標之間具有較好的相關性，從各功能指標與水系形態指標的多元回歸方程可看出，河流長度和各功能指標之間的回歸系數總體在0.0026-0.0078之間，水域面積和各功能指標之間的回歸系數在-0.007-0.009之間，水系密度和各功能指標的多元回歸系數在1.847-2.174之間，節點連接率和各功能指標之間的回歸系數在0.069-1.625之間，水系連通度和水質達標率、生物多樣性以及城鎮供水比之間的回歸系數介于0.252-7.252之間。水系連通節點連接率在1.48-2.23，水系環度在0.0162-0.6316之間，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遼陽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。

7 分析結論

1)工業和農業用水與遼陽市各水系形態指標的雙變量檢驗的相關系數均較高，可通過該95%的顯著檢驗水平。而其他用地和道路廣場對各水系形態指標的關聯度均較低，均未能達到雙變量90%的顯著檢驗水平；

2)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；

3)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遼陽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。