基于连通性的城镇水系规划研究

李普林 陈菁 孙炳香 肖晨光 陈睿东

摘要：从水系连通性的内涵出发，选取河网密度、水面率、河频率、网络环通度、节点连接率和网络连通度等6项指标建立水系连通性评价指标体系，对研究区水系规划前后进行连通性评价，得出规划后水系各项指标呈不同幅度的增加，水系连通性得到明显改善。最后通过主成分分析得出决定水系连通性的第一大主成分是网络环通度、节点连接率和网络连通度，河网密度、水面率、河频率是评价水系连通性的基础。

关键词：水系连通性；水系结构；规划；主成分分析

中图分类号：TV212.5+3 文獻标志码：A doi ：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.008

近年来，随着新型城镇化建设的不断推进，我国城镇水系出现诸多问题，防洪排涝压力加大，河道密度和水面率减小，水系结构及生态系统遭到破坏[1]。人与水争地，大量末级河流被填埋，人水和谐的局面被打破。水利部部长陈雷在《在全国水利规划计划工作会议上的讲话》中指出，受大规模人类活动的影响，我国不少地区水资源通道阻断，河湖萎缩严重，水系循环性变差[2]。城镇化过程中的人类活动是影响城镇水系连通性的关键因素，水系问题已经成为制约城乡经济可持续发展和生态系统健康的重要因素。水系连通性改善措施作为新形势下城镇水系规划的一个新方向，已经受到国家政府部门的重视。

水系连通性评价作为一个新的课题，已经被越来越多的国内外学者所关注。我国水系连通性研究以河湖水系连通的理论体系框架研究、特征分析、功能及适应性分析、影响评价指标体系研究[3-7]等定性研究为主，而在水系连通性定量研究方面相对较少。窦明等[8]以淮河流域为研究对象，利用GIS数据淮河流域廊道一节点示意图，采用景观生态学理论方法，提出水系连通性评价方法和评价标准并定量评价淮河流域水系连通状况；孟慧芳等[9]通过建立基于水流阻力及水文过程的平原河网河流连通性评价方法，并通过实例验证该评价方法的可行性。笔者从水系连通性的定义、特征、功能、内涵等出发，建立城镇水系连通性评价指标体系，并采用实例进行验证，分析城镇水系规划前后的状况，探讨连通性在城镇水系中的重要性，以期为城镇水系规划中有效改善河网水系连通性提供参考。

1 水系连通的内涵

城镇水系是城镇径流雨水自然排放的重要通道、受纳及调蓄空间，在城镇排水、防涝、防洪以及改善城镇生态环境中发挥着重要作用[10]。古往今来，城镇因水而生，因水而兴。《管子·乘马》曰“凡立国都，非于大山之下，必于广川之上，高毋近旱，而用水足，下毋近水，而沟防省”[11]。以往在城镇水系规划研究中，多以改善水系景观、提高滨水区水生态服务功能、改善城镇河流水质等为主，多考虑加高堤防、提高排涝能力，但这些措施不能从根本上解决城镇“逢雨必涝”的现状。基于上述背景，水系连通作为一个新的概念被提出来，用于指导城镇水系规划，减小高强度雨水径流造成城镇内涝的风险，提高城镇防洪避涝的能力。

关于水系连通的内涵，国内不少学者提出了自己的看法。唐传利[12]认为，水系连通是在自然力和人力的双重作用下，人类有意识地改造水系、实现水资源有效配置的行为；王中根等[13]认为，“脉络相通”就是水系的连通性；张欧阳等[14]将水系连通性定义为河道干支流、湖泊及其湿地等水系的连通情况，其反映了水流的连续性和水系的连通状况；窦明等[4]认为，水系连通的功能主要表现在提高水资源统筹调配能力、改善生态环境状况、抵御水旱灾害等。基于不同学者的研究，笔者就水系连通的内涵作几点解释。

（1）城镇水系连通的基本构成要素有水系、水利工程、水资源条件。要实现水系连通，最基本的条件是要有水系；水系连通的保障是要有河流、湖泊、洼地、行蓄滞洪区等水流通行、集结的场所和塘坝、水库、渠系等水利工程；水资源条件是实现水系连通的后续环节。在实现水系连通的过程中，可以通过调节水流速度、水位、流量等实现水资源的合理调配，使水系连通的内涵得到充分体现。

（2）城镇水系连通可以通过一系列水利工程措施，使城镇河流、湖泊等能循环地流动，达到水体交换的目的。循环流动的水体携带物质流、能量流、信息流，能更好地服务城镇社会及生态系统。水系连通后，水体循环流动，不断交换，能有效改善城镇河流、湖泊等水体的水质，改善城镇水生态环境。

（3）在城镇发展过程中，水系连通的功能主要表现在提高城镇防洪除涝能力、改善城镇生态景观和改善城镇河流水质。

（4）在进行城镇水系规划时，要统筹规划，减少水系连通造成的负面生态效应，如水系连通后，原本水质好的区域水质变差，原本水量充足的区域水量急剧减少等。因此，在实施水系连通方案时，要进行实地考证，对实施方案进行可行性评价，并预测各种可能出现的情况，采取应对措施，使水系连通利远大于弊，尽可能发挥连通方案的正面效应，使水系连通方案更好地服务城镇发展。

2 城镇水系连通性评价指标体系

根据《城市水系规划规范》及《城市水系规划导则》等相关规范，从水系结构和水系连通性两个方面建立水系连通性评价指标体系。分析研究区规划前后水系连通性各项指标的变化，探讨城镇水系规划与水系连通之间的关系。

在对河流形态及结构进行研究时，需要对河流进行分级。传统的水系分级方法有Horton分级、Strahler分级、Shreve分级等。对于平原河网地区，水系多为网状结构，边界难以确定，上下游高程差不明显，不一定符合Horton定律。本文研究区位于平原河网地区，传统的地貌学分级方法可能不适用，故借鉴杨凯等提出的河流分级方案[15]，将研究区河流分为市级、镇级、村级3个等级。

2.1 水系结构评价

选取河网密度、水面率、河频率等3个指标来表示水系结构特征，进行水系结构评价。

（1）河网密度。河网密度（Rd）是用来表示单位面积内河流的总长度，河网密度越大，流域水文响应越快。其计算公式为式中：Rd为河网密度，km/km2；Li为第i条河流的长度，km；A为研究区面积，k2M；n为研究区河流条数。

（2）水面率。水面率（Wp）是指河流与湖泊等水体多年平均水位下水面面积占研究区域总面积的比例。其计算公式为式中：Wp为水面率，%；AN为研究区域水面总面积，km2。

（3）河频率。河频率（Rb）是指单位面积内的河流条数，表示河流的数量发育状况，河频率越大，河流的数量发育状况越好。其计算公式为

2.2 水系连通性评价

廊道是不同于两侧本底的狭长地带，可以看作一个线状或者带状斑块。在景观生态学中，廊道可提供特殊的生物生境，在维持生物多样性、保护景观多樣性中具有重要意义。景观生态学生物廊道一般指连接破碎化生境并适宜生物生活、移动或扩散的通道[16]。在景观生态学中，河流廊道是指河流及其两侧分布的、与周围本底不同的植被带，河流廊道具有控制水流和营养流的功能。廊道的连通性是廊道在空间上连续程度的量度[17]。为了评价水系连通性，本文借鉴景观生态学中景观破碎化理论，采用景观生态学中网络环通度（α指数）、节点连接率（β指数）和网络连通度（γ指数）来评价水系连通性。

（1）α指数。α指数表示网络中连接现有节点的环路存在的程度。α指数为网络中实际环路数与最大可能的环路数之比，计算公式为式中；Mmax为最大可能的河流连接廊道数。

为了更清楚地反映水系连通状况，本文结合景观生态学法则、城镇水系规划相关标准和窦明等[8]的研究成果，制定适合张家港平原河网地区水系连通性评估标准（见表1）。

3 实例分析

3.1 研究区概况

张家港经济开发区北区拓展区属平原滨江河网区，区内河道纵横交错、水网密布。第一级为市级河道，包括一干河、二干河、南横套河、朝东圩港、太字圩港5条河道；第二级为镇级河道，包括晨中河、晨新中心河、木排港、寿兴横套、七圩港、劳圩港等9条河道，河道底宽多在3～6m之间，主要发挥着区域内部的引排、调蓄、工农业用水及水系连通等作用；第三级为村级河道，大部分断面尺寸较小，主要功能是将农村居住区及农田的涝水排人骨干河网，蓄水调节，以及从骨干河网引水灌溉等。研究区河道布局不合理，河道断面较小，河道弯曲，水系较凌乱；部分河道淤积严重，通畅性差，大大削弱了河道引水、排水和调蓄等功能。

3.2 水系优化布局

依据“高水高排，低水低排，就近排涝”和“独立排水，联合排涝”的原则，以现状水系为基础，结合路网、水系规划及研究区地形地貌，将研究区分为3个水利片区（见图1），各片区排涝相对独立。本次水系规划的思路为：尊重水系原有的生态和环境功能，统筹考虑路网规划，保证水面率和排涝断面、河道疏密均匀、连通性好，考虑现有河道水利设施等。根据研究区现状水系布局可知，3个分区相对独立，除一干河作为应急水源地不能用于排水外，其他河道均可用于排水。根据上述规划思路，结合各分区功能，对每个分区进行水系优化布局。

Ⅰ区范围内已建成主要公路两条和铁路一条，很多村庄逐河而建，布局随意且拆迁困难。规划新开长八圩埭河，与现有河道晨中北河和五圩埭西河连通；对老套河进行疏浚，排水不畅处进行裁弯取直；沟通郑家埭后河。按照规划，Ⅰ区将形成“四横三纵”的骨干水系格局（见图2），水系趋于网状，水流循环性得到提高。

Ⅱ区内公路较多，规划时需充分协调水网和路网的关系。该区北部河流稀少，排水得不到保证，规划新开科技河，西起朝东圩港，东与南港河相接；新开兴南河，与北横套河相接；一干河可作为n区的引水水源地；对大新港—太字圩港进行河道拓浚；新开南港河，作为片区主要的引排水及景观河道。整个规划完成后，Ⅱ区将形成“六横六纵”的骨干水系格局（见图3），河道引排能力和通畅性得到提高。

Ⅲ区内有多条规划公路，很多村庄民居临水而建。片区内永协六圩河河道淤塞，本次规划主要对原河道拓宽疏浚，沟通纵向水系，实现引水的功能定位；对老圩港河河道进行拓宽疏浚，部分河道裁弯取直，使涝水能更快地排人南横套河，减少洪涝灾害。规划实施后，Ⅲ区将形成“五横五纵”的骨干水系格局（见图4），片区排涝和引水能力得到提升，水系连通性得到改善。

规划完成后，对研究区进行防洪和排涝计算，结果表明：3个片区防洪排涝能力较规划前均有所提升，在降雨量不变的情况下，洪涝水排出片区的时间缩短，说明本次城镇水系规划基本上趋于合理。

3.3 结果与讨论

根据图2～图4，统计规划前后各个片区的河流数量、河段数目及节点数等水系特征参数（见表2）。

基于GIS平台，计算出规划前后3个水利片区的水系结构和连通性指标的数值，对研究区进行水系连通性评价，结果见表3、表4。

基于SPSS平台，利用主成分分析法对水系连通6项指标进行分析，结果见表5～表7。

根据表2和表3可知，本次规划的3个水利片区，在规划前，Ⅱ区的河流条数、河流连接廊道数和节点数明显多于Ⅰ区、Ⅲ区的，河频率、网络环通度、节点连接率、网络连通度也优于其他两个区。原因是Ⅱ区原来为农业区，人类活动对该水利片区水系的干扰弱于上述两个区。随着城镇化的发展，低等级的河流大量消失，水系河网密度、水面率、河频率参数均处于较低水平。本次规划的重点是改善城镇水系连通状况，规划实施后，3个水利片区的水系特征参数均有所增大，其中11区增幅最大。规划实施后，3个区平均河网密度、水面率、河频率、网络环通度、节点连接率、网络连通度分别增大了23.50%、23.82%、25.69%、15.66%、7.10%、5.25%。规划实施后研究区水系呈较密的网状结构，水流循环得到增强。网状的水系为该区引排水提供多种路径，片区洪涝水排泄和容纳能力增强，水质和河道生态环境得到改善。根据表1、表3和表4可知，规划前Ⅰ区、Ⅲ区网络环通度、节点连接率和网络连通度均处于中等水平，规划后Ⅰ区网络环通度、节点连接率和网络连通度达到良好，Ⅲ区该3项指标均有所提升；Ⅱ区节点连接率和网络连通度提升幅度较大，由规划前的良好到规划后的优秀等级。研究区上述3项指数得到提升的原因，一方面是新开了部分河道，河流连接廊道数增加，河流与河流交汇的节点数增加，使得a指数、β指数和γ指数的计算值增大，水系连通性增强；另一方面是规划对部分河道进行了拓宽和疏浚，使得水流循环更加通畅，河网调蓄能力有所增强。

由主成分分析结果（见表5）可以得出，河网密度、水面率、河频率三者相关性高，一般情况下，河网密度越大，水面率越大，河频率也越大；网络环通度、节点连接率、网络连通度三者相关性也较高，说明这三者在评价城镇水系连通性中具有对等的地位。表7中这6项指标被分为两大主成分，其中：第一大主成分为网络环通度、节点连接率、网络连通度，第二大主成分為河网密度、水面率、河频率。第一大主成分能更好地反映水系连通性，第二大主成分是评价水系连通性的基础，二者有效结合能更好地评价水系，为改善城镇水系状况、提升防洪除涝能力、改善生态景观和改善河流水质提供参考。

4 结语

目前关于水系连通的研究还处于起步阶段，水系连通性评价指标的选取千差万别。本文通过选取水系结构和连通性6项指标，对研究区规划前后水系连通性进行评价，结果表明规划后研究区水系连通性得到有效改善。

受城镇化发展的影响，大量末级河道被填埋，水系连通性变差的情况屡见不鲜。在城镇水系规划中，应考虑恢复部分被填埋的河道，改善城镇水系循环能力。水系连通性关乎城镇防洪排涝、生态景观、社会经济等多个方面，连通性良好的水系是支撑城镇绿色发展和可持续发展的前提。水系连通性评价是一个复杂的课题，涉及景观生态学、水文学、河流动力学等多学科。笔者在建立水系连通性评价指标体系时，主要以静态指标为主，在今后的研究中，应注重河流动能及势能、河道输水能力等动态指标的选取，使水系连通性评价指标体系更加完善合理。

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