城市化水平对城市水系形态及水系连通的影响

张 野

(辽宁省盘锦水文局，辽宁 盘锦 124010)

城市化发展对城市水系形态结构特征影响显著，随着城市化水平的提高，城市水系的格局及其水系连通性受到较大影响[1-2]。为提高城市化水系功能性，提高水系连通度，需要定量分析方法对城市化影响下的城市水系结构及连通性，从而最大程度降低城市化的发展对城市水系功能性的影响[3-4]。当前，国内许多学者展开城市化发展对城市水系形态功能性的影响[5-9]，但大多定性描述较多，存在一定的研究主观性。本文采用统计学原理，构建一套城市化水系功能与形态结构之间的评价指标体系，定量评估城市化发展对城市水系形态结构特征及其水系连通的影响，并确地满足城市未来发展下的水系连通指标阈值范围。研究成果对于城市功能与水系形态的协调提高重要的参考价值。

1 评估指标的计算方法

城市水系形态结构特征评估指标包括水域面积、河流长度、河道槽蓄容量、河网密度、水面比例，水系连通特征指标包括水系环度、节点连接率及水系连通度指标，其中水域面积及河流长度可以通过遥感影响进行水体差异化指数的提取，提取公式为：

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

(1)

式中，NDWI—水体差异化指数；Green—TM影像中的第二个波段；NIR—TM影像中的第5个波段。

河网密度的计算公式为：

(2)

式中，Li—第i段河段的长度，km；M—城市河流数目(条)；Ar—水系连通面积，km2。

水面比例的计算公式为：

(3)

式中，Aw—水域面积，km2。

水系环度的计算公式为：

(4)

式中，n—区域水系个数；v—区域节点个数。

节点连接率的计算公式：

(5)

式中，n、v同式(4)中变量含义。

水系连通度的计算公式为：

(6)

式中，n、v同式(4)中变量含义。

本文采用双变量分析方法来计算不同指标的相关性，计算公式为：

(7)

表1 城市化影响城市水系各指标双变量检验值

水系连通要素指标阈值的确定公式为：

yt=β0+β1xt1+β2xt2++βkxtk+ut

(8)

式中，yt—应变量；xt1,xt2xtk—自变量；u—随机误差；k—自变量个数。

2 研究实例

2.1 区域概况

本文以辽宁中部某城市为研究实例，该城市水系较为复杂，水系密度在0.6以上，近些年来，随着城市化的发展，城市水系的形态特征影响较为明显，为分析其城市化下的城市水系功能及连通性的影响，建立水系形态指标与城市化发展水平之间的相关公式，并确定其城市化发展下各水系连通的阈值范围。结合区域水系调查数据，结合各水系形态指标计算方法对其指标进行计算，并分期城市化影响下水系形态特征的影响程度，并建立城市化以城市水系形态特征的相关公式，确定城市水系连通指标要素的阈值。

2.2 城市水系形态指标检验

结合城市化发展的5类功能指标分析其与水系形态指标的显著性，结果见表1，并统计分析各指标与城市水形态主要指标之间的相关性，见表2。

从表1中可以看出，河流发展系数与城市化功能指标的显著性检验值最高，其次是水面率，河网复杂度与城市化功能指标的显著性在各指标中最低，总体而言，城市化各功能指标对城市水系形态指标的显著性都偏高，影响均较大。从表2中可看出，城市化水系的各形态结构特征的双侧Spearman相关系数差异性较大，总体而言，水面率的双侧Spearman相关系数相关性较大，而河网复杂度的双侧Spearman相关系数较低。

表2 城市化影响城市水系各指标双侧检验值

2.3 城市水平发展影响及相关公式的建立

结合城市化水平指数，建立了城市水系各指标与城市化发展水平的相关公式，如图1所示，城市化发展水平指数主要来源于城市统计年鉴数据。

从图1中可以看出，城市化水平和城市水系各形态结构指标都呈现较为明显的线性相关，随着城市化发展水平的逐步增加，各指标的功能性逐步减小，下降斜率逐步较大，其中城市水系水面率的下降比例最大，河流频率指标的倾斜率较小，各指标的平均倾斜率在-0.2～-0.7之间。

2.4 城市水系功能与形态指标相关性及其阈值范围分析

在上述公式构建和检验的基础上，确定城市化发展下城市水系功能指标与形态指标的相关性，见表3，并建立两者的相关性公式，公式系数见表4，结合该公式确定城市化下水系连通指标的阈值范围。

图1 城市化水平与城市水系形态指标的相关公式

功能指标形态指标河流长度水域面积槽蓄量河网密度水面率水系度节点率连通度水质达标率城镇供水比湿地变化率生物多样性水库调节力通航能力亲水舒适度河道断流比r0.72350.82450.92310.62560.53420.25780.02750.3634a0.52530.42310.62750.52950.42830.52950.03840.2956r0.62150.52430.58750.62340.29830.31530.43520.5148a0.52530.54820.55750.61420.59830.61420.59480.5745r0.48750.25780.45310.52650.55850.57410.62410.5875a0.55430.62410.59740.52630.51450.50560.55750.6126r0.42350.52310.52450.58750.48370.43450.55650.4289a0.52350.53450.61430.49780.51250.52630.54310.5241r0.31340.27830.55750.51420.53460.62760.42310.6251a0.29870.33430.55430.55450.55780.82430.32190.5598r0.33650.52650.52960.66260.66260.92410.42180.4293a0.43570.57430.62340.55450.61430.54230.52060.5145r0.51420.55830.66350.61260.55950.42310.51450.6214a0.62150.62750.59720.43540.62410.52650.48760.5978r0.58750.61430.61430.51870.42350.48750.49830.5575a0.61260.66430.66260.52960.38950.33250.51160.4873

表4 各功能指标与城市水系结构多指标线性公式系数项

从表3中可看出，城市水系的各个形态指标与功能指标的相关系数差异性较大，城镇供水比与各形态结构特征指标的相关性较高，而城市水生态功能如湿地变化率、生物多样性指数与城市水系结构特征指标的相关性相比于其他指标略低。从总体而言，生态多样性指数、通航能力以及城市供水比与城市水系形态指标的相关性较高。湿地变化率、城市河流亲水舒适度与城市河流水系形态结构特征的相关性较低。结合城市各功能指标与水系形态特征，建立相关公式，其相关公式各系数见表4，从表4中可以看出，水质达标率河网密度及节点连接率相关，生物多样性与节点连接率、水系连通度以及水系环度相关，而城镇供水比与水系连通度以及水系环度的相关度较高。城市河流通航能力则与水系连通度的相关性最高，系数也最大。结合城市2025年规划发展，确定各指标的阈值范围分别为：①河网密度为[0.37，0.41]，②节点连接率为[1.38，1.56]，③水系连通度为[0.51，0.59]，④水系环度阈值为[0.42，0.45]。

3 结语

城市化下城市河流形态结构特征影响是当下研究的科学热点，本文通过建立一套评价指标，构建指标相关公式来定量分析城市化水平对城市水系格局及其连通性的影响，并给出城市未来发展下各水系指标变化的阈值范围，该范围可为城市水系保护及其连通性规划提供重要的参考价值。研究，未能结合长系列数据，且未能对相关公式的合理性进行分析，存在一定的不足，需要对定量公式进行进一步的验证，从而提供数据的分析精度。