徐州市水系规划方案研究及水系连通性评价

王 刚,代 晴,牛平平,单庆安,张桂霞

(1.徐州市水利建筑设计研究院,江苏 徐州 221000；2.邳州市水利工程管理总站,江苏 邳州 221300)

1 概述

随着城市人口的不断增加，城市居民人口密度不断加大，城镇化建设速度加快，城镇水系出现了一系列急需解决的问题，如：城市防洪排涝压力增大、水面率以及河道密度减小，水环境生态产生破坏。李丽等[1]通过系统仿真的方法对南渡江河湖水的水系连通性进行定量评价，选取5个方案进行对比分析，研究了5个水文年中水系连通系数的等级。崔广柏等[2]以常熟地区为研究对象，通过引水试验和水量水质模型研究水系结构连通性和水力连通性的概念，并提出了一种评价水系连通性的方法。王欣等[3]以海口市为研究对象，结合当地自然地理环境对两种工况下的二十多种流量组合构成的水动力模型，对海口市水系连通现状和格局进行分析。郭树河等[4]以岭南丘陵地区为例，研究当前海绵城市的背景条件下的水系规划方案，从多个层面提出水系规划方案。马栋[5]使用GIS方法提取扬州地区的水系分布特征，对扬州市水系连通性进行研究。孙静月等[6]以武汉一水系连通工程味研究对象，研究水系连通工程对水质改善的影响，结果表明水系连通工程可以有效改善城市水质量。高玉琴等[7]选取多个指标使用图论法对水系连通性进行评价。许多的专家学者[8- 11]对河湖连通的驱动力和水系连通等级进行评价，取得了较好的效果。

2 研究区概况及规划方案

2.1 研究区概况

徐州临水而居，市区水系曾是全面贯通、四通八达，但是在后期建设中，城区河道陆续由贯通变成“断头”，由活水变成死水，水环境也受到影响。近几年来，徐州市各级政府根据相关规划要求，针对徐州城市水系存在的问题，进行了大力整治，实施了城市防洪排涝工程、治污工程、“水更清”行动计划和城市黑臭河道治理工程等，取得了显著成效。徐州市水源一共可以分为11个排水片区。云龙湖排水区、奎河排水区、琅河排水区、灌沟河排水区、故黄河排水区、拾屯河排水区、丁万河排水区、荆马河排水区、三八河排水区、老不牢河(大黄山段)排水区、大庙以上房亭河片区。

2.2 规划方案

以云龙湖排水区和奎河排水区为例对徐州市水系贯通规划方案进行研究。

云龙湖排水区涉及王窑河、玉带河、军民河、老玉带河、丁塘湖中沟、汉王大寨河和青年山中沟等7条主要河道，河道相关参数见表1。

表1 云龙湖排水区主要河道相关参数表

2.2.1 云龙湖排水区规划方案

(1)玉带河片区地面高程39.0～40.5m，闸河白头闸闸上正常蓄水位38.0m。规划在老玉带河河口处新建提水泵站，翻引闸河水入老玉带河；贯通闸河和汉王大寨河，并在汉王大寨河河口处新建提水泵站，翻引闸河水入汉王大寨河，形成区域水循环。

(2)王窑河片区地面高程38.5～40.0m，故黄河丁楼闸闸上规划蓄水位39.0m，现状正常蓄水位38.0m左右，目前故黄河和王窑河已贯通，可满足水系贯通要求。

奎河排水区涉及溢洪道、塔东大沟、泰奎大沟、候山窝大沟、孟庄大沟、七里沟大沟、十里大沟、姚庄大沟、翟山大沟、十里南大沟和东风河等11条主要河道，河道相关参数见表2。

表2 奎河排水区主要河道相关参数表单位：m

2.2.2 奎河排水区规划方案

(1)塔东大沟、泰奎大沟、候山窝大沟、孟庄大沟、七里沟大沟和十里大沟等6条河道均为暗管，《徐州市奎河水环境综合整治提升工程》(以下简称《奎河提升工程》)规划对沿线片区实施雨污分流工程，工程实施后河道水质可得到较好保证。

(2)翟山大沟片区地面高程31.5～32.0m，奎河杨山头闸闸上正常蓄水位30.0m。根据《奎河提升工程》规划于翟山大沟沟口处新建提水泵站，沿翟山大沟北侧新建补水管道连通至翟山大沟上游，翻引奎河水入翟山大沟，形成活水循环。

(3)姚庄大沟片区地面高程31.5～32.0m，奎河杨山头闸闸上正常蓄水位30.0m。规划于姚庄大沟沟口处新建提水泵站，沿姚庄大沟北新建补水管道至河道上游，翻引奎河水入姚庄大沟，形成河道活水循环。

(4)东风河片区地面高程31.5～32.0m，奎河杨山头闸闸上正常蓄水位30.0m。目前奎河和东风河已贯通，可从十里南大沟沟口泵站翻奎河水入东风河，实现河道水循环。

通过对两个片区规划后的效果进行分析，防洪排涝、水循环均得到明显的提升。说明规划方案切实可行有效。

3 基于主成分分析法水系连通性评价

3.1 评价指标体系

查阅相关规范，水系连通性评价指标可以分为两个方面：水系结构和水系连通性。通过对规划治理方案前后各个指标的变化对治理后水系连通性进行评价。

水系结构主要包括河频率(X1)、水面率(X2)和河网密度(X3)。

河频率(X1)是指单位面积内河流的条数，主要表示研究区内河流的发育密度，一般情况下，河频率越大表示区域内河流数量多，河流较发育。可采用下式计算：

(1)

式中，Rp—河频率；n—河流数量；A—区域总面积。

水面率(X2)是指水体多年平均水面面积与研究区总面积的比值。可采用下式计算：

(2)

式中，W—水面率；Aw—水面面积。

河网密度(X3)是指单位面积中河流的总长度。可采用下式计算：

(3)

式中，P—河网密度；L—河流总长度。

结合景观生态学中的景观破碎理论选取水系连通性评价指标。网络环通度(X4)、节点连接率(X5)和网络连通度(X6)。

网络环通度(X4)是指网络中连接现有节点的程度。可采用下式计算：

(4)

式中，M—河流连接廊道数；V—节点数。

节点连接率(X5)表示单个节点的水系连通作用强弱程度。可采用下式计算：

(5)

网络连通度(X6)是指网络连接数与最大可能网络连接数的比值。计算方法如下：

(6)

因此，评级指标体系如图1所示。

图1 评价指标体系

3.2 基于主成分分析法水系连通性评价

通过对水系规划前后数据的统计分析，治理前后各评价指标参数见表3—4。

表3 规划前各参数取值

表4 规划后各参数取值

使用SPSS软件，使用主成分分析法对影响水系连通性的各个指标进行分析。计算方法见表5—6。

表5 评价指标相关矩阵

表6 评价指标成分矩阵

4 结语

(1)通过对规划前后影响水系连通性指标参数取值的统计和分析，发现通过水系规划各项指标均得到了相应的提升。说明徐州市两个水区水系规划取得了较好的效果。

(2)通过主成分分析方法对水系连通性进行评价，发现河频率、水面率以及节点连接率是影响水系连通性等级的重要因素，具有较高的权重。

(3)水系连通规划方案设计是一个多学科综合的工程。需要充分考虑生态、环境、景观、水文地质等多方面的因素。本次仅从水环境方面考虑水系连通性，关于多学科综合评价有待下一步进行研究。