基于城市功能需求的锦州市水系连通形态指标分析

王丹丹

(辽宁省盘锦水文局，辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

随着城市化进程的不断发展，城市河网水系结构的单一化趋势也来越显著，水系连通功能影响下的水生态环境、洪水宣泄的问题呈现频发、多发的态势。当前高度关注的治水方针和策略在于河湖水系连通功能的规划和治理。国内对于水系连通功能的研究起步较晚，2005年长江健康指标体系首次在国内作为水系连通评估的一个重要指标被提出。此后国内多个学者针对水系连通的概念、内涵、影响因素、关键技术以及具体案例进行了分析[1-3]。但是以上研究成果对于水系连通定性描述较多，而对于城市化水平对城市河湖水系连通功能的定量评估研究还相对较少。为此文章从城市化水平角度出发，以阜新市为实例，对阜新市城市化水平下城市水系连通功能进行探讨，并确定其城市化规划水平下的水系连通阈值范围，从而为城市化发展合理规划布局以及发挥水系功能提高参考依据。

1 研究方法

为对城市水系连通功能进行评估，首先需要对水系形态进行分析，形态指标结构体系见表1。文章采用遥感影像对各形态指标进行提取：

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

(1)

式中：NDWI为水体差异化指数；Green为遥感影像的的第二个波段；NIR为遥感影像的的第五个波段。水系密度提取方程为：

(2)

式中：Ri为水系密度；Li为第i段河段的长度，km；M为河流条数；Ar为水系连通面积，km，水面比例提取方程为：

(3)

式中：rp为提取的水面比例，%；Aw为水域面积，km2。水系环度提取方程为：

(4)

式中：a为提取的水系系环度；n为水系数目；v为水系连通节点数。节点连接比例提取方程为：

(5)

在水系连通节点连接率基础上，对连通度进行计算：

(6)

式中：r为连通度。文章结合双变量方法对各指标相关性进行计算：

(7)

yt=β0+β1xt1+β2xt2+…+βkxtk+ut

(8)

式中：yt为水系连通阈值；xt1，xt2…xtk为形态指标；u为随机误差；k为指标个数。

表1 河流水系形态指标体系

2 应用实例

2.1 区域概况

以锦州为具体实例，锦州市位于辽宁省偏西部，地处E120°43′-122°36′，N40°48′-42°08′,总行政面积为10034km2，现辖3个区、2个县级、2个县。流经锦州市10km2以上的河流共计246条，其中流域面积5000km2以上的河流3条，1000-5000km2有4条，100-1000km2有41条，50-100km2有28条，10-50km2有170条。较大的河流有大凌河、绕阳河、小凌河、东沙河、西沙河等。

3.2 数据来源

锦州市城市化发展水平从其对水系功能影响上主要体现在土地利用方式及功能的变化，阜新市土地利用变化数据主要来源于统计年鉴数据，河流形态指标提取主要基于MODIS遥感影像数据，通过遥感影像处理后，对各形态指标进行提取分析。

3.3 水系形态指标双侧检验

结合锦州市城市化发展土地类型变化比例数据，采用双变量分析方法对锦州市不同水系形态指标与各土地利用类型指标进行检验，检验结果如表2所示。

表2 锦州市城市化水平和形态指标双变量检验结果

从相关性检验结果可看出，河流各形态指标与城市功能用地相关性不同，农业用地和河流长度的城市化水平具有较好的相关性，双变量检验的相关系数可达到0.635，达到95%的显著相关，其次为其他用地。对于水域面积而言，城市绿地和水域面积具有较高的负相关，负相关系数为-0.521，和农业用地为正相关，也可达到95%的显著相关[4-6]。水系密度表示城市河流水系的发达程度，从该指标的双变量检验结果可看出，和河流长度以及水域面积相似，均和农业用地及其他用地具有显著相关，这主要是因为水域面积、河流长度以及水系密度具有较高的关联度，因此这三个指标和城市化功能用地的相关性较高。水面比例是城市水系连通较为重要的形态指标，从双变量显著性检验结果可看出，该指标和城市绿地及农业用地具有较高的显著相关[7-9]。水系环度是城市水系连通性能重要的评定指标，但该指标和城市功能用地相关性较低，这主要是因为水系环度主要受到城市河道整治的综合影响。节点连接率与城市绿地为负相关，双变量检验均未达到90%的显著相关水平。水系连通度和水系环度具有相似性，两种形态指标和城市功能用地的相关性均较低。

3.4 水系功能与形态指标相关性分析

结合锦州新市水系连通8个主要功能的数据，对水系连通功能指标及形态指标进行双变量相关统计分析，统计分析结果如表3所示。

表3 锦州市水系连通功能指标和形态指标的双变量相关统计结果

从各形态指标分析结果可看出，城市功能的各指标与水系形态指标中均具有一定的相关性，其中水质达标率和水域面积、河流长度、水系密度以及水系节点连接率均达到95%的显著性检验水平。城镇供水比例与水域面积以及节点连接率达到95%的显著检验生物多样性指数、河道通航功能指标与水系连通度、环度以及节点连接率显著相关，与水系连通度、环度达到95%的双侧显著检验水平，与节点连接率达到90%的双侧检验水平。湿地面积变化率、水库调节能力、亲水舒适度以及断流比例与各形态指标的显著相关度不高[10-12]。

3.5 水系连通形态指标阈值分析

锦州市水系连通形态指标阈值确定首先结合区域水资源公报和统计年鉴的历史数据。同时结合水资源规划以及城市总体发展规划数据，采用差值方法对城市化水平下的水功能需求目标进行确定。最后结合构建的定量方程对满足水功能需求目标进行反推，从而得到水系连通形态指标的阈值范围。结合区域水系规划数据对阈值范围进行验证，若结果合理则规划值和理论值具有一定的吻合度[13]。具体计算步骤为结合功能指标和形态指标的相关分析结果，建立功能指标和形态指标的多元回归方程，结合SPSS软件对回归方程进行检验，再确定方程的常数和系数项，通过以上步骤确定整个多元回归方程组，如表4所示。

表4 锦州市水系连通功能指标与形态指标的多元回归方程

按照锦州城市规划数据分析，对水系连通各形态指标的范围进行确定，从建立的各形态指标与城市功能指标的回归方程可看出，各指标阈值区间分别为节点连接率阈值在[1.72,2.43]之间，水系连通度阈值在[0.62,0.82]之间，水系密度的阈值为[0.32,0.47]，水系环度阈值为[0.37,0.62]。为对各水系连通指标范围进行合理性分析，结合水系规划数据，2025年锦州市规划的水系连通节点率目标值为1.83，水系连通度为0.74，水系密度将达到0.41，可见文章基于城市功能目标下确定的水系连通各指标阈值范围均符合锦州市城市水系连通规划指标。文章确定的各水系连通指标阈值较为合理。

4 分析结论

1)水系环度是城市水系连通性能重要的评定指标，但该指标和城市功能用地相关性较低，这主要是因为水系环度主要受到城市河道整治的综合影响。节点连接率与城市绿地为负相关，双变量检验均未达到90%的显著相关水平[14]。

2)通过评估分析，锦州市水系连通各指标阈值区间分别为节点连接率阈值在[1.72,2.43]之间，水系连通度阈值在[0.62,0.82]之间，水系密度的阈值为[0.32,0.47]，水系环度阈值为[0.37,0.62]。