基于城市化水平的阜新市水系连通阈值区间的分析

王安琪

(辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000)

0 引 言

中国河网水系结构单一化的趋势随着城市化进程越来越明显，洪水宣泄以及生态环境恶化等次生环境受水系连通功能影响频频出现问题[1]。河湖水系连通已经逐步成为当前形势下高度关注的重要治水方针和策略[2]。对于水系连通功能的研究也逐步得到国内外学者的广泛关注和研究。国外早期对于水系连通功能的研究起步于河流生态功能研究，从河流景观功能逐步向河流、湿地等水生态系统的功能研究。Ward[3]在1997年首次将河流连接度作为水资源在河流景观内的度量指标进行相互传递能力的分析。Brierkey[4]、Bracken[5]、Tetzlaff[6]以及Ali[7]分别对水系连通度的评估方法进行应用探讨，并逐步在景观生态、水文生态、地形等领域中进行拓展。2005年健康长江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[8]。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[9-12]。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供参考。

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)

其中：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)

其中：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(km2)。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

以阜新为具体实例，阜新市水系密度在0.4左右，随着城市化水平的不断发展，阜新市水系结构有所变化，阜新市有2条河流水域面积在5000km2以上，有6条河流水域面积在1000-5000km2之间，36条河流水域面积在100-1000km2之间，31条河流水域面积在50-100km2之间，194条河流水域面积在10-50km2之间。河道平均比降为0.93‰，河道弯曲系数和形状系数分别为1.2和0.15。

2.2 数据来源

阜新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。

2.3 水系形态指标双侧检验

结合阜新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阜新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 阜新市城市化水平和形态指标双变量检验结果

对于河流长度而言，农业用地Person相关通过95%显著检验水平，对河流长度影响较大，其各指标和城市化水平双侧显著性相关都不高，为呈现显著性影响。水域面积和河流长度Person相关检验结果较为相似，河流长度和水域面积具有较为直接的关联性。对于水系密度而言，其他用地类型和其水系密度的通过95%显著检验水平，但双侧显著性相关都未能达到90%的显著水平。道路广场和水系环度呈现负的Person相关，且达到95%的相关水平，也未能通过90%的双侧显著性相关水平。水系连通度总体和各指标相关度不高。

2.4 水系功能与形态指标相关性分析

结合阜新市水系连通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 阜新市水系连通功能指标和形态指标的双变量相关统计结果

从统计分析结果可知，阜新市8个水系连通功能指标中有4个指标与水系形态指标具有较高的显著相关水平。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%的显著检验水平。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。

2.5 水系连通形态指标阈值分析

阜新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。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 阜新市水系连通功能指标与形态指标的多元回归方程

依据阜新市相关规划数据的基础上，确定其未来水系功能的目标区间，河流水质达标率高于80%，生物多样性指数大于0.65，城镇供水能力高于50%，以及建立的各水系连通功能指标和水系形态指标之间的多元回归方程，对水系连通的指标的阈值范围进行确定，各指标阈值区间分别为节点连接率阈值在[1.65,2.31]之间，水系连通度阈值在[0.59,0.78]之间，水系密度的阈值为[0.32,0.45]，水系环度阈值为[0.43,0.51]。结合阜新市水系规划数据对阈值区间的合理性进行分析，阜新市进行年来水系规划治理取得一定的成效，水域面积的年增比率可达到3.5%，在水域面积提高的同时水系密度也得到一定程度的增加。2025年阜新市水系连通节点率的目标为1.83，水系连通度为0.62，将规划值和理论区间进行验证对比可看出，阜新市节点连接率阈值区间为[1.65,2.31]，区域水系规划和理论计算阈值较为接近，因此文章确定的阜新市各水系形态指标总体计算结果较为合理。

3 分析结论

水系连通问题是当前城市化背景下水科学研究的重要课题。文章在城市化功能需求的基础上，通过构建水系连通形态和功能的指标体系，对阜新市城市化发展水平下的水系连通功能与形态进行了定量化的研究，在此基础上建立了水系连通功能和形态的多元回归方程，确定了发展规划条件下水系连通形态指标的阈值区间。成果可以为城市水系连通以及水资源开发利用提供重要的借鉴。但研究方法中需要从构建的定量方程和样本数据长度来对水系连通形态阈值区间的理论计算值进行验证，从而提高理论成果的实用性和精度。