平山造城工程下的延安新区河网水系演变

许晓露，郝利娜，2，刘汉湖，赵美龄，孟田，蒋川东

（1.成都理工大学 地球科学学院，四川 成都 610059；2.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059）

0 引 言

河流是自然界重要的生态系统之一，不仅具有栖息地、过滤、屏蔽等生态功能，而且还承担了运输水道、防洪排涝等社会功能［1-2］。目前，我国城市化进程加快，城市扩张过程中对坑塘河流等大多采取填埋、硬化或改造为暗渠等措施，改变了河流水系的数量与结构［3-4］。已有对河网密集、城市化进程较快平原地区河流的研究多集中于长江中下游平原与东南沿海区域，如林芷欣等［5］通过探讨不同城市扩张方式对不同等级水系的干扰程度，揭示城市化进程对苏州市河流结构发育的显著影响，河流结构稳定性随城市化进程的加快而降低；蒋祺等［6］运用城市扩张强弱与快慢和同期水系变化指标分析，得到长沙市城市建设用地对城市水系数量及形态变化有直接影响，各时期城市扩展强度与水系衰减速度呈正相关关系；邓晓军等［7］通过构建定量描述河流水系变化特征的指标体系，表明嘉兴市城市化对河流变化的影响十分显著，城市化水平越高的地区河流水系变化越剧烈；周洪建等［8］利用多源数据分析了近30年深圳观澜河流域河网变化规律，表明城市化水平越高，城镇用地扩展对河网的影响越小。地势复杂的丘陵山地地区有关河网演变的研究较少。此外，河流水系形成及演变与所处的地理环境和人类活动紧密相关，不同地理环境和人类活动影响下，河网水系的演变规律存在较大差异［9］。因此，对河网水系的演变研究应结合区域的具体特征开展。延安地处黄土高原中南部丘陵沟壑区，城市发展空间不足严重制约着经济社会发展。因此，实施了平山造城工程对城市进行扩容，在延安北部建造了总占地面积为78.5 km2的新区［10］。平山造城工程实施过程中，削山、填沟等工程活动对该区域的水文地质和河流水系产生了较大影响。

本文以ASTER GDEM和资源三号卫星数据为基础，以延安新区为研究对象，利用ArcGIS水文分析模块对延安新区平山造城工程实施前（2009年）、实施前期（2013年）和实施中后期（2017年）的水系进行提取与对比，分析延安新区河网水系演化特征，结合不同时期平山造城工程进展，探讨平山造城工程对河网水系演化的影响。

1 研究区概况与数据处理

1.1 研究区概况

延安市位于黄河中游的黄土高原丘陵沟壑区，区内地势起伏较小，海拔900～1 297 m，地貌以黄土高原、丘陵为主，主要出露第四系黄土地层，下覆基岩为侏罗系砂岩、泥岩。延安城区水系较多，延河穿城而过，西川、杜甫川等支流密集，地形复杂，为典型的线形城市。宝塔山、清凉山、凤凰山高高耸峙，夹在周围，三面合围的山崖底部，延安城区密集地分布在一个“Y”字形的三条主川道中（图1）。该区为高原大陆性季风气候，受制于季风环流，降水多集中于夏季，且多暴雨［11］。延安新区位于延安市清凉山北部、宝塔山东南及凤凰山西侧的黄土沟壑地带，按照“依托老城，沿川展开，整流域治理”的原则，实施“中疏外扩、上山建城”的发展战略，通过“削山、填沟、造地、建城”对城市进行扩容，最终建成了建设面积为78.5 km2的新区。延安新区平山造城工程是目前世界上在湿陷性黄土沟壑地区开展的规模最大的岩土工程，在世界建城史上也少有先例。如此宏大的平山造城工程建设相当于在黄土沟壑地区进行一次“大手术”，其作用速度和强度远超地质营力，严重影响地质环境，使得黄土高原生态环境脆弱性问题进一步加剧，并导致灾变不断发生［12］。

图1 研究区位置图（Landsat TM 321波段组合）Fig.1 Location diagram of the study area（Landsat TM 321 band combination）

1.2 数据源及预处理

延安新区城市扩容动态变化研究采用2009年Landsat TM影像数据和2013，2017年LandsatOLI影像数据。通过辐射定标、大气校正等处理后对研究区平山造城工程范围进行人工解译。

河流水系变迁研究所用DEM数据分别来自2009年的ASTER GDEM影像数据和2013，2017年的资源三号影像数据。其中ASTER GDEM影像数据的空间分辨率为30 m，提取的水系结果基于同期Google Earth高分辨率数据进行对比修改；资源三号影像数据包括空间分辨率为2.1 m的正视影像、3.5 m的前后视影像和5.8 m的多光谱影像，利用正视和后视影像，通过输入立体像对→相对定向→绝对定向→生成核线影像→DEM提取与编辑等过程获得空间分辨率为10 m的DEM数据，最后校正DEM数据［13-15］。

以DEM数据为基础，利用ArcGIS水文分析模块提取研究区水系。由于本次水系提取未考虑降雨、土壤渗透率和植被吸水等因素，因此采用D8算法获取流向数据［16］。首先根据流向数据获得研究区中的洼地区域并计算洼地深度，以最大洼地深度为参考设置合理填洼阈值对洼地进行填充，填充完后检查无洼地DEM数据，反复填充直至洼地DEM数据生成；再根据生成的无洼地DEM数据获取流向，计算汇流累积量，采用地表径流漫流模型［17］，以水流方向和汇流累积量为基础，设置合理的集水面积阈值提取水系，通过设置12个大小不同的0.1～1.6 km2集水面积阈值，获得不同的河流栅格数据，以所得河流栅格数据和流向栅格数据为基础，获取研究区子流域，将获得的流域数据矢量化，依据面积大小对子流域统计和编号；最后对河流栅格数据矢量化，生成河网。通过计算不同阈值下的河网密度［18-20］，确定研究区河网水系的最佳集水面积阈值为1.1 km2，水系提取流程如图2所示，提取的不同时期水系分布见图3。此时，河网曲线较光滑，未产生断线，地势较缓区域的平行线消失，伪河道消除，水系提取结果与实际地形地貌相符。

图2 水系提取流程Fig.2 Flow chart of drainage extraction

图3 研究区不同时期水系分布Fig.3 Drainage distribution of the study area in different period

2 研究方法

对提取的水系分别采用斯特拉勒（STRAHLER）分级法、施里夫（SHREVE）分级法和传统地理学河流分级法进行分级并对比研究，分级结果表明，STRAHLER分级法和SHREVE分级法区分干流和支流较混乱，在对比分析各级河流变化时描述不准确，因此根据研究区河流水系的自然特征，采用传统地理学河流分级法将区内河流分为三级［21-22］：延河干流为Ⅰ级河流，直接汇入延河干流的次级河流为Ⅱ级河流，汇入Ⅱ级河流的次级河流为Ⅲ级河流。河流水系的演化研究选取河流长度和河网密度分析水系数量变化特征，选取河流发育系数和河流弯曲系数分析河网结构特征［23-24］。

2.1 水系数量特征

（1）河流长度LR。通过对比分析不同时期、不同级别的河流长度，揭示河流的数量变化特征。

（2）河网密度DR。研究区内河流长度LR与流域面积A的比值。河网密度越大，表明流域内河流总长度越大，用于表征河流长度发育程度［23，25］。计算式为

2.2 水系结构特征

（1）河流发育系数Kω。研究区内各级河流长度与干流长度的比值，河流发育系数越大，表明支流发育程度越高，对径流的调节越有利［23，25］。计算式为

式中：Lω为ω级河流长度；L1为干流长度。

（2）河流弯曲系数S。河流干流长度LI与干流两端点间直线距离La的比值，河流弯曲系数越大，表明河流自然特性越强［23，25］。计算式为

3 结 果

3.1 延安新区发展变化

为解决延安城市发展空间不足、城景争地、交通拥堵、群众难以安居、革命旧址被挤压蚕食等问题，延安新区平山造城工程项目于2012年4月开工。一期项目主要为土地整理、边坡防护、防洪等基础建设，即削山填谷（图4）。图4显示，2009年平山造城工程还未启动，为原始地貌；2013年，工程新区范围增至12.36 km2，占研究区总面积的3.98%，此时大量山脊被削平，沟谷被填平，大部分区域呈推土状，仅有部分建筑；2017年，工程范围增加到20.84 km2，相比2013年增加了8.48 km2，增幅达68.61%，工程扩大区域呈推土状，原推土范围内建筑林立，已初具城市规模。

图4 平山造城工程范围进展Fig.4 Progress of mountain excavation and city construction region

3.2 水系数量特征变化

2009—2017 年平山造城工程区域内水系河流长度和河网密度呈下降趋势，如表1～2所示。河流长度从224.89 km减少至208.01 km，下降了7.51%；河网密度从0.751 km／km2减少至0.700 km／km2，下降了6.84%。其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级河流长度分别减少了0.26，3.24，13.38 km，Ⅲ级河流减幅最大，占减少总长度的79.27%。

表1 各级河流不同时期的长度Tab.1 Lengths of rivers in different periods

从河流减少幅度看，2009—2013年，河流长度减少了11.53 km，其中Ⅲ级河流减幅最大，减少了10.35 km，Ⅰ、Ⅱ级河流长度分别减少了0.05，1.13 km；河网密度从0.751 km／km2减少至0.718 km／km2，减幅为4.43%。2013—2017年，河流长度减少了5.35 km，其中Ⅲ级河流减少3.03 km，Ⅰ、Ⅱ级分别减少0.21，2.11km；河网密度从0.718 km／km2减少至0.700 km／km2，降幅为2.51%。

从河流减少速度看，2009—2013年河流长度减少11.53 km，河网密度减少0.033 km／km2；2013—2017年河流长度减少5.35 km，河网密度减少0.018 km／km2。2013—2017年河流长度与河网密度减少速度较2009—2013年慢，说明大规模的削山、填沟活动发生在工程前期。其中Ⅲ级河流长度在2009—2013年减少了10.35 km，2013—2017年减少了3.03 km，减速速较2009—2013年慢；而Ⅰ、Ⅱ级河流长度在2009—2013年分别减少了0.05，1.13 km，2013—2017年分别减少了0.21，2.11 km，减速均较2009—2013年快，表明工程前期对低级别河流影响较大，中后期高级别河流逐渐被影响。

表2 研究区不同时期的河网密度Tab.2 Network densities of rivers in different periods

3.3 水系结构特征变化

从水系的河流弯曲系数看，2009—2017年，延河的河流弯曲系数从1.67降至1.64，其中2009—2013年，河流弯曲系数下降了0.01，降幅达0.38%，2013—2017年降幅达1.36%（表3）。从河流发育系数看（表4），2009—2017年，Ⅱ、Ⅲ级河流发育指数均呈下降趋势，分别下降了1.86%和16.53%，表明Ⅱ、Ⅲ级河流调蓄作用被削弱。2009—2013年，Ⅱ、Ⅲ级河流发育系数呈下降趋势，Ⅱ级河流发育系数下降了0.04，降幅达0.79%，Ⅲ级河流发育系数降幅较大，为13.21%；2013—2017年，Ⅱ、Ⅲ级河流发育系数仍呈下降趋势，但Ⅱ级河流发育系数降幅较Ⅲ级的小，表明等级越低的河流受工程影响越大。此外，与2009—2013年相比，2013—2017年Ⅲ级河流发育系数下降更为缓慢，Ⅱ级河流发育系数下降更快，河流弯曲系数下降更快，表明前期低级别河流减少更多，变化更快，高级别河流变化较小，随着时间推移，高级别河流逐渐被影响。

表3 延河不同时期的河流弯曲系数Tab.3 River bending coefficients of Yanhe River in different periods

表4 各级河流不同时期的河流发育系数Tab.4 River development coefficients of all levels in different periods

4 平山造城工程对河流水系影响

2009，2013和2017 年提取的水系格局结果表明，随着时间推移，研究区河流长度和河网密度持续下降，水系衰减的主要特征为低等级河流持续减少，高等级河流变化较小。2009—2017年，河流长度减少16.88 km，河网密度减少0.051 km／km2，其中Ⅲ级河流长度减少了13.38 km，占减少总长度的79.27%；2009—2013年，Ⅲ级河流长度减少了10.35 km，河流减少主要集中在平山造城工程项目的中心区域（图5），Ⅰ、Ⅱ级河流长度变化不大，表明在项目初期，大量工程建设导致低等级河流通过削山、填沟等方式被迅速掩埋以至消失（图4）；2013—2017年，随着工程推进，工程范围进一步扩大，高一级河流逐渐受到影响，Ⅲ级河流被填平的同时，部分Ⅱ级河流被掩埋。同时，新区建设工程在逐步开展，为了更好地防洪排水，对河流进行改造，使得河流形态进一步发生改变，由于平山造城工程选址距延河主干流较远，对其影响较小，因此主干流仅产生了微小变化，共减少0.26 km，主要集中在距新区约3.2 km的河庄坪镇附近。该区域干流变化是由于增加了河流防洪等功能，开展新邦河堤工程，对河道裁弯取直造成的［26］。

图5 研究区河流变化Fig.5 River variations in the study area

水系结构变化显示，Ⅲ级河流发育系数低于Ⅱ级河流的。2009—2017年，延河河流弯曲系数从1.67下降至1.64，河流自然特性减弱；Ⅲ级河流发育系数由2.66下降到2.22，Ⅱ级河流发育系数由4.06下降到3.98，表明随着平山造城工程项目开展，大量低等级河流减少直至消失，支流衰减，河流结构受到干扰，调蓄能力减弱，发生洪涝等自然灾害的风险增大。

水系数量和结构演变过程显示，工程前期削山填沟等活动（图4）对Ⅲ级河流影响较大，导致部分Ⅲ级河流消失，而对Ⅱ级和Ⅰ级河流影响较小。随着工程持续推进，削山、填沟活动逐渐减弱，被大规模“建城”活动取而代之（图4），造成Ⅲ级河流减少甚至消失，Ⅲ级河流的持续减少逐渐影响到Ⅰ和Ⅱ级河流，并造成少量Ⅰ和Ⅱ级河流消失。

5 结 论

（1）2009—2013年，研究区河流长度和河网密度呈下降趋势，其中Ⅲ级河流减幅最大，减少区域主要集中在延安新区，与平山造城工程项目开展有关；到2017年，河流长度与河网密度仍呈下降趋势，但较2009—2013年下降更为缓慢。

（2）从水系结构特征看，2009—2017年，延河河流弯曲系数下降，河流自然特性减弱；Ⅱ、Ⅲ级河流发育系数呈下降趋势，表明Ⅱ、Ⅲ级河流调节作用减弱。Ⅲ级河流发育系数降幅较Ⅱ级河流的大，表明等级越低的河流发育系数减少得越多，受平山造城工程活动影响越大。

（3）随着平山造城工程项目开展，低级河流被改造、填埋，研究区河流长度与河网密度持续下降，河流弯曲系数也呈下降趋势，河流自然特性减弱，Ⅱ、Ⅲ级河流发育系数下降，Ⅲ级河流发育系数远低于Ⅱ级河流的，降幅也更大，表明随着时间推移，支流衰减，河流结构受到干扰，河流水系的自然调蓄能力减弱，使得在极端降雨等事件下遭受洪涝等自然灾害的风险增大。

在平山造城过程中，需注重协调城市发展与河流保护的关系，提升高级别河道水系应对洪涝灾害的调蓄能力，利用工程措施等提升干流泄洪能力，如实施河道清淤疏浚、河湖复堤等整治拓浚工程，同时加强对各级支流的保护，替代性恢复被填平河道和低等级水系，增沟造渠，提高区域水系调蓄能力。