甘 容,左其亭
(1.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,鄭州 450001; 2.鄭州大學(xué)水科學(xué)研究中心,鄭州 450001)
河湖水系作為水生態(tài)環(huán)境的重要載體,是水循環(huán)形成的基礎(chǔ),同時(shí)也是流域生態(tài)環(huán)境的重要組成部分和區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)支撐[1]。然而,受自然營(yíng)力、氣候變化和人類活動(dòng)的共同作用,河湖水系不斷改變著原有的面貌,對(duì)自然生態(tài)環(huán)境改善和區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展影響較大,這種影響可能是正面的,也可能是負(fù)面的。隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快,人類對(duì)水資源的需求越來(lái)越高,為了滿足日益增長(zhǎng)的用水需求,河流的開(kāi)發(fā)程度也越來(lái)越高,使得原有的河湖水系空間格局不斷發(fā)生演變。目前,已有國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同地區(qū)的河湖水系開(kāi)展了相關(guān)研究。陳德超等[2]通過(guò)分析上海50 a間的河網(wǎng)水系演變歷程發(fā)現(xiàn),城市化等人類高強(qiáng)度的土地開(kāi)發(fā),是導(dǎo)致河流消失的直接原因;河道消亡將直接導(dǎo)致河湖水系結(jié)構(gòu)的弱化,進(jìn)而降低河湖水系的調(diào)蓄能力,加重雨洪災(zāi)害。Seal和Newson認(rèn)為60%的河湖水系的變化是由城市化引起的[3]。河道疏浚和防滲面的增加使河道徑流量增加,導(dǎo)致干流變寬;而河道淤積和城市化將導(dǎo)致支流逐漸變窄甚至消失[4,5]。陳睿智等[6]提出通過(guò)河湖水系連通工程改變天然的水系空間格局,進(jìn)行跨流域的大范圍水資源時(shí)空上的重新分配,是解決我國(guó)水資源配置不均的新途徑。河湖水系連通戰(zhàn)略可以提高水資源的統(tǒng)籌調(diào)配能力、改善水生態(tài)環(huán)境、防御旱澇災(zāi)害,有效解決水多、水少、水臟三大問(wèn)題,最終實(shí)現(xiàn)人水和諧[7]。隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展和環(huán)境的變化,河湖水系空間格局與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展格局不匹配將是未來(lái)研究的挑戰(zhàn)之一[1]。盡管很多學(xué)者定性描述了河湖水系的演變,但在高強(qiáng)度人類活動(dòng)影響下,缺乏從多角度系統(tǒng)揭示河湖水系空間格局演變特征及其影響因素。
襄陽(yáng)市位于“南水北調(diào)”中線水源地丹江口水庫(kù)的下游,是鄂西北重要的交通和物流中心,有著承東啟西、暢南接北交通的重要作用。襄陽(yáng)市境內(nèi)河流縱橫,水系發(fā)育,先后修建水庫(kù)943座,總庫(kù)容48.7 億m3,大小塘壩4.36萬(wàn)處,泵站3 228座。盡管大規(guī)模的水利工程建設(shè)可在一定程度上緩解區(qū)域水資源供需矛盾,推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,但從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益看,可能會(huì)對(duì)水生態(tài)、水環(huán)境造成一定的影響,有必要開(kāi)展襄陽(yáng)市近年來(lái)河湖水系空間格局變化特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究。
本文以襄陽(yáng)市為研究區(qū),以遙感和地理信息技術(shù)為支撐,從河網(wǎng)水系的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和連通等方面構(gòu)建河湖水系空間格局演變?cè)u(píng)估指標(biāo),分析新中國(guó)成立以來(lái)河湖水系空間格局的演變特征,闡述其影響因素,以期為本市流域水資源的科學(xué)管理及河湖水系的均衡管控提供參考依據(jù)。
襄陽(yáng)市位于漢江中游,是湖北省西北部的省城副中心城市,地處東經(jīng)110°45′~113°43′和北緯31°14′~32°37′之間,總面積1.97 萬(wàn)km2。襄陽(yáng)市的地貌,基本呈現(xiàn)“三山六崗一平原”的地形分布。屬于北亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),具有南北過(guò)渡型氣候特征,四季分明,光熱充足,雨熱同期,冬季寒冷干燥,夏季炎熱多雨。襄陽(yáng)市境內(nèi)有大小河流649條,流域面積100 km2以上的有50條,長(zhǎng)度在10 km以上的有228條,主要屬于漢江和沮漳河2個(gè)流域,見(jiàn)圖1。河湖周圍的人口密度較大、耕地較多、城鎮(zhèn)分布較集中,人水關(guān)系密切而復(fù)雜。襄陽(yáng)市地表水資源豐富,全市供水主要依賴地表水資源,地表水供水占總供水量的比例高達(dá)94%。

圖1 襄陽(yáng)市位置及水系分布圖Fig.1 Location of Xiangyang City and river distribution
本文采用盡量沒(méi)有云層覆蓋的高空間分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù),具體數(shù)據(jù)源為1987年9月、1996年10月、2006年10月的Landsat 4-5 TM及2015年5月Landsat 8 OLI_TIRS遙感影像數(shù)據(jù),分辨率為30 m;20世紀(jì)60年代、70年代襄陽(yáng)市地形圖;1985年和2005年《襄陽(yáng)市水利志》;2005年襄陽(yáng)市1∶20萬(wàn)水系圖;Google earth衛(wèi)星影像圖;DEM(90 m分辨率)。同時(shí)先后兩次在襄陽(yáng)市參加實(shí)地考察、資料收集工作,在此過(guò)程中對(duì)研究區(qū)的水系現(xiàn)狀、植被分布、水庫(kù)建設(shè)、地下水水位和水質(zhì)等方面進(jìn)行調(diào)查,獲得該區(qū)域的第一手資料和襄陽(yáng)市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院等有關(guān)單位提供的多年統(tǒng)計(jì)資料。
1.3.1 非遙感數(shù)據(jù)處理
由于國(guó)內(nèi)可以利用的遙感影像數(shù)據(jù)主要開(kāi)始于20世紀(jì)80年代,為了分析從20世紀(jì)50年代到現(xiàn)在襄陽(yáng)市河湖水系的演變特征,本研究將在2005年襄陽(yáng)市水系圖及歷史時(shí)期地形圖的基礎(chǔ)上,根據(jù)水利志及相關(guān)資料查詢到的關(guān)于襄陽(yáng)市蓄水工程、引水工程、提水工程及水電工程建設(shè)情況,逆推1950、1960、1970及1980年不同時(shí)期的水系圖。具體操作步驟如下。
(1)在ArcMap中加載含有河流水系地形圖的掃描圖,經(jīng)配準(zhǔn)、設(shè)置坐標(biāo)系和投影后,以面或線表示水系相關(guān)要素,進(jìn)行數(shù)字化,并完成水系的分級(jí)。
(2)以該圖為底圖,結(jié)合《襄陽(yáng)市水利志》記載、不同時(shí)期水利建設(shè)圖、資料介紹等數(shù)據(jù)源,分別勾畫(huà)出襄陽(yáng)市1950、1960、1970和1980年的水系圖。
1.3.2 遙感數(shù)據(jù)處理
使用遙感影像處理軟件ENVI對(duì)不同時(shí)期的遙感影像進(jìn)行預(yù)處理,采用多波段運(yùn)算和決策樹(shù)分類方法對(duì)選取的影像進(jìn)行處理,進(jìn)而得到襄陽(yáng)市不同時(shí)期的河湖水系圖。多波段是利用水體在各個(gè)波段具有不同的光譜信息,進(jìn)而進(jìn)行組合運(yùn)算來(lái)增強(qiáng)水體的影像信息。具體操作步驟如下。
(1)遙感影像幾何校正。以襄陽(yáng)市地形圖為基準(zhǔn),選取控制點(diǎn),分別對(duì)不同時(shí)期的遙感影像進(jìn)行幾何校正。
(2)研究區(qū)遙感影像提取。襄陽(yáng)市跨越3個(gè)遙感影像條帶,先將3個(gè)條帶合并,以襄陽(yáng)市的矢量圖作為邊界,把矢量圖變成ROI的感興區(qū)域,利用感興區(qū)域?qū)πl(wèi)星圖像進(jìn)行裁剪,得到研究區(qū)的遙感影像數(shù)據(jù)。
(3)利用波段計(jì)算和決策樹(shù)分類得到初步的襄陽(yáng)市水系圖。利用改進(jìn)的水體歸一化差異水體指數(shù)來(lái)進(jìn)行多波段的運(yùn)算,改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)的公式為[8]:
MNDWI=(Green-MIR)/(Green+MIR)
(1)
式中:Green為綠光波段;MIR是中紅外波段,在Landsat TM影像中,分別為2和5波段。
根據(jù)提取出來(lái)的影像圖進(jìn)行決策樹(shù)分類,即對(duì)MNDWI的數(shù)值進(jìn)行分類,把MNDWI>0分為一類,把MNDWI<0分為一類,進(jìn)而提取出初步的襄陽(yáng)市河湖水系圖。
(4)對(duì)提取的襄陽(yáng)市河湖水系圖進(jìn)行后期的處理。把經(jīng)過(guò)ENVI提取出來(lái)的水系圖輸出到ArcGIS中進(jìn)行積水、池塘等刪除處理,并將結(jié)果疊加到Google earth上進(jìn)行檢查和核查,得到襄陽(yáng)市1987、1996、2006及2015年4個(gè)時(shí)期的河流水系矢量圖。
1.3.3 河湖水系空間格局演變指標(biāo)體系
河湖水系空間格局可以通過(guò)水系的物理屬性來(lái)體現(xiàn),包括描述性指標(biāo)和復(fù)雜的綜合性指標(biāo)。描述性指標(biāo)主要有河流長(zhǎng)度、河流數(shù)量、河流分支、河流等級(jí)和水面積等,很少直接使用;綜合性指標(biāo)主要有河網(wǎng)密度、河頻率、水面率、河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)、干流面積長(zhǎng)度比、分枝比等,近年來(lái)被廣泛采用[9]。河網(wǎng)密度反映河流長(zhǎng)度發(fā)育程度,其值越大,流域切割強(qiáng)度越大,對(duì)降水的水文響應(yīng)越快,與研究區(qū)的巖性、植被覆蓋、氣候等有關(guān)。水面率是單位面積上河流的面積,其值越大對(duì)蓄滯洪水、削減洪峰越有利。主干河流面積長(zhǎng)度比體現(xiàn)河流面積與長(zhǎng)度發(fā)育的不同步性,面積長(zhǎng)度比小,河道較窄,過(guò)水能力弱。河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)表示各級(jí)支流的發(fā)育程度,河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)越小,主干化越明顯。河網(wǎng)密度以及水面率反映河流的長(zhǎng)度和面積變化情況,為數(shù)量特征指標(biāo);主干河流面積長(zhǎng)度比和河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)表征河網(wǎng)組成部分之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系,可為結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)。
河湖水系連通研究近年來(lái)受到廣泛關(guān)注,水系網(wǎng)絡(luò)連通性源于景觀生態(tài)學(xué)中的景觀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接度的概念,可借助于圖論的計(jì)算原理對(duì)水系的連通性進(jìn)行計(jì)算,采用的指標(biāo)有節(jié)點(diǎn)連接率和水系連通度。節(jié)點(diǎn)連接率表征一個(gè)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)聯(lián)系的難易,水系連通度反映河道之間的實(shí)際結(jié)合水平。
為了從不同角度全面體現(xiàn)河湖水系空間格局特征,又能反映出與其他類型河網(wǎng)的差異,而且各指標(biāo)相應(yīng)數(shù)據(jù)容易量化,方便獲取,本文將從數(shù)量特征、結(jié)構(gòu)特征和連通特征3個(gè)方面,構(gòu)建表征河湖水系空間格局的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,具體指標(biāo)計(jì)算方法[10]見(jiàn)表1。

表1 河湖水系空間格局演變?cè)u(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 The evaluation index system of the evolution of spatial pattern of river and lake networks
按照上述處理方法,綜合運(yùn)用遙感影像及水利志等數(shù)據(jù)源,分別獲得襄陽(yáng)市1950、1960、1970、1980、1987、1996、2006及2015年8個(gè)代表時(shí)期的水系圖,受篇幅長(zhǎng)度的影響,僅列出部分時(shí)期的圖,見(jiàn)圖2。
襄陽(yáng)市河流縱橫,河網(wǎng)發(fā)達(dá),總屬長(zhǎng)江水系,再分各屬漢江、沮漳河水系,最終入?yún)R長(zhǎng)江,絕大部分屬漢江流域,西南部屬沮漳河流域。漢江流域主要支流有唐白河、小清河、南河、北河、蠻河等,沮漳河流域主要支流有沮河和漳河。1960年相對(duì)于1950年,襄陽(yáng)市水系的流向基本不變。漢江襄陽(yáng)市河段河道屬游蕩性分汊型河道,區(qū)間匯入河溪較多,河谷開(kāi)闊,河道寬淺,洲灘密布,河水分汊,水流散亂。1950-1960年間修建了官溝、石河畈、沙河、馬鞍山、姚棚、團(tuán)湖及鯉魚(yú)橋水庫(kù),水系的變化主要在滾河及北河水系,其他水系變化較小。到1970年隨著灌溉面積的增加,襄陽(yáng)市水系變化較大,進(jìn)一步修建了西排子河、華陽(yáng)河、熊河、三道河、云臺(tái)山、張河、潭口等大中型水庫(kù),主要在唐白河、滾河及清河流域。到1980年,鄂北崗地地區(qū)河流的水系特征變化比較明顯,河流的流程、流向由于引丹灌區(qū)的修建,有所變化,支流數(shù)量增加。引丹工程灌區(qū)西北毗鄰丹江口水庫(kù),北接河南南陽(yáng)盆地,東以唐白河為界,南臨漢江,覆蓋老河口、棗陽(yáng)、襄陽(yáng)、樊城等4個(gè)市(區(qū))及襄北農(nóng)場(chǎng),總面積2 980 km2。該工程由渠首共引渠,清泉溝隧洞,引丹總干渠及排子河渡槽、馬張河渡槽,6條干渠,清泉溝泵站等組成。1980-1987年期間,襄陽(yáng)市水利建設(shè)發(fā)展相對(duì)較慢,修建了清潭水庫(kù)、黃沖水庫(kù)和南河水庫(kù),水系變化較小。到1996年,主要為河堤加固,漢江干流堤防防洪能力有了較大程度提升。1996-2006年間,漢江及其他主要河流修建梯級(jí)開(kāi)發(fā)及水電工程,小型水庫(kù)下游小的天然河流部分變?yōu)檗r(nóng)田。2006-2015年間,水系空間格局基本不變。

圖2 1950、1980、1987、2015年襄陽(yáng)市河湖水系圖Fig.3 The river system of Xiangyang City in 1950、1980、1987 and 2015
為了進(jìn)一步分析襄陽(yáng)市水系格局所發(fā)生的變化,把以上得到的全市8個(gè)時(shí)期的河流水網(wǎng)圖導(dǎo)入到ArcGIS中,進(jìn)行水域面積和河流長(zhǎng)度等的計(jì)算,并統(tǒng)計(jì)不同時(shí)期的節(jié)點(diǎn)數(shù)和河流個(gè)數(shù),從而計(jì)算河湖水系空間格局評(píng)價(jià)指標(biāo),得到的結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 河湖水系空間格局的各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Results of the evaluation index for the representative periods
數(shù)量特征演變:由表2可以看出,襄陽(yáng)市的河網(wǎng)密度呈增加的趨勢(shì),到1980年后基本保持不變;水面率特征指標(biāo)呈先增加后衰減的趨勢(shì),1996年水面率達(dá)到最大為0.06,相比1950年增加了100%。隨著研究區(qū)河道整治、水庫(kù)建設(shè)、特別是灌區(qū)大規(guī)模發(fā)展,襄陽(yáng)市基本形成以丹江口水庫(kù)和漢江干支流為主要水源、蓄引提相結(jié)合的水資源配置體系,導(dǎo)致河網(wǎng)密度及水面率的增加。2000年之后,水資源需求量大,而水庫(kù)的庫(kù)容系數(shù)均較大,達(dá)到1.2~1.4,降雨均被攔截,水利工程攔截蓄水后造成水庫(kù)下游河流水量減少,部分小河道已被用來(lái)耕種,水面率減小。
結(jié)構(gòu)特征演變:主干河流在水系結(jié)構(gòu)和功能上均具有重要作用,襄陽(yáng)市主干河流面積長(zhǎng)度比在1950年最小,在1996年最大,干流面積長(zhǎng)度比增大表明干流平均寬度在增大,即河網(wǎng)主干化程度增加,過(guò)水能力增加。就河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)而言,呈增加的趨勢(shì),主要是由于人類活動(dòng)的影響,增加了支渠,支流長(zhǎng)度增加。
連通特征演變:從指標(biāo)節(jié)點(diǎn)連接率及水系連通度可以看出,兩指標(biāo)均呈減小的趨勢(shì),說(shuō)明該地區(qū)水系結(jié)構(gòu)連通性變差。1980年以來(lái),境內(nèi)漢江干流建成老河口王甫洲水利樞紐、崔家營(yíng)航電樞紐工程,南河干流建成馬橋一級(jí)等9座梯級(jí)電站,唐河改建大崗坡泵站取水口工程等,區(qū)間補(bǔ)給水量進(jìn)一步減少,境內(nèi)河段河勢(shì)仍處在不斷變化之中。
襄陽(yáng)市河湖水系變遷主要受自然因素和人為因素的影響。自然因素主要有地形地貌變遷、洪水、河床淤積、氣候變化等,在這些自然營(yíng)力的作用下,襄陽(yáng)市河湖水系始終處于不斷變化之中。漢江及唐白河等兩邊多為沙礫石、黏土構(gòu)造,黏土層在上,結(jié)構(gòu)較緊密;沙礫層在下,結(jié)構(gòu)較松散,常被河水波浪沖刷,容易形成崩岸。河道年內(nèi)流量、洪水漲落及河水水位變幅較大。
人為驅(qū)動(dòng)因素是近年來(lái)河湖水系空間格局變化的主要因素。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展,人類涉水活動(dòng)日益劇烈,水資源供需緊張、人水關(guān)系失衡。襄陽(yáng)市通過(guò)修建水庫(kù)、閘堤、渠系、運(yùn)河等水利工程實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源時(shí)空分布的重新分配,這些水利工程,將本不連通的河湖水系連通,或者將原本連通的河湖水系連通阻斷,最終形成了新的河湖水系空間格局。人工調(diào)蓄作用改變河道原有的徑流過(guò)程和蓄泄洪區(qū)狀況。
近年來(lái),襄陽(yáng)市城鎮(zhèn)化率每年提高一個(gè)百分點(diǎn)左右,截止到2014年,襄陽(yáng)市的城鎮(zhèn)化率達(dá)到56%。城市化改變了下墊面的條件,極大的影響中小洪水的產(chǎn)匯流關(guān)系,使得進(jìn)入河流的水量變少。同時(shí)隨著城市化進(jìn)程的加快,土地利用類型發(fā)生劇烈的變化,道路修建、住宅區(qū)開(kāi)發(fā)、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等活動(dòng)大量占用、填埋流域內(nèi)中小河道,在流域水面積減少的同時(shí),不透水面積也不斷增加,從而影響了區(qū)域的水文循環(huán)。
實(shí)際上,經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展是人類涉水活動(dòng)的直接驅(qū)動(dòng)力,也是河湖水系空間格局變化的根本驅(qū)動(dòng)因素。研究區(qū)不同時(shí)期河湖水系演變的主要事件見(jiàn)表3。1980年以前,在國(guó)家發(fā)展的需要下,襄陽(yáng)市修建了大量的水庫(kù)、電站,使襄陽(yáng)市的河湖水系空間格局發(fā)生了明顯變化;1980-1987年間由于改革開(kāi)放,以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為中心,水利建設(shè)相對(duì)停滯[11],河湖水系空間格局變化相對(duì)較小;1988-1996年間,由于前期的水庫(kù)攔蓄及氣象干旱,出現(xiàn)了部分河道小型水庫(kù)下游的河渠變成了農(nóng)田,自然河流長(zhǎng)度減小;1997-2006年間,漢江干流建成老河口王甫洲水利樞紐、崔家營(yíng)航電樞紐工程,南河干流建成馬橋一級(jí)等9座梯級(jí)電站,唐河改建大崗坡泵站取水口工程等,區(qū)間補(bǔ)給水量進(jìn)一步減少,境內(nèi)河段河勢(shì)仍處在不斷變化之中。2006-2015年間,城市化擴(kuò)張使流域水面積有所減少,同時(shí)因提倡生態(tài)水利,濱岸修復(fù)保護(hù)及濕地公園建設(shè)加強(qiáng),水面面積有所增加。

表3 不同時(shí)期河湖水系空間格局演變特征表Tab.3 The evolution characteristics of river and lake networks in different periods
本文基于遙感影像圖、水利工程建設(shè)數(shù)據(jù)及GIS空間分析平臺(tái),得到了20世紀(jì)50年代以來(lái)襄陽(yáng)市不同時(shí)期的河湖水系圖,襄陽(yáng)市河流縱橫,河網(wǎng)發(fā)達(dá),呈五縱五橫分布,并從數(shù)量特征、結(jié)構(gòu)特征和連通特征3個(gè)方面構(gòu)建了表征 河湖水系空間格局的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)新中國(guó)成立以來(lái)襄陽(yáng)市河湖水系空間格局演變特征及影響河湖水系空間格局的關(guān)鍵因素進(jìn)行研究,主要得到以下結(jié)論。
(1)構(gòu)建了包含數(shù)量特征、結(jié)構(gòu)特征及連通特征3個(gè)方面的河湖水系空間格局演變?cè)u(píng)估指標(biāo)。襄陽(yáng)市的河網(wǎng)密度呈增加的趨勢(shì),水面率特征指標(biāo)呈先增加后衰減的趨勢(shì),1996年水面率、主干河流面積長(zhǎng)度達(dá)到最大;河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)呈增加的趨勢(shì);節(jié)點(diǎn)連接率及水系連通度均呈減小的趨勢(shì)。
(2)不同時(shí)期經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求是河湖水系空間格局變化的根本驅(qū)動(dòng)因素。20世紀(jì)70年代以前,在國(guó)家發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要下,修建了大規(guī)模的水利工程;80年代以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為中心,水利建設(shè)相對(duì)停滯;90年代大江大河整治,水面率達(dá)到最大;21世紀(jì)以來(lái),發(fā)展清潔小流域,提倡人水和諧,河湖水系空間格局變化較小。
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