基于連通性的城鎮水系規劃研究

李普林 陳菁 孫炳香 肖晨光 陳睿東

摘要：從水系連通性的內涵出發，選取河網密度、水面率、河頻率、網絡環通度、節點連接率和網絡連通度等6項指標建立水系連通性評價指標體系，對研究區水系規劃前后進行連通性評價，得出規劃后水系各項指標呈不同幅度的增加，水系連通性得到明顯改善。最后通過主成分分析得出決定水系連通性的第一大主成分是網絡環通度、節點連接率和網絡連通度，河網密度、水面率、河頻率是評價水系連通性的基礎。

關鍵詞：水系連通性；水系結構；規劃；主成分分析

中圖分類號：TV212.5+3 文獻標志碼：A doi ：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.008

近年來，隨著新型城鎮化建設的不斷推進，我國城鎮水系出現諸多問題，防洪排澇壓力加大，河道密度和水面率減小，水系結構及生態系統遭到破壞[1]。人與水爭地，大量末級河流被填埋，人水和諧的局面被打破。水利部部長陳雷在《在全國水利規劃計劃工作會議上的講話》中指出，受大規模人類活動的影響，我國不少地區水資源通道阻斷，河湖萎縮嚴重，水系循環性變差[2]。城鎮化過程中的人類活動是影響城鎮水系連通性的關鍵因素，水系問題已經成為制約城鄉經濟可持續發展和生態系統健康的重要因素。水系連通性改善措施作為新形勢下城鎮水系規劃的一個新方向，已經受到國家政府部門的重視。

水系連通性評價作為一個新的課題，已經被越來越多的國內外學者所關注。我國水系連通性研究以河湖水系連通的理論體系框架研究、特征分析、功能及適應性分析、影響評價指標體系研究[3-7]等定性研究為主，而在水系連通性定量研究方面相對較少。竇明等[8]以淮河流域為研究對象，利用GIS數據淮河流域廊道一節點示意圖，采用景觀生態學理論方法，提出水系連通性評價方法和評價標準并定量評價淮河流域水系連通狀況；孟慧芳等[9]通過建立基于水流阻力及水文過程的平原河網河流連通性評價方法，并通過實例驗證該評價方法的可行性。筆者從水系連通性的定義、特征、功能、內涵等出發，建立城鎮水系連通性評價指標體系，并采用實例進行驗證，分析城鎮水系規劃前后的狀況，探討連通性在城鎮水系中的重要性，以期為城鎮水系規劃中有效改善河網水系連通性提供參考。

1 水系連通的內涵

城鎮水系是城鎮徑流雨水自然排放的重要通道、受納及調蓄空間，在城鎮排水、防澇、防洪以及改善城鎮生態環境中發揮著重要作用[10]。古往今來，城鎮因水而生，因水而興。《管子·乘馬》曰“凡立國都，非于大山之下，必于廣川之上，高毋近旱，而用水足，下毋近水，而溝防省”[11]。以往在城鎮水系規劃研究中，多以改善水系景觀、提高濱水區水生態服務功能、改善城鎮河流水質等為主，多考慮加高堤防、提高排澇能力，但這些措施不能從根本上解決城鎮“逢雨必澇”的現狀。基于上述背景，水系連通作為一個新的概念被提出來，用于指導城鎮水系規劃，減小高強度雨水徑流造成城鎮內澇的風險，提高城鎮防洪避澇的能力。

關于水系連通的內涵，國內不少學者提出了自己的看法。唐傳利[12]認為，水系連通是在自然力和人力的雙重作用下，人類有意識地改造水系、實現水資源有效配置的行為；王中根等[13]認為，“脈絡相通”就是水系的連通性；張歐陽等[14]將水系連通性定義為河道干支流、湖泊及其濕地等水系的連通情況，其反映了水流的連續性和水系的連通狀況；竇明等[4]認為，水系連通的功能主要表現在提高水資源統籌調配能力、改善生態環境狀況、抵御水旱災害等。基于不同學者的研究，筆者就水系連通的內涵作幾點解釋。

（1）城鎮水系連通的基本構成要素有水系、水利工程、水資源條件。要實現水系連通，最基本的條件是要有水系；水系連通的保障是要有河流、湖泊、洼地、行蓄滯洪區等水流通行、集結的場所和塘壩、水庫、渠系等水利工程；水資源條件是實現水系連通的后續環節。在實現水系連通的過程中，可以通過調節水流速度、水位、流量等實現水資源的合理調配，使水系連通的內涵得到充分體現。

（2）城鎮水系連通可以通過一系列水利工程措施，使城鎮河流、湖泊等能循環地流動，達到水體交換的目的。循環流動的水體攜帶物質流、能量流、信息流，能更好地服務城鎮社會及生態系統。水系連通后，水體循環流動，不斷交換，能有效改善城鎮河流、湖泊等水體的水質，改善城鎮水生態環境。

（3）在城鎮發展過程中，水系連通的功能主要表現在提高城鎮防洪除澇能力、改善城鎮生態景觀和改善城鎮河流水質。

（4）在進行城鎮水系規劃時，要統籌規劃，減少水系連通造成的負面生態效應，如水系連通后，原本水質好的區域水質變差，原本水量充足的區域水量急劇減少等。因此，在實施水系連通方案時，要進行實地考證，對實施方案進行可行性評價，并預測各種可能出現的情況，采取應對措施，使水系連通利遠大于弊，盡可能發揮連通方案的正面效應，使水系連通方案更好地服務城鎮發展。

2 城鎮水系連通性評價指標體系

根據《城市水系規劃規范》及《城市水系規劃導則》等相關規范，從水系結構和水系連通性兩個方面建立水系連通性評價指標體系。分析研究區規劃前后水系連通性各項指標的變化，探討城鎮水系規劃與水系連通之間的關系。

在對河流形態及結構進行研究時，需要對河流進行分級。傳統的水系分級方法有Horton分級、Strahler分級、Shreve分級等。對于平原河網地區，水系多為網狀結構，邊界難以確定，上下游高程差不明顯，不一定符合Horton定律。本文研究區位于平原河網地區，傳統的地貌學分級方法可能不適用，故借鑒楊凱等提出的河流分級方案[15]，將研究區河流分為市級、鎮級、村級3個等級。

2.1 水系結構評價

選取河網密度、水面率、河頻率等3個指標來表示水系結構特征，進行水系結構評價。

（1）河網密度。河網密度（Rd）是用來表示單位面積內河流的總長度，河網密度越大，流域水文響應越快。其計算公式為式中：Rd為河網密度，km/km2；Li為第i條河流的長度，km；A為研究區面積，k2M；n為研究區河流條數。

（2）水面率。水面率（Wp）是指河流與湖泊等水體多年平均水位下水面面積占研究區域總面積的比例。其計算公式為式中：Wp為水面率，%；AN為研究區域水面總面積，km2。

（3）河頻率。河頻率（Rb）是指單位面積內的河流條數，表示河流的數量發育狀況，河頻率越大，河流的數量發育狀況越好。其計算公式為

2.2 水系連通性評價

廊道是不同于兩側本底的狹長地帶，可以看作一個線狀或者帶狀斑塊。在景觀生態學中，廊道可提供特殊的生物生境，在維持生物多樣性、保護景觀多樣性中具有重要意義。景觀生態學生物廊道一般指連接破碎化生境并適宜生物生活、移動或擴散的通道[16]。在景觀生態學中，河流廊道是指河流及其兩側分布的、與周圍本底不同的植被帶，河流廊道具有控制水流和營養流的功能。廊道的連通性是廊道在空間上連續程度的量度[17]。為了評價水系連通性，本文借鑒景觀生態學中景觀破碎化理論，采用景觀生態學中網絡環通度（α指數）、節點連接率（β指數）和網絡連通度（γ指數）來評價水系連通性。

（1）α指數。α指數表示網絡中連接現有節點的環路存在的程度。α指數為網絡中實際環路數與最大可能的環路數之比，計算公式為式中；Mmax為最大可能的河流連接廊道數。

為了更清楚地反映水系連通狀況，本文結合景觀生態學法則、城鎮水系規劃相關標準和竇明等[8]的研究成果，制定適合張家港平原河網地區水系連通性評估標準（見表1）。

3 實例分析

3.1 研究區概況

張家港經濟開發區北區拓展區屬平原濱江河網區，區內河道縱橫交錯、水網密布。第一級為市級河道，包括一干河、二干河、南橫套河、朝東圩港、太字圩港5條河道；第二級為鎮級河道，包括晨中河、晨新中心河、木排港、壽興橫套、七圩港、勞圩港等9條河道，河道底寬多在3～6m之間，主要發揮著區域內部的引排、調蓄、工農業用水及水系連通等作用；第三級為村級河道，大部分斷面尺寸較小，主要功能是將農村居住區及農田的澇水排人骨干河網，蓄水調節，以及從骨干河網引水灌溉等。研究區河道布局不合理，河道斷面較小，河道彎曲，水系較凌亂；部分河道淤積嚴重，通暢性差，大大削弱了河道引水、排水和調蓄等功能。

3.2 水系優化布局

依據“高水高排，低水低排，就近排澇”和“獨立排水，聯合排澇”的原則，以現狀水系為基礎，結合路網、水系規劃及研究區地形地貌，將研究區分為3個水利片區（見圖1），各片區排澇相對獨立。本次水系規劃的思路為：尊重水系原有的生態和環境功能，統籌考慮路網規劃，保證水面率和排澇斷面、河道疏密均勻、連通性好，考慮現有河道水利設施等。根據研究區現狀水系布局可知，3個分區相對獨立，除一干河作為應急水源地不能用于排水外，其他河道均可用于排水。根據上述規劃思路，結合各分區功能，對每個分區進行水系優化布局。

Ⅰ區范圍內已建成主要公路兩條和鐵路一條，很多村莊逐河而建，布局隨意且拆遷困難。規劃新開長八圩埭河，與現有河道晨中北河和五圩埭西河連通；對老套河進行疏浚，排水不暢處進行裁彎取直；溝通鄭家埭后河。按照規劃，Ⅰ區將形成“四橫三縱”的骨干水系格局（見圖2），水系趨于網狀，水流循環性得到提高。

Ⅱ區內公路較多，規劃時需充分協調水網和路網的關系。該區北部河流稀少，排水得不到保證，規劃新開科技河，西起朝東圩港，東與南港河相接；新開興南河，與北橫套河相接；一干河可作為n區的引水水源地；對大新港—太字圩港進行河道拓浚；新開南港河，作為片區主要的引排水及景觀河道。整個規劃完成后，Ⅱ區將形成“六橫六縱”的骨干水系格局（見圖3），河道引排能力和通暢性得到提高。

Ⅲ區內有多條規劃公路，很多村莊民居臨水而建。片區內永協六圩河河道淤塞，本次規劃主要對原河道拓寬疏浚，溝通縱向水系，實現引水的功能定位；對老圩港河河道進行拓寬疏浚，部分河道裁彎取直，使澇水能更快地排人南橫套河，減少洪澇災害。規劃實施后，Ⅲ區將形成“五橫五縱”的骨干水系格局（見圖4），片區排澇和引水能力得到提升，水系連通性得到改善。

規劃完成后，對研究區進行防洪和排澇計算，結果表明：3個片區防洪排澇能力較規劃前均有所提升，在降雨量不變的情況下，洪澇水排出片區的時間縮短，說明本次城鎮水系規劃基本上趨于合理。

3.3 結果與討論

根據圖2～圖4，統計規劃前后各個片區的河流數量、河段數目及節點數等水系特征參數（見表2）。

基于GIS平臺，計算出規劃前后3個水利片區的水系結構和連通性指標的數值，對研究區進行水系連通性評價，結果見表3、表4。

基于SPSS平臺，利用主成分分析法對水系連通6項指標進行分析，結果見表5～表7。

根據表2和表3可知，本次規劃的3個水利片區，在規劃前，Ⅱ區的河流條數、河流連接廊道數和節點數明顯多于Ⅰ區、Ⅲ區的，河頻率、網絡環通度、節點連接率、網絡連通度也優于其他兩個區。原因是Ⅱ區原來為農業區，人類活動對該水利片區水系的干擾弱于上述兩個區。隨著城鎮化的發展，低等級的河流大量消失，水系河網密度、水面率、河頻率參數均處于較低水平。本次規劃的重點是改善城鎮水系連通狀況，規劃實施后，3個水利片區的水系特征參數均有所增大，其中11區增幅最大。規劃實施后，3個區平均河網密度、水面率、河頻率、網絡環通度、節點連接率、網絡連通度分別增大了23.50%、23.82%、25.69%、15.66%、7.10%、5.25%。規劃實施后研究區水系呈較密的網狀結構，水流循環得到增強。網狀的水系為該區引排水提供多種路徑，片區洪澇水排泄和容納能力增強，水質和河道生態環境得到改善。根據表1、表3和表4可知，規劃前Ⅰ區、Ⅲ區網絡環通度、節點連接率和網絡連通度均處于中等水平，規劃后Ⅰ區網絡環通度、節點連接率和網絡連通度達到良好，Ⅲ區該3項指標均有所提升；Ⅱ區節點連接率和網絡連通度提升幅度較大，由規劃前的良好到規劃后的優秀等級。研究區上述3項指數得到提升的原因，一方面是新開了部分河道，河流連接廊道數增加，河流與河流交匯的節點數增加，使得a指數、β指數和γ指數的計算值增大，水系連通性增強；另一方面是規劃對部分河道進行了拓寬和疏浚，使得水流循環更加通暢，河網調蓄能力有所增強。

由主成分分析結果（見表5）可以得出，河網密度、水面率、河頻率三者相關性高，一般情況下，河網密度越大，水面率越大，河頻率也越大；網絡環通度、節點連接率、網絡連通度三者相關性也較高，說明這三者在評價城鎮水系連通性中具有對等的地位。表7中這6項指標被分為兩大主成分，其中：第一大主成分為網絡環通度、節點連接率、網絡連通度，第二大主成分為河網密度、水面率、河頻率。第一大主成分能更好地反映水系連通性，第二大主成分是評價水系連通性的基礎，二者有效結合能更好地評價水系，為改善城鎮水系狀況、提升防洪除澇能力、改善生態景觀和改善河流水質提供參考。

4 結語

目前關于水系連通的研究還處于起步階段，水系連通性評價指標的選取千差萬別。本文通過選取水系結構和連通性6項指標，對研究區規劃前后水系連通性進行評價，結果表明規劃后研究區水系連通性得到有效改善。

受城鎮化發展的影響，大量末級河道被填埋，水系連通性變差的情況屢見不鮮。在城鎮水系規劃中，應考慮恢復部分被填埋的河道，改善城鎮水系循環能力。水系連通性關乎城鎮防洪排澇、生態景觀、社會經濟等多個方面，連通性良好的水系是支撐城鎮綠色發展和可持續發展的前提。水系連通性評價是一個復雜的課題，涉及景觀生態學、水文學、河流動力學等多學科。筆者在建立水系連通性評價指標體系時，主要以靜態指標為主，在今后的研究中，應注重河流動能及勢能、河道輸水能力等動態指標的選取，使水系連通性評價指標體系更加完善合理。

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