鄭州市水系結構特征演變趨勢分析

郭　科　王鴻翔　郭文獻　王乃賀

摘 要：通過遙感影像的處理，提取鄭州近30年以來各典型時期河網水系圖，借鑒已有的研究經驗，分析1992年、2002年、2007年、2010年、2013年和2015年6個不同時期的河網水系，選取河長、水域面積、河網密度和水面率這4個指標，對鄭州城區近30年以來的河網水系結構特征變化進行分析。結果表明：與1992年相比，2015年河流長度、水域面積、河網密度和水面率減幅分別為9.4%，45%，10.6%和45.6%。河長從496.22km減少至449.52km，水域面積從83.51km2減少到45.94km2，河網密度從0.47km/km2減少到0.42km/km2，水面率從0.079%減少到0.043%。

關鍵詞：河網水系；結構特征；鄭州

中圖分類號：TV211.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）05-0080-04

Analysis on Evolution Trend Characteristics of River

System in Zheng Zhou City

GUO Ke WANG Hongxiang GUO Wenxian WANG Naihe

（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： Through the processing of remote sensing image， extraction of zhengzhou for almost 30 years since the period of typical river water system diagram， draw lessons from existing research experience， analysis of the 1992， 2002， 2007， 2010， 2013， 2015， six different periods of river water system， selection of long river， water area， drainage density and surface rate of these four indicators， the Zhengzhou city for nearly 30 years of river water system structure characteristic changes were analyzed. The results show that compared with 1992， the length of river， water area， river network density and water surface rate of 2015 are 9.4%， 45%， 10.6% and 45.6% respectively. The river length decreased from 496.22km to 449.52km， the water area decreased from 83.51km2 to 45.94km2， and the river network density decreased from 0.47km/km2 to 0.42km/km2， and the water surface rate decreased from 0.079% to 0.043%.

Keywords： stream network；structural characteristics；Zhengzhou

近幾十年來，隨著城市化進程的快速推進，土地利用的類型發生了劇烈變化，許多河道被淤積和填埋，改變了河網水系結構，破壞了原有河網的水生態平衡，導致其生態系統服務功能急劇退化，并引發了水環境惡化和生物多樣性降低等眾多生態環境問題，從一定程度上制約了區域的可持續發展。因此，加強對城市化引起的水系變化的研究顯得尤為重要[1]。

中國從20世紀80年代開始進入快速城市化階段，因此有關城市化對河流影響的研究相對較晚。韓昌來[2]通過對太湖水系研究得出，環太湖河道已由20世紀初300余條減少至1993年的125條。陳德超[3]對浦東開發以來的河網變遷進行研究發現，河網密度下降了三分之一，水網面積急劇下降，嚴重破壞了浦東的水鄉特色。楊凱[4]通過研究感潮河網地區水系結構特征，得出城市化是改變感潮河網地區水系結構的重要因素。許有鵬[5]對長江三角洲地區的城市化水文效應進行研究，發現城市化快速發展對流域不透水面積與河流水系造成了較大影響。邵玉龍[6]對太湖流域城市化發展下水系結構與河網連通變化進行分析，發現近50年來蘇州市中心區河流總成減少了約84km，河網密度下降了約19.7%。隨著城市化進程的進一步推進，城市化對河流水系的影響引起了政府、學者和公眾的廣泛關注。

本文以鄭州市城區為研究對象，以遙感和地理信息技術為支撐，選取不同時期的河流長度和水面面積進行量算統計，并以表征水系結構的河網密度、河網水面率等參數作為指標，分析探討研究區水系格局演變的主要特征，揭示其對城市化過程的響應機制。

1 研究區概況

鄭州市是河南省省會，居河南省中部偏北，位于東經113°27′～113°52′，北緯34°36′～34°57′，全市東西長135～143km，南北寬70～78km，總面積約7 446km2。屬北溫帶大陸性季風氣候，冷暖適中，四季分明，多年年平均氣溫為14.2℃，多年平均降雨量615mm。2015年，城區人口達到489.3萬人，市轄區生產總值達3 702億元。鄭州城區內的河流水系屬于淮河流域分支賈魯河水系，賈魯河在鄭州城區內河段長25.6km，流域面積1 818km2。流經鄭州境內的賈魯河支流主要包括賈魯河支河、潮河、七里河熊兒河、金水河、東風渠和索須河。

2 研究方法

2.1 水系特征指標選取

本研究從河網水系格局方面選取指標，分析城市化對水系格局的影響。指標包括河網水系長度、水域面積、河網密度、水面率。

2.2 城市化評價指標體系

本研究從人口城市化、經濟城市化、地域景觀城市化和設施城市化4個方面選取指標，建立綜合評價指標體系。

2.2.1 數據標準化處理。由于城市化各指標的量綱、數量級均有差異，所以，為消除量綱不同對評價結果的影響，需要對各指標進行標準化處理，公式如下：

當指標為正向時：

[Xi=Xi-XminXmax-Xmin，Yj=Yj-YminYmax-Ymin] （1）

當指標為負向時：

[Xi=Xmax-XiXmax-Xmin，Yj=Ymax-YjYmax-Ymin] （2）

式中：[Xi]和[Yj]為標準化后的數據；[Xi]和[Yj]為原始觀測值；[Xmax]、[Ymax]和[Xmin]、[Ymin]分別為原始觀測值中的最大值和最小值。

2.2.2 指標權重的確定——熵值法。熵值法是一種客觀賦權法，其根據各項指標觀測值所提供的信息的大小來確定指標權重，具體公式如下：

[ej=-ki=1mp（xij）lnp（xij）] （3）

其中，[pij]和[k]的取值為：

[pij=xiji=1mxij，k>0] （4）

①計算第[j]項指標的熵值：

[ej=-ki=1mpijlnpij] （5）

式中，[k>0]，[ln?]為自然對數，[ej≥0]。如果對于給定[xij]的[j]全部相等，那么[ej=-ki=1m1mln1m=klnm]。若設[k=1lnm]，于是有[0≤ej≤1]。

②計算第[j]項指標的差異性系數：

[gj=1-ej] （6）

③計算權重[aj]：

[aj=gjj=1ngj] （7）

④計算綜合得分：

[vi=j=1najpij] （8）

3 結果與分析

3.1 河網水系的變化

在本研究中，利用ENVI5.1對鄭州的原始遙感影像進行融合、裁剪，得到研究區域的圖像，同時采用波段運算和決策樹分類對研究區域的影像進行處理，進而得到鄭州市的河網水系圖（見圖1）。

近20多年來，鄭州城區的河流長度、水域面積、河網密度和水面率先減少后增加再減少，但整體呈現減少的趨勢。與1992年相比，2015年河流長度、水域面積、河網密度和水面率減幅分別為9.4%、45%、10.6%和45.6%。河長從496.22km減少至449.52km，水域面積從83.51km2減少到45.94km2，河網密度從0.47km/km2減少到0.42km/km2，水面率從0.079%減少到0.043%。

3.2 水系結構特征變化與城市化的關系

根據熵值法的計算步驟，首先對來源于《中國城市統計年鑒》和《鄭州市統計年鑒》中的鄭州市區1992—2015年24年10項指標的240個原始數據（見表4）進行標準化處理。由于選取的指標均是區域城市化發展的理想性指標，采用正則化公式進行標準化處理，最后計算出 1992—2015年鄭州市城市化水平的綜合值。

地質、地形、氣候和人類活動都是城市區域河網結構變化的影響因素。但在短時間內，人類活動是河流水系變化的主要影響因素，城市的建設導致地面硬化，徑流的下墊面條件發生變化。本文采用回歸分析對城市化水平和河流水系結構特征間的關系進行定量描述見表5，以反映城市化進程對河網水系的影響。

以城市化水平和河網水系結構特征值的正態分布檢驗為基礎，采用回歸分析得到變量間的曲線回歸方程（見圖2），結果表明：城市化水平和河網水系結構特征指標[LR]、[AW]、[DR]和[WP]的決定系數[R2]分別為0.677、0.966、0.676和0.966。

總體來看，城市化水平與河長、水域面積、河網密度和水面率相關性顯著，在城市化初始階段隨著城市化水平的提高，河長、水域面積減少，河網密度、水面率縮減。需要指出的是，當城市化發展到更高水平時，即城市的發展定位不僅是以社會、經濟發展為導向，亦注重人與自然和諧相處的理念，尊重自然規律和社會發展規律，因水制宜、量水而行、人水和諧，城市化的發展則不會與河流水系的自然生態環境保護相斥，發揮水生態系統的自我修復能力，實現生態環境和城市化發展的協調發展模式。

4 結論

1992—2015年，鄭州河網水系發生了快速的變化，河流長度和面積總體下降，河網密度、水面率減少。主要原因是自21世紀進入快速城鎮化以來，人口大量涌入，使城市化過程加快，建設用地需求持續增加，繼而侵占河道，致使河流長度縮減，水域面積減少。

但是，隨著鄭州市城市化進程的進一步推進，特別是城市化質量的提高，人們逐步重視對河網系統的保護。同時，2007年，鄭州市對水系河網進行了生態規劃，提出“水通水清水美，健康安全，生態環保，人水和諧”的理念。開展了生態治理行動，包括河道主槽擴挖、河道局部擴挖成湖、新建攔蓄水建筑物以對水面進行擴展，河流生態環境的惡化得到緩解。

參考文獻：

[1]鄧曉軍，許有鵬，韓龍飛，等.城市化背景下嘉興市河流水系的時空變化[J].地理學報，2016（1）：75-85.

[2]韓昌來，毛銳.太湖水系結構特點及其功能的變化[J].湖泊科學，1997（4）：300-306.

[3]陳德超，陳中原.浦東開發以來的河網變遷研究[J].蘇州科技學院學報，2004（4）：1-7.

[4]楊凱，袁雯，趙軍，等.感潮河網地區水系結構特征及城市化響應[J].地理學報，2004（4）：557-564.

[5]許有鵬，丁瑾佳，陳瑩.長江三角洲地區城市化的水文效應研究[J].水利水運工程學報，2009（4）：67-73.

[6]邵玉龍，許有鵬，馬爽爽.太湖流域城市化發展下水系結構與河網連通變化分析——以蘇州市中心區為例[J].長江流域資源與環境，2012（10）：1167-1172.