城市化水平對城市水系形態及水系連通的影響

張 野

(遼寧省盤錦水文局，遼寧 盤錦 124010)

城市化發展對城市水系形態結構特征影響顯著，隨著城市化水平的提高，城市水系的格局及其水系連通性受到較大影響[1-2]。為提高城市化水系功能性，提高水系連通度，需要定量分析方法對城市化影響下的城市水系結構及連通性，從而最大程度降低城市化的發展對城市水系功能性的影響[3-4]。當前，國內許多學者展開城市化發展對城市水系形態功能性的影響[5-9]，但大多定性描述較多，存在一定的研究主觀性。本文采用統計學原理，構建一套城市化水系功能與形態結構之間的評價指標體系，定量評估城市化發展對城市水系形態結構特征及其水系連通的影響，并確地滿足城市未來發展下的水系連通指標閾值范圍。研究成果對于城市功能與水系形態的協調提高重要的參考價值。

1 評估指標的計算方法

城市水系形態結構特征評估指標包括水域面積、河流長度、河道槽蓄容量、河網密度、水面比例，水系連通特征指標包括水系環度、節點連接率及水系連通度指標，其中水域面積及河流長度可以通過遙感影響進行水體差異化指數的提取，提取公式為：

NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR)

(1)

式中，NDWI—水體差異化指數；Green—TM影像中的第二個波段；NIR—TM影像中的第5個波段。

河網密度的計算公式為：

(2)

式中，Li—第i段河段的長度，km；M—城市河流數目(條)；Ar—水系連通面積，km2。

水面比例的計算公式為：

(3)

式中，Aw—水域面積，km2。

水系環度的計算公式為：

(4)

式中，n—區域水系個數；v—區域節點個數。

節點連接率的計算公式：

(5)

式中，n、v同式(4)中變量含義。

水系連通度的計算公式為：

(6)

式中，n、v同式(4)中變量含義。

本文采用雙變量分析方法來計算不同指標的相關性，計算公式為：

(7)

表1 城市化影響城市水系各指標雙變量檢驗值

水系連通要素指標閾值的確定公式為：

yt=β0+β1xt1+β2xt2++βkxtk+ut

(8)

式中，yt—應變量；xt1,xt2xtk—自變量；u—隨機誤差；k—自變量個數。

2 研究實例

2.1 區域概況

本文以遼寧中部某城市為研究實例，該城市水系較為復雜，水系密度在0.6以上，近些年來，隨著城市化的發展，城市水系的形態特征影響較為明顯，為分析其城市化下的城市水系功能及連通性的影響，建立水系形態指標與城市化發展水平之間的相關公式，并確定其城市化發展下各水系連通的閾值范圍。結合區域水系調查數據，結合各水系形態指標計算方法對其指標進行計算，并分期城市化影響下水系形態特征的影響程度，并建立城市化以城市水系形態特征的相關公式，確定城市水系連通指標要素的閾值。

2.2 城市水系形態指標檢驗

結合城市化發展的5類功能指標分析其與水系形態指標的顯著性，結果見表1，并統計分析各指標與城市水形態主要指標之間的相關性，見表2。

從表1中可以看出，河流發展系數與城市化功能指標的顯著性檢驗值最高，其次是水面率，河網復雜度與城市化功能指標的顯著性在各指標中最低，總體而言，城市化各功能指標對城市水系形態指標的顯著性都偏高，影響均較大。從表2中可看出，城市化水系的各形態結構特征的雙側Spearman相關系數差異性較大，總體而言，水面率的雙側Spearman相關系數相關性較大，而河網復雜度的雙側Spearman相關系數較低。

表2 城市化影響城市水系各指標雙側檢驗值

2.3 城市水平發展影響及相關公式的建立

結合城市化水平指數，建立了城市水系各指標與城市化發展水平的相關公式，如圖1所示，城市化發展水平指數主要來源于城市統計年鑒數據。

從圖1中可以看出，城市化水平和城市水系各形態結構指標都呈現較為明顯的線性相關，隨著城市化發展水平的逐步增加，各指標的功能性逐步減小，下降斜率逐步較大，其中城市水系水面率的下降比例最大，河流頻率指標的傾斜率較小，各指標的平均傾斜率在-0.2～-0.7之間。

2.4 城市水系功能與形態指標相關性及其閾值范圍分析

在上述公式構建和檢驗的基礎上，確定城市化發展下城市水系功能指標與形態指標的相關性，見表3，并建立兩者的相關性公式，公式系數見表4，結合該公式確定城市化下水系連通指標的閾值范圍。

圖1 城市化水平與城市水系形態指標的相關公式

功能指標形態指標河流長度水域面積槽蓄量河網密度水面率水系度節點率連通度水質達標率城鎮供水比濕地變化率生物多樣性水庫調節力通航能力親水舒適度河道斷流比r0.72350.82450.92310.62560.53420.25780.02750.3634a0.52530.42310.62750.52950.42830.52950.03840.2956r0.62150.52430.58750.62340.29830.31530.43520.5148a0.52530.54820.55750.61420.59830.61420.59480.5745r0.48750.25780.45310.52650.55850.57410.62410.5875a0.55430.62410.59740.52630.51450.50560.55750.6126r0.42350.52310.52450.58750.48370.43450.55650.4289a0.52350.53450.61430.49780.51250.52630.54310.5241r0.31340.27830.55750.51420.53460.62760.42310.6251a0.29870.33430.55430.55450.55780.82430.32190.5598r0.33650.52650.52960.66260.66260.92410.42180.4293a0.43570.57430.62340.55450.61430.54230.52060.5145r0.51420.55830.66350.61260.55950.42310.51450.6214a0.62150.62750.59720.43540.62410.52650.48760.5978r0.58750.61430.61430.51870.42350.48750.49830.5575a0.61260.66430.66260.52960.38950.33250.51160.4873

表4 各功能指標與城市水系結構多指標線性公式系數項

從表3中可看出，城市水系的各個形態指標與功能指標的相關系數差異性較大，城鎮供水比與各形態結構特征指標的相關性較高，而城市水生態功能如濕地變化率、生物多樣性指數與城市水系結構特征指標的相關性相比于其他指標略低。從總體而言，生態多樣性指數、通航能力以及城市供水比與城市水系形態指標的相關性較高。濕地變化率、城市河流親水舒適度與城市河流水系形態結構特征的相關性較低。結合城市各功能指標與水系形態特征，建立相關公式，其相關公式各系數見表4，從表4中可以看出，水質達標率河網密度及節點連接率相關，生物多樣性與節點連接率、水系連通度以及水系環度相關，而城鎮供水比與水系連通度以及水系環度的相關度較高。城市河流通航能力則與水系連通度的相關性最高，系數也最大。結合城市2025年規劃發展，確定各指標的閾值范圍分別為：①河網密度為[0.37，0.41]，②節點連接率為[1.38，1.56]，③水系連通度為[0.51，0.59]，④水系環度閾值為[0.42，0.45]。

3 結語

城市化下城市河流形態結構特征影響是當下研究的科學熱點，本文通過建立一套評價指標，構建指標相關公式來定量分析城市化水平對城市水系格局及其連通性的影響，并給出城市未來發展下各水系指標變化的閾值范圍，該范圍可為城市水系保護及其連通性規劃提供重要的參考價值。研究，未能結合長系列數據，且未能對相關公式的合理性進行分析，存在一定的不足，需要對定量公式進行進一步的驗證，從而提供數據的分析精度。