環度分析方法在遼河鐵嶺段水系形態指標評估中的應用

孫 健

(沈陽市蘇家屯區財政事務服務中心， 遼寧 沈陽 110101)

城市水系環度是水系連通性能評估的重要指標，也是城市水系健康發展的重要基礎[1]。水系環度主要是表示各水系連通的節點率，通過節點率的分析表征其水系環度值[2]。水系環度主要通過水系形態指標進行分析和確定[3]。水系形態指標主要包括河流長度、水域面積、水系密度、水面比例、節點連接率、水系連通度等指標，早期由于這些形態指標獲取難度較大，因此對于水系環度的分析研究還較少，近些年來，隨著遙感和地理信息技術的快速發展，為河流形態指標的提取提供了一種重要的及時手段，在許多地區河流形態指標提取中得到應用[6- 12]。通過河流形態指標的提取，結合水系環度的計算方法[13]，可以實現城市水系環度的定量計算。為此本文以遼河鐵嶺段為研究實例，多個研究成果表明[14- 15]，遼河鐵嶺段水系環度發生一定程度的變化，需要對其水系環度進行分析，從而為水系連通規劃提供重要的支撐。因此本文基于水系環度計算方法，結合河流水系形態指標提取值，對遼河鐵嶺段水系環度進行定量評估，研究成果對于城市水系連通規劃具有重要的參考價值。

1 河流形態指標提取方法

為對水系環度進行分析，首先需要對水系形態進行分析，形態指標結構體系見表1。本文采用遙感影像對各形態指標進行提取：

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

(1)

式中，NDWI—水體差異化指數；Green—遙感影像的的第二個波段；NIR—遙感影像的的第五個波段。水系密度提取方程為：

(2)

式中，Ri—水系密度；Li—第i段河段的長度，km；M—河流條數；Ar—水系連通面積，km2。水面比例提取方程為：

(3)

式中，rp—提取的水面比例，%；Aw—水域面積，km2。水系環度提取方程為：

(4)

式中，a—提取的水系系環度；n—水系數目；v—水系連通節點數。節點連接比例提取方程為：

(5)

在水系連通節點連接率基礎上，對連通度進行計算：

(6)

式中，r—連通度。本文結合雙變量方法對各指標相關性進行計算：

(7)

yt=β0+β1xt1+β2xt2+…+βkxtk+ut

(8)

式中，yt—水系連通閾值；xt1，xt2…xtk—形態指標；u—隨機誤差；k—指標個數。

表1 河流水系形態指標體系

2 遼河鐵嶺段水系環度計算

2.1 區域概況

以遼河鐵嶺段為研究實例，鐵嶺市位于遼寧省東北部，地處東經123°27′～125°06′，北緯41°59′～43°29′流經鐵嶺市10km2以上河流共計301條，其中，流域面積在5000km2以上的河流3條，1000～5000km2河流6條，100～1000km2河流38條，50～100km2河流20條，10～50km2河流234條；主要河流有遼河、清河、招蘇臺河、寇河、二道河等。

2.2 數據來源

鐵嶺市城市化發展水平從其對水系功能影響上主要體現在土地利用方式及功能的變化，阜新市土地利用變化數據主要來源于統計年鑒數據，河流形態指標提取主要基于MODIS遙感影像數據，通過遙感影像處理后，對各形態指標進行提取分析。

2.3 水系形態指標雙側檢驗

結合鐵嶺市城市化發展土地類型變化比例數據，采用雙變量分析方法對鐵嶺市不同水系形態指標進行檢驗，檢驗結果見表2。

從水系各形態指標的雙變量檢驗結果可看出，水系形態指標的雙變量檢驗結果差異程度較大，不同河流水系形態指標和城市功能指標的檢驗值不同，對于河流長度而言，和城市綠地功能的雙變量檢驗結果較好，但均未達到95%的雙側檢驗水平。水域面積與其他用地的雙變量顯著相關水平達到95%的顯著水平，這主要是因為水域面積受到其他用地比如建筑用地功能影響程度較大。水系密度表示為水系發展程度，可以看出水系密度和其他用地的雙變量檢驗也達到95%的顯著相關，這主要是因為水域面積和水系密度具有較好的相關度，因此兩個指標的雙變量檢驗較為相似。節點連接率與城市綠地的雙邊量檢驗結果較好，水系連通度由于和節點連接率具有較好的相關性，因此兩個形態指標的雙變量檢驗結果也較為接近。

表2 鐵嶺市水系形態指標雙變量檢驗結果

2.4 水系形態指標相關性分析

結合鐵嶺新市水系連通8個主要功能的數據，對水系形態指標進行雙變量相關統計分析，統計分析結果見表3。

表3 鐵嶺市水系形態指標的雙變量相關統計結果

從遼河鐵嶺段各水系形態指標與城市功能指標相關性分析結果可看出，各形態指標與城市水質達標率、城鎮供水比例、濕地變化率、生物多樣性指數、水庫調節力、親水舒適度、河段斷流比均具有較好的雙變量相關性，對于水質達標率指標而言，水系密度與該指標的雙變量相關系數最大，水系密度越高，水質達標率程度越好，其次是水系環度，水系環度是連通重要評估指標，水系環度越大，表明連通功能越強，而水系連通的好壞直接影響城市水質的達標率。從城鎮供水比與其他形態指標的相關統計結果可看出，城鎮供水比與河流長度的雙變量相關統計結果最大，河流長度越大，可以提供城鎮供水的水量越高，也相應的提高城鎮供水比例，此外水系密度與城鎮供水比也具有較好的雙變量相關性，水系密度越大，城鎮供水比例也越高。生物多樣指數是河流水生態環境重要評估參數，從相關性分析結果可看出，節點連接率與生物多樣性指數的相關系數達到0.766，表明節點連接率越高，生物多樣性指數越大。水庫調節能力對水系形態指標影響要高于其他指標，從指標相關性分析結果可看出，水庫調節能力與形態指標呈現負相關，水庫調節能力越高，河流水系形態指標越低。從親水舒適度指標分析可看出，親水舒適度和河流長度的相關性最大，河流長度越大，親水舒適度越高。河流斷流比對于河流健康十分重要，河流斷流比和水系形態指標呈現較為顯著的負相關，河流斷流比越大，水系形態指標越低。

2.5 鐵嶺市水系形態指標閾值分析

鐵嶺市水系連通形態指標閾值確定首先結合區域水資源公報和統計年鑒的歷史數據。同時結合水資源規劃以及城市總體發展規劃數據，采用差值方法對城市化水平下的水功能需求目標進行確定。最后結合構建的定量方程對滿足水功能需求目標進行反推，從而得到水系連通形態指標的閾值范圍。結合區域水系規劃數據對閾值范圍進行驗證，若結果合理則規劃值和理論值具有一定的吻合度。具體計算步驟為結合功能指標和形態指標的相關分析結果，建立功能指標和形態指標的多元回歸方程，結合SPSS軟件對回歸方程進行檢驗，再確定方程的常數和系數項，通過以上步驟確定整個多元回歸方程組，見表4。

表4 鐵嶺市水系形態指標的多元回歸方程

結合鐵嶺市城市水系規劃數據，建立各水系形態指標與水系功能指標的多元回歸方程，各指標閾值區間分別為節點連接率閾值在[1.82，2.52]之間，水系連通度閾值在[0.73，0.94]之間，水系密度的閾值為[0.56，0.28]，水系環度閾值為[0.42，0.59]。為對各水系連通指標范圍進行合理性分析，結合水系規劃數據，2025年鐵嶺市規劃的水系連通節點率目標值為11.94，水系連通度為0.81，水系密度將達到0.62，可見水系形態各指標閾值范圍符合鐵嶺市城市水系規劃。

3 結語

(1)節點連接率與城市用地的雙邊量檢驗結果較好，水系連通度由于和節點連接率具有較好的相關性，因此兩個形態指標的雙變量檢驗結果也較為接近。

(2)河流斷流比對于河流健康十分重要，河流斷流比和水系形態指標呈現較為顯著的負相關，河流斷流比越大，水系形態指標越低。

(3)鐵嶺市水系形態指標閾值區間分別為節點連接率閾值在[1.82，2.52]之間，水系連通度閾值在[0.73，0.94]之間，水系密度的閾值為[0.56，0.28]，水系環度閾值為[0.42，0.59]。