城市化對福州市河網演變特征的影響

摘要：探索城市化下河網結構的演變，為未來城市規劃建設提供參考。以福州市城區為例，基于2005年1月與2019年12月高精度衛星影像和遙感數據等資料，運用圖論法，研究2005年以來福州市城區河網演變以及城市化響應。結果表明：（1）2005-2020年，福州市城鎮化率從54.5%增長到72.5%，河網形態演變劇烈，各項水系結構指標呈衰減趨勢，水面率、河網密度和河流密度分別減少了17.93%、16.81%和20.06%；河網結構空間差異明顯，城市中心的井字型人工河道河網結構參數整體變化較小；建成區邊緣的自然形態河流發生了較大改變，灌溉河渠在城市建設中消失；（2）研究區內河流整體連通性呈現正向增長，過去15年間河流數量減少使節點數和河鏈數均減少20%，但連通性指標有不同程度上升，人類活動在干擾河流正常發育的同時，也構建出較為科學的河網形態，河網連通性在城市成熟階段得到一定的改善；（3）城市化水平與河網演變存在相關性，其中建成區面積對河網結構與連通性影響較大。5個研究區中，建成區面積與河流密度呈現極顯著相關（Plt;0.01），與河網密度呈現顯著相關（Plt;0.05）。

關鍵詞：河網演變；水系結構；城市化；福州市

中圖分類號：TV82 " " " "文獻標志碼：A " " " "文章編號：1674-3075（2024）06-0069-07

河流是極其重要的生態系統，在長期的自然演變中成為人類生產生活的依托，而強烈的人為干擾又對河流系統產生較大的影響，河流系統與人類活動在城市化發展下相互協調，達到二者相互適應的平衡態（韓龍飛等，2016；李子貽等，2021）。城市建設導致的河流數量銳減、河網密度下降、渠道硬化（于志慧，2015；劉福全等，2021），帶來了水環境惡化、調蓄功能下降等問題（Merhabi et al，2021；Shehab et al，2021），城市河流廊道開始成為學者關注的熱點，其中河網結構變化是研究河流功能的重要理論基礎。因此，研究河網結構與城市化之間的響應關系具有重要意義。

國內外針對河網結構在城市化發展過程中的變化已有較多研究，20世紀50年代起，Horton定律和Strahler分級被廣泛運用到自然河道的提取與分級排序中（羅文峰等，1998；陳于林，2006），Manuel等（2017）研究認為人類活動在河流的連通性變化中起到了決定性作用，Deng等（2019）認為主干河流的修復重建對河網的結構連通有積極的影響。20世紀90年代末，我國進入了快速城市化發展階段，楊凱（2006）研究發現，高度城市化的河網結構已不適用Horton定律，平原地區的城市河網開始采用圖論法分析其結構和連通性，以點線關系圖為研究對象，將河網水系概化成圖模型，進而實現對水系結構和連通性的量化分析；陳德超等（2002）發現，土地利用變化是導致河網水系消失的重要原因；孟飛等（2005）進一步揭示了流失的主體部分集中在城鄉交替地帶， 同城市擴展同步；田壯壯等（2021）對城市建設用地與河網水系進行空間疊加分析，研究表明河網變化受建成區擴展影響顯著。

綜上所述，河網的研究涉及結構與連通變化、時間與空間變化、土地類型影響等方面，河網演變與城市化指標之間的相關性仍有待進一步研究。自古以來，發達的河網水系孕育著福州獨特的地域文化，城區的擴張發展與河網的結構與連通性變化密切相關。福州是“城繞青山市繞河”的山水城市典范（郭巍和侯曉蕾，2017），在河網演變及城市化響應的研究中具有代表性，本研究以福州五區為例，通過數字地形圖和遙感數據計算不同區的水系結構參數和水系連通參數，為探究城市化下的河網演變以及未來城市建設提供參考。

1 " 研究區域與方法

1.1 " 研究區域概況

福州市（ 25°15'～26°29' N，118°08'～120°31' E）是福建省省會，近年來的城鎮化率超過70%，處在城市化從快速發展邁向成熟階段。本文根據《2020福州統計年鑒》將城鎮化率超過均值的5個行政區選定為研究區域，包括倉山區、鼓樓區、臺江區、晉安區、馬尾區（圖1）。

1.2 " 數據來源及預處理

本次研究的河網水系分析數據資料為2005年和2020年的福州市水系數據，其中2005年水系圖從1：50 000的紙質地形圖中提?。?020年水系圖源于圖新地圖的1：50 000數字化地形圖，導入Arcgis軟件中做河流矢量化處理。結合改進后的歸一化差異水體指數（MNDWI）圖像（徐涵秋，2005）以及高精度衛星影像進行校核、修正（圖2），MNDWI能夠準確地提取水體信息，免受建筑物信息的干擾。圖像數據處理過程主要計算線狀河流，忽略兩端不與河網相連的河道。

遙感影像選取2005年1月和2019年12月的Landsat衛星數據，分辨率均為30 m，對其進行影像剪裁、輻射定標、大氣校正等處理，根據研究區土地利用類型特點與研究需要將土地利用類型劃分為林地、水域、建成區和耕地4類。經檢驗，2005年與2019年的土地利用分類的Kappa系數分別為0.81和0.86，解譯結果可信。

衡量城市化發展水平的人口數量、城鎮化率以及行政區面積等統計數據來源于福州統計局發布的《2005年福州市國民經濟和社會發展情況》與《2020年福州統計年鑒》。

1.3 " 研究方法

1.3.1 " 結構形態指數 " 參考不同研究中的指標（楊凱，2006；鄧曉軍等，2016），選取水面率（Wp）、河網密度（Rd）、河流密度（Rf）作為衡量河網結構變化的特征，水面率是河流面積與研究區總面積的比例；河網密度即河流總長度在研究區域中的占比；河流密度是區域內河流數量的占比，表示河網數量發育程度。

Wp = （ Aw /A） × 100% " " " " " " " " " " " " "①

Rd = L/A " " " " " " " " " " " " " " " "②

Rf = N0/A " " " " " " " " " " " " " " " ③

式中：Aw是水域總面積；A是研究區總面積；L是研究區內河流總長度，N0是研究區內河流總數。

1.3.2 " 連通形態指數 " 參考景觀生態學中的景觀連接度概念，將河流分支點簡化為節點，節點之間的河流廊道為河鏈，計算網絡閉合度（α指數）、線點率（β指數）和網絡連接度（γ指數）（逯一澤，2020）。

α=（N-V+1）/（2V-5） " " " " " " " " " " " " " "④

β=N/V " " " " " " " " " " " " " " " " ⑤

γ=N/[3（V-2）] " " " " " " " " " " " " " " "⑥

式中：N是河鏈數量；V是節點數量。

2 " 結果與分析

2.1 " 2005-2020年福州城市化發展的時空變化

福州市城鎮化率從2005年的54.5%增長到2020年的72.5%，根據Logistic曲線特征（王建軍和吳志強，2009），城鎮化率達到70%以上可視為高度城市化，意味著福州在這15年間從城市化加速發展階段轉變為成熟階段。然而福州市各區的城鎮化率存在著空間上的差異，倉山區、鼓樓區、臺江區在2005年就已經達到100%的城鎮化率；而晉安區的城鎮化率由93.7%增長到2020年的97.5%；馬尾區城鎮化率從62.6%增長到87.9%，增長幅度較大（表1）。

2005-2020年福州市土地利用類型的變化清楚地表現了福州的城市化進程（圖3）。在土地利用類型圖中，建成區代表了實際建成或正在建成的、相對集中分布的地區，可直觀反映城市化區域的大小?？焖俪鞘谢瘜е陆ǔ蓞^面積不斷增加，擠占了原本的水域、林地及耕地的空間，導致城市內的河網結構發生了強烈的變化。15年間福州市從170 km2的建成區面積擴增到416 km2，增長率高達144.7%，其中倉山區和晉安區的建成區面積擴張尤為明顯。

2.2 " 2005-2020年福州河網結構變化與空間差異

研究區整體河網結構指標變化見表2?？梢钥闯觯诔擎偦噬仙A段，福州河網結構變化總體呈現河流數量和水域面積、河流總長度等水系指標大幅下降的趨勢。由于水域面積和河流長度的減少，福州五區的水面率從2005年的8.20%減少到2020年的6.73%；河網密度則從0.90降低至0.75；與水面率和河網密度相比，河流密度的變化更為明顯，變化率高達-20.06%。河流形態上可以看出河流曲度降低、水系逐漸網絡化（圖2），與上海、嘉興、蘇州等城市的河網研究結果一致（吳玫玫等，2021；劉永婷，2018；邵玉龍等，2012）。

河網結構變化空間差異表現為各區域不盡相同。由圖4可以看出，除了晉安區的水面率呈增長趨勢，其他行政區的水系結構指數都在減少。水面率變化的差異較大，增減幅度為-28.9%～25%。其中鼓樓區和倉山區的水面率下降嚴重；倉山區與其他4個市轄區北隔閩江相望，南臨烏龍江，馬尾區則有閩江過境，2005年倉山區和馬尾區的水面率高達17.9%和18.3%，在15年間降低至12.9%和15.3%。鼓樓區是福州的經濟、政治中心，在2005年以來的城市建設過程中大量擠占了水域面積；而晉安區的水面率最小，近年來城鎮化率增速較高，在汛期壓力下，晉安區內人工湖的建設是水面率正向增長的主要原因。

研究區內的河網密度變化率與水面率的變化率大致趨同，下降幅度在8.3%～31.3%。其中鼓樓區和倉山區的變化率下降最為明顯，分別為-31.3%和-26.3%。鼓樓區變化主要原因是在規劃河道時進行了截彎取直、填埋小支流等操作，倉山區則減少了大部分灌溉和養殖使用的自然型河道。馬尾區的河網密度變化最小，變化率為-8.2%，降低幅度比水面率小，說明河流消失慢，但面積正在快速縮減，馬尾區原有的沿江水域正在轉化為建設用地。為滿足錯峰調蓄的需求，晉安區在2017年建成澗田湖和井店湖，并于2019年開始進行晉安湖湖體開挖工程，人工湖與登云水庫相接以緩解澇情，使得晉安區水面率增長了25%，然而，其河網密度降低13.3%，說明低等級河流在規劃中被填埋或并入主干河流，晉安區整體出現了主干化趨向。

河流密度的變化與前兩項指標存在明顯差異，鼓樓區和臺江區面積較小，城鎮化率高，15年間的水系指標下降幅度分別是-24.9%和-16.7%；倉山區的河流密度下降5.1%；晉安區的河流密度變化為-24.9%；而馬尾區2020的河流數量比2005增長了3.6%。在城市發展的過程中，造成河流數量減少的原因，一是建設用地擴張導致灌溉河道減少；二是河流整治行動下對新透河、濟南河、躍進支河這類斷頭河的規劃填埋。

2.3 " 河網連通性特征與空間變化規律

從表3可以看出，河網整體的節點數量與河鏈數量呈現下降趨勢。研究區內的節點數量從2005年的313個減少到2020年的250個，而河鏈數量也從610條減少至492條，隨著河鏈數量的減少，節點數和河鏈數在過去的15年間均減少了20%。但是連通性指數均呈現正向的增長，網絡閉合度從0.480增加到0.491；線點率從1.949增加到1.968；網絡連接度從0.654增加到0.661，這表明福州城區的河流出現了更多的回路。袁雯等（2007）認為，在城市化高度發展的地區，城市平原河網從自然型到井型再到干流型的發展可能成為一種趨勢。福州在城市建設進程中逐漸完善的井字型河流網絡，進一步證明了福州正處在高度發展的階段。河流之間的平均連線數增多，連接網絡的環路程度高，γ在越接近1時，網絡近似于最大平面網絡，網絡連接度的增加意味著各節點之間聯系增多。2005年福州在超強臺風“龍王”的影響下災情嚴重，城區內澇問題凸顯。隨后福州開展了河道清障、水系整治的行動，在節點與河鏈數量下降的同時，網絡閉合度（α）、線點率（β）、網絡連接度（γ）等連通性的各項指數上升（圖5），這主要是受到了支流并入、主河道拓寬的影響。

連通性與結構性參數大多呈現相反的結果，且3項指標同步性顯著，除了馬尾區的各項參數下降，其他地區的連通性指標則有不同程度的上升。鼓樓區的網絡閉合度上升明顯，從2005年的0.431增長至0.576，線點率也從1.75增加到1.947。馬尾區的網絡閉合度從0.697下降到0.571，變化率為-22%；線點率從2.298下降至2.073；網絡連接度從0.8下降到0.717。連通性增加的區域主要分布在城市中心建成區的范圍內，越往城市邊緣，連通性的正向變化越小。

2.4 " 城市化對河網結構及連通性的影響

對不同行政區的城市化指標和河網結構指數進行相關性分析（表4），結果表明在5個研究區域中，建成區面積的占比與河網密度、河流密度呈現出較為明顯的相關性，其中建成區面積與河流密度呈現極顯著相關（Plt;0.01），與河網密度呈現顯著相關（Plt;0.05）。而人口密度與河網結構的相關性與建成區占比相同，5個區域中人口密度與河網密度及河流密度呈現明顯的相關性，其中與河流密度呈現極顯著相關（Plt;0.01），而與河網密度呈現顯著相關（Plt;0.05）。在研究區域內，城鎮化率對河網的結構影響較小，沒有呈現出較為明顯的相關性?？梢娊ǔ蓞^面積大小、人口密度高低與河網結構密切相關，隨著城市建成區面積的擴大以及人口的增長，城市中的河網密度也隨之下降，表現出明顯的相關性。

對不同行政區的城市化指標和河網連通性指數進行相關性分析（表5），分析結果表明網絡閉合度、線點率、網絡連接度3個連通性指標之間兩兩存在密切相關（Plt;0.01），而建成區面積、城鎮化率、人口密度等城市化指標都與連通性表現出顯著相關性，可以看出城市化的程度對城市河網連通性的影響很大，在研究區域范圍內，城市化水平越高，河流連通性越好。

3 " 討論

2005-2020年，福州五區的河網形態演變劇烈，具體表現在各項水系指標的下降，福州整體的水域面積與河流長度分別減少了17.89%和16.85%，各行政區均呈現不同程度的河網縮減情況。不同城市的水系指標驗證表明，在高速城市化的過程中，河流面積和數量下降，河網形態簡化。福州五區的水面率、河網密度、河流密度等河網結構指數下降，形態上出現了明顯的井字型格局，達到與自然型完全不同的狀態，和研究區的高度城市化相互印證。內河整治行動中的清障、拓寬河道等措施對水系指標的下降未見改善，表明郊區的彎曲型河道消失得更快更多，城市的河道僅拓寬了較小的面積。

研究發現福州市河網結構指數下降的同時，連通性指數上升，且具有明顯的空間異質性，中心城區的河網連通性有更多的正向增長，離城區越遠，連通性增長越緩慢直到負增長。對比南昌、張家港、蘇州等城市（鄧俊鵬，2021；魏鎣鎣等，2020；林芷欣等，2018），福州市的河流連通性有明顯的提高，說明福州市近年來的內河整治成果顯著，這為其他城市的內河整治提供了理論支撐。

為了探究河網演變與城市化指標之間的響應關系，基于統計分析法得到了兩者的各項指標相關性，結果表明建成區面積、人口密度和城鎮化率3項指標與河網演變密切相關，其中建成區面積對結構和連通性都極顯著相關。在快速城市化階段，建成區擠占水域面積，導致河流面積和數量銳減；高度城市化階段，得益于拓寬主干河道、并入支流等規劃，連通性下降的情況得到緩解。

參考文獻

陳德超， 李香萍， 楊吉山， 等， 2002. 上海城市化進程中的河網水系演化[J].城市問題， （5）： 31-35.

陳于林， 2006. 基于DEM的水系提取及水系網多級分解[D].成都： 西南交通大學.

鄧俊鵬， 2021. 基于圖論法對城市水系連通性評價及優化[D].南昌： 南昌大學.

鄧曉軍， 許有鵬， 韓龍飛， 等， 2016. 城市化背景下嘉興市河流水系的時空變化[J].地理學報， 71（1）： 75-85.

郭巍， 侯曉蕾， 2017. 雙城、三山和河網： 福州山水形勢與傳統城市結構分析[J].風景園林， （5）： 94-100.

韓龍飛， 許有鵬， 雷超桂， 等， 2016. 長江三角洲水系退化研究（英文）[J].Journal of Geographical Sciences， 26（6）： 694-706.

李子貽， 許有鵬， 何玉秀， 等， 2021. 城市化下平原河流水系變化及空間響應[J].生態學報， 41（22）： 8953-8964.

林芷欣， 許有鵬， 代曉穎， 等， 2018. 城市化對平原河網水系結構及功能的影響：以蘇州市為例[J].湖泊科學， 30（6）： 1722-1731.

劉福全， 杜崇， 韓旭， 等， 2021. 國內外河流生態系統修復相關研究進展[J].陜西水利， （9）： 13-14.

劉永婷， 2018. 城市發展對嘉興市水系連通影響及其與水資源耦合關系研究[D].蕪湖： 安徽師范大學.

逯一澤， 2020. 基于水系連通的城市濱水景觀的設計策略[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學.

羅文鋒， 李后強， 丁晶， 等， 1998. Horton定律及分枝網絡結構的分形描述[J].水科學進展， （2）： 13-18.

孟飛， 劉敏， 吳健平， 等， 2005. 高強度人類活動下河網水系時空變化分析：以浦東新區為例[J].資源科學， （6）： 156-161.

邵玉龍， 許有鵬， 馬爽爽， 2012. 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， 21（10）： 1167-1172.

田壯壯， 關燕寧， 郭杉， 等， 2021. 城市化背景下建成區擴展及其對河網變化的影響：以蘇州市為例[J].長江流域資源與環境， 30（4）： 915-924.

王建軍， 吳志強， 2009. 城鎮化發展階段劃分[J].地理學報， 64（2）：177-188.

魏鎣鎣， 李一平， 翁晟琳， 等， 2020.太湖流域城市化對平原河網水系結構與連通性影響[J].湖泊科學， 32（2）： 553-563.

吳玫玫， 張森， 王忠昊， 等， 2021. 近70年來上海中心城區水系演變及水安全響應： 基于景觀連通視角[J].城市道橋與防洪， （6）： 137-141.

徐涵秋， 2005. 利用改進的歸一化差異水體指數（MNDWI）提取水體信息的研究[J].遙感學報， （5）： 589-595.

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

楊凱， 2006.平原河網地區水系結構特征及城市化響應研究[D].上海： 華東師范大學.

于志慧， 2015. 太湖流域平原河網地區城市化背景下的河流健康評價研究[D].南京： 南京大學.

袁雯， 楊凱， 吳建平， 2007. 城市化進程中平原河網地區河流結構特征及其分類方法探討[J].地理科學， （3）： 401-407.

Deng X J，2019. Correlations between water quality and the structure and connectivity of the river network in the Southern Jiangsu Plain， Eastern China[J]. Science of the Total Environment， 664： 583-594.

Manuel L V， Estela N R， Erik L H C， 2017. Hydrological Connectivity Does Change Over 70 Years of Abandonment and Afforestation in the Spanish Pyrenees[J]. Land Degradation amp; Development， 28（4）.DOI： 10.1002/ldr.2531.

Merhabi F， Gomez E， Amine H， et al，2021. Occurrence， distribution， and ecological risk assessment of emerging and legacy contaminants in the Kadicha river in Lebanon[J]. Environmental science and pollution research international， 28： 62499-62518.

Shehab Z N， Jamil N R， Aris A Z， et al，2021. Spatial variation impact of landscape patterns and land use on water quality across an urbanized watershed in Bentong， Malaysia[J]. Ecological Indicators， 122： 107254.

（責任編輯 " 鄭金秀）

Influence of Urbanization on River Network Evolution in Fuzhou City

WU Li‐jun， HU Kang， JI Hong‐yu， LIANG Yu‐ning， DING Guo‐chang

（Fujian Agriculture and Forestry University， College of Landscape Architecture， Fuzhou " 350002， P.R. China）

Abstract： With the acceleration of urbanization， the problems of urban land shortage and landscape fragmentation have become more severe. Therefore， it is important to explore the evolution of river network structure for urban planning and construction. In this research， five districts in Fuzhou City were selected for case study， and we studied the evolution of the river network and urbanization of Fuzhou City from 2005 to 2020 using graph theory. Information was obtained from high-precision satellite images and remote sensing data collected in January 2005 and December 2019. Land use in the study area was divided into four types： forest， water， urban and farmland. Results show that： （1）The urbanization rate of Fuzhou City has increased from 54.5% in 2005 to 72.5% in 2020. During this period， the river morphology of Fuzhou city changed dramatically， and all river structure indices trended downward. The water surface ratio of the five districts in Fuzhou declined from 8.20% in 2005 to 6.73% in 2020 and the river network density dropped from 0.90 to 0.75， while the river frequency dropped from 0.33 to 0.26， with dramatic decreases of 17.93%， 16.81% and 20.06%， respectively. From the perspective of river morphology， river curvature has decreased， and the water system has gradually become more networked. The spatial difference in river network structure was obvious， and the overall change in the well-shaped artificial rivers in the urban center was small， while the natural river form at the edge of the built-up area have changed greatly. Paddy fields and irrigation canals have disappeared within the urban construction. （2）The overall river connectivity in the study area grew and， while human activities disturbed normal river development， they also built a more scientific river network morphology and river network connectivity improved.（3）There was a correlation between the level of urbanization and river network evolution， and the built-up area influenced river network structure and connectivity. In the five study areas， the built-up area was significantly correlated with river frequency （Plt;0.01）， and with river network density （Plt;0.05）.

Key words：river network evolution; drainage structure; urbanization; Fuzhou City