城市中心城區(qū)水系格局與連通性研究

1、城市中心城區(qū)水系格局與連通性研宄崇璇薛麗芳王曉薇趙迪斐薛美平 中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院摘要：以徐州中心城區(qū)為研究對象，應用gis、envi對研究區(qū)進行土地利用分析、水系 格局演變分析、水系連接度分析。結果表明，近10 a徐州市城市化進程迅速，建 設用地呈現(xiàn)出擴張趨勢，總面積增加丫 271. 06 km2;徐州市屮心城區(qū)水系結構變 化體現(xiàn)在河流長度減小、河網密度降低，但因湖泊而積增加引起水而率小幅增 長;2、3級河流數(shù)量及長度減少導致河網復雜度、河網發(fā)育指數(shù)降低。19952015 年徐州市中心城區(qū)水系連通性指數(shù)均呈下降趨勢，高度的城市化往往伴隨著水 系連通性的必然降低。關鍵詞：城市中心城區(qū)

2、;水系格局;連接度;連通性;作者簡介：崇璇(1994-),女，本科在讀，研究方向為人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃。收稿日期：2017-05-31基金：國家級人學生創(chuàng)新訓練計劃(201510290045)received： 2017-05-310引言城市水系是構成城市自然環(huán)境的重要要素，在保護生態(tài)環(huán)境中起到重要作用， 在社會經濟發(fā)展過程中也會產生重要影響u1。城市化過程中，人類活動對水系 的改造口益加強，流域土地的自然特征會因水系改造而發(fā)生明顯變化。不透水面 面積的增加及其影響下水系格局的改變會削弱城市對水旱災害的防御能力，增 加洪災風險m。隨著中w經濟迅猛發(fā)展，城市擴張過程中常常忽視水系對城市 的支撐限制

3、作用m，因此研宄城市化進程中水系格局及連通度的變化具有重要 意義。目前國內關于城市化影響下的水系研究多側重于探究其水系結構的變化。近年來， 水系連通性也用于評價水系格局，研宄區(qū)域集中在太湖、秦淮河、南四湖流域， 以及上海、深圳等地區(qū)。研究表明，河網水系的連通度減弱會產生洪澇宣泄不暢通等問題，進而導致水安全風險性增大ul本文以徐州中心城區(qū)為例，選取水 系結構與連通性指標，并結合城市化影響下墊面變化對水系格局進行綜合評價。1研宄區(qū)概況與研宄方法1.1研宄區(qū)概況徐州市位于江蘇省四北部，市區(qū)面積3037km,包括泉山區(qū)、云龍區(qū)、鼓樓區(qū)、賈汪區(qū)和銅山區(qū)5個區(qū)。徐州地貌屬符中南剝蝕低山丘陵的南延部分，氣候

4、為暖 溫帶半濕潤季風氣候，年平均降水量83(f860 mm，汛期為69月份，雨季降水 量占全年的56%。徐州市地處古淮河的支流沂、沭、泗諸水的下游，以黃河故道 為分水嶺，形成北部的沂、沭、泗水系和南部的濉、安河水系。境內河流縱橫交 錯，湖沼、水庫星羅棋布，廢黃河斜穿東西，京杭大運河橫貫南北，東有沂、沭 諸水及駱馬湖，西有夏興、大沙河及微山湖。徐州中心城區(qū)水系分屬3個流域， 故黃河因河床淤積堆高形成獨立水系，故黃河以南為奎濉河水系，以北為泗運 河水系。1.2數(shù)據來源本文使用1995年和2015年徐州市范圍landsat tm衛(wèi)星遙感影像為基礎數(shù)據源， 遙感影像空間分辨率為30 m。應用rs與gi

5、s技術，對遙感影像進行校正，使用 監(jiān)督分類方法，將土地利用類型解譯為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未 利用地6類。通過徐州市地形圖對遙感影像進行校正，提取1995年和2015年徐 州市中心城區(qū)水系數(shù)據，通過實地調研及谷歌地圖進行修正。1.3水系格局與連通性評價體系構建本研宄中選取的水系格局變化指標包括數(shù)量特征、結構特征及連通度3類12項 指標，如表1所示。木文參考斯特拉勒(strahler)水系分級方法5,根據河流 寬度對研究區(qū)水系分為3個級別:河寬大于20 m為1級河流，河寬l(f20 m為2 級河流，河寬510 m為3級河流。根據徐州市河流實際寬度，1、2、3級河道 寬度分別取值為20

6、、15、7.5 m。河流長度(d水體面積c4w)區(qū)域內的河流總長f區(qū)域內的河流總面考數(shù)量特征河網密度(d)式中4為3水面率(奶w=(aw/a) xloo%湖泊率(p)p=c4/m) xloo%長度面積比cr/o)rlalia r河網發(fā)育系數(shù)kzki=li/l 1，/1，式屮: 流長度結構特征河網復雜度(c/0cr=nkl/ld，式中河網結構 穩(wěn)定度srll/art) klt-nlan、art-n分別表示第 河流總面積水系環(huán)度cy(i-v+1)/(2 v-5)連通度節(jié)點連接率/3=l/v水文連接度7y=l/3(v-2)2結果與分析2.1研宄區(qū)城市化發(fā)展進程城市化體現(xiàn)在城市人口增加、建設用地面積擴

7、人等方面，本文以建設用地比重作 為城市化評價指標，1995-2015年徐州市屮心城區(qū)土地利用面積變化如表2所7j o表2 19952015年徐州市中心城區(qū)土地利用面積變化下載原表用地類型19952015面積am2比例房面積瓜m2比伊耕地2 194.9770.711 924.3761.林地259.098.35257.388j草地35.51.1434.551.:水域144.964.67147.164/建設用地466.1315.02737.1923.未利用地3.430.113.430.:從表2可以得出，19952015年建設用地增加了 271.06 km,其比重由15. 02% 增加到了 23. 7

8、5%,年均增長27. 1 km。徐州市中心城區(qū)土地利用變化轉移矩陣如表3所示。下載原表表3 19952015年徐州市中心城區(qū)土地利用變化轉移矩陣用地類型2015 年耕地林地草地水域設地建用耕地1 923.252.941.74267.041995林地0.08253.950.14.96年草地34.270.091.14水域1.010.490.28142.980.2表3 19952015年徐州市中心城區(qū)土地利用變化轉移矩陣下載原表續(xù)表2015 年用地類型耕地林地草地水域建用±1995建設用地0.032.25463.未利用地總計 1 924.37 257.38 34.55 147.16 737

9、.從表3可以得出，19952015年水域面積增加了 2. 2 km,期間水域轉為建設用 地0. 2 km,建設用地轉為水域2. 25 km。在城市化過程中，徐州中心城區(qū)水域小 部分轉為其他類型土地，又從建設用地及其他類型土地轉冋水域，其水域總面 積沒有降低，反而略有増高。2.2水系格局變化2.2.1研宄區(qū)水系的時空變化特征隨著城市化進程的發(fā)展，徐州中心城區(qū)的河流總長度減少了 98. 5 km,除1級河 流長度增加了 1.5km, 2級與3級河流長度均呈現(xiàn)出下降趨勢，共減少了 lookni。 在平原地區(qū)，為滿足蓄水防洪的需求，對1級河流會進行拓寬取直，因此1級河 流的長度和面積會略有上升。結合表

10、3分析，2、3級河流為滿足耕地、建設用 地等需求會被充填。由于2、3級河流寬度較低，加之1級河流長度的增加，因 此河流總面積減少不是很明顯。城市化過程中，為滿足人類需求，在城市中增加 水景觀，如賈汪區(qū)于2012年開始改造釆礦塌陷區(qū)為潘安湖濕地公園，一定程度 上使得湖泊面積增加。湖泊面積從1995年的7. 29 km增加到11. 36 km，增加了 4. 07 km。水域總而積增加了 2. 89 km.該結果與土地利用轉移矩陣結果大體一致。徐州市中心城區(qū)1995年與2015年土地利用分類如圖1所示。19952015年徐 州市中心城區(qū)不同等級河流變化如表4所示。圖1徐州市中心城區(qū)1995年與201

11、5年土地利用分類下載原圖表4 19952015年徐州市中心城區(qū)不同等級河流變化情況下載原表1流化河變1級河流1995 年2015 年變化量1995 -長度水m244.50246.001.501 293.面積am24.894.920.0319.4(2. 2.2水系結構變化1995年到2015年徐州市中心城區(qū)水系結構參數(shù)變化如衷5所示，徐州市中心城 區(qū)1995年與2015年線狀水系分布如圖2所示。從表5可以看出，近10 a中，研 究區(qū)河網密度減少了 3.2%，但水面率和湖泊率均增加了近0. 1%，進一步證明了 湖泊面積的增加主導了水域面積的上升:河網復雜度減小了 1.471，表明河網結 構變得簡單

12、，支流水系數(shù)量減少;河網的干支流比例結構發(fā)生變化，2、3級河流 發(fā)育系數(shù)均有減少，產生該結果的原因與上一條一致，說明支流數(shù)量的減少是 導致河網結構向簡單化發(fā)展的主要因素。下載原表表5 19952015年徐州市中心城區(qū)水系結構參數(shù)變化河流長度水m3 610.5003 512.0'水體面積水m47.12550.01、河網密度/(km am2)1.1891.156水面率/。1.5521.647湖泊率/。0.2400.374長度面積比/(km水m 990.63490.86、河網發(fā)育系數(shù)k25.2905.006河網發(fā)育系數(shù)k38.4768.270河網復雜度44.30142.82<河網結構穩(wěn)

13、定度1.002水系參1995 年 2015(a) 1995 年圖2徐州市中心城區(qū)1995年與2015年線狀水系分布下載原圖2. 2.3水系連通度變化水系連通度是指河道干支流等水系的連通情況，反映水系的連續(xù)和連通狀態(tài)。本 文采用景觀生態(tài)學理論方法5,構建了徐州市屮心城區(qū)“節(jié)點-廊道”網絡系統(tǒng), 如圖3所示，水系連通狀況評估標準如表6所示。(a) 1995 年圖3徐州市中心城區(qū)1995年與2015年廊道-水系節(jié)點示意下載原圖表6水系連通狀況評估標準下載原表等級優(yōu)良水系環(huán)度a0.510.3 0.5節(jié)點連接率01.071.11.051.07水文連接度70.370.50.350.37近ioa,研究區(qū)水系

14、節(jié)點數(shù)減少了 8個，河鏈數(shù)減少了 53條，水系環(huán)度、節(jié)點 連接率、水文連接率均有下降，其屮節(jié)點連接率和水文連接度從優(yōu)下降到良。城 市化過程中，建設用地擴張導致部分河道被充填，與其它河道不再相連，造成水系連通性下降，進而改變水系結構。徐州中心城區(qū)西北部與東南部的銅山區(qū)水 系呈網狀，東北部水系呈羽狀，呈現(xiàn)出該地區(qū)水系連通性較好，該地區(qū)城市化 程度較其他區(qū)域較低的狀況，因此保留了較復雜的河網結構。高度的城市化往往 f隨著水系連通性的必然降低。徐州市中心城區(qū)水系連通度參數(shù)變化如表7所年份河鏈數(shù)/條節(jié)點數(shù)/個19952692122015216204水系環(huán)度a0.14(中) 0.03(中)3結論(1) 近

15、10 a徐州市城市化進程迅速，建設用地呈現(xiàn)出擴張趨勢，總面積増加丫 271.06 km,其比重由15. 02%增加到23. 75%,年均增長27. 1 km。(2) 徐州市中心城區(qū)水系結構變化體現(xiàn)在河流長度減小、河網密度降低，湖泊面 積增加引起水面率小幅增長;2、3級河流數(shù)量及長度減少導致河網復雜度、河網 發(fā)育指數(shù)降低。(3) 19952015年徐州市屮心城區(qū)水系連通性指數(shù)均呈下降趨勢，人為干預可 使水面率增加，但高度的城市化往往伴隨著水系連通性的必然降低。參考文獻1 顏文濤，蕭敬豪，胡海，等.城市空間結構的環(huán)境績效:進展與思考j.城市 規(guī)劃學刊，2012 (5) : 50-59.2 邵玉龍，許有鵬，馬爽爽.太湖流域城市化發(fā)展下水系結構與河網連通變化