張 鵬 張倩玉 施紅怡 丁 虎

（1.江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室，江蘇 南京 210029；2.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023；3.江蘇省水利廳，江蘇 南京 210029）

近年來(lái)，我國(guó)城市化快速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，人口、產(chǎn)業(yè)高度集聚，對(duì)資源、環(huán)境的需求日趨增長(zhǎng)，給自然環(huán)境帶來(lái)了沉重的壓力。城市化發(fā)展使得下墊面不透水面大量增加，尤其在河網(wǎng)密布的平原河網(wǎng)地區(qū)，出現(xiàn)了“與水爭(zhēng)地”的局面，城市擴(kuò)張使得眾多湖泊水系衰減，甚至消亡，嚴(yán)重破壞了區(qū)域水系結(jié)構(gòu)，影響區(qū)域水生態(tài)環(huán)境的平衡，制約社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展［1］。各地洪澇災(zāi)害頻發(fā)，水環(huán)境問(wèn)題加劇造成巨大的社會(huì)損失及經(jīng)濟(jì)損失，而水系衰減與洪澇和水環(huán)境問(wèn)題直接相關(guān)。因此，有必要對(duì)河流水系進(jìn)行研究，尋求水系變化的規(guī)律，分析城鎮(zhèn)化對(duì)區(qū)域水系結(jié)構(gòu)的影響，以盡量減少在城鎮(zhèn)化過(guò)程中對(duì)河流水系產(chǎn)生的負(fù)面影響，維持河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)原有的健康面貌。

關(guān)于城鎮(zhèn)化對(duì)水系變化的影響，國(guó)內(nèi)外已開展一些研究分析。陳云霞等［2］以寧波鄞東南平原為例，探討了城鎮(zhèn)化發(fā)展對(duì)河網(wǎng)水系的影響，提出隨著城鎮(zhèn)化水平不斷提高，河網(wǎng)結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單化、主干化，河網(wǎng)水系的變化使得河網(wǎng)的調(diào)蓄能力下降，對(duì)區(qū)域行洪排澇產(chǎn)生了影響。袁雯等［3］通過(guò)對(duì)上海市河流水系結(jié)構(gòu)的研究，提出城市化是影響城市地區(qū)河流結(jié)構(gòu)發(fā)育的主導(dǎo)因素，城市化使得河網(wǎng)長(zhǎng)度發(fā)育能力弱化、河網(wǎng)結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單化等。孟飛等［4］以上海浦東新區(qū)為例，對(duì)城市化下河流水系結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)空動(dòng)態(tài)分析，研究表明，在2000～2003年間浦東新區(qū)河網(wǎng)水系銳減，河網(wǎng)結(jié)構(gòu)向簡(jiǎn)單化發(fā)展，并且水系結(jié)構(gòu)和數(shù)量的變化有著顯著的區(qū)域差異。國(guó)外相關(guān)研究偏向于土地利用變化、城市化、水利工程建設(shè)等人類活動(dòng)對(duì)河道或河流形態(tài)產(chǎn)生的影響［5，6］。

筆者以城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的蘇南地區(qū)為例，通過(guò)對(duì)本地區(qū)不同年代河網(wǎng)水系數(shù)量及結(jié)構(gòu)的對(duì)比研究，分析蘇南地區(qū)快速城鎮(zhèn)化對(duì)河流水系的影響，為本地區(qū)制定河流保護(hù)對(duì)策和水系規(guī)劃提供支撐。

1 區(qū)域概況

蘇南地區(qū)即江蘇南部地區(qū)，地處長(zhǎng)江三角洲的中心區(qū)域，是我國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展最快、人口最為密集、經(jīng)濟(jì)水平最高的地區(qū)之一，城鎮(zhèn)化率超過(guò)70%。由于近年來(lái)蘇南地區(qū)城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，對(duì)本地自然環(huán)境產(chǎn)生了沉重壓力，尤其是在城鎮(zhèn)化過(guò)程中，侵占水域、改造河流水系等嚴(yán)重破壞了本地區(qū)的河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)，加劇了區(qū)域的水資源、水環(huán)境問(wèn)題。

為便于研究，本文根據(jù)水利分區(qū)及行政分區(qū)情況，研究區(qū)選取位于武澄錫虞區(qū)的常州市轄區(qū)、無(wú)錫市轄區(qū)、江陰市和張家港市，位于陽(yáng)澄淀泖區(qū)的蘇州市轄區(qū)、昆山市、吳江市、太倉(cāng)市、常熟市。其行政區(qū)劃屬于蘇州、無(wú)錫、常州三市，地處太湖流域腹部區(qū)，該區(qū)地勢(shì)平坦，河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，水系情況復(fù)雜，是典型的平原河網(wǎng)區(qū)。研究區(qū)概況見圖1。

圖1 研究區(qū)概況圖

2 不同城市化發(fā)展階段水系結(jié)構(gòu)變化分析

筆者選取1980年城市化發(fā)展初期、2010年城市化穩(wěn)步發(fā)展時(shí)期這兩個(gè)城市化典型階段的下墊面河流水系資料進(jìn)行城市化背景下水系結(jié)構(gòu)變化特征的研究和分析。

2.1 水系結(jié)構(gòu)指標(biāo)的選取及計(jì)算

河網(wǎng)密度（DR）、水面率（Wp）分別表示單位面積的河流長(zhǎng)度和水面積，反映水系的數(shù)量特征。支流發(fā)育系數(shù)（K）表示河流支流的發(fā)育程度，其值越小，反映河流的主干化趨勢(shì)越明顯，反映水系的結(jié)構(gòu)特征。因此，選用河網(wǎng)密度、水面率、支流發(fā)育系數(shù)能夠從數(shù)量和結(jié)構(gòu)上充分揭示水系變化的特征［7］，具體計(jì)算方法如式（1）和式（2）所示。

式中：

L—區(qū)域內(nèi)河流總長(zhǎng)度；

A—區(qū)域總面積；

AW—區(qū)域內(nèi)主干河流與湖泊的總面積；

LS—支流總長(zhǎng)度；

Lm—干流總長(zhǎng)度。

水系指標(biāo)計(jì)算的數(shù)據(jù)源為武澄錫虞和陽(yáng)澄淀泖兩個(gè)水利分區(qū)的1980年的1∶50000 紙質(zhì)地形圖和2010年電子地形圖，其中，紙質(zhì)地形圖經(jīng)數(shù)字化后可提取水系數(shù)據(jù)，電子地形圖需結(jié)合遙感解譯分析和水利普查資料進(jìn)行水系的核對(duì)校正。最后，通過(guò)Arc GIS 建立1980年和2010年研究區(qū)水系空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)，以便于水系指標(biāo)的處理與計(jì)算。為計(jì)算支流發(fā)育系數(shù)與干流面積長(zhǎng)度比，需對(duì)河流水系進(jìn)行分級(jí)處理，其中，干流為實(shí)際寬度大于20 m 的河道，支流為實(shí)際寬度小于20 m 的河道。

2.2 不同城市化階段研究區(qū)水系變化特征分析

對(duì)研究區(qū)各縣市進(jìn)行1980年、2010年兩個(gè)典型時(shí)期水系結(jié)構(gòu)指標(biāo)的計(jì)算，從時(shí)間和空間上分析河流水系數(shù)量和結(jié)構(gòu)的變化特征。

2.2.1 研究區(qū)河流水系數(shù)量的變化特征

研究區(qū)各縣市2010年相比1980年河網(wǎng)密度與水面率均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)（見表1）。從河網(wǎng)密度上看，1980年河網(wǎng)密度最大的地區(qū)為太倉(cāng)、昆山、常熟與張家港，這些縣市的河網(wǎng)密度均超過(guò)4 km/km2。然而到了2010年，河網(wǎng)密度超過(guò)4 km/km2的地區(qū)僅有太倉(cāng)與常熟，分別為4.9 km/km2，4.09 km/km2。1980年河網(wǎng)密度超過(guò)4 km/km2的昆山和張家港其河網(wǎng)密度在2010年分別下降到3.8 km/km2及3.79 km/km2。從1980～2010年河網(wǎng)密度的下降幅度上看，蘇州市轄區(qū)、無(wú)錫市轄區(qū)、常州市轄區(qū)、昆山和吳江的河網(wǎng)密度下降幅度超過(guò)10%，尤其是無(wú)錫市轄區(qū)與常州市轄區(qū)河網(wǎng)密度下降的幅度分別達(dá)25.79%和35.25%。與其他地區(qū)相比，太倉(cāng)的河網(wǎng)密度減少的幅度較少，僅為2%。從水面率上看，1980年水面率最大的地區(qū)為吳江、昆山、常熟、蘇州市轄區(qū)，水面率均超過(guò)10%。到了2010年，水面率最大的區(qū)域仍然是這四個(gè)地區(qū)，除蘇州市轄區(qū)的水面率降到9.6%外，其他三個(gè)地區(qū)水面率仍然超過(guò)10%。從1980～2010年水面率的下降幅度上看，各地區(qū)水面率下降均超過(guò)7%，下降幅度較為顯著，尤其是蘇州市轄區(qū)、無(wú)錫市轄區(qū)、常州市轄區(qū)、昆山、江陰水面率下降幅度均超過(guò)15%。

表1 不同時(shí)期研究區(qū)各縣市水系指標(biāo)

在空間尺度上，蘇州市轄區(qū)、無(wú)錫市轄區(qū)與常州市轄區(qū)均屬于蘇南地區(qū)城市化水平較高的地區(qū)，這些地區(qū)河網(wǎng)密度與水面率減少的幅度較大，水系衰減程度較為嚴(yán)重，而太倉(cāng)、常熟與這些市轄區(qū)相比，城鎮(zhèn)化水平較低，其河網(wǎng)密度和水面率下降幅度較小。因此，城鎮(zhèn)化與水系數(shù)量在空間尺度上呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.2.2 研究區(qū)河流水系結(jié)構(gòu)的變化特征

1980年支流發(fā)育系數(shù)最大的地區(qū)為太倉(cāng)、張家港，分別為8.65、8.35，到了2010年支流發(fā)育系數(shù)最大的地區(qū)仍是太倉(cāng)與張家港，其中，太倉(cāng)的支流發(fā)育系數(shù)大幅增加，張家港的支流發(fā)育系數(shù)減少到7.5。從整體上看，1980～2010年，除太倉(cāng)外，各縣市支流發(fā)育系數(shù)均減少，減少幅度最大的地區(qū)為蘇州市轄區(qū)、無(wú)錫市轄區(qū)、常州市轄區(qū)、昆山和吳江。支流發(fā)育系數(shù)越小反映河流水系主干化趨勢(shì)越強(qiáng)，根據(jù)支流發(fā)育系數(shù)計(jì)算公式并結(jié)合該地區(qū)河網(wǎng)密度大幅度減少的實(shí)際，說(shuō)明河流發(fā)育系數(shù)減少的主要原因是河流支流數(shù)量的大量減少，水系結(jié)構(gòu)整體趨于簡(jiǎn)單化。太倉(cāng)的支流發(fā)育系數(shù)增加了28.79%，但其河網(wǎng)密度卻整體減少了2%。從數(shù)量上看，太倉(cāng)的河網(wǎng)密度減少幅度較小，即干流與支流的總長(zhǎng)度變化不大，這主要是大量開挖人工溝渠使干流總長(zhǎng)度增加，人工填埋和支流自然衰減使支流總長(zhǎng)度減少所致，因此，雖然太倉(cāng)的支流發(fā)育系數(shù)增長(zhǎng)，但由于其干流增加的長(zhǎng)度與支流減少的長(zhǎng)度相抵消，故導(dǎo)致河網(wǎng)密度總體上變化較小。

2.2.3 研究區(qū)水系指標(biāo)變化同步性分析

在對(duì)研究區(qū)各縣市水系指標(biāo)進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)各指標(biāo)的變化率有顯著的一致性，各指標(biāo)的變化率之間具有一定的相關(guān)關(guān)系。對(duì)1980～2010年河網(wǎng)密度變化率、水面率變化率與支流發(fā)育系數(shù)變化率兩兩進(jìn)行雙變量相關(guān)分析，得出以下結(jié)果：（1）河網(wǎng)密度的變化率與水面率變化率在0.01水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.852。（2）河網(wǎng)密度變化率與支流發(fā)育系數(shù)變化率在0.05 水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.688。（3）支流發(fā)育系數(shù)變化率與水面率變化率不具有顯著相關(guān)性。

相關(guān)分析結(jié)果表明，河網(wǎng)密度與水面率的變化具有同步性，研究區(qū)各縣市河網(wǎng)密度與水面率的減少幅度一致。河網(wǎng)密度變化率與支流發(fā)育系數(shù)變化顯著相關(guān)，呈現(xiàn)正相關(guān)性，即河網(wǎng)密度減少越多，支流發(fā)育系數(shù)減少越多，說(shuō)明水系總長(zhǎng)度的減少主要是支流的大量消失造成的。

3 研究區(qū)城鎮(zhèn)化對(duì)水系結(jié)構(gòu)的影響分析

蘇南地區(qū)作為城鎮(zhèn)化最為劇烈的地區(qū)之一，無(wú)論是人口、經(jīng)濟(jì)還是城鎮(zhèn)用地面積在近幾十年里均急劇增長(zhǎng)。在城鎮(zhèn)化過(guò)程中，通過(guò)占用水域來(lái)滿足城市的快速發(fā)展，以及人為地對(duì)水系進(jìn)行改造或?qū)χЯ鬟M(jìn)行填埋，以滿足城鎮(zhèn)建設(shè)的需要，使得水系數(shù)量銳減，水系結(jié)構(gòu)破壞，削弱了天然河流水系之間的連通性，對(duì)調(diào)蓄、生態(tài)凈化等河流的功能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為了考察不同城鎮(zhèn)化水平對(duì)河流水系的影響，需根據(jù)不同城鎮(zhèn)化水平對(duì)研究區(qū)進(jìn)行分區(qū)。筆者通過(guò)計(jì)算土地城鎮(zhèn)化率即城鎮(zhèn)用地面積占區(qū)域總面積的比值來(lái)衡量城鎮(zhèn)化水平，其中，城鎮(zhèn)用地面積為2010年Landsat TM 遙感影像解譯結(jié)果，各地區(qū)城鎮(zhèn)化率如表2 所示。蘇州市轄區(qū)、無(wú)錫市轄區(qū)、常州市轄區(qū)城鎮(zhèn)化率分別為57.76%、49.94%、58.15%，而各縣級(jí)市城鎮(zhèn)化率均低于40%。因此，根據(jù)城鎮(zhèn)化率計(jì)算結(jié)果將這9 個(gè)行政單元分為高度城鎮(zhèn)化區(qū)與中度城鎮(zhèn)化區(qū)，其中，高度城鎮(zhèn)化區(qū)由蘇州市轄區(qū)、無(wú)錫市轄區(qū)、常州市轄區(qū)組成，中度城鎮(zhèn)化區(qū)為各縣級(jí)市，包括張家港、太倉(cāng)、昆山、吳江、常熟、江陰。

分別計(jì)算高度城鎮(zhèn)化區(qū)與中度城鎮(zhèn)化區(qū)的河網(wǎng)密度平均減少率、水面率平均減少率及支流發(fā)育系數(shù)平均減少率，如圖2 所示。對(duì)于河網(wǎng)密度平均減少率，高度城鎮(zhèn)化區(qū)為24.65%，中度城鎮(zhèn)化區(qū)僅為9.55%；對(duì)于水面率平均減少率，高度城鎮(zhèn)化區(qū)為25.27%，中度城鎮(zhèn)化區(qū)為11.26%；對(duì)于支流發(fā)育系數(shù)，高度城鎮(zhèn)化區(qū)為24.28%，中度城鎮(zhèn)化區(qū)為11.57%。這說(shuō)明蘇南地區(qū)的高度城鎮(zhèn)化區(qū)河網(wǎng)密度、水面率和支流發(fā)育系數(shù)減少比中度城鎮(zhèn)化區(qū)更顯著，即高度城鎮(zhèn)化區(qū)河流水系數(shù)量減少更多，水系結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單化、主干化。

表2 各縣市城鎮(zhèn)化率

圖2 不同城鎮(zhèn)化區(qū)水系結(jié)構(gòu)指標(biāo)變化對(duì)比圖

4 結(jié)論

筆者通過(guò)對(duì)蘇南地區(qū)1980年與2010年河流水系數(shù)量及結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)空分析研究，得出以下結(jié)論：

（1）1980～2010年，蘇南地區(qū)各縣市河網(wǎng)密度與水面率均下降，除太倉(cāng)外，其余地區(qū)的支流發(fā)育系數(shù)均下降。其中，蘇州市轄區(qū)、無(wú)錫市轄區(qū)、常州市轄區(qū)等這些城鎮(zhèn)化水平較高地區(qū)的河網(wǎng)密度、水面率及支流發(fā)育系數(shù)下降幅度最大。

（2）蘇南地區(qū)河網(wǎng)密度的減少與水面率的減少具有同步性，城鎮(zhèn)化對(duì)河網(wǎng)密度與水面率的影響程度一致。河網(wǎng)密度減少與支流發(fā)育系數(shù)減少具有同步性，表明蘇南地區(qū)的水系數(shù)量減少，主要源于支流的大量消失。

（3）在1980～2010年的蘇南地區(qū)，相比于中度城鎮(zhèn)化地區(qū)，高度城鎮(zhèn)化地區(qū)城鎮(zhèn)化對(duì)河流水系的影響程度更顯著。

［1］許有鵬，丁瑾佳，陳瑩.長(zhǎng)江三角洲地區(qū)城市化的水文效應(yīng)研究［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2009（4）：67-73.

［2］陳云霞，許有鵬，傅維軍.浙東沿海城鎮(zhèn)化對(duì)河網(wǎng)水系的影響［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2007，18（1）：68-73.

［3］袁雯，楊凱，徐啟新.城市化對(duì)上海河網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能的發(fā)育影響［J］.長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2005，14（2）：133-138.

［4］孟飛，劉敏，吳健平，等.高強(qiáng)度人類活動(dòng)下河網(wǎng)水系時(shí)空變化分析—以浦東新區(qū)為例［J］.資源科學(xué)，2005，27（6）：156-161.

［5］Nicola Surian，Massimo Rinaldi.Morphological response to river engineering and management in alluvial channels in Italy［J］.Geomorphology，2003，50（4）:307－326.

［6］K.J.Gregory，The human role in changing river channels［J］.Geomorphology，2006，79:172-191.

［7］徐光來(lái)，許有鵬，王柳艷.近50年杭-嘉-湖平原水系時(shí)空變化［J］.地理學(xué)報(bào)，2013，68（7）：966-974.