劉長高

(大連金石灘國家旅游度假區(qū)農(nóng)林管理中心，遼寧 大連 116650)

基于質(zhì)量變異法的城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異研究

劉長高

(大連金石灘國家旅游度假區(qū)農(nóng)林管理中心，遼寧 大連 116650)

為客觀評估辨識城鎮(zhèn)化背景下城市河網(wǎng)水系空間分異特征，本文通過選取城市河網(wǎng)結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)，闡明了城市水系空間結(jié)構(gòu)分異辨識標準，進而基于質(zhì)量變異法揭示了城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)的分異進程。應(yīng)用實例表明，質(zhì)量變異法在城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異評估中具有較強適用性，研究可為城鎮(zhèn)化進程中城市水系空間分異評估與規(guī)劃提供決策依據(jù)。

城市河網(wǎng)水系;質(zhì)量變異法;分異進程

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.024

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的持續(xù)推進實施，城市范圍內(nèi)涵蓋河網(wǎng)水系以及土地植被等自然空間結(jié)構(gòu)正遭受人為活動的嚴重擾動［1］。近年來，在人為要素及自然要素的雙重擾動作用下，隨著城市建設(shè)步伐的不斷加快，城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)正逐步發(fā)生分異變遷［2］。因此，通過辨識城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)的分異規(guī)律，闡明水系結(jié)構(gòu)演化趨勢，對生態(tài)文明城市建設(shè)以及城市水系規(guī)劃設(shè)計具備重要實踐理論價值。受城鎮(zhèn)化進程的影響，城市河網(wǎng)水系的分異程度亟待深入研究。傳統(tǒng)辨識指標分異的理論主要包括貝葉斯法、有序聚類法以及秩檢驗法等方法模型，然而，上述理論通?；谳^長基礎(chǔ)數(shù)據(jù)系列，在城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)匱乏的地區(qū)適用性較差［3］。鑒于此，本文通過采用質(zhì)量變異理論，以期實現(xiàn)對河網(wǎng)水系統(tǒng)計數(shù)據(jù)相對匱乏的城市，實現(xiàn)其河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分析進程的評估。

1 城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異評估準則

在城鎮(zhèn)化建設(shè)背景下，城市河網(wǎng)水系相繼實施一系列渠系順直、裁彎取直以及河道水流管控等工程舉措，從而造成城市水系結(jié)構(gòu)變化并嚴重破壞了自然河網(wǎng)生態(tài)功能。近年來，部分城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)逐步由自然密集型演變?yōu)榫中?、干流型以及川字型，城市河網(wǎng)結(jié)構(gòu)干流化以及單一化趨勢十分顯著［4］。為了綜合描述城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異程度，本文選取分維數(shù)D分、河網(wǎng)分支比Rb、線點比β、河道曲度Rs、市政管網(wǎng)系數(shù)Cp、管排比值Rd、城市建設(shè)用地比值 Ru、環(huán)通度 α以及河道控制指標Rcon等九項要素作為河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異評判指標。上述各指標中，分維數(shù)及河網(wǎng)分支比表示河網(wǎng)空間復(fù)雜水平;曲度表示河道平面形態(tài)彎曲水平，其范圍介于1～2，其值越接近2表示河道越彎曲，即河網(wǎng)空間結(jié)構(gòu)越好;線點比值表示河網(wǎng)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜水平，其范圍介于1～3，其值越大則河網(wǎng)水系越復(fù)雜，河網(wǎng)連通性越強;管排面積比值表示城市河網(wǎng)水系空間下墊面產(chǎn)匯流特征，代表城市水系由市政管網(wǎng)代替的水平;河道控制指標表示河道單位長度中涵洞、內(nèi)橋、壩以及泵站、閘門的布設(shè)數(shù)量，代表人為擾動城市水系空間結(jié)構(gòu)水平;環(huán)通度表示河網(wǎng)復(fù)雜水平，其范圍介于0～1，其值越大則河網(wǎng)空間結(jié)構(gòu)回路越多;城市用地比值表示下墊面產(chǎn)匯流變異程度［5］。上述各指標判別準則如表1所示。

表1 城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異評估判別準則

2 城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異進程評估

自然界中事物普遍存在兩種發(fā)展階段趨勢，即為量變過程以及由量變引發(fā)的質(zhì)變進程。量變反映出事物在數(shù)量方面所產(chǎn)生的變化，呈現(xiàn)出不明顯的連續(xù)變化趨勢;質(zhì)變則代表事物根本特性的突變，反映事物形態(tài)漸進演化的中斷。因此，自然界事物隨著量變而不斷發(fā)展，在量變到達臨界極限時則發(fā)生質(zhì)變，即舊事物演化為新事物［6］。綜合描述量變進程應(yīng)首先明晰其發(fā)展初始狀態(tài)，在遵循事物分級標準基礎(chǔ)上，推算其發(fā)生質(zhì)變的臨界極限允許距值M。

式中，M+與M-分別代表發(fā)生質(zhì)變時的左、右極限臨界允許距值;x+j、xj、x+j與x-j代表第j項要素發(fā)生質(zhì)變時的左項、右項以及邊界值;yjmax與yjmin表示第j項要素在標準等級中的最大與最小值［7］。其中，質(zhì)變距值表示為:

式中，Dik表示由第i級別到第k級別發(fā)生質(zhì)變的距離值;xij表示第i等級中第j項要素邊界數(shù)值;xkj表示第k等級中第j項要素邊界數(shù)值。其中，量變距值表示為:

式中，d表示由1狀態(tài)發(fā)展為2狀態(tài)時的量變距值;x2j與x1j表示處于2狀態(tài)以及1狀態(tài)時第j項要素數(shù)值。

因此，若 d＜M-，則自然事物未產(chǎn)生分異變化。若則表示自然事物產(chǎn)生 n等級分異變化。采用質(zhì)量變異法平事物分異進程應(yīng)遵循如下步驟:①首先明晰事物所處初始發(fā)展方向與位置;②推求事物發(fā)生質(zhì)變時由1等級至n等級時距值D以及允許距值M;③推求事物發(fā)生量變時的距值［8］;④綜合分異判別準則評估事物所產(chǎn)生的分異水平。

3 應(yīng)用實例與分析

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快，我國北方某城市城市化人口比率持續(xù)上升，城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著分異變化。因此，以1990年該城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)為初始狀態(tài)年份，選取城市河網(wǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變化的2000年、2005年以及2012年的城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)特征為研究對象并實施分異評估。該城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)要素指標值如表2所示。

表2 城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)要素指標值

本次分析將該城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)1990年時量變距值小于臨界允許距值視作未產(chǎn)生分異。在1990年基礎(chǔ)狀態(tài)基礎(chǔ)上分異至臨近水系狀態(tài)結(jié)構(gòu)時視作可糾正分異。在1990年基礎(chǔ)狀態(tài)基礎(chǔ)上分異至相隔水系狀態(tài)結(jié)構(gòu)時視作中等程度分異。在1990年基礎(chǔ)狀態(tài)基礎(chǔ)上分異至相隔 n(n≥2)等級水系狀態(tài)結(jié)構(gòu)時視作嚴重分異變化。由表2可知，該城市1990年城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)屬于自然型式。同時，遵循表1所示分異判別準則，推求發(fā)生質(zhì)變時的允許臨界距值M、質(zhì)變距值D以及2000、2005與2012年發(fā)生量變時的距值，如表3所示。

表3 城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異判別

由表3可知，該城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)由1990年至2000年、2005年以及2012年過程中，呈現(xiàn)出中等分異特征，城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)處于M++D井+D川(川字型)與M++D井(井字型)之間過渡結(jié)構(gòu)類型，城市進程造成河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)逐步退化。同時，結(jié)合表2可知，該城市2000年、2005年以及2012年的河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分維數(shù)、河網(wǎng)分支比、線點比以及河道曲度均比1990年明顯下降，表明該城市河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)由1990年的自然型式逐步分異演變至井字型結(jié)構(gòu)，同時趨向于川字型水系結(jié)構(gòu)的分異進程，河網(wǎng)整體呈現(xiàn)為順直化以及主干化的分異特征。此外，該城市市政管網(wǎng)系數(shù)以及城市建設(shè)用地比值其余年份均較1990年明顯變大，即該城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)由1990年的自然型式逐步分異演變至川字型式，同時有進一步分異為干流型式的趨勢，表明該城市整體處于暗管化以及干流化分異進程中。城市管排比值、環(huán)通度與河道控制系數(shù)同樣呈現(xiàn)分異特征，表明該城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)遭受嚴重割裂破壞，堤防標準過高且控河工程過于密布，城市河網(wǎng)連通性遭到嚴重損害且整體表現(xiàn)為破碎分異趨勢。

4 結(jié)語

我國城鎮(zhèn)化進程的持續(xù)推進造成城市土地大面積開發(fā)，土地利用系數(shù)逐年擴大且侵占城市河網(wǎng)水系用地問題屢見不鮮，從而造成城市河網(wǎng)水系空間急劇萎縮，城市內(nèi)水域占地面積逐步削減。同時，城市河網(wǎng)水系空間的侵占以及不合理的河道拓寬疏浚、河槽硬化、裁彎取直等措施加劇了城市內(nèi)澇災(zāi)害，從而制約了河網(wǎng)水體生態(tài)環(huán)境功能的發(fā)揮。本文結(jié)合質(zhì)量變異理論實現(xiàn)了對城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異進程的評估，應(yīng)用實例表明城鎮(zhèn)化造成了城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異，河網(wǎng)水系連通性下降且整體呈現(xiàn)破碎分析態(tài)勢。質(zhì)量變異法在城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異評估中具有較強的適用性。研究可為城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)評估及規(guī)劃提供技術(shù)支撐。

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1672-2469(2016)08-0074-03

2016-05-26

劉長高(1974年—)，男，工程師。