楊柳，張迎盈，馮暢*，聶孟洋

(1. 衡陽師范學(xué)院 城市與旅游學(xué)院，湖南 衡陽 421000； 2. 湖南省人居環(huán)境基地，湖南 衡陽 421000； 3.古村古鎮(zhèn)文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳承協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 衡陽 421000)

水系與人類生產(chǎn)生活密切相關(guān)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的水系受到影響。水系形態(tài)格局的演變主要來自兩個(gè)方面，一方面是自然演變，另一方面是人為強(qiáng)干擾[1]。人口增多，人類活動(dòng)干預(yù)水系形態(tài)格局的演變，建設(shè)用地的增加，導(dǎo)致低等級(jí)河道被填埋，破壞了水系結(jié)構(gòu)，影響了水系調(diào)蓄能力，導(dǎo)致洪澇災(zāi)害頻發(fā)[2-3]。水資源形勢(shì)日益嚴(yán)峻，河湖水系關(guān)系到水資源分配格局、洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等方面，這將會(huì)是今后水資源治理和管理工作的重點(diǎn)。從短時(shí)間尺度來看，人類活動(dòng)的影響已遠(yuǎn)超過水系自然演變的影響。與此同時(shí)，對(duì)于水系形態(tài)格局的研究也成為了一些學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的方向。歷史地圖解讀法、歷史地理學(xué)溯源法等古老方法是國內(nèi)關(guān)于水系形態(tài)結(jié)構(gòu)方面的研究最早采用的方法[4]。從20世紀(jì)末期國內(nèi)普遍開始重視水系形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究，例如吳杰[5]分析了深圳市水系在城市化進(jìn)程影響下河流水系與城市空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制；高青峰[6]研究了哈爾濱主城區(qū)的河網(wǎng)水系。目前水資源的保護(hù)越來越受到重視，但是相關(guān)研究多集中在長(zhǎng)江、珠江等大江大河的下游平原地區(qū)[7-9]。本研究以湘江流域城市群水系為例，基于遙感數(shù)據(jù)，利用ENVI平臺(tái)提取研究區(qū)水系，ArcGIS進(jìn)行水系校準(zhǔn)和分析工作，選定描述水系形態(tài)格局的指標(biāo)體系，開展關(guān)于城鎮(zhèn)化背景下，湘江流域城市群水系形態(tài)格局的演變規(guī)律分析。本研究具有一定的典型性，有助于中國內(nèi)陸省份水系的保護(hù)與合理開發(fā)，降低流域洪澇風(fēng)險(xiǎn)，改善“人-水”關(guān)系等方面起到重要作用。

1 研究區(qū)域概況、數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

圖 1 湘江流域長(zhǎng)株潭城市群空間分布Figure 1 Flow chart for the extraction of river network systems in study area

湘江流域長(zhǎng)株潭城市群位于長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶中游(112°48′E～114°20′E，20°50′N～28°22′N)，北部為洞庭湖平原區(qū)，山地和丘陵多分布在東部、西部和南部。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和濕潤(rùn)。長(zhǎng)株潭城市群屬湖南省東部，包括長(zhǎng)沙、株洲和湘潭市，三市呈“品”字型緊密結(jié)構(gòu)，被譽(yù)為“湖南金三角”[10-11]。長(zhǎng)株潭城市群是湖南省經(jīng)濟(jì)社會(huì)重點(diǎn)發(fā)展的核心區(qū)域，城市群面積達(dá)到28 096 km2，占全省總面積的13.2%(圖1)，常住人口達(dá)到1 425.6萬人，占全省總?cè)丝诘?1%，生產(chǎn)總值達(dá)到12 548.34億，占全省的41.2%(截止2015年數(shù)據(jù))。湘江水系河網(wǎng)密布，因南面和東面山勢(shì)較高，瀏陽河、撈刀河、洣水、淥水等較大支流均來自東南面，使得湘江發(fā)育為一個(gè)東部水系發(fā)達(dá)，西部水系欠發(fā)達(dá)的不對(duì)稱樹枝狀水系。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)

以湘江流域長(zhǎng)株潭城市群水系為研究對(duì)象，采用于美國地質(zhì)調(diào)查局2001年和2015年共14幅的Landsat遙感影像(分辨率為30 m×30 m)和同時(shí)期Google 高清影像圖作為校核數(shù)據(jù)展開研究。選取的遙感影像盡可能地保證年份、月份相近，且云量少于3%。具體來源信息見表1。

表 1 遙感影像詳情列表Table 1 Detailed list of remote sensing images

數(shù)據(jù)名稱條帶號(hào)數(shù)據(jù)來源時(shí)間Landsat8OLI_TIR數(shù)據(jù)122/41地理空間數(shù)據(jù)云2015-10-18Landsat8OLI_TIR數(shù)據(jù)122/42地理空間數(shù)據(jù)云2015-10-18Landsat8OLI_TIR數(shù)據(jù)123/40地理空間數(shù)據(jù)云2015-10-09Landsat8OLI_TIR數(shù)據(jù)123/41地理空間數(shù)據(jù)云2015-10-25Landsat8OLI_TIR數(shù)據(jù)123/42地理空間數(shù)據(jù)云2015-04-16Landsat8OLI_TIR數(shù)據(jù)124/40地理空間數(shù)據(jù)云2015-10-16Landsat8OLI_TIR數(shù)據(jù)124/41地理空間數(shù)據(jù)云2015-10-16Landsat4-5 TM數(shù)據(jù)122/41地理空間數(shù)據(jù)云2001-12-30Landsat4-5 TM數(shù)據(jù)122/42地理空間數(shù)據(jù)云2001-12-30Landsat4-5 TM數(shù)據(jù)123/40地理空間數(shù)據(jù)云2001-12-21Landsat4-5 TM數(shù)據(jù)123/41地理空間數(shù)據(jù)云2001-11-19Landsat7 TM數(shù)據(jù)123/42地理空間數(shù)據(jù)云2001-12-29Landsat7 TM數(shù)據(jù)124/40地理空間數(shù)據(jù)云2001-09-15Landsat7 TM數(shù)據(jù)124/41地理空間數(shù)據(jù)云2001-09-15

1.2.2 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于2001年和2015年的《湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒》，主要選取2015年長(zhǎng)株潭城市群的常住人口和城市人口以及長(zhǎng)株潭城市群的面積和建成區(qū)面積等數(shù)據(jù)展開研究。

1.3 研究方法

為從不同角度全面體現(xiàn)湘江流域城市群的水系形態(tài)格局的演變規(guī)律，本研究參考國內(nèi)外相關(guān)研究常用的水系特征參數(shù)與指標(biāo)[12-15]，主要選取2類6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行水系定量描述，分別從數(shù)量特征和形態(tài)結(jié)構(gòu)特征2個(gè)方面表達(dá)。數(shù)量特征為河流長(zhǎng)度，同一等級(jí)的河流條數(shù)，河網(wǎng)密度和水面率；形態(tài)結(jié)構(gòu)特征為支流發(fā)育系數(shù)和干流面積長(zhǎng)度比。具體指標(biāo)見表2。

表 2 水系形態(tài)格局演變的指標(biāo)體系Table 2 Indicator system for the river network pattern

目標(biāo)層準(zhǔn)則層指標(biāo)層水系特征 數(shù)量特征河流長(zhǎng)度河流數(shù)量河網(wǎng)密度水面率 形態(tài)結(jié)構(gòu)特征支流發(fā)育系數(shù)干流面積長(zhǎng)度比

1.3.1 水系形態(tài)格局評(píng)價(jià)指標(biāo)

水系數(shù)量和形態(tài)格局的指標(biāo)計(jì)算方法匯總于表3。

表 3 水系形態(tài)格局評(píng)價(jià)指標(biāo)的涵義和計(jì)算方法Table 3 Meaning and method for evaluation index of river network pattern

指標(biāo)名稱計(jì)算公式備注物理意義河網(wǎng)密度RdRd=Lr/ALr為研究區(qū)域內(nèi)河流總長(zhǎng)度表示河網(wǎng)長(zhǎng)度發(fā)育情況水面率WpWp=Aw/AA為研究區(qū)域總面積表示河網(wǎng)面積發(fā)育情況支流發(fā)育系數(shù)KwKw=Lw/LmAw為研究區(qū)域內(nèi)的水域面積表示河網(wǎng)各級(jí)支流的發(fā)育狀況干流面積長(zhǎng)度比RmRm=Am/LmLw級(jí)河流長(zhǎng)度表示干流的主干化程度Lm干流河長(zhǎng)Am干流面積

其中河網(wǎng)密度(Rd)，水面率(Wp)是最常見的水系結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)，反映河流水系的數(shù)量特征，Rd即河流總長(zhǎng)度與研究區(qū)域面積的比值。Rd的大小不僅與自然環(huán)境(如氣候、巖性、土壤、植被覆蓋等)相關(guān)，還與人類對(duì)自然的各種改造有關(guān)。流域河網(wǎng)密度越大，表示流域水系的調(diào)蓄能力越強(qiáng)，河網(wǎng)密度低則表示對(duì)降水的自然蓄積能力和行洪排澇能力弱。而Wp是指河道和湖泊等水體多年平均水位下的水面積占區(qū)域總面積的比例。

Rd=Lr/A

(1)

Wp=Aw/A

(2)

式(1～2)中：Lr為研究區(qū)域內(nèi)河流總長(zhǎng)度；A為研究區(qū)域總面積；Aw為研究區(qū)域內(nèi)的水域面積。

結(jié)構(gòu)參數(shù)包括支流發(fā)育系數(shù)(Kw)、干流面積長(zhǎng)度比(Rm)。支流發(fā)育系數(shù)(Kw)是各級(jí)支流河流長(zhǎng)度與主干河流長(zhǎng)度的比值，表示各級(jí)支流的發(fā)育程度。河流面積長(zhǎng)度比(Rm)是流域內(nèi)主干河流的面積與河流的總長(zhǎng)度比值，面積長(zhǎng)度比越大，表明單位河長(zhǎng)的河流過水能力越強(qiáng)。

Kw=Lw/Lm

(3)

Rm=Am/Lm

(4)

式(3～4)中：Lw級(jí)河流長(zhǎng)度；Lm干流河長(zhǎng)；Am干流面積。

1.3.2城市化進(jìn)程評(píng)價(jià)指標(biāo)及其含義

城市化一般是指農(nóng)村人口向非農(nóng)村人口轉(zhuǎn)化，并且城市不斷完善的過程，本研究選用三維城市化[3]開展進(jìn)一步研究，即經(jīng)濟(jì)城市化、空間城市化、人口城市化，具體指標(biāo)見表4。

表 4 城市化進(jìn)程評(píng)價(jià)指標(biāo)及其含義Table 4 Evaluation index of urbanization process and its meaning

指標(biāo)名稱含義經(jīng)濟(jì)城市化非農(nóng)業(yè)GDP占總GDP中的比例空間城市化建成區(qū)面積和區(qū)域總面積的比值人口城市化城鎮(zhèn)人口數(shù)和總?cè)丝跀?shù)的比值

1.3.3水系分級(jí)

根據(jù)《湖南省水資源公報(bào)》，湘江作為干流，瀏陽河、撈刀河等直接流入干流的作為一級(jí)支流，直接匯入一級(jí)支流的河流為二級(jí)支流[16]。因資料的局限性，本研究只針對(duì)長(zhǎng)株潭城市群的干流，一二級(jí)支流共計(jì)3個(gè)等級(jí)的水系展開研究。

2 水系數(shù)據(jù)資料的提取

針對(duì)本研究目的，遙感影像的預(yù)處理工作主要運(yùn)用相關(guān)專業(yè)處理軟件(ENVI和ArcGIS)，處理獲取的遙感影像。運(yùn)用ENVI對(duì)兩期共計(jì)14幅的30 m×30 m Landsat遙感影像中歸一化水指數(shù)(NDWI)進(jìn)行波段運(yùn)算，先得到初步水系。然后通過高分辨率的Google影像資料，將比例尺固定在1∶5萬，通過對(duì)水系的邊界精確化，丟失水系補(bǔ)足，誤判水系刪除、糾正等步驟校核水系，經(jīng)過反復(fù)校核后，獲得研究區(qū)最終水系數(shù)據(jù)。通過ArcGIS工具，對(duì)得到可靠的水系資料進(jìn)行幾何計(jì)算，獲取研究區(qū)水系定量數(shù)據(jù)。具體流程如圖2。

圖 2 研究區(qū)水系提取的流程Figure 2 Flow chart for the extraction of river network systems in study area

本研究遙感影像處理的操作流程主要包括：波段融合、影像裁剪、波段運(yùn)算、決策樹分類和二值化結(jié)果轉(zhuǎn)矢量圖像等步驟，具體如下(圖2)。首先，在ENVI軟件中打開要融合的7個(gè)波段，運(yùn)用Basic Tools當(dāng)中的Layer Stacking工具，對(duì)7個(gè)波段進(jìn)行融合。然后，將影像與地圖對(duì)照，在ENVI軟件中的Basic Tools，打開 Resize Data，把影像周圍的黑色部分裁剪，并裁剪出研究區(qū)域影像。接著，在ENVI軟件Basic Tools中的Band Math模塊當(dāng)中的enter an expression中輸入對(duì)應(yīng)的表達(dá)式(float(b2)-float(b4))/(b2+b4)，分別選取對(duì)應(yīng)的原始遙感影像波段進(jìn)行歸一化波段運(yùn)算，這里的b2選擇波段2，b4選擇波段4。通過簡(jiǎn)單的歸一化水體指數(shù)運(yùn)算，可以初步將水體和其他地物信息進(jìn)行分離，水體以外的其他地物在一定程度上得到了普遍的抑制，水體提取效果良好，得到水體指數(shù)影像?；诖耍瑸榱藢⒂跋癞?dāng)中的水體和非水體進(jìn)行區(qū)分，在ENVI 軟件中打開Classification中的Decision Tree模板下的Build new decision tree，點(diǎn)擊Node1，在Expression中輸入公式b1 GT 0.09，根據(jù)影像的實(shí)際情況，將得到的灰度影像與原始遙感影像比對(duì)，經(jīng)過人工的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，選擇合適的閾值，這一幅影像輸入0.01。最后，將得到的二值化結(jié)果在ENVI當(dāng)中轉(zhuǎn)變?yōu)槭噶?，選擇classification中的post classification，再選擇classification to vector。在Raster To Vector Parameters窗口中選擇Class 1，再選擇輸出路徑。最后在available vector lists窗口中，選擇 file->export layers to shapefile，將.evf轉(zhuǎn)成shapefile文件，獲取初始的水系矢量圖。

隨后，將初始水系圖進(jìn)行反復(fù)校核工作，從而得到可靠的水系分析資料。具體包括：圖像合并、圖像裁剪、賦予水系屬性、校核水系和幾何計(jì)算等步驟(圖2)。首先，為了得到一張完整的概括長(zhǎng)株潭的影像，將得到的矢量文件在ArcGIS當(dāng)中運(yùn)用Data Management Tools當(dāng)中的常規(guī)工具中的合并工具，將同一類別合并為一個(gè)水系圖層。然后，運(yùn)用ArcGIS中的Analysis Tools中的裁剪工具，再根據(jù)獲取的長(zhǎng)株潭的矢量邊界范圍對(duì)矢量文件進(jìn)行裁剪。最終獲取長(zhǎng)株潭城市群的矢量水系。接著，將提取的水系矢量數(shù)據(jù)與原始遙感影像比對(duì)，提取的矢量數(shù)據(jù)中還包括了很多非水體信息，例如山體陰影等。需要將得到的矢量數(shù)據(jù)與高清圖像進(jìn)行疊加，將一些非水體信息進(jìn)行刪除，將未提取到的水系進(jìn)行補(bǔ)充。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的，將矢量數(shù)據(jù)當(dāng)中面積小于1 800 m2的小斑塊進(jìn)行刪除，右鍵點(diǎn)擊圖層打開屬性表，打開編輯器，點(diǎn)擊“開始編輯”，選擇所有小于1 800 m2的小斑塊，按Delete鍵刪除。然后，校核水系，刪除不必要的斑塊后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的，需要對(duì)矢量數(shù)據(jù)添加面積字段。添加好字段以后，打開編輯器，選擇“開始編輯”，根據(jù)高清影像將沒有提取到的河流手動(dòng)添加面狀矢量數(shù)據(jù)。再根據(jù)同樣的方法手動(dòng)添加線狀矢量，將水系反復(fù)校準(zhǔn)以獲得可靠資料。最后，通過計(jì)算幾何，得到研究區(qū)域河流的長(zhǎng)度和水系的總體面積。再分別計(jì)算2001年和2015年的湖泊面積和各級(jí)河流的長(zhǎng)度等指標(biāo)參數(shù)。

3 研究結(jié)果分析與討論

3.1 提取結(jié)果

提取結(jié)果得到2001年和2015年的水系圖(圖3)。從圖3可以看出，2001年到2015年水系有明顯的變化，河流的長(zhǎng)度，湖泊的面積都呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，特別是在湘江流域下游的長(zhǎng)沙市境內(nèi)，水系的衰減尤為明顯，表現(xiàn)出簡(jiǎn)單化和主干化的突出特征。

圖 3 2001年、2015年水系Figure 3 The river networks of 2001 and 2015

3.2 湘江流域城市群城市化進(jìn)程

本研究主要通過3個(gè)維度來表征長(zhǎng)株潭的城市化進(jìn)程：空間城市化、經(jīng)濟(jì)城市化、人口城市化。根據(jù)國內(nèi)外常見的城市化發(fā)展階段劃分方法[17]，可知人口城市化低于30%是緩慢城市化時(shí)期，30%～70%是快速城市化時(shí)期。研究表明，在15年間，長(zhǎng)株潭城市群處于快速城市化時(shí)期，3個(gè)城市化指標(biāo)都呈上升趨勢(shì)(圖4)。空間城市化的變化率為114%。本研究的空間城市化率是指建成區(qū)面積與研究區(qū)的總面積的比值。例如2015年，長(zhǎng)株潭的區(qū)域總面積為28 096 km2，建成區(qū)面積為530.09 km2，所以空間城市化率為1.890%。經(jīng)濟(jì)城市化相對(duì)2001年來說提高了30.75%，人口城市化相對(duì)2001年的變化率為64.76%。通過表5分析，空間城市化數(shù)值的增加表明城市建成區(qū)的面積越來越大，出現(xiàn)逐漸擴(kuò)張的趨勢(shì)，在一定程度上一部分林地、耕地、水體等用地將要變?yōu)槌鞘薪ㄔO(shè)用地。近15年來，研究區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，第二、第三產(chǎn)業(yè)都在飛速增長(zhǎng)，人口也隨之不斷增加。城市化率越高，與自然的矛盾就會(huì)日益凸顯，例如城市化改變了下墊面，導(dǎo)致洪澇災(zāi)害的加劇，對(duì)水資源的需求增大，導(dǎo)致水資源污染嚴(yán)重，水資源短缺等。

圖 4 2001年至2015年研究區(qū)三維城市化率變化Figure 4 Changes of urbanization in research area from 2001 to 2015

3.3 長(zhǎng)株潭城市群水系特征分析

3.3.1 數(shù)量特征

表 5 水系數(shù)量特征總體變化Table 5 Overall changes in quantitative characteristics of river network systems

年份河流長(zhǎng)度/km河網(wǎng)密度/(km·km-2)水系面積/km2水面率/%2001年2 912.056(總長(zhǎng)度)0.104616.7722.2001 122.491(一級(jí)支流)1 511.779(二級(jí)支流)2015年2 809.559(總長(zhǎng)度)0.100592.5922.1001 077.144(一級(jí)支流)1 454.629(二級(jí)支流)

表 6 水系形態(tài)結(jié)構(gòu)特征變化Table 6 Changes in morphological and structural characteristics of river network systems

年份支流發(fā)育系數(shù)/(km·km-1)干流面積長(zhǎng)度比/(km2·km-1)2001年1級(jí)支流4.041.852級(jí)支流5.442015年1級(jí)支流3.881.842級(jí)支流5.24

基于對(duì)長(zhǎng)株潭2001年和2015年的遙感影像對(duì)水系的提取，計(jì)算表5中的數(shù)量指標(biāo)，可以得出近15年來，各數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)衰減的趨勢(shì)。從總體上看，長(zhǎng)株潭城市群的河流長(zhǎng)度由2 912.06 km減少到2 809.56 km，減少了102.5 km，減少了3.5%。河流縮減主要體現(xiàn)在湘江的支流，一級(jí)支流減少了45.3 km，二級(jí)支流減少了57.2 km，長(zhǎng)株潭區(qū)域干流的長(zhǎng)度變化不大。水系面積下降了3.92%，減少的水系面積主要是湖泊面積。河網(wǎng)密度由2001年的10.36%下降到了2015年的9.99%，長(zhǎng)株潭城市群的河流的集中程度有所下降，水系的調(diào)蓄能力也會(huì)大幅下降。

與長(zhǎng)三角等地區(qū)相比[18]，長(zhǎng)株潭區(qū)域的河網(wǎng)密度明顯偏低，這是因?yàn)殚L(zhǎng)三角地區(qū)是大江大河的下游，平原河網(wǎng)密布，此外研究的數(shù)據(jù)來源不同也是重要原因。水面率下降不明顯的原因在于，水系的保護(hù)受到越來越多的重視，也由于人民的生活需求日益增多，越來越多的公園內(nèi)人工湖的出現(xiàn)，例如梅溪湖，以及新建的一些水庫的出現(xiàn)，例如洮水水庫，有效地抑制了水面率的下降。盡管這在一定程度上恢復(fù)了一定的水面率，但是并不遵從自然水系的發(fā)展規(guī)律。

由此可見，研究結(jié)果所呈現(xiàn)的趨勢(shì)與國內(nèi)的上海、深圳等河網(wǎng)地區(qū)的相關(guān)研究結(jié)果有一定一致性[19-22]。15年來，一直在對(duì)長(zhǎng)株潭河湖水系進(jìn)行治理，例如對(duì)一些病險(xiǎn)水庫的治理擴(kuò)建，退耕還湖，對(duì)一些河道的疏通，通過這一些舉措增加了河湖的面積，也實(shí)施了一定規(guī)模的農(nóng)田水利工程建設(shè)。在此期間，主要任務(wù)是疏通淤積的河流，整合分散的堤防，新挖掘的灌溉溝渠，以及從湖泊和沼澤地開墾土地。主要目標(biāo)是控制農(nóng)田內(nèi)澇，增加耕地面積，保證農(nóng)業(yè)高產(chǎn)。同時(shí)，這些水利工程的建設(shè)也使許多末端河流衰減、被填埋，湖區(qū)急劇縮小，最終導(dǎo)致河網(wǎng)密度和水面率下降。與此同時(shí)，為了提高湖泊的蓄洪能力，許多原本被改造成農(nóng)田和魚塘的湖濱地區(qū)又重新回歸湖泊，有效遏制了湖泊面積急劇減少的趨勢(shì)。然而，由于氣候變化、泥沙淤積等自然因素，湖泊的自然收縮也導(dǎo)致了水系的減少。

3.3.2 形態(tài)結(jié)構(gòu)特征

長(zhǎng)株潭的主干河流面積長(zhǎng)度比變化不大(表6)，與長(zhǎng)三角的主干河流的研究結(jié)果一致，主要原因是1998年、2014年和2015年湘江發(fā)生過嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，流域防洪形勢(shì)嚴(yán)峻，所以相關(guān)部門一直都在采取有效的措施保護(hù)主干河流湘江，以此緩解洪澇災(zāi)害，例如修建新的排洪干道與拓寬原有湘江主干河道。2001年和2015年的河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)都呈下降趨勢(shì)，1級(jí)支流的支流發(fā)育系數(shù)下降了0.24，2級(jí)支流的支流發(fā)育系數(shù)下降了0.2。水系的穩(wěn)定程度都受到一定的影響，河網(wǎng)隨著城市化的進(jìn)程趨于主干化。研究區(qū)的支流發(fā)育系數(shù)較杭嘉湖平原的支流發(fā)育系數(shù)來看，杭嘉湖平原部分地區(qū)的支流發(fā)育系數(shù)下降明顯，從9.8下降到1.2[21]，而長(zhǎng)株潭水系有輕微波動(dòng)，相對(duì)來說是微小衰減。

3.4 水系時(shí)空變化分析

城市群水系變化存在明顯的空間差異，本研究將分別從長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3個(gè)城市的水系變化來探討。長(zhǎng)沙的河流長(zhǎng)度減少了63.4 km，占了長(zhǎng)株潭地區(qū)河流長(zhǎng)度減少量的61.9%。

表 7 長(zhǎng)株潭水系數(shù)量和形態(tài)變化Table 7 The number and morphological changes in the study area

區(qū)域年份河流長(zhǎng)度/km水系面積/km2河網(wǎng)密度/(km·km-2)水面率/%長(zhǎng)沙2001年1 271.1288.50.112.442015年1 207.7257.20.102.18株洲2001年1 117.2185.00.101.642015年1 121.7203.10.111.80湘潭2001年523.4143.30.12.862015年479.9131.70.12.63

長(zhǎng)沙的河湖水系面積減少了31.3 km2，減少了10.85%。而株洲的河湖水系面積增加了19.78%，河流長(zhǎng)度也增加了4.5 km。株洲水系面積增加的原因主要在于洮水水庫。洮水水庫建于2006—2009年，總庫容達(dá)到5.15億m3。河流長(zhǎng)度的增加是株洲區(qū)域內(nèi)湘江和淥水新開挖的一些河道。湘潭的河流長(zhǎng)度減少了8.31%，面積減少了11.6 km2(表7)。

圖 5 2001—2015年水系變化Figure 5 Changes of river network from 2001 to 2015

將兩期水系進(jìn)行疊加分析得到圖5，長(zhǎng)沙、株洲、湘潭都有河流和大量湖泊面積的萎縮，株洲有新增加的水庫。2015年，長(zhǎng)沙的人口城市化率為74.28%，株洲的人口城市化率為62.10%，湘潭的人口城市化率為41.72%，長(zhǎng)沙的城市化程度最高，河流的衰減也最為明顯，河流的長(zhǎng)度和河湖面積的減少在三市中最多。水面率和河網(wǎng)密度與城市化進(jìn)程呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，城市化程度越高，水系衰減越厲害。株洲的水系增加為特殊情況，在2009年修建了一個(gè)大面積的水庫，導(dǎo)致水面率的增加，也增加了一些河流的長(zhǎng)度。結(jié)合研究區(qū)資料分析與實(shí)地情況的掌握，上述湘江流域城市群水系的變化，與實(shí)際情況相符，城鎮(zhèn)建設(shè)用地的增加使得河流河道變窄，一些低等級(jí)的河道被填埋。但是2001年到2015年長(zhǎng)株潭城市群的城市化進(jìn)程逐漸趨于平穩(wěn)?？傮w而言，人類活動(dòng)對(duì)于水系的強(qiáng)干擾已是不爭(zhēng)的事實(shí)[23-26]。2015年后隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)于自然保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，城鎮(zhèn)化對(duì)河流的影響依然存在，但對(duì)河流水系的保護(hù)意識(shí)會(huì)越來越強(qiáng)，水系與城鎮(zhèn)的發(fā)展會(huì)逐漸走向和諧發(fā)展的良性階段。

4 結(jié)論

本研究選取2001年和2015年共14幅Landsat遙感影像，利用歸一化差異水體指數(shù)NDWI，結(jié)合GIS技術(shù)，與人工目視解譯相結(jié)合，反復(fù)校準(zhǔn)水系，從而提取可靠的湘江流域城市群湘江干流和一二級(jí)支流水系資料，對(duì)湘江流域城市群的河網(wǎng)密度、水面率、支流發(fā)育系數(shù)和面積長(zhǎng)度比等水系形態(tài)格局演變規(guī)律進(jìn)行了研究，從數(shù)量特征和形態(tài)結(jié)構(gòu)特征兩方面對(duì)研究區(qū)水系進(jìn)行了分析。結(jié)論如下：

(1)近15年來，湘江流域城市群的河流水系伴隨著城市化進(jìn)程呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。主要表現(xiàn)在河流長(zhǎng)度和河網(wǎng)密度的減少，河流長(zhǎng)度減少了102.5 km，河網(wǎng)密度減少了0.46%，一二級(jí)支流的支流發(fā)育系數(shù)降低，河網(wǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定度有所下降，河流趨向主干化。相對(duì)干流和一級(jí)支流，二級(jí)支流更容易受人類活動(dòng)的影響。

(2)相對(duì)于地貌發(fā)育的長(zhǎng)時(shí)間尺度而言，短時(shí)間尺度內(nèi)，水系的演變受城鎮(zhèn)化影響劇烈，二者表現(xiàn)出較為明顯的正相關(guān)性。從空間尺度上看，湘江流域城市群中，城鎮(zhèn)化率最高的長(zhǎng)沙，研究期內(nèi)的河網(wǎng)密度、水面率和支流發(fā)育系數(shù)均下降，說明一定程度上水系的數(shù)量下降，水系的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化；而相對(duì)而言，湘潭水系的結(jié)構(gòu)變化不大。株洲因新修水庫成為特例。隨著城鎮(zhèn)的發(fā)展與人類對(duì)于環(huán)境要求的提高，保護(hù)人居環(huán)境意識(shí)的提高，水系與城鎮(zhèn)發(fā)展的良性循環(huán)將越來越好。

本研究只對(duì)研究區(qū)2001年和2015年的數(shù)量特征和結(jié)構(gòu)特征的演變進(jìn)行了探討，在今后的研究中，可增加歷史水系，深入分析研究區(qū)水系演變規(guī)律與長(zhǎng)時(shí)段城鎮(zhèn)化的關(guān)系。