李子貽,許有鵬,何玉秀,王 強(qiáng),林芷欣,于志慧,高 斌

南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 南京 210023

河流系統(tǒng)是社會生產(chǎn)、生活與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)[1]。近年來,以城市化為代表的人類活動(dòng)導(dǎo)致了區(qū)域不透水面積擴(kuò)張、水系數(shù)量銳減、連通性下降、河道干渠化、魚類洄游受阻等現(xiàn)象[2- 5],使得區(qū)域匯流時(shí)間縮短,洪澇調(diào)蓄能力減弱,易形成“小水大災(zāi)”、水質(zhì)下降、生態(tài)環(huán)境惡化等問題[6- 10]。城市化導(dǎo)致的水系變化及其所引發(fā)的水文生態(tài)效應(yīng)成為了國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

不同的城市化發(fā)展階段由于對河流水系功能存在不同需求,人類活動(dòng)對其進(jìn)行改造所產(chǎn)生的影響也存在差異。緩慢城市化時(shí)期,為保障農(nóng)業(yè)高產(chǎn),人們對原有河道進(jìn)行疏浚、裁彎取直、圍湖造田等,最終導(dǎo)致河網(wǎng)密度、水面率和河流曲度劇烈衰減[11-12]；快速城市化時(shí)期,為了保障城市防洪安全,主干河道被拓寬,加之城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致大量末級河道被填埋,河流水系復(fù)雜性急劇下降[13]；而新時(shí)期人類改造河流還會受到水生態(tài)、水環(huán)境、水景觀、水文化等理念因素影響。

目前,針對城市化下水系變化的定量分析,多是采用與河流地貌學(xué)相關(guān)的指標(biāo)[14]。Sear等發(fā)現(xiàn)受到城市化強(qiáng)烈干擾,世界上60%的河流其發(fā)育過程都發(fā)生了變化[15]；Chin等將河流對城市化的適應(yīng)過程劃分為反應(yīng)階段、張弛階段和平衡階段[16]；Gregory等總結(jié)出在城市化的影響下英國Monk河流域河槽特征發(fā)生顯著改變[17]；袁雯等提出了土地利用類型變化帶來的平原河網(wǎng)演變可能具有“自然型-井型-干流型”的發(fā)展趨勢[18]；吳雷等采用格網(wǎng)化的方式分析了城市化發(fā)展與河流水系演變的空間異質(zhì)性[19]；張鳳等刻畫了城鎮(zhèn)體系和水系結(jié)構(gòu)演化特征及其時(shí)空關(guān)系,證實(shí)兩者具有不同的時(shí)空演化方向[20]。

分形理論成功揭示了水系結(jié)構(gòu)特征中的由整體到部分、由宏觀到微觀之間的關(guān)系[21-25]。然而流域系統(tǒng)十分復(fù)雜,可以劃分出許多地形、構(gòu)造、氣候等自然發(fā)育條件各異的子流域,各個(gè)子流域有其單獨(dú)的分形,因此大型水系屬于多重分維范疇[26]。近年來,學(xué)者針對多重分形方法展開許多有益嘗試[27-28],在流域地形地貌刻畫[29]、水文過程模擬[30]及流域景觀特征分析[31]等方面取得良好進(jìn)展。

根據(jù)上述背景,人們對城市化下水系演變特征有了更為深刻的理解。但現(xiàn)有多重分形研究大都用來刻畫流域地貌形態(tài)特征,對水系結(jié)構(gòu)的描述也多集中在山區(qū)或者重點(diǎn)在揭示水系多分維對水文過程的影響等方面,在平原河網(wǎng)地區(qū)應(yīng)用較少。杭嘉湖地區(qū)地處太湖平原南部,河道密布,社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速,水系變化深刻,加劇了區(qū)域洪澇災(zāi)害,部分學(xué)者從水利片區(qū)[12-13]、城區(qū)-郊區(qū)[11]等宏觀、微觀尺度分析了城市化對河流水系變化的影響,而以縣級行政區(qū)為分析單元的研究仍較為少見。為此,本文基于1∶50000地形圖獲取的1980s與2010s水系數(shù)據(jù),在分析水系數(shù)量和形態(tài)特征的基礎(chǔ)上,融合多重分形理論與地理加權(quán)回歸模型,探究平原河網(wǎng)地區(qū)城市化和水系演變之間的關(guān)系,以期為保護(hù)我國城市化地區(qū)的河流水系、實(shí)現(xiàn)人類與河流系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

杭嘉湖地區(qū)(30°09′—31°02′N、119°52′—121°16′E)位于太湖流域南部,錢塘江及杭州灣以北,黃浦江以西,浙西丘陵區(qū)以東,總面積約為7607萬km2,是太湖流域面積最大的平原區(qū),且整個(gè)地勢呈現(xiàn)西南高東北低的格局。自更新世以來該區(qū)經(jīng)受過多次海浸、海退,對地貌產(chǎn)生很大影響,湖相、河相、海相交叉,加之人類有史以來造田耕作,形成水田和旱地鑲嵌、河浜縱橫交錯(cuò)的現(xiàn)狀。研究區(qū)地處我國東部季風(fēng)區(qū),屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,雨熱同期,多年平均溫度16—18℃,多年平均降水在1100—1500 mm,受季風(fēng)強(qiáng)弱影響,降水年際變化較大。區(qū)內(nèi)河道縱橫交錯(cuò),發(fā)育程度高,是典型的平原河網(wǎng)區(qū)(圖1)。

圖1 杭嘉湖地區(qū)示意圖Fig.1 Location of the Hangzhou-Jiaxing-Huzhou region

1.2 數(shù)據(jù)與方法

1.2.1數(shù)據(jù)獲取

基于1∶50000地形圖獲取的1980s和2010s的河流水系資料,分析杭嘉湖地區(qū)近30年來的河流水系演變特征。其中1980s水系數(shù)據(jù)由1∶50000紙質(zhì)地形圖經(jīng)數(shù)字化處理獲得,2010s水系數(shù)據(jù)源于1∶50000數(shù)字線劃圖。由于研究區(qū)地勢平坦,河道密集且縱橫交錯(cuò),難以按照傳統(tǒng)的Strahler、Shreve等規(guī)則進(jìn)行河流分級。綜合考慮到河流的自然特性和社會功能,本文一般將寬度大于20 m的河流劃為一級河流,即為主干河流；將寬度為10—20 m的河流劃為二級河流,同時(shí)也是一級支流；將寬度小于10 m的河流劃為三級河流(二級支流)。其中,干流在河網(wǎng)中主要起泄洪排澇的作用,而支流主要起調(diào)蓄功能。遙感影像選取1991年、2015年的Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù),分辨率均為30 m,對其進(jìn)行影像剪裁、拼接等處理,根據(jù)研究區(qū)土地利用類型特點(diǎn)與研究需要將土地利用類型劃分為城鎮(zhèn)、水田、旱地、林草地和水域五類。經(jīng)調(diào)查驗(yàn)證,兩期遙感影像解譯精度均超過80%,Kappa系數(shù)達(dá)到0.80,解譯結(jié)果可信。采用1990年與2015年的社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)源自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)。其中,人口空間分布網(wǎng)格數(shù)據(jù)集精度為1 km,單位為人/km2,該數(shù)據(jù)集反映了人口數(shù)據(jù)在全國范圍內(nèi)的空間分布狀況；國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)空間分布網(wǎng)格數(shù)據(jù)集精度為1 km,單位為萬元/km2。

杭嘉湖地區(qū)城市化發(fā)展較快,人口密集,河網(wǎng)水系受城市化影響較為深刻。本文以人口密度、GDP密度及空間城市化水平3個(gè)指標(biāo)表征杭嘉湖地區(qū)的城市化發(fā)展(圖2)。1990—2015年研究區(qū)人口密度出現(xiàn)了較大幅度(101%)的增長,東北和西南地區(qū)為近幾十年來人口集聚速率最大,集聚程度最高的區(qū)域。GDP密度總體增長幅度為33%,各縣區(qū)經(jīng)濟(jì)雖出現(xiàn)不同程度的增長,但貧富差距趨于擴(kuò)大化。空間分布上,經(jīng)濟(jì)快速增長主要集中在東北部沿海開放區(qū)及西南地區(qū)。城市發(fā)展主要通過城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張實(shí)現(xiàn),1990—2015年杭嘉湖地區(qū)空間城市化水平上升幅度達(dá)31%,有明顯提高,但城市化發(fā)展的速率差異越來越大。城市化水平越高,城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張?jiān)铰?；相?在城市化水平較低的區(qū)域,城鎮(zhèn)用地增幅較大。依據(jù)2015年空間城市化水平,本文將杭嘉湖地區(qū)各縣級行政單元?jiǎng)澐譃榈投瘸鞘谢瘏^(qū)(≤30%)、中度城市化區(qū)(30%—50%)和高度城市化區(qū)(>50%)三類[12]。

圖2 1990—2015年杭嘉湖地區(qū)城市化進(jìn)程Fig.2 The urbanization of Hangzhou-Jiaxing-Huzhou region from 1990 to 2015

1.2.2水系演變特征參數(shù)

河流水系演變特征主要體現(xiàn)在水系的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和形態(tài)等方面。多重分形特征不僅能夠反映出水系結(jié)構(gòu)整體的復(fù)雜程度,更能夠有效刻畫水系分布的均勻性與集中度。本文綜合國內(nèi)外關(guān)于水系指標(biāo)的基礎(chǔ)上,選取了河網(wǎng)密度Rd[13]、水面率Wp[11]描述水系數(shù)量特征,結(jié)構(gòu)特征通過計(jì)算水系多分維譜得到的奇異指數(shù)分布范圍Δα及多重分形譜高差Δf表征,形態(tài)特征選取河流曲度Sr[11]、干流面積長度比Rm[13]進(jìn)行定量刻畫。

分形維數(shù)的計(jì)算方法有兩種：一種基于Horton定律,其實(shí)質(zhì)是分形遞歸,但僅基于現(xiàn)象表述的角度開展研究[21,32- 33]；另一種則是計(jì)盒法,也是最為簡單且應(yīng)用最廣的水系分形維數(shù)計(jì)算方法[34]。本文以水系長度為目標(biāo)量,通過計(jì)盒法統(tǒng)計(jì)研究區(qū)水系長度分布概率。用邊長為ε×ε的盒子覆蓋整個(gè)河網(wǎng)水系,統(tǒng)計(jì)第i個(gè)盒子中的水系長度總和Mi(ε),Mi(ε)與全流域所有盒子內(nèi)水系長度值的總和M之比即為第i個(gè)盒子內(nèi)的水系分布概率Qi(ε)。公式如下：

(3)

式中,Qi(ε)為第i個(gè)盒子內(nèi)的水系分布概率,Mi(ε)為第i個(gè)盒子中的水系長度和,M為流域內(nèi)的水系總長度。

在水系分布概率Qi(ε)的基礎(chǔ)上,分別通過式4、式5與式6計(jì)算得到配分函數(shù)Xq(ε)、質(zhì)量指數(shù)τ(q)。

(4)

式中,N(ε)為覆蓋水系的盒子中所有非空盒子的數(shù)目；q∈(-∞, +∞),為權(quán)重因子。q值不同反映水系分布概率Qi(ε)在配分函數(shù)Xq(ε)中的具體作用不同。本文結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況,設(shè)置q∈[-4, +4],計(jì)算步長為0.5。

Xq(ε)∝ετ(q)

(5)

如果研究區(qū)內(nèi)水系分布概率Qi(ε)具有多重分形特征,則配分函數(shù)Xq(ε)與盒子邊長ε具有式5所表示的關(guān)系。對配分函數(shù)Xq(ε)與盒子邊長ε分別取自然對數(shù)(式6),其自然對數(shù)之比即為質(zhì)量指數(shù)τ(q)。

(6)

通過對質(zhì)量指數(shù)函數(shù)τ(q)-q進(jìn)行Legendre變換,得到多重分形譜函數(shù)f(α)-α(式7)。

(7)

式中,α(q)為奇異指數(shù)函數(shù),表征水系分布的不規(guī)則程度；f(α)為多重分形譜函數(shù)。

(1)多重分形譜奇異指數(shù)分布范圍Δα

在多重分形譜函數(shù)f(α)-α中,奇異指數(shù)分布范圍Δα定量地表征了分形體內(nèi)最大概率子集和最小概率子集的對比關(guān)系,反映了區(qū)域內(nèi)部水系結(jié)構(gòu)的差異化程度。也就是說,Δα數(shù)值越大,各子集概率的兩極化趨勢越明顯,區(qū)域內(nèi)部水系結(jié)構(gòu)疏密差異越大,分布越不均勻；Δα數(shù)值越小,水系分布的均勻性越好。其計(jì)算公式如下：

Δα=αmax-αmin

(8)

式中,αmax與αmin分別表示奇異指數(shù)的最大值和最小值。

(2)多重分形譜高差Δf

多重分形譜高差Δf可根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算。

Δf=fαmin-fαmax

(9)

多重分形譜高差Δf主要表征流域內(nèi)具有相同奇異指數(shù)α的水系結(jié)構(gòu)變化趨勢,即水系分布的集中度。Δf> 0,即最小概率子集的數(shù)目小于最大概率子集的數(shù)目,區(qū)域內(nèi)水系分布較為集中；若Δf< 0,則研究區(qū)水系呈分散分布；若Δf=0,則表示大小概率子集的數(shù)目相等,二者對水系分布的影響相當(dāng)。

1.2.3地理加權(quán)回歸模型

地理加權(quán)回歸模型(Geographically Weighted Regression,GWR)是一種對區(qū)域內(nèi)自變量和因變量之間的變化關(guān)系進(jìn)行建模的非參數(shù)局部空間回歸模型[35-36]。該模型利用隨著空間位置不同而發(fā)生變化的參數(shù)來估計(jì)結(jié)果,量化反映數(shù)據(jù)之間的空間響應(yīng)關(guān)系。其公式如下：

(10)

式中,yi為i點(diǎn)的因變量值,xik(k=1,2,…m)為影響因變量yi變化的自變量,(ui,vi)為i點(diǎn)的坐標(biāo),β0(ui,vi)為截距,βk(ui,vi)(k=1,2,…m)為斜率,即回歸系數(shù),εi則為誤差項(xiàng)[37]。

2 結(jié)果分析

2.1 杭嘉湖地區(qū)水系特征及其演變規(guī)律

2.1.1數(shù)量特征演變規(guī)律

1980s—2010s研究區(qū)平均河網(wǎng)密度減少態(tài)勢明顯,衰減率為10%(圖3)。杭州市的衰減率達(dá)20.5%,近30年該市河網(wǎng)密度降低了1/5,可見城市的快速發(fā)展對自然水系的巨大沖擊。就空間分布而言,河網(wǎng)密度在1980s基本呈現(xiàn)自東向西逐漸減小的格局,2010s分布則相對隨機(jī)。且高值區(qū)(4.01—5.00 km/km2)從地區(qū)東部的集中分布演化為以平湖為核心,在上海都市圈快速城市化影響下,松江和金山的河網(wǎng)密度受到不同程度的影響而逐漸下降。太湖平原與錢塘江作為推動(dòng)長三角經(jīng)濟(jì)發(fā)展的載體與紐帶,其沿岸及周邊地區(qū)水系受城市化影響較大,河網(wǎng)密度低值區(qū)逐漸趨于沿太湖和錢塘江分布。

水面率分布的總體格局較為穩(wěn)定(圖3)。兩個(gè)時(shí)期水面率中、高值區(qū)主要沿太湖分布,而水面率較小的區(qū)域則集中在地區(qū)東部和南部,大致沿錢塘江分布。從數(shù)值上看,1980s研究區(qū)平均水面率為9.72%,最大值和最小值分別為20.4%和3.4%；而2010s平均水面率為8.43%,最大與最小分別為18.9%和1.2%?？梢?近30年杭嘉湖地區(qū)平均水面率降幅達(dá)13%,衰減幅度較大,最低水面率均在南湖區(qū),其降幅更加劇烈(64.7%)?？傮w上,研究區(qū)水面率的空間分布格局改變不大；就變化率與數(shù)值而言,區(qū)內(nèi)湖泊等水體縮減明顯。

2.1.2多重分形特征演變規(guī)律

1980s—2010s杭嘉湖地區(qū)大部分區(qū)域的奇異指數(shù)分布范圍Δα大于1,相對較大,說明水系分布不規(guī)則,疏密程度差異性較高(圖4),這是由于平原河網(wǎng)區(qū)的水系縱橫交錯(cuò),分布情況比較復(fù)雜。從Δα變率看,研究區(qū)Δα增大趨勢明顯,表明杭嘉湖地區(qū)水系結(jié)構(gòu)的均勻性持續(xù)變差,分布更不規(guī)則,以錢塘江沿岸最為突出。兩個(gè)時(shí)期中以2010s吳興區(qū)Δα最大,為1.547,與1980s相比增加了103%。中等大小的Δα(1.11—1.30)分布格局變化比較明顯,由1980s連片分布于地區(qū)南部和中西部演化為2010s基本沿錢塘江和以青浦、金山區(qū)為次級核心分布,表明錢塘江沿岸以及青浦、金山區(qū)近30年來內(nèi)部水系趨于破碎化。而Δα低值區(qū)(小于1.10)呈現(xiàn)出沿太湖分布的趨勢。

圖3 杭嘉湖地區(qū)水系數(shù)量特征變化及空間分布Fig.3 Variation and spatial distribution of river network quantitative characteristics

圖4 杭嘉湖地區(qū)水系多重分形特征變化及空間分布Fig.4 Variation and spatial distribution of river network multifractal characteristics

1980s和2010s水系多重分形譜高差Δf平均值分別為1.04和1.05,均大于1,說明研究區(qū)的河網(wǎng)水系空間分布較為集中。就數(shù)值來看,1980s和2010sΔf最小值為0.61和0.71,最大值分別為1.27和1.34,均呈增大趨勢,表明20世紀(jì)80年代以來水系集中分布趨勢明顯?？臻g分布上,2010sΔf的高值區(qū)呈現(xiàn)往東南方向轉(zhuǎn)移的趨勢(圖4),錢塘江沿岸Δf變率普遍較大,且為正值,說明沿岸區(qū)域水系分布空間集聚度較1980s更大。

2.1.3形態(tài)特征演變規(guī)律

1980s—2010s杭嘉湖各區(qū)域的河流曲度均小于1.30,同時(shí)僅1980s海寧市的河流曲度超過了1.13(圖5)。相反,兩個(gè)時(shí)期中大部分區(qū)域的河流曲度均介于1.05—1.10之間,尤其是1980s,16個(gè)區(qū)域中有14個(gè)其河流曲度低于1.10,占比87.5%,說明平原河網(wǎng)地區(qū)絕大部分河流屬于順直型河流[38]。從河流曲度變化率來看,研究區(qū)平均河流曲度減小了0.5%,除嘉善、德清、吳興、南潯四個(gè)區(qū)域的河流曲度在2010s出現(xiàn)微小的增長,其余區(qū)域的河流曲度均呈略微下降的趨勢?？臻g上,河流曲度的分布格局變化主要表現(xiàn)為高值區(qū)(1.14—1.16)的消失與中值區(qū)(1.08—1.10)從較為集中的分布演變?yōu)橄鄬﹄S機(jī)的分布。

與河流曲度相比,干流面積長度比的分布格局變化更大(圖5)?？臻g上,干流面積長度比高值區(qū)(大于60.00)從以松江為核心演變?yōu)殡p核心分布(松江區(qū)和德清縣),較高值區(qū)(50.01—60.00)從西北部集中分布向以吳江區(qū)為核心演化。此外,低值區(qū)(30.01—40.00)從隨機(jī)分布變?yōu)榧蟹植荚跂|南部沿錢塘江和杭州灣一帶?？傮w看來,中、高度城市化區(qū)域的干流面積長度比增加幅度較大,如德清縣與杭州市的干流面積長度比增幅分別為18.4%和15.2%。這是因?yàn)楦闪魇浅鞘邪l(fā)展規(guī)劃的主要保護(hù)對象,為了緩解區(qū)域洪澇,拓寬主干河道與修建新的行洪河道成為城市可持續(xù)發(fā)展的必要選擇。

圖5 杭嘉湖地區(qū)水系形態(tài)特征變化及空間分布Fig.5 Variation and spatial distribution of river network morphological characteristics

2.2 城市化對水系演變的影響

杭嘉湖地區(qū)水系變化的空間分異現(xiàn)象較為顯著,傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型(如線性回歸、逐步回歸、主成分分析等)在研究過程中無法真實(shí)反映城市化對水系影響的空間分異特征。由于人口與GDP數(shù)據(jù)存在較強(qiáng)共線性,且城市化進(jìn)程對河流水系造成直接影響主要通過城市土地?cái)U(kuò)張實(shí)現(xiàn)。因此,本文分別構(gòu)建各水系指標(biāo)的變化率和空間城市化水平變化率之間的地理加權(quán)回歸模型,定量探討城市化和水系變化之間的空間響應(yīng)關(guān)系。

2.2.1城市化對水系數(shù)量特征的影響

中度城市化區(qū)域,河網(wǎng)密度顯著降低。在高度與低度城市化區(qū)域,水面率與城市化的空間響應(yīng)更為敏感。Rd-Urban表示以河網(wǎng)密度變化率為因變量、空間城市化水平變化率為自變量構(gòu)建的地理加權(quán)回歸模型,以此類推。從GWR模型回歸系數(shù)的空間分布可以看出,河網(wǎng)密度、水面率對空間城市化水平的響應(yīng)關(guān)系并非完全表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。Rd-Urban關(guān)系在高度城市化與低度城市化區(qū)域?yàn)檎嚓P(guān),在中度城市化區(qū)域則表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)(圖6),說明在中度城市化區(qū)域,河網(wǎng)密度衰減較為明顯；Wp-Urban關(guān)系在高度城市化與低度城市化區(qū)域?yàn)樨?fù)相關(guān),在中度城市化區(qū)域表現(xiàn)為正相關(guān)(圖6)。類似于Rd-Urban響應(yīng)關(guān)系,呈負(fù)相關(guān)則表明在高度與低度城市化區(qū)域,水面率受城市擴(kuò)張影響更易發(fā)生縮減。

圖6 城市化對水系數(shù)量特征的影響Fig.6 Effects of urbanization on the quantitative characteristics of river networksRd-Urban：河網(wǎng)密度變化率與空間城市化水平變化率的地理加權(quán)回歸模型,Rd-Urbanization;Wp-Urban：水面率變化率與空間城市化水平變化率的地理加權(quán)回歸模型, Wp-Urbanization

2.2.2城市化對水系多重分形特征的影響

杭嘉湖地區(qū)城市化的快速發(fā)展對水系多重分形特征影響的空間異質(zhì)性表現(xiàn)較為明顯。在Δα-Urban和Δf-Urban模型(圖7)中,回歸系數(shù)的空間分布均表現(xiàn)為：在高度和中度城市化區(qū)域?yàn)樨?fù)相關(guān),而在低度城市化區(qū)域則為正相關(guān)關(guān)系。這說明,隨著城市發(fā)展,低度城市化區(qū)域水系多重分形特征表現(xiàn)出復(fù)雜性增強(qiáng)、疏密程度差異擴(kuò)大的規(guī)律；在中度和高度城市化區(qū)域,水系不規(guī)則性減弱,趨于均勻化分布,主要是由于城市建設(shè)用地快速擴(kuò)張,干擾并破壞了河網(wǎng)的自然發(fā)育過程,導(dǎo)致大量末級支流被填埋,復(fù)雜多元的水系結(jié)構(gòu)趨于簡單化。從回歸系數(shù)大小來看,城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張能使杭嘉湖地區(qū)多重分形譜高差變化率最大增加0.1%—14.7%,即水系分布的空間集聚度變化幅度較大。

圖7 城市化對水系多重分形特征的影響Fig.7 Effects of urbanization on the multifractal characteristics of river networksΔα-Urban：奇異指數(shù)分布范圍變化率與空間城市化水平變化率的地理加權(quán)回歸模型, Δα-Urbanization; Δf-Urban：多重分形譜高差變化率與空間城市化水平變化率的地理加權(quán)回歸模型, Δf-Urbanization

2.2.3城市化對水系形態(tài)特征的影響

杭嘉湖地區(qū)河流曲度Sr及干流面積長度比Rm的變化均與城市化發(fā)展呈正相關(guān)關(guān)系。從回歸系數(shù)大小來看,研究區(qū)城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張能使局部區(qū)域河流曲度變化率最大增加0.1%—0.9%,干流面積長度比變化率最大增加0.1%—4.5%(圖8)。就空間分布而言,Sr-Urban及Rm-Urban模型回歸系數(shù)均存在從地區(qū)西南向東北方向逐漸增加的趨勢。兩個(gè)模型的回歸系數(shù)從大到小均排列為：低度城市化區(qū)域 >中度城市化區(qū)域 >高度城市化區(qū)域,表明城市化水平越低,形態(tài)特征演變越劇烈。

圖8 城市化對水系形態(tài)特征的影響Fig.8 Effects of urbanization on the morphological characteristics of river networksSr-Urban：河流曲度變化率與空間城市化水平變化率的地理加權(quán)回歸模型, Sr-Urbanization;Rm-Urban：干流面積長度比變化率與空間城市化水平變化率的地理加權(quán)回歸模型, Rm-Urbanization

3 討論

近30年杭嘉湖地區(qū)的水系變化較為劇烈。以杭州市為例,河網(wǎng)密度和水面率分別衰減20.5%、18.7%；河流曲度下降1.8%,干流面積長度比增幅達(dá)15.2%；奇異指數(shù)分布范圍減小11.1%,表明水系分布趨于均勻化。然而,從河網(wǎng)密度和水面率的角度看,其河網(wǎng)水系呈衰減狀態(tài)。這可能是由于在城市化等人類活動(dòng)的影響下,杭州市水系受擾動(dòng)劇烈,河道數(shù)量縮減,河網(wǎng)密度與水面率有所減小。但由于被填埋的多為各級支流,加之區(qū)域防洪需要,主干河道保留較為完整且有所拓寬,水系復(fù)雜性下降,趨于簡單化。

為進(jìn)一步探究不同城市化水平在轉(zhuǎn)變過程中對水系的影響,基于地理加權(quán)回歸模型統(tǒng)計(jì)得到“低-低、低-中、低-高、中-高”4種不同城市化水平轉(zhuǎn)變類型下各水系指標(biāo)的變化率和空間城市化水平變化率之間的局部回歸系數(shù)(圖9),從而反映不同區(qū)域城市化水平的變化對于水系的影響。在“低-低”類型下,城市化發(fā)展水平較低,水面率衰減以及形態(tài)特征演變更為劇烈,且水系空間分布局部集中程度(Δf)增加趨勢更為明顯；而在“低-中”及“低-高”情況下,水系分布存在向均勻化發(fā)展的變化趨勢,且城市化水平轉(zhuǎn)變幅度越大,河網(wǎng)密度變化越劇烈,水系均勻化分布趨勢越明顯。在“中-高”類型下,城市發(fā)展水平較高,受水面率控制及城市景觀生態(tài)發(fā)展需要等政策影響,加之末級河道被填埋,因此除河網(wǎng)密度受擾動(dòng)變化明顯外,其余水系特征值變化較小。

圖9 不同轉(zhuǎn)變類型下水系變化的城市化響應(yīng)Fig.9 Response of River network changes to urbanization under different transition typesRd-Urban：河網(wǎng)密度變化率與空間城市化水平變化率的地理加權(quán)回歸模型,Rd-Urbanization;Wp-Urban：水面率變化率與空間城市化水平變化率的地理加權(quán)回歸模型, Wp-Urbanization;Δα-Urban：奇異指數(shù)分布范圍變化率與空間城市化水平變化率的地理加權(quán)回歸模型, Δα-Urbanization;Δf-Urban：多重分形譜高差變化率與空間城市化水平變化率的地理加權(quán)回歸模型, Δf-Urbanization;Sr-Urban：河流曲度變化率與空間城市化水平變化率的地理加權(quán)回歸模型, Sr-Urbanization;Rm-Urban：干流面積長度比變化率與空間城市化水平變化率的地理加權(quán)回歸模型, Rm-Urbanization

4 結(jié)論

對太湖平原杭嘉湖地區(qū)水系變化及其與城市化的空間響應(yīng)進(jìn)行分析,得到如下結(jié)論：

(1)快速城市化背景之下,杭嘉湖地區(qū)水系變化較為劇烈。數(shù)量特征上,河網(wǎng)密度與水面率均呈減小的趨勢,近30年衰減幅度分別為10%和13%。多重分形特征上,2010s相比于1980s水系分布均勻性降低,空間集中程度增加。形態(tài)特征上,研究區(qū)多為順直型河流,且河流曲度總體呈略微下降的趨勢,干流面積長度比在中、高度城市化區(qū)域增幅較大。

(2)運(yùn)用地理加權(quán)回歸模型分析發(fā)現(xiàn),杭嘉湖地區(qū)水系變化對城市化的響應(yīng)在空間上存在較為明顯的異質(zhì)性。城市化水平越低,水系形態(tài)演變越劇烈。高度城市化區(qū)域,水面率受城市化影響顯著,水系分布均勻性增強(qiáng)；中度城市化區(qū)域,河網(wǎng)密度對城市化的響應(yīng)更為明顯,水系復(fù)雜性減??；而在低度城市化區(qū)域,以水面率與城市擴(kuò)張響應(yīng)更為敏感,且水系分布呈現(xiàn)局部集中程度增加、不規(guī)則性增強(qiáng)的趨勢。

(3)杭嘉湖地區(qū)存在“低-低”、“低-中”、“低-高”、“中-高”四種不同的城市化水平轉(zhuǎn)變類型。轉(zhuǎn)變類型不同,對水系的影響也存在差異。城市化水平未發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí),水面率衰減和形態(tài)特征演變更為劇烈,且水系空間分布集中程度呈增加趨勢；而在“低-中”及“低-高”情況下,水系有向均勻化分布的變化趨勢,且城市化水平轉(zhuǎn)變幅度越大,均勻化分布趨勢越明顯?！爸?高”類型發(fā)展過程中,受政策影響僅河網(wǎng)密度變化較為明顯。

河流水系在人類活動(dòng)的干擾下不斷演變,其中城市建設(shè)大量侵占各級河流,河道縮減使城市洪澇問題加劇。為此,人們又不斷疏浚、拓寬主干河道,使得水系結(jié)構(gòu)趨于簡單化?？梢?河流系統(tǒng)與人類活動(dòng)是相互反饋與制約的,二者在這種過程中相互協(xié)調(diào),達(dá)到河網(wǎng)水系演變適應(yīng)城市化發(fā)展的平衡態(tài)。然而,城鎮(zhèn)體系(城市群)的發(fā)展使得河流水系演變更加復(fù)雜,城鎮(zhèn)體系的空間結(jié)構(gòu)變化與水系結(jié)構(gòu)的時(shí)空演變關(guān)系以及適應(yīng)城市發(fā)展的各水系特征值的合理閾值區(qū)間仍待進(jìn)一步探究。