城市中心城区水系格局与连通性研究
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8能源技术与管理Energy Technology and Management2017年第42卷第6期V〇l.42N〇.6doi:10.3969/j.issn.1676-9943.6017.06.003
城市中心城区水系格局与连通性研究崇璇，薛丽芳，王晓薇，赵迪斐，薛美平(中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州221116)
[摘要]以徐州中心城区为研究对象，应用GIS、ENVI对研究区进行土地利用分析、水系格 局演变分析、水系连接度分析。结果表明，近10 a徐州市城市化进程迅速，建设用地 呈现出扩张趋势，总面积增加了 271.06 km2；徐州市中心城区水系结构变化体现在 河流长度减小、河网密度降低，但因湖泊面积增加引起水面率小幅增长；2、3级河流 数量及长度减少导致河网复杂度、河网发育指数降低。1995—2015年徐州市中心城 区水系连通性指数均呈下降趋势，高度的城市化往往伴随着水系连通性的必然降 低。[关键词]城市中心城区；水系格局；连接度;连通性[中图分类号]X522 [文献标识码]A [文章编号]1672-9943(2017)06蛳0008-04
0引言城市水系是构成城市自然环境的重要要素， 在保护生态环境中起到重要作用，在社会经济发 展过程中也会产生重要影响[1]。城市化过程中，人 类活动对水系的改造日益加强，流域土地的自然 特征会因水系改造而发生明显变化。不透水面面 积的增加及其影响下水系格局的改变会削弱城市 对水旱灾害的防御能力，增加洪灾风险[2]。随着中 国经济迅猛发展，城市扩张过程中常常忽视水系 对城市的支撑限制作用[3]，因此研究城市化进程 中水系格局及连通度的变化具有重要意义。目前国内关于城市化影响下的水系研究多侧 重于探究其水系结构的变化。近年来，水系连通性 也用于评价水系格局，研究区域集中在太湖、秦淮 河、南四湖流域，以及上海、深圳等地区。研究表 明，河网水系的连通度减弱会产生洪涝宣泄不畅 通等问题，进而导致水安全风险性增大[4]。本文以 徐州中心城区为例，选取水系结构与连通性指标， 并结合城市化影响下垫面变化对水系格局进行综 合评价。
1研究区概况与研究方法 1.1研究区概况徐州市位于江苏省西北部，市区面积3 037 km6, 包括泉山区、云龙区、鼓楼区、贾汪区和铜山区5 个区。徐州地貌属鲁中南剥蚀低山丘陵的南延部
基金项目：国家级大学生创新训练计划(202520290045)
分，气候为暖温带半湿润季风气候，年平均降水量 830~864 mm，汛期为6—9月份，雨季降水量占全 年的56%。徐州市地处古淮河的支流沂、沭、泗诸 水的下游，以黄河故道为分水岭，形成北部的沂、 沭、泗水系和南部的濉、安河水系。境内河流纵横 交错，湖沼、水库星罗棋布，废黄河斜穿东西，京杭 大运河横贯南北，东有沂、沭诸水及骆马湖，西有 夏兴、大沙河及微山湖。徐州中心城区水系分属3 个流域，故黄河因河床淤积堆高形成独立水系，故 黄河以南为奎濉河水系，以北为泗运河水系。1.2数据来源本文使用1995年和2015年徐州市范围 Landsat TM卫星遥感影像为基础数据源，遥感影 像空间分辨率为34 m。应用RS与GIS技术，对遥 感影像进行校正，使用监督分类方法，将土地利用 类型解译为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未 利用地6类。通过徐州市地形图对遥感影像进行 校正，提取1995年和2015年徐州市中心城区水 系数据，通过实地调研及谷歌地图进行修正。1.3水系格局与连通性评价体系构建本研究中选取的水系格局变化指标包括数量 特征、结构特征及连通度3类12项指标，如表1 所示。本文参考斯特拉勒(Strahler)水系分级方法 5,根据河流宽度对研究区水系分为3个级别： 河宽大于20 m为1级河流，河宽10~20 m为2级 河流，河宽5~10 m为3级河流。根据徐州市河流 实际宽度，1、2、3级河道宽度分别取值为20、15、 7.5 m。2017年12月Dec., 2017崇璇，等城市中心城区水系格局与连通性研究9
表1河网水系变化指标体系分类参数计算方法含义河流长度(L)区域内的河流总长度L区域内河流发育程度
水体面积(Aw)区域内的河流总面积Ar与湖泊总面积A,之和
区域内河流发育程度
数量特征河网密度(D)D=L/A，式中A为区域总面积区域内河流的集中程度水面率(W)W=(Aw/A)x100%反映水系的调蓄能力
湖泊率(p)P=(A/A)x100%反映对径流的调节作用
长度面积比(Rla)反映河流长度与河流面积发育的不同步性
河网发育系数KiKi=Li/L1，i>1，式中:L1为1级河流长度;Li为第i级河 流长度反映河网各级支流的发育程度
结构特征河网复杂度(CR) CR=Ni(L/L1)，式中Ni为河网等级数反映河网数量和长度的发育程度
河网结构 稳定度（R)
SR=lLt/Art)/iLt-n/Art-n)，n>0，t>n，式中 Lt、Art 与 Lt-
n、Art-n分别表示第t年和第t-n年区域河流总长度与 河流总面积反映河网结构的稳定程度
水系环度aa=(L-V+1)/(2V-5)反映河网水系实际成环水平的指标
连通度节点连接率/3
译=
L/V反映河网水系中每个节点连接水系能力的强弱
水文连接度Yy=LI3(V-2)反映河网水系中廊道之间相互连接能力的强弱
2结果与分析2.1研究区城市化发展进程城市化体现在城市人口增加、建设用地面积 扩大等方面，本文以建设用地比重作为城市化评 价指标，1995—2015年徐州市中心城区土地利用 面积变化如表2所示。表2 1995—2015年徐州市中心城区土地利用面积变化用地类型19952015面积变化量 /km2面积/km2比例/%面积/km2比例/%
耕地2 194.9770.711 924.3761.99-270.6林地259.098.35257.388.29-1.71草地35.51.1434.551.11-0.95水域144.964.67147.164.742.2建设用地466.1315.02737.1923.75271.06未利用地3.430.113.430.110从表2可以得出，1995—2015年建设用地增 加了 271.06 km2，其比重由15.02%增加到了 23.75%，年均增长 27.1 km2。徐州市中心城区土地利用变化转移矩阵如表 3所示。表3 1995—2015年徐州市中心城区土地利用变化转移矩阵 单位:km2
2015 年用地类型耕地林地草地水域建设用地未利用地总计
耕地 1 923.252.941.74267.042 194.971995 林地0.08253.950.14.96259.09年草地34.270.091.1435.5水域1.010.490.28142.980.2144.96
续表2015 年用地类型耕地 林地草地 水域建设用地未利
用地总计
建设用地
1年5未利年 用地
0.032.25463.85466.13
3.433.43总计 1 924.37 257.3834.55 147.16737.193.433 104.08从表3可以得出，1995—2015年水域面积增 加了 2.2 km2,期间水域转为建设用地0.2 km2,建 设用地转为水域2.25 km2。在城市化过程中，徐州 中心城区水域小部分转为其他类型土地，又从建 设用地及其他类型土地转回水域，其水域总面积 没有降低，反而略有增高。2.2水系格局变化2.2.1研究区水系的时空变化特征随着城市化进程的发展，徐州中心城区的河 流总长度减少了 98.5 km，除1级河流长度增加了 1.5 km，2级与3级河流长度均呈现出下降趋势， 共减少了 100 km。在平原地区，为满足蓄水防洪 的需求，对1级河流会进行拓宽取直，因此1级河 流的长度和面积会略有上升。结合表3分析，2、3 级河流为满足耕地、建设用地等需求会被充填。由 于2、3级河流宽度较低，加之1级河流长度的增 加，因此河流总面积减少不是很明显。城市化过程 中，为满足人类需求，在城市中增加水景观，如贾 汪区于2012年开始改造采矿塌陷区为潘安湖湿 地公园，一定程度上使得湖泊面积增加。湖泊面积 从1995年的7.29 km2增加到11.36 km2，增加了 4.07 km2。水域总面积增加了 2.89 km2.该结果与土10能源技术与管理Energy Technology and Management2017年第42卷第6期
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地利用转移矩阵结果大体一致。 分类如图1所示。1995—2015年徐州市中心城区徐州市中心城区1995年与2015年土地利用 不同等级河流变化如表4所示。
N
N(a) 1995 年(b) 2015 年图1徐州市中心城区1995年与2015年土地利用分类
图例中覆盖度草地 低覆盖度草地 其他建设用地 ■■其他林地 农村居民点 城镇用地 旱地 有林地 ■■水库坑塘 水田河渠 圓湖泊
■■滩地 疏林地二]裸岩石砾地 高覆盖度草地
表4 1995—2015年徐州市中心城区不同等级河流变化情况河流 ___________1级河流______________________2级河流______________________3级河流_______________________合计___________变化 1995年 2015年 变化量 1995年 2015年 变化量 1995年 2015年 变化量 1995年 2015年 变化量长度/km 244.50 246.00 1.50 1 293.50 1 231.50 -6.00 2 072.50 2 034.50 -38.00 3 610.50 3 512.00 -98.50面积/km2 4.89 4.92 0.03 19.40 18.47 -0.93 15.54 15.26 -0.29 39.84 38.65 -1.19
2.2.2水系结构变化1995年到2015年徐州市中心城区水系结构 参数变化如表5所示，徐州市中心城区1995年与 2015年线状水系分布如图2所示。从表5可以看 出，近10 a中，研究区河网密度减少了 3.2%，但水 面率和湖泊率均增加了近0.1%，进一步证明了湖 泊面积的增加主导了水域面积的上升；河网复杂 度减小了 1.471，表明河网结构变得简单，支流水 系数量减少;河网的干支流比例结构发生变化，2、 3级河流发育系数均有减少，产生该结果的原因 与上一条一致，说明支流数量的减少是导致河网 结构向简单化发展的主要因素。
表5 1995—2015年徐州市中心城区水系结构参数变化水系参数1995 年2015 年变化量河流长度/km3 610.5003 512.000-98.500
