基于质量变异法的城市河网水系空间结构分异研究

刘长高

(大连金石滩国家旅游度假区农林管理中心，辽宁 大连 116650)

基于质量变异法的城市河网水系空间结构分异研究

刘长高

(大连金石滩国家旅游度假区农林管理中心，辽宁 大连 116650)

为客观评估辨识城镇化背景下城市河网水系空间分异特征，本文通过选取城市河网结构初始状态，阐明了城市水系空间结构分异辨识标准，进而基于质量变异法揭示了城市河网水系空间结构的分异进程。应用实例表明，质量变异法在城市河网水系空间结构分异评估中具有较强适用性，研究可为城镇化进程中城市水系空间分异评估与规划提供决策依据。

城市河网水系;质量变异法;分异进程

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

随着我国城镇化进程的持续推进实施，城市范围内涵盖河网水系以及土地植被等自然空间结构正遭受人为活动的严重扰动［1］。近年来，在人为要素及自然要素的双重扰动作用下，随着城市建设步伐的不断加快，城市河网水系空间结构正逐步发生分异变迁［2］。因此，通过辨识城市河网水系空间结构的分异规律，阐明水系结构演化趋势，对生态文明城市建设以及城市水系规划设计具备重要实践理论价值。受城镇化进程的影响，城市河网水系的分异程度亟待深入研究。传统辨识指标分异的理论主要包括贝叶斯法、有序聚类法以及秩检验法等方法模型，然而，上述理论通常基于较长基础数据系列，在城市河网水系空间结构历史统计数据匮乏的地区适用性较差［3］。鉴于此，本文通过采用质量变异理论，以期实现对河网水系统计数据相对匮乏的城市，实现其河网水系空间结构分析进程的评估。

1 城市河网水系空间结构分异评估准则

在城镇化建设背景下，城市河网水系相继实施一系列渠系顺直、裁弯取直以及河道水流管控等工程举措，从而造成城市水系结构变化并严重破坏了自然河网生态功能。近年来，部分城市河网水系空间结构逐步由自然密集型演变为井字型、干流型以及川字型，城市河网结构干流化以及单一化趋势十分显著［4］。为了综合描述城市河网水系空间结构分异程度，本文选取分维数D分、河网分支比Rb、线点比β、河道曲度Rs、市政管网系数Cp、管排比值Rd、城市建设用地比值 Ru、环通度 α以及河道控制指标Rcon等九项要素作为河网水系空间结构分异评判指标。上述各指标中，分维数及河网分支比表示河网空间复杂水平;曲度表示河道平面形态弯曲水平，其范围介于1～2，其值越接近2表示河道越弯曲，即河网空间结构越好;线点比值表示河网空间结构复杂水平，其范围介于1～3，其值越大则河网水系越复杂，河网连通性越强;管排面积比值表示城市河网水系空间下垫面产汇流特征，代表城市水系由市政管网代替的水平;河道控制指标表示河道单位长度中涵洞、內桥、坝以及泵站、闸门的布设数量，代表人为扰动城市水系空间结构水平;环通度表示河网复杂水平，其范围介于0～1，其值越大则河网空间结构回路越多;城市用地比值表示下垫面产汇流变异程度［5］。上述各指标判别准则如表1所示。

表1 城市河网水系空间结构分异评估判别准则

2 城市河网水系空间结构分异进程评估

自然界中事物普遍存在两种发展阶段趋势，即为量变过程以及由量变引发的质变进程。量变反映出事物在数量方面所产生的变化，呈现出不明显的连续变化趋势;质变则代表事物根本特性的突变，反映事物形态渐进演化的中断。因此，自然界事物随着量变而不断发展，在量变到达临界极限时则发生质变，即旧事物演化为新事物［6］。综合描述量变进程应首先明晰其发展初始状态，在遵循事物分级标准基础上，推算其发生质变的临界极限允许距值M。

式中，M+与M-分别代表发生质变时的左、右极限临界允许距值;x+j、xj、x+j与x-j代表第j项要素发生质变时的左项、右项以及边界值;yjmax与yjmin表示第j项要素在标准等级中的最大与最小值［7］。其中，质变距值表示为:

式中，Dik表示由第i级别到第k级别发生质变的距离值;xij表示第i等级中第j项要素边界数值;xkj表示第k等级中第j项要素边界数值。其中，量变距值表示为:

式中，d表示由1状态发展为2状态时的量变距值;x2j与x1j表示处于2状态以及1状态时第j项要素数值。

因此，若 d＜M-，则自然事物未产生分异变化。若则表示自然事物产生 n等级分异变化。采用质量变异法平事物分异进程应遵循如下步骤:①首先明晰事物所处初始发展方向与位置;②推求事物发生质变时由1等级至n等级时距值D以及允许距值M;③推求事物发生量变时的距值［8］;④综合分异判别准则评估事物所产生的分异水平。

3 应用实例与分析

随着城镇化建设步伐的加快，我国北方某城市城市化人口比率持续上升，城市河网水系空间结构产生显著分异变化。因此，以1990年该城市河网水系空间结构为初始状态年份，选取城市河网结构产生较大变化的2000年、2005年以及2012年的城市河网水系空间结构特征为研究对象并实施分异评估。该城市河网水系空间结构要素指标值如表2所示。

表2 城市河网水系空间结构要素指标值

本次分析将该城市河网水系空间结构1990年时量变距值小于临界允许距值视作未产生分异。在1990年基础状态基础上分异至临近水系状态结构时视作可纠正分异。在1990年基础状态基础上分异至相隔水系状态结构时视作中等程度分异。在1990年基础状态基础上分异至相隔 n(n≥2)等级水系状态结构时视作严重分异变化。由表2可知，该城市1990年城市河网水系空间结构属于自然型式。同时，遵循表1所示分异判别准则，推求发生质变时的允许临界距值M、质变距值D以及2000、2005与2012年发生量变时的距值，如表3所示。

表3 城市河网水系空间结构分异判别

由表3可知，该城市河网水系空间结构由1990年至2000年、2005年以及2012年过程中，呈现出中等分异特征，城市河网水系空间结构整体表现处于M++D井+D川(川字型)与M++D井(井字型)之间过渡结构类型，城市进程造成河网水系空间结构逐步退化。同时，结合表2可知，该城市2000年、2005年以及2012年的河网水系空间结构分维数、河网分支比、线点比以及河道曲度均比1990年明显下降，表明该城市河网水系结构由1990年的自然型式逐步分异演变至井字型结构，同时趋向于川字型水系结构的分异进程，河网整体呈现为顺直化以及主干化的分异特征。此外，该城市市政管网系数以及城市建设用地比值其余年份均较1990年明显变大，即该城市河网水系空间结构由1990年的自然型式逐步分异演变至川字型式，同时有进一步分异为干流型式的趋势，表明该城市整体处于暗管化以及干流化分异进程中。城市管排比值、环通度与河道控制系数同样呈现分异特征，表明该城市河网水系空间结构遭受严重割裂破坏，堤防标准过高且控河工程过于密布，城市河网连通性遭到严重损害且整体表现为破碎分异趋势。

4 结语

我国城镇化进程的持续推进造成城市土地大面积开发，土地利用系数逐年扩大且侵占城市河网水系用地问题屡见不鲜，从而造成城市河网水系空间急剧萎缩，城市内水域占地面积逐步削减。同时，城市河网水系空间的侵占以及不合理的河道拓宽疏浚、河槽硬化、裁弯取直等措施加剧了城市内涝灾害，从而制约了河网水体生态环境功能的发挥。本文结合质量变异理论实现了对城市河网水系空间结构分异进程的评估，应用实例表明城镇化造成了城市河网水系空间结构分异，河网水系连通性下降且整体呈现破碎分析态势。质量变异法在城市河网水系空间结构分异评估中具有较强的适用性。研究可为城市河网水系空间结构评估及规划提供技术支撑。

［1］姚亦锋.南京城市水系变迁以及现代景观研究［J］.城市规划，2009(11):39-43.

［2］宋玲玲，程亮，孙宁.胶州三里河城市水系综合整治措施［J］.水利规划与设计，2015(08):20-23.

［3］陈浩，姜佳丽，许乙青.丘陵地区城市道路网与水系的共生策略［J］.规划师，2014(11):42-48.

［4］孟丽.北方城市生态水系规划设计［J］.水利规划与设计，2015 (05):19-20+23.

［5］孟祥永，陈星，陈栋一，张其成，朱引弟.城市水系连通性评价体系研究［J］.河海大学学报(自然科学版)，2014(01):24-28.

［6］徐雨竹，余志国，赵凤勤.城市防洪工程与城市建设探析［J］.水利技术监督，2015(06):27-28.

［7］张亮.水系变迁与合肥城市发展关系研究［J］.地域研究与开发，2014(03):166-171.

［8］孙庆磊，宁雷，杜辉.宁阳县城市水系规划探索与实践［J］.水利规划与设计，2011(05): 9-14.

TV211

A

1672-2469(2016)08-0074-03

2016-05-26

刘长高(1974年—)，男，工程师。