基于GIS的娄底市河流廊道宽度确定方法研究

2017-09-03程灿辉许乙青

福建质量管理 2017年10期

关键词：缓冲带娄底市缓冲区

程灿辉许乙青

(湖南大学湖南长沙 410000)

基于GIS的娄底市河流廊道宽度确定方法研究

程灿辉许乙青

(湖南大学湖南长沙 410000)

根据河流廊道的特征和结构，研究河流廊道宽度确定方法；以湖南省娄底市为例，根据100年一遇的洪水淹没范围、行洪断面和现有堤防范围，综合确定河道和河漫滩宽度，硬化的河道部分宽度被严重缩小，因此需大致确定其自然河道范围，采用GIS分析硬化河道缓冲带和整条河流自然河道缓冲带，对两者进行特征比较，选出与硬化河段特征大致相同的自然河道缓冲带，通过剖面大致确定硬化河道自然边界；同时，根据河流廊道不同的特征和问题以及土地利用情况，将河流廊道分成3段，以500m一个单位，将各段河流分成若干段，通过CAD建立每点的剖面图和高层数据，以GIS缓冲分析和宽度与坡度关系式的结合确定各个单位河岸带点的位置，连接各点得出河岸带的位置，以缓冲区为界，超出的点可省略。

河流廊道；宽度；GIS定量分析；土地利用

随着社会的发展，城市的生态环境受到严重破坏，城市内水体污染严重，河流大面积被填埋，整体河流廊道受到人为干预和破坏，尤其在城市中心区段。河流廊道的建立，可以保护洪乏区以及滨河湿地，提高河流的洪水调蓄能力；对水生和滨水栖息地生物有恢复和保护作用；对水质的保护，以及可控制泥沙和农业区的面源污染；提高环境的舒适性和休闲娱乐价值。但这些功能的实现都需要给予河流廊道一定的宽度，才能更好的发挥。

一、河流廊道的概念

河流廊道的概念出于景观生态学理论。Forman主要从空间结构来定义，认为河流廊道是指沿河流分布而不同于基质的植被带；从河流廊道的功能和价值方面，Gardiner和Cole认为河流廊道是河流及因河流的存在而具有现有的或者潜在价值的土地，价值包括休闲娱乐、自然资源的保护和环境的友好等；从河流廊道的连续性方面，Petersen认为河流与周围之间的地带，称为河岸带或缓冲带，流域有一定长度时，才得称为河流廊道。河流廊道的定义较多。本文综合各个对河流廊道的定义，针对研究主题，将河流廊道定义为：由河岸带、河道和河漫滩组成，具有一定连续性和宽度的线性廊道。

二、河流廊道的结构组成和功能

(一)河流廊道的结构组成

从景观生态学的角度研究，河流廊道的结构主要由五部分组成：河道、河漫滩、边坡、河堤，部分高地。

河流廊道有着各种各样的形态，但是大部分的河流廊道由三部分组成：河道、河漫滩和河岸带。河流廊道的宽度主要由这三部分决定，河道和河漫滩的宽度决定着其对洪水的缓冲能力，河岸带(也叫河岸植被带)的宽度决定着是否能形成足够的内部环境，为陆生动物提供迁徙通道，这也决定着物种的丰富度。并且在一定程度上能截留污染物。

(二)河流廊道的功能

城市河流廊道总体来说具备两大块的功能，一个社会廊道功能，另一个自然廊道功能。从社会廊道功能出发分析，它包括经济、历史文化遗产、景观等功能，景观功能可表现为城市中的滨水公共空间可以给城市民众提供休闲娱乐场地，历史文化遗产功能表现为城市的历史往往也反应河流历史，城市河流两岸往往也坐落着历史性的建筑和古迹，另外对于经济功能来说，滨水住宅、休闲商业场所、娱乐文化等大大的促进了城市的经济发展。

从自然廊道功能分析，首先，河岸带对城市热岛效应有一定的抑制作用，植被通过蒸腾作用调节周围小气候，这称之为气候调节功能。河岸带对水净化、水土流失、降低噪声污染等有着明显的效益，这可称之为其防护功能。地下水的补给、保持河流流量、对污染物的截留和净化，以及养分循环，这叫做河流廊道的物质功能。对河流的防洪是每一个滨水城市必做的一项措施，而河流廊道中的河岸带对城市的防洪起着重要的作用，这称为河流廊道的防洪功能。

河流廊道的功能还有很多，如维持生物多样性，农田灌溉等，从核心来讲河流廊道功能主要是社会廊道功能和自然廊道功能。这些功能的发挥都与河流廊道的宽度息息相关，如果没有适当的宽度，这些功能也不能得到很好的发挥。因此河流廊道宽度的合理确定也应成为一个重要的研究内容。

三、河流廊道宽度确定现状研究

就目前来说，关于定量确定河流廊道宽度的方法很少，因为涉及到众多的因素，比如邻近河流的土地利用状况、水质状况、周边植被生长状况、土壤地质状况等，因此要将其量化需要花费大量的精力。

目前要确定河流廊道各部分的宽度，主要根据其所承载的各种功能综合确定，由于河道和河漫滩内部密切的水文和生物联系，是一个不可分割的部分，所以将其看作一个整体，共同确定其宽度。另一部分则是河岸带宽度的确定。这一部分宽度的确定较为灵活和复杂，大部分对其范围的确定只是通过经验，没有一个统一的计算标准，并且，针对不同的河流廊道和周边环境等因素有不同的确定方法。

(一)河道和河漫滩的宽度确定方法

河道和河漫滩的主要功能是，水生和湿地生物的保护以及对洪水的控制。宽度可根据行洪要求和天然河道的游荡范围较明确的确定，通常通过洪水分析或者采用现有的标准，主要有：通过100年一遇的洪水淹没范围、当地防洪规划确定的行洪断面、现有堤防范围和恢复天然游荡河道所需要的范围等。

本文的案例中中心区段的河道完全被硬化，现有河道边界远小于自然边界，因此需要借助GIS分析，首先分析出硬化段河流的缓冲区，同时也建立河流自然段的缓冲区，通过对比分析，大致确定硬化段河流的边界。

(二)河岸带宽度确定方法

第一种方法是基于数学模型的河岸缓冲带宽度确定方法，主要有河岸带生态管理模型(简称REMM)；农田管理系统化合物、径流及侵蚀模型(简称CREAMS)；植被过滤带模型(简称VFSMOD)。

河岸带生态管理模型需要四类数据才能运行，分别是河岸带土壤数据、气候数据、田间数据以及植被数据，通过这些数据加上若干指标可以模拟河岸缓冲带的水文特征，不同缓冲带的宽度、坡度、土壤和植被类型对水质的影响；所以，当植被土壤类型和坡度大小固定时，可通过REMM模型的模拟找到最优的缓冲带宽度。

农田管理系统化合物、径流及侵蚀模型是在20世纪70年代由美国农业部农业研究所建立的，是基于田块尺度的模型，它主要包括三个模块：水文模块、侵蚀模块和化合物模块，水文模块根据降雨量计算径流量，进而通过水文模型输出的结果和降雨量的大小、土壤可蚀性计算侵蚀模块的侵蚀量，最后结合前两者输出的结果及化合物的特性估算化合物模块的化合物流失量，三者是相互联系相互作用的过程。该模型根据植被、土壤和降雨的特征，结合它的三个模型来模拟田块的径流、侵蚀和农用化合物流失过程，评价不同耕作措施对面源污染负荷的影响，以此来确定河岸缓冲带宽度和污染物去除率之间的关系。

植被过滤带模型是计算河岸缓冲带对坡面地表径流中泥沙净化效果的数学模型，该模型能够计算缓冲带的出流水量、下渗水量和泥沙截留效果。不同宽度的缓冲带泥沙过滤效果不一样。

上述方法都是基于物理过程的模拟模型，模拟整个污染物沉积的过程，从而推出对于预期污染物去除效率所需要的河岸缓冲带宽度。

第二种方法基于回归方程的应用，定量确定河岸带宽度，主要有Phillips水文模型、Phillips时间模型、Nieswand模型、Mander模型、SWAT模型。Phillips水文模型只考虑河岸带拦截地标径流中的沉积物和污染物的物理过程，除污效率低；Phillips时间模型综合考虑了地表径流和地下径流的水文过程，既考虑了拦截吸附等物理过程，也考虑土壤微生物的化学效率，除污效果较好。Nieswand模型主要考虑宽度与坡面坡度关系，当坡度大于15%时，缓冲带宽度需要加宽。Mander模型的计算，很大成分偏向经验，比如模型中的坡长因子，就是一个纯粹的经验值。SWAT模型需经过现场实测，并用实测数据校正不同植被、宽度和坡度下回归方程中的变化常数、宽度变化指数和坡度变化指数。

另外还有夏继红等总结的统计回归模型计算法、动态基质的数学模型计算法以及综合优化模型计算法，通过建立河岸带宽度和坡度、氮素、坡面流速和时间、泥沙沉降速度等因素的数学关系式，以定量的方式确定河岸带宽度。

第三种方法是基于GIS的分析方法，通过建立流域内的水文、地形、土壤特征、土地利用和土地覆盖信息数据库等一系列数据，以上述回归方程为模型，把模型需要的数据叠加到同一个图层上，用GIS得出缓冲带宽度，然后把矢量转化成栅格形式得到河岸带范围。这种方法目前的运用较少，GIS定量计算河岸带宽度的方法逐渐成为重要的工具，并且针对不同的环境和条件，GIS的运用也不同。

本文在前人研究的基础上，运用GIS定量分析和定量公式结合，研究娄底市河流廊道河岸带的宽度问题。同时针对娄底市河流的问题和现状，确定河岸带宽度的方法。主要的创新点在于先用GIS确定河岸带的缓冲区，再结合Mayer等针对河岸带的坡度和宽度的定量公式，算出所选点的河岸带宽度，以缓冲区作为最大控制范围，连接各个点得出河岸带边界。

四、娄底市河流廊道宽度确定研究

(一)研究区概况

娄底市位于湖南省中部，其地理位置东经110°45′40″～112°31′05″,北纬27°12′28″～ 28°14′27″。辖区总面积为8117 km2，娄底市区位于市域东部。

娄底市境内河流密布，水系较多，主要河流有：东部涟水河，为湘江中游一大支流，源于新邵观音山，自西向东，流经涟源市、娄星区、双峰县，经湘乡至湘潭县河口入湘江，境内全长85.85 km，沿途纳孙水河、湄江河、测水河等1～4级支流89条，控制流域面积3906 km2。西部资水河，由南向北，流经冷水江、新化，经安化柘溪，过益阳注入洞庭湖，贯穿境内西半部，境内流程112 km，有1～4级支流100条，控制流域面积3985 km2。

根据娄底市水系概况可知，娄底境内的主干河流(或称为一级河流)为涟水河，由西向东横跨娄底市市区，它是娄底市最具有代表性的河流廊道，因此，以涟水河为研究对象，确定其河流廊道宽度计算的方法。

根据3中所述，将整个河流廊道宽度分成两部分来确定，以河道和河漫滩作为一部分，河岸带作为另外一部分来研究。

(二)确定河道和河漫滩宽度的方法

河道也称为河床，是指河流流经的路线，它的宽度就是自然河流两边边界点的长度，但是娄底市河流的某些河段被填过，导致有些河段并不是自然河流的宽度，尤其在土地价值较大的地方，如市中心区地段，大部分河段河渠被硬化，河道的自然边界线严重被缩小。因此要采用适当的方法确定河道自然边界线，具体操作是：在地形图中找到这一段被硬化的河道，以500m作为一个单位等分，将这一段导入GIS建立缓冲区。然后可得到每一段等分后的河流廊道的平面横断面剖面线，利用CAD中GeoSection工具得出每段剖面线的剖面图及剖面图上的高层点数据。将这些数据导入GIS中。

将未被硬化的天然河段地形图导入GIS，按同样的距离建立缓冲区。在其中找寻一段与被硬化河道缓冲区相似特征的，对比分析。并在CAD中标注这一段天然河道，也同样以500m为一个等分单位，得出剖面图和高层点数据。大致确定每个点的自然边界线位置。然后进一步对比分析，进而大致得出硬化河道的自然边界线。

其他的河段按照现有宽度计算，确定完河道宽度后，进一步综合100年一遇的洪水淹没范围、当地防洪规划确定的行洪断面、现有堤防范围。

图一河段对比示意图

(三)确定河岸带宽度的方法

河岸带宽度确定是最为复杂和最为关键的，河岸带具有许多至关重要的功能，它的确定要考虑许多因素，在前面已经详细明述其各个设计方法，但不同的方法适用于不同的河岸带环境，并不是任何一种方法都会适用于所有的条件，针对不同的环境，确定河岸带宽度的方法也不一样。

娄底市涟水河贯穿湖南省娄底市和湘乡市境内，娄星区内涟水河位于城区中部，为涟钢和中心城区的分界线，两岸用地以居住和商业为主，现状只有娄底一大桥至二大桥北岸建设了防洪堤，南岸部分地段建设防洪墙，按50年一遇洪水位标准建设。

经实地调查，涟水河每一段呈现的问题不同，比如中心区段主要问题是水体的污染和建筑沿岸而建，而在周边的郊区地段，主要的问题在于河流廊道宽度太小，甚至有些河流直接被填埋，水体污染较小，在郊野地段，虽然水质较好，但河岸带宽度较小，两边的植被单一杂乱。因此，根据问题分析以及涟水河不同河段的问题特点，可将其分成三段，针对不同的问题确定其河流廊道宽度计算方法(见下表)。

区段具体地段问题中心区段涟钢大桥—娄底大桥—梅子湾大桥水质污染严重,氮磷含量超标郊区段涟钢大桥—涟钢北大桥—娄涟公路大桥;梅子湾大桥—吉星大桥—江龙滩桥大量河床被填埋,河流河岸带被占用甚至荒废,致使河流廊道断裂郊野段娄涟公路大桥—石井镇的黄泥塘街道江龙滩桥—大埠桥河岸带植被单一,满足不了生物多样性的要求,提供良好的陆生生物栖息地

1.中心区段河岸带宽度确定方法研究

中心区段河岸带以降低周边氮磷为主要目标，达到改善水质的目的。同时提高河岸带环境质量，提供休闲娱乐场地。并且，中心城区用地较为紧张，很多建筑沿岸而建，拆迁难度较大，因此，河岸带的宽度受到一定限制。对于限定在建筑与河漫滩之间的河岸带范围，要达到降低氮磷的效果，需要一些灵活的方式。

首先，可通过定量公式计算中心区段河流廊道河岸带的理想宽度，将其与实际被限定的河岸带范围进行比较，一般来说，理论宽度会大于实际河岸带范围，因此，需要改变其他因素来弥补所缺少的河岸带宽度，如通过坡度的改变、植被的配置等。

氮素去除率和河岸带宽度的回归关系式：WRZ=(15.24 S1/2)，RZN=39.5WRZ0.1644；S:河岸平均坡度；WRZ：河岸带宽度；RRN：氮素去除率。从公式可知，河岸带宽度和坡度以及与氮素去除率成正比，即当宽度越大时，也就是水流通过河岸带的时间越长，氮素去除率越大。就娄底中心区段而言，只能通过改变植物种植密度或植被覆盖度来降低水流的速度。

因此，河岸带宽度就是建筑后退之后的边界到河漫滩的距离，宽度虽达不到要求，但可通过在有限的范围里达到降低氮磷的效果，即通过增加植被密度。

图二区段示意图

2.郊野段河岸带宽度确定方法研究

郊野区段以满足河岸带生物栖息地为目标，河岸带扩展范围较为自由，周边基本以农田和山体为主，因此可根据GIS定量确定。

首先对郊野段的河流廊道做缓冲区分析，缓冲区距离设为3km(因河岸带宽度基本在这个范围以内)，得到缓冲区的目的是为了给河岸带宽度一个上限值。得到缓冲区距离后，以500m为单位将郊野段河流廊道分为若干段，将等分后的图导入CAD中与地形图中的等高线叠加，这样就可得到每一段等分后河流廊道的平面横断面剖面线，进而利用CAD中GeoSection工具得出每段剖面线的剖面图及剖面图上的高层点数据。

得到剖面图和高层点数据之后，计算每个剖面的坡度，在一定程度上为了更好削减氮磷的含量，同时截留和吸收一些污染物。因此可根据公式WRZ=(15.24 S1/2)计算出宽度，将每个计算的宽度值标在横断面剖面上与高层点值相对应，最后将对应的点数据导入GIS中，建立河岸带边界点图层，与所得出的缓冲区叠加。超过缓冲区范围的点以缓冲区边界的点替代。将在缓冲区内的点连接成线，即为河岸带的范围。

图三河岸带边界选取示意图

3.郊区段河岸带宽度确定方法研究

郊区段以提高对地表和地下水的保护功能以及提供休憩空间为目标和基础，尽量拓宽河岸带宽度。这一段不存在上一段土地利用紧张的问题，但是仍然有一些建筑紧邻河岸而建，大多数河段的土地利用较为充裕。对于建筑紧邻河岸的河段，采用与中心区段同样的方法，即通过改变坡度和增加植被密度。

对于土地利用较为充裕的地段采用与郊野段同样的方法，即通过GIS和CAD确定范围，主要的区别在于，郊区段河流廊道缓冲区的范围不同，因为周边有一些待开发用地，尽量减少对待开发土地的肆意利用，因此缓冲区的范围设为800m，满足基本宽度要求。

五、结论

确定河流廊道的宽度要考虑的因素众多，并且不同的河流廊道特征所涉及的因素会不同，如本文分析的娄底市，周边土地的利用对其宽度有决定性的影响，同时还有植被状况，以及土壤地质特征等。

本文利用河流廊道范围确定的，相关研究结合GIS技术，研究娄底市河流廊道宽度的确定方法。河道和河漫滩宽度的确定通过百年一遇的洪水淹没范围和行洪断面以及现有堤防综合确定，被硬化的河道部分，利用GIS分析硬化河道缓冲带和整条河流自然河道缓冲带，对比分析得出结果，这种方法存在一定的缺陷，依据GIS分析之后的缓冲区特点，找寻与硬化河道相同特征的自然河段并不容易，并且有些偏向主观性；河岸带宽度根据所要建立的河岸带功能确定，功能不同，河岸带的宽度也不同。在确定河岸带功能后，采用定量公式或者GIS的方法综合确定。但是针对不同环境和不同特征的河流廊道，采用的定量公式也会有所差异。

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