湘江流域城市群的水系形态格局演变规律分析

杨柳，张迎盈，冯畅*，聂孟洋

(1. 衡阳师范学院 城市与旅游学院，湖南 衡阳 421000； 2. 湖南省人居环境基地，湖南 衡阳 421000； 3.古村古镇文化遗产数字化传承协同创新中心，湖南 衡阳 421000)

水系与人类生产生活密切相关，随着经济的发展，越来越多的水系受到影响。水系形态格局的演变主要来自两个方面，一方面是自然演变，另一方面是人为强干扰[1]。人口增多，人类活动干预水系形态格局的演变，建设用地的增加，导致低等级河道被填埋，破坏了水系结构，影响了水系调蓄能力，导致洪涝灾害频发[2-3]。水资源形势日益严峻，河湖水系关系到水资源分配格局、洪涝灾害风险等方面，这将会是今后水资源治理和管理工作的重点。从短时间尺度来看，人类活动的影响已远超过水系自然演变的影响。与此同时，对于水系形态格局的研究也成为了一些学者重点关注的方向。历史地图解读法、历史地理学溯源法等古老方法是国内关于水系形态结构方面的研究最早采用的方法[4]。从20世纪末期国内普遍开始重视水系形态结构的研究，例如吴杰[5]分析了深圳市水系在城市化进程影响下河流水系与城市空间结构的关系及其驱动机制；高青峰[6]研究了哈尔滨主城区的河网水系。目前水资源的保护越来越受到重视，但是相关研究多集中在长江、珠江等大江大河的下游平原地区[7-9]。本研究以湘江流域城市群水系为例，基于遥感数据，利用ENVI平台提取研究区水系，ArcGIS进行水系校准和分析工作，选定描述水系形态格局的指标体系，开展关于城镇化背景下，湘江流域城市群水系形态格局的演变规律分析。本研究具有一定的典型性，有助于中国内陆省份水系的保护与合理开发，降低流域洪涝风险，改善“人-水”关系等方面起到重要作用。

1 研究区域概况、数据来源与研究方法

1.1 研究区域概况

图 1 湘江流域长株潭城市群空间分布Figure 1 Flow chart for the extraction of river network systems in study area

湘江流域长株潭城市群位于长江经济带中游(112°48′E～114°20′E，20°50′N～28°22′N)，北部为洞庭湖平原区，山地和丘陵多分布在东部、西部和南部。该区属亚热带季风气候，夏季高温多雨，冬季温和湿润。长株潭城市群属湖南省东部，包括长沙、株洲和湘潭市，三市呈“品”字型紧密结构，被誉为“湖南金三角”[10-11]。长株潭城市群是湖南省经济社会重点发展的核心区域，城市群面积达到28 096 km2，占全省总面积的13.2%(图1)，常住人口达到1 425.6万人，占全省总人口的21%，生产总值达到12 548.34亿，占全省的41.2%(截止2015年数据)。湘江水系河网密布，因南面和东面山势较高，浏阳河、捞刀河、洣水、渌水等较大支流均来自东南面，使得湘江发育为一个东部水系发达，西部水系欠发达的不对称树枝状水系。

1.2 数据来源

1.2.1 遥感数据

以湘江流域长株潭城市群水系为研究对象，采用于美国地质调查局2001年和2015年共14幅的Landsat遥感影像(分辨率为30 m×30 m)和同时期Google 高清影像图作为校核数据展开研究。选取的遥感影像尽可能地保证年份、月份相近，且云量少于3%。具体来源信息见表1。

表 1 遥感影像详情列表Table 1 Detailed list of remote sensing images

数据名称条带号数据来源时间Landsat8OLI_TIR数据122/41地理空间数据云2015-10-18Landsat8OLI_TIR数据122/42地理空间数据云2015-10-18Landsat8OLI_TIR数据123/40地理空间数据云2015-10-09Landsat8OLI_TIR数据123/41地理空间数据云2015-10-25Landsat8OLI_TIR数据123/42地理空间数据云2015-04-16Landsat8OLI_TIR数据124/40地理空间数据云2015-10-16Landsat8OLI_TIR数据124/41地理空间数据云2015-10-16Landsat4-5 TM数据122/41地理空间数据云2001-12-30Landsat4-5 TM数据122/42地理空间数据云2001-12-30Landsat4-5 TM数据123/40地理空间数据云2001-12-21Landsat4-5 TM数据123/41地理空间数据云2001-11-19Landsat7 TM数据123/42地理空间数据云2001-12-29Landsat7 TM数据124/40地理空间数据云2001-09-15Landsat7 TM数据124/41地理空间数据云2001-09-15

1.2.2 统计数据

统计数据来源于2001年和2015年的《湖南省统计年鉴》，主要选取2015年长株潭城市群的常住人口和城市人口以及长株潭城市群的面积和建成区面积等数据展开研究。

1.3 研究方法

为从不同角度全面体现湘江流域城市群的水系形态格局的演变规律，本研究参考国内外相关研究常用的水系特征参数与指标[12-15]，主要选取2类6项指标进行水系定量描述，分别从数量特征和形态结构特征2个方面表达。数量特征为河流长度，同一等级的河流条数，河网密度和水面率；形态结构特征为支流发育系数和干流面积长度比。具体指标见表2。

表 2 水系形态格局演变的指标体系Table 2 Indicator system for the river network pattern

目标层准则层指标层水系特征 数量特征河流长度河流数量河网密度水面率 形态结构特征支流发育系数干流面积长度比

1.3.1 水系形态格局评价指标

水系数量和形态格局的指标计算方法汇总于表3。

表 3 水系形态格局评价指标的涵义和计算方法Table 3 Meaning and method for evaluation index of river network pattern

指标名称计算公式备注物理意义河网密度RdRd=Lr/ALr为研究区域内河流总长度表示河网长度发育情况水面率WpWp=Aw/AA为研究区域总面积表示河网面积发育情况支流发育系数KwKw=Lw/LmAw为研究区域内的水域面积表示河网各级支流的发育状况干流面积长度比RmRm=Am/LmLw级河流长度表示干流的主干化程度Lm干流河长Am干流面积

其中河网密度(Rd)，水面率(Wp)是最常见的水系结构参数指标，反映河流水系的数量特征，Rd即河流总长度与研究区域面积的比值。Rd的大小不仅与自然环境(如气候、岩性、土壤、植被覆盖等)相关，还与人类对自然的各种改造有关。流域河网密度越大，表示流域水系的调蓄能力越强，河网密度低则表示对降水的自然蓄积能力和行洪排涝能力弱。而Wp是指河道和湖泊等水体多年平均水位下的水面积占区域总面积的比例。

Rd=Lr/A

(1)

Wp=Aw/A

(2)

式(1～2)中：Lr为研究区域内河流总长度；A为研究区域总面积；Aw为研究区域内的水域面积。

结构参数包括支流发育系数(Kw)、干流面积长度比(Rm)。支流发育系数(Kw)是各级支流河流长度与主干河流长度的比值，表示各级支流的发育程度。河流面积长度比(Rm)是流域内主干河流的面积与河流的总长度比值，面积长度比越大，表明单位河长的河流过水能力越强。

Kw=Lw/Lm

(3)

Rm=Am/Lm

(4)

式(3～4)中：Lw级河流长度；Lm干流河长；Am干流面积。

1.3.2城市化进程评价指标及其含义

城市化一般是指农村人口向非农村人口转化，并且城市不断完善的过程，本研究选用三维城市化[3]开展进一步研究，即经济城市化、空间城市化、人口城市化，具体指标见表4。

表 4 城市化进程评价指标及其含义Table 4 Evaluation index of urbanization process and its meaning

指标名称含义经济城市化非农业GDP占总GDP中的比例空间城市化建成区面积和区域总面积的比值人口城市化城镇人口数和总人口数的比值

1.3.3水系分级

根据《湖南省水资源公报》，湘江作为干流，浏阳河、捞刀河等直接流入干流的作为一级支流，直接汇入一级支流的河流为二级支流[16]。因资料的局限性，本研究只针对长株潭城市群的干流，一二级支流共计3个等级的水系展开研究。

2 水系数据资料的提取

针对本研究目的，遥感影像的预处理工作主要运用相关专业处理软件(ENVI和ArcGIS)，处理获取的遥感影像。运用ENVI对两期共计14幅的30 m×30 m Landsat遥感影像中归一化水指数(NDWI)进行波段运算，先得到初步水系。然后通过高分辨率的Google影像资料，将比例尺固定在1∶5万，通过对水系的边界精确化，丢失水系补足，误判水系删除、纠正等步骤校核水系，经过反复校核后，获得研究区最终水系数据。通过ArcGIS工具，对得到可靠的水系资料进行几何计算，获取研究区水系定量数据。具体流程如图2。

图 2 研究区水系提取的流程Figure 2 Flow chart for the extraction of river network systems in study area

本研究遥感影像处理的操作流程主要包括：波段融合、影像裁剪、波段运算、决策树分类和二值化结果转矢量图像等步骤，具体如下(图2)。首先，在ENVI软件中打开要融合的7个波段，运用Basic Tools当中的Layer Stacking工具，对7个波段进行融合。然后，将影像与地图对照，在ENVI软件中的Basic Tools，打开 Resize Data，把影像周围的黑色部分裁剪，并裁剪出研究区域影像。接着，在ENVI软件Basic Tools中的Band Math模块当中的enter an expression中输入对应的表达式(float(b2)-float(b4))/(b2+b4)，分别选取对应的原始遥感影像波段进行归一化波段运算，这里的b2选择波段2，b4选择波段4。通过简单的归一化水体指数运算，可以初步将水体和其他地物信息进行分离，水体以外的其他地物在一定程度上得到了普遍的抑制，水体提取效果良好，得到水体指数影像。基于此，为了将影像当中的水体和非水体进行区分，在ENVI 软件中打开Classification中的Decision Tree模板下的Build new decision tree，点击Node1，在Expression中输入公式b1 GT 0.09，根据影像的实际情况，将得到的灰度影像与原始遥感影像比对，经过人工的反复实验，选择合适的阈值，这一幅影像输入0.01。最后，将得到的二值化结果在ENVI当中转变为矢量，选择classification中的post classification，再选择classification to vector。在Raster To Vector Parameters窗口中选择Class 1，再选择输出路径。最后在available vector lists窗口中，选择 file->export layers to shapefile，将.evf转成shapefile文件，获取初始的水系矢量图。

随后，将初始水系图进行反复校核工作，从而得到可靠的水系分析资料。具体包括：图像合并、图像裁剪、赋予水系属性、校核水系和几何计算等步骤(图2)。首先，为了得到一张完整的概括长株潭的影像，将得到的矢量文件在ArcGIS当中运用Data Management Tools当中的常规工具中的合并工具，将同一类别合并为一个水系图层。然后，运用ArcGIS中的Analysis Tools中的裁剪工具，再根据获取的长株潭的矢量边界范围对矢量文件进行裁剪。最终获取长株潭城市群的矢量水系。接着，将提取的水系矢量数据与原始遥感影像比对，提取的矢量数据中还包括了很多非水体信息，例如山体阴影等。需要将得到的矢量数据与高清图像进行叠加，将一些非水体信息进行删除，将未提取到的水系进行补充。根据实验的目的，将矢量数据当中面积小于1 800 m2的小斑块进行删除，右键点击图层打开属性表，打开编辑器，点击“开始编辑”，选择所有小于1 800 m2的小斑块，按Delete键删除。然后，校核水系，删除不必要的斑块后，根据实验的目的，需要对矢量数据添加面积字段。添加好字段以后，打开编辑器，选择“开始编辑”，根据高清影像将没有提取到的河流手动添加面状矢量数据。再根据同样的方法手动添加线状矢量，将水系反复校准以获得可靠资料。最后，通过计算几何，得到研究区域河流的长度和水系的总体面积。再分别计算2001年和2015年的湖泊面积和各级河流的长度等指标参数。

3 研究结果分析与讨论

3.1 提取结果

提取结果得到2001年和2015年的水系图(图3)。从图3可以看出，2001年到2015年水系有明显的变化，河流的长度，湖泊的面积都呈现减少的趋势，特别是在湘江流域下游的长沙市境内，水系的衰减尤为明显，表现出简单化和主干化的突出特征。

图 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进程

本研究主要通过3个维度来表征长株潭的城市化进程：空间城市化、经济城市化、人口城市化。根据国内外常见的城市化发展阶段划分方法[17]，可知人口城市化低于30%是缓慢城市化时期，30%～70%是快速城市化时期。研究表明，在15年间，长株潭城市群处于快速城市化时期，3个城市化指标都呈上升趋势(图4)。空间城市化的变化率为114%。本研究的空间城市化率是指建成区面积与研究区的总面积的比值。例如2015年，长株潭的区域总面积为28 096 km2，建成区面积为530.09 km2，所以空间城市化率为1.890%。经济城市化相对2001年来说提高了30.75%，人口城市化相对2001年的变化率为64.76%。通过表5分析，空间城市化数值的增加表明城市建成区的面积越来越大，出现逐渐扩张的趋势，在一定程度上一部分林地、耕地、水体等用地将要变为城市建设用地。近15年来，研究区经济发展迅速，第二、第三产业都在飞速增长，人口也随之不断增加。城市化率越高，与自然的矛盾就会日益凸显，例如城市化改变了下垫面，导致洪涝灾害的加剧，对水资源的需求增大，导致水资源污染严重，水资源短缺等。

图 4 2001年至2015年研究区三维城市化率变化Figure 4 Changes of urbanization in research area from 2001 to 2015

3.3 长株潭城市群水系特征分析

3.3.1 数量特征

表 5 水系数量特征总体变化Table 5 Overall changes in quantitative characteristics of river network systems

年份河流长度/km河网密度/(km·km-2)水系面积/km2水面率/%2001年2 912.056(总长度)0.104616.7722.2001 122.491(一级支流)1 511.779(二级支流)2015年2 809.559(总长度)0.100592.5922.1001 077.144(一级支流)1 454.629(二级支流)

表 6 水系形态结构特征变化Table 6 Changes in morphological and structural characteristics of river network systems

年份支流发育系数/(km·km-1)干流面积长度比/(km2·km-1)2001年1级支流4.041.852级支流5.442015年1级支流3.881.842级支流5.24

基于对长株潭2001年和2015年的遥感影像对水系的提取，计算表5中的数量指标，可以得出近15年来，各数据都呈现衰减的趋势。从总体上看，长株潭城市群的河流长度由2 912.06 km减少到2 809.56 km，减少了102.5 km，减少了3.5%。河流缩减主要体现在湘江的支流，一级支流减少了45.3 km，二级支流减少了57.2 km，长株潭区域干流的长度变化不大。水系面积下降了3.92%，减少的水系面积主要是湖泊面积。河网密度由2001年的10.36%下降到了2015年的9.99%，长株潭城市群的河流的集中程度有所下降，水系的调蓄能力也会大幅下降。

与长三角等地区相比[18]，长株潭区域的河网密度明显偏低，这是因为长三角地区是大江大河的下游，平原河网密布，此外研究的数据来源不同也是重要原因。水面率下降不明显的原因在于，水系的保护受到越来越多的重视，也由于人民的生活需求日益增多，越来越多的公园内人工湖的出现，例如梅溪湖，以及新建的一些水库的出现，例如洮水水库，有效地抑制了水面率的下降。尽管这在一定程度上恢复了一定的水面率，但是并不遵从自然水系的发展规律。

由此可见，研究结果所呈现的趋势与国内的上海、深圳等河网地区的相关研究结果有一定一致性[19-22]。15年来，一直在对长株潭河湖水系进行治理，例如对一些病险水库的治理扩建，退耕还湖，对一些河道的疏通，通过这一些举措增加了河湖的面积，也实施了一定规模的农田水利工程建设。在此期间，主要任务是疏通淤积的河流，整合分散的堤防，新挖掘的灌溉沟渠，以及从湖泊和沼泽地开垦土地。主要目标是控制农田内涝，增加耕地面积，保证农业高产。同时，这些水利工程的建设也使许多末端河流衰减、被填埋，湖区急剧缩小，最终导致河网密度和水面率下降。与此同时，为了提高湖泊的蓄洪能力，许多原本被改造成农田和鱼塘的湖滨地区又重新回归湖泊，有效遏制了湖泊面积急剧减少的趋势。然而，由于气候变化、泥沙淤积等自然因素，湖泊的自然收缩也导致了水系的减少。

3.3.2 形态结构特征

长株潭的主干河流面积长度比变化不大(表6)，与长三角的主干河流的研究结果一致，主要原因是1998年、2014年和2015年湘江发生过严重的洪涝灾害，流域防洪形势严峻，所以相关部门一直都在采取有效的措施保护主干河流湘江，以此缓解洪涝灾害，例如修建新的排洪干道与拓宽原有湘江主干河道。2001年和2015年的河网发育系数都呈下降趋势，1级支流的支流发育系数下降了0.24，2级支流的支流发育系数下降了0.2。水系的稳定程度都受到一定的影响，河网随着城市化的进程趋于主干化。研究区的支流发育系数较杭嘉湖平原的支流发育系数来看，杭嘉湖平原部分地区的支流发育系数下降明显，从9.8下降到1.2[21]，而长株潭水系有轻微波动，相对来说是微小衰减。

3.4 水系时空变化分析

城市群水系变化存在明显的空间差异，本研究将分别从长沙、株洲、湘潭3个城市的水系变化来探讨。长沙的河流长度减少了63.4 km，占了长株潭地区河流长度减少量的61.9%。

表 7 长株潭水系数量和形态变化Table 7 The number and morphological changes in the study area

区域年份河流长度/km水系面积/km2河网密度/(km·km-2)水面率/%长沙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

长沙的河湖水系面积减少了31.3 km2，减少了10.85%。而株洲的河湖水系面积增加了19.78%，河流长度也增加了4.5 km。株洲水系面积增加的原因主要在于洮水水库。洮水水库建于2006—2009年，总库容达到5.15亿m3。河流长度的增加是株洲区域内湘江和渌水新开挖的一些河道。湘潭的河流长度减少了8.31%，面积减少了11.6 km2(表7)。

图 5 2001—2015年水系变化Figure 5 Changes of river network from 2001 to 2015

将两期水系进行叠加分析得到图5，长沙、株洲、湘潭都有河流和大量湖泊面积的萎缩，株洲有新增加的水库。2015年，长沙的人口城市化率为74.28%，株洲的人口城市化率为62.10%，湘潭的人口城市化率为41.72%，长沙的城市化程度最高，河流的衰减也最为明显，河流的长度和河湖面积的减少在三市中最多。水面率和河网密度与城市化进程呈现负相关的关系，城市化程度越高，水系衰减越厉害。株洲的水系增加为特殊情况，在2009年修建了一个大面积的水库，导致水面率的增加，也增加了一些河流的长度。结合研究区资料分析与实地情况的掌握，上述湘江流域城市群水系的变化，与实际情况相符，城镇建设用地的增加使得河流河道变窄，一些低等级的河道被填埋。但是2001年到2015年长株潭城市群的城市化进程逐渐趋于平稳。总体而言，人类活动对于水系的强干扰已是不争的事实[23-26]。2015年后随着科学技术和社会的进步，人们对于自然保护意识的增强，城镇化对河流的影响依然存在，但对河流水系的保护意识会越来越强，水系与城镇的发展会逐渐走向和谐发展的良性阶段。

4 结论

本研究选取2001年和2015年共14幅Landsat遥感影像，利用归一化差异水体指数NDWI，结合GIS技术，与人工目视解译相结合，反复校准水系，从而提取可靠的湘江流域城市群湘江干流和一二级支流水系资料，对湘江流域城市群的河网密度、水面率、支流发育系数和面积长度比等水系形态格局演变规律进行了研究，从数量特征和形态结构特征两方面对研究区水系进行了分析。结论如下：

(1)近15年来，湘江流域城市群的河流水系伴随着城市化进程呈现减少的趋势。主要表现在河流长度和河网密度的减少，河流长度减少了102.5 km，河网密度减少了0.46%，一二级支流的支流发育系数降低，河网结构的稳定度有所下降，河流趋向主干化。相对干流和一级支流，二级支流更容易受人类活动的影响。

(2)相对于地貌发育的长时间尺度而言，短时间尺度内，水系的演变受城镇化影响剧烈，二者表现出较为明显的正相关性。从空间尺度上看，湘江流域城市群中，城镇化率最高的长沙，研究期内的河网密度、水面率和支流发育系数均下降，说明一定程度上水系的数量下降，水系的结构简单化；而相对而言，湘潭水系的结构变化不大。株洲因新修水库成为特例。随着城镇的发展与人类对于环境要求的提高，保护人居环境意识的提高，水系与城镇发展的良性循环将越来越好。

本研究只对研究区2001年和2015年的数量特征和结构特征的演变进行了探讨，在今后的研究中，可增加历史水系，深入分析研究区水系演变规律与长时段城镇化的关系。