基于调蓄能力与水系结构关系分析的城市合理水面率研究——以常熟市为例

史书华 陈 星

(河海大学 水文水资源学院,南京210098)

水域作为城市建设与社会发展的重要基础,是维持生态系统平衡与人居环境改善的蓝色空间[1],保证城市的持续健康发展离不开适宜河湖水面的支撑[2].城市的水域面积受诸多因素影响,它与城市的经济社会以及自然资源条件密切相关[3].城市化期间,大部分城市为满足不同建设需求对土地的需求,选择侵占水面以获得更多建设用地,谋求更迅速的经济发展,导致河道水面积、长度等大幅度减少,洪涝灾害频发、河流功能受到影响、生态问题严峻[4].上海浦东新区河网水系总面积自2000年至2010年由117.11 km2缩减到98.51 km2[5]；苏州市吴江区20世纪60年代至21世纪初水面率由27.88%下降到18.79%,多表现为区域湖泊水面的天然缩减及人为侵占[6]；江淮下游盐都区自20世纪70年代至21世纪10年代初河网密度及水面率分别下降了21.3%、10.2%[7].水面率的不断降低削弱了城市的防洪排涝能力,降低水体的自净能力,严重影响城市的水安全问题,导致人居生活水平降低.因而对于水面率的控制规划具有十分重要的现实意义.

当前关于水面率的研究多着眼于防洪排涝和水资源开发上.郭元裕,白宪台,钱绪来[8]利用线性规划方法计算最优水面率；温进化,杨铁锋[9]利用Mike11系列软件分别模拟计算满足防洪排涝要求及达到水资源承载力需求的合理水面率；杨树滩,仲兆林,华萍[10]将前人的研究成果类比参考,根据江苏省的水域特点,采用类比分析法得出多个地级市的适宜水面率；张云龙,王烜,李春晖,等[11]通过改变下垫面条件来提升区域行洪除涝能力,进而确定蚌埠市合理水面率阈值.这些研究多从传统水文学或水资源管理的角度考虑水面率的计算,本文拟从研究城市调蓄能力与水系结构之间的内在联系入手,以水系结构的不同描述流域调蓄能力的差异,探究调蓄能力与水系结构参数特别是水面率之间的定量关系,进而确定不同调蓄能力下的水面率要求.

1 研究区概况

常熟市为苏州市代管的县级市,位于苏州市的北部、长江的西南岸,与南通隔江相望.全市总面积1 264.39 km2(其中长江江滩水域面积106.49 km2),区域地形以平原为主,总体地势由西北向东南倾斜.全市属北亚热带季风气候,年平均降水量1 030.8 mm,降水量年内分配不均匀,年际变化也很大.望虞河、盐铁塘纵横贯穿全境,境内市级以上河道26条、湖泊24个,水网密布,湖荡较多,水面率约为16.6%(不包括长江水面面积),水系图如图1所示.在常熟市快速城市化进程中,出现了侵占河道、水体掩埋等现象,城市水面面积减少,1990～2015年城市水面率由25.4%减少到16.6%,衰减速率相对较大,城市水面率的控制刻不容缓.

图1常熟市水系图

2 研究方法

本文考虑常熟市水系特点、水系连通需求和不同地理位置河流调蓄能力的差异,分析区域调蓄水体分布、流向等,将其分为6个水利分区,分别为Ⅰ区:望虞河以西-张家港河以北地区；Ⅱ区:望虞河以东-常浒河以西-张家港河以北地区；Ⅲ区:常浒河以东-白茆塘以北地区；Ⅳ区:望虞河以东-昆承湖以西地区；Ⅴ区:昆承湖西岸-白茆塘以南地区；Ⅵ区:望虞河以西-张家港河以南地区.常熟市水利分区示意图如图2所示,不同水利分区河流分级示意图如图3所示.

图2常熟市水利分区示意图

图3常熟市不同水利分区河流分级示意图

本文水系数据采用2015年常熟市全市水系图、全市地形图、水利普查数据及项目现场测流数据等,统计各分区水利要素,计算各分区水面率、河网密度、河频率、盒维数等水系结构参数指标及调蓄能力参数指标,评价分析调蓄能力与水系结构的相关关系,建立定量相关关系方程,从两者内在联系入手探究满足不同调蓄能力要求下的城市水面率,进而由城市实际调蓄能力需求得到合理水面率.

2.1 水系结构参数

1)水面率(WP):区域内河流及湖泊水面面积占总面积的比例,其计算公式如下:

式中:AW为河湖总面积(km2)；A为区域总面积(km2).

2)河网密度(Rd):区域单位面积内的河道总长度,表示区域内河流长度的发育程度,其值越大,流域内水文响应速率越快,其计算公式如下:

式中:LR为区域河道总长度(km).

3)河频率(RF):区域内单位面积内的河流条数,与指标河网密度结合可以更好表征流域河网的发育程度,其计算公式如下:

式中:N为区域河流总条数.

4)河网发育系数(KP):本文将全市河流(不包括长江)分为市级及以上河流(一级河流)、镇级河流(二级河流)、村级河流(三级河流)3个等级[12].KP表示区域内二级河流、三级河流总长度与一级河流总长度的比值,表征区域内河网水系的主干化程度,其计算公式如下:

式中:Lw为二级、三级河流总长度(km)；L0为一级河流总长度(km).

5)面积长度比(RAL):区域内一级河流总面积与其总长度的比值,其值越大,说明河道过水面积越大,其计算公式如下:

式中:A0为一级河流总面积(km2).

6)曲度(Sr):表示一级与二级河流现状实际长度之和与该河流截弯取直的直线长度之和的比值,其值越大,表示区域内河流弯曲程度越大,其计算公式如下:

式中:Lb为一级与二级河流实际长度之和(km)；LS为一级与二级河流直线长度之和(km).

7)节点通达度(β 指数):从图论和几何学的角度出发,将区域主要河网概化为网络N,β指数指网络N内每一个节点所邻接的边的平均数目,主要表示区域内节点之间的相互联系难易程度,其计算公式如下:

式中:e 为网 络N的边 数；n 为网 络N的节 点数.

8)盒维数(D):盒维数利用分形理论从总体上说明河网水系对特定区域的覆盖程度,以及反映河网水系的复杂性特征[13],其计算公式如下:

式中:r为覆盖片区水系的正方形网格边长(mm)；N(r)为在ArcGIS用边长为r 的正方形网格覆盖不同片区水系得到的覆盖水系的非空网格的数量；C为拟合线性方程的常量项.

2.2 流域洪水调蓄能力参数

采用单位面积槽蓄容量(SR)、单位面积可调蓄容量(ASR)表征片区洪水调蓄能力大小.

1)单位面积槽蓄容量(SR).SR 表示单位面积上在一定水位条件下河网所能蓄积的水量,其值大小表征河网的蓄水能力,其计算公式如下:

式中:b 为河道底宽(m)；h为河道水深(m)；k为 边坡系数；L为单条河道长度(m).

2)单位面积可调蓄容量(ASR).ASR 表示单位面积上最高水位与常水位时河网槽蓄能力的差值,其值大小反映河网的调洪能力大小,其计算公式如下:

式中:SRi为最高水位下单位面积槽蓄容量(104m3/km2)；SR0为常水位下单位面积槽蓄容量(104m3/km2).

2.3 相关性分析方法

本文基于SPSS软件中的双变量相关分析法对调蓄能力指标与水系结构指标进行相关性分析,从而得出相关性显著指标.相关系数计算原理如下:

式中:R2为线性相关系数,0≤R2≤1,当R2越接近于1时,相关性越显著；xi、yi分别为两个指标变量的系列值；分别为指标变量的均值.

3 结果与分析

3.1 指标计算

根据上述水利分区,不同分区相关河道长度、区域面积运用MapInfo获值,河网网络节点与边数统计区域水系概化图获值(见表1),分别计算不同区域水系结构和调蓄能力参数(见表2).

表1常熟市不同水利分区河道水系参数统计表

表2常熟市不同水利分区河道水系结构参数和调蓄能力参数计算统计表

基于GIS平台,得到不同水利分区ln N(r)～ln r的关系图(如图4所示),6个分区ln N(r)～ln r 的拟合呈现出较好的线性关系,显著性系数全部大于0.99,均为显著性相关,因而可根据其斜率达到片区的水系盒维数.

图4常熟市不同水利分区水系盒维数计算曲线拟合图

根据表2计算的不同分区水系结构参数和调蓄能力参数,为进一步了解不同分区参数的变化情况,绘制不同水利分区水系结构参数变化图(如图5所示)和不同水利分区调蓄能力柱状变化图(如图6所示).

图5常熟市不同水利分区水系结构参数折线变化图

图6常熟市不同水利分区调蓄能力柱状变化图

由图5与图6可见,不同水利分区的水系结构参数不是同步变化,由于各分区城市化水平不同,各分区不同水系结构参数的大小都有差异.

Ⅰ区:区域水系面积长度比、河频率值相对较大,河网密度、水面率、节点通达度较小,调蓄能力最低,说明该片区河道长度较短,部分河道规模偏小,局部水系较为破碎.

Ⅱ区:区域城市化水平相对较高,为常熟市主城区所在地,区域节点通达度、河网密度较大,河网发育系数较小,调蓄能力仅高于Ⅰ区,说明该片区河网连接度较好,但由于城市快速发展区域二三级河流发育较差,导致片区调蓄能力较差.

Ⅲ区、Ⅴ区、Ⅵ区:该三片大多属于圩区河网,位于阳澄圩区与滨江区,区域河网发育系数、河频率、河网密度较大,水系结构相对较完整,水面率较Ⅰ、Ⅱ区偏大,调蓄能力处于中等偏上水平.

Ⅳ区:区域内包含昆承湖、尚湖两大湖泊,水面率、盒维数较大,河频率、河网密度、河网发育系数较小,区域调蓄能力较大,说明该片区湖泊的调蓄能力显著,明显反映了区域水面率与调蓄能力之间的关联.

3.2 相关性分析

结合上述计算的6 个分区不同参数数据(见表2),分别对8个水系结构参数与2个调蓄能力参数基于SPSS软件逐一进行双变量相关性分析,经整理后的相关性分析结果见表3.由表3可知,在8个水系结构参数指标中有2个参数指标与调蓄能力参数指标显著相关,即水系结构参数指标的“水面率”、“盒维数”与调蓄能力参数指标中的“单位面积槽蓄容量”、“单位面积可调蓄容量”显著相关.水面率与单位面积槽蓄容量、单位面积可调蓄容量是在0.01水平上相关的；盒维数与单位面积槽蓄容量、单位面积可调蓄容量分别在0.01与0.05水平上相关,说明流域的调蓄能力与区域水面率高度正相关,与盒维数也呈正相关关系,水系结构影响流域的调蓄能力,水面率越低、盒维数越小,流域调蓄能力越小.其他参数如河频率与单位面积槽蓄容量在0.05水平上相关,但从防洪排涝方面考虑可调蓄容量比槽蓄容量更重要,其两者相关性相对较差,其余水系结构参数指标与调蓄能力参数指标相关性不显著.

表3水系结构参数与调蓄能力参数相关性分析结果统计表

根据单位面积槽蓄容量、单位面积可调蓄容量与水面率、盒维数显著相关性,通过回归分析,建立SR、ASR 与水面率的线性拟合关系以及SR、ASR 与水面率、盒维数的多元线性拟合关系:

将表2中的水面率WP与盒维数D的值带入上述拟合方程中,得到不同水利分区的SR、ASR 的估算值,与表2中的计算值进行对比,绘制折线图得到图7,分析定量相关关系方程计算的准确性.

图7常熟市不同水利分区调蓄能力参数指标计算值与估算值对比图

由图7可见,由水面率与盒维数估算流域调蓄能力比仅以水面率估算更合理,因而本文后续合理水面率计算采用水面率、盒维数与单位面积槽蓄容量的相关关系进行估算.

3.3 合理水面率计算

考虑到不同区域的防洪标准不同,本文采取面积加权平均法计算常熟市合理水面率.根据《常熟市水资源综合规划》中的防洪规划部分,主城区防洪标准采用100年一遇,非城镇区及村居防洪标准采用50年一遇,圩区防洪标准采用20年一遇.本文参考城市满足行洪排涝要求的调蓄能力研究结构图[14],利用Mike11水力学模拟计算,外排能力均设为最大值,通过改变区域内部调蓄能力大小分别计算满足1%、2%、5%频率暴雨的行洪排涝要求的研究区槽蓄容量,计算结果见表4.

表4常熟市不同频率暴雨调蓄能力计算成果表

常熟市主城区面积117.7 km2,非城镇区及村居面积457.5 km2,圩区面积582.7 km2,考虑到水系结构的影响,全市水系盒维数取1.4,以此计算得到常熟市主城区合理水面率为28.57%,非城镇区及村居合理水面率为23.64%,圩区合理水面率为16.25%.通过面积加权平均法得到,常熟市综合合理水面率为20.42%.现状条件常熟市水面率约为16.6%,低于计算出的合理水面率,需通过疏浚拓宽河道,沟通水系,加强区域水系的保护与管理,提高区域调蓄能力,促进人类社会与自然的可持续发展.

4 结论

本文通过统计计算6个水利分区的水系结构参数指标与调蓄能力参数指标,以水系结构的不同描述流域调蓄能力的差异,建立了调蓄能力与区域水面率的线性拟合方程,提出了易于参考及推广使用的基于满足行洪需求的合理水面率计算方法.具体研究表明:

1)常熟市不同水利分区水系结构特征存在差异,调蓄能力也相应存在明显的空间差异,综合来看水面面积越大且保持一定合理的水系结构形态的区域调蓄能力越大；

2)流域的调蓄能力与区域水面率高度正相关,与盒维数也呈正相关关系,水面率与调蓄能力是在0.01水平上相关的；盒维数与单位面积槽蓄容量、单位面积可调蓄容量分别在0.01与0.05水平上相关；

3)结合常熟市不同区域行洪排涝标准及水面率与调蓄能力相关关系线性拟合方程,得出常熟市综合合理水面率约为20.42%.