删除或更新信息，请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)

平原水网地区快速城市化对河流水系的影响

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

吴雷¹^,²^,, 许有鹏¹^,, 徐羽¹, 袁甲¹, 项捷¹, 徐兴³, 徐勇⁴

1. 南京大学地理与海洋科学学院,南京 210023

2. 澳大利亚国立大学社会与环境学院, 堪培拉 ACT 0200

3. 江苏省水文水资源勘测局无锡分局,无锡 214000

4. 江苏省水文水资源勘测局苏州分局,苏州 215000

Impact of rapid urbanization on river system in a river network plain

WULei¹^,²^,, XUYoupeng¹^,, XUYu¹, YUANJia¹, XIANGJie¹, XUXing³, XUYong⁴

1. Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210023, China

2. Fenner School for Society and Environment, Australian National University, Canberra, ACT 0200, Australia

3. Wuxi Sub-bureau of Jiangsu Province Hydrology and Water Resources Investigation Bureau, Wuxi 214000, Jiangsu, China

4. Suzhou Sub-bureau of Jiangsu Province Hydrology and Water Resources Investigation Bureau, Suzhou 215000, Jiangsu, China

通讯作者:通讯作者：许有鹏(1956-), 男, 江苏南京人, 教授, 主要研究方向为流域水文水资源评价与防洪减灾。E-mail: xuyp305@163.com
收稿日期:2017-04-7
修回日期:2017-05-31
网络出版日期:--
版权声明:2018《地理学报》编辑部本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
基金资助:

国家重点研发计划专项项目(2016YFC0401502)

国家自然科学基金项目(41371046, 41771037)

江苏省水利科技基金项目(2015003)

作者简介:
-->作者简介：吴雷(1989-), 男, 安徽宿州人, 博士生, 主要研究方向为水文学与水资源。E-mail: wulei@smail.nju.edu.cn

展开

摘要
为了揭示平原水网地区快速城市化对河流水系的影响,基于1:50000地形图和30 m空间分辨率遥感影像数据,采用格网化河网密度、支流发育系数和分形维数等水系指标,分析了20世纪80年代至21世纪10年代苏州市河流水系的时空变化特征,探讨了土地城市化水平与河网密度变化之间的定量关系。结果表明：① 苏州市河流长度衰减了10.55%,其中干流长度增加了3.24%,一级支流与二级支流的长度分别减少了18.87%和11.76%;河网密度在空间上以减小为主,其中干流河网密度在空间上以增加为主,支流河网密度在空间上以减少为主。② 支流发育系数由3.36下降至2.78,水系结构趋于主干化;水系分形维数由1.70下降至1.63,水系形态趋于简单化。③ 土地城市化率高于40%时,河流水系衰减趋于明显,且土地城市化水平越高,河流减少的越多。为满足不同的经济社会发展需要,不同等级河流对土地城市化的响应不尽相同：为提高城市防洪排涝能力,一级河流总体上有所增加;土地城市化率小于40%时,部分二级河流被侵占以增加耕地面积,并新开挖了许多三级河流以提高农田排涝与灌溉能力;土地城市化率大于40%时,大量支流被填埋并转换为建设用地,而且等级越低的河流衰减的越严重。

关键词：河流水系;城市化;格网化河网密度;平原水网地区;苏州市
Abstract
To reveal the impact of rapid urbanization on river system in a river network plain, characteristic indexes of river system, such as grid river density, development coefficient of tributary and fractal dimension, were used to evaluate the temporal and spatial changes of river system in Suzhou City from 1980s to 2010s, based on topographic map in 1:50000 scale and remote sensing image in 30m scale. The results were as following: The length of river system was decreased by 10.55%. From view of each order river, the length of 1st order river was increased by 3.24%, while that of 2nd order river and 3rd order river was decreased by 18.87% and 11.76%, respectively. The grid river density of river system was mainly decreased across most area of this region, and the change trend between main river and tributary was opposite in space, i.e., the grid river density of main river was mostly increased, while that of tributary was mostly decreased. The development coefficient of tributary and fractal dimension of river system respectively changed from 3.36 to 2.78 and 1.70 to 1.63, which indicated that the structure and morphology of river system became simplified. The attenuation of river system became remarkable when the land urbanization rate was greater than 40%. The response to land urbanization for each order river was different. Overall, 1st order river experienced a slight increase, to enhance the capability of flood control and drainage. When the land urbanization rate was less than 40%, some 2nd order rivers were occupied by farmland, and many 3rd order rivers were dug to improve the capacity of drainage and irrigation. When the land urbanization rate was greater than 40%, a lot of tributaries were buried and converted to construction land. And the lower the order river, the more severe the attenuation was.

Keywords：river system;urbanization;grid river density;river network plain;Suzhou City

-->0
PDF (773KB)元数据多维度评价相关文章收藏文章
本文引用格式导出EndNote Ris Bibtex 收藏本文-->
吴雷, 许有鹏, 徐羽, 袁甲, 项捷, 徐兴, 徐勇. 平原水网地区快速城市化对河流水系的影响[J]. 地理学报, 2018, 73(1): 104-114 https://doi.org/10.11821/dlxb201801009
WU Lei, XU Youpeng, XU Yu, YUAN Jia, XIANG Jie, XU Xing, XU Yong. Impact of rapid urbanization on river system in a river network plain[J]. Acta Geographica Sinica, 2018, 73(1): 104-114 https://doi.org/10.11821/dlxb201801009

1 引言

水是人类赖以生存的物质基础,而河流是水资源的重要载体,为了满足经济社会的发展需要,人们利用和改造河流^[1,2]。20世纪中叶至今,以城市化为代表的剧烈人类活动深刻改变了河流水系的自然特征,导致河流的行洪调蓄与水环境承载能力随之变化,河流及其滨水环境遭到破坏,引发了一系列水资源^[3,4]、水环境^[5]和水生态^[6]问题,在一定程度上制约了经济社会的可持续发展。因而,城市化背景下河流水系的时空变化及其驱动机制成为地理学、水文学、环境科学和生态学等学科研究的热点问题。
1956年,Strahler^[7]最早述及人类活动打破河流系统的稳定状态将会引起河道侵蚀与淤积变化。Wolman^[8]于1967年进一步阐述了城市化对河流的影响范式：城市化初期施工建设导致土壤侵蚀加剧,泥沙淤积河道;城市化中后期建设用地扩张并侵占农业用地,农业耕作引起的水土流失量减少,而地表不透水面积增加导致产流量增大,径流持续冲刷堤岸使河道拓宽。Chin^[9]总结了全球100多份研究案例,指出土壤侵蚀会持续数月至数年,而河道拓宽直至达到新的冲淤平衡状态可能需要几十年。早期研究主要从河流地貌学角度探讨城市化对河道冲淤规律的影响,近年来研究开始转向城市化对河流水系数量和结构特征的影响。Steele等^[10]对比分析了美国100个城市及其周边未开发地区,发现城市地区水体比率、水体密度和河网密度相较于未开发地区分别减少了89%、25%和71%,而且城市化驱使城市间地表水的分布相较于周边地区更为相似。Rouge River流域城市化导致河流长度衰减、河网密度下降,城市地区出现很多“城市河流沙漠”,即不存在地表河流的城市区域,导致城市遭受洪涝灾害的风险加剧,城市人口不断流失^[11]。国内相关研究起步较晚,已有的研究主要针对长江三角洲^[12,13]和珠江三角洲^[14]等城市化快速发展地区。杨凯等^[15]对上海不同城市化水利片区水系结构分析,发现高度城市化地区水系结构表现出由复杂到简单、由多元到单一的变化趋势;袁雯等^[16]提出城市化进程中平原水网地区水系结构的可能演化轨迹：自然型—井型—干流型;黄奕龙等^[17]分析了深圳不同水利片区水系结构在城市化前后的变化,发现城市化对水系结构的影响存在空间差异。
以往,在城市化发展与河流水系演变之间关系研究中,多以流域、水利片区或行政区为基本分析单元,由于分析单元的数量有限,且空间尺度相对概化,难以精确刻画城市化发展与河流水系演变的空间异质性。本文以苏州市为例,采用格网化河网密度方法,在最佳格网尺度上探讨平原水网地区快速城市化对河流水系的影响机制。

2 研究区概况

苏州市位于江苏省东南部,东临上海,北倚长江,西濒太湖,南接嘉兴,地理位置介于30°47′N~32°02′N、119°55′E~121°20′E之间。苏州市土地面积约8488 km²,平原、水域和丘陵面积分别占比约55%、42%和3%,其地貌类型分属于太湖及湖滨丘陵区、沿江平原沙洲区、苏锡平原区和阳澄淀泖低地区。地势自西向东缓慢倾斜,低山丘陵海拔高度一般在100~342 m之间,而平原区海拔高度一般在3~4 m之间,阳澄湖和吴江一带仅2 m左右。苏州市气候类型属于亚热带季风性气候,年均气温约15.7 ℃,年均降水量约1100 mm,降水的季节分配不均匀,汛期雨量约占年降水量的60.8%。特殊的地理条件塑造了境内河道纵横、湖荡密布的自然景观,河网密度3.36 km/km²,水面率9.56%（未包含太湖和长江水域部分）,属于典型的平原水网地区（图1）。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图1苏州市空间示意图
-->Fig. 1Location of Suzhou City
-->

1978年以来,苏州市经历了快速的城市化过程,剧烈的人类活动深刻改变了该地区的土地利用格局。农业发展时期,其土地利用类型以农田和水域为主,快速的城市化导致其建设用地面积急剧扩张,河流水系的数量和结构特征也随之发生改变。

3 数据与方法

3.1 数据来源与处理

3.1.1 遥感数据 Landsat-5 TM（1983年）和Landsat-8 OLI（2014年）数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn）,该数据已经经过系统辐射校正和几何校正,多光谱波段空间分辨率为30 m,地图投影坐标系为UTM-WGS 1984。在ERDAS IMAGINE 9.2软件平台中,对两期遥感影像进行波段组合、镶嵌和掩膜等预处理,采用非监督分类方法将研究区土地利用类型分为耕地、林地、建设用地和水域,构建20世纪80年代与21世纪10年代研究区土地利用转移矩阵,用于反映土地利用类型的空间转移和数量变化过程。
3.1.2 水系数据 20世纪80年代水系数据是由1:50000纸质地形图（1978-1983年）经扫描、配准和矢量化得到的;21世纪10年代水系数据来源于1:50000电子地形图（2009年）,并基于2014年高空间分辨率遥感影像进行校核、修正与更新。根据地形图制图规范,1:50000地形图中宽度大于20 m的河流按比例尺绘制,宽度为10~20 m的河流概化为统一粗单线,宽度小于10 m的河流概化为统一细单线。由于研究区地势低平,河道纵横,辫状水系发育,加之受到潮汐涨落的影响,导致河流流向呈往复流态,难以按照斯特拉勒（Strahler）、谢里夫（Shreve）等规则进行河流分级^{[15-16, 18]}。因此,本文兼顾河流的自然属性和社会功能,将宽度大于20 m的河流划为一级河流（主干河流）;将宽度为10~20 m的河流划为二级河流（一级支流）;将宽度小于10 m的河流划为三级河流（二级支流）。其中,干流在河网中主要起到引排水功能,而支流在河网中主要起到汇水与调蓄功能。

3.2 格网化河网密度

格网化河网密度（D_r）有别于以流域、水利片区或行政区为统计单元的传统河网密度,它以一定边长格网为统计单元,计算单位格网面积内河流的长度,其值大小反映河流水系的数量发育程度。

\begin{matrix} D_{r} = L / A \end{matrix}

（1）
式中：

\begin{matrix} r \end{matrix}

为格网边长;L为格网中河流长度;A为格网面积。
格网化河网密度（下文简称为河网密度）分析的关键在于确定最佳格网尺度。研究区河网密度的均值随着格网边长的增加而趋于减小,其趋势线为幂函数曲线,拟合效果较好（图2）,表明河网密度随格网边长的变化存在尺度效应。趋势线上存在一个突变点,在突变点之前,平均河网密度随着格网增大而减小的幅度较大;而在突变点之后,平均河网密度随着格网增大而减小的幅度趋于平缓,该突变点为趋势线由陡变缓的分界点,被视为计算河网密度的最佳格网尺度^[19]。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图220世纪80年代与21世纪10年代研究区平均河网密度与格网边长对应关系拟合曲线
-->Fig. 2Fitted curves for mean grid river density of the study area to grid size in the 1980s and 2010s
-->

均值变点法是一种对非线性数据进行处理的数理统计方法,该方法对恰有一个突变点的检验最为有效^[20,21]。突变点的求解过程如下：对有序数列{x_i},i=1, 2,…, N,将样本以x_i点为界分为两段,分别计算每段样本的算术平均值

\begin{matrix} {\overset{?}{x}}_{i 1} \end{matrix}

、

\begin{matrix} {\overset{?}{x}}_{i 2} \end{matrix}

及样本均值

\begin{matrix} \overset{?}{x} \end{matrix}

,并计算统计量S、S_i,突变点的存在会使S与S_i的差值增大,两者差值最大时对应的点即突变点。

\begin{matrix} S = {\overset{N}{\sum_{t = 1}} (x_{t} - \overset{?}{X})}^{2} \end{matrix}

（2）

\begin{matrix} S_{i} = {\overset{i - 1}{\sum_{t = 1}} (x_{t} - {\overset{?}{x}}_{i 1})}^{2} - \overset{N}{\sum_{t = i}} {(x_{t} - {\overset{?}{x}}_{i 2})}^{2} \end{matrix}

（3）
式中：t₁=1, 2,…, i-1,t₂=i, i+1,…, N,分别代表以x_i点为界的两段样本。

3.3 水系结构参数

支流发育系数（K）：河网支流长度与干流长度的比值,反映河网支流的发育程度,其值越大,河网支流发育程度越高;反之,河网主干化程度越高。

\begin{matrix} K = L_{b} / L_{m} \end{matrix}

（4）
式中：

\begin{matrix} L_{b} \end{matrix}

为河网中支流的总长度;

\begin{matrix} L_{m} \end{matrix}

为河网中干流的总长度。
分形维数（D）：反映河网空间形态的复杂程度,其值越大,河网越复杂。本文采用盒维数方法求解水系的分形维数：

\begin{matrix} D = - \lim_{r \to 0} \frac{\lg N_{r}}{lgr} \end{matrix}

（5）
用边长r的格网覆盖研究区,统计覆盖河网的格网数N_r,变换格网尺寸,得到一系列r-N_r,其对数的回归方程系数即分形维数。

4 结果与讨论

4.1 土地利用变化

为分析20世纪80年代-21世纪10年代研究区城市化的发展历程,对20世纪80年代与21世纪10年代遥感影像进行土地利用类型分类,并计算其土地利用转移矩阵（表1）。20世纪80年代研究区土地利用类型以耕地为主,其次为水域,建设用地面积占比仅10.12%,若以城市建设用地面积所占比重（即土地城市化率）表征城市化发展水平^[22],则20世纪80年代研究区的城市化水平较低,其经济社会以发展农业为主。21世纪10年代研究区建设用地面积超过耕地,成为占比最高的土地利用类型,其土地城市化率高达41.55%,表明研究区的城市化水平较高。20世纪80年代-21世纪10年代研究区经历了快速的城市化过程,建设用地面积急剧扩张,绝大部分是由耕地转化而来的;林地面积稍有增加,增加的部分也主要来源于耕地,这主要与同时期大力施行的“退耕还林”政策相关;而水域面积略有减少,消失的部分主要转化为建设用地。
Tab. 1
表1
表120世纪80年代-21世纪10年代研究区土地利用转移矩阵(%)
Tab. 1Transfer matrix of land use and land cover of the study area from 1980s to 2010s

		20世纪80年代
		耕地	林地	建设用地	水域	合计
21 世纪 10 年代	耕地	23.95	2.10	2.09	3.41	31.56
	林地	5.89	1.99	1.14	1.25	10.28
	建设用地	27.10	3.02	6.24	5.19	41.55
	水域	5.10	0.62	0.64	10.25	16.60
	合计	62.05	7.73	10.12	20.10	100.00

新窗口打开

4.2 最佳格网尺度

将格网边长与平均河网密度对应数据序列拆分为两段,前段依次为1~18个数据,采用均值变点法计算其S与S_i的差值。随着数据分割点的增大,S与S_i的差值呈现出先增大后减小的趋势,两期数据序列均在第6分割点处差值达到最大,并且该分割点前S与S_i差值增大的趋势陡峭,该分割点后S与S_i差值减小的趋势较为平缓,符合均值变点法中突变点的特征（图3）。因此,该分割点为格网化河网密度分析的最佳格网尺度,对应于3 km×3 km格网。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图3S与S_i的差值
-->Fig. 3Difference between S and S_i
-->

4.3 河网水系变化

4.3.1 水系数量特征由研究区两期水系数据得到不同等级河流的长度及其变化情况。研究区河流长度表现出明显的级序特征,即河流等级越高,河流长度越小（表2）。20世纪80年代-21世纪10年代研究区河流长度减少了10.55%（2553.11 km）。不同等级河流的长度变化差异显著,一级河流的长度增加了3.24%（179.96 km）,其长度占全部河流长度的比值由22.93%上升至26.47%,表明水系主干化程度有所增大;二级河流的长度减少最为剧烈,衰减率达18.87%（1433.68 km）;三级河流的长度减少了11.76%（1299.39 km）。
Tab. 2
表2
表220世纪80年代-21世纪10年代研究区河流长度变化
Tab. 2River length change of the study area from 1980s to 2010s

河流类型	河流长度(km)		变化量(km)
河流类型	20世纪80年代	21世纪10年代	20世纪80年代-21世纪10年代
一级河流	5548.74	5728.71	179.96	3.24
二级河流	7598.92	6165.24	-1433.68	-18.87
三级河流	11045.80	9746.41	-1299.39	-11.76
全部河流	24193.46	21640.35	-2553.11	-10.55

新窗口打开
以3 km×3 km格网为统计单元,分析20世纪80年代-21世纪10年代研究区不同区域河网密度的变化特征（图4）。研究区河网密度在空间上以减小为主,河网密度减小的区域高达61%,而河网密度增加的区域仅占38%。不同等级河流的河网密度空间变化差异显著,一级河流的河网密度在空间上以增加为主,二级河流与三级河流的河网密度在空间上以减少为主。一级河流与二级河流河网密度的空间变化具有相反的对应关系,尤其以苏州市区中部（东西向）、常熟市中部（南北向）和昆山市表现最为突出,即一级河流河网密度增加,而相应位置二级河流河网密度减小,其原因是该区域地势低洼,加之城市化快速发展使得地表不透水面积急剧增加,导致区域产流量加大,区域遭受洪涝灾害的风险加剧,为保障城市防洪安全,将部分二级河流疏浚、拓宽并改造为骨干河流,以提高行洪排涝能力;三级河流河网密度增加的区域集中分布于中部湖荡区和沿江高亢平原区,其原因是中部湖荡区农田排水不畅,而沿江高亢平原区水系相对稀疏,为治理农田内涝,提高农业灌溉能力,新开挖了大量沟渠。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图420世纪80年代-21世纪10年代研究区河网密度变化
-->Fig. 4River density change of the study area from 1980s to 2010s
-->

4.3.2 水系结构特征 20世纪80年代-21世纪10年代,研究区一级河流略有增加,二级河流与三级河流大量衰减,导致支流发育系数由3.36下降至2.78,衰减了17.26%,河网水系结构趋于主干化。其他平原水网地区支流发育系数总体上也趋于减小,嘉兴市支流发育系数由4.11下降至2.39,衰减了41.85%^[23];深圳市仅深圳湾水系和深圳河流域支流发育系数有所增加,其余水利片区均减小,珠江口水系和坪山河流域衰减率甚至达到100%^[14];杭嘉湖、阳澄淀泖和武澄锡虞水利片区支流发育系数分别衰减了31.45%、16.61%和4.25%^[24]（表3）。
Tab. 3
表3
表3快速城市化平原水网地区河流水系结构变化
Tab. 3Structure change in river system of rapid urbanization regions in river network plains

水系参数	研究区域	时期			变化量	变化率(%)
水系参数	研究区域	20世纪80年代		21世纪10年代	20世纪80年代-21世纪10年代
K(%)	苏州市	3.36	2.78		-0.58	-17.26
	嘉兴市	4.11	2.39		-1.72	-41.85
	深圳市*	[0.06, 3.9]	[0.00, 0.76]		[-3.32, 0.57]	[-100, 380]
	武澄锡虞区	4.00	3.83		-0.17	-4.25
	阳澄淀泖区	3.07	2.56		-0.51	-16.61
	杭嘉湖地区	2.83	1.94		-0.89	-31.45
D	苏州市	1.70	1.63		-0.07	-4.40
	嘉兴市	1.55	1.47	-0.08		-5.16
	深圳市	1.57	1.52	-0.02		-1.55
	武澄锡虞区	1.65	1.58	-0.07		-4.24
	阳澄淀泖区	1.71	1.65	-0.06		-3.51
	杭嘉湖地区	1.64	1.58	-0.06		-3.66

注：深圳市支流发育系数和水系分维数是基于1980年与2005年水系数据求得,其水系分形维数均依据Horton定律计算。

新窗口打开
20世纪80年代-21世纪10年代,研究区水系分形维数由1.70下降至1.63,衰减了4.40%,水系形态趋于简单化,与其他平原水网地区相比,其水系分形维数仅次于阳澄淀泖区,水系形态仍较为复杂。嘉兴市与深圳市两期水系的分形维数均较小,但其衰减幅度却相差悬殊,嘉兴市水系分形维数衰减幅度最大（5.16%）,而深圳市水系分形维数衰减幅度最小（1.55%）^{[14, 23]}（表3）。水系分形维数衰减的主要原因有：城市化进程中建设用地快速扩张,导致大量低等级河流被侵占或填埋;水利工程建设中河道普遍被裁弯取直,导致河道渠化严重,水系形态趋于简化。

4.4 城市化对河流水系的影响

苏州市是中国城市化发展最为迅速的地区之一,城市化进程中剧烈的人类活动深刻改变了河流水系的数量和结构特征。鉴于河网密度能够反映河流水系的数量发育程度,而不同等级河流间的数量关系又可以表征支流发育系数,而且已有研究发现水系分形维数与河网密度呈正相关关系^[25]。因此,本文以河网密度作为代表性参数,在3 km×3 km格网尺度上,统计21世纪10年代研究区不同土地城市化水平区域对应的河网密度,将之与20世纪80年代同一区域的河网密度进行对比,分析20世纪80年代-21世纪10年代研究区城市化对河流水系的影响（图5）。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图5研究区土地城市化水平与河网密度关系
-->Fig. 5Relationship between
-->

若研究区河流水系不受城市化等人为因素的影响,仅考虑冲淤变化等自然因素的作用,由于河流水系的自然演化过程极为缓慢,20世纪80年代与21世纪10年代研究区河网密度的差别应该十分微弱,而事实上,在不同土地城市化水平下,20世纪80年代研究区河网密度均大于21世纪10年代。当土地城市化率小于40%时,两者差别较小,而当土地城市化率介于40%~80%时,两者差别逐渐增大,随后两者差别又趋于减小（图5a）。由此可见,40%土地城市化率为研究区城市化对河流水系影响的阈值,当研究区土地城市化水平大于该阈值时,城市化导致河流水系的衰减加剧,而当土地城市化率大于80%时,河流水系衰减的幅度有所减小。从不同土地城市化水平区域面积百分比来看,21世纪10年代研究区有50.21%的区域土地城市化率超过40%,未来随着城市化继续发展,若不加强河流水系保护,将会有更多河流遭到破坏。
城市化等人类活动对不同等级河流的影响具有显著差异,一级河流后期（21世纪10年代）河网密度总体上略微大于前期（20世纪80年代）,增加的一级河流主要为了提高城市防洪排涝能力（图5b）;二级河流后期河网密度均小于前期,当土地城市化率小于40%时,部分二级河流被侵占以增加耕地面积,当土地城市化率大于40%时,许多二级河流被填埋以满足不断增长的建设用地需求（图5c）,这与Lake Thunderbird流域1874-1942年多数损失的河流被农业用地侵占,而1942-2011年城市化导致河流损失逐渐增加的结果基本一致^[26];当土地城市化率小于40%时,三级河流后期河网密度总体上大于前期,增加的三级河流主要是农田水利建设新开挖的灌渠,用于提高农田排涝与灌溉能力,而当土地城市化率大于40%时,后期河网密度小于前期,并且土地城市化水平越高两者差别越大,相同土地城市化水平下三级河流的减少量大于二级河流（图5d）,加拿大安大略省西南部地区和美国切萨皮克湾流域也发现了相同的研究结果,即低等级河流相较于高等级河流更易于被掩埋,而且土地城市化水平越高的地区这一趋势越明显^{[6, 27]}。

5 结论与展望

（1）河流水系的时空变化分析中,格网化河网密度相较于以流域、水利片区或行政区为统计单元的传统河网密度,能够在相对微观尺度上展现河流水系变化的空间差异,也使得土地利用与河流水系数据之间的栅格运算成为可能,为城市化背景下土地利用与河流水系变化之间的关系研究提供方法借鉴。
（2）数量特征上,20世纪80年代-21世纪10年代,苏州市河流长度衰减了10.55%,不同等级河流的长度变化差异显著,干流长度有微弱增加,而支流长度衰减较为剧烈;就河网密度变化的空间格局而言,河网密度在空间上以减小为主,不同等级河流的河网密度变化也存在差异,干流河网密度在空间上以增加为主,支流河网密度在空间上以减少为主。结构特征上,20世纪80年代-21世纪10年代,苏州市河流水系结构趋于主干化,水系复杂度有所降低。
（3）就全部河流而言,土地城市化率高于40%时,河流水系衰减趋于明显,且土地城市化水平越高,河流减少的越剧烈;就不同等级河流而言,为满足不同的经济社会发展需要,不同等级河流对土地城市化的响应也不尽相同。城市化对河流水系的影响表现在：① 为提高城市防洪排涝能力,一级河流总体上有所增加;② 土地城市化率小于40%时,为发展农业提高粮食产量,部分二级河流被侵占以增加耕地面积,并新开挖了许多三级河流以提高农田排涝与灌溉能力;③ 土地城市化率大于40%时,大量支流被填埋并转换为建设用地,并且等级越低的河流衰减的越严重。
（4）基于苏州市河流水系与土地利用数据分析发现,40%土地城市化水平是苏州市城市化对河流水系影响的阈值,21世纪10年代苏州市已有超过半数区域的土地城市化率超过阈值,若不采取有效措施对河流水系进行保护与恢复,随着城市化的继续推进,未来将会有更多河流衰减,水系结构将更为简化。
当前,关于城市化对河流水系的影响研究已有很多,不同地区的研究成果均表明城市化能够改变河流水系的数量与结构特征,引发一系列负面效应,然而,关于维持区域可持续发展的水系阈值研究仍十分薄弱。因此,定量模拟不同区域水系变化对水资源、水环境与水生态的影响,探讨区域水系特征的合理阈值,是今后亟需解决的问题。
The authors have declared that no competing interests exist.

平原水网地区快速城市化对河流水系的影响

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

Impact of rapid urbanization on river system in a river network plain

1 引言

2 研究区概况