城市化對深圳市二期水系結(jié)構(gòu)的影響

城市化對深圳市二期水系結(jié)構(gòu)的影響

1城市水系結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)研究水系是連接流域水庫系統(tǒng)和三角洲的系統(tǒng)，由水庫和峽谷組成。流域水文系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng),流域的水系結(jié)構(gòu)與河流形態(tài)、生態(tài)功能密切相關(guān),且其形成和發(fā)展是地質(zhì)、地形、土壤、氣候、植被和人類活動綜合作用的結(jié)果,但在短時間內(nèi)主要受到人類活動,特別是城市化的深刻影響。水系結(jié)構(gòu)一般采用與河流地貌學(xué)相關(guān)的指標(biāo),如流域內(nèi)不同等級河流之間的長度比、分枝比、面積比,以及河流分維數(shù)、河道長度、密度、數(shù)目等指標(biāo)進行描述。Horton(1945)和Strahler(1952)證明了自然河流在結(jié)構(gòu)組成上具有自相似性,提出了著名的Horton定律和Strahler河流分級方法,極大地促進了水系結(jié)構(gòu)研究。Tarboton(1988)驗證了自然河流具有分形特征。周家維等(1994)應(yīng)用Strahler分級方法,研究了北盤江流域水系結(jié)構(gòu)特征。楊立波(1996)探討了河北省河流水系的分級,并將其應(yīng)用到河道治理中。Tarboton(1996)發(fā)現(xiàn)僅在大尺度上的平均分枝比等水系結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足Horton定律。韓昌來等(1997)分析了太湖水系結(jié)構(gòu)與其功能的相互作用關(guān)系。馮險峰(1999)探討了水系結(jié)構(gòu)對自然災(zāi)害的指示意義。朱俊江等(2002)對水系的分形特征與斷裂帶活動性關(guān)系進行了研究。陳彥光等(2003)分析了吉林省水系分形構(gòu)成特點。Nicola等(2003)、Aear&Mewson(2003)發(fā)現(xiàn)城市化強烈地影響河流結(jié)構(gòu)的發(fā)育過程和狀態(tài),全球60%的河道因城市化發(fā)生了深刻的改變。楊凱等(2004)在上海市的研究表明城市化影響水系結(jié)構(gòu),導(dǎo)致河流自相似性的削弱和結(jié)構(gòu)趨向簡單化。袁雯等(2005)在上海市的研究表明城市化通過干擾河流結(jié)構(gòu)自身發(fā)育規(guī)律,從而嚴(yán)重地影響河網(wǎng)調(diào)蓄能力。從以上研究可以看出,以往的研究主要集中在自然河流水系結(jié)構(gòu)特征及其應(yīng)用研究,對城市化地區(qū)水系結(jié)構(gòu)變化的研究相對較少。本項研究以快速城市化的典型區(qū)域——深圳市為例,探討城市化前后水系結(jié)構(gòu)的變化特征,其研究成果不僅可以為深圳市正在開展的河流整治、水系規(guī)劃和保護提供科學(xué)指導(dǎo),也可以為其他地區(qū)的水系保護提供幫助。2數(shù)據(jù)和方法2.1外來地理分布以深圳市的所有水系與河流,包括內(nèi)陸河流和入海河流為研究對象(圖1)。為了研究的需要,按照水系片劃分方法,結(jié)合深圳市的自然地理特征,將深圳市地域劃分為茅洲河、觀瀾河、珠江口、深圳灣、深圳河、坪山河、龍崗河、大鵬灣、大亞灣等9大水系片區(qū),分別如圖1中的1～9所示的9個區(qū)。其中茅洲河、觀瀾河、大沙河、深圳河、坪山河、龍崗河分別為茅洲河片區(qū)、觀瀾河片區(qū)、深圳灣片區(qū)、深圳河片區(qū)、坪山河片區(qū)和龍崗河片區(qū)的主要河流,而珠江口、大鵬灣和大亞灣內(nèi)水系眾多,由許多直接入海小河流組成。2.2直接利用市河水系圖繪制跨市河流研究采用了1982年、2002年的水系圖,其中1982年水系圖為深圳市國土資源調(diào)查與評價項目(廣州地理研究所承擔(dān))的成果,2002年水系圖來源于深圳市河道普查項目(深圳市水利規(guī)劃設(shè)計院承擔(dān))成果(水系圖在1∶1萬地形圖基礎(chǔ)上,配合野外調(diào)研繪制)。需要說明的是:由于數(shù)據(jù)原因,對于跨市河流只統(tǒng)計深圳界內(nèi)的部分;1982年大亞灣片區(qū)的部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失,因此不計入本文的研究區(qū)域。2.3水系分維數(shù)及城市水平的計算水系分級:采用斯特拉勒(Strahler)法對河流進行分級。Strahler分級規(guī)則:直接發(fā)源于河源的小河為一級河流;兩條同級別的河流匯合而成的河流級別比原來高一級;兩條不同級別的河流匯合而成的河流的級別為兩河流中的較高者;經(jīng)此類推至干流,干流是水系最高級別的河流。水道密度:也叫河網(wǎng)密度,是指單位面積內(nèi)水道總長度,水道密度越大表明區(qū)域河道越多。計算公式如下:Dd=∑LA(1)Dd=∑LA(1)式中:Dd為水道密度(單位為km/km2);L為水道總長度(單位為km);A為流域面積(單位為km2)。水道分枝比:指某一級水道的數(shù)目與其高一級水道的數(shù)目之比,它反映了各級水道對其低一級水道的分枝能力,計算公式如下:Rb=NxNx+1(2)Rb=ΝxΝx+1(2)式中:Rb為水道分枝比(無量綱);Nx為第x級水道數(shù)目(單位為條);Nx+1為第x+1級水道數(shù)目(單位為條)。水道分枝能力:表示某一水道的分枝情況,數(shù)值越大表明水道的分枝能力越強,計算公式如下:Rax=N1+N2+?+Nx?1Nx(3)Rax=Ν1+Ν2+?+Νx-1Νx(3)式中:Rax為水道分枝能力(無量綱),其他同上。水系分維數(shù)(D):主要用來衡量河流的復(fù)雜程度,分維數(shù)越大表明河流越復(fù)雜,其值一般介于1.5到2.0之間。根據(jù)LaBarbera和Rosso(1987)提出的方法,水系分維數(shù)D采用如下公式計算:D=lgRb/lgRl(4)式中:Rb為水道分枝比(無量綱);Rl為河道長度比(無量綱)。城市化水平(城市化率):衡量城市化水平的方法有多種,如非農(nóng)業(yè)人口與總?cè)丝诒戎怠⒕C合城市化水平等方法。但為了衡量城市化水平與水系結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系,采用城市用地占國土面積的比例來衡量城市化水平比較恰當(dāng),單位為百分比。3研究結(jié)果3.1特區(qū)內(nèi)水系片區(qū)內(nèi)河道長度變化:深圳市1982～2002年不同水系片的河道長度和密度變化如表1所示。1982年為研究區(qū)的城市化起步階段,2002年為城市化基本成熟階段。表1表明:(1)在時間尺度上,同一河流的長度隨著城市化率的提高而減少。20年來,深圳市8個水系片的河道長度都有不同程度的減少,河流長度減少范圍為14.85～64.92km之間。河道總長度也隨著城市化程度而減少,1982年研究區(qū)的8個水系片區(qū)的河道長度為1523.28km,2002年則減少至1242.43km,減少了280.85km。(2)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),特區(qū)外的幾個水系片區(qū)城市化率與河流減少率有顯著的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.57),但特區(qū)內(nèi)河道沒有這種明顯的響應(yīng)關(guān)系。在這8個水系片中,特區(qū)外的河道長度減少量受城市化影響明顯,如龍崗河片區(qū)和茅洲河片區(qū)的河道長度減少量分別達到64.92km和48.01km;位于水源保護區(qū)內(nèi)的觀瀾河片區(qū),其河道長度減少量稍小,為22.72km。以特區(qū)內(nèi)河流為主的一些水系片區(qū),如深圳灣片區(qū)和深圳河片區(qū)的減少量分別為14.85km和22.91km,其減少量要小于特區(qū)外的水系片區(qū)。河道長度變化率:隨著城市化的推進,河道長度減少率增加,但并不一定有顯著的相關(guān)關(guān)系。在這20年間,8個水系片區(qū)的河道長度減少率達到10.88%～36.25%,并不一定是流域內(nèi)城市化水平越高,河道長度減少率也越高。變化率最小的是城市化水平并不低的觀瀾河、深圳灣和深圳河等3個水系片區(qū),其減少率分別為10.88%、2.91%和14.25%;研究發(fā)現(xiàn)變化率最大的是坪山河流域,減小了36.25%。在這20年間,全市河道的平均減少率也達到了18.91%。3.2流密度在城市化率高的過程中減少城市化通過影響河道的長度而影響河道的密度,相關(guān)分析表明,空間尺度上河道密度變化與城市化率之間相關(guān)水平不顯著。但在時間尺度上,河流密度隨著城市化率的提高而明顯減少。從1982～2002年,坪山河河道密度減少最大,達到0.330km/km2;觀瀾河片區(qū)減少量為0.094km/km2,深圳河片區(qū)為0.061km/km2,龍崗河片區(qū)為0.246km/km2(表1)。1982年,研究區(qū)8個水系片區(qū)的平均河道密度為0.855km/km2,而2002年減少到0.690km/km2,減少量達0.165km/km2。3.3河流數(shù)目對城市化率的影響表2為深圳市1982～2002年不同水系片區(qū)水系組成特征。由表2可知,茅洲河、觀瀾河、深圳灣、坪山河和龍崗河等片區(qū)都有較為完整的河流結(jié)構(gòu)體系,也即都是由1～4級河流組成的河流系統(tǒng),有相同的最高級別河道;但珠江口和大鵬灣水系片區(qū)由眾多直接入海的小河流組成,和其他水系相比沒有較為完整的等級體系。相關(guān)分析表明,假如不考慮觀瀾河和坪山河,在空間尺度上,深圳市其他6個水系片區(qū)城市化率與河流數(shù)目的減少量之間有明顯的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.65)。在時間尺度上,河道數(shù)目也對城市化率響應(yīng)明顯。和1982年相比,8個水系片區(qū)1、2級河道都有一定程度的減少,但高級別的河道(如3、4級河道)數(shù)目沒有減少。其中坪山河片區(qū)1級河道減少最多,達到了11個;珠江口、深圳河、龍崗河和深圳灣等片區(qū)居中,減少6～8個;而茅洲河、觀瀾河和大鵬灣水系片區(qū)減少3～5個。而對于2級河道來說,大鵬灣和珠江口水系片區(qū)減少了3～4個河道,其他河流減少1～2個。Horton提出流域不同等級河道之間普遍存在經(jīng)驗型的數(shù)量關(guān)系,即河流的等級級序與河道數(shù)量呈對數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系。1982年,深圳市的8個水系片區(qū)也滿足以上關(guān)系,其相關(guān)系數(shù)范圍為-0.98～-0.99。城市化之后,河流等級級序與河道數(shù)量仍然呈對數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系,其相關(guān)系數(shù)變化較小,只是在河流等級級序軸上的截距明顯減小,表明河流有簡單化的趨勢。3.4不同水系片區(qū)河流的分區(qū)分布特征表3為1982～2002年深圳市河流的分枝比(珠江口、大鵬灣由眾多低級別小河組成的水系片區(qū),此處不對其進行分析)。由表3可知:城市化減少了河道的分枝比,在城市化前,除深圳灣、坪山河外,其他幾個水系片區(qū)的河流的分枝比均在3～5之間,基本滿足Horton定律。而在城市化之后,6個水系片區(qū)2和3級河道的分枝比均有不同程度的減小,雖然大多數(shù)的河道分枝比仍在3～5之間,但不同河道的分枝比差距在減小,河流在空間上的多元化趨勢明顯下降。相關(guān)分析表明,在時間尺度上,河流水系分枝比對城市化率響應(yīng)明顯。在空間尺度上城市化率與河流水系分枝比的減少量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,但沒有達到顯著相關(guān)程度。3.5城市河流分形能力的政治特征表4為1982～2002年深圳市河流的分枝比(由于珠江口、大鵬灣由眾多小河組成的水系片,此處不對其進行分析)。由表4可知,城市化減小了河流的分枝能力。在城市化之初的1982年,河流的分枝能力滿足自然水系的分形特征,但城市化后這種特征削弱。相關(guān)分析還發(fā)現(xiàn),空間尺度上城市化率與河流水系分枝能力相關(guān),沒有達到顯著相關(guān)程度。在時間尺度上,城市化明顯減小水系的分枝能力,如對于相同的水系片區(qū),2002年各級別的河流其分枝能力都小于1982年相應(yīng)河流的分枝能力(1級河道和個別高級別河道除外),表明城市化的影響比較顯著。3.6水系結(jié)構(gòu)簡化趨勢表5為1982～2002年深圳市不同水系片區(qū)的分維。由表5可知,1982年除大鵬灣外,其他7個水系片區(qū)的分維數(shù)都在1.5～2.0之間,滿足LaBarbera和Rosso(1987)所證明的范圍。在2002年,8個水系片區(qū)的分維數(shù)都有不同程度的減小,其中坪山河和珠江口減小幅度較大,在這個年度,珠江口、深圳灣、坪山河和大鵬灣的分維數(shù)已經(jīng)小于1.5,表明水系的結(jié)構(gòu)簡單化趨勢非常明顯。以上研究結(jié)果表明深圳市的8個水系片區(qū)的河流比較簡單、發(fā)育不成熟,而城市化又強烈地干擾了河流的自然發(fā)育過程。與其他國家或地區(qū)的河流相比,深圳市河流的分維數(shù)要小于意大利(1.73),我國北方平原的永定河(1.66)、西南高原地區(qū)的烏江(1.74)、西北黃土高原的紙紡溝(1.9),與平原河網(wǎng)地區(qū)的上海市接近(1.59)。4城市河流水系結(jié)構(gòu)存在著一定的缺陷為了定量研究深圳市水系結(jié)構(gòu)在城市化前后的變化情況,以1982的2002年二期水系詳細(xì)調(diào)查圖為基礎(chǔ),采用了河道密度、長度、分枝比、分枝能力和分維數(shù)等水系結(jié)構(gòu)指標(biāo)進行了分析。研究結(jié)果表明:(1)深圳市河流在自然狀態(tài)下基本滿足河流水系結(jié)構(gòu)的一般規(guī)律。1982年,深圳市尚處于城市化的起步階段,其城市化水平尚較低,水系受到城市化的影響還較小,基本可以認(rèn)為是自然狀態(tài)下的河流,在這一年度深圳市河流的數(shù)目、河道密度、分枝比、分枝能力和分維數(shù)等參數(shù)均與其他地區(qū)的研究結(jié)論有相似性,其水系結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足河流的一般特征,基本滿足Horton定律。(2)城市化強烈地影響河流水系結(jié)構(gòu),城市化后河流結(jié)構(gòu)趨向簡單化,河流多元化特征削弱。在快速城市化過程的影響下,深圳市從20世紀(jì)80年代中期至90年代中期,基本完成城市化過程,從典型的農(nóng)業(yè)景觀變成典型的城市景觀?？焖俪鞘谢^程對水系的結(jié)構(gòu)造成極大的破壞,與1982年相比,深圳市2002年的河道長度減少、密度減小,河道數(shù)目減少,特別是低級別的支流減少較多;河道的分枝比和分枝能力都有不同程度的弱化,分維數(shù)減小,河流結(jié)構(gòu)具有簡單化的趨勢,河流的多元化特征削弱。當(dāng)然,對于不同片區(qū)來說,其變化速度不同,表明城市化過程對水系結(jié)構(gòu)的干擾存在空間上的差異性。城市化過程中河流水系減少的方式主要有二種:一種為直接影響方式,即在城市的開發(fā)過程中將河流填埋,從而減少水系的長度和河流寬度;第二種方式為間接方式,即在城市河流的改造過程中,對河流進行了大規(guī)模的防洪整治,許多河流進行了截彎取直改造,因此影響了河流的長度和水生態(tài)空間。這二種方式在深圳都較為普遍,目前全市流域面積10km2以上的河流中,80%左右已經(jīng)進行防洪整治,護岸已經(jīng)被硬化,河流蜿蜒特征被改造,較多的彎曲被取直,河流線性化明顯。再加上直接填埋等,全市河流長度近20年來已經(jīng)減少了280km。假若平均河寬為5m,減少的水域面積達到1.4km2。河流水系的結(jié)構(gòu)與生態(tài)功能密切相關(guān),水系密度的減小、分枝能力下降和分維數(shù)減小反映出河流結(jié)構(gòu)的簡單化、自相似性的削弱,導(dǎo)致了河流蓄水空間的減小和河道廊道生態(tài)空間的喪失,從而導(dǎo)致豐水期徑流量的增大,洪峰期提前,增加了洪災(zāi)的可能性;而在平水期或枯水期徑流減小,減小了河流的基流。據(jù)分析,深圳市大多數(shù)河流的基流只有城市化前的20%,河流調(diào)蓄洪水的能力卻下降了8%左右。水系結(jié)構(gòu)的退化還會對地下水的補給和排泄造成影響,如河道數(shù)目的減少,減小了地下水與地表水交換界面,特別是山區(qū)交換區(qū)界面的減小。河流水系結(jié)構(gòu)的退化還減小河流的水面率,而一定面積的水面率不僅對市政管網(wǎng)排水除澇非常重要,更重要它還在改善城市水環(huán)境、調(diào)節(jié)小氣候、減緩城市熱島效應(yīng)、改善人居環(huán)境、增加生物多樣性以及城市景觀建設(shè)中具有不可替代的生態(tài)環(huán)境功能。目前,由河流所貢獻的水面率呈