劉長(zhǎng)高

(大連金石灘國(guó)家旅游度假區(qū)農(nóng)林管理中心，遼寧 大連 116650)

基于質(zhì)量變異法的城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異研究

劉長(zhǎng)高

(大連金石灘國(guó)家旅游度假區(qū)農(nóng)林管理中心，遼寧 大連 116650)

為客觀評(píng)估辨識(shí)城鎮(zhèn)化背景下城市河網(wǎng)水系空間分異特征，本文通過(guò)選取城市河網(wǎng)結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)，闡明了城市水系空間結(jié)構(gòu)分異辨識(shí)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而基于質(zhì)量變異法揭示了城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)的分異進(jìn)程。應(yīng)用實(shí)例表明，質(zhì)量變異法在城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異評(píng)估中具有較強(qiáng)適用性，研究可為城鎮(zhèn)化進(jìn)程中城市水系空間分異評(píng)估與規(guī)劃提供決策依據(jù)。

城市河網(wǎng)水系;質(zhì)量變異法;分異進(jìn)程

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.024

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)實(shí)施，城市范圍內(nèi)涵蓋河網(wǎng)水系以及土地植被等自然空間結(jié)構(gòu)正遭受人為活動(dòng)的嚴(yán)重?cái)_動(dòng)［1］。近年來(lái)，在人為要素及自然要素的雙重?cái)_動(dòng)作用下，隨著城市建設(shè)步伐的不斷加快，城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)正逐步發(fā)生分異變遷［2］。因此，通過(guò)辨識(shí)城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)的分異規(guī)律，闡明水系結(jié)構(gòu)演化趨勢(shì)，對(duì)生態(tài)文明城市建設(shè)以及城市水系規(guī)劃設(shè)計(jì)具備重要實(shí)踐理論價(jià)值。受城鎮(zhèn)化進(jìn)程的影響，城市河網(wǎng)水系的分異程度亟待深入研究。傳統(tǒng)辨識(shí)指標(biāo)分異的理論主要包括貝葉斯法、有序聚類法以及秩檢驗(yàn)法等方法模型，然而，上述理論通常基于較長(zhǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)系列，在城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)匱乏的地區(qū)適用性較差［3］。鑒于此，本文通過(guò)采用質(zhì)量變異理論，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)河網(wǎng)水系統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相對(duì)匱乏的城市，實(shí)現(xiàn)其河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分析進(jìn)程的評(píng)估。

1 城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異評(píng)估準(zhǔn)則

在城鎮(zhèn)化建設(shè)背景下，城市河網(wǎng)水系相繼實(shí)施一系列渠系順直、裁彎取直以及河道水流管控等工程舉措，從而造成城市水系結(jié)構(gòu)變化并嚴(yán)重破壞了自然河網(wǎng)生態(tài)功能。近年來(lái)，部分城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)逐步由自然密集型演變?yōu)榫中?、干流型以及川字型，城市河網(wǎng)結(jié)構(gòu)干流化以及單一化趨勢(shì)十分顯著［4］。為了綜合描述城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異程度，本文選取分維數(shù)D分、河網(wǎng)分支比Rb、線點(diǎn)比β、河道曲度Rs、市政管網(wǎng)系數(shù)Cp、管排比值Rd、城市建設(shè)用地比值 Ru、環(huán)通度 α以及河道控制指標(biāo)Rcon等九項(xiàng)要素作為河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異評(píng)判指標(biāo)。上述各指標(biāo)中，分維數(shù)及河網(wǎng)分支比表示河網(wǎng)空間復(fù)雜水平;曲度表示河道平面形態(tài)彎曲水平，其范圍介于1～2，其值越接近2表示河道越彎曲，即河網(wǎng)空間結(jié)構(gòu)越好;線點(diǎn)比值表示河網(wǎng)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜水平，其范圍介于1～3，其值越大則河網(wǎng)水系越復(fù)雜，河網(wǎng)連通性越強(qiáng);管排面積比值表示城市河網(wǎng)水系空間下墊面產(chǎn)匯流特征，代表城市水系由市政管網(wǎng)代替的水平;河道控制指標(biāo)表示河道單位長(zhǎng)度中涵洞、內(nèi)橋、壩以及泵站、閘門的布設(shè)數(shù)量，代表人為擾動(dòng)城市水系空間結(jié)構(gòu)水平;環(huán)通度表示河網(wǎng)復(fù)雜水平，其范圍介于0～1，其值越大則河網(wǎng)空間結(jié)構(gòu)回路越多;城市用地比值表示下墊面產(chǎn)匯流變異程度［5］。上述各指標(biāo)判別準(zhǔn)則如表1所示。

表1 城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異評(píng)估判別準(zhǔn)則

2 城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異進(jìn)程評(píng)估

自然界中事物普遍存在兩種發(fā)展階段趨勢(shì)，即為量變過(guò)程以及由量變引發(fā)的質(zhì)變進(jìn)程。量變反映出事物在數(shù)量方面所產(chǎn)生的變化，呈現(xiàn)出不明顯的連續(xù)變化趨勢(shì);質(zhì)變則代表事物根本特性的突變，反映事物形態(tài)漸進(jìn)演化的中斷。因此，自然界事物隨著量變而不斷發(fā)展，在量變到達(dá)臨界極限時(shí)則發(fā)生質(zhì)變，即舊事物演化為新事物［6］。綜合描述量變進(jìn)程應(yīng)首先明晰其發(fā)展初始狀態(tài)，在遵循事物分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，推算其發(fā)生質(zhì)變的臨界極限允許距值M。

式中，M+與M-分別代表發(fā)生質(zhì)變時(shí)的左、右極限臨界允許距值;x+j、xj、x+j與x-j代表第j項(xiàng)要素發(fā)生質(zhì)變時(shí)的左項(xiàng)、右項(xiàng)以及邊界值;yjmax與yjmin表示第j項(xiàng)要素在標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)中的最大與最小值［7］。其中，質(zhì)變距值表示為:

式中，Dik表示由第i級(jí)別到第k級(jí)別發(fā)生質(zhì)變的距離值;xij表示第i等級(jí)中第j項(xiàng)要素邊界數(shù)值;xkj表示第k等級(jí)中第j項(xiàng)要素邊界數(shù)值。其中，量變距值表示為:

式中，d表示由1狀態(tài)發(fā)展為2狀態(tài)時(shí)的量變距值;x2j與x1j表示處于2狀態(tài)以及1狀態(tài)時(shí)第j項(xiàng)要素?cái)?shù)值。

因此，若 d＜M-，則自然事物未產(chǎn)生分異變化。若則表示自然事物產(chǎn)生 n等級(jí)分異變化。采用質(zhì)量變異法平事物分異進(jìn)程應(yīng)遵循如下步驟:①首先明晰事物所處初始發(fā)展方向與位置;②推求事物發(fā)生質(zhì)變時(shí)由1等級(jí)至n等級(jí)時(shí)距值D以及允許距值M;③推求事物發(fā)生量變時(shí)的距值［8］;④綜合分異判別準(zhǔn)則評(píng)估事物所產(chǎn)生的分異水平。

3 應(yīng)用實(shí)例與分析

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快，我國(guó)北方某城市城市化人口比率持續(xù)上升，城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著分異變化。因此，以1990年該城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)為初始狀態(tài)年份，選取城市河網(wǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變化的2000年、2005年以及2012年的城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)特征為研究對(duì)象并實(shí)施分異評(píng)估。該城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)要素指標(biāo)值如表2所示。

表2 城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)要素指標(biāo)值

本次分析將該城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)1990年時(shí)量變距值小于臨界允許距值視作未產(chǎn)生分異。在1990年基礎(chǔ)狀態(tài)基礎(chǔ)上分異至臨近水系狀態(tài)結(jié)構(gòu)時(shí)視作可糾正分異。在1990年基礎(chǔ)狀態(tài)基礎(chǔ)上分異至相隔水系狀態(tài)結(jié)構(gòu)時(shí)視作中等程度分異。在1990年基礎(chǔ)狀態(tài)基礎(chǔ)上分異至相隔 n(n≥2)等級(jí)水系狀態(tài)結(jié)構(gòu)時(shí)視作嚴(yán)重分異變化。由表2可知，該城市1990年城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)屬于自然型式。同時(shí)，遵循表1所示分異判別準(zhǔn)則，推求發(fā)生質(zhì)變時(shí)的允許臨界距值M、質(zhì)變距值D以及2000、2005與2012年發(fā)生量變時(shí)的距值，如表3所示。

表3 城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異判別

由表3可知，該城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)由1990年至2000年、2005年以及2012年過(guò)程中，呈現(xiàn)出中等分異特征，城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)處于M++D井+D川(川字型)與M++D井(井字型)之間過(guò)渡結(jié)構(gòu)類型，城市進(jìn)程造成河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)逐步退化。同時(shí)，結(jié)合表2可知，該城市2000年、2005年以及2012年的河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分維數(shù)、河網(wǎng)分支比、線點(diǎn)比以及河道曲度均比1990年明顯下降，表明該城市河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)由1990年的自然型式逐步分異演變至井字型結(jié)構(gòu)，同時(shí)趨向于川字型水系結(jié)構(gòu)的分異進(jìn)程，河網(wǎng)整體呈現(xiàn)為順直化以及主干化的分異特征。此外，該城市市政管網(wǎng)系數(shù)以及城市建設(shè)用地比值其余年份均較1990年明顯變大，即該城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)由1990年的自然型式逐步分異演變至川字型式，同時(shí)有進(jìn)一步分異為干流型式的趨勢(shì)，表明該城市整體處于暗管化以及干流化分異進(jìn)程中。城市管排比值、環(huán)通度與河道控制系數(shù)同樣呈現(xiàn)分異特征，表明該城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)遭受嚴(yán)重割裂破壞，堤防標(biāo)準(zhǔn)過(guò)高且控河工程過(guò)于密布，城市河網(wǎng)連通性遭到嚴(yán)重?fù)p害且整體表現(xiàn)為破碎分異趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)造成城市土地大面積開發(fā)，土地利用系數(shù)逐年擴(kuò)大且侵占城市河網(wǎng)水系用地問(wèn)題屢見不鮮，從而造成城市河網(wǎng)水系空間急劇萎縮，城市內(nèi)水域占地面積逐步削減。同時(shí)，城市河網(wǎng)水系空間的侵占以及不合理的河道拓寬疏浚、河槽硬化、裁彎取直等措施加劇了城市內(nèi)澇災(zāi)害，從而制約了河網(wǎng)水體生態(tài)環(huán)境功能的發(fā)揮。本文結(jié)合質(zhì)量變異理論實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異進(jìn)程的評(píng)估，應(yīng)用實(shí)例表明城鎮(zhèn)化造成了城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異，河網(wǎng)水系連通性下降且整體呈現(xiàn)破碎分析態(tài)勢(shì)。質(zhì)量變異法在城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)分異評(píng)估中具有較強(qiáng)的適用性。研究可為城市河網(wǎng)水系空間結(jié)構(gòu)評(píng)估及規(guī)劃提供技術(shù)支撐。

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TV211

A

1672-2469(2016)08-0074-03

2016-05-26

劉長(zhǎng)高(1974年—)，男，工程師。