江 燕，薛麗芳，于紅學(xué)，孟瑤瑤

(中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，徐州221000)

近30年來南四湖流域城市化進(jìn)程中的水系變化分析

江 燕，薛麗芳，于紅學(xué)，孟瑤瑤

(中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，徐州221000)

城市化對水系演化影響的研究國內(nèi)目前多集中在快速、高速城市化地區(qū)，而對大流域、城市化發(fā)展較緩地區(qū)的研究比較薄弱. 以南四湖流域為研究區(qū)，基于1987、2000和2014年3期遙感影像，分析了流域城市化進(jìn)程中的下墊面變化特征；選取流域1980s、2003和2014年的地形圖進(jìn)行水系提取，從數(shù)量參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和連通性參數(shù)3個角度分析近30年城市化進(jìn)程中水系結(jié)構(gòu)的時空變化特征. 結(jié)果表明：(1)近30年來流域建設(shè)用地增加了1568.06 km2，2000年以后城市建設(shè)用地擴(kuò)張顯著，2012年流域人口城市化率為32%；(2)1980s-2010s流域總河流長度、面積和河網(wǎng)密度均呈現(xiàn)出持續(xù)減少趨勢，分別減少了135.46 km、2.75 km2和0.49 km/km2，各級河流表現(xiàn)出不同的變化特點(diǎn)，較低等級河流受到的影響較大；而流域水面率持續(xù)增加，近30年共增加了59.79%；(3)流域水系總體上還保持著自然狀態(tài)下的空間格局，但結(jié)構(gòu)特征發(fā)生了較大改變，河網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度減少了4.30%，連接率和實(shí)際結(jié)合度分別減少了21.82%和21.62%；子流域內(nèi)部距湖區(qū)越遠(yuǎn)的空間城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)值越大，城市化對水系的影響越顯著. 該研究將補(bǔ)充對不同空間尺度、不同城市化水平地區(qū)河網(wǎng)水系演化影響的案例，并為研究區(qū)河網(wǎng)水系的保護(hù)提供支持與參考.

城市化；水系結(jié)構(gòu)；下墊面變化；南四湖流域

城市化進(jìn)程中下墊面性質(zhì)的變化使得大量河流水系遭到破壞，進(jìn)而引發(fā)一系列水資源與水環(huán)境問題，嚴(yán)重制約了城市和流域的可持續(xù)發(fā)展[1-2]. 目前，國內(nèi)關(guān)于城市化對水系河網(wǎng)演變影響的研究主要集中在高度城市化地區(qū)的城市或城市群流域尺度，如上海[3-5]、深圳[6-7]、杭州[8]等城市流域，以及太湖[9-12]、長三角[13]等城市群流域. 這些地區(qū)面臨的共性問題和研究成果為：近30年來城市不透水面積劇增，河網(wǎng)水系和水環(huán)境在快速城市化進(jìn)程中承受了巨大的壓力，一方面河網(wǎng)結(jié)構(gòu)趨于簡單化、主干化，河湖面積萎縮，連通度下降，河流健康受到嚴(yán)重?fù)p害；另一方面河流滯蓄洪澇水與水質(zhì)凈化能力明顯下降，洪澇災(zāi)害以及河流水質(zhì)惡化問題嚴(yán)重.

城市化對水系河網(wǎng)的影響具有明顯的區(qū)域性和階段性特點(diǎn)，探索不同流域尺度、不同城市化背景下流域水系的時空特征，能更好地制定規(guī)劃工作，為后期河網(wǎng)保護(hù)與管理、水資源利用與可持續(xù)發(fā)展、構(gòu)建生態(tài)城市提供參考依據(jù). 目前流域尺度下對水系河網(wǎng)演變的研究較少，僅有對快速發(fā)展的太湖流域、長三角地區(qū)的研究，而對其他城市化背景下流域水系演變的研究較少.

南四湖是一個復(fù)雜的大流域，是南水北調(diào)東線的重要調(diào)節(jié)湖泊之一，也是干旱和洪水頻繁發(fā)生的流域. 流域內(nèi)水系縱橫交錯，而城市化剛進(jìn)入加速發(fā)展階段，水系受自然和人為干擾發(fā)生較大改變. 結(jié)合城市化進(jìn)程，定量分析流域河網(wǎng)水系的變化過程，探討其變化因素，其成果可以補(bǔ)充城市化對水系結(jié)構(gòu)影響的研究案例，也可以為南四湖流域的水資源管理與調(diào)蓄、防洪抗旱減災(zāi)、流域宏觀治理和規(guī)劃等研究提供參考.

1 研究區(qū)概況

南四湖流域(34°24′～35°59′N，114°52′～117°42′E)是淮河流域的子流域，從魯西南部地區(qū)向南延伸至蘇北地區(qū)，范圍北起大汶河南岸，南抵廢黃河南堤，東至魯中南低山丘陵區(qū)西側(cè)邊緣，西以黃河堤壩為界. 南四湖是由北向南連續(xù)分布的微山湖、昭陽湖、獨(dú)山湖、南陽湖4個相連湖的總稱，湖區(qū)相互之間由自然和人工河道相連，是我國第六大淡水湖，也是南水北調(diào)東線工程中的重要調(diào)蓄水庫之一. 流域包含21個子流域，總面積為3.17×104km2，其中水域面積約1266 km2(圖1). 全流域以京杭大運(yùn)河和南四湖為界，湖東為魯中南低山丘陵和山前沖洪積平原，河流大多屬于洪水型季節(jié)性河流，源短流急，洪水勢猛而峰高；湖西為黃河中下游沖擊而成的黃泛平原，大多河流為坡水型河流，河道寬淺，集流入湖緩慢，洪水量大而峰低. 流域入湖大小河流合計53條，年平均入湖徑流量為29.6×108m3，年平均出湖徑流量為19.2×108m3. 由湖西入湖的河流有25條，由湖東入湖的河流有28條.

南四湖流域歷史上受河道襲奪的影響河網(wǎng)系統(tǒng)異常復(fù)雜，且人為干擾極其嚴(yán)重，流域水系具有特殊性，但是相關(guān)研究比較薄弱. 改革開放以來，流域社會經(jīng)濟(jì)得到一定程度發(fā)展，但是由于多種因素，一直滯后于沿海其他地區(qū)，是我國東部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展的低谷區(qū)，2012年流域城市化水平為32%，低于同期山東省(41.5%)和全國(52.6%)的城市化水平. 與已經(jīng)高度城市化地區(qū)城市化對自然水系造成較強(qiáng)的不可逆性特征相比，南四湖流域人水關(guān)系的可塑性比較大.

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

城市化進(jìn)程主要基于土地利用變化特征來衡量，數(shù)據(jù)來源于 1987年9月16日、2000年9月10日、2014年5月12日3個時期的Landsat TM 4-5影像15景，3個時期各5景，空間分辨率均為30 m. 遙感影像進(jìn)行輻射校正、幾何校正、直方圖匹配、圖像拼接和裁切及圖像濾波和增強(qiáng)等一系列預(yù)處理工作，綜合利用多種遙感影像解譯處理方法，結(jié)合實(shí)際地物類型，以監(jiān)督分類法為主，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等為輔，建立相對應(yīng)的地物數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行影像的解譯分析，將土地利用類型解譯為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地6大類，其中建設(shè)用地包括城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地(圖2a). 3期影響精度評價的Kappa值分別為0.91、0.89和0.93，分類精度能滿足研究要求.

圖2 流域不同時期建設(shè)用地空間分布(a)和水系變化(b)Fig.2 Spatial distribution of construction land (a) and the change of stream systems (b) in different periods

水系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)源為南四湖流域1980s的1∶100000紙質(zhì)地形圖和2003年、2014年的1∶100000電子地圖. 對原始地形圖進(jìn)行矢量化，經(jīng)過對矢量數(shù)據(jù)的編輯、拓?fù)錂z查、構(gòu)造TIN，最后生成分辨率為30 m的DEM圖. 對生成后的DEM進(jìn)行洼地填充、流域閾值劃分、洼地匹配等過程，提取3個時期的流域水系圖. 基于3期遙感影像圖、谷歌地圖和實(shí)地考察等對所提取的水系圖進(jìn)行檢驗、修正，最終得到流域的水系變化圖(圖2b)，其中湖泊、水庫、池塘等為面狀水系.

2.2 水系分級

南四湖流域湖西、湖東的河網(wǎng)類型不同，給水系的分級造成一定的難度，在實(shí)際的水系分級中主要考慮河網(wǎng)密度高的湖西地區(qū)的水系特征. 平原河網(wǎng)區(qū)的特點(diǎn)為河網(wǎng)交錯密布，河道之間匯入關(guān)系不清，流向也常常發(fā)生變化，加之高強(qiáng)度的人工干擾，河流改道現(xiàn)象普遍存在，并不存在明確的規(guī)律. 借鑒Strahler河流分級方案的思想和自然河流地貌學(xué)的分類方法[14]，參考已有文獻(xiàn)中關(guān)于平原河網(wǎng)地區(qū)的河流分級研究[15]，最終確定根據(jù)河流寬度對流域水系進(jìn)行分級：河寬大于20 m的河道定為1級、河寬10～20 m為2級、5～10 m為3級. 3級以下的河道在地形圖和遙感影像中與農(nóng)田中的灌渠等水利設(shè)施很難區(qū)分，文中不做統(tǒng)計. 河道的面積由長度乘以寬度得到，1、2和3級河道的寬度分別取平均值20、15和7.5 m.

2.3 參數(shù)指標(biāo)

從數(shù)量參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和連通性參數(shù)3個角度表達(dá)不同時期的河網(wǎng)特征：數(shù)量參數(shù)包括河網(wǎng)密度和河網(wǎng)水面率，反映水系河網(wǎng)的長度、面積等數(shù)量變化情況；結(jié)構(gòu)參數(shù)包括河流發(fā)育系數(shù)、河網(wǎng)復(fù)雜度和河網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度[10]，反映各級河流構(gòu)成與河流整體發(fā)育程度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定程度；連通性參數(shù)包括連接率β和實(shí)際結(jié)合度γ[16]，反映河網(wǎng)的通達(dá)度與空間上的連續(xù)程度. 城市化進(jìn)程用城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)和城市建設(shè)密度表示[17-18]，各參數(shù)的含義及計算公式見表1.

表1 參數(shù)指標(biāo)及說明

Tab.1 Parameters and instructions

分類參數(shù)名稱公式含義水系參數(shù)數(shù)量參數(shù)河網(wǎng)密度DR=LR/A單位面積上的河流總長度，表示河流長度發(fā)育狀況河網(wǎng)水面率WP=AW/A河道和湖泊多年平均水位下的水面積占區(qū)域總面積的比例結(jié)構(gòu)參數(shù)河流發(fā)育系數(shù)KW=LW/Lm各級支流與干流的比值，反映各級河流的構(gòu)成河網(wǎng)復(fù)雜度CR=NCL(/Lm)單位河流面積上的河流長度，反映河網(wǎng)數(shù)量和長度的發(fā)育程度，值越大說明構(gòu)成層次越豐富，支流水系越發(fā)達(dá)河網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度SRt=Lt/RAtLt-n/RAt-n(n>0，t>n)河道總長度和河道總面積的比值，衡量河網(wǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度連通性參數(shù)連接率β=LC/N反映水網(wǎng)中每個節(jié)點(diǎn)連接的平均河鏈數(shù)，衡量一個節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)聯(lián)系的難易程度實(shí)際結(jié)合度γ=LC/3(N-2)河網(wǎng)中實(shí)際連接數(shù)量占可能存在的最大連接數(shù)量的比值，即水網(wǎng)的實(shí)際結(jié)合水平城市化參數(shù)城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)Et=ΔAA×1T×100%單位時間內(nèi)新增的城市建設(shè)用地面積占區(qū)域總面積的比值城市建設(shè)密度Iti=AbtiAti×100%城市建設(shè)用地面積占區(qū)域總面積的比值

3 結(jié)果與分析

3.1 流域城市化進(jìn)程

用城市建設(shè)用地比重這一比較直觀的指標(biāo)作為城市化的評價指標(biāo). 近30年來，流域總體的城市化進(jìn)程比較緩慢，落后于東部沿海發(fā)達(dá)地區(qū). 1987-2014年流域建設(shè)用地增加了1568.06 km2，其中城市建設(shè)用地面積增加了1120.54 km2，增加幅度較大(表2). 到2014年流域建設(shè)用地面積為5435.87 km2，占總面積的14.21%，其中城市建設(shè)用地占1.32%，農(nóng)村建設(shè)用地占12.74%. 1987-2000年流域城市化發(fā)展緩慢，城市建設(shè)密度只增加了0.53%，城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)為0.04；2000-2014年流域城市擴(kuò)張顯著，城市建設(shè)密度增加了3.58%，城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)達(dá)到0.26.

建設(shè)用地的空間分布直觀地顯示了城市的發(fā)展變化(圖2). 農(nóng)村建設(shè)用地布局分散，約占流域總面積的68%，受地形的影響，湖西的布局密度大于湖東，近30年來用地格局變化不大. 城市建設(shè)用地呈較明顯的集聚和外延擴(kuò)張趨勢. 1987年城市建設(shè)用地少且零散；2000年面積較大的城市用地斑塊蔓延擴(kuò)張，東南部出現(xiàn)少量新增斑塊；2014年城市建設(shè)用地擴(kuò)張顯著，原有集中分布的大斑塊區(qū)域均以不規(guī)則外擴(kuò)的方式大幅度向外蔓延，湖西各中心建成區(qū)之間增加了很多較小的斑塊，湖東原來離散分布的較小斑塊面積也有所增大，并與集中分布的大斑塊逐漸連接成片. 城市建設(shè)用地和農(nóng)村建設(shè)用地布局從點(diǎn)到面共同對流域水系變化產(chǎn)生影響.

表2 南四湖流域不同時期建設(shè)用地面積及擴(kuò)展強(qiáng)度

Tab.2 Construction land area and expansion intensity of the Nansi Lake Basin in different periods

指標(biāo)1987年2000年2014年城市建設(shè)用地面積/km2358．38503．081478．92城市建設(shè)密度/%1．321．855．43農(nóng)村建設(shè)用地面積/km23467．283677．113714．23城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)0．04(19872000年)0．26(20002014年)0．15(19872014年)

3.2 流域水系的時空變化特征

3.2.1 水系數(shù)量特征 受氣候和人類活動的影響，流域水系的數(shù)量呈現(xiàn)較明顯的階段性特征. 1980s受人類活動影響較小，流域河網(wǎng)水系基本能保持自然狀態(tài)，水系較發(fā)達(dá)；2000s以后，河流總長度、面積有所減少，河網(wǎng)密度降低；2010s河網(wǎng)密度持續(xù)減少，但降水較豐沛，河網(wǎng)水系基本無斷流現(xiàn)象(圖2).

隨著城市發(fā)展，近30年來南四湖流域河流長度和面積均呈現(xiàn)出持續(xù)減少趨勢，1980s-2010s期間分別減少了135.46 km和2.75 km2，河網(wǎng)密度隨之下降. 各級河流的變化特點(diǎn)不同：1級河流長度和面積持續(xù)減少，分別減少195.17 km和3.9 km2；2級河流長度和面積持續(xù)增加，分別增加110.75 km和1.66 km2；3級河流長度和面積總體上呈持續(xù)減少趨勢，表現(xiàn)出先增后減特征，總體上分別減少了51.04 km和2.75 km2；除1級河流外，2、3級河流的長度和面積在2000s-2010s期間變化幅度均大于1980s-2000s階段(表3).

面狀水系面積呈增加趨勢. 近30年湖泊、水庫面積增加了159.72 km2. 不同階段變化幅度相差較大，2000s-2010s階段變化幅度(增加126.67 km2)遠(yuǎn)大于1980s-2000s階段(增加33.05 km2)，相差約4.8倍. 受面狀水系面積增加的驅(qū)動，流域水面率持續(xù)增加(表3).

表3 南四湖流域不同時期水系數(shù)量特征

Tab.3 River quantity characteristics of the Nansi Lake Basin in different periods

河流等級1980s2000s2010s1980s2000s2000s2010s1980s2010s長度/km面積/km2長度/km面積/km2長度/km面積/km2長度/km面積/km2長度/km面積/km2長度/km面積/km21級1564．2231．281396．5727．931369．0527．38-167．65-3．35-27．52-0．55-195．17-3．902級728．3810．93736．0811．04839．1312．597．700．12103．051．55110．751．663級202．252．02294．072．94151．211．5191．820．92-142．86-1．43-51．04-0．51總體2494．8544．232426．7241．912359．3941．48-68．13-2．31-67．33-0．43-135．46-2．75面狀水系面積/km2221．17254．22380．8933．05126．67159．72河網(wǎng)密度/(km/km2)9．158．908．66-0．25-0．24-0．49水面率/%0．971．091．550．120．460．58

3.2.2 水系結(jié)構(gòu)和連通性變化 近30年來，流域水系總體上還保持著自然狀態(tài)下的空間格局，但是水系的結(jié)構(gòu)特征發(fā)生一定的變化(表4)，表現(xiàn)為：1)河網(wǎng)復(fù)雜度呈現(xiàn)出微弱的增加趨勢，1980s-2000s增加了8.95%，2000s-2010s略有下降，減少了0.82%. 2)河網(wǎng)的干支流比例結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，2級河流的發(fā)育系數(shù)表現(xiàn)出持續(xù)增加趨勢，1980s、2000s和2010s分別為0.47、0.53和0.61；3級河流的發(fā)育系數(shù)則呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢，1980s、2000s和2010s分別為0.13、0.21和0.11. 3)河網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度呈下降趨勢，由2000s的1.03下降到2010s的0.98.

流域河鏈數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)均呈現(xiàn)出大幅減少趨勢. 其中，1980s-2000s階段河鏈數(shù)和結(jié)點(diǎn)數(shù)年均減少速率分別為60.23條/a和7.31個/a，2000s-2010s階段為7.31條/a和90.50個/a. 到2010s河鏈數(shù)和結(jié)點(diǎn)數(shù)僅為1969條和2277個，與1980s相比，分別減少2039條和1362個. 同時，連接率和實(shí)際結(jié)合度持續(xù)下降，1980s-2010s階段連接率和實(shí)際結(jié)合度分別減少了0.24和0.08(表4). 說明隨著城市擴(kuò)張，河流連通性受到影響，原來縱橫交錯的河網(wǎng)逐漸改變，河道之間連通程度持續(xù)降低.

表4 南四湖流域不同時期水系結(jié)構(gòu)和連通性變化

Tab.4 Changes of river structure and stream connectivity in the Nansi Lake Basin during different periods

河流等級1980s2000s2010s1980s2000s2000s2010s河流發(fā)育系數(shù)2級0．470．530．6113．19%16．29%3級0．130．210．1162．85%-47．55%河網(wǎng)復(fù)雜度4．785．215．178．95%-0．82%結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度1．030．98-4．30%河鏈數(shù)400832251969-783-1256結(jié)點(diǎn)數(shù)363935442277-95-1267連接率1．100．910．86-0．19-0．05實(shí)際結(jié)合度0．370．300．29-0．07-0．01

3.2.3 水系空間變化 湖東地區(qū)城市發(fā)展速度大于湖西地區(qū). 湖西地區(qū)1987-2000年、2000-2014年階段平均城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)分別為0.03、0.24，至2014年城市建設(shè)用地面積達(dá)到90.70 km2；湖東地區(qū)1987-2000年、2000-2014年階段平均城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)分別為0.05、0.29，至2014年城市建設(shè)用地面積達(dá)到51.91 km2. 就水系參數(shù)而言，湖西河網(wǎng)密度、水面率、河網(wǎng)復(fù)雜度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度均高于湖東，分別相差0.13、0.31%、2.26和0.27(表5). 說明城市發(fā)展較快的湖東地區(qū)，河網(wǎng)水系受到的影響較大，與城市發(fā)展程度呈正比.

就子流域而言，呈現(xiàn)出以下變化特征：1)南四湖流域的21個子流域城市化水平較低，1987-2000年城市發(fā)展普遍緩慢，城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)最大值僅為0.13(十字河流域)；2000-2014年城市擴(kuò)張顯著，7個子流域的城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)超過0.3. 2)子流域內(nèi)部距湖區(qū)越遠(yuǎn)的空間城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)值越大，城市化對水系的影響越顯著. 將2000-2014年的城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)值按0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.8進(jìn)行劃分可知，1980s-2010s期間3類子流域的河網(wǎng)密度變化率分別為14.47%、-17.21%和-24.23%，河網(wǎng)穩(wěn)定度的變化率分別為-2.01%、-2.20%和-5.16%，與城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)值呈反比，即城市化程度越高，水系受到的影響越顯著.

表5 南四湖子流域不同時期城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)與水系參數(shù)變化

Tab.5 Changes of urban expansion intensity index and river parameters in the Nansi Lake Basin during different periods

區(qū)域城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)河網(wǎng)密度水面率河網(wǎng)復(fù)雜度河網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度19872000年20002014年1980s2000s2010s1980s2000s2010s1980s2000s2010s2000s2010s湖西0．030．240．170．170．171．32%1．90%2．93%5．355．515．391．010．98湖東0．050．290．050．040．041．64%1．68%1．89%3．552．683．250．740．730～0．21)0．120．130．141．60%2．25%2．57%4．403．663．570．790．770．2～0．42)0．090．080．071．17%0．99%1．72%4．955．225．261．010．990．4～0．83)0．110．080．081．64%1．89%2．77%3．873．404．320．840．80

1)2000-2014年城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)值為0～0.2的子流域有界河流域、辛安河流域、韓莊運(yùn)河流域、惠河流域、鄭集河流域、大沙河流域、鹿口河流域、泗河流域和萬福河流域；2) 2000-2014年城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)值為0.2～0.4的子流域有梁濟(jì)運(yùn)河流域、北沙河流域、復(fù)興河流域、新薛河流域、東魚河流域和白馬河流域；3) 2000-2014年城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)值為0.4～0.8的子流域有洙趙新河流域、城河流域、洸府河流域、十字河流域、蟠龍河流域和豐沛河流域.

3.3 水系變化的原因分析

1980s以來，氣候以及水利工程、城市化、生態(tài)環(huán)境整治工程等人類活動共同影響南四湖流域河網(wǎng)水系的變化.

氣候因素上，2010s的流域平均降水比前兩個年代增加近80 mm. 降水量的增加使得水系參數(shù)，如湖泊、水庫面積以及水面率增加，同時也緩解了各級河道的斷流、枯流狀況.

下墊面變化上，近30年來，流域建設(shè)用地面積增加了1568.06 km2，遙感影像中解譯出來的流域259個城鎮(zhèn)用地斑塊中，有46%布局在距離1、2級河流0～2 km的范圍內(nèi)，城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展使得河道縮窄、低等級河道被填埋消失，河流長度面積、河網(wǎng)密度、河網(wǎng)復(fù)雜度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度有一定程度的降低. 城市化初期人類活動影響較小，水系變化不顯著；隨著城市化的進(jìn)一步發(fā)展，影響增加，水系變化逐漸顯著. 但流域的城鎮(zhèn)化水平總體較低，對河網(wǎng)水系的整體影響不大.

除了城市化導(dǎo)致的下墊面變化外，影響南四湖流域河網(wǎng)水系的人類活動中更多地表現(xiàn)為水利工程和生態(tài)環(huán)境治理. 1980s以來，為了解決防洪排澇問題，各主要河道都進(jìn)行了以提升排澇標(biāo)準(zhǔn)為目的的干、支流河道疏浚、開挖與治理工程，主要河流的防洪標(biāo)準(zhǔn)均由10年一遇提高到20～50年一遇. 這些水利工程使得流域2、3級河流的長度和面積呈增加趨勢.

4 結(jié)論

1)近30年來流域建設(shè)用地增加了1568.06 km2，1987-2000年城市化進(jìn)程發(fā)展緩慢，2000-2014年城市建設(shè)用地擴(kuò)張顯著；2012年流域城市率為32%，城市化水平較低.

2)流域總河流長度、面積和河網(wǎng)密度均呈現(xiàn)出持續(xù)減少趨勢，1980s-2010s期間分別減少了135.46 km、2.75 km2和0.49 km/km2. 各級河流表現(xiàn)出不同的變化特點(diǎn)：在城市發(fā)展較快的2000s-2010s期間，1級河流變化較小(長度和面積分別減少27.52 km和0.55 km2)，2、3級河流變化較大(河流長度分別變化了103.05 km和142.86 km)，即較低等級河流受到城市化的影響較大. 而流域水面率呈持續(xù)增加趨勢，1980s、2000s、2010s分別為0.97%、1.09%和1.55%.

3)流域水系總體上還保持著自然狀態(tài)下的空間格局，但河流結(jié)構(gòu)特征發(fā)生了較大改變，河網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度和連通度均呈現(xiàn)出削弱趨勢，河網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度降低了4.30%，連接率和實(shí)際結(jié)合度分別減少了21.82%和21.62%. 同時，子流域內(nèi)部距湖區(qū)越遠(yuǎn)的空間城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)值越大，城市化對水系的影響越顯著. 將2000-2014年的城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)值劃分成3個等級后，1980s-2010s期間河網(wǎng)密度變化率分別為14.47%、-17.21%和-24.23%，河網(wǎng)穩(wěn)定度變化率分別為-2.01%、-2.20%和-5.16%.

與高度城市化的城市流域相比，總體結(jié)論基本一致[8-9]，表明整體城市化水平較低的南四湖流域，也出現(xiàn)河網(wǎng)數(shù)量與結(jié)構(gòu)特征衰退的趨勢. 參照快速城市化地區(qū)河網(wǎng)演化發(fā)展規(guī)律，若不采取積極的保護(hù)性措施，當(dāng)城市進(jìn)入快速乃至高速發(fā)展階段，河網(wǎng)水系受到的影響將愈加顯著. 因而，實(shí)施與城市化同步的水系健康保護(hù)是必然的選擇.

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Change of steam structure in the Nansi Lake Basin during the urbanization process since 1980s

JIANG Yan, XUE Lifang**, YU Hongxue & MENG Yaoyao

(TheSchoolofResourceandGeo-Science,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221000,P.R.China)

Currently many studies have been conducted to analyze the impact of urbanization on the change of stream structure. However, most of them have concentrated on some developed areas, but the less developed urban areas have attracted few attentions. Taking Nansi Lake Basin as the investigation area, this study analyzed the change of stream structure during the urbanization process. The change of land surface was firstly extracted by using remote sensing images of 1987, 2000, and 2014. Based on the stream structure data derived from topographic maps in 1980s, 2003 and 2014, this study further analyzed the effect of urbanization on spatiotemporal change of stream structure in 30 years by adopting indicators of quantity, structure and connectivity, respectively. The results show that: (1) The construction land increased by 1568.06 km2during the past 30 years. The area of urban construction land has grown significantly since 2000. The percentage of urban population was 32% in 2012. (2) The whole river length, area and river density percentage have decreased by 135.46 km, 2.75 km2and 0.49 km/km2, respectively during the study period. In addition, the impact of urbanization on stream structure varied spatially across the study area. The rivers at the low level experienced more significant change, while the water surface rates increase by 59.79% continuously. (3) Although the spatial pattern of stream remained unchanged, the stream structure varied significantly during the study period. The stability value of river network decreased by 4.30%, and the connection rate and the combination degree fell by 21.82% and 21.62%, respectively. Moreover, the urban expansion intensity has strong-positively impacted on the stream. The study helps in better understanding the impact of urbanization on stream structure at different spatial scales and urbanization levels, as well as to provide a valuable support and reference for stream protection.

Urbanization; stream structure; land surface change; Nansi Lake Basin

*國家自然科學(xué)基金項目(41201166)、江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目和國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(201510290045)聯(lián)合資助. 2015-12-03收稿; 2016-04-17收修改稿. 江燕(1990～)，女，碩士研究生；E-mail：837325863@qq.com.

*通信作者；E-mail：xuel76@163.com.

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2017， 29(1)： 135-142

DOI 10.18307/2017.0115

?2017 byJournalofLakeSciences