张嘉辉，叶长青，朱丽蓉，冉中阳，陈成豪

(1.海南大学 热带农林学院，海南 海口 570228；2.山东大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266237；3.海南省水文水资源勘测局，海南 海口 570203)

1 研究背景

河湖水系对水资源有重要作用，与环境有着密切联系，其连通状态影响城市发展[1-2]。近年来海口市经济社会发展迅速，但存在许多水资源利用问题，同时出现了河流长度缩短、河湖水域面积减少、连通度下降等环境问题[3]。为解决出现的相关环境问题，应加强生态保护、科学实现河湖水系连通[4]。水系连通问题已受到国内外学者高度重视，Bond[5]、Brierley等[6]、Mcguier等[7]、Spence等[8]分别对河湖水系连通概念等进行探讨，并引入水文学、景观生态学、河流地貌学等相关研究领域。李宗礼等[9]探讨了河湖水系连通的内涵、特征等方面的内容；赵军凯等[10]分析总结已有研究，提出改进的水系连通概念；符传君等[11]对河流水系连通内涵进行探讨；王妍等[12]介绍了水系连通的和谐问题。分析总结国内外研究成果及进展，可知目前对河湖水系连通的研究大多是在定义、内涵、分类、工程的利弊等方面，近年来对其机制以及计算有了进一步的研究，但水系连通与城市发展相互作用等方面的应用研究仍欠缺。基于以上认识，本文分析了海口市2000、2002、2005、2007、2010和2016年6年的水系连通情况，在考虑水功能需求的情况下，对海口市水系连通指标阈值进行研究。通过研究得到的相关结论可被应用于构建城市水系连通合理布局、使河湖水系更好地为城市社会生活、维持生态安全提供理论依据。

2 研究方法

首先是水系连通形态指标和功能指标体系的确定，以及从文献及遥感影像图中获取相关指标的数据；接下来将相关性良好的指标筛选出来，需要通过SPSS软件分析海口市河湖水系连通形态指标和功能指标相关性；并将筛选出的指标构建方程式，定量描述海口市水系连通形态变化对连通功能的影响，建立定量关系表达式；最后，求解相关性方程组，并结合海口市城市规划和水资源需求情况确定河湖水系连通阈值。

2.1 水系连通形态指标

由于自然因素和人为因素，连通的河流和湖泊形成了水系格局。水系网络是由各水系之间连接、交错而形成[13]，分析指标有河流长度、区域面积、水域面积、节点数、连接率、连通度等[14]。可用结构形态指标和连通形态指标描述河湖水系空间格局，其中指标需根据实际情况选取[15-16]。分析总结现有研究成果，水系连通形态格局的指标体系得以构建，如表1、2所示。

注：式中Li为河流的长度；Ar为区域的总面积；Aw为水域面积。

表2 水系连通形态指标体系

注：计算公式中n为区域中的水系个数；v为区域中的节点数。

2.1.1 遥感影像图处理 表1中各指标的数据信息的获取可采用遥感技术，相比传统方法可快速准确地获取信息[17]。本文的河湖水体信息提取采用ENVI软件[18],其中，采用多波段法对归一化差异水体指数(NDWI)进行提取[19]，NDWI主要用于描述开阔水域的特征，可增强它们在遥感数字图像中的存在，同时消除土壤和陆地植被特征[20]。其中，归一化差异水体指数的公式为：

NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR)

(1)

式中：NIR、Green分别为TM影像中的第5波段和第2波段。

运用ENVI软件的决策树分类法对水体信息进一步提取。决策树是一种树状结构，可从主干开始进行搜索，一步步细致到达分支，从而可得到决策结果[21]。研究表明，在遥感影像等数据的基础上，通过运用决策树分类法可以极大提高分类精度[22]。本文运用决策树分类方法提取水体信息，分类规则为：(1)水体：NDWI>0；(2)其他地貌：NDWI<0。

2.1.2 指标值的获取步骤 运用ENVI、ArcGIS软件处理TM影像图[23-24]，其中ENVI软件的运用包括对归一化差异水体指数进行计算、运用决策树分类方法，得到不同年份水系图，进而可将相应年份的水系连通形态指标提取出来:裁剪、校正和增强处理卫星图像，得到所要的研究区域[25]；计算研究区域NDWI指数；对以上步骤的结果进行决策树分类，从而提取出河湖水系信息。最后将ENVI软件处理得到的数据输入ArcGIS中，对前面提取出的信息进行处理统计，即可获得所需河湖水系指标数据[26]。

2.2 水系连通功能指标

河湖水系有自然功能和社会功能两方面，城市的发展和人类对河湖水系的改造利用，加快了水系之间自然功能和社会功能的相互作用。城市的发展使河湖水系发生改变，影响了河湖水系原本的自然功能，但随着人们环保意识提高，水体污染现象也有所改善，因此需要进行综合评价。社会功能方面，河湖水系的社会价值随着城市的发展而提高。根据相关研究，可依据科学性、代表性和目的性兼备性等原则从自然功能和和社会功能出发，选出18个指标。这18个指标分为两个目标层，每个目标层又分有4个准则层。根据海口市河湖实际情况、历年数据以及海口市河湖发展规划等，从各个准则层筛选出8个功能指标。这些指标可较全面地反应海口市河湖水系连通功能情况，并且数据可在海口市河湖水系水资源公报和年鉴中查得。具体指标选取情况参见文献[27]。

2.3 指标相关性分析

利用SPSS统计软件进行数据分析处理可较为便捷、准确地得到结果[28]，两个变量之间是否存在相关关系可用双变量分析法进行分析。基于SPSS软件的灵活准确及实用性强等优点，对于相关性较好的指标，本文采用SPSS软件进行统计和分析，在此运用双变量分析方法，由此可减少其他变量的干扰，从而得到较为精确的结果。

2.4 方程的建立与指标阈值的确定

研究步骤如下：首先，利用SPSS软件分析水系，将形态指标和功能指标联系起来，筛选出相关性较好的指标，自变量为功能指标，因变量为形态指标，绘制图像。由此建立了相关的方程，在对方程进行检验后即可确定其是否具有重要意义。得到函数表达式后运用ZX数学函数作图软件作图，公共区域即为所求。ZX数学函数作图软件应用灵活，数学函数图像可自动做出[29]。水系连通评价指标标准制定依据如下：一是参照国家或有关部门规定的标准，如《城市水系规划导则》(SL431-2008)等；二是参考文献或据具有代表性的最新研究数值，例如《海南省水力资源开发规划》、《海南省水资源综合规划总体布局与实施方案》、还有李丽等[30]，李宗礼等[9]的研究成果。可以根据指标评价标准确定数值范围。结合以上步骤得到的相关性较好的水系连通功能指标、形态指标来构造函数表达式，运用软件做出图像并对公共区域求解，水系连通形态指标阈值即为可求。

3 研究区域分析

海口市总面积为 2 304.84 km2，南渡江为海口市主要河流，另外有 6 条南渡江支流流经海口，除了南渡江水系，海口市还有 9 条独流入海的河流。海口市有五个主要景观湖泊，建有永庄、凤谭等十座中型水库，另外有中小型水库及塘坝分布在海口市城镇满足城市发展的需要。海口市虽水源丰富、降水充裕但存在水资源分布不均、供需不平衡的问题，基于以上问题，若干水系连通工程现已在海口市建设，使不同地区的用水需求得以满足。

3.1 水系连通形态指标的计算

采用ENVI软件提取水体信息，运用波段运算和决策树分类对影像进行处理，从而得到海口市6年的水系网络图，如图1。接下来将处理好的影像图输入到ArcGIS软件中进行指标信息的分析提取，进而得到各形态指标数值，如表3。

3.2 水系连通功能指标的计算

首先结合海口市实际情况，选取表征水系连通的自然功能和社会功能的最具代表性的指标；然后，开展水系连通功能评价，方法是根据《海南省水资源综合规划总体布局与实施方案》、《海南省水资源公报》(2000-2016)、《海口市环境质量公报》等文献，得到海口市不同年份河湖水系基本信息的评价数据，见表4。

罗邦尧等[3]用镁治疗心绞痛34例，方法是25%硫酸镁5ml加入25%葡萄糖溶液40ml中静注，每日1次，12次为1疗程。结果病人症状均有所改善。灌注镁溶液可刺激前列腺环素的释放，对冠状动脉疾病患者产生的作用与灌注前列腺环素作用是相似的。这类作用包括使冠状血管阻力下降，静息时冠状动脉血流量增加，心肌乳酸产生减少，快速心房起搏诱发心绞痛所需的时间延长。

3.3 功能指标与形态指标相关性分析

运用SPSS软件，对获取的2000-2016年份数据进行双变量相关分析，对功能指标和形态指标分别进行相关性分析，可得如下分析结果，见表5。

形态指标与功能指标间的相关性可分为置信度水平α=0.1和α=0.05上进行相关计算。功能指标中的湿地面积变化率、水库调节能力指数、年平均径流保证率和生态流量保证率与形态指标之间的相关性不显著,功能指标中的水力发电效率、水体纳污能力、河流水质达标、地表水城镇供水比率与水系连通度、节点连接率、水系环度、河网密度、河道槽蓄容量、河长形态指标具有相关性。其中，在置信度水平α=0.1上相关的指标为：水体纳污能力、地表水城镇供水比率与河长、河网密度，河流水质达标率与节点连接率、水系环度、河道槽蓄容量；在置信度水平α=0.05上相关的指标为：功能指标中的水力发电效率、水体纳污能力均与形态指标中的水系连通度、水系环度、节点连接率指标显著相关，此外还有地表水城镇供水比率与水系环度、节点连接率、水系连通度，河流水质达标率与河网密度、河长。

3.4 水系连通形态指标阈值确定

第一步，确定 2030 年水功能需求目标值，查阅相关文献资料，从《海南省统计年鉴》(2000-2016)、《海南省水资源公报》(2000-2016)以及《海南省水资源综合规划总体布局与实施方案》等规划文件可获得相应数据，由此进行分析计算；第二步，根据计算得到的方程组以及海口市2030年水域规划等进行推算，可得到水系连通形态指标的理论值；最后，对结果进行验证，可通过参考《海南省水力资源开发规划》《海南省水资源综合规划总体布局与实施方案》、李丽等[30]，李宗礼等[9]的研究成果得到对未来水系建设的规划值。具体步骤如下：通过相关性分析及图像分析可得到线性方程组，检验线性方程组的显著性，通过SPSS软件经过分析可得到系数项，见表6。

图1 海口市不同年份水系提取图

表3 海口市水系连通形态指标数值

表4 不同年份海口市水系连通功能指标数值

表5 功能指标与形态指标的相关分析结果

注：表中r为两个指标间的Pearson相关性；α为指标的显著性水平(双侧)。

表6 多元线性方程组系数项

由表6中数据可以得到以功能指标为因变量，以对应形态指标为自变量的多元线性回归方程式。如水体纳污能力为因变量，河网密度、水系环度、节点连接率、水系连通度为自变量。同理，可得到其余3个方程式。关于河流水质达标率、地表水城镇供水比率、水利发电效率和水体纳污能力4个功能指标，整理得关系式如下：

y1=5195.51+7.85x1+649.80x2+10762.53x3-5181.71x4

(2)

y2=-18286.14-1914.83x2-40250.72x3+20633.99x4-6253.50x5

(3)

y3=9790.11+14443.51x3-7518.61x4-6714.37x5

(4)

y4=43897.31+18611.35x2+102271.59x3-66105.67x4+137079.58x5

(5)

式中：x1为河道槽蓄容量；x2为河网密度；x3为水系环度；x4为节点连接率；x5为水系连通度；y1为河流水质达标率；y2为地表水城镇供水比率；y3为水力发电效率；y4为水体纳污能力。

选取自变量最少的方程进行求解，可使求解过程简化，并且可根据往年数据确定一定自变量的取值区间。方程式(4)自变量个数最少，并且方程式(4)中的y3可根据相关文件得到，可将方程式(4)中的y3、x3作为常量，通过数据查阅，指标x4的取值区间可求得。由以上数据可对方程式进行整理，得方程式(5)，进而可解出x5。

(6)

求解时将方程组作图，并结合功能指标y4和形态指标x4的取值区间进行绘制，结果如图2所示。水系河网密度、水系环度和连节点连接率的公式(7)～(9)中的变量可由方程式(2)、(3)、(5)求得，同理，可得图2，各指标的取值区间即可求得。

(7)

(8)

(9)

图2中，实线与虚线中间的阴影部分即为功能指标和形态指标的取值区间。由图2可知，阴影区域四个角坐标中左下角纵坐标为最小值，右上角坐标为最大值，由此可得4副图像中纵坐标的取值区间，即x5：[0.3384,0.3541]、x2：[0.0585，0.1786]、x3：[0.0049,0.0111]、x4：[1.0152,1.2471]。参考海口市相关规划，给出到2030年水功能需求如下：河流水质达标率达到80.92%、地表水城镇供水比率达到92.23%、水力发电效率达56.91 %、水体纳污能力达24 708(CODcr)t/a。基于以上结果即可得出海口市水系形态指标的取值区间：节点连接率[1.0152,1.2471]、水系环度[0.0049,0.0111]、河网密度[0.0585，0.1786]、水系连通度[0.3384,0.3541]。根据海口市相关规划以及成果，将依据方程得到的理论值与规划值进行验证，认为本文得到的水系连通形态指标阈值合理。

图2 水系连通形态的阈值确定

4 结 论

通过构建海口市城市化对水系连通性影响的定量分析指标体系，通过ENVI、ArcGIS软件以及资料收集，得到2000-2016年来海口市水系连通形态和功能指标，最后运用统计学方法分析了水系连通功能指标和水系连通形态指标关系，并结合海口市水系的未来水功能，确定了水系连通指标阈值。结论如下：

(1)海口市河长、河网密度、水系环度、节点连接率、水系连通度指标均在呈减少趋势，并且河湖水系日趋单一化。

(2)分析水系连通形态指标与功能指标之间的相关关系。4个功能指标和6个形态指标相关性显著，即功能指标中的水力发电效率、水体纳污能力、河流水质达标、地表水城镇供水比率与形态指标水系连通度、节点连接率、水系环度、河网密度、河道槽蓄容量、河长具有相关性。

(3)通过分析其相关性趋势确定海口市基于城市水功能需求的水系连通指标阈值，节点连接率的阀值为[1.0152,1.2471]，水系环度的阀值为[0.0049,0.0111]，河网密度的阀值为[0.0585，0.1786]，水系连通度的阀值为[0.3384,0.3541]。若水系连通指标数值在此范围之内，说明河湖水系可较好地满足海口市用水需求，有利于城市发展和生态环境改善。此阈值的确定可为城市化对水系连通影响地区的水资源规划管理，以及城市建设等提供参考。今后研究工作应进一步丰富应用实例，选取不同城市河湖作为研究对象，使结果更具代表性。