第24卷　第5期2005年9月地 理 研 究GEO GRA P HICAL RESEA RC H Vol 124,No 15Sept 1,2005 收稿日期:2005204208;修订日期:2005207229 基金项目:国家自然科学基金项目(40471019);上海市教委曙光计划项目(03SG22);上海市科委启明星跟踪计划项目(02QM G1413);生态学211学科建设项目 作者简介:袁雯(19652),女,江苏常州人,博士,副研究员。

主要从事区域环境演变与城市水文水资源研究。

Email :wyuan @admin 1ecnu 1edu 1cn平原河网地区河流结构特征及其对调蓄能力的影响袁　雯,杨　凯,唐　敏,徐启新(华东师范大学资源与环境学院,地理信息科学教育部重点实验室,上海200062)摘要:平原河网地区是河流高度发育并受到城市化深刻影响的区域。

本文以上海为例,基于上海及周边城市普遍采用的河流分类和水利片管理系统,分析不同城市化水平地区河流结构的共同特征及其差异性,探讨河流结构对河网调蓄能力的可能影响,提出估算河网调蓄能力的方法。

研究表明,平原河网地区河流结构指标反映了该地区河流数量、长度以及低等级河流高度发育的自然地理特征,城市化在达到一定程度后即会干扰河流结构的自身发育规律,并表现为河流发育能力的下降;河流结构在城市化影响下表现出由复杂到简单、由多元到单一的变化趋势;河网调蓄能力受低等级河流数量及结构的影响更大,并随着城市化水平的提高而下降;就整体而言,城市化对河网调蓄能力的影响大于对河流结构的影响;以水面数量和河流结构两项指标作为参数能够更准确地估算河网调蓄能力。

关　键　词:河流结构;调蓄能力;城市化;平原河网文章编号:100020585(2005)05207172081　研究背景 水安全是21世纪水利、水工和水文学关注的焦点。

洪涝灾害的预防与控制是水安全评价的核心目标[1]。

洪水调蓄能力则是影响洪涝灾害出现频率及程度的决定因素之一。

已有较多的研究验证了调蓄能力下降直接导致洪水危害的加剧[2,3]。

对调蓄能力的研究,主要的工作集中在以下几个方面,一是对湖泊调蓄能力的研究[4～6],从不同角度对构造运动、围垦、泥沙淤积以及裁弯取直等影响湖泊调蓄能力的因素及其影响进行分析。

二是对区域调蓄能力的研究[7,8],一般通过建立DEM 模型,和淹没水位、淹没面积和淹水量之间的回归关系,估算出区域洪涝调蓄容量。

三是对河网调蓄能力的研究[9,10],通过建立河网产汇流模拟模型,以不同的方式概化河网,计算其调蓄容量。

王腊春等的研究表明太湖流域河网调蓄能力为太湖的1/2,在高水位时河网调蓄能力更加突出,可见河网调蓄在削减洪峰、降低洪水危害中的重要作用[9]。

研究河流结构,较多采用的是与河流地貌学相关的指标。

如一流域内不同等级河流之间的长度比、分枝比、面积比等[10,11]。

分维也是表征河流结构和分布的常用指标[12～14]。

对河流结构特征研究影响较大的是美国河流地貌家学霍顿(Horton )。

1945年,霍顿提出718　地 理 研 究24卷了河流的级序分类系统,该方法经斯特拉勒(Strahler )修正后,被广泛地应用于河流结构研究。

霍顿进一步提出了流域不同等级河流之间普遍存在的经验型数量关系,即河流级序与河流数量呈对数负相关关系,与河流长度呈对数正相关关系[15]。

从所检索文献资料看,目前对水系边界模糊的平原河网地区河流结构的研究不多,作者曾就平原河网地区河流结构的基本研究单元和河流分类进行了探讨[16],为本文提供了一定的基础。

研究平原河网地区河流结构及其对调蓄能力的影响,一是因为平原河网地区大都是高度城市化地区,城市化基本是河流资源向土地资源的单向变化过程;二是因为高密度的城市土地利用使洪涝灾害的社会和经济危害更大;三是因为城市化深刻影响了河流结构发育过程和状态。

研究显示全球60%的河道因城市化发生了深刻的改变,城市化已经成为改变河流结构发育演变的重要因素[15,17,18]。

上海是平原河网地区典型城市之一。

地势平坦,河流纵横,河网高度发育;受潮汐影响,水情复杂,水系边界模糊。

本文以上海为研究区域,分析不同城市化水平对河流结构发育和调蓄能力的影响以及不同等级河流的调蓄特征,研究调蓄能力与河流结构之间的关联关系,为城市河流结构和功能修复提供参考依据。

图1　上海陆地水利片城市化水平和调蓄能力空间分布图Fig 11　Urbanization level ,river channel storage and adjustable capacity in each mainland catchment 2　方法与数据 受区域地理地貌因素的影响,平原河网地区尤其是三角洲地区网状河流发育特征显著;城市化在改造河流自然结构和状态的同时,还因人工蓄排设施的建设,改变了流域的自然结构和状态。

目前,长江三角洲城市较多采用空间分片、河流分级模式实施对城市河流和调蓄的控制和管理。

上海从上世纪70年代起,即将区域划分为14个水利控制片作为调蓄水基本单元,将河流分为市级、区县级、乡镇级和村级四个层次实施规划、保护和管理。

河流分级的基本依据是河流自身大小及其在河网中的重要性程度,兼顾了河流的自然属性和功能特征,因此,这一分级系统在一定程度上具备了河流自然分级系统的基本特点,如河流的平均长度由市级向村级逐级递减,分别为2010km 、813km 、214km 和019km 。

本文在前期研究的基础上,以11个水利片(见图1)作为河流结构的基本研究单元,借鉴斯特拉勒河流分类系统的基本分级原则,将河道管理市级、区县级、乡镇级、村级河流分别定义为4、3、2和1级河流,选择水面率等7个可能影响河网调蓄能力的指标,并以其中分枝比、长度比和分维的常规分布范围为依据,分析受城市化深刻影响后河流结构特征。

以单位面积槽蓄容量SR 和单位面积可调蓄容量ASR ,来分析上海调蓄能力特征以及河流　5期袁　雯等:平原河网地区河流结构特征及其对调蓄能力的影响719结构对调蓄能力的影响。

所选指标及意义如表1。

上海14个水利片覆盖了除市中心区以外97%的城市面积[18]。

本文以11个城市化水平不同的陆地水利片为研究对象,选取水利片水面率、河网密度、不同等级河流长度和数量、槽蓄总量和可调蓄总量等项指标,主要依据上海市2000年水资源普查基本数据[19]。

详见表2和图1。

因水利片跨越不同行政区,难以引用以行政区为单位的城市化水平统计数据,本文将主体部分位于由外环线划定的城区内的蕴南片和淀北片划分为高度城市化水利片;与高度城市化水利片相邻的嘉宝北片、淀南片和浦东片为中度城市化水利片;其余为低度城市化水利片;青松片因主体位于水源保护区,自然状态保护较好,故划为低度城市化片(图1)。

表1　选择指标、意义或计算方法T ab11　Selected indicators and their meaning or reckoning methods指标意义或计算方法水面率W P河道多年平均水位下的水面积河网密度R D单位面积河流总长度,表示河流的长度发育河频率R F单位面积河流条数,表示河流数量发育平均分枝比R b在ω-lg Nω坐标上(ω为横坐标)所求得的直线斜率绝对值的反对数为R b的值平均长度比R L在ω-lg Lω坐标上(ω为横坐标)所求得的直线斜率绝对值的反对数为R L的值水系分维D D=log R b/log R L河网自然度R c 描述河网数量和长度的发育程度,其数值越大,说明该区域河网的构成层次越丰富,支撑主干河道的支流水系越发达。

R C=Ω×(L/L m)单位面积槽蓄容量S R常水位下单位面积河槽蓄水量,反映河网蓄水能力。

单位面积可调蓄容量A S R控制最高水位和常水位下河槽蓄水量的差值,反映河网洪水调节能力。

注①:表中,ω表示河流级别序号,Nω和Lω为第ω级河道的数目和平均长度(km);Ω为河流最高级别数,L和L m分别是河流总长度和主干河长。

②:本文R b R L根据河流等级和该等级河流数目及平均长度,用回归方法求得。

与采用不同等级河流数量及总长度,经统计并以两邻两级河流总数及河流总长度为权数所得计算值有一定差异。

③:河网自然度是由作者设计提出的指标。

表2　上海各水利片河流结构表达指标数值T ab12　The values of stream structure indicators in each m ainland catchment in ShanghaiW P(%)R F(n/km2)R D(km/km2)R b R L D R C 蕴南片3103417231421105217201054136淀北片31633182132151313901767105嘉宝北片41985153416951963132114916146淀南片4134418231215148414711147180浦东片5125515412251693131114517118青松片51532177314651272191115617121太北片111353162311641642131118319160太南片31962166218331782142115019150浦南东片41123128411951722176117223146浦南西片4196311319241412140116918144商榻片310172138215810021562121411903注:商榻片因无市级河流导致平均分枝比和河网自然度偏大。

3　结果和讨论311　河流数量及长度高度发育,空间覆盖性良好,网状特征明显 已有研究表明流域河流发育的分枝比一般在310～510之间,长度比在115～315之　地 理 研 究24卷720间,河网的典型分维为1～2[11,13]。

以此作为指标常规数值范围,由表2可以发现,11个水利片中,除淀南片平均长度比高于常规范围上限外,其余10个水利片的平均长度比均在常规范围之高值区;分别有3和6个水利片的平均分枝比位于常规范围之内和高于常规上限;有8个水利片的分维值位于常规范围之内。

因本文采用的河流等级管理分类系统,仅对两端均与河网相连的河流进行分类,因此,上述各指标数值能够反映河流结构的空间分布。

可以认为上海地处平原河网地区的自然特征和河网空间发育规律深刻影响了上海河网格局。

即河网发育程度高于一般流域,尤其是以分枝比表示的河网数量发育能力,在河流数量不断减少的背景下,仍高于平均水平。

同时,上海河流在空间分布上覆盖性较好,河流网状特征显著;河网长度基本遵循流域河流空间发育规律。

312　高度城市化显著影响河流结构,低度城市化区域河流发育以自然规律起主导作用 由表2,以水利片为基本单元,可以看出上海河网发育的空间特征尤其是结构特征与城市化水平分布有相当的一致性。