2017, Vol. 29 
城市化进程中下垫面性质的变化使得大量河流水系遭到破坏，进而引发一系列水资源与水环境问题，严重制约了城市和流域的可持续发展[1-2].目前，国内关于城市化对水系河网演变影响的研究主要集中在高度城市化地区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]、长三角[13]等城市群流域.这些地区面临的共性问题和研究成果为：近30年来城市不透水面积剧增，河网水系和水环境在快速城市化进程中承受了巨大的压力，一方面河网结构趋于简单化、主干化，河湖面积萎缩，连通度下降，河流健康受到严重损害；另一方面河流滞蓄洪涝水与水质净化能力明显下降，洪涝灾害以及河流水质恶化问题严重.
城市化对水系河网的影响具有明显的区域性和阶段性特点，探索不同流域尺度、不同城市化背景下流域水系的时空特征，能更好地制定规划工作，为后期河网保护与管理、水资源利用与可持续发展、构建生态城市提供参考依据.目前流域尺度下对水系河网演变的研究较少，仅有对快速发展的太湖流域、长三角地区的研究，而对其他城市化背景下流域水系演变的研究较少.
南四湖是一个复杂的大流域，是南水北调东线的重要调节湖泊之一，也是干旱和洪水频繁发生的流域.流域内水系纵横交错，而城市化刚进入加速发展阶段，水系受自然和人为干扰发生较大改变.结合城市化进程，定量分析流域河网水系的变化过程，探讨其变化因素，其成果可以补充城市化对水系结构影响的研究案例，也可以为南四湖流域的水资源管理与调蓄、防洪抗旱减灾、流域宏观治理和规划等研究提供参考.
1 研究区概况南四湖流域(34°24′~35°59′N，114°52′~117°42′E)是淮河流域的子流域，从鲁西南部地区向南延伸至苏北地区，范围北起大汶河南岸，南抵废黄河南堤，东至鲁中南低山丘陵区西侧边缘，西以黄河堤坝为界.南四湖是由北向南连续分布的微山湖、昭阳湖、独山湖、南阳湖4个相连湖的总称，湖区相互之间由自然和人工河道相连，是我国第六大淡水湖，也是南水北调东线工程中的重要调蓄水库之一.流域包含21个子流域，总面积为3.17×104 km2，其中水域面积约1266 km2(图 1).全流域以京杭大运河和南四湖为界，湖东为鲁中南低山丘陵和山前冲洪积平原，河流大多属于洪水型季节性河流，源短流急，洪水势猛而峰高；湖西为黄河中下游冲击而成的黄泛平原，大多河流为坡水型河流，河道宽浅，集流入湖缓慢，洪水量大而峰低.流域入湖大小河流合计53条，年平均入湖径流量为29.6×108 m3，年平均出湖径流量为19.2×108 m3.由湖西入湖的河流有25条，由湖东入湖的河流有28条.
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图 1 研究区位置 Fig.1 Location of the study area |
南四湖流域历史上受河道袭夺的影响河网系统异常复杂，且人为干扰极其严重，流域水系具有特殊性，但是相关研究比较薄弱.改革开放以来，流域社会经济得到一定程度发展，但是由于多种因素，一直滞后于沿海其他地区，是我国东部沿海经济发展的低谷区，2012年流域城市化水平为32 %，低于同期山东省(41.5 %)和全国(52.6 %)的城市化水平.与已经高度城市化地区城市化对自然水系造成较强的不可逆性特征相比，南四湖流域人水关系的可塑性比较大.
2 数据与研究方法 2.1 数据来源及处理城市化进程主要基于土地利用变化特征来衡量，数据来源于1987年9月16日、2000年9月10日、2014年5月12日3个时期的Landsat TM 4-5影像15景，3个时期各5景，空间分辨率均为30 m.遥感影像进行辐射校正、几何校正、直方图匹配、图像拼接和裁切及图像滤波和增强等一系列预处理工作，综合利用多种遥感影像解译处理方法，结合实际地物类型，以监督分类法为主，神经网络、机器学习等为辅，建立相对应的地物数据库，进行影像的解译分析，将土地利用类型解译为耕地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地6大类，其中建设用地包括城镇建设用地、农村居民点和其他建设用地(图 2a). 3期影响精度评价的Kappa值分别为0.91、0.89和0.93，分类精度能满足研究要求.
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图 2 流域不同时期建设用地空间分布(a)和水系变化(b) Fig.2 Spatial distribution of construction land (a) and the change of stream systems (b) in different periods |
水系结构的数据源为南四湖流域1980s的1 :100000纸质地形图和2003年、2014年的1 :100000电子地图.对原始地形图进行矢量化，经过对矢量数据的编辑、拓扑检查、构造TIN，最后生成分辨率为30 m的DEM图.对生成后的DEM进行洼地填充、流域阈值划分、洼地匹配等过程，提取3个时期的流域水系图.基于3期遥感影像图、谷歌地图和实地考察等对所提取的水系图进行检验、修正，最终得到流域的水系变化图(图 2b)，其中湖泊、水库、池塘等为面状水系.
2.2 水系分级南四湖流域湖西、湖东的河网类型不同，给水系的分级造成一定的难度，在实际的水系分级中主要考虑河网密度高的湖西地区的水系特征.平原河网区的特点为河网交错密布，河道之间汇入关系不清，流向也常常发生变化，加之高强度的人工干扰，河流改道现象普遍存在，并不存在明确的规律.借鉴Strahler河流分级方案的思想和自然河流地貌学的分类方法[14]，参考已有文献中关于平原河网地区的河流分级研究[15]，最终确定根据河流宽度对流域水系进行分级：河宽大于20 m的河道定为1级、河宽10~20 m为2级、5~10 m为3级. 3级以下的河道在地形图和遥感影像中与农田中的灌渠等水利设施很难区分，文中不做统计.河道的面积由长度乘以宽度得到，1、2和3级河道的宽度分别取平均值20、15和7.5 m.
2.3 参数指标从数量参数、结构参数和连通性参数3个角度表达不同时期的河网特征：数量参数包括河网密度和河网水面率，反映水系河网的长度、面积等数量变化情况；结构参数包括河流发育系数、河网复杂度和河网结构稳定度[10]，反映各级河流构成与河流整体发育程度、结构稳定程度；连通性参数包括连接率β和实际结合度γ[16]，反映河网的通达度与空间上的连续程度.城市化进程用城市扩展强度指数和城市建设密度表示[17-18]，各参数的含义及计算公式见表 1.
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表 1 参数指标及说明 Tab.1 Parameters and instructions |
用城市建设用地比重这一比较直观的指标作为城市化的评价指标.近30年来，流域总体的城市化进程比较缓慢，落后于东部沿海发达地区. 1987-2014年流域建设用地增加了1568.06 km2，其中城市建设用地面积增加了1120.54 km2，增加幅度较大(表 2).到2014年流域建设用地面积为5435.87 km2，占总面积的14.21 %，其中城市建设用地占1.32 %，农村建设用地占12.74 %. 1987-2000年流域城市化发展缓慢，城市建设密度只增加了0.53 %，城市扩展强度指数为0.04；2000 2014年流域城市扩张显著，城市建设密度增加了3.58 %，城市扩展强度指数达到0.26.
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表 2 南四湖流域不同时期建设用地面积及扩展强度 Tab.2 Construction land area and expansion intensity of the Nansi Lake Basin in different periods |
建设用地的空间分布直观地显示了城市的发展变化(图 2).农村建设用地布局分散，约占流域总面积的68 %，受地形的影响，湖西的布局密度大于湖东，近30年来用地格局变化不大.城市建设用地呈较明显的集聚和外延扩张趋势. 1987年城市建设用地少且零散；2000年面积较大的城市用地斑块蔓延扩张，东南部出现少量新增斑块；2014年城市建设用地扩张显著，原有集中分布的大斑块区域均以不规则外扩的方式大幅度向外蔓延，湖西各中心建成区之间增加了很多较小的斑块，湖东原来离散分布的较小斑块面积也有所增大，并与集中分布的大斑块逐渐连接成片.城市建设用地和农村建设用地布局从点到面共同对流域水系变化产生影响.
3.2 流域水系的时空变化特征 3.2.1 水系数量特征受气候和人类活动的影响，流域水系的数量呈现较明显的阶段性特征.1980s受人类活动影响较小，流域河网水系基本能保持自然状态，水系较发达；2000s以后，河流总长度、面积有所减少，河网密度降低；2010s河网密度持续减少，但降水较丰沛，河网水系基本无断流现象(图 2).
随着城市发展，近30年来南四湖流域河流长度和面积均呈现出持续减少趋势，1980s-2010s期间分别减少了135.46 km和2.75 km2，河网密度随之下降.各级河流的变化特点不同：1级河流长度和面积持续减少，分别减少195.17 km和3.9 km2；2级河流长度和面积持续增加，分别增加110.75 km和1.66 km2；3级河流长度和面积总体上呈持续减少趋势，表现出先增后减特征，总体上分别减少了51.04 km和2.75 km2；除1级河流外，2、3级河流的长度和面积在2000s-2010s期间变化幅度均大于1980s-2000s阶段(表 3).
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表 3 南四湖流域不同时期水系数量特征 Tab.3 River quantity characteristics of the Nansi Lake Basin in different periods |
面状水系面积呈增加趋势.近30年湖泊、水库面积增加了159.72 km2.不同阶段变化幅度相差较大，2000s-2010s阶段变化幅度(增加126.67 km2)远大于1980s-2000s阶段(增加33.05 km2)，相差约4.8倍.受面状水系面积增加的驱动，流域水面率持续增加(表 3).
3.2.2 水系结构和连通性变化近30年来，流域水系总体上还保持着自然状态下的空间格局，但是水系的结构特征发生一定的变化(表 4)，表现为：1)河网复杂度呈现出微弱的增加趋势，1980s-2000s增加了8.95 %，2000s-2010s略有下降，减少了0.82 %. 2)河网的干支流比例结构发生变化，2级河流的发育系数表现出持续增加趋势，1980s、2000s和2010s分别为0.47、0.53和0.61；3级河流的发育系数则呈现出先增后减的变化趋势，1980s、2000s和2010s分别为0.13、0.21和0.11. 3)河网结构稳定度呈下降趋势，由2000s的1.03下降到2010s的0.98.
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表 4 南四湖流域不同时期水系结构和连通性变化 Tab.4 Changes of river structure and stream connectivity in the Nansi Lake Basin during different periods |
流域河链数与节点数均呈现出大幅减少趋势.其中，1980s-2000s阶段河链数和结点数年均减少速率分别为60.23条/a和7.31个/a，2000s-2010s阶段为7.31条/a和90.50个/a.到2010s河链数和结点数仅为1969条和2277个，与1980s相比，分别减少2039条和1362个.同时，连接率和实际结合度持续下降，1980s-2010s阶段连接率和实际结合度分别减少了0.24和0.08(表 4).说明随着城市扩张，河流连通性受到影响，原来纵横交错的河网逐渐改变，河道之间连通程度持续降低.
3.2.3 水系空间变化湖东地区城市发展速度大于湖西地区.湖西地区1987-2000年、2000-2014年阶段平均城市扩展强度指数分别为0.03、0.24，至2014年城市建设用地面积达到90.70 km2；湖东地区1987-2000年、2000-2014年阶段平均城市扩展强度指数分别为0.05、0.29，至2014年城市建设用地面积达到51.91 km2.就水系参数而言，湖西河网密度、水面率、河网复杂度和结构稳定度均高于湖东，分别相差0.13、0.31 %、2.26和0.27(表 5).说明城市发展较快的湖东地区，河网水系受到的影响较大，与城市发展程度呈正比.
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表 5 南四湖子流域不同时期城市扩展强度指数与水系参数变化 Tab.5 Changes of urban expansion intensity index and river parameters in the Nansi Lake Basin during different periods |
就子流域而言，呈现出以下变化特征：1)南四湖流域的21个子流域城市化水平较低，1987-2000年城市发展普遍缓慢，城市扩展强度指数最大值仅为0.13(十字河流域)；2000-2014年城市扩张显著，7个子流域的城市扩展强度指数超过0.3. 2)子流域内部距湖区越远的空间城市扩展强度指数值越大，城市化对水系的影响越显著.将2000-2014年的城市扩展强度指数值按0~0.2、0.2~0.4、0.4~0.8进行划分可知，1980s-2010s期间3类子流域的河网密度变化率分别为14.47 %、-17.21 %和-24.23 %，河网稳定度的变化率分别为-2.01 %、-2.20 %和-5.16 %，与城市扩展强度指数值呈反比，即城市化程度越高，水系受到的影响越显著.
3.3 水系变化的原因分析1980s以来，气候以及水利工程、城市化、生态环境整治工程等人类活动共同影响南四湖流域河网水系的变化.
气候因素上，2010s的流域平均降水比前两个年代增加近80 mm.降水量的增加使得水系参数，如湖泊、水库面积以及水面率增加，同时也缓解了各级河道的断流、枯流状况.
下垫面变化上，近30年来，流域建设用地面积增加了1568.06 km2，遥感影像中解译出来的流域259个城镇用地斑块中，有46 %布局在距离1、2级河流0~2 km的范围内，城镇空间扩展使得河道缩窄、低等级河道被填埋消失，河流长度面积、河网密度、河网复杂度和结构稳定度有一定程度的降低.城市化初期人类活动影响较小，水系变化不显著；随着城市化的进一步发展，影响增加，水系变化逐渐显著.但流域的城镇化水平总体较低，对河网水系的整体影响不大.
除了城市化导致的下垫面变化外，影响南四湖流域河网水系的人类活动中更多地表现为水利工程和生态环境治理. 1980s以来，为了解决防洪排涝问题，各主要河道都进行了以提升排涝标准为目的的干、支流河道疏浚、开挖与治理工程，主要河流的防洪标准均由10年一遇提高到20~50年一遇.这些水利工程使得流域2、3级河流的长度和面积呈增加趋势.
4 结论1) 近30年来流域建设用地增加了1568.06 km2，1987-2000年城市化进程发展缓慢，2000-2014年城市建设用地扩张显著；2012年流域城市率为32 %，城市化水平较低.
2) 流域总河流长度、面积和河网密度均呈现出持续减少趋势，1980s-2010s期间分别减少了135.46 km、2.75 km2和0.49 km/km2.各级河流表现出不同的变化特点：在城市发展较快的2000s-2010s期间，1级河流变化较小(长度和面积分别减少27.52 km和0.55 km2)，2、3级河流变化较大(河流长度分别变化了103.05 km和142.86 km)，即较低等级河流受到城市化的影响较大.而流域水面率呈持续增加趋势，1980s、2000s、2010s分别为0.97 %、1.09 %和1.55 %.
3) 流域水系总体上还保持着自然状态下的空间格局，但河流结构特征发生了较大改变，河网结构稳定度和连通度均呈现出削弱趋势，河网结构稳定度降低了4.30 %，连接率和实际结合度分别减少了21.82 %和21.62 %.同时，子流域内部距湖区越远的空间城市扩展强度指数值越大，城市化对水系的影响越显著.将2000-2014年的城市扩展强度指数值划分成3个等级后，1980s-2010s期间河网密度变化率分别为14.47 %、-17.21 %和-24.23 %，河网稳定度变化率分别为-2.01 %、-2.20 %和-5.16 %.
与高度城市化的城市流域相比，总体结论基本一致[8-9]，表明整体城市化水平较低的南四湖流域，也出现河网数量与结构特征衰退的趋势.参照快速城市化地区河网演化发展规律，若不采取积极的保护性措施，当城市进入快速乃至高速发展阶段，河网水系受到的影响将愈加显著.因而，实施与城市化同步的水系健康保护是必然的选择.
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