上海建设生态型城市的内河水系

上海建设生态型城市的内河水系结构以及水面率恢复探讨魏梓兴汪结春姚磊许晓东(上海市河道(水闸)管理处)杨凯袁雯赵军徐启新唐敏(华东师范大学资源与环境学院)摘要:根据20世纪80年代初以及90年代末上海水资源普查的数据，尝试以水利片作为河网地区流城水系结构的基本单元，就上海在生态型城市建设过程中的内河水系结构以及水面率恢复等方面进行探讨。研究表明:(1)非高度城市化地区河网水系总体上其有Horton表现，反映在非高度城市化地区不同水利片的河道数目及河道平均长度随河道级别呈几何级数变化，不同等级水系的发育具有自相似特征。(2)高度城市化的城区水利片，不同等级河网水系发育的自相似性特征已受到破坏，其影响集中表现为对河网水系分枝比和水面率的刘弱，即高度城市化地区河网水系结构趋于简单，非主干河道减少，河网水面率与城市化水平成反比，反映出城市化过程中未能充分与河网结构保护相协调。(3)从市级河道到村级河道可调蓄容量与槽蓄容量的比值呈现逐级递增的变化特征，即河道等级越低，可调蓄容1所占的比重越大，反映出低级河道具有更强的潜在调蓄能力，村镇级低级支流河道的保护对河网调蓄作用的贡欲应予以高度重视。(4)河网水系的结构与功能参数之间其有显著的相关水平，说明河网地区水系形态结构与功能密切相关。由于城市化进程表现为对水面率以及分枝比的削弱，指示水面率和分枝比等指标具有表征城市化对水系结构影响的意义，在河网水系保护和结构恢复过程中应高度重视水面率、分枝比以及河网结构自然度等指标。(5)从保护河网水系结构和功能的角度分析，上海河网地区的平均水面率应至少保持在约9%以上，平均河面率应至少保持在约12%以上，比现状的平均水面率及河面率分别提高约40%,关健词:水利片河网地区水系结构Horton定律城市化上海1研究背景水网是无价的自然遗产，是区域重建的重要复兴因子。发达国家在基本完成水环境质量控制后，已开始逐步恢复河流的自然状态;水网也是受人类改造最为深刻的自然生态系统之一，其中城市化的影响最为显著。上海高度城市化的发展对河网水系的结构已经产生了一定的影响，突出表现在:高度城市化地区河网结构趋于简单，非主干河道不断减少，河网有单一化和主干化的趋势。由此带来的城市发展影响是水面被侵蚀或填埋，导致水面率不断减少，近20年来的快速城市化发展，上海的河面率(上世纪80年代初的水资源调查统计资料指河面率)，从20世纪80年代初的11.1%减少至90年代末的8.4%，下降比例达24.3%。主要表现为高度城市化地区1级和2级村镇级河道数目不同程度地减少，使得高度城市化地区河网水系平均分枝比下降。由于生物健康与河流的物理生境存在必然的内在联系，因此河流形态也成为评价河流健康与否的重要因子。近年来河流形态已经开始被用于河流健康状况的评价，澳大利亚Brierley于1994年提出河流形态结构框架(GeomorphicRiverStyles)，旨在强调河流健康的物理结构和功能因子，并提供流域不同河段河流特征的基础调查以及河流形态结构控制的评价程序;澳大利亚自然资源和环境部还开展了河流状态指数(1SC)研究，1SC采用河流水文学、形态特征、河岸带状况、水质及水生生物5方面指标，试图了解河流健康状况，并评价长期河流管理和恢复中管理干扰的有效性，其结果有助于确定河流恢复的目标，评价河流恢复的有效性，从而引导可持续发展的河流管理。从20世纪90年代末以来，上海已开始实施城市水网的规划与重建工作，研究河网地区水系结构以及水面率的恢复，是上海生态城市建设过程中调整水系结构、合理恢复和保护水系的重要基础工作。2研究方法2.1研究区域与河道分级上海除苏州河以南的老市区外，在河网水利上共划分为14个自然片进行水利分片综合治理，目前已经形成了水系上相对独立、水资源调度上可调节的分片控制的格局。由于水利片作为集排水子系统相对独立，因此可借鉴流域水系结构的研究方法对各水利片结构和功能进行分析。同时因各水利片城市化程度不同，可进一步探讨不同城市化水平对水系结构的影响。从研究的代表性和数据的可获得性考虑，选择嘉宝北片、蕴南片、淀北片、浦东片、青松大控制片、浦南东片和浦南西片等7个水利片作为研究区域，其中以淀北片和蕴南片城市化水平最高，两片均位于上海高度城市化地区(外环线以内)。采用上海市水资源管理信息系统中的河道分级体系作为研究区域水系分级方案。在本文中村级河道被定义为1级河道，乡镇级河道为2级河道，区县级河道为3级河道，市级河道为4级河道。根据20世纪80年代初以及90年代末上海市水资源普查结果和相应的上海市水资源管理信息系统〔24〕对上海不同水利片上万条不同等级河道数量、长度、槽蓄容量、可调蓄容量、分枝状况以及水面率状况等基本数据进行了深人的分析和计算。2.2水系结构参数及计算(1)水系分枝比(Rb)、长度比(Ri)以及分维(D)河网结构是分析河流形态和功能的重要理论基础。R.E.Horton、A.N.Strahler提出了著名的水系结构组成定律，即Horton定律。Horton认为在同一流域内河流的数目(N)、长度(L)等水系结构参数随河道级别呈几何级数变化，即:Nw=RbΩ一w(1)Lw=L1Rl一1(2)式中Rb,R，分别为河道水系分枝比和长度比，w表示河流级别序号，为河流最高级别，Na为第w级河道的数目，Lt,L.分别为第1、w级河流的平均长度(km)。在(为横坐标)所求得的直线斜率绝对值的反对数分别表示Rb和R的值，即:R=101k.1(3)式中Rx为水系结构参数(x二b,l),kx相应依次为图上回归直线的斜率。一般来说，Rb在3-5之间，R1在1.5~3之间。此外，可按下式计算统计意义上的Rb:(4)式中为第W级河道和第W+1级河道间的分枝比。Horton认为流域内不同等级水系的发育具有自相似特征，国内外已就水系分维以及流域地貌展开了部分研究。LABarbera和Rosso(1987)给出水系分维D的计算公式:D=lgRb/lgRl(5)LaBarbera和Rasso认为水系分维应在1一2之间，平均值为1.6一1.7.Claps和Oliveto(1996)认为水系分维的平均值在1.7左右。水系分维越大说明水系越复杂;反之则水系越简单。(2)河网密度(Rd)、水面率(Wp)、河面率(Rp)以往常用的河网密度(Rd)反映了流域水系的长度一面积比，为反映河网水系的面积一面积比，需补充表征河网水系结构中具有重要意义的指标河面率(Rp)以及水面率(Wp).河面率(Rp)指河道两岸堤防之间所包括的河道面积与区域总面积之比，是土地利用和洪涝控制的指标之一;水面率(WP)是指河道多年平均水位下河道水体所占有的实际水面积与区域总面积之比。显然，河面率一般大于水面率，从河网形态结构以及水系景观保护的角度考虑，水面率具有更加重要的实际意义。目前上海全市的平均水面率为6.4%，平均河面率为8.4%。考虑到上海城市化过程中人为因素的干预，高度城市化地区部分支流水系受损乃至消失，河网水系的自相似结构可能在局部地区遭到破坏。在综合考虑河网水系长度以及分枝层次的基础上，我们提出应综合考虑描述河网水系结构的另一项综合指标河网结构自然度(Re)Rc=Ω*Z/L(6)式中,Ω为河流级别，Z为河网水系内河道总长，L为河网水系内主干河道(本研究指市级、区级河道)长度。由定义看出河网结构自然度(R,)反映了河网数量和长度的发育程度，其值越大说明河网构成层次越丰富，支撑主干河道的支流水系越发达。3研究结果与讨论3.1非高度城市化地区河网水系总体上具有Horton表现的自相似性总体来看，平原感潮河网水系的发育在一定范围内具有自相似性，表现为非高度城市化地区水利片不同等级的河流水系之间具有相似的分枝比和相对接近的长度比(表1)，计算表明非高度城市化地区不同水利片的河道数目和平均长度随河道级别呈几何级数变化。同时，按(3)式计算的R。值与按(4)式计算的结果相对误差不超过10%，这进一步验证了非高度城市化地区河网水系总体上具有Horton表现。3.2高度城市化地区水利片不同等级水系发育的自相似性已受到破坏值得关注的是，在高度城市化的中心城区水利片如蕴南片和淀北片，体现Horton表现特征的不同等级水系发育的自相似性已受到破坏，蕴南片和淀北片河网发育的分枝能力明显减弱，因河网分枝能力的削弱使得河网分维在这些地区出现异常(表1)0蕴南片和淀北片的水系分维值小于1，这两个水利片恰是上海河网水利片中高度城市化的两片。表1上海不同城市化地区河网水利片的水系结构特征水利片A/km²Wp/%Rp/kn/km²RbRlRlDReASR/m³/km²嘉宝北片698.774.987.814.695.963.321.4916.466.53蕴南片173.373.034.363.421.052.720.054.361.37淀北片179.283.634.892.302.513.390.767.053.27浦东片1976.605.257.654.225.693.311.4517.185.38育松片758.235.537.083.465.272.911.5617.218.90浦南东片479.004.125.804.195.722.761.7223.465.97浦南西片293.064.966.783.924.412.401.6918.446.757片平均一4.506.343.744.372.97一14.885.455片平均一4.977.024.105.412.941.5918.556.711.指除高度城市化的蕴南片和淀北片以外的5个水利片。2.这里的水面率WP指各水利片的片内水面率，即不包括外河。3.ASR为单位面积可调蓄容量，指河道在2.2一3.6m水位的调蓄容量与水利片面积的比。3.3不同等级河道的调，效应表现出明显差异河网水系调蓄功能与区域内河流数量、长度、主支流分布、水面积、可控制水位等因素密切相关，表现出空间上不同的组合关系和分布格局。我们计算各水利片单位面积槽蓄容量和单位面积可调蓄容量(表2),结果表明:总体来看，上海地区河网天然调蓄效应基本呈现出由市区——城郊结合部——郊区梯度递增的趋势。蕴南片和淀北片的河网调蓄效应明显最弱，这两个水利片恰是上海水利片中高度城市化的两片。西南部郊区的太北片和商榻片河网水系的调蓄效应显著大于其它水利片。表2上海不同水利片的调，效应比较A(km2)水利片A(km2)wp(%)Ro(km/km²)SR(104m³/km²)ASR(104m³/km²)嘉宝北片698.774.984.694.756.53蕴南片173.373.033.420.891.37淀北片179.283.632.302.773.27淀南片186.754.343.213.444.36浦东片1976.605.254.227.035.38青松片758.235.533.469.318.90太北片85.0511.353.1620.8019.11太南片99.963.962.835.935.37浦南东片479.004.124.194.715.97浦南西片293.064.963.929.616.75商榻片32.4210.702.517.5913.82注:Wp,Rp和RD分别表示水面率、河面率及河网密度，其中水面率WP指各水利片的片内水面率，即不包括外河。SR,ASR分别表示单位面积槽蓄容量和单位面积可调蓄容量。分等级计算各水利片河道可调蓄容量与槽蓄容量的比例，河道调蓄效应表现出明显的等级差异，主要体现在:(1)市级和区县级河道槽蓄容量(C)与可调蓄容量(AC)的比值几乎都小于1，即这两个等级的河道可调蓄容量比槽蓄容量小。7个片市级河道可调蓄容量为2934.47万m³，约为槽蓄容量总和为6054.44万m³的50%，说明这些骨干河道虽然蓄水总容积较大，但用于调蓄洪水的那部分容积占河道总容积却相对较小。(2)乡镇级和村级河道槽蓄容量(c与可调蓄容量(AC)的比值均大于1，且可调蓄容量与槽蓄容量差值明显。7个水利片村级河道可调蓄容量达到9408.47万m³，比槽蓄容量总和的