平原河网地区河流结构特征及其对调蓄能力的影响

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。

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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)0520717208

1　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