鄞东南平原河网区水系结构与连通变化及其对调蓄能力的影响研究

发布时间：2019-04-12 12:10

【摘要】：流域下垫面及河网水系变化对水文过程的影响是当前水文科学研究的热点问题之一。城镇化是改变地表形态最剧烈、最深刻的人类活动。城镇化导致土地利用类型和河网水系格局等变化,使得区域水循环过程发生了较大变化。鄞东南平原作为我国城镇化水平发展较快的地区,受地形等自然因素影响,该地区洪灾频发,与此同时,城镇化下不透水面积的增加、水系结构的剧烈变化、河网水系连通受阻以及区域河网调蓄功能萎缩等又加剧了这一现象。因此,开展快速城镇化背景下下垫面、水系结构、连通变化及其对调蓄能力的影响研究,对流域防洪减灾及城镇可持续发展具有重要的理论意义和应用价值。本研究以鄞东南平原河网区为研究区域,基于3期土地利用数据、水系数据及代表性水位站的特征水位值,综合运用多种方法对不同城镇化发展阶段下流域下垫面、水系结构及河网调蓄能力的变化特征进行了分析,并提出两种适合平原河网区的水系连通性评价方法对水系连通变化特征进行了分析,进而探讨了水系结构与连通变化对河网调蓄能力的影响,从而为研究区河网水系的保护管理及改善洪涝调蓄措施的实施提供有益的参考。主要研究内容与结论如下：1.城镇化进程及下垫面变化鄞东南平原城镇化进程整体上呈阶段性变化特征,以2000年为界,城镇化进程经历了由缓慢到快速发展的阶段。城镇化对下垫面的影响以土地利用变化最为显著。分析结果显示,1990-2010年期间土地利用变化以城镇建设用地的大幅度增加、农田和水体的减少为主要特征,城镇用地比重增加近2.6倍。城镇扩张强度呈现由宁波中心城区到郊区的“弱-强-弱”趋势特征,1990-2003年期间以宁波中心城区规模的扩大为主,之后受可利用土地的限制等因素影响,变化强度以城郊结合地带最为显著。2.水系结构变化以水面率、河网密度、面积长度比、河网发育系数和盒维数为主要指标参数,对研究区1990、2003及2010年3期水系的一般特征、结构特征和综合特征进行相应的分析。结果显示：受城镇化等人类活动的影响,近20年间河网水系呈不断衰减趋势,河网密度和水面率分别减少19.39%和33.32%；河网发育系数、面积长度比和盒维数总体上也呈不断减少的趋势,河网水系随着城镇化的发展趋于简单化和主干化。不同等级水系变化特征存在一定的差异性,其中低等级河道以持续减弱为特征,且变化最为剧烈。城镇化对水系的影响呈现先影响低等级河道后影响高等级河道的规律。各指标间Pearson相关分析和空间叠加分析表明,城镇化与水系变化的关系密切,反映出城镇化发展对水系结构功能的深刻影响。3.水系连通变化由于城镇化影响的加剧,河网水系衍生出多种多样的社会功能属性,考虑河网的社会功能,提出基于河网水系自然、社会属性的平原河网区水系连通性评价方法,分析了研究区水系连通性的水平。结果表明：水系连通性由1990年的0.3154,下降为2010年的0.2281,总降幅达27.68%,年均降低速率1990年至2003年的较大。这主要是因为随着城市防洪标准的提高,研究区开展了一系列针对河网保护的主干河道整治工程,主干河道的社会功能越来越重要所致。该方法具有良好的可行性,可判断不同水系连通方案的优劣。根据平原河网水流特点,考虑区域产汇流过程及不同河道输水能力的差异,提出了基于水流阻力与水文过程的平原河网水系连通性评价方法,评价了水系变化对河网连通的影响。结果显示：由于城镇化过程中高强度的人类活动,大量低等级河道被填埋消失,水系结构破坏,水循环受阻,研究区1990-2010年期间的水系连通性呈不断降低趋势,由1990年的0.6176,下降为2010年的0.4413,总降幅达28.55%。该方法有效可行,可解释实际河网中河道“连”而不“通”的现象。4.水系变化对调蓄能力的影响采用表征河网调蓄能力的4个指标参数(河网槽蓄容量、可调蓄容量、单位面积槽蓄容量和单位面积可调蓄容量),对不同水利分区和不同等级河道河网调蓄能力的时间变化特征进行分析,其结果表明：近20年来水系的减弱导致河网调蓄能力呈现不断下降的趋势,1990-2010年期间,河网槽蓄容量和可调蓄能力分别下降了32.26%和31.22%；不同等级河道的调蓄能力变化强度有所不同,调蓄能力的变化强度随着河道等级的降低呈现逐渐增大趋势,其中以低等级河道的调蓄能力下降最为显著,低等级河道的减少是河网调蓄能力降低的主要原因；各水利分区河道单位面积槽蓄容量和可调蓄能力均呈不断减小的趋势,区域调蓄能力存在明显的空间差异。3个时期各水利分区河道单位面积槽蓄能力和可调蓄能力最强的是东钱湖开发区和五乡东吴片区,最低的为宁波中心城区。利用产水量计算模型,计算典型年(1985年,平水年)区域产流量,并与区域可调蓄容量进行比较,结果表明：受城镇化等人类活动的影响,下垫面和水系变化改变了流域的“产蓄关系”平衡,区域产水量的增加、河网调蓄能力的减弱,使得区域洪涝灾害加剧。河网水系结构特征在很大程度上决定了其调蓄功能的发挥。通过对研究区10个水利片区河网调蓄指标与水系结构指标和水系连通指标进行相关性分析,表明河网调蓄能力与水系结构和水系连通密切相关,河网调蓄能力受水面面积(水面率)、水系连通程度和水系结构的共同影响。水面率越大,水系连通程度越高,河网调蓄能力越好。因此,可以通过保持现状水系,疏浚、拓宽河道,沟通水系、优化水系连通等来改善区域河网水系调蓄能力进而实现区域水系结构和功能的保护与恢复。
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【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TV213.4

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