本文所采用的土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn/)。分别选取1990年和2015年陕西省的土地利用图进行裁剪、分类、计算等处理,并将研究区的土地利用类型划分为城镇建设用地、农用地、林地、其他用地4类。

本文所采用的河流水系数据来源于1990年和2015年两个时期的Landsat TM,OLI影像(成像时间均为7月),原始图像分辨率均为30 m。经过几何校正、大气校正、图像裁剪等处理后,利用ENVI软件对研究区内河流水系进行提取。提取水体时主要依据不同地物类型对各波段吸收率不同的原理,通过波段运算抑制其他地物类型特征,增强水体信息,然后进行决策树分类,提取研究区域的水体信息。通过波段计算可以求得改进后的归一化水体差异指数(MNDWI)^[11]和归一化差分植被指数(NDVI),其中MNDWI和NDVI的计算公式为:

MNDWI=(Green-MIR)/(Green+MIR)(1)

NDVI=(NIR-Red)/(NIR+Red)(2)

式中:Green为TM影像中的Band2; OLI影像中的Band3; Red为TM影像中的Band3; OLI影像中的Band4; NIR为TM影像中的Band4; OLI影像中的Band5; MIR为TM影像中的Band5; OLI影像中的Band6。对于水体的进一步提取还需要用到ENVI软件中的决策树模型对水体信息进行分类,本文所用到的分类规则为:(1)若MNDWI>-0.05,则认为是水体,若MNDWI≤-0.05,则认为非水体;(2)若NDVI<0.05,则认为是水体,若NDVI≥0.05,则认为是非水体。

一般来说,NDVI值为负即为水体,但是在该研究区内水体信息比较复杂,某些地区河流较浅,水体中也会含有植被。因此在提取过程中,当NDVI为正值时也存在水体,故本文在提取水体信息时采用NDVI+MNDWI的方式进行综合提取。在提取过程中,阈值的设定对于水体信息提取的精度起到至关重要的作用。经反复试验表明,当NDVI和MNDVI的阈值分别设置为0.05和-0.05时,研究区内的水体信息可以通过ENVI软件中的决策树模型进行较为精确的提取,但是依然存在细小水体漏提和其他光谱信息相似地物误提等情况,需用到ArcGIS软件进行人工解译,并后期依据Google Earth地形图对人工解译及自动提取的水体信息进行校验。

对于城镇化过程,本文参考土地城市化计算方法^[12],统计研究区内1990—2015年城市建设用地的增加面积,采用城镇化速率来表征城镇化过程。

(1)城市化速率(V_C)。表示两个时期城镇建设用地增加量与上一时期城镇建设用地面积的比值,比值越大说明区域内建设用地面积增长速率越快,其计算公式为:

V_C=(A_C2-A_C1)/A_C1×100%(3)

式中:A_C1为1990年城市建设用地面积; A_C2为2015年城市建设用地面积。

对于水系特征,本文依据关中地区的河流水系自然特征,将研究区内河流分为三级:渭河干流定义为Ⅰ级河流,直接汇入渭河干流的河流定义为Ⅱ级河流,汇入Ⅱ级河流的河流定义为Ⅲ级河流。选取河流长度、河网密度(D_R)、支流发育系数(K)、干流弯曲系数(S)这4个指标,从数量和结构上表征水系特征。

(2)河网密度(D_R)。表示流域内干流和支流的总长度与流域面积的比值,河网密度越大,表明流域内河流长度越大,可表示水系数量特征,其计算公式为:

D_R=L_R/A(4)

式中:L_R为流域内河流长度的总和; A为区域总面积。

(3)支流发育系数(K)。表示水系内各级河流长度与干流长度的比值,支流发育系数越大,则表明支流发育程度较高,支流越多越长,是反映水系结构特征的指标,其计算公式为:

K=L_S/L_m(5)

式中:L_S为流域内各级支流长度的总和; L_m为河流干流总长度。

(4)干流弯曲系数(S)。表示河流实际长度与河流两端点间直线距离的比值。河流弯曲系数越大,说明河流的自然特性越强,其计算公式为:

S=L_R/L_a(6)

式中:L_R为河流的实际长度; L_a为河流两端点的直线距离。

关中地区的土地利用类型主要以农用地和林草地为主,两者约占关中地区总面积的94.35%,其中城镇建设用地仅为2 161 km²,占总面积的3.9%(表1)。2015年,关中地区城镇用地面积增加到3 186 km²,相比1990年增加1 025 km²,增幅达到47.43%。同时农用面积减少了1 079 km²,林地与其他用地面积变化不大,说明新增的建设用地多为农用地转化而来。从土地利用的变化图(图1)来看,新增建设用地主要集中在渭河干流沿线,与西安、宝鸡等城市发展规模相对应。

表1 关中地区土地利用类型变化

河流的演化一般与河床质地,地形、气候、人类活动有关,但是在短时期内,河流水系的变化的最主要因素还是人类活动^[13]。关中地区作为陕西省工、农业中心地区,25 a间经济迅猛发展,随之而来的是大量的农用地和河流被侵占转化为建设用地。通过对水系变化剧烈地区的分析发现,河网水系的萎缩与城市化建设存在着正相关关系,但是具体河流水系特征指标的衰减需要因地而异。关中段渭河水系指标衰减的原因可以分为4类:(1)平原区域水系衰减的主要原因为城镇建设或农田对河道的占用、填埋,导致河流变窄或消失,从而降低河网密度和支流发育系数;(2)关中南部地区属于秦岭北麓,由于地势问题,土地资源利用较为困难,道路、房屋等均沿河谷而建,涉河工程以及河道两侧耕地对河流的占用是导致当地河流消失的主要原因,其中地质灾害也是山区河道发生变化的主要影响因素之一^[14],如宝鸡太白县;(3)城镇地区建设用地增长,建筑施工对河道进行占用以及城市人口增长对水资源需求的增加,致使区域内的水资源逐渐减少,河流也随之消失,如铜川市王益、印台区;(4)渭河干流周边地区,为了增加河流的防洪功能以及生态环境功能,沿线地方政府对河道进行裁弯取直修建护河堤坝、湿地公园,进而导致Ⅰ级河流长度以及曲率降低,如西安主城区。

总体来说,从对关中段渭河水系变化的规律研究发现,在城市化速率不同的区域,各项水系指标的衰减程度并不一致,但水系总体呈现萎缩趋势,水系变化表现为河流数量和长度减少、河流形态结构逐渐单一化,这与苏州市、深圳市、上海市等国内城镇化程度较高的平原地区的河网研究结果基本一致^[15-17],且Ⅱ级、Ⅲ级河流受城市化进程的影响更大,这与嘉兴市河流水系变化特征相符^[9]。但在城市化进程较快的地区,如西安市主城核心区,由于人们对水系保护的概念增强,人们自觉保护河流水系,以及当地政府为了减轻城市的防洪排涝压力,缓解干流的防洪压力,部分的二级河道尤其是靠近主干道附近的二级河道会被疏通、扩宽,以保证整个河流的过水能力平衡,在工程建设完成后,其长度和河流曲率均会长期维持在一个稳定的范围内^[8],整个区域内的水系指标变化反而会有上升的趋势。

河流水系涉及城市的给排水、城市气候、城市水环境等诸多方面,是城市不可缺少的水环境因素^[4]。河流水系具有很强的调蓄功能,河流的调蓄能力受水系数量和水系结构共同影响,已有的研究表明,在河网中低等级河流越多,其河网的调蓄能力越强^[18]。但是在关中地区快速城镇化发展过程中,大量的低等级河流消失,使得水系的自然调蓄功能逐渐降低,渭河中下游年均最高洪峰水位有明显的上升趋势,洪涝灾害的威胁不断增大^[19]。另外一方面,由于河流水系结构的变化,阻碍了河流的相互连通,降低了河流的自我净化功能。城镇化使城市不透水面积增加,地表径流携带污染物直接进入河流,致使关中段渭河流域的污染严重。通过对渭河水质的测定,渭河干流水质从咸阳兴平断面至渭南潼关桥断面,共9个断面均属于Ⅴ类水质^[20],总体水质较差。同时由于河流的减少,会使区域内地下水补给降低,在遭遇干旱灾害时,会加重干旱的影响。

关中段渭河水系数量减少主要原因是低等级河流消失,因此在推进城市化过程时,要避免对河流的改造和填埋,尤其注重对低等级河流的保护。合理的控制城市建设用地面积增长,各种土地利用类型均衡发展,增加城市中绿化面积,减少城市中的不透水面积。(1)将河流水系保护纳入到城市管理规划中,健全监管和执法体系,在区域开发规划时,严禁新建工程对河流进行填埋、占用。(2)协调城市发展与河流水系保护,加强河流的治理和恢复,积极开展低等级河流清淤的工程,增强河流的蓄水和防洪能力,在干流修建防洪堤坝时,尽量扩宽治导线,给干流更大的空间,避免河流水系退化和河流骨干化。(3)完善水文化设施,注重临水空间的开发保护,重视河流景观建设,提高居民生活品味,让居民自发性形成保护河流的意识。