城市湖泊濕地周邊建成環(huán)境溫濕效應(yīng)的時空分布特征
——以武漢16個湖泊濕地為例

李婷婷

趙聆言

關(guān)藝?yán)?/p>

朱春陽*

城市湖泊濕地?zé)崛萘烤薮?、水分蒸發(fā)強烈，對區(qū)域環(huán)境的調(diào)節(jié)功能和環(huán)境效益極為顯著[1]。湖泊濕地與建成環(huán)境間的比熱容差異將形成“湖陸環(huán)流”，從而減少氣溫日較差、降低城市熱島效應(yīng)、增加感熱通量的輸送。因此，城市湖泊濕地不僅可以改善濕地內(nèi)部環(huán)境的小氣候條件，而且對濕地周圍的環(huán)境也有極大的改善效應(yīng)[2]，能夠有效調(diào)節(jié)環(huán)境溫濕效應(yīng)[3-5]。城市湖泊濕地的溫濕效應(yīng)會受到濕地水體的面積、形狀、位置、周邊建成環(huán)境、距濕地邊界距離等多因素影響[6-8]。目前，國內(nèi)外關(guān)于城市濕地水體的區(qū)域溫濕效應(yīng)研究主要集中于2個方面。一是通過遙感影像處理、軟件分析等方法，研究發(fā)現(xiàn)相對較低的地表溫度主要集中在城區(qū)大面積的水體或植被覆蓋區(qū)域[9-10]，并且在距離水體300m范圍內(nèi)影響效果尤為顯著[11]。二是利用氣象觀測資料或數(shù)值模擬等方法，研究表明水體的面積和布局能夠影響小氣候效應(yīng)，并且水體面積越大對環(huán)境影響越大，大塊、密集分布的小面積水體溫度效應(yīng)顯著，分散型的水體布局對城市區(qū)域微氣象環(huán)境影響更為顯著[12-13]。然而，缺乏針對建成環(huán)境尺度城市濕地的溫濕效應(yīng)研究。城市建成環(huán)境不均勻的下墊面及人類活動排出的熱量，明顯改變了城市環(huán)境的氣流走勢與溫濕條件[14]，制約了城市小氣候環(huán)境的自我調(diào)節(jié)能力[15]。因此，本研究將基于監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)測點周邊的建成環(huán)境地理變量，建立土地利用回歸模型，系統(tǒng)分析城市湖泊濕地溫濕效應(yīng)時空分布特征及影響因素，對城市湖泊濕地建成環(huán)境的規(guī)劃與保護具有重要的實踐意義。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

湖北省武漢市(E113°41′～115°05′,N29°58′～31°22′)位于長江中下游江漢平原東部，濕地資源居全球內(nèi)陸城市前3位，其水域面積占全市國土面積的1/4，構(gòu)成了極具特色的濱江濱湖水域生態(tài)環(huán)境。本研究按照湖泊濕地面積梯度選擇16個城市湖泊濕地及其建成環(huán)境為研究對象(表1)，均位于武漢市主城區(qū)/近郊范圍內(nèi)，保證了立地條件相似的城市下墊面建成環(huán)境，基本資料詳見表1。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源與定量調(diào)查

數(shù)據(jù)來源包括湖泊濕地周邊建成環(huán)境土地利用變量、湖泊濕地景觀指數(shù)數(shù)據(jù)及空氣溫度、相對濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)。土地利用及景觀指數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)合Spot5遙感影像數(shù)據(jù)(分辨率2.5m)解譯及實地調(diào)研，通過ENVI 5.1和ArcGIS 10.2對不同用地類型數(shù)據(jù)進行信息提取。溫度、相對濕度數(shù)據(jù)來源于定量監(jiān)測。

將16個城市湖泊濕地周邊500m建成環(huán)境范圍作為研究區(qū)域，沿湖泊濕地邊界垂直方向布設(shè)樣線，每個湖泊濕地布設(shè)3條樣線，每條樣線設(shè)置9個固定測點(湖泊濕地300m范圍內(nèi)每隔50m布設(shè)1個樣點，300～500m每隔100m設(shè)置1個樣點)，距離地面1.5m高處進行連續(xù)觀測。測量時間分別在2016年春季(4月)、夏季(7月)、秋季(10月)、冬(1月)，每個季節(jié)選定氣候條件相似的3天進行重復(fù)測量，每天8：00—18：00每隔2h測試一次。測試儀器采用德國產(chǎn)德圖溫濕度儀testo 625溫濕度測試儀。溫度測定范圍為-10～60℃，分辨率為0.1℃；相對濕度測定范圍為0～100%RH，分辨率為0.1%RH。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

針對每個測點選擇不同范圍(0 ～2 5、0～50、0～75、 0～100m)內(nèi)道路長度(快速路、主干道、次干道和城市支路)作為交通熱源因子，非硬質(zhì)下墊面面積、緩沖區(qū)水體面積作為用地冷源因子，距湖泊濕地邊界距離、距城市中心距離作為自然條件因子，利用回歸分析將自變量逐步引入模型；采用留一交叉驗證法(LOOCV)對模型預(yù)測能力進行檢驗。

圖1 城市湖泊濕地測試點溫濕度與模型自變量相關(guān)性分析(紅色表示負(fù)相關(guān)，藍色表示正相關(guān)；顏色越深則相關(guān)性越強；r=0.4)

2 結(jié)果分析

2.1 城市湖泊濕地建成環(huán)境空氣溫濕度數(shù)值模型構(gòu)建

表2總結(jié)了春、夏、秋、冬四季16個城市湖泊濕地的土地利用回歸模型調(diào)整后R2和留一交叉驗證結(jié)果，以及標(biāo)準(zhǔn)差、杜賓沃森指數(shù)、平均殘差和均方根誤差值。DW值在合理范圍內(nèi)，模型變量數(shù)據(jù)無空間自相關(guān)。T調(diào)整后R2的范圍為0.160～0.957，經(jīng)留一交叉驗證調(diào)整后R2分別0.212～0.991(P＜0.05)；RH調(diào)整后R2的范圍為0.116～0.954，經(jīng)留一交叉驗證調(diào)整后R2為0.248～0.994(P＜0.05)。均方根誤差(RMSECV)值也表明模型的空間預(yù)測能力可行。所有自變量均通過F檢驗、T檢驗且P＜0.05。春季，除小南湖RH、蓮花湖T、RH與土地利用變量間模型不顯著外，其余湖泊濕地T、RH土地利用回歸模型的空間預(yù)測能力較好，T模型擬合度整體優(yōu)于RH；夏季除外沙湖驗證后模型不顯著性外，其余湖泊濕地回歸模型顯著，RH擬合度整體優(yōu)于T；秋季回歸模型T擬合度整體優(yōu)于RH；冬季，除蓮花湖T、RH與土地利用變量間相關(guān)性不顯著外，其余湖泊濕地回歸模型顯著，RH擬合度整體優(yōu)于T。春、冬季蓮花湖溫濕度與土地利用變量間模型不顯著，可能與蓮花湖距長江較近的影響有關(guān)，大型流動水體將明顯影響周邊環(huán)境溫濕狀況[16]，具體原因有待后續(xù)進一步研究?；谝陨蠑?shù)據(jù)分析結(jié)果，可以證明在街區(qū)尺度上針對不同城市湖泊濕地建立溫濕效應(yīng)土地利用回歸模型具有可行性。

表1 16個城市湖泊濕地基本信息

2.2 模型自變量對溫度、相對濕度相關(guān)性的影響

基于16個湖泊濕地樣點溫濕度與模型自變量相關(guān)性分析(圖1)，除北湖冬季觀測樣點數(shù)據(jù)外，其他15個湖泊濕地均與模型自變量具有顯著相關(guān)性。測試點周邊25～100m范圍內(nèi)道路長度變量與春季T呈現(xiàn)最顯著相關(guān)性，非硬質(zhì)下墊面面積變量與春季RH呈現(xiàn)最顯著相關(guān)性，距城市中心距離變量次之；水體面積變量與夏季T相關(guān)性最強，與距湖泊濕地邊界距離變量次之，水體面積和非硬質(zhì)下墊面面積變量均與夏季RH有最顯著相關(guān)性；距湖泊濕地邊界距離變量與秋季T和RH均有最顯著相關(guān)性；距城市中心距離和道路長度變量與冬季T相關(guān)性最強，距城市中心距離與冬季RH呈現(xiàn)最顯著相關(guān)性。同時，研究發(fā)現(xiàn)小面積湖泊濕地較大面積湖泊濕地受模型自變量的影響較大，且距城市中心距離變量和道路長度變量對大面積湖泊溫濕度影響較大。

2.3 城市湖泊濕地緩沖區(qū)空氣溫度、相對濕度空間分布描述性數(shù)據(jù)分析

春季(圖2-1)，隨距湖泊濕地邊界距離的增加，空氣T呈現(xiàn)上升的趨勢，平均溫差為1.8℃。其中小南湖、蓮花湖、外沙湖上升趨勢不明顯，鯇子湖、月湖、墨水湖、野湖和南太子湖在距離湖泊濕地邊界50m范圍內(nèi)持續(xù)上升后，在50m范圍外趨于平穩(wěn)，機器蕩子、曬湖和內(nèi)沙湖在200m范圍內(nèi)明顯上升，在200m范圍外變化平穩(wěn)，內(nèi)沙湖在300m范圍內(nèi)持續(xù)上升后趨于平穩(wěn)，最大溫差達2.9℃。對于RH，整體呈現(xiàn)隨湖泊濕地邊界距離的增加而下降的趨勢，RH平均差值為7.0%。其中小南湖、蓮花湖、鯇子湖、機器蕩子、月湖、野湖和墨水湖在距離湖泊濕地邊界50m范圍內(nèi)有明顯下降趨勢，在50m范圍外趨于平穩(wěn)或呈緩慢下降，其中月湖RH最大差值達到13.3%。

夏季(圖2-2)，除月湖外，其他湖泊濕地空氣T均呈現(xiàn)出隨距離湖泊濕地邊界距離的增加而上升的趨勢，平均溫差為1.5℃。在面積相似區(qū)間內(nèi)，變化趨勢相似，小面積湖泊濕地(＜0.2km2，小南湖、后襄河和西湖)呈現(xiàn)出先平穩(wěn)后上升再平穩(wěn)的曲線變化；內(nèi)沙湖、蓮花湖、菱角湖、鯇子湖、北湖、機器蕩子和曬湖，無明顯上升趨勢，持續(xù)穩(wěn)定在37～38℃；竹葉海上升趨勢最明顯，最高上升至40℃，最大溫差達2.9℃。大面積湖泊(＞0.6km2月湖)呈現(xiàn)出先上升后下降，最后趨于平穩(wěn)的變化曲線；野湖、外沙湖和墨水湖則平穩(wěn)緩慢上升。RH呈現(xiàn)出隨距離的增加而下降的趨勢，RH的平均差值為4.5%。月湖呈現(xiàn)出RH隨距離湖泊濕地邊界距離先下降后上升，最后趨于平穩(wěn)的變化，最大差值為8.4%。其他湖泊變化不顯著。

圖2 春季(2-1)、夏季(2-2)T、RH與距湖泊濕地距離的關(guān)系

秋季(圖3-1)平均溫差為2.2℃，小南湖、后襄河和西湖空氣T變化趨勢平緩一致；內(nèi)沙湖、蓮花湖和菱角湖變化趨勢相似，沒有顯著的上升趨勢；鯇子湖、北湖、機器蕩子、曬湖、竹葉海、月湖、野湖和南太子湖的曲線變化呈現(xiàn)先緩慢上升后平穩(wěn)的趨勢；外沙湖則是先上升后平穩(wěn)，最后在400m緩沖區(qū)范圍外繼續(xù)上升的變化曲線；墨水湖呈現(xiàn)持續(xù)的上升變化，從0m處16.7℃持續(xù)上升至20.9℃，最大溫差為4.2℃。RH呈現(xiàn)隨距離增加而降低的曲線變化，平均差值為7.5%。其中小南湖、西湖、后襄河、鯇子湖、北湖、曬湖、機器蕩子和外沙湖的下降趨勢明顯，均從65%下降至55%左右；內(nèi)沙湖和蓮花湖RH持續(xù)浮動在70%左右，菱角湖、竹葉海和月湖持續(xù)浮動在60%左右；野湖在50m緩沖區(qū)內(nèi)顯著下降，隨后維持穩(wěn)定；外沙湖、南太子湖和北湖在200m緩沖區(qū)范圍內(nèi)持續(xù)下降，隨后保持平穩(wěn)；墨水湖在500m緩沖區(qū)范圍外呈現(xiàn)上升趨勢的曲線變化。

表2 四季T、RH模型預(yù)測R2有效性驗證

冬季(圖3-2)，隨湖泊濕地邊界距離的增加，空氣T呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，平均溫差為1.0℃。其中，南太子湖和墨水湖在緩沖區(qū)300m距離以上空氣溫度上升趨勢逐漸增大，其他湖泊濕地趨于平穩(wěn)，浮動在10℃左右。RH整體呈緩慢下降趨勢，平均差值為4.3%。

2.4 城市湖泊濕地對空氣溫濕度時間分布的影響

由圖4可以看出：1)距湖泊濕地不同距離處的空氣T與RH日變化趨勢相反，空氣T從8：00開始上升，春、夏、秋三季在14：00—16：00達到最高值，冬季在12：00—14：00達到最高值，隨后逐漸下降；RH日變化呈相反趨勢，從8：00開始下降，春、夏、秋三季在14：00—16：00達到最高值，冬季在12：00—14：00達到最低值，隨后開始逐漸回升；2)春、夏、秋三季距湖泊濕地不同距離的空氣T最高值和RH最低值均出現(xiàn)在14：00—16：00，冬季距湖泊濕地不同距離的T最高值和RH最低值均出現(xiàn)在12：00—14：00。

3 結(jié)論

1)城市湖泊濕地建成環(huán)境500m緩沖區(qū)范圍對溫濕效應(yīng)關(guān)鍵影響因子(測試點周邊25～100m范圍內(nèi)道路長度、水體面積、非硬質(zhì)下墊面面積和距城市中心距離、距湖泊濕地邊界距離)構(gòu)建的土地利用回歸模型具有一定的可行性，調(diào)整后的R2分別為0.116～0.954(RH)、0.160～0.957(T)，經(jīng)留一交叉驗證調(diào)整后R2分別為0.248～0.994(RH)、0.212～0.991(T)，均在P＜0.05水平上顯著。

2)基于16個城市湖泊濕地測試點溫濕度與模型自變量相關(guān)性分析，得出小面積湖泊濕地受模型自變量的影響比大面積湖泊濕地大，而大面積湖泊濕地的主要影響因素是距城市中心距離和道路長度(交通熱源)變量；增加測試點周邊25～100m范圍內(nèi)非硬質(zhì)下墊面面積能夠有效改善空氣溫濕度。同時，不同季節(jié)模型自變量對溫濕度的影響存在差異。其中，距城市中心距離變量與秋季T和冬季T、RH呈顯著相關(guān)；距湖泊濕地邊界距離變量與夏季和秋季T具有顯著相關(guān)性；緩沖區(qū)水體面積變量與夏季T、RH和秋季RH具有顯著相關(guān)性；非硬質(zhì)下墊面面積變量與春季和夏季RH具有最顯著相關(guān)性；道路長度變量與秋季RH和冬季T有顯著相關(guān)性。

續(xù)表2 四季T、RH模型預(yù)測R2有效性驗證

3)城市湖泊濕地周邊500m范圍建成環(huán)境的空氣T呈現(xiàn)隨距湖泊濕地邊界距離的增加而上升的趨勢，RH呈現(xiàn)隨距離的增加而下降的趨勢?？諝釺的變化幅度最大值為4.2℃，RH為13.3%。城市湖泊濕地對周邊建成環(huán)境表現(xiàn)出顯著的降溫增濕效應(yīng)。

圖3 秋季(3-1)、冬季(3-2)T、RH與距湖泊濕地距離的關(guān)系

圖4 四季距湖泊濕地不同距離處T(4-1)、RH(4-2)日變化圖

4)城市湖泊濕地建成環(huán)境溫濕效應(yīng)日變化表明，空氣T從8：00開始逐漸上升，春、夏、秋三季在14：00—16：00達到峰值，冬季在12：00—14：00達到峰值，隨后逐漸降低；RH與T變化相反。

注：文中圖片均由作者繪制。