近70年來上海中心城區(qū)水系演變及水安全響應
——基于景觀連通視角

吳玫玫，張 森，王忠昊，趙 軍

（1.上海水務局行政服務中心，上海市200050；2.上海大學環(huán)境科學與工程系，上海市200444）

0 引言

上海中心城區(qū)是歷史上典型的平原河網(wǎng)地區(qū)，水系高度發(fā)育，河流水系縱橫交錯。城市化進程對上海及長三角地區(qū)水系結構影響的研究近年來得到重視[1-8]，然而因其“橫塘縱浦”式的復雜網(wǎng)狀水系結構，采用傳統(tǒng)的地貌學方法如Horton定律，以及相關水系結構參數(shù)，來探討區(qū)域水系結構面臨許多理論挑戰(zhàn)。

現(xiàn)運用景觀生態(tài)學理論和GIS空間分析技術，采用水系連通指標描述平原河網(wǎng)地區(qū)網(wǎng)狀水系結構及其變化，可為復雜的網(wǎng)狀水系結構研究提供新的視角[9]。為此，以上海中心城區(qū)為典型案例區(qū)域，探討了近70年以來區(qū)域河網(wǎng)水系在快速城市化過程中的變化，以及其對河網(wǎng)連通性和城市水安全的影響，以期為未來快速城市化過程中河網(wǎng)水系保護工作提供科學參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域是以目前上海中心城區(qū)內環(huán)線為基礎，適當外擴而形成的矩形區(qū)域（見圖1），包括黃浦、靜安、長寧等中心城區(qū)，以及浦東新區(qū)城市化區(qū)域，東西方向長度為16.5 km，南北方向寬度為12.6 km，面積為207.9 km2。建國初期該區(qū)域除黃浦、靜安、盧灣等三個中心城區(qū)外，大多以農業(yè)用地為主且水系密布，隨著近70年以來社會經(jīng)濟和城市建設的迅速發(fā)展，城市建設不斷與河爭地，作為大量末端村鎮(zhèn)級河道被填堵，河網(wǎng)水系發(fā)生顯著變化。

圖1 上海中心城區(qū)河網(wǎng)景觀結構演變研究區(qū)域示意圖

1.2 數(shù)據(jù)與方法

河網(wǎng)水系遙感解譯數(shù)據(jù)來源于華東師范大學教育部地理信息科學重點實驗室，共包括1950—2018時期內共八個時相，其中1950—1979數(shù)據(jù)來源于美國偵察衛(wèi)星遙感影像，黑白圖像，空間分辨率2 m，1984—2006數(shù)據(jù)來源于航空遙感影像數(shù)據(jù)，彩紅外圖像，空間分辨率2 m。2010—2018數(shù)據(jù)系根據(jù)Google Earth遙感影像，對2006年數(shù)據(jù)做局部調整。需要指出，該地區(qū)河流縱橫交錯，此外城市河流多受人工水閘控制，導致河道等級較為模糊?？紤]到研究區(qū)域的河流長度與河流等級存在的對應關系，以及河流長度分布特點，現(xiàn)按長度將河流劃分為0～0.5 km、0.5～1.0 km、1.0～2.0 km、2.0～5.0 km、及5.0 km以上等五個等級，進行分析討論。

河網(wǎng)連通性一般是指河鏈與河網(wǎng)內所有節(jié)點的連接程度，其計算須依賴于河網(wǎng)節(jié)點和河鏈的提取[10-11]。河流廊道相互交叉，交叉點稱為節(jié)點，鄰近兩個節(jié)點之間的河段即為一條河鏈（見圖2）。

圖2 研究區(qū)域局部網(wǎng)狀水系結構及河流廊道節(jié)點、河鏈示意圖

目前一般河網(wǎng)水系的連接程度指標和擴展?jié)摿χ笜擞脕碓u估河網(wǎng)連通性。

（1）河網(wǎng)連接程度指標：主要包括連接率（β）和環(huán)路指數(shù)（μ）。

式中：β為河網(wǎng)中河鏈數(shù)L與水系網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)N的比值，反映每個節(jié)點連接的平均河鏈數(shù)。參考地圖圖形結構判別方法和標準，當β＞1時，河網(wǎng)為回路結構或網(wǎng)格狀結構；β＜1時，河網(wǎng)則為樹枝狀結構；μ等于水系網(wǎng)絡中河鏈數(shù)L減去節(jié)點數(shù)N再加上網(wǎng)絡子圖個數(shù)p之值。μ值越大，網(wǎng)絡越發(fā)達。p為網(wǎng)絡中各自相交的子網(wǎng)絡的數(shù)量之和（在鐵路、城市道路等網(wǎng)絡分析中，一般令P=1，而水系網(wǎng)絡中由于存在較多的斷頭河浜或與區(qū)域主干河網(wǎng)脫離水文聯(lián)系的獨立子水 系，因而一般p＞1。該項研究中p值主要依賴于視判讀）。

（2）河網(wǎng)擴展?jié)摿χ笜耍褐饕▽嶋H成環(huán)率（α）和實際結合度（γ）

式中：α表示環(huán)路指數(shù)與最大可能環(huán)路數(shù)的比值，反映河網(wǎng)水系實際成環(huán)的水平；γ反映河網(wǎng)水系河道之間的實際結合水平。

河流廊道連通性評估的主要步驟在于識別提取河網(wǎng)中的河鏈和河道節(jié)點（尤其是節(jié)點判讀）。在ArcGIS 10.2軟件中重新建立河網(wǎng)拓撲關系，根據(jù)相關功能模塊識別并提取節(jié)點和河鏈；根據(jù)上文式（1）~式（4）即可計算研究區(qū)域河網(wǎng)水系的廊道連通性及相關表征指標。需要指出，以往河網(wǎng)水系景觀研究大多對區(qū)域河網(wǎng)進行了概化（即面向區(qū)域若干主干河道），節(jié)點和河鏈基本來源于目視判斷，但平原河網(wǎng)地區(qū)水系高度發(fā)育，為更加科學地提取河網(wǎng)節(jié)點和河鏈識別方法，現(xiàn)嘗試采用GIS技術方法（見圖3）。

圖3 基于GIS的河網(wǎng)連通性評價技術圖示

2 結果與分析

2.1 河網(wǎng)水系變化基本過程

2.1.1 總體變化趨勢分析

建國初期除黃浦、盧灣、靜安等三區(qū)外，研究區(qū)域大部分地區(qū)水系保存良好。此后隨著城市建設不斷擴展，河網(wǎng)水系快速萎縮，河道數(shù)量從1950年的465條減少為2018年的54條，現(xiàn)狀數(shù)量僅約為初始狀態(tài)的11.61%。河道總長度相應地持續(xù)下降，區(qū)域河道總長度由442.42 km減少為139.19 km，現(xiàn)狀總長度約為初始狀態(tài)的31.46 %。

區(qū)域河道平均長度發(fā)生顯著變化。1950年區(qū)域河道平均長度為0.95 km，2018年則為2.58 km，區(qū)域河道平均長度顯著增加。1994年之后，河道平均長度增長更加顯著，這與1990年之后研究區(qū)域浦東部分開始大規(guī)模的開發(fā)建設、導致中小河道大規(guī)模萎縮有關。

2.1.2 河道變化等級差異診斷

按前文所提出的河道等級劃分方案，對五個不同長度等級河道的數(shù)量變化進行分析。結果表明，等級越低的河道其變化更加劇烈，近70年以來長度低于1 km河道共消亡317條，占研究區(qū)域全部消亡河道的77.13 %。從長度上來看，不同等級河道的消亡并未表現(xiàn)這一規(guī)律，除最高等級的5 km以上河道基本保持穩(wěn)定外，其余四個等級河道消失長度未表現(xiàn)顯著區(qū)別，其原因在于等級較高的河道消失量雖少，但長度較大，因而消失總長度相應較大（見圖4）。

圖4 近70 a以來上海中心城區(qū)不同等級河道的數(shù)量和長度變化曲線圖

2.2 河網(wǎng)水系變化對景觀連通性影響

2.2.1 節(jié)點和河鏈迅速減少，階段性變化特征顯著

研究初期河網(wǎng)中河鏈為862條，至2018年急劇減少為119條。河鏈數(shù)變化具有階段性特征，1950～1979年時期內年均消失河鏈8.24條，1979～1984年近5年期間年均消失河鏈30.60條，而1984～1994年期間河鏈數(shù)基本穩(wěn)定，1994～2000年期間變化最為劇烈，年均消失河鏈46.50條（見表1、圖5），2000～2018年變化趨于穩(wěn)定。近70年以來研究區(qū)域河網(wǎng)廊道密度由2.08 km/km2減少為0.67 km/km2，消亡的河道主要分布于西北方向的普陀區(qū)和東南方向的浦東新區(qū)，節(jié)點和河鏈的階段性變化與上海城市發(fā)展的時間特征基本可以呼應。

表1 上海中心城區(qū)河網(wǎng)節(jié)點和河鏈數(shù)變化表

圖5 上海中心城區(qū)河網(wǎng)水系形態(tài)演變及河鏈節(jié)點的動態(tài)消亡過程圖示

2.2.2 河鏈總長度下降，平均長度增加

河鏈總長度的變化趨勢與河網(wǎng)節(jié)點、河鏈相同，但河鏈總長度下降幅度相對較少，原因在于消亡河道多為河網(wǎng)中的末端河道。2018年河鏈總長度為1950年的1/3，變化較大時期為1964—1984年和1994—2000年，河鏈總長度均變化30 %左右。由于河網(wǎng)中長度較低的末端河道消亡，河鏈平均長度逐漸變大。1950年河鏈平均長度為502.31 m，2018年增大至1 177.82 m，約為1950年2.34倍。1994年為河鏈平均長度變化的分界點，在此之前河鏈平均長度變化不大，1994～2000年間河鏈平均長度增長較快，而2000年后較為穩(wěn)定。

值得注意的是，隨著末端河道不斷消亡，河鏈平均長度雖不斷增大，但由表1推算可發(fā)現(xiàn)，各時間階段內消亡河鏈的平均長度并未發(fā)生明顯變化趨勢，基本保持為400 m，這表明近70年來上海中心城區(qū)消亡河道一直集中于末端村鎮(zhèn)級河道，未向較高等級河道轉移。結合前文分析，1950年上海中心城區(qū)長度小于1 km河道為333條，而2018年僅剩為16條，末端村鎮(zhèn)級河道消亡95.20 %，當前研究區(qū)域河道保護工作應注意避免消亡河道由村鎮(zhèn)級河道轉向較高等級河道。

2.2.3 河網(wǎng)連通明顯削弱，結構由網(wǎng)狀轉為樹枝狀

河流廊道各項指標均呈趨勢性下降，表明研究區(qū)域河網(wǎng)結構趨向簡單化和主干化。1994年之前河網(wǎng)連接率高于1，顯示水系為網(wǎng)狀結構，而此后連接率指標開始低于1，且河網(wǎng)成環(huán)率和結合度逐漸降低，水系逐漸轉為樹枝狀結構（見圖6）。研究初期的河網(wǎng)水系中共存在閉合水系回路87個，而2018年僅為4個，水系環(huán)路指數(shù)對河網(wǎng)變化較為敏感?？梢哉J為，1990年開始的大規(guī)?？焖俪鞘谢?，導致研究區(qū)域河網(wǎng)水系發(fā)生了顯著變化，2000年之后區(qū)域河網(wǎng)已不再具有典型的網(wǎng)狀水系結構表現(xiàn)。

圖6 上海中心城區(qū)河網(wǎng)水系各景觀連通指標變化曲線圖

2.3 河網(wǎng)水系變化對城市排水安全的影響

分析近70年來不同時期上海中心城區(qū)雨水泵站排水能力和區(qū)域河網(wǎng)總長度，以及河網(wǎng)連通性的關系（見圖7）可以發(fā)現(xiàn)，前者和后二者存在顯著負相關，表明雨水泵站建設與區(qū)域河網(wǎng)萎縮和連通受阻存在良好的響應關系。圖7還表明，雨水泵站排水能力與河道總長度的負相關關系相對更加明顯，與河網(wǎng)連通性關系稍弱。盡管上海中心城區(qū)排水能力不斷增強，但這些人工措施仍難以替代自然河網(wǎng)的雨水調蓄和排澇功能，較之于河網(wǎng)密集的郊區(qū)區(qū)域，中心城區(qū)的汛期積水問題持續(xù)趨向嚴重[12-14]。

圖7 上海中心城區(qū)雨水泵站建設與河網(wǎng)總長度及景觀連通指標的響應關系圖（1950～2010）

3 結論與討論

（1）近70年來上海中心城區(qū)的高密度河網(wǎng)迅速萎縮，河網(wǎng)密度下降了68.54%，消亡河道多為1 km長度以下的村鎮(zhèn)級河道，占消失河道比例約77.13%。河道數(shù)量不斷下降，河道平均長度則持續(xù)增加，河網(wǎng)結構趨向簡單化和主干化。

（2）河網(wǎng)結構變化導致河鏈和河網(wǎng)節(jié)點數(shù)顯著下降，對區(qū)域河網(wǎng)廊道連通性產生重要影響。1994年之前區(qū)域河網(wǎng)水系連接率指標高于1，即保持為網(wǎng)狀水系結構，而此后水系環(huán)路指數(shù)劇烈下降，連接率指標低于1，由復雜的網(wǎng)狀逐漸轉變?yōu)楹唵蔚臉渲睢?/p>

（3）河網(wǎng)萎縮導致河網(wǎng)密度銳減和河網(wǎng)連通受阻，兩個因素共同對上海中心城區(qū)水安全問題造成壓力。近70年來區(qū)域雨水泵站排水能力不斷增強，并與河網(wǎng)總長度和河網(wǎng)連通性兩個指標的變化均存在顯著的響應關系，其中對河網(wǎng)總長度變化的響應程度更加明顯，連通性稍弱。

（4）本文在河網(wǎng)連通性對水安全影響方面的研究還有待進一步深入，雖初步證實河網(wǎng)連通性與城市水安全存在關聯(lián)，但城市水安全的影響因素比較復雜，既與河流自身的消亡和連通性下降有關，同時與大氣降水、河道外土地利用狀況、排水市政設施建設狀況亦有密切關系，未來研究可在掌握更多相關數(shù)據(jù)資料的基礎上，采用更先進的研究方法對不同影響因素與城市安全的關系進行定量分解。