城市藍綠景觀格局對雨洪調(diào)蓄功能的影響

禹佳寧 周燕 王雪原 郭詩怡

1 研究背景

隨著城市化不斷推進與全球氣候變化的影響，極端降雨天氣頻發(fā)，城市建成區(qū)密度越來越高，城市不透水地面面積激增，導致內(nèi)澇問題頻發(fā)。近年來，洪澇災害對武漢市經(jīng)濟、社會發(fā)展造成極大危害，2019年夏季，連續(xù)降雨致武漢市10個縣（市、區(qū)）6.5萬人受災。同時，在建設韌性城市、健康城市等政策背景下，當下城市規(guī)劃設計更加注重生態(tài)系統(tǒng)的健康可持續(xù)性發(fā)展，雨洪調(diào)蓄模式逐漸從排水工程視角轉(zhuǎn)化為生態(tài)綜合調(diào)控視角，并逐漸成為政府和學術(shù)界持續(xù)關(guān)注的熱點[1]。

在宏觀層面，景觀格局內(nèi)部特征與洪水過程之間的關(guān)系是近年來研究的熱點[2]，雨洪管理功能需要依靠一個區(qū)域內(nèi)的所有綠地體系進行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，共同發(fā)展[3]，景觀生態(tài)學中物質(zhì)能量傳輸?shù)摹霸础獏R”理論，與城市自然降水過程的能量流動和綠地環(huán)境的相互作用相契合[4-5]。近年來，許多學者把目光落在中微觀層面，將綠地景觀格局與雨洪過程二者進行耦合分析，研究綠地對雨洪過程的影響[6-7]。當前學界關(guān)注城市景觀格局對災害成因、孕災環(huán)境等方面的影響，多從災害角度出發(fā)，聚焦城市景觀格局與水文過程的響應關(guān)系[8]：宏觀層面景觀格局內(nèi)部特征與洪水過程之間的響應關(guān)系[9-12]，或是中微觀層面城市化景觀格局變化對城市內(nèi)澇孕災成因的影響[11,13]，但是對于藍綠空間調(diào)蓄能力與內(nèi)澇緩解途徑的分析較少。

本研究立足于內(nèi)澇緩解途徑，聚焦城市化藍綠空間內(nèi)部特征差異，探究城市藍綠景觀格局與雨洪調(diào)蓄功能的響應關(guān)系?；趯嶋H降雨情況構(gòu)建了城市淹沒轉(zhuǎn)移矩陣以表征雨洪調(diào)蓄能力，結(jié)合Fragstats景觀指數(shù)，建立二元Logistic回歸模型分析兩者之間的關(guān)系。以期探究藍綠空間格局與雨洪調(diào)蓄功能之間的響應關(guān)系，為城市藍綠空間雨洪調(diào)蓄功能的優(yōu)化提供可靠的理論支撐。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域

江夏區(qū)隸屬湖北省武漢市，總面積28.29 km2。境內(nèi)大小山體118座，大小湖泊136處，山水資源豐富；屬亞熱帶季風性氣候，降雨集中在夏季6—7月份，歷年平均降水為1 347.7 mm，四季鮮明，降水充沛。時間上，江夏區(qū)洪澇最早始于4月上旬，最遲終于9月中旬，尤以6—7月頻次最高，危害最重；空間上，洪澇災害地域差異分布明顯。基于上述內(nèi)澇局部頻發(fā)的現(xiàn)實問題，以及區(qū)域較好的山水基底條件，江夏區(qū)是探討藍綠空間景觀格局與雨洪調(diào)蓄功能關(guān)聯(lián)機制的合適區(qū)域。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

土地利用數(shù)據(jù)來源于“地理空間數(shù)據(jù)云”，獲取空間分辨率30 m的Landsat 8遙感影像數(shù)據(jù)圖，選取依據(jù)為云量低于10%且成像質(zhì)量良好。根據(jù)氣象數(shù)據(jù)資料，分別選取連續(xù)晴天（圖1）和雨后（圖2）情景下的遙感影像數(shù)據(jù)圖作為對比，在ENVI軟件中進行波段合成與解譯，根據(jù)LUCC分類系統(tǒng)，將土地利用分為草地、耕地、林地、建設用地、水域和未利用土地六大類[14]。

1 江夏區(qū)連續(xù)晴天情景下土地利用現(xiàn)狀Current situation of land use in sunny days in Jiangxia District

2 江夏區(qū)雨后情景下土地利用現(xiàn)狀Current situation of land use in rainy days in Jiangxia District

2.2.1 雨洪調(diào)蓄功能表征

雨洪調(diào)蓄功能是響應關(guān)系建立中的反應變量，具備真實反映場地滯蓄調(diào)節(jié)情況、確保相關(guān)性建立過程與結(jié)果可靠真實等功能?；谕恋乩棉D(zhuǎn)移矩陣的概念建立城市淹沒狀況轉(zhuǎn)移矩陣，其中：i代表連續(xù)晴天下江夏區(qū)的淹沒情況；j代表雨后的淹沒情況；Sij代表降雨發(fā)生前后，用地類型i和j之間淹沒轉(zhuǎn)化的情況[15]，其反映在一定時間間隔下，一個亞穩(wěn)定系統(tǒng)從T時刻向T+1時刻狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程。將江夏區(qū)連續(xù)晴天、雨后情景下用地類型在ArcGIS中進行柵格計算并賦值，依據(jù)不同用地類型上是否有水，確定不同用地類型的雨洪調(diào)蓄狀況，建立雨洪調(diào)蓄功能發(fā)揮狀況數(shù)值矩陣。通過遙感技術(shù)解析不同時段內(nèi)某區(qū)域不同土地利用類型是否發(fā)生內(nèi)澇的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立淹沒狀況轉(zhuǎn)移矩陣用以確定不同地表空間的匯水集水能力差異。淹沒狀況轉(zhuǎn)移矩陣代表了城市用地的調(diào)蓄水平，這一信息具有統(tǒng)計學意義。

本研究所定義的藍綠空間，包括農(nóng)田、林地、草地等綠色空間與河流、坑塘、湖泊、水田等藍色空間。根據(jù)相關(guān)文獻[6,16-17]對藍綠空間雨洪調(diào)蓄能力進行分級：藍綠空間相較于城市不透水地面，地表下滲能力較強，具有一定的雨洪調(diào)蓄能力[5,17-18]，判定為雨洪調(diào)蓄能力一般發(fā)揮；能夠匯集雨水的藍綠空間相較于一般藍綠空間，可以減少徑流，雨洪調(diào)蓄功能發(fā)揮更為顯著[19]，判定為雨洪調(diào)蓄能力較優(yōu)發(fā)揮（圖3）。這種方法相對于水文模型模擬結(jié)果更為真實，且易于獲取、易于更新真實內(nèi)澇與調(diào)蓄功能發(fā)揮狀況，能夠確保相關(guān)性模型建立過程與結(jié)果的可靠性。

3 江夏區(qū)雨洪調(diào)蓄功能發(fā)揮狀況Function of land use for rain and flood regulation and storage in Jiangxia District

2.2.2 景觀格局指數(shù)篩選

在Fragstats 4.2中進行景觀指數(shù)計算，同時選擇生成柵格圖。結(jié)合斯皮爾曼相關(guān)性分析（Spearman correlation analysis）篩選出不具備空間相關(guān)關(guān)系的解釋變量，景觀指數(shù)能夠反映景觀的結(jié)構(gòu)特征，包括類型、數(shù)目以及空間分配和配置等信息?？紤]到各景觀格局指數(shù)的實際內(nèi)涵，將斑塊層級中的景觀指數(shù)結(jié)果進行景觀意義判讀，結(jié)合以往研究[8,16]從面積指標、形狀指標、對比指標、聚集度指標4個方面初步篩選出可以進行相關(guān)性分析的景觀指數(shù)（表1），用以較為完整地描述景觀格局。

表1 研究中選取的景觀指數(shù)Tab. 1 Landscape index selected in the study

2.2.3 雨洪調(diào)蓄功能與景觀格局關(guān)聯(lián)建立

利用ArcGIS空間連接工具，將上述雨洪調(diào)蓄發(fā)揮狀況柵格圖與Fragstats生成的柵格圖進行連接，完成雨洪調(diào)蓄功能與藍綠空間格局的屬性表，將屬性表導出至Excel，將之作為樣本數(shù)據(jù)，為下一步的數(shù)據(jù)分析做準備。

2.3 數(shù)據(jù)分析

研究中的因變量為雨洪調(diào)蓄功能發(fā)揮矩陣，自變量為城市景觀格局指數(shù)。本研究采用斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)（Spearman correlation coefficient）與二元Logistic回歸分析來檢驗城市景觀格局對雨洪調(diào)蓄功能的關(guān)系，該部分的運算在SPSS中運行完成。

2.3.1 斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)分析

選擇斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)檢驗因變量之間的線性關(guān)系，它是衡量2個變量的依賴性的非參數(shù)指標，適用數(shù)據(jù)類型較廣，利用單調(diào)方程評價2個統(tǒng)計變量的相關(guān)性。初步篩選出與雨洪調(diào)蓄功能關(guān)聯(lián)且不具備空間自相關(guān)性的因子，為下一步研究打下基礎(chǔ)。

2.3.2 二元Logistic回歸分析

由于相關(guān)系數(shù)反映的線性關(guān)系不一定是因果關(guān)系，為了進一步探討多種景觀格局在共同作用下對城市內(nèi)澇的影響程度[10]，本研究選擇二元Logistic回歸分析進一步探究藍綠空間對雨洪調(diào)蓄功能的影響。二元Logistic回歸的適用條件有4個：1）因變量為二分類變量或某事件的發(fā)生率，并且是數(shù)值型模型；2）殘差和因變量都要服從二項分布；3）自變量和Logistic概率是線性關(guān)系；4）各個觀測對象之間相互獨立[20]。

3 結(jié)果與分析

3.1 斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果

針對景觀格局和雨洪調(diào)蓄能力進行相關(guān)分析，通過斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)檢驗自變量景觀指數(shù)與雨洪調(diào)蓄功能之間的相關(guān)關(guān)系。初步剔除自相關(guān)性較強因子之后，獲得面積指標、形狀指標、對比指標、聚集度指標4個能夠描述景觀特征的代表性因子，入選因子與雨洪調(diào)蓄功能之間的關(guān)系如表2所示。

表2 斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果Tab. 2 Results of Spearman correlation coefficient analysis

根據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，藍綠空間景觀格局與雨洪調(diào)蓄能力之間存在顯著關(guān)聯(lián)，主要集中在藍綠空間的形狀指標與對比指標中。將面積周長比、形狀指數(shù)、分維指數(shù)、近圓形狀指數(shù)、邊緣對比度5個指數(shù)，進一步進行二元Logistic回歸分析。

根據(jù)分析結(jié)果，藍綠空間的聚集度指標與雨洪調(diào)蓄能力之間沒有關(guān)聯(lián)。其中，相似度指數(shù)反映了景觀要素在景觀中的相互分散或聚合的特點，臨近指數(shù)反映了景觀類型的豐富度，它們共同描述了不同景觀類型的聚集程度，景觀類型豐富度與聚集度不具備空間自相關(guān)性，且與雨洪調(diào)蓄能力之間不存在統(tǒng)計關(guān)系[21]。反映在江夏區(qū)實際用地情況中，部分區(qū)域相似度指數(shù)較低，臨近指數(shù)較高，如城市高密度建成區(qū)，景觀類型較為豐富，但同類型景觀相鄰關(guān)系相對不明顯；部分地區(qū)相似度指數(shù)較高，臨近指數(shù)較低，如城市郊野或生態(tài)化程度較高的區(qū)域，大面積的河湖水體或綠色景觀類型較為單一，但是對應相同景觀類型聚合程度較高；同時這些區(qū)域的調(diào)蓄能力散布、無規(guī)律。實驗結(jié)果反映了雨洪調(diào)蓄功能與藍綠空間聚集度指標之間沒有關(guān)聯(lián)，藍綠空間的復合過程復雜，進一步的相關(guān)關(guān)系探索需要更精細化的實驗研究。

3.2 二元logistic回歸分析結(jié)果

為進一步研究不同景觀指數(shù)的影響程度，在斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用二元logistic回歸對變量進行處理（表3）。其中樣本數(shù)量為2 091個，根據(jù)霍斯默–萊梅肖檢驗（Hosmer-Lemeshow Test）的結(jié)果（表4），顯著性為0.061＞0.050，表明實驗結(jié)果存在統(tǒng)計學意義。

表3 二元logistic回歸分析參數(shù)Tab. 3 Parameters of binary logistic regression analysis

表4 霍斯默-萊梅肖檢驗結(jié)果Tab. 4 Results of Hosmer-Lemeshaw test

在藍綠空間的形狀指標中，與雨洪調(diào)蓄最為直接相關(guān)的因素是分維指數(shù)。分維指數(shù)作為整體景觀尺度的重要指標，反映斑塊邊界形狀的復雜性和變異性，可揭示人類活動的干擾程度。分維指數(shù)越小，表示斑塊受人類活動影響越大，形狀趨于簡單規(guī)整；分維指數(shù)越大，表示斑塊受人類活動干擾程度越小，形狀趨于自然復雜[22-23]。實驗結(jié)果顯示：分維指數(shù)對雨洪調(diào)蓄能力的發(fā)揮有明顯的正向促進，證明自然程度更高、人類活動干預更少的用地形狀具備更優(yōu)的雨洪調(diào)蓄能力；反之，受人類活動影響更大、更為簡單規(guī)整的用地調(diào)蓄能力較差。

與分維指數(shù)相比，同樣對用地形狀進行量化的指標還有面積周長比、近圓指數(shù)，但是僅分維指數(shù)和雨洪調(diào)蓄功能具有相關(guān)性，這是因為面積周長比、近圓指數(shù)聚焦于地塊的物理形狀，簡單的地塊形狀變化不能清晰地反映地塊的空間意義，且形狀的變化對雨洪調(diào)蓄能力也不具備指導意義，人類行為和城市活動相較之對自然環(huán)境的生態(tài)功能更具影響力。

邊緣對比度用于衡量相鄰斑塊之間的邊緣對比關(guān)系，代表了周邊生態(tài)系統(tǒng)的復雜性和生物多樣性。如邊緣對比度變化呈下降趨勢，說明用地斑塊和周邊用地的對比越來越類似，與其他類型的用地相互交織區(qū)域的生態(tài)性能下降；如邊緣對比度越高，則說明斑塊周邊的生態(tài)系統(tǒng)復雜性和生物多樣性同樣也越好。邊緣對比度指標關(guān)注于用地類型的相鄰關(guān)系，與藍綠空間形狀的破碎化與規(guī)則程度等方面沒有直接的因果關(guān)系，因此邊緣對比度對于雨洪調(diào)蓄能力沒有直接的指導意義。

3.3 景觀格局對雨洪調(diào)蓄能力的影響

整理實驗結(jié)果（表5），發(fā)現(xiàn)藍綠空間格局中影響最為顯著的是形狀指標。其中，能夠表征人類活動影響的分維指數(shù)更為顯著，藍綠空間的對比度指標與聚集度指標雖然在凈化水環(huán)境質(zhì)量、改善熱舒適度等方面有較為成熟的實證研究[24-25]，但對調(diào)蓄影響較弱。

表5 景觀格局對雨洪調(diào)蓄功能的影響Tab. 5 Effects of landscape pattern on rainfall-flood regulation and storage function

結(jié)合實際城市水文循環(huán)過程與江夏區(qū)現(xiàn)實情況，分析具體影響成因。1）下滲過程主要發(fā)生在雨水落在藍綠空間等軟質(zhì)下墊面時，部分人類活動會影響土壤的結(jié)構(gòu)與質(zhì)量，進而影響雨水下滲，城市內(nèi)大規(guī)模的建設、墾殖等都會增加徑流、加劇土壤侵蝕[26-28]。同時，人類不合理的經(jīng)濟活動會產(chǎn)生以風沙活動為主要標志的土地退化，在不同程度上造成周邊范圍內(nèi)藍綠空間質(zhì)量的退化。2）徑流過程主要發(fā)生在雨水落在不透水面時，城市化進程會在一定程度上改變城市下墊面狀況，不透水面的高徑流系數(shù)使得雨水匯流速度大大提高，從而使洪峰出現(xiàn)時間提前[29]，同時，水庫和防洪堤壩、河道取用水等工程的修建會在一定程度上削弱城市河流湖泊之間的連通性，引起藍綠空間蓄水削洪能力的減弱。

4 基于調(diào)蓄能力提升的城市規(guī)劃布局建議

在城市發(fā)展中，需要考慮如何在區(qū)域化空間規(guī)劃中提升韌性應對能力。將本次研究過程與城市規(guī)劃建設思路相融合，在城市規(guī)劃編制、運行全過程中完善韌性發(fā)展方式。結(jié)合藍綠空間與雨洪調(diào)蓄關(guān)聯(lián)機制，對于空間規(guī)劃提出建議，具體開展思路如下：

1）在城市規(guī)劃與建設階段，應提前開展全域尺度定量化風險評估，通過識別和評估城市原本生態(tài)基底格局與城市洪澇情況，提前制定與之相適應的韌性目標與管控策略。以江夏區(qū)為例，根據(jù)實驗結(jié)果中重要的景觀指數(shù)與實際淹沒情況，分析城市不同滯洪調(diào)蓄空間，分層級提出規(guī)劃管理建議。人工干預較少的藍綠空間雨洪調(diào)蓄能力最優(yōu)，將其劃分為重點生態(tài)調(diào)蓄區(qū)，作為能夠彈性應對極端氣候災害的重要空間地帶進行保護；人工干預較多的藍綠空間與未被淹沒的建成空間，具有一般調(diào)蓄能力，且極端天氣下受災損失較小，將其劃分為一般生態(tài)調(diào)蓄區(qū)，嚴格控制區(qū)域內(nèi)空間利用方式和開發(fā)強度；淹沒情況較為嚴重的建成空間，災害彈性應對能力較弱，且易對人身財產(chǎn)安全造成威脅，將其劃分為保護生態(tài)調(diào)蓄區(qū)，結(jié)合海綿城市與韌性城市等防災安全相關(guān)政策指導規(guī)劃方案，盡可能將災害損失降到最低（圖4）。

4 江夏區(qū)城市滯洪調(diào)蓄空間Zoning of urban flood detention and storage capacity in Jiangxia District

2）在規(guī)劃運行階段，應結(jié)合實際用地情況對保護措施進行及時調(diào)整，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，關(guān)聯(lián)更為顯著的景觀格局呈現(xiàn)藍綠自然程度較高、用地形狀較復雜的特點。以武漢市江夏區(qū)為例，根據(jù)其景觀格局分析自然形態(tài)保護情況，區(qū)域內(nèi)藍綠空間自然保護程度較好，反演實際用地情況，區(qū)域內(nèi)用地情況整體分布相對均勻，生態(tài)本底條件較好[28]，針對區(qū)域內(nèi)用地分形維數(shù)具體分析，對城市規(guī)劃布局提出實際建議。江夏區(qū)北部自然生態(tài)系統(tǒng)較為完善，鑲嵌結(jié)構(gòu)較為復雜，人工干預程度較低（圖5）。結(jié)合實際用地情況，森林公園、風景名勝等景觀型生態(tài)空間的侵占風險較低，能夠得到較好的保護；散布在城市較為破碎的景觀斑塊，需要嚴格控制增長，嚴防侵占。在進行城市規(guī)劃時需結(jié)合城市自然山水特點，因地適宜地進行規(guī)劃，避免簡單的尺規(guī)制圖，破壞藍綠空間原有的自然肌理，最大可能地發(fā)揮藍綠空間調(diào)蓄效能。

5 江夏區(qū)藍綠空間自然形態(tài)保護情況Natural form protection of blue-green space in Jiangxia District

5 結(jié)論與討論

目前，已有研究大多關(guān)注景觀格局與洪水過程或內(nèi)澇孕災環(huán)境之間的關(guān)系。本研究從內(nèi)澇緩解途徑出發(fā)，根據(jù)雨洪調(diào)蓄功能發(fā)揮狀況，定量分析了不同空間特征因子對雨洪調(diào)蓄能力變化的影響及貢獻程度。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，人類活動程度較輕、自然程度保持較好的用地的雨洪調(diào)蓄能力更強，而藍綠耦合關(guān)系、同類型用地聚集關(guān)系與調(diào)蓄能力無顯著相關(guān)。相關(guān)結(jié)論對城市建設具有積極的作用與意義，且在以往內(nèi)澇成因研究中較少提及。

研究中，在雨洪調(diào)蓄能力量化方面，Landsat多波段遙感影像可以有效解譯出雨水范圍，不受限于資料獲取，能夠快速有效地反映雨洪調(diào)蓄的真實狀況，在以后的研究中，如果能夠獲取更高精度的遙感影像，將進一步提升本研究的準確性與穩(wěn)定性；在影響因子探究方面，本研究聚焦于藍綠空間的斑塊尺度，在中微觀層面探究了藍綠空間的調(diào)蓄效能，未來研究中還需要更多尺度層面的探索，以更有效地指導城市建設。城市藍綠景觀格局與雨洪調(diào)蓄功能響應關(guān)系的研究，有利于更加具體地了解二者之間的關(guān)系，對于藍綠空間雨洪調(diào)蓄功能的提升具有重要意義。

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

圖1～5由作者繪制，底圖來自湖北省省級自然資源行政主管部門下載的武漢市行政區(qū)域地圖（審圖號：鄂S(2020)003號）；表1～5由作者繪制。