基于水體形態(tài)與環(huán)境定量分析的湖泊公園保護研究
——以武漢中心城區(qū)為例

歐陽海龍 高素娟

OUYANG Hailong1 GAO Sujuan2

（1.武漢市社會科學院，武漢 430019；2.中國科學院水生生物研究所，武漢 430072）

( 1.Wuhan Academy of Social Science, Wuhan, Hubei, China, 430019; 2.Institute of Hybrobiology Chinese Academy of Science,Wuhan, Hubei, China, 430072 )

通江湖泊發(fā)揮著調節(jié)長江水文的重要作用，圍繞湖泊修建的湖泊公園又是市民和游客游憩休閑的重要場所。以武漢市中心城區(qū)已建成的12個湖泊公園為研究對象，統(tǒng)計各湖泊水體的水質、營養(yǎng)狀況等環(huán)境指標，利用岸線發(fā)育指數(shù)、形狀率、近圓率等指標對水體形態(tài)進行分析，并建立各指標之間關系的數(shù)學模型。在此基礎上，從生態(tài)和湖濱帶修復、湖泊指標控制、景觀營造、生物多樣性保護、雨水調蓄、公眾參與保護治理等方面，提出未來湖泊公園建設和保護修復的建議。

湖泊型公園；生態(tài)環(huán)境；水體形態(tài)；定量分析

城市中的湖泊公園是依托城市中的湖泊，經過人工設計而建立的以水景欣賞、水上游覽活動為主題的綜合性城市公園，其往往位于城市中心而擔負著重要的城市公園職能。在公園范圍上，公園將整個湖泊包括在內；管理權屬上，整個湖泊都屬于公園管理范疇[1]。城市公園與居民游憩休閑關聯(lián)極為緊密，湖泊公園則因其廣闊的水域、類型豐富的水岸景觀，是最接近于自然、最具景觀吸引力的[2]。另一方面，長江流域的湖泊與長江具有緊密的聯(lián)系，發(fā)揮著調節(jié)水流、孕育濕地等功能作用，且這種江湖關系始終同自然演變和人類開發(fā)建設等活動密切相關，這些也反過來影響了湖泊公園中湖泊的水體形態(tài)和生態(tài)環(huán)境狀況。

文章全面系統(tǒng)地調查了武漢市中心城區(qū)已建成的12個湖泊公園現(xiàn)狀，在多項數(shù)據(jù)指標基礎上，重點借助統(tǒng)計學的手段方法，對湖泊公園中的水體形態(tài)與環(huán)境狀況進行定量分析與評價，總結城市湖泊公園建設與維護的經驗教訓，為武漢在建和規(guī)劃中的其他湖泊公園提出前瞻性建議，為鞏固武漢國家中心城市、長江經濟帶核心城市的地位提供智力支持，這對保護長江中下游城市湖泊的生態(tài)環(huán)境，進一步推動長江經濟帶高質量發(fā)展也具有重要意義。

1 武漢湖泊公園現(xiàn)狀

武漢素有“百湖之市”的美譽，《武漢湖泊志》顯示全市現(xiàn)有湖泊166個，其中39個位于中心城區(qū)[3]。武漢近現(xiàn)代湖泊公園的形成始于清末民初任桐所筑沙湖琴園和20世紀二三十年代周蒼柏所建的東湖海光農圃。建國后，武漢最早修建的湖泊公園是武昌區(qū)的紫陽湖公園，其于1959年開始修建，1962年建成開放。此后近半個多世紀內，武漢在中心城區(qū)規(guī)劃建設了多個湖泊公園，如鯇子湖寶島公園、四美塘公園、小南湖公園、菱角湖公園、內沙湖公園、沙湖公園等，大多是從天然湖泊變身為湖泊公園。

除東湖早已成為風景名勝區(qū)和國家濕地公園外，中心城區(qū)其他39個湖泊，根據(jù)2012年《武漢市中心城區(qū)湖泊“三線一路”保護規(guī)劃》[4]，16個定位為景觀公園型湖泊，16個定位為城市公園型湖泊，7個定位為生態(tài)公園型湖泊（表1，根據(jù)《武漢市中心城區(qū)湖泊“三線一路”保護規(guī)劃》編制）。規(guī)劃還將湖泊水域“藍線”拓展到環(huán)湖綠化“綠線”、環(huán)湖開發(fā)控制“灰線”，并同步規(guī)劃環(huán)湖道路，從根本上鎖定湖泊岸線，固定湖泊形態(tài)。同時正式啟動新城區(qū)126個湖泊“三線一路”保護規(guī)劃編制工作[5]。

表1 武漢市中心城區(qū)39個湖泊分布與功能定位Tab.1 Distribution and functional orientation of 39 lakes in central urban area of Wuhan

經過近10年的發(fā)展，湖泊公園猶如明珠散布在武漢三鎮(zhèn)。伴隨著城市發(fā)展，城鎮(zhèn)化、地表硬化、工農業(yè)生產、休閑娛樂、居民生活等人類活動，常常對城市湖泊產生直接或間接的影響，因此時常需要采取措施，開展湖泊治理。在2009年第十三屆世界湖泊大會上，眾多國際頂級湖泊治理專家均認為武漢的城市湖泊是全球難得的樣本，其治理的經驗和教訓都極具研究價值。甚至有學者認為，城市化進程中湖泊能夠面對的所有問題都能在武漢找到相關實例[6]。因此，武漢毫無疑問是研究湖泊公園的絕佳環(huán)境和城市樣本。

2 研究方法

2.1 研究樣點

截至2020年12月，武漢中心城區(qū)有12個完全建成的湖泊公園，4個部分建成的湖泊公園；遠城區(qū)湖泊公園在規(guī)劃后，均處于部分建成或尚未建設的狀態(tài)。因此，研究選取了武漢中心城區(qū)已建成的12個湖泊型公園作為研究對象（圖1）。按照“兩江三鎮(zhèn)”的傳統(tǒng)劃分方法，選取的12個湖泊隨機均勻分布，5個位于武昌（紫陽湖、內沙湖、外沙湖、四美塘、楊春湖），5個位于漢口（鯇子湖、小南湖、菱角湖、后襄河、機器蕩子），另外2個位于漢陽（月湖、蓮花湖）。

圖1 武漢中心城區(qū)已建成的12個湖泊公園分布圖Fig. 1 Distribution map of 12 lake parks in central Wuhan

2.2 基礎數(shù)據(jù)的獲取

2.2.1 水質與營養(yǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)

通過查詢武漢市生態(tài)環(huán)境局官網公開信息，獲得12個湖泊在2020年度單月（1、3、5、7、9、11月）的水質和營養(yǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為單月測量和公布。為便于后期進行統(tǒng)計分析，對湖泊水質和營養(yǎng)狀態(tài)進行了賦值處理。具體來說，I、II、III、IV、V和劣V類水質分別賦予6、5、4、3、2和1分；營養(yǎng)狀態(tài)根據(jù)貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)、輕度富營養(yǎng)、中度富營養(yǎng)和重度富營養(yǎng)分別賦予5、4、3、2和1分。并在進行后續(xù)其他統(tǒng)計分析前取其年度各月的均值。

2.2.2 水體形態(tài)的幾何指標

湖泊的水體形狀是由岸線圍成的幾何圖形。在湖泊學研究中，湖泊形態(tài)度量是指用數(shù)值來表征湖泊平面與立體的幾何形狀[7]。在本研究中，通過衛(wèi)星影像圖提取水體形態(tài)（圖2）、現(xiàn)場測量、查找《武漢湖泊志》記載的地理數(shù)據(jù)、公式計算等方式，共得到面積（A）、周長（P）、最長軸（L）、岸線發(fā)育指數(shù)（SDI）、形狀率（FR）、近圓率（CR）、水體空間包容面積（△A）、環(huán)湖開敞空間面積比（r1）、綠化面積比（r2）、生態(tài)坡岸比（r3）等10個指標。其中生態(tài)坡岸包括純天然坡岸以及后來改造的人工草地、濕地等生態(tài)坡岸，人工坡岸則指各種人工硬質駁岸。部分指標的表征含義如表2所示[7]。

圖2 根據(jù)12個湖泊的衛(wèi)星影像分別提取的水體形態(tài)圖Fig. 2 Water body morphology extracted from satellite images of 12 lakes

表2 湖泊水體形態(tài)定量評價指標Tab.2 Quantitative evaluation indexes of lake water body morphology

2.3 統(tǒng)計分析

水質與其他指標之間的相關分析用Bivariate Correlations進行，分析在SPSS19.0軟件上完成。為研究各指標對水質和營養(yǎng)狀態(tài)的影響，使用結構方程模型（SEM）進行分析，數(shù)據(jù)建模在Amos17.0軟件上完成。

3 結果分析

3.1 湖泊的水質與營養(yǎng)狀態(tài)

經查詢獲取信息、整理數(shù)據(jù)、作圖分析，對12個湖泊的水質和營養(yǎng)狀態(tài)作可視化處理，結果如圖3所示。12個湖泊公園中，僅有4個湖泊的水質長期維持在III類以上，營養(yǎng)狀況長期維持在中營養(yǎng)以下水平，分別是內沙湖、四美塘、鯇子湖、后襄河，其水質和營養(yǎng)狀態(tài)均較好。小南湖、菱角湖、機器蕩子、蓮花湖4個湖泊有時水質可達III類，營養(yǎng)狀態(tài)可降到中營養(yǎng)水平，在12個湖泊中處于中等水平。紫陽湖、外沙湖、楊春湖、月湖4個湖泊的水質長期在IV類以下，營養(yǎng)狀態(tài)長期在輕度富營養(yǎng)或更差水平，整體較差，其中尤其以外沙湖、紫陽湖為甚，水質時常為V類甚至劣V類，且外沙湖的營養(yǎng)狀況長期在中等富營養(yǎng)水平。紫陽湖9月之后和外沙湖7月之后的水質和營養(yǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)缺失，是因有關部門正在對這兩個湖泊開展綜合修復治理，未監(jiān)測相關指標。綜合來看，水體整體狀況好、中、差的湖泊，占比均為三分之一。

圖3 12個湖泊2020年的水質和營養(yǎng)狀態(tài)（注：紅色表示水質長期較差，藍色表示水質不穩(wěn)定，綠色表示水質長期較好）Fig.3 Water quality and nutrition status of 12 lakes in 2020

3.2 各湖泊定量指標數(shù)據(jù)

所選12個湖泊樣本中，有9個水域面積在0.2 km2以下；湖岸線長度普遍在2 km以下（表3）。其中8個公園具有社區(qū)公園的典型特點，處于居民住宅區(qū)包圍之中，游客以附近居民為主；后襄河公園總體面積雖小但綠化面積比遠超其他湖泊公園；沙湖公園、楊春湖公園和月湖公園明顯具有城市公園的特質；楊春湖和月湖兩個湖泊的水域面積在0.5～1 km2之間，外沙湖的水域面積則超過3 km2，這三個湖泊的周長均在5～10 km之間。調研中還發(fā)現(xiàn)，楊春湖公園位置相對偏遠，月湖公園受交通干道切割嚴重而與周邊居民區(qū)連通性較差，這兩個湖泊公園的可達性和使用率均較低。

表3 12個湖泊的定量指標數(shù)據(jù)Tab.3 Quantitative index data of 12 lakes

樣本中有9個湖泊的最長軸在0～1 km，其他3個在1～4 km，所有湖泊公園在通視的情況下均位于可視范圍以內。樣本中所有湖泊的岸線發(fā)育系數(shù)都在2～6之間，但只有2個湖泊岸線發(fā)育系數(shù)在4以上；12個湖泊雖然整體上都具有流暢、連續(xù)的岸線形態(tài)，但多數(shù)缺乏曲折變化。

7個湖泊的形狀率在0.3以上，2個湖泊在0.2～0.3之間，只有四美塘、小南湖和月湖的形狀率在0.1～0.2之間。有7個湖泊的近圓率在0.3以上，4個在0.2～0.3之間，僅有月湖低于0.2。反映出已建成的湖泊公園中，多數(shù)湖泊的水體形態(tài)整體曲率較小，寬窄變化并不豐富。也有的是受人工修建影響，岸線較為平直。相對而言，四美塘、小南湖、月湖和后襄河的岸線變化更為豐富，景觀較為狹長。

有10個湖泊的水體包容面積在1 km2以下，另外2個湖泊中，月湖為2.465 km2，沙湖超過6 km2。至于環(huán)湖開敞面積比和綠化面積比，有4個湖泊的這兩項指標在100%～140%之間，7個湖泊低于100%，唯有后襄河超過了200%。有7個湖泊的生態(tài)坡岸比超過50%，2個湖泊低于50%，四美塘、機器蕩子和蓮花湖岸線則100%完全為石砌硬質人工駁岸（圖4）。

圖4 12個湖泊公園典型湖泊岸線現(xiàn)狀Fig.4 Typical shoreline status of lakes in 12 parks

3.3 湖泊定量指標數(shù)據(jù)相關性分析

根據(jù)相關性分析結果（表4），水質與營養(yǎng)狀態(tài)呈正的極顯著相關。營養(yǎng)狀態(tài)與面積和最長軸呈負的極顯著相關，與周長和水體空間包容面積呈負的顯著相關。面積與周長、最長軸呈正的極顯著相關。形狀率、近圓率二者呈正的極顯著相關，岸線發(fā)育系數(shù)與二者均呈負的極顯著相關。水體空間包容面積與面積、周長、最長軸呈正的極顯著相關。環(huán)湖開敞空間面積比與綠化面積比呈正的極顯著相關。

4.3 湖泊公園景觀營造以保護生態(tài)環(huán)境為首要原則

表4 各定量指標之間的相關性Tab. 4 Correlation among various quantitative indicators

3.4 影響水質和營養(yǎng)狀態(tài)的結構方程模型

根據(jù)相關性分析結果，構建了影響水質與營養(yǎng)狀態(tài)的結構方程模型（SEM，圖5）。SEM顯示，面積、周長、最長軸和水體空間包容面積4個指標為基礎參數(shù)，其中周長會直接消極影響水質，而路徑系數(shù)高達0.98的原因最主要是沙湖的周長遠超其他湖泊，其水質又是現(xiàn)有湖泊公園中最差的。周長也會通過水體空間包容面積影響水體營養(yǎng)狀態(tài)而間接消極影響水質，兩者能夠解釋營養(yǎng)狀態(tài)的50%。

圖5 湖泊各指標影響水質和營養(yǎng)狀態(tài)的結構方程模型Fig.5 Structural equation model of lake water quality and nutrient status affected by each index

水體空間包容面積對水質具有積極的影響。營養(yǎng)狀態(tài)對水質具有直接的影響。最長軸對環(huán)湖開敞空間面積比具有消極影響，但僅能解釋后者的16%。環(huán)湖開敞空間面積比對綠化面積比具有非常強烈的積極影響，路徑系數(shù)高達0.97，對后者的解釋度也高達95%。

形狀率對岸線發(fā)育系數(shù)具有輕微的消極影響，但會通過影響近圓率而間接影響岸線發(fā)育系數(shù)，影響近圓率的路徑系數(shù)達到0.77，解釋度達到60%。近圓率則對SDI有較強的消極影響，路徑系數(shù)為0.85。形狀率和近圓率對SDI具有86%的解釋度。

對水質來說，SDI和水體空間包容面積對水質有較大程度的積極影響，路徑系數(shù)分別為0.53和0.61。綠化面積比、生態(tài)與人工坡岸比兩項指標對水質有相當程度的積極影響，路徑系數(shù)分別為0.28和0.24。環(huán)湖開敞空間面積比則對水質有較大程度的消極影響，路徑系數(shù)為0.53。這5個參數(shù)與周長、營養(yǎng)狀態(tài)一起，能夠共同解釋水質的90%。

3.5 已建湖泊公園共性問題總結

通過前述分析可以發(fā)現(xiàn)，武漢中心城區(qū)已建成的12個湖泊公園存在一些普遍的、值得關注的問題：（1）湖泊水質和營養(yǎng)狀態(tài)不容樂觀，維持較好的湖泊僅占三成。多數(shù)湖泊公園被居民住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)包圍較嚴重，進一步增加了水體被直接或間接污染的風險。（2）湖泊公園中湖泊岸線受人為干擾嚴重。多數(shù)湖泊岸線發(fā)育狀況不佳，缺乏曲折變化，水體形態(tài)變化欠豐富。（3）湖濱帶退化問題突出。湖濱植被生態(tài)系統(tǒng)完整性較為欠缺，過度建設石砌硬質人工駁岸，環(huán)湖開敞面積比和綠化面積比等指標均不甚理想。在未來建設其他湖泊型公園時，這些問題都應當受到足夠重視。

4 未來湖泊型公園建設和保護修復建議

基于以上的調查數(shù)據(jù)和事實，應該對現(xiàn)有湖泊型公園進一步采取必要的保護和修復措施。針對在建和規(guī)劃中的湖泊型公園，應提前謀劃、提前設計、提前預防，避免前述問題的重復發(fā)生。

4.1 進一步加大對湖泊型公園退化生態(tài)和湖濱帶的修復力度

目前沙湖、紫陽湖、月湖等湖泊公園中均開展有湖泊水環(huán)境綜合整治項目，其中沙湖水環(huán)境綜合整治工程總投資高達4.3億元，其中一項重要內容就是利用人工濕地修復湖濱帶；紫陽湖公園則暫時閉園專門進行修復改造?？梢娤绕茐暮笮迯偷拇鷥r是十分驚人的。在生態(tài)受損的湖泊公園中，應當遵循水資源管理、水污染治理和生態(tài)修復以及水景觀建設“三位一體”的生態(tài)綜合治理理念[8]，采取相應措施系統(tǒng)化、科學化、生態(tài)化地解決城市湖泊公園各項問題。通過污水截流、湖底清淤、生態(tài)護坡以及水下森林打造等方式，解決湖水的外源和內源污染問題。在水質尚可但植物相對缺乏的公園中，可結合湖泊基底狀況提高岸線植被覆蓋率、收獲量和利用率等，同時攔截凈化入湖徑流，抑制湖岸侵蝕和底泥再懸浮，以控制輸入、施用除磷劑等方式去營養(yǎng)，從而抑制藍藻，提高湖水透明度[9]。這些措施在一些湖泊公園已有應用，應當進一步擴大推廣和使用范圍。

4.2 合理把握湖泊指標控制與公園建設的關系

根據(jù)以往學者的研究，湖泊形狀、湖濱帶與岸線會通過周長效應、空間包容效應、空間分隔效應等，間接影響湖泊的游覽環(huán)境容量、水質和營養(yǎng)狀態(tài)、湖濱水生植被群落以及大氣質量等城市生態(tài)環(huán)境狀況[10-12]。本研究建立的結構方程模型也發(fā)現(xiàn)，周長、岸線發(fā)育系數(shù)、水體空間包容面積、環(huán)湖開敞空間面積比、綠化面積比、生態(tài)坡岸比等因素都會對湖泊水質造成不同程度直接或間接的影響。這就要求城市在進行湖泊公園的規(guī)劃、建設和管理過程中，充分考慮湖泊形狀、湖濱帶與岸線等因素，做到同時注重湖泊公園的生態(tài)環(huán)境質量和周邊人居環(huán)境質量。

植物景觀帶與生態(tài)坡岸帶，是湖泊公園中連接水體與陸地的重要生態(tài)廊道，也是二者進行物質與能量交換不可或缺的重要通道。湖泊公園湖濱植物景觀營造需要確保植被生態(tài)系統(tǒng)的完整性，應當在原有湖泊濕地基礎上恢復濕地植物，優(yōu)化植物配置，構建從水生植物到陸地植物完整的植被生態(tài)系統(tǒng)，豐富物種及層次，保證綠地系統(tǒng)的連貫性，同時維持盡可能大的緩沖帶和過渡帶規(guī)模[13]。營造生態(tài)湖岸帶也要建立在自然駁岸的基礎上，減少人工硬質駁岸，提高自然與生態(tài)坡岸的比例，以保障水陸區(qū)域連續(xù)性。此外，公園中濱湖人工設施包括標示牌、桌椅等，也應采取生態(tài)環(huán)保材料。

4.4 以擴大綠化面積提高生物多樣性，同時嚴防物種入侵

沿湖岸分布的水生植被、陸生植被及其生境是湖濱帶乃至整個湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也能夠為其他物種提供必要的棲息地和生境，對維持局部生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能完整性具有十分重要的意義。過往多數(shù)湖泊公園的建設過程中，駁岸硬化、填湖、旅游開發(fā)等人為活動都會直接破壞湖泊公園的植被和綠化，使其面積縮減。調研中發(fā)現(xiàn)，綠化面積比遠超其他湖泊公園的后襄河公園中生物多樣性顯著要高，甚至出現(xiàn)一些在其他湖泊公園難以見到的兩棲類、鳥類等動物。同時也要嚴防物種入侵，實地調研中在楊春湖和月湖人工濕地的植被中均發(fā)現(xiàn)福壽螺及其卵的存在。

4.5 兼顧雨水調蓄，進行湖泊公園的布局調控

湖泊公園重要功能之一是作為湖泊水系與綠地系統(tǒng)對雨洪調蓄協(xié)同作用的載體，是調蓄城市雨洪的重要途徑[14]。（1）在宏觀層面上，應當通過綠地建設恢復湖泊水系的生態(tài)連通性，完善湖泊水系與城市綠地系統(tǒng)交融的雨水匯流途徑，建立城市雨洪安全格局。（2）在中觀層面上，實現(xiàn)湖泊公園與周邊用地的雨水管網對接，填補湖泊調蓄漏洞，但同時也要嚴防嚴控雨水管網混入污水。在調查中發(fā)現(xiàn)楊春湖北側的雨水入湖口附近，水質明顯變差。（3）在微觀層面上，要實行湖泊景觀與雨水基礎設施的協(xié)同設計，合理設計湖泊水體、道路鋪裝、植被、設施4個方面構景要素的空間布局，以疏導凈化徑流雨水。

4.6 分類分區(qū)采取公眾參與湖泊保護治理的不同空間策略

公眾參與湖泊保護治理應當由內向外發(fā)展，采取不同的空間策略[15]。（1）中心城區(qū)公眾參與的重心要轉向共治共享。充分認識濱湖開發(fā)建設已基本飽和、湖泊水質提升和生態(tài)修復成為湖泊保護治理主要方面的現(xiàn)狀，將公眾參與的重點從保護湖岸轉向保護湖泊水體以及利生態(tài)、利民眾。（2）新城公眾參與重點仍在湖泊共建共治。武漢的新城包括長江新城、中法武漢生態(tài)示范城等，新城建設必然涉及湖泊公園建設，應當優(yōu)先保護規(guī)劃區(qū)內的湖泊。公眾參與新城湖泊的保護治理應該同時加強保護湖岸和水體，在未來較長時間內共建仍將是重點，同時也要加強預防和治理。（3）遠城區(qū)公眾參與的重點在于以點帶面宣傳發(fā)動。需要重點增強公眾參與保護的意識，形成以點帶面的公眾參與局勢。