基于ArcGIS的城市內(nèi)澇分布格局及其影響因素研究
——以南昌市為例

李 鵬，劉苑秋，劉 青

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，江西 南昌 330045；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 鄱陽湖流域森林生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)國家林業(yè)和草原局重點實驗室，江西 南昌 330045)

1 引言

全球氣候變化導(dǎo)致了極端氣候的頻繁發(fā)生，并引發(fā)了一系列的自然災(zāi)害，其中對城市環(huán)境影響比較嚴(yán)重的自然災(zāi)害問題就是城市內(nèi)澇[1]。中國是世界上受洪水災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國家之一[2]。相關(guān)記錄表明，自1980 年以來，受極端降水影響，中國城市內(nèi)澇現(xiàn)象不斷增加[3]。《中國水旱災(zāi)害公報》最新資料表明：2018年我國83座城市受到洪澇災(zāi)害影響，受災(zāi)人口5576.55萬人，房屋倒塌8.51萬間，直接造成經(jīng)濟(jì)損失1615.47億元，占全年GDP的0.18%[4]。由此可見，城市內(nèi)澇災(zāi)害給居民的生命和財產(chǎn)安全帶來了巨大威脅，嚴(yán)重影響了城市的健康發(fā)展。因此，如何有效應(yīng)對及緩解城市內(nèi)澇的發(fā)生是可持續(xù)城市化進(jìn)程中的重要問題。

城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)引起了廣大學(xué)者的密切關(guān)注。大量研究表明在城市內(nèi)澇災(zāi)害形成的眾多原因之中,土地利用類型的影響十分顯著,并逐漸成為城市內(nèi)澇災(zāi)害日趨嚴(yán)重的主要原因[5，6]。吳健生等[7]對深圳內(nèi)澇的研究表明綠地與內(nèi)澇呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，綠地聚集越高，越不易發(fā)生內(nèi)澇，建設(shè)用地聚集度越高，內(nèi)澇程度越高；吳江華等[8]的研究證實了綠地對蓄滯城市地表雨水，減少地表徑流，減緩城市暴雨內(nèi)澇壓力有較為明顯的作用。趙麗元等[9]通過對武漢主城區(qū)內(nèi)澇情況的研究得出大面積的地表封閉是造成城市內(nèi)澇發(fā)生的主要原因，而綠地可以有效緩解內(nèi)澇的發(fā)生。

近年來，南昌市隨著城市化進(jìn)程的加快，內(nèi)澇事件也愈演愈烈，嚴(yán)重影響了居民的正常生產(chǎn)生活。但目前針對南昌市內(nèi)澇事件的研究較少，且分析尺度單一[10～12]。由于高度城市化地區(qū)具有很大的異質(zhì)性，單一尺度的分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的?；诖?，本研究選取南昌市中心城區(qū)(東湖區(qū)、西湖區(qū)、青云譜區(qū)、青山湖區(qū)和紅谷灘區(qū))為研究區(qū)，以網(wǎng)絡(luò)收集的83個內(nèi)澇點為數(shù)據(jù)，通過多個網(wǎng)格尺度探究以下問題：南昌市中心城區(qū)內(nèi)澇事件空間分布具有怎樣的特點？影響內(nèi)澇事件的發(fā)生的主要因素是什么？是否會隨著網(wǎng)格尺度的變化而改變？以期為城市內(nèi)澇的合理解決和有效減緩提供理論和實踐參考。

2 研究區(qū)概況

南昌市地處江西省中部偏北，贛江、撫河下游，瀕臨我國第一大淡水湖鄱陽湖西南岸，位于115°27′～116°35′ E、28°10′～29°11′ N，是我國中亞熱帶地區(qū)的內(nèi)陸城市。全境以平原為主，山、丘、崗、平原相間，兼有廣闊的水域，東南相對平坦，西北丘陵起伏，城區(qū)地勢偏低洼，平均海拔22 m[12]。南昌市屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，日照充足，無霜期長，氣候溫和濕潤，四季分明，一年中春季和秋季短，夏季和冬季長，夏天炎熱，有“火爐”之稱；冬天較寒冷。年均氣溫17.1～17.7 ℃，年降雨量1600～1700 mm，年降水日147～157 d，年平均暴雨日5.6 d，年平均相對濕度78.5%，全年主導(dǎo)風(fēng)為東北偏北風(fēng)[13]。由于每年季風(fēng)強弱和進(jìn)退遲早不同，氣溫變化較大，降水分布不均，高溫干旱，低溫降雪冷害和暴雨洪澇等氣象災(zāi)害發(fā)生較頻繁，給人們生產(chǎn)生活帶來不利影響。

3 數(shù)據(jù)和方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

研究所需的全部數(shù)據(jù)及來源如表1所示。內(nèi)澇點數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)，2019年7月10日和2020年8月20日暴雨后，對所收集的內(nèi)澇點數(shù)據(jù)進(jìn)行了兩次實地核實，調(diào)查了內(nèi)澇點的位置環(huán)境，如地形、周邊綠地、建筑、道路等。經(jīng)兩次核實均無誤后，共獲取了83個內(nèi)澇點。此外，本研究在使用ArcGIS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時，圖層的投影坐標(biāo)系為Asia North Albers Equal Area Conic，中央經(jīng)線為115°E。

表1 研究數(shù)據(jù)信息

3.2 土地利用數(shù)據(jù)

原始土地利用數(shù)據(jù)依據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GBT 21010-2017)將土地利用類型共分為12個一級類、73個二級類。本文根據(jù)研究的需要，首先對南昌市中心城區(qū)的土地利用類型進(jìn)行了重新分類，將其分為了4大類，分別為綠地、不透水表面、水體和裸地，然后繪制了研究區(qū)土地利用類型圖(圖1)。綠地由林地、草地和耕地組成[7,19]，不透水表面包括建設(shè)用地、住宅用地和道路等。

圖1 研究區(qū)中心城區(qū)土地利用類型

3.3 分析尺度的確定

尺度效應(yīng)是影響景觀現(xiàn)象變化的重要因素之一[14]，單尺度分析只能提供景觀特征的部分信息。因此，考慮尺度效應(yīng)有助于全面了解環(huán)境因素對城市內(nèi)澇的影響。

本文首先利用ArcGIS10.7將收集到的83個內(nèi)澇點數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化，建立了內(nèi)澇點空間分布數(shù)據(jù)集，并將內(nèi)澇點空間分布數(shù)據(jù)集與南昌市行政區(qū)劃進(jìn)行疊加處理(圖2a)。然后計算了研究區(qū)內(nèi)每個內(nèi)澇點平均最近歐氏距離(766 m)。最小分析尺度應(yīng)該大于平均最近距離，所以選取1 km的網(wǎng)格單元為最小分析尺度。由表3可以看出，當(dāng)分析尺度增大到3 km時，只有27個網(wǎng)格單元有內(nèi)澇點。這意味著只有27個數(shù)據(jù)集可以用于探究綠地對城市內(nèi)澇的影響，如果分析尺度繼續(xù)增大，可用的數(shù)據(jù)集就會過少?；谝陨蠘?biāo)準(zhǔn)，本研究選取1 km、2 km和3 km的網(wǎng)格單元作為分析尺度(圖2 b～d)。

圖2 內(nèi)澇點空間分布(a)及1 km、2 km和3 km網(wǎng)絡(luò)分析尺度(b～d)

3.4 內(nèi)澇事件空間分布格局

空間自相關(guān)就是根據(jù)要素的位置和值來描述事物在空間上的依賴關(guān)系是分散還是隨機或者聚類，又分為全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)[15,16]。全局空間自相關(guān)能反映整個區(qū)域的地域單元與相鄰單元的總體聚集特征,但不能凸顯局部區(qū)域單元的聚集狀態(tài)[17]。公式如下：

(1)

局部空間自相關(guān)可以準(zhǔn)確把握空間單元與鄰近單元的聚集性與分異特征[18]。公式如下：

(2)

式(2)中各變量定義與公式(1)相似。局部空間自相關(guān)的結(jié)果有以下5種：①高—高集聚：網(wǎng)格單元及其相鄰網(wǎng)格內(nèi)的城市內(nèi)澇事件數(shù)量顯著高于平均水平，表明城市內(nèi)澇事件集中在一個地方。②高—低集聚：網(wǎng)格內(nèi)的內(nèi)澇事件數(shù)量遠(yuǎn)高于平均水平，而其周邊網(wǎng)格內(nèi)的內(nèi)澇事件數(shù)量低于平均水平。③低-高集聚：網(wǎng)格內(nèi)的內(nèi)澇事件數(shù)量顯著低于平均水平，而相鄰網(wǎng)格內(nèi)的內(nèi)澇事件數(shù)量相對較高。④低—低集聚：城市內(nèi)澇事件及其周邊網(wǎng)格數(shù)相對低于平均值。⑤“不顯著”：指網(wǎng)格與周圍環(huán)境網(wǎng)格沒有顯著的局部空間相關(guān)關(guān)系。

3.5 統(tǒng)計分析

研究中的因變量為所選網(wǎng)格單元內(nèi)城市內(nèi)澇點的數(shù)量，自變量為不同土地利用類型占其所在網(wǎng)格單元的面積比例。利用SPSS25.0進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析，計算皮爾遜相關(guān)系數(shù)，探究土地利用類型與城市內(nèi)澇事件的相關(guān)性。同時，通過建立不同的網(wǎng)格尺度進(jìn)行分析，進(jìn)一步驗證其關(guān)系的穩(wěn)定性。

4 結(jié)果分析

4.1 城市內(nèi)澇事件的空間格局

為了探求研究區(qū)內(nèi)澇點分布的聚集格局，本文進(jìn)行了核密度分析(圖3a)，并在不同尺度下，通過計算全局Moran 's I指數(shù)(表2)，進(jìn)行空間自相關(guān)分析，驗證城市內(nèi)澇事件的空間聚集格局(圖3 b ～ d)。

核密度結(jié)果表明，南昌市中心城區(qū)的內(nèi)澇事件主要集中分布在南昌市“一環(huán)”(由前湖大道快速路、九州高架快速路、洪都大道高架快速路以及英雄大橋和昌九快速路組成)以內(nèi)，呈現(xiàn)兩個核心向四周輻射的格局。城市內(nèi)澇事件高密度區(qū)(圖中紅色部分)主要集中在紅谷灘區(qū)和東湖區(qū)；城市內(nèi)澇事件的中高密度地區(qū)(圖中黃色部分)主要集中分布在青山湖區(qū)、紅谷灘區(qū)和西湖區(qū)；而城市內(nèi)澇事件的低密度區(qū)(圖中綠色部分)在各行政區(qū)均有分布。

由于空間格局也受到尺度效應(yīng)的影響，因此在不同的分析尺度下可能會出現(xiàn)不同的結(jié)果?？臻g自相關(guān)結(jié)果(表2，圖3 b～d)表明：在所有分析尺度下，Z值或P值均表現(xiàn)出顯著的聚類效應(yīng)，即內(nèi)澇熱點明顯。這說明發(fā)生在南昌市中心城區(qū)的城市內(nèi)澇事件在所有分析尺度下均具有顯著的空間集聚效應(yīng)，城市內(nèi)澇熱點明顯。研究區(qū)內(nèi)澇事件的熱點(高-高集聚)主要分布在南昌市的紅谷灘區(qū)和東湖區(qū)，而低-高集聚網(wǎng)格則集中在內(nèi)澇熱點周圍；高-低聚類網(wǎng)格稀疏分布。不同分析尺度下內(nèi)澇事件分布格局雖然相似，但全局Moran 's I指數(shù)的結(jié)果略有不同。在分析尺度為2 km時，Moran 's I指數(shù)最大(Moran 's I=0.6718)，表明在2 km分析尺度下，南昌市中心城區(qū)的城市內(nèi)澇點分布的聚類趨勢最強。

圖3 核密度分析(a)和不同分析尺度下(1 km、2 km、3 km)內(nèi)澇事件的空間聚集格局(b～d)

表2 不同分析尺度下內(nèi)澇事件的全局Moran 's I指數(shù)

值得關(guān)注的是，在所有分析尺度下研究均顯示南昌市無論是作為新城區(qū)的紅谷灘區(qū)，還是作為歷史城區(qū)的東湖區(qū)都出現(xiàn)了內(nèi)澇事件顯著聚集的現(xiàn)象。內(nèi)澇熱點主要分布在鳳凰中大道、豐和立交橋涵洞、豐和翠苑路、會展路、沙井路、芳華路、象山北路建德觀路口、八一大道江西飯店門口和雅苑路洪都中醫(yī)院等地。說明這些地區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害嚴(yán)重，已經(jīng)影響了城市的健康發(fā)展和市民的正常生產(chǎn)生活。

4.2 城市內(nèi)澇的影響因素

4.2.1 地形地勢

本研究利用DEM數(shù)據(jù)在ArcGIS中進(jìn)行了填洼分析和坡度分析，提取了研究區(qū)內(nèi)的局部低洼部分和坡度信息，然后分別與內(nèi)澇點數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加(圖4)，結(jié)果顯示70%的內(nèi)澇點分布在南昌市中心城區(qū)的低洼地區(qū)，93%的內(nèi)澇點分布在南昌市中心城區(qū)相對平坦(坡度<5°)的地區(qū)。這可能是由于地表徑流容易從周圍地區(qū)匯集到這些區(qū)域，且以在短時間內(nèi)排出。這也說明了地形地勢是影響城市內(nèi)澇的一個重要因素。

圖4 研究區(qū)低洼地區(qū)分布(a)、坡度(b)與內(nèi)澇點疊加圖

4.2.2 土地利用類型

本研究在3個分析尺度下對不同土地利用類型占其所在網(wǎng)格單元的面積比例與該網(wǎng)格單元的內(nèi)澇點數(shù)量進(jìn)行了皮爾遜相關(guān)分析，計算了皮爾遜相關(guān)系數(shù)(表3)，探究不同土地利用類型對內(nèi)澇的影響。

由表3可以看出，網(wǎng)格單元內(nèi)的綠地面積比例與城市內(nèi)澇事件呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(α=0.05)；不透水表面面積比例在1 km和2 km分析尺度下與城市內(nèi)澇事件呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，但在3 km分析尺度下不透水表面與城市內(nèi)澇事件相關(guān)性不顯著，這主要是由于南昌市主城區(qū)面積較小，隨著網(wǎng)格增大，網(wǎng)格單元內(nèi)將涵括不同開發(fā)階段的地塊(如新城區(qū)、老城區(qū)、郊區(qū)等)，網(wǎng)格內(nèi)所包含的用地類型也必然泛化，網(wǎng)格內(nèi)的用地特征差異也隨之逐漸減小。裸地面積比例僅在3 km分析尺度下呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(α=0.05)，可能的原因是在較小尺度上網(wǎng)格單元內(nèi)的裸地較少。水體面積比例與城市內(nèi)澇無顯著相關(guān)性，這主要是因為城市中水體面積小，且分布也不均勻，無法清晰的反映其對內(nèi)澇的影響。

表3 多個分析尺度下城市內(nèi)澇與土地利用類型的皮爾遜相關(guān)系數(shù)

上述結(jié)論表明土地利用類型是影響城市內(nèi)澇的一個重要因素，隨著網(wǎng)格單元內(nèi)綠地面積的增大，可以有效減少城市內(nèi)澇的發(fā)生。相反，網(wǎng)格單元內(nèi)不透水表面所占面積比例越大，城市內(nèi)澇的程度越嚴(yán)重。而在較大尺度上，裸地面積逐漸增大，也顯示出可滲透地表的緩解雨洪內(nèi)澇的性質(zhì)和能力。所以在新城區(qū)建設(shè)和老城區(qū)改造中可以通過調(diào)節(jié)綠地和不透水表面的面積比例，從而有效的降低城市內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險。不同分析尺度下土地利用類型與城市內(nèi)澇的相關(guān)性也不同，這也驗證了土地利用類型與城市內(nèi)澇事件的關(guān)系中存在尺度效應(yīng)。

5 討論

南昌市是一個內(nèi)陸城市，但其屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，雨水充沛，特別是極端降雨事件頻發(fā)，這也是南昌市城市內(nèi)澇災(zāi)害嚴(yán)重的原因之一。從城市內(nèi)澇災(zāi)害的空間格局來看,內(nèi)澇事件主要集中分布在南昌市的“一環(huán)”以內(nèi)，在紅谷灘區(qū)、東湖區(qū)和西湖區(qū)的交界處空間聚集效應(yīng)最為顯著，表明在這些地區(qū)容易發(fā)生內(nèi)澇災(zāi)害。這與Zhang等[19]對廣州市內(nèi)澇格局的研究不同，南昌市不僅在舊城區(qū)出現(xiàn)內(nèi)澇聚集現(xiàn)象，新城區(qū)也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。這可能是因為：①紅谷灘區(qū)海拔較低，相對平坦，一旦發(fā)生強降水事件，地表徑流容易從周圍地區(qū)匯集且難以在短時間內(nèi)排除；同時，紅谷灘區(qū)作為最具活力的新城區(qū)，近些年城市建設(shè)規(guī)模不斷增大，城市框架不斷擴大，城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷提高，不透水表面面積不斷增加，阻擋了地表水的下滲，加劇了城市內(nèi)澇程度。②東湖區(qū)海拔較高，坡度較大。在強降水事件下，地表水受到坡度的影響，流速較快，導(dǎo)致排水不暢，產(chǎn)生積水；此外，東湖區(qū)作為南昌市的老城區(qū)，建筑密度大，且地下雨污管網(wǎng)系統(tǒng)相對老舊和不完善，地表積水無法及時排除，亦容易引發(fā)內(nèi)澇事件。

在城市景觀格局對城市內(nèi)澇的影響研究中，往往單一分析尺度的研究只能提供整體景觀特征的部分信息，不同學(xué)者使用的分析尺度不同，得出各種因素的相對貢獻(xiàn)也不同，甚至?xí)淖兿嚓P(guān)方向。本文以網(wǎng)絡(luò)收集的位于南昌市中心城區(qū)的83個內(nèi)澇點為數(shù)據(jù)，運用皮爾遜相關(guān)分析在多個網(wǎng)格尺度下進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)綠地與內(nèi)澇事件呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，而不透水表面與內(nèi)澇事件呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，說明可以通過調(diào)節(jié)綠地和建設(shè)用地的比例有效緩解城市內(nèi)澇災(zāi)害的發(fā)生。這與以往廣大學(xué)者對斯洛伐克[6]、深圳[7]、呼和浩特[20]等地的研究結(jié)果一致。而本研究將獲取的內(nèi)澇點數(shù)據(jù)在兩次暴雨事件后進(jìn)行了兩次實地核實，證明了數(shù)據(jù)的時效性，同時從多個網(wǎng)格尺度進(jìn)行分析，驗證了土地利用類型對城市內(nèi)澇事件影響的穩(wěn)定性，得出了更為客觀準(zhǔn)確的結(jié)論。

城市內(nèi)澇具有突發(fā)性和持續(xù)性，威脅城市居民生命財產(chǎn)安全、降低城市居民環(huán)境質(zhì)量，并引發(fā)一系列潛在問題。政府和城市規(guī)劃者應(yīng)該充分了解城市內(nèi)澇事件的空間分布格局，建立城市內(nèi)澇風(fēng)險預(yù)警，在暴雨天氣下更優(yōu)先考慮內(nèi)澇熱點地區(qū)的防澇工作。在城市更新時,可以積極治理城市蔓延，減少城市建設(shè)用地擴張,適當(dāng)增加綠地面積,充分發(fā)揮綠地的調(diào)滯蓄雨能力，優(yōu)化生態(tài)用地的空間布局及組成結(jié)構(gòu),同時要確保排水排澇設(shè)施的及時更新[21～23]。

6 結(jié)論

揭示城市內(nèi)澇的影響因素，有利于城市建設(shè)布局的合理規(guī)劃，對優(yōu)化城市內(nèi)澇防治和管理具有重要意義。本研究得到以下結(jié)論：①南昌市內(nèi)澇事件主要集中分布在南昌市的“一環(huán)”以內(nèi)，呈現(xiàn)兩個核心向四周輻射的格局。在所有分析尺度下，內(nèi)澇事件的熱點均主要分布在紅谷灘區(qū)和東湖區(qū)，其中在2 km分析尺度下(Moran 'sI=0.6718)，南昌市中心城區(qū)的城市內(nèi)澇點分布的聚類趨勢最強。②70%的內(nèi)澇點分布在低洼地帶，93%的內(nèi)澇點分布在相對平坦的地區(qū)，說明地形因子是導(dǎo)致城市內(nèi)澇的重要因素之一。③綠地與城市內(nèi)澇事件呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(α=0.05)，不透水表面與城市內(nèi)澇事件呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(α=0.01)，這說明土地利用類型對城市內(nèi)澇事件的影響顯著。在新城區(qū)規(guī)劃和舊城區(qū)改造中適當(dāng)調(diào)整綠地和建設(shè)用地的面積比例，優(yōu)化空間配置，可以有效地緩解城市內(nèi)澇。