基于時空演變分析的武漢市城市藍綠系統(tǒng)空間格局及其與城市發(fā)展的協(xié)同關(guān)系研究

楊柳琪 周 燕羅佳夢 郭詩怡

（武漢大學(xué)城市設(shè)計學(xué)院，武漢 430061）

在全球氣候變化與快速城市化的背景下，城市發(fā)展面臨著更為嚴峻的挑戰(zhàn)[1]，為解決經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的緊張關(guān)系，城市規(guī)劃者們開始從政策法規(guī)、公共基礎(chǔ)設(shè)施、生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施等角度思考應(yīng)對生態(tài)問題、提升生活質(zhì)量、促進經(jīng)濟發(fā)展的綜合方案[2-4]。厘清城市生態(tài)空間與經(jīng)濟社會因素之間的相關(guān)性與動態(tài)規(guī)律逐漸成為該領(lǐng)域?qū)W者們的關(guān)注重點。

基于系統(tǒng)動態(tài)特征的協(xié)同發(fā)展評估模型能夠兼顧多個子系統(tǒng)與時空變化特性的分析，自物理學(xué)家赫爾曼·哈肯[5]提出以來，已在經(jīng)濟和社會科學(xué)領(lǐng)域以及對城市的自組織研究中得到廣泛應(yīng)用[6-7]。如YU H等[8]對“礦產(chǎn)資源—環(huán)境—經(jīng)濟”復(fù)合系統(tǒng)進行協(xié)同評價，在確定描述系統(tǒng)的重要要素和指標(biāo)的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的開發(fā)和協(xié)同有效度進行了計算；ZHANG T等[9]利用層次分析法及協(xié)同發(fā)展評估模型，確定水、能源和糧食子系統(tǒng)之間的協(xié)同關(guān)系；SUN C Z等[10]利用協(xié)同學(xué)相關(guān)理論，構(gòu)建人海關(guān)系地域系統(tǒng)協(xié)同演化模型，分析各地區(qū)人海關(guān)系協(xié)同發(fā)展情況；QIAO J Y等[11]通過構(gòu)建城市河流系統(tǒng)的“環(huán)境—社會—經(jīng)濟效益”復(fù)合系統(tǒng)評價指標(biāo)體系，建立了序貫協(xié)同度模型，實現(xiàn)了協(xié)同度評價?；趨f(xié)同發(fā)展評估模型測度協(xié)同度，進而分析多個系統(tǒng)間關(guān)系的方法框架已較為成熟[12]。

藍綠空間作為城市的重要組成部分，在維持城市景觀生態(tài)系統(tǒng)運行、保障和提高城市居民生活質(zhì)量中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[13-15]，以藍綠系統(tǒng)為空間基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)統(tǒng)籌城市生態(tài)、經(jīng)濟、社會等多目標(biāo)的發(fā)展策略已得到廣泛認可。當(dāng)前，藍綠系統(tǒng)的微氣候調(diào)節(jié)[16]、雨洪調(diào)蓄[17]、心理健康的促進[18]等生態(tài)功能已得到廣泛研究，卻鮮少有學(xué)者將其放入城市發(fā)展的大背景中進行研究。已有研究表明，社會、政治要素對于藍綠基礎(chǔ)設(shè)施（Blue-Green Infrastructure，BGI）的進一步發(fā)展和可持續(xù)的城市洪水風(fēng)險管理等至關(guān)重要[19]，Andrew等[20]強調(diào)藍綠基礎(chǔ)設(shè)施與社會環(huán)境利益之間的協(xié)調(diào)關(guān)系；Svetlana Stevovic等[21]提出厘清城市發(fā)展多目標(biāo)之間關(guān)系是當(dāng)務(wù)之急。有少量研究已開始關(guān)注城市藍綠基礎(chǔ)設(shè)施績效發(fā)揮與城市系統(tǒng)中其他要素的相關(guān)性，如鐘嘉偉等[22]從定性分析的角度探討了城市發(fā)展與濕地生態(tài)修復(fù)間的協(xié)同關(guān)系；WANG H Y等[23]通過特定年份遙感影像的定量解譯分析了城市藍綠空間面積比例指數(shù)分布特征與城市經(jīng)濟和社會因素分布的相關(guān)性。

基于此，研究以武漢都市發(fā)展區(qū)為例，基于多時段城市遙感影像與社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)，引入?yún)f(xié)同發(fā)展模型評估，量化了1996 - 2018年間武漢市藍綠空間時空演變及其與城市經(jīng)濟、社會因素三者間協(xié)同關(guān)系的變化特征，拓展了協(xié)同發(fā)展模型應(yīng)用范圍以及城市藍綠空間的研究范疇，以期為當(dāng)前需要同時關(guān)注城市經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的國土空間規(guī)劃工作提供研究依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

以《武漢市城市總體規(guī)劃（2010 - 2020年）》劃定的都市發(fā)展區(qū)為研究范圍，這一區(qū)域由主城區(qū)與新城區(qū)共同構(gòu)成，是武漢城市功能的主要聚集區(qū)和城市空間的重點拓展區(qū)，擁有豐富的藍綠資源[24-25]，也是近40年來武漢市的城市經(jīng)濟、社會活動最為活躍的區(qū)[26]（圖1）。

從武漢市統(tǒng)計年鑒中收集社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)[27]（表1），并從中國科學(xué)院及美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）網(wǎng)站收集來自Landsat衛(wèi)星的遙感影像進行分析?；跀?shù)據(jù)可獲取性及武漢市城市發(fā)展形式，選擇1996 - 2018年作為研究的時間范圍，在此期間內(nèi)，隨著城市社會、經(jīng)濟建設(shè)的不斷加快，城市問題的逐漸突出與生態(tài)環(huán)境保護的重視程度不斷加強，城市經(jīng)濟、社會建設(shè)取得顯著成效的同時，藍綠空間結(jié)構(gòu)形態(tài)的時空變化明顯，便于量化和分析其空間特征的演變規(guī)律并得出結(jié)論。同時從武漢市城市總體規(guī)劃（1996年）首次提出將武漢基本建設(shè)成為富有濱水城市特色的山水園林生態(tài)城市這一目標(biāo)開始，到《武漢市城市建設(shè)綠色發(fā)展實施方案（2018 - 2020年）》中詳細制定的城市藍綠空間建設(shè)具體要求，城市的藍綠空間形態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的變化，復(fù)合系統(tǒng)之間協(xié)同發(fā)展的相關(guān)性初步體現(xiàn)，能更好地反映研究結(jié)果。

表1 社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)Tab. 1 Socio-economic statistics

在此基礎(chǔ)上充分考慮采集時間、覆蓋范圍、云量以及分辨率等因素后，研究以4～5年為步長，采集6個年度的遙感影像數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 遙感影像數(shù)據(jù)Tab. 2 Remote sensing image data

2 分析方法與框架

2.1 量化藍綠空間景觀格局

景觀指數(shù)的重要作用在于其能用來描述景觀格局，進而建立景觀結(jié)構(gòu)與過程或現(xiàn)象的聯(lián)系，更好地解釋與理解景觀功能[28]。在對景觀進行空間分析，形成了許多描述景觀格局及其變化的景觀指數(shù)[5,8,12]。為刻畫藍綠空間時空變化特征，研究從平面和垂直兩個維度提取了空間屬性量化指標(biāo)。參考大多數(shù)研究者分析空間演變特征的量化指標(biāo)，平面空間屬性的選擇主要依據(jù)景觀安全格局理論，選取總面積（TA）、斑塊數(shù)量（NP）、形態(tài)指數(shù)（LSI）、邊界密度（ED）、蔓延度（CONTAG）、聚集度（AI）、Shannon均勻度指數(shù)（SHEI）和斑塊密度（PD）等8個指標(biāo)；垂直或立面空間屬性選取了暴雨淹沒體積，該指標(biāo)能較好地反演坡度、高程等豎向空間特征的變化結(jié)果。

2.2 構(gòu)建協(xié)同發(fā)展評估模型

綜合考慮子系統(tǒng)功能、影響和特點，結(jié)合參考文獻中衡量城市經(jīng)濟社會發(fā)展情況的指標(biāo)選取[29-31]，以系統(tǒng)性與層次性、科學(xué)性與簡明性、共性和特性、可操作性與易獲性為基本原則，以衡量城市中經(jīng)濟、社會、藍綠空間三個子系統(tǒng)的指標(biāo)為基礎(chǔ)構(gòu)建了城市復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展評估指標(biāo)體系（表3）。

表3 “經(jīng)濟—社會—藍綠空間”復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)度評價指標(biāo)體系及權(quán)重Tab. 3 Evaluation index system and weight of coordination degree of “economic-social-bluegreen space” complex system

目前關(guān)于權(quán)重的計算方法眾多，主要有層次分析法、德爾菲法、標(biāo)準離差法、熵值法等，熵值法通過指標(biāo)傳遞給決策者的信息量來確定權(quán)重，這可以更深刻地反映指標(biāo)熵的效用[32]，研究采用熵值法計算各指標(biāo)權(quán)重。體系中的指標(biāo)分為正效應(yīng)指標(biāo)和負效應(yīng)指標(biāo)，對于正效應(yīng)指標(biāo)，即指標(biāo)數(shù)值越大越好時，計算見公式（1）。對于負效應(yīng)指標(biāo)，即越小越好時，計算見公式（2）。

2.3 模型計算

協(xié)同理論將研究對象視為一個由多個子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)之間相互影響，形成整體效應(yīng)，共同帶動復(fù)合系統(tǒng)的發(fā)展變化[33]。本研究的對象為由經(jīng)濟子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)、藍綠空間子系統(tǒng)組成的復(fù)合系統(tǒng)，通過協(xié)同發(fā)展評估模型計算可以求得研究時序范圍內(nèi)武漢市“經(jīng)濟—社會—藍綠空間”這一復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展情況，了解發(fā)展質(zhì)量與子系統(tǒng)間的相互關(guān)系?；趨f(xié)同發(fā)展理論、系統(tǒng)理論構(gòu)建的協(xié)同發(fā)展評估模型見公式（3）。

式中，D為系統(tǒng)協(xié)同度； 為A、B和C三個子系統(tǒng)間的協(xié)同度； 為系統(tǒng)綜合評價值。其中，0＜D＜1，協(xié)同度D越接近1，系統(tǒng)間協(xié)同度越高，反之亦然。

根據(jù)協(xié)同度的分類體系[12]，本研究中“經(jīng)濟—社會—藍綠空間”復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展類型分類體系按照評估分數(shù)D值將協(xié)調(diào)發(fā)展程度由低到高分為10個等級（表4）。

表4 協(xié)同發(fā)展等級及劃分標(biāo)準Table. 4 Synergetic development levels and classification standards

3 結(jié)果與分析

3.1 藍綠空間形態(tài)結(jié)構(gòu)時空變化

通過對武漢市都市發(fā)展區(qū)1996、2000、2005、2009、2014、2018這6個時間段的高精度遙感衛(wèi)星圖進行識別矯正，可以得到武漢市相應(yīng)年份藍綠分布的空間數(shù)據(jù)（圖2、3）。再利用GIS、Fragstats軟件對平立面屬性進行識別計算，得到武漢市藍綠空間平立面屬性變化表（表5）。

從表5可知，在整個研究時序區(qū)間內(nèi)，TA、NP、LSI、ED、SHEI和PD這6項 指 標(biāo) 在1996-2018年中呈現(xiàn)逐年下降的趨勢。SHEI、CONTAG和AI這三項指標(biāo)的變化則共同反映著景觀水平上的景觀格局變化，其中SHEI逐年下降而其他兩項指標(biāo)逐年上升。

表5 武漢市藍綠系統(tǒng)空間屬性變化表Tab. 5 Spatial attribute change table of Wuhan blue-green system

基于DEM測算的暴雨淹沒體積是城市藍綠空間豎向變化情況的指示性指標(biāo)，1996 - 2018年間，藍綠系統(tǒng)的暴雨淹沒體積呈逐年下降趨勢，顯示出武漢市藍綠系統(tǒng)蓄洪排澇能力的下降。

3.2 武漢市“經(jīng)濟—社會—藍綠空間”復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)度時空演變

通過協(xié)同發(fā)展評估模型計算可得1996 - 2018年武漢市“經(jīng)濟—社會—藍綠空間”復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)調(diào)度。從表6中可以看出，協(xié)同度在研究時序區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，復(fù)合系統(tǒng)一直朝著協(xié)調(diào)的方向發(fā)展，從1996年極度失調(diào)的協(xié)調(diào)水平逐步提升，發(fā)展到2018年勉強協(xié)調(diào)的水平，但并未達到協(xié)同發(fā)展程度較高的狀態(tài)。

表6 武漢市1996 - 2018年“經(jīng)濟—社會—藍綠空間”復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)度Tab. 6 Coordination degree of "economic-social-blue-green space" complex system in Wuhan from 1996 to 2018

4 討論

有諸多研究批判當(dāng)前城市發(fā)展模式存在的悖論（paradox）：即改善生活條件的行動反而造成了危害城市居民健康和生活的負面影響[21]，主要體現(xiàn)在高水平的城市區(qū)域建設(shè)與城市生態(tài)環(huán)境維護的背道而馳。從整體研究結(jié)果來看，1996 - 2018年間，武漢市藍綠空間的面積持續(xù)減小，破碎度也在持續(xù)減小，“經(jīng)濟—社會—藍綠空間”復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)同度是一直在上升的，即藍綠空間與經(jīng)濟社會子系統(tǒng)之間隨著城市的發(fā)展協(xié)同情況持續(xù)好轉(zhuǎn)。梳理武漢市的城市發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)，這一趨勢與武漢市城市經(jīng)濟發(fā)展及生態(tài)文明建設(shè)歷程基本相符（圖4），隨著經(jīng)濟社會的不斷進步，政府及居民的生態(tài)環(huán)境保護意識也不斷增強，相關(guān)法律法規(guī)陸續(xù)出臺，復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)調(diào)情況也在持續(xù)好轉(zhuǎn)。這表明，藍綠空間面積的減小并不標(biāo)志著其受到城市發(fā)展的侵害，生態(tài)保護與經(jīng)濟建設(shè)也并不總是背道而馳的關(guān)系，共同發(fā)展反而有助于整個城市復(fù)合系統(tǒng)達到協(xié)同的狀態(tài)。

進一步對研究時序進行劃分并分析，在武漢市藍綠空間建設(shè)歷程的第一階段，即1996 - 2000年中，城市經(jīng)濟和社會子系統(tǒng)效益提升，但二者的上升速率還相對較低，藍綠空間子系統(tǒng)效益始終為負值，發(fā)展水平低下，復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展程度由極度失調(diào)狀態(tài)提升至嚴重失調(diào)狀態(tài)，表明在這一城市發(fā)展水平逐漸提高的階段下，民眾生態(tài)保護的意識卻較為薄弱，藍綠空間受破壞現(xiàn)象突出，政府雖提出了山水園林生態(tài)城市建設(shè)等目標(biāo)，但未有效落實，經(jīng)濟社會的發(fā)展對藍綠空間起負面作用。而在第二階段，即2000 - 2010年中，城市經(jīng)濟和社會子系統(tǒng)效益提升幅度增大，藍綠空間子系統(tǒng)效益先下降后上升，當(dāng)時正值房地產(chǎn)開發(fā)浪潮，城市建設(shè)與環(huán)境保護之間矛盾越發(fā)尖銳的同時，武漢市政府于2002年進一步完善了城市綠地系統(tǒng)與城市湖泊水體的相關(guān)概念，制定了更為清晰、細致的管控措施，藍綠空間子系統(tǒng)的綜合效益下降的趨勢得以逐漸遏制并有所回升；2009年左右，國家開始對房地產(chǎn)產(chǎn)業(yè)進行調(diào)控，由刺激轉(zhuǎn)為遏制，城市擴張速率開始逐步減緩，這一趨勢也對藍綠空間保護政策的實施、藍綠空間子系統(tǒng)效益提升起到了積極作用。總體而言，隨著城市擴張速率的趨緩、藍綠空間保護政策的落實和環(huán)境保護意識的加強，“經(jīng)濟—社會—藍綠空間”復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展程度呈現(xiàn)出逐步提升的趨勢，經(jīng)濟社會發(fā)展對藍綠空間的負面影響有所減弱。而在2010 - 2018年的第三階段，城市經(jīng)濟社會子系統(tǒng)效益及藍綠空間子系統(tǒng)效益均進一步提升，增量發(fā)展轉(zhuǎn)存量發(fā)展的趨勢成為主流，城市藍綠空間的相關(guān)政策進一步完善，更加重視藍綠空間景觀格局上的優(yōu)化，以保證最大限度地發(fā)揮藍綠空間在城市環(huán)境保護、優(yōu)化居民生活方面的作用，加之監(jiān)管系統(tǒng)的進一步完善保證了各項保護、優(yōu)化措施的落實，城市發(fā)展對藍綠空間造成的負面影響逐步減輕，并最終在2018年達到了復(fù)合系統(tǒng)勉強協(xié)調(diào)的程度，這表明武漢市藍綠系統(tǒng)相關(guān)政策的發(fā)展、優(yōu)化方向是正確的，在發(fā)展過程中確實起到了明顯的積極作用，但仍有很大的提升空間。

城市系統(tǒng)是一個“自然—社會—經(jīng)濟”復(fù)合系統(tǒng)，但三者間卻并不是簡單的疊加關(guān)系，研究藍綠空間形態(tài)結(jié)構(gòu)演變過程發(fā)現(xiàn)，SHEI值的上升、CONTAG值和AI值的下降反映出武漢市藍綠空間的整體格局中大斑塊的影響力逐步提升，但景觀中各個類型的斑塊分布越來越不均勻，同時藍綠系統(tǒng)的蓄洪排澇能力也持續(xù)下降，即盡管符合系統(tǒng)的整體協(xié)同度呈現(xiàn)上升趨勢，藍綠空間的建設(shè)發(fā)展仍存在一定問題和改進空間。研究城市發(fā)展變化需要充分認識和承認城市系統(tǒng)的整體性和復(fù)雜性，強調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部存在的相互作用和聯(lián)系，利用協(xié)同學(xué)關(guān)注復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間的競爭，以及由于競爭所達到的協(xié)同狀態(tài)的學(xué)科特性，幫助城市規(guī)劃者認識城市子系統(tǒng)的演化過程及相互作用機制，并針對性地提出相應(yīng)政策來促進系統(tǒng)的發(fā)展。

5 結(jié)論

了解城市藍綠空間與經(jīng)濟、社會子系統(tǒng)之間的協(xié)同關(guān)系，不僅可以揭示城市藍綠空間在城市化進程中與城市其他要素演變過程的復(fù)雜關(guān)系，同時更有利于對城市藍綠空間進行科學(xué)、有效的規(guī)劃，引導(dǎo)其發(fā)展方向。本文以武漢市的藍綠空間為研究對象，對武漢市1996 - 2018年的藍綠空間形態(tài)結(jié)構(gòu)進行了量化，分析其時空變化特征，并進一步聚焦分析藍綠系統(tǒng)與城市系統(tǒng)中其他子系統(tǒng)之間的協(xié)同關(guān)系，通過引入?yún)f(xié)同學(xué)理論，構(gòu)建協(xié)同發(fā)展評估模型對城市“經(jīng)濟—社會—藍綠空間”復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)同度進行了測算，厘清了武漢市藍綠空間、經(jīng)濟、社會三個子系統(tǒng)的協(xié)同關(guān)系的演變特征，發(fā)現(xiàn)“經(jīng)濟—社會—藍綠空間”復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)調(diào)度與武漢市生態(tài)保護政策的提出與規(guī)劃的落實息息相關(guān)。

基于武漢市“經(jīng)濟—社會—藍綠空間”復(fù)合系統(tǒng)及各子系統(tǒng)綜合發(fā)展水平的變化情況，為提高武漢市藍綠空間的綜合發(fā)展、保護武漢市的藍綠資源、促進復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展，實現(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展目標(biāo)，對武漢市藍綠空間建設(shè)提出如下建議：

（1）對藍綠空間的保護不僅需要關(guān)注面積指標(biāo)的變化，更要重視藍綠空間的景觀格局。城市的建設(shè)容易對用地造成分隔，導(dǎo)致藍綠空間失去其自然形態(tài)特征，藍綠斑塊之間聯(lián)系性減弱，但在這一過程中藍綠空間的面積變化并不明顯，因此在未來的城市規(guī)劃與政策中不能一味關(guān)注面積、綠地率等常規(guī)性指標(biāo)，應(yīng)更重視藍綠空間景觀格局的優(yōu)化，同時應(yīng)充分發(fā)揮藍綠空間的雨洪調(diào)蓄能力?，F(xiàn)有的城市政策雖然點明了藍綠空間在雨洪調(diào)蓄方面的作用，但還缺乏更加具體的措施，海綿城市規(guī)劃尚未形成完整體系并得到推廣。

（2）應(yīng)當(dāng)保持現(xiàn)階段藍綠空間建設(shè)的規(guī)劃、政策導(dǎo)向，制定更多尺度、多層次的建設(shè)措施并保障實施效率。藍綠空間從早期以宏觀目標(biāo)為主逐漸發(fā)展得更科學(xué)、更精細化，這一趨勢確實引導(dǎo)了藍綠空間綜合效益的提升，這一點在“經(jīng)濟—社會—藍綠空間”復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展程度的提升中也得到印證。而為了進一步促進城市的可持續(xù)發(fā)展，且在國土空間規(guī)劃背景下加強藍綠空間的建設(shè)和引導(dǎo)，在繼續(xù)保持這一政策趨勢的基礎(chǔ)上，對藍綠空間的量化與評價需要更多角度及尺度的指標(biāo)，并形成完整統(tǒng)一的體系，其輸出結(jié)果應(yīng)和雙評價結(jié)果形成銜接，納入“一張圖”的規(guī)劃體系。

本研究在進行生態(tài)系統(tǒng)形態(tài)結(jié)構(gòu)時空變化的同時納入了與城市社會、經(jīng)濟因素協(xié)同關(guān)系的量化分析，有助于理解武漢市城市藍綠空間發(fā)展規(guī)律，同時為武漢市藍綠空間后續(xù)規(guī)劃以及國土空間規(guī)劃工作的展開提供一定的理論依據(jù)。目前該研究分析框架仍不完善，有望在藍綠空間形態(tài)結(jié)構(gòu)的遙感影像數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)精度方面進一步突破，實現(xiàn)基于地理空間的微觀分析，進一步明晰城市藍綠空間與其他子系統(tǒng)間的協(xié)同關(guān)系與機制。