城市景觀格局和雨水徑流容量交易適宜尺度的關(guān)系研究

張蒙達(dá), 賈忠華, 羅 紈, 唐雙成, 王 爽

(揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225009)

隨著城市化進(jìn)程不斷推進(jìn),城市內(nèi)原本均質(zhì)、連續(xù)的自然景觀逐漸演變?yōu)楫愘|(zhì)、不連續(xù)的混合景觀[1-2], 自然景觀的空間布局和比例受到了嚴(yán)重的干擾與破壞, 改變了原有的水文循環(huán)和自然排水模式, 導(dǎo)致洪澇頻發(fā),對社會(huì)造成了諸多不利影響[3-4]．為提高城市對雨水徑流的調(diào)蓄能力,我國提出要大力推進(jìn)建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”[5], 其核心原則是通過源頭控制的方式消納徑流, 但城市功能區(qū)的土地利用條件存在很大差異, 一些土地利用條件差的功能區(qū)在實(shí)現(xiàn)徑流削減目標(biāo)時(shí), 會(huì)出現(xiàn)十分困難或經(jīng)濟(jì)代價(jià)過高的情況．為解決這一問題, 諸多學(xué)者[6-8]相繼提出了類似“徑流交易”的方法, 將若干個(gè)功能區(qū)統(tǒng)一考慮, 采取區(qū)域內(nèi)容量交易的方式[9], 提高土地利用條件好的功能區(qū)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn), 降低其他功能區(qū)的建設(shè)要求, 從而降低總體建設(shè)成本, 減少海綿城市整體推進(jìn)的困難[10-11]．

容量交易的關(guān)鍵問題是尋求一個(gè)適宜的交易尺度, 既要維持“源頭消納”原則, 又要包含足量土地利用條件相差較大的功能區(qū), 形成有效的容量互補(bǔ)關(guān)系．Fu等[7]開發(fā)了一種流域尺度的徑流交易系統(tǒng), 通過模擬綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和雨水徑流分配實(shí)現(xiàn)徑流削減目標(biāo); Jia等[9]提出了一種容量交易方法, 并證明了該方法在不同尺度下具有較好的經(jīng)濟(jì)效益, 可顯著降低海綿城市建設(shè)成本．但以上研究未充分考慮尺度條件或景觀格局的多樣性．Wang等[12]利用移動(dòng)窗口法分析上海市城市化過程中的景觀格局及其尺度依賴性, 發(fā)現(xiàn)城市擴(kuò)張景觀格局分析的最優(yōu)尺度為1.8～2.7 km; 周冬梅等[2]利用區(qū)域土地面積變化指數(shù)模型和半變異函數(shù)對長沙市景觀格局尺度進(jìn)行定量評(píng)估, 確定1.0 km尺度可有效反映景觀格局的空間變異特征．目前針對景觀格局的研究多集中于城市尺度的定量評(píng)估, 缺少城區(qū)或場地尺度的分類研究．本文按照四類典型功能區(qū)對揚(yáng)州市部分城區(qū)進(jìn)行景觀分類, 以尺度效應(yīng)為切入點(diǎn), 擬探討城市景觀格局和雨水徑流容量交易效果之間的尺度關(guān)系, 以期為城區(qū)尺度的海綿城市整體推進(jìn)提供有效的方法和工具．

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)地理位置及功能區(qū)分布Fig.1 Location of study area and distribution of function areas

表1 功能區(qū)基本信息統(tǒng)計(jì)

表1統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)內(nèi)各功能區(qū)的基本信息．由表1可知, 研究區(qū)包括居民區(qū)178個(gè), 總面積1 305 hm2; 商業(yè)區(qū)90個(gè), 總面積444 hm2, 透水面積比例最低, 初始平均徑流系數(shù)最高, 為0.729; 工業(yè)區(qū)94個(gè), 總面積755 hm2; 文教區(qū)19個(gè), 總面積218 hm2, 透水面積比例最高, 初始平均徑流系數(shù)最低, 為0.580．研究區(qū)初始平均徑流系數(shù)為0.677．

1.2 容量交易適宜尺度

圖2 容量交易示意圖Fig.2 Schematic diagram of capacity trading

容量交易效果綜合考慮了替代成本和交易容量, 整體交易時(shí)替代成本最低、交易容量最大, 容量交易達(dá)到最佳效果; 無交易時(shí)替代成本最高、交易容量為0, 為容量交易最不利的情況．雖然交易尺度越大產(chǎn)生的交易效果越好, 但與實(shí)際貿(mào)易的商品或服務(wù)不同, 雨水資源的數(shù)量和質(zhì)量相當(dāng)龐大, 難以在大范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)移, 雨水問題須盡量就地處理．因此, 應(yīng)尋求一個(gè)能夠以盡可能小的空間范圍實(shí)現(xiàn)大部分容量交易效果的適宜尺度．

1.3 景觀格局分析尺度

為探索適宜的景觀分析尺度,保持初始土地利用景觀圖的分辨率不變, 利用ArcGIS軟件的空間分析工具,以研究區(qū)幾何中心為圓心, 設(shè)定步長為0.2 km, 向外建立同心梯度環(huán)緩沖區(qū), 直至覆蓋整個(gè)研究區(qū),最終得到不同空間范圍的土地利用圖, 結(jié)果如圖1所示． 參考已有研究[14-15], 并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況, 選擇合適的景觀指數(shù)刻畫不同空間尺度的景觀格局, 具體如表2所示．本文采用Fragstats軟件計(jì)算景觀指數(shù), 重點(diǎn)探究不同尺度下景觀指數(shù)的變化情況, 具體數(shù)值不作深入討論, 對計(jì)算出的景觀指數(shù)進(jìn)行歸一化處理, 結(jié)果僅呈現(xiàn)各景觀指數(shù)歸一化后的變化趨勢．

表2 景觀指數(shù)選取及描述

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀格局和容量交易效果與尺度的關(guān)系

圖3為功能區(qū)數(shù)量和容量交易效果隨尺度變化的情況．由圖3可知, 功能區(qū)數(shù)量隨尺度擴(kuò)大逐漸增加,且增幅逐漸變大,容量交易效果隨尺度擴(kuò)大呈先迅速上升后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢, 其中尺度為1.5 km時(shí), 包括25個(gè)功能區(qū), 可實(shí)現(xiàn)90%左右的容量交易效果; 尺度為2 km時(shí), 包括40個(gè)功能區(qū),容量交易效果接近整體最優(yōu),為容量交易方法的臨界操作尺度．圖4為各景觀指數(shù)和容量交易效果隨尺度變化的情況．由圖4(a)可知, 在0～2 km尺度范圍內(nèi), PLAND發(fā)生顯著變化, 其中居民區(qū)、商業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū)的面積比例呈上升趨勢, 文教區(qū)的面積比例出現(xiàn)迅速下降趨勢, 說明區(qū)域內(nèi)景觀配置隨尺度變化發(fā)生了重組, 各類景觀的面積分配逐漸變得均勻; 尺度超過2 km后, PLAND變化緩慢,逐漸趨于穩(wěn)定．由圖4(b)可知, 在0～2 km尺度范圍內(nèi), PD和CONTAG出現(xiàn)迅速下降趨勢,說明景觀破碎度增大、景觀之間的連通度減弱, SHEI和SHDI呈上升趨勢, 說明景觀種類和各類景觀的數(shù)量增多, 景觀充分混合,區(qū)域內(nèi)景觀分布均勻程度和景觀豐富程度增加; 當(dāng)尺度到達(dá)2 km以后, 各景觀指數(shù)變化緩慢, 并逐漸趨于穩(wěn)定,景觀格局基本不受尺度變化的影響,這表明2 km為景觀格局的臨界分析尺度．

圖3 功能區(qū)數(shù)量和容量交易效果隨尺度的變化Fig.3 The number of functional area and the effect of capacity trading vary with scale

圖4 各景觀指數(shù)和容量交易效果隨尺度的變化Fig.4 The landscape metrics and the effect of capacity trading vary with scale

綜上得出, 景觀格局和容量交易效果存在顯著的尺度依賴性, 臨界尺度2 km, 大約包括40個(gè)功能區(qū),可以最小的空間范圍體現(xiàn)研究區(qū)整體景觀格局以及大部分容量交易效果,不僅反映了景觀格局趨于穩(wěn)定的臨界范圍以及容量交易方法的臨界操作尺度,還反映了海綿城市的適宜規(guī)劃范圍, 在協(xié)同考慮多個(gè)功能區(qū)共同承擔(dān)海綿城市建設(shè)與改造任務(wù)的同時(shí), 最大化維持“源頭消納”原則,降低建設(shè)成本, 滿足區(qū)域性海綿城市總體建設(shè)目標(biāo)．

2.2 功能區(qū)分布形式對容量交易適宜尺度的影響

根據(jù)城市功能區(qū)分布特點(diǎn),設(shè)置了3種功能區(qū)分布形式,具體如圖5所示．情形1: 具有互補(bǔ)關(guān)系的功能區(qū)交錯(cuò)間隔分布,表現(xiàn)為景觀類型豐富、分布均勻、充分混合,景觀之間具有良好的容量互補(bǔ)關(guān)系; 情形2: 各類功能區(qū)隨機(jī)分布,不存在明顯的容量互補(bǔ)關(guān)系; 情形3: 不具互補(bǔ)關(guān)系的功能區(qū)聚集分布, 表現(xiàn)為景觀類型單一、同類景觀聚集分布現(xiàn)象明顯．容量交易效果與城市景觀格局聯(lián)系緊密, 分析不同功能區(qū)分布形式和容量交易效果之間的尺度關(guān)系, 結(jié)果如圖6所示．由圖6可知, 情形1下的容量交易臨界尺度約為1.5 km, 情形2和情形3下的容量交易臨界尺度分別擴(kuò)大至2.8和3.2 km, 這說明情形1可在涉及較少功能區(qū)的小尺度內(nèi)形成有效的容量互補(bǔ),迅速完成整體交易目標(biāo), 而情形2和情形3則要在涉及更多功能區(qū)的較大尺度下才能實(shí)現(xiàn)同樣的交易效果．

圖5 功能區(qū)分布形式Fig.5 The functional areas distribution

圖6 功能區(qū)分布形式對容量交易效果的影響Fig.6 Influence of the functional areas distribution on capacity trading effect

3 結(jié)論

以揚(yáng)州市部分城區(qū)為例, 探討景觀格局和雨水徑流容量交易效果之間的尺度關(guān)系．研究結(jié)果表明: 研究區(qū)景觀格局和雨水徑流容量交易的適宜尺度為2 km,大約包括40個(gè)功能區(qū); 具有容量互補(bǔ)關(guān)系的功能區(qū)交錯(cuò)間隔分布有利于在較小尺度內(nèi)完成整體交易目標(biāo)．景觀格局趨于穩(wěn)定的臨界尺度反映了海綿城市的適宜規(guī)劃范圍, 結(jié)合容量交易理念, 可有效解決城市功能區(qū)的徑流削減問題．但容量交易的實(shí)施易受城市地表、排水管網(wǎng)等因素制約, 且當(dāng)前研究僅限于靜態(tài)目標(biāo), 后續(xù)將加入城市降雨徑流動(dòng)態(tài)過程, 研究容量交易在單一降水事件或長期水量動(dòng)態(tài)變化過程中的實(shí)施效果．