徐惠妍

武漢市主城區(qū)湖泊水域面積變化及其與城市內(nèi)澇的關(guān)系研究

徐惠妍

（上海師范大學(xué) 環(huán)境與地理科學(xué)學(xué)院，上海 200234）

近年來，武漢市城市化快速發(fā)展，在這一過程中湖泊水域面臨著面積縮小、水質(zhì)惡化和數(shù)量銳減等問題，同時也加劇了城市內(nèi)澇的問題。通過對武漢市主城區(qū)1990年、2000年和2010年遙感數(shù)據(jù)的獲取分析，得到武漢市主城區(qū)湖泊水域面積的時空變化和不同階段各個轄區(qū)的變化特點；同時通過對湖泊水域面積減少劇烈的區(qū)域和2016年武漢市主城區(qū)內(nèi)澇主要發(fā)生點的對比分析，發(fā)現(xiàn)湖泊水域減少和城市內(nèi)澇的發(fā)生具有很明顯的相關(guān)性。提出發(fā)揮湖泊水域在城市內(nèi)澇中的重要作用以及湖泊水域保護紅線，為武漢市未來可持續(xù)發(fā)展提供借鑒。

湖泊水域面積；時空變化；城市內(nèi)澇；生態(tài)系統(tǒng)

1 引言

城市湖泊作為城市生態(tài)系統(tǒng)中一個關(guān)鍵的組成部分，在城市經(jīng)濟發(fā)展和氣候調(diào)節(jié)中起到重要作用[1-2]。武漢市素來有“百湖之城”的美稱，湖泊眾多，水資源豐富，水域面積約占行政區(qū)面積的1/4[3]。

近年來，由于城市化快速發(fā)展，武漢市湖泊數(shù)量和面積急劇減少，湖泊淤積嚴重，水質(zhì)惡化，生態(tài)功能降低，嚴重影響了城市可持續(xù)發(fā)展[4-5]。同時，近幾年武漢市城市內(nèi)澇災(zāi)害多發(fā)，造成的經(jīng)濟損失巨大，嚴重威脅人身安全。例如2016年暴雨洪澇災(zāi)害導(dǎo)致武漢市受災(zāi)企業(yè)達323家，直接經(jīng)濟損失為3.51億元，鐵路運輸及城市軌道交通、道路交通基本癱瘓。除了降水的自然原因外，湖泊減少被認為是武漢城市內(nèi)澇的一個重要原因。

因此，開展武漢市主城區(qū)水域面積變化及其對城市內(nèi)澇災(zāi)害的影響研究，對城市湖泊資源合理開發(fā)和利用以及緩解城市內(nèi)澇具有重要意義。

目前，對武漢市湖泊和內(nèi)澇關(guān)系的研究主要集中在湖泊對城市內(nèi)澇的調(diào)蓄作用上[6-7]，而湖泊水域面積變化對城市內(nèi)澇的影響研究非常薄弱。

本研究首先基于Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)，分析了武漢市1990—2010年湖泊面積的時空變化，然后通過對2018年武漢市城市內(nèi)澇相關(guān)資料的收集，分析了湖泊面積變化程度與城市內(nèi)澇的關(guān)系，為武漢市未來湖泊保護和城市內(nèi)澇減緩提供了依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

武漢市位于湖北省東部，共有13個轄區(qū)，包括江岸、江漢、硚口、漢陽、武昌、洪山、青山7個中心城區(qū)和蔡甸、江夏、黃陂、新洲、東西湖、漢南6個遠城區(qū)。本研究中武漢市主城區(qū)即為7個中心城區(qū)，面積為955.15 km2。

武漢市主城區(qū)地形以平原為主，中部散列著東西走向的殘丘。屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，具有常年雨量充沛、熱量充足、冬冷夏熱、四季分明的特點。多年平均氣溫15.8～17.5 ℃，極端最高氣溫41.3 ℃，極端最低氣溫﹣18.1 ℃。年降水量1 150～1 450 mm，降雨集中在每年6—8月，占全年降雨量的40%左右。

2.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究采用1990年、2000年和2010年三期Landsat4-5 TM遙感影像數(shù)據(jù)，影像空間分辨率為30 m，軌道號為123-39，完全覆蓋武漢市主城區(qū)。影像成像時間在9—12月，質(zhì)量完好，無云層覆蓋。根據(jù)研究的需要，對遙感影像進行了輻射定標、大氣校正和裁剪的預(yù)處理。

2.3 湖泊水域面積提取

本研究主要目的是對城鎮(zhèn)化背景下湖泊水域面積變化分析，因此簡單將研究區(qū)土地利用類型分為水體（包括湖泊、河流和坑塘）、建設(shè)和植被用地。采用最大似然法對三期影像進行監(jiān)督分類，分別建立訓(xùn)練區(qū)。水體、建筑和植被的判別特征，以標準假彩色顯示，如表1所示。選擇大量訓(xùn)練樣本，提取了1990年、2000年和2010年的水體面積，得到不同時期的水體分布圖。

表1 遙感影像不同地物判別特征

類型判別特征 水體湖泊色調(diào)呈暗藍色，紋理變化較?。缓恿鞒仕{綠色和淺藍色，特征明顯 建設(shè)用地色調(diào)呈紅色，影像放大為斑塊狀，有凸起和下凹額特征 植被用地色調(diào)為灰白色和灰綠色，放大多為條狀或柵格狀

2.4 城市內(nèi)澇災(zāi)害

城市內(nèi)澇是指由于強降水或連續(xù)性降水超過排水系統(tǒng)排除能力致使城市道路及低洼區(qū)產(chǎn)生一定程度積水，影響城市交通和產(chǎn)生其他災(zāi)害的現(xiàn)象[8]。城市內(nèi)澇災(zāi)害的驅(qū)動因素可以分為氣候變化下極端降水和下墊面蓄水排水能力降低兩方面的因素，具體因素包括強降水或持續(xù)性降水、天然蓄水用地減少、不透水面增加、排水管網(wǎng)設(shè)計標準不達標、設(shè)計不完善和維護管理不完善。由于缺乏排水管網(wǎng)和武漢市主城區(qū)降水空間分布的相關(guān)數(shù)據(jù)，難以從降水和排水網(wǎng)的角度具體分析其對于城市內(nèi)澇的影響程度。本文擬從湖泊水體面積這一驅(qū)動因素出發(fā)，研究湖泊水域面積變化對城市內(nèi)澇的影響及其在空間上的表現(xiàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 湖泊水域面積總量變化分析

在GIS支持下對三期解譯結(jié)果進行疊置分析，得到了1990—2010年武漢市主城區(qū)湖泊水域面積變化圖，如圖1所示。

圖1 1990—2010年間武漢市主城區(qū)湖泊水域面積變化

1990年武漢市主城區(qū)水域面積為216.88 km2，到2010年面積下降到171.25 km2，20年間減少了45.63 km2，在區(qū)域面積比例中下降了4.78%。從變化數(shù)量上看，后10年湖泊水體減少面積大于前10年。通過對比發(fā)現(xiàn)，主要是青山區(qū)長江的天興洲出現(xiàn)大塊淤積，導(dǎo)致水體面積減少。

3.2 湖泊水域面積空間變化

從圖1可以看出，整體上武漢市主城區(qū)在1990—2010年湖泊水域面積不斷減少，但不同階段各個區(qū)域變化速度不同。在1990—2000年間，主要減少區(qū)域為江岸區(qū)、江漢區(qū)和硚口區(qū)的西北方向，這三個區(qū)域剛好組成漢口片區(qū)。通過解譯過程發(fā)現(xiàn)，漢口區(qū)在1990—2000年湖泊水域面積減少主要是轉(zhuǎn)化為了建設(shè)用地，減少的部分主要是小面積的湖泊水域。在2000—2010年間，水域減少的區(qū)域分布廣泛，主要有青山區(qū)的天興洲淤積和東部坑塘周圍的小面積水體減少、洪山區(qū)南湖和嚴東湖周圍萎縮以及漢口區(qū)原有基礎(chǔ)上的繼續(xù)減少。在兩個變化階段內(nèi)，主城區(qū)的東湖、嚴西湖和湯遜湖變化不大，湖泊面積幾乎沒有減少。總結(jié)來說，武漢市主城區(qū)湖泊水體面積變化主要表現(xiàn)出以下幾個特征：①小面積湖泊和水體減少速度快；②大面積湖泊水體和長江水域面積變化不明顯；③不同階段內(nèi)湖泊變化速度和主要變化區(qū)域差異較大。

進一步統(tǒng)計了武漢市主城區(qū)的7個轄區(qū)在1990—2010年湖泊水域面積，計算了不同時期各個轄區(qū)水體在區(qū)域內(nèi)的占比及占比變化，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，武昌區(qū)的三個轄區(qū)水域面積最大，漢口區(qū)的三個轄區(qū)水域面積最小，其中江漢區(qū)到2010年水域面積幾乎為0；從面積變化上看，1990—2010年間江岸區(qū)水域面積減少最多，其次是青山區(qū)，分別減少了11.97 km2和11.41 km2；從水體在轄區(qū)內(nèi)的占比情況來看，武昌區(qū)占比最高，并且下降幅度不大（3.03%），江岸區(qū)占比下降最大（13.87%），在兩個階段變化幅度都大。從變化速度來看，可以將7個轄區(qū)分為三種特征：①“先快速減少后緩慢并趨于穩(wěn)定”，包括江漢區(qū)和江岸區(qū)；②“先穩(wěn)定后加快減少”，主要有漢陽區(qū)、青山區(qū)、武昌區(qū)和洪山區(qū)；③“勻速減少”，有硚口區(qū)。這三種特征表明江漢區(qū)和江岸區(qū)在1990—2000年間發(fā)展速度快，在2000—2010年間發(fā)展走向成熟；表現(xiàn)出第二種特征的四個轄區(qū)在2000—2010年間城鎮(zhèn)化發(fā)展快于前面一個階段；硚口區(qū)城鎮(zhèn)化勻速發(fā)展。

表2 武漢市主城區(qū)湖泊水域面積變化及占比變化

面積/km2面積變化/km2占比/（%）占比變化/（%） 1990年2000年2010年1990—2010年1990年2000年2010年1990—2010年 江岸區(qū)13.848 75.895 91.874 5﹣11.974 216.046.832.1713.87 江漢區(qū)1.469 60.506 90.168 2﹣1.301 46.102.100.705.40 硚口區(qū)6.285 94.499 23.117 2﹣3.168 713.069.346.476.58 漢陽區(qū)23.217 624.969 416.869 7﹣6.347 819.2220.6713.965.25 武昌區(qū)49.715 450.401 544.831 3﹣4.884 130.8831.3127.853.03 洪山區(qū)42.431 944.190 335.911 3﹣6.520 617.8718.6115.132.75 青山區(qū)79.810 483.206 868.396 8﹣11.413 628.8330.0624.714.12

3.3 湖泊水域面積變化對城市內(nèi)澇影響

城市湖泊水域在城市內(nèi)澇災(zāi)害中可以充分發(fā)揮其調(diào)蓄作用，減少內(nèi)澇損失。武漢市近年來在快速城市化發(fā)展過程中，出現(xiàn)了嚴重的城市內(nèi)澇問題，給居民安全和經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展帶來嚴重影響。

2016年武漢市再次發(fā)生嚴重內(nèi)澇問題，相關(guān)研究對內(nèi)澇發(fā)生原因的探究可以總結(jié)為以下幾點：①強降水和持續(xù)性降水使得周降水量突破歷史極值；②地勢低洼使得雨水匯集難以排水；③地表徑流系數(shù)大，城市排水系統(tǒng)排水能力不足；④城市不透水面增多，湖泊蓄洪能力降低。武漢市是一個依水而建的城市，河流水系和湖泊眾多，可以充分發(fā)揮湖泊的調(diào)蓄作用。大量研究表明武漢市中心城區(qū)和遠城區(qū)的湖泊水域面積在近幾十年大量減少，減少的主要原因有自然或人為導(dǎo)致的淤積、圍湖造田或圍湖造塘、工程建設(shè)填湖。湖泊水域減少的直接后果是加劇城市內(nèi)澇災(zāi)害。

如何定量描述湖泊水域面積變化對城市內(nèi)澇的影響，以及湖泊在內(nèi)澇問題中緩解作用的程度，是一個值得關(guān)注的問題。本研究中湖泊水域面積減少表現(xiàn)最明顯的是漢口區(qū)小面積水域的消失和武昌區(qū)湖泊的萎縮。2016年武漢市主城區(qū)內(nèi)澇點主要在南湖和漢口老城區(qū)，與本研究中湖泊水域面積減少的兩個主要區(qū)域相吻合。漢口城區(qū)由于水域轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，導(dǎo)致不透水地面增加，不僅使原來水域的調(diào)蓄作用消失，還加劇排水的不暢。南湖地區(qū)地勢低平，湖泊調(diào)蓄壓力大，從遙感影像中可以明顯發(fā)現(xiàn)湖泊面積在不斷減少，原本的湖泊全部被建設(shè)用地占領(lǐng)。相關(guān)資料表明，該地區(qū)在房產(chǎn)開發(fā)中宣傳為湖景房，加強了對該地區(qū)的開發(fā)，但是在2016年內(nèi)澇發(fā)生后，卻成為了一片汪洋里的孤島。由此可見湖泊水域面積的減少會嚴重加劇城市內(nèi)澇，湖泊的調(diào)蓄作用非常明顯。

針對武漢市湖泊眾多這一特點，大量研究認為武漢市應(yīng)該發(fā)揮湖泊在城市內(nèi)澇中的調(diào)蓄作用。本研究認為武漢市主城區(qū)內(nèi)澇和湖泊水域有明顯相關(guān)關(guān)系，后期武漢市應(yīng)劃定湖泊水域保護紅線，定期清理湖泊淤積，保證其容量和調(diào)蓄能力，一方面可以緩解城市內(nèi)澇災(zāi)害，一方面為城市可持續(xù)發(fā)展提供資源。

4 討論

本研究的結(jié)果表明，武漢市主城區(qū)的湖泊水域面積在1990—2010年間總共減少了45.63 km2，兩個階段區(qū)域變化差異較大，變化的驅(qū)動因子也不同。漢口區(qū)減少的主要原因是建設(shè)用地增加，武昌區(qū)湖泊面積減少的主要原因是圍湖造田和湖泊淤積。

在探索湖泊水域面積變化和城市內(nèi)澇的關(guān)系時，由于缺乏空間上的降水?dāng)?shù)據(jù)和排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)，只能從定性角度分析兩者的關(guān)系。后面的研究可以設(shè)計在同樣降水強度下，湖泊水域在變化前后的蓄水能力，定量分析湖泊緩解內(nèi)澇的程度，因而可以強調(diào)湖泊水域在城市發(fā)展中的重要性。

5 結(jié)論

本研究的主要結(jié)論：①1990—2010年武漢市主城區(qū)湖泊水域面積減少了45.63 km2，在區(qū)域面積占比中下降了4.78%；②1990—2000年間主要減少區(qū)域分布在漢口區(qū)的西北方向，主要原因是建設(shè)用地擴張，2000—2010年間水域減少的區(qū)域分布廣泛，主要有青山區(qū)的天興洲淤積和東部坑塘周圍的小面積水體減少、洪山區(qū)南湖和嚴東湖周圍萎縮；③不同轄區(qū)在1990—2010年變化特點不同，其中江漢區(qū)是水域面積最小的轄區(qū)，江岸區(qū)是湖泊減少速度最快的區(qū)域；④湖泊水域?qū)徑獬鞘袃?nèi)澇起重要作用，水域面積減少會加劇城市內(nèi)澇，應(yīng)該重視對湖泊的保護和治理。

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.23.017

2095－6835（2019）23－0044－03

〔編輯：張思楠〕