陳端呂, 陳哲夫, 彭保發(fā), 莫操湖

(湖南文理學(xué)院地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 湖南常德,415000)

城市下墊面與城市降雨直接接觸, 是減少洪澇災(zāi)害的重要載體。城市化建設(shè)使城市下墊面類型發(fā)生了顯著的改變, 原生的生態(tài)用地被占用, 不透水面占比越來越高, 城市下墊面的滲透性越來越差, 城市下墊面的空間特征變得越來越復(fù)雜。城市下墊面結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同空間格局, 是由各個(gè)異質(zhì)的景觀單元組成[1], 每個(gè)景觀單元具有相對的獨(dú)立性與完整性。隨著硬質(zhì)下墊面急劇增加, 不透水下墊面成為城市地表的主要特征, 城市景觀在自然景觀的基礎(chǔ)上具有大量的、有規(guī)律的人工景觀要素, 通過研究城市景觀單元構(gòu)成, 對景觀的性質(zhì)和變化方向起著決定性的作用, 同時(shí)對城市水文產(chǎn)生了顯著的影響[2]。目前,國內(nèi)外學(xué)者對城市景觀格局研究主要集中在城市綠地[3]、土地利用[4]、城市濕地[5]等方面, 隨著硬質(zhì)下墊面急劇增加, 城市景觀與海綿城市建設(shè)至關(guān)重要, 通過研究城市景觀單元構(gòu)成, 找出鑲嵌與分布格局上的規(guī)律, 形成合理的下墊面空間格局, 讓水在城市中的遷移活動更加“自然”, 強(qiáng)調(diào)通過多層次的海綿設(shè)施系統(tǒng)來進(jìn)行水資源的管理與利用, 為解決城市中存在的水生態(tài)與水環(huán)境問題, 提高城市宜居性提供了一個(gè)有效的方法[6]。

1 研究區(qū)概況

常德市位于湖南省的西北部, 為環(huán)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的核心城市, 介于東經(jīng)110°29′～112°18′, 北緯28°24′～30°07′, 屬于中亞熱帶過渡的濕潤季風(fēng)氣候,雨季主要集中在4～6 月, 年均降水量1 365.5 mm, 年均暴雨日數(shù)4.1 d, 最大日降水量為251.1 mm,2～11 月份均有暴雨發(fā)生, 其中6 月占全年暴雨日數(shù)的26.7%。海綿城市建設(shè)示范區(qū)處于江北城區(qū)(見圖1), 東起常德大道, 西至桃花源路, 南以沅江河堤、人民路為界, 北到常德大道, 示范區(qū)總面積為36.1 km2, 其中老城區(qū)為6.6 km2, 新城區(qū)為25.8 km2, 擬建區(qū)為3.7 km2[7]。

圖1 研究區(qū)范圍

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)的獲取與處理

以常德市城區(qū)遙感衛(wèi)星影像圖作為源數(shù)據(jù), 實(shí)地考察作為輔助糾正手段, 運(yùn)用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS 對海綿城市建設(shè)示范區(qū)遙感影像圖進(jìn)行矢量化參照國家土地分類系統(tǒng)與海綿城市建設(shè)要求, 將矢量化圖層分為耕地、林地、園地、綠地、平房、高樓、河流、湖泊、溝渠、坑塘、內(nèi)部道路、裸露土地、硬化鋪裝、透水鋪裝、其他用地等類型。并將以上類型分為4 大類, 分別是植被(耕地、林地、園地、綠地)、建筑類(平房、高樓)、水域(河流、湖泊、溝渠、坑塘)、其他類型(內(nèi)部道路、裸露土地、硬化鋪裝、透水鋪裝), 下墊面類型見圖2。

圖2 海綿城市建設(shè)的主要下墊面類型

2.2 景觀指數(shù)的選取與計(jì)算

利用ArcGIS 與景觀結(jié)構(gòu)分析軟件Fragstats 4.2, 通過對常德市海綿城市建設(shè)示范區(qū)的15 個(gè)景觀格局指數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算, 得出常德市海綿城市建設(shè)示范區(qū)下墊面的景觀類型組成構(gòu)成、景觀類型斑塊特征和景觀異質(zhì)性這3大特性, 找出海綿城市建設(shè)示范區(qū)景觀格局景觀分布規(guī)律, 定量分析城市下墊面空間結(jié)構(gòu)特征。

2.3 斑塊廊道的識別提取

周長面積比值處于正負(fù)標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)的提取為斑塊, 超出趨勢線正標(biāo)準(zhǔn)差的屬于廊道[8]。應(yīng)用Excel 軟件生成研究區(qū)斑塊周長面積比與面積關(guān)系的散點(diǎn)圖, 并擬合趨勢線, 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差, 見圖3。

圖3 斑塊周長面積比與面積關(guān)系的散點(diǎn)圖

2.4 廊道形態(tài)結(jié)構(gòu)分析

通過對廊道的識別提取, 得到綠地廊道、水體廊道等海綿廊道及道路廊道, 由其交點(diǎn)識別構(gòu)成廊道節(jié)點(diǎn), 形成廊道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征主要利用γ指數(shù)、α指數(shù)及β指數(shù)進(jìn)行評價(jià)分析[9]。

2.4.1 連接性指數(shù)(γ指數(shù))

計(jì)算海綿網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀廊道數(shù)量與其可能具備的廊道最大數(shù)量的比值, 計(jì)算公式為γ=L/[3(V-2)], 其中,V代表生態(tài)用地網(wǎng)絡(luò)中源和節(jié)點(diǎn)總量,L代表網(wǎng)絡(luò)中廊道總量, 下同。城市空間結(jié)構(gòu)中實(shí)際廊道數(shù)量和此結(jié)構(gòu)中有可能擁有的最大廊道數(shù)量的比值即γ指數(shù),γ指數(shù)取值范圍為0-1,0 代表無連接線在生態(tài)源或者生態(tài)節(jié)點(diǎn)間,1 代表所有生態(tài)源或者生態(tài)節(jié)點(diǎn)之間全都互相聯(lián)通。γ值的大小代表節(jié)點(diǎn)之間連通度的強(qiáng)弱, 值越大, 其連接效能越強(qiáng)。

2.4.2 線點(diǎn)度指數(shù)(β指數(shù))

評價(jià)生態(tài)源或者關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)程度大小的指標(biāo), 計(jì)算公式為β=(2L)/V。

2.4.3 環(huán)度指數(shù)(α指數(shù))

α指數(shù)又稱環(huán)度, 是度量空間生態(tài)景觀結(jié)構(gòu)中環(huán)通路的指數(shù), 用于計(jì)算生態(tài)廊道環(huán)路的數(shù)量。公式為α=Ln/(2V- 5), 式中,Ln代表現(xiàn)狀環(huán)路的數(shù)量。環(huán)線可以為各種物質(zhì)流、能量流提供可選的巡回路線。α指數(shù)值的大小范圍處于0 與1 之間。當(dāng)指數(shù)為0 時(shí), 結(jié)構(gòu)中沒有環(huán)路; 當(dāng)指數(shù)為1 時(shí), 結(jié)構(gòu)中環(huán)路數(shù)達(dá)到最大。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市下墊面景觀格局分析

3.1.1 下墊面類型組成結(jié)構(gòu)

下墊面類型組成結(jié)構(gòu)是常用的城市下墊面空間特征參數(shù), 表征不同下墊面類型、數(shù)量關(guān)系, 體現(xiàn)下墊面整體結(jié)構(gòu)與功能的控制作用[10]。由表1 可知, 常德市海綿城市建設(shè)示范區(qū)的下墊面類型組成主要以內(nèi)部道路、裸露土地、硬化鋪裝、透水鋪裝為主, 其面積占整個(gè)面積的49.47%; 其次是建筑類(平房、高樓), 占總面積的26.16%; 植被類(耕地、林地、園地、綠地)占總面積的18.17%; 最后則是水域(河流、湖泊、溝渠、坑塘)占總面積的6.20%。從斑塊數(shù)以及斑塊比來看, 主要是以建筑類下墊面為主, 其斑塊數(shù)達(dá)1 636 塊, 斑塊比達(dá)37.8%; 其次是植被為1 365 塊, 斑塊比為31.53%; 之后則是其他用地和水域,斑塊數(shù)比分別為28.25%和2.4%。在斑塊密度方面, 植被中的綠地最多, 高達(dá)35.35 塊/hm2; 建筑類的平房與高樓較多, 都超過20 塊/hm2; 水域的斑塊密度比都不超過2 塊/hm2, 水域類的斑塊密度比最少, 僅為2.90 塊/hm2。

表1 下墊面組成結(jié)構(gòu)

續(xù)表1

3.1.2 下墊面斑塊特征

由表2 可知, 水域(河流、湖泊、溝渠、坑塘)類型的平均值最大, 其中河流平均值高達(dá)5.881, 水域類型變動系數(shù)較大, 這主要是由于城市中湖泊、坑塘分布零散使得水域變動系數(shù)增大。植被類與建筑類的平均面積小, 組成該類型的景觀要素的平均值都不超過1 hm2, 但其變動系數(shù)較高, 原因是由于城市中建筑與植被的破碎化分布, 不同類型的建筑、植被、道路等多要素的交錯分布, 使得城市中植被與建筑這兩大主體的變動系數(shù)高。其他用地類型(內(nèi)部道路、裸露土地、硬化鋪裝、透水鋪裝)的平均面積除內(nèi)部道路外, 各要素的平均面積都超過1 hm2, 最高的硬化鋪裝平均面積達(dá)3.0 hm2, 其變動系數(shù)高, 符合城市的鑲嵌分布情況。內(nèi)部道路、裸露土地、硬化鋪裝、透水鋪裝的形狀系數(shù)、分維度、邊緣密度較大, 分別為110.69、272.95、4.21。表明斑塊形狀復(fù)雜, 由于其邊緣形狀延伸到其他各個(gè)類型中, 內(nèi)部道路、硬化鋪裝等帶狀地物的邊緣形狀延伸程度更為明顯。其次是建筑與植被, 形狀指數(shù)分別為67.21、62.45, 說明其邊緣效益較為明顯, 形狀較復(fù)雜, 其中高樓與綠地的形狀指數(shù)在建筑景觀類型與植被景觀類型中最高, 分別為36.16、45.07。由綜合高樓與綠地的平均面積可得出: 高樓與綠地是建筑景觀類型與植被景觀類型的主要影響要素。水域景觀類型的形狀系數(shù)、分維度、邊緣密度最小, 主要是由于河流、湖泊等水域要素受人為干擾, 具有一定規(guī)則的形態(tài)、邊緣形狀單一、復(fù)雜度低。

表2 景觀斑塊特征分析

3.1.3 下墊面類型異質(zhì)性

由表3 可知, 其他用地類型的多樣性指數(shù)及均勻度最高, 多樣性指數(shù)與均勻度分別為0.49、0.68, 其優(yōu)勢度最低, 表明其他用地類型在整個(gè)示范區(qū)景觀中是最為豐富且均勻, 從景觀的分離度來看, 其他用地類型的分離度較低, 位于四大類型的第三, 且與其他兩種類型的分離度相差很大, 表明其他用地類型分布集中, 破碎化程度較低, 受其他景觀類型影響較小。建筑類的多樣性指數(shù)、均勻度以及分離度都較高, 均位于類型第二, 表明建筑類在整體空間格局分布零散, 并呈均勻分布狀態(tài)。植被類型的多樣性指數(shù)和均勻度最低, 分離度最高, 表明植被類型在示范區(qū)內(nèi)零散分布且不均勻, 多樣性指數(shù)最低, 受其他類型要素影響大。水域類型的分離度最低, 多樣性指數(shù)也較低, 表面水域在示范區(qū)的豐富度不高, 但分布集中, 破碎化程度低, 在整個(gè)示范區(qū)景觀中較為劣勢, 根據(jù)水域類型的組成可知, 該景觀類型主要以河流為主, 河流的分布固定, 受其他要素影響小。

表3 景觀類型異質(zhì)性分析

3.2 海綿體斑塊特征

3.2.1 海綿體斑塊的空間分布現(xiàn)狀

通過下墊面斑塊提取, 對照常德市土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 識別生態(tài)海綿體與人工海綿體的空間分布(見圖4 和圖5), 從圖中可統(tǒng)計(jì), 生態(tài)海綿體斑塊面積為577.017 hm2, 人工海綿體斑塊面積為843.337 hm2, 建筑面積為934.120 hm2。圖6 為常德市城區(qū)海綿體分布面積與適用性。

圖4 生態(tài)海綿體斑塊空間分布

圖5 人工海綿體斑塊空間分布

常德市海綿城市建設(shè)示范區(qū)積極建設(shè)海綿體,建設(shè)面積不斷增大, 分布廣泛且與原生海綿體配合建設(shè), 相互聯(lián)系。由圖4 可知, 常德市示范區(qū)海綿體建成面積主要以綠地建設(shè)為主, 綠地面積占總面積的15.98%。但各種海綿體的功能不盡相同,其滲透能力和蓄留能力也各有差異, 圖6 中海綿體的面積、蓄留能力、滲透能力三個(gè)方面適用性特征,可以較直觀的看出綠地的蓄留能力較其他設(shè)施偏弱, 因此常德市示范區(qū)在綠地周圍建設(shè)了雨水回用、綠色屋頂?shù)茸鳛檠a(bǔ)充, 與此同時(shí), 通過建設(shè)滲透能力較強(qiáng)的植草溝、滲管、下沉式綠地等措施彌補(bǔ)洼地、池塘滲透能力弱的缺陷, 從而基本實(shí)現(xiàn)了“小雨不積水, 大雨不內(nèi)澇”[11]。綜合來看, 常德市示范區(qū)將點(diǎn)線面建設(shè)充分融合, 以原生海綿體為基礎(chǔ), 從公園、廣場、小區(qū)、建筑, 從植草溝、下沉式綠地到綠色屋頂基本形成團(tuán)狀模式, 其中城區(qū)以三大公園即濱湖公園、白馬湖公園、丁玲公園為中心, 將海綿體建設(shè)項(xiàng)目逐步向市中心聚集, 在城區(qū)建筑密集區(qū)域的四周呈環(huán)狀建設(shè)植被, 在內(nèi)部通過建設(shè)人工海綿體與部分原生海綿體相聯(lián)結(jié), 在城區(qū)形成相對完整的海綿體。

圖6 常德市城區(qū)海綿體分布面積與適用性

3.2.2 海綿體斑塊的空間分布特征

不同生態(tài)海綿體、人工海綿體的空間分布與不同影響要素結(jié)合, 常德市已建成的海綿體分布呈現(xiàn)出地形地貌、水文要素、植被要素影響的相應(yīng)空間特征。

(1) 地形地貌作為空間分布的自然基礎(chǔ)

高程、坡度對于土地的侵蝕狀況有影響, 海綿斑塊必須依據(jù)高程坡度進(jìn)行建設(shè)布局。高程越高、坡度越大土地侵蝕狀況會越明顯, 伴隨著水土保持難度變大植被覆蓋率也會隨之變低。不同高程坡度的組合帶來了不同的水熱組合, 直接制約著城市建筑的布局。常德市城區(qū)因地形的起伏較小, 土地較為平緩、高程較低、坡度較緩, 因此示范區(qū)內(nèi)的水土比較容易保持, 水熱條件較為統(tǒng)一。地勢起伏的程度低,有利于雨水從高處向低處的匯聚收集, 同時(shí)更有利于海綿城市建設(shè)中水體層次通過地表和地下連接成可持續(xù)循環(huán)利用的水系, 以保障海綿城市建設(shè)的水系循環(huán)。

(2) 水文要素呈現(xiàn)了空間分布的強(qiáng)聚焦性

水文要素作為吸納雨水的直接環(huán)節(jié)在海綿城市建設(shè)中起到重要作用。水系分布是常德市水循環(huán)的骨架, 海綿城市建設(shè)適應(yīng)性最高、功能性最強(qiáng)的城市用地類型規(guī)劃必須基于水文要素基本骨架進(jìn)行實(shí)施,通過海綿體斑塊的補(bǔ)綴, 將湖泊、坑塘塊狀區(qū)域相連, 在空間分布上構(gòu)成大水圈。結(jié)合實(shí)際地形圖來看,自南向北第一水圈為沅江, 第二水圈為白馬湖—穿紫河—姻緣河(連通工程), 第三水圈為花山河—漸河—沾天湖—馬家吉河—柳葉湖。第二條水圈為常德海綿城市示范區(qū)的主要雨水收納水體。自然排放能力結(jié)合利用沾天湖與柳葉湖進(jìn)行水資源的調(diào)蓄, 能夠?qū)樗M(jìn)行更好的調(diào)控。水圈結(jié)構(gòu)構(gòu)成常德市江北城區(qū)重要的排水骨架, 也為海綿城市建設(shè)提供了先決條件。

(3) 植被要素構(gòu)建了空間分布的多中心分異

在海綿城市示范區(qū)內(nèi), 草地、林地的空間分布總體分布較為分散且疏密不均衡。人工海綿體在植被要素影響下的空間布局, 多數(shù)沿河流湖泊分布, 自南向北, 各有較為集中的綠地聚集區(qū), 大體呈點(diǎn)狀、面狀分布。海綿院落建設(shè)以三大公園改造項(xiàng)目為中心, 即圍繞南部的濱湖公園、中部的白馬湖公園以及北部的丁玲公園三處分布較為密集。河流交匯處或拐彎處, 因水體集中在大面積降水時(shí)更容易造成因雨水流通不暢容易出現(xiàn)積水, 在此處集中開展了泵站改造項(xiàng)目。其中北部與中部植被的連續(xù)性較南部相比更強(qiáng)。植被與水圈大體呈圓環(huán)狀分布在建筑用地四周, 形成天然的雨水調(diào)蓄。結(jié)合人工海綿體緩解區(qū)域內(nèi)部的洪澇災(zāi)害, 為連通系列海綿城市建設(shè)手段創(chuàng)造十分有利的條件。

3.3 海綿廊道特征

根據(jù)廊道網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)計(jì)算方法[12],針對示范區(qū)海綿廊道, 將各條廊道鄰近的節(jié)點(diǎn)數(shù)量記作其屬性值, 基于Field Calculator 命令, 對廊道的屬性值運(yùn)算分析, 獲得γ指數(shù)、β指數(shù)及α指數(shù)特征指數(shù), 等權(quán)重加和計(jì)算廊道的綜合指數(shù)(見表4), 揭示各條現(xiàn)狀廊道連通度的大小。

表4 指數(shù)強(qiáng)弱分布現(xiàn)狀

由表4 可知, 示范區(qū)河流廊道數(shù)量少, 節(jié)點(diǎn)也少, 線點(diǎn)率僅為0.15, 同時(shí)γ指數(shù)為0.05, 說明河流廊道零散稀疏, 連通度比較差; 而綠帶廊道數(shù)量多, 但連接度也不高。根據(jù)海綿廊道α指數(shù)強(qiáng)弱分布狀況,河流廊道沒有環(huán)通路, 而綠帶廊道α指數(shù)為0.02, 表明海綿廊道中的回路較少, 尚未形成較為完整的環(huán)狀結(jié)構(gòu), 應(yīng)增加海綿廊道環(huán)線的條數(shù), 提高網(wǎng)絡(luò)體系連接性。海綿廊道的綜合指數(shù)表明, 整個(gè)區(qū)內(nèi)不具有較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 應(yīng)針對海綿廊道連通度較弱區(qū)域各指數(shù)分析呈現(xiàn)出的問題, 制定相應(yīng)的規(guī)劃指標(biāo), 増強(qiáng)城市結(jié)構(gòu)內(nèi)部整體的海綿效能。

4 結(jié)論與討論

(1) 從下墊面類型構(gòu)成來看, 內(nèi)部道路、裸露土地、硬化鋪裝、透水鋪裝、其他用地為景觀主體, 斑塊數(shù)最多的是不透水下墊面, 形成了以不透水下墊面為主的景觀格局。從下墊面斑塊特征來看, 水域變異較大, 斑塊不規(guī)整, 城市中建筑與植被的破碎化程度高。從下墊面類型異質(zhì)性來看, 水域景觀類型的分離度最低, 多樣性指數(shù)也較低, 植被景觀類型主要以綠地為主, 因受建筑和其他用地類型的影響, 植被景觀類型的連接度不高、較為分散, 高樓與綠地是建筑景觀類型與植被景觀類型的主要影響要素。

(2) 海綿體建成面積主要以綠地建設(shè)為主, 生態(tài)海綿體斑塊面積為577.017 hm2, 人工海綿體斑塊面積為843.337 hm2, 建筑面積為934.120 hm2。不同生態(tài)海綿體、人工海綿體的空間分布與不同影響要素結(jié)合, 常德市已建成的海綿體分布呈現(xiàn)出地形地貌、水文要素、植被要素影響的相應(yīng)空間特征。

(3) 示范區(qū)河流廊道數(shù)量少, 節(jié)點(diǎn)也少, 海綿廊道中的回路較少, 尚未形成較為完整的環(huán)狀結(jié)構(gòu),連通性和環(huán)通性差, 影響了廊道的徑流通道功能。應(yīng)增加海綿廊道環(huán)線的條數(shù), 提高網(wǎng)絡(luò)體系連接性。海綿廊道連通度較弱, 整個(gè)區(qū)內(nèi)不具有較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

(4) 只有合理的景觀格局, 才能有利于降水蓄滲與雨水資源利用, 從多維度揭示城市下墊面空間優(yōu)化規(guī)律, 提升城市水文效應(yīng)適應(yīng)性, 可為宏觀層次的海綿城市建設(shè)提供參考, 但其動態(tài)演變有待于進(jìn)一步研究。