俞靜

關鍵詞：水系肌理；總體城市設計；數(shù)據(jù)分析；分區(qū)；上海

中國城市的行政轄區(qū)往往包含相對集聚的建成地區(qū)和相對疏朗的外圍郊野地區(qū)[1]。相比高密度的城市化建成區(qū)，郊野地區(qū)的景觀風貌常因村落松散、田園相仿而難以分辨；長期以來城鄉(xiāng)二元分離的研究視角也難以呈現(xiàn)出地域景觀的整體歷史情境，往往需要在一個連續(xù)、開放、沒有明顯景觀阻隔[2]的城鄉(xiāng)環(huán)境中重新思考。這些都給國土空間規(guī)劃背景下的總體城市設計的地域景觀特征研究提出新要求。

考慮到河流水系具有單要素、跨區(qū)域及整體覆蓋的空間特點，本文借鑒城市化建成區(qū)關于“城市肌理”的空間形態(tài)研究方法，提出一種以“水系肌理”（water texture）為切入點的總體城市設計的地域景觀特征認知與分區(qū)方法，并以上海市郊野地區(qū)研究為例，探討這一方法的可行性和局限性。

1 研究綜述

1.1 水系肌理概念的構建

水系（water system）指一個由源頭、河道、湖泊、干流及眾多不同級別的支流所涉及的所有水體組成的整體系統(tǒng)[3]。水系是國土空間自然資源“山水林田湖草沙”中最基礎的要素，具有生態(tài)的根植性。以河流水系作為線性要素，跨地連接起湖泊、濕地、水庫、海洋等非線性要素，并因地貌特征與構造活動，呈現(xiàn)出樹狀、辮狀、羽狀、扇狀、網(wǎng)狀等多樣化流域形態(tài)，具有空間的連續(xù)性。同時，為了滿足人類飲水、灌溉、排污等多種需求，河流水系演化出水渠、水庫、涇浜圩田、蕩泊溇港等復雜功能和豐富場景，留下了千百年來農(nóng)業(yè)、工業(yè)與城鎮(zhèn)化的改造痕跡，具有歷史的延續(xù)性。人類逐水而居，河流水系承載了人與自然相互作用的過程，具有歷史積淀、形態(tài)延續(xù)、有序演進[4]的特點。

肌理（texture）指物象表面的紋理。從生物學角度來看，肌理是基因的外化表現(xiàn)。新牛津詞典（2013）[5]中強調(diào)了肌理在表征或者實質(zhì)上的一致性（consistency）特征。城市肌理是一種針對城市物質(zhì)空間形態(tài)特征的描述，最早可追溯至1748年的諾利地圖（Nolli map）中所呈現(xiàn)出來的圖底關系。它將建筑實體（solid mass）和開放虛體（open voids）凝練為簡潔黑白圖形，用以解讀其背后的城市地塊、街道和建筑布局[6]的結構秩序。此后，關于城市肌理的研究基本延續(xù)這一思路，以抽象化、類型化、指標化的方法繼續(xù)探討城市空間形態(tài)特征，近年來，更是深入到街道網(wǎng)絡、建筑群體等顆粒度更細、連續(xù)性更強的多維數(shù)據(jù)研究層面。

綜上，本文提出 “水系肌理”的概念作為切入點展開研究。2022年，上海市域共有河道46 771條、湖泊51個，河湖面積共計652.94 km?，河湖水面率10.30%[7]。河流水系是上海市域范圍內(nèi)最基本的歷史生態(tài)環(huán)境[8]，它如城市“街道”一般將農(nóng)田“地塊”和村落“建筑”有機組合起來，成為解讀上海市域自然與人文景觀演化的理想切入點。

1.2 水系肌理指標歸納

從生態(tài)學角度，自1914年Grvaelius[9]研究河流主次干支發(fā)育規(guī)律開始，到1945年R E Horton[10]提出Horton定律和1957年A N Strahler[11]構建Strahler河流分級方法，已積累了從河流數(shù)量、河流長度、河流面積等各類形態(tài)數(shù)據(jù)研究的成熟經(jīng)驗。在此基礎上，國內(nèi)外學者從水利開發(fā)、環(huán)境保護和安全保障的角度，對水系演化、發(fā)育、退化和修復治理也有頗多研究。

近年來，隨著3S技術的日益成熟，水系、水利、生態(tài)肌理等內(nèi)容被納入城市形態(tài)研究中[12]。如通過不同時期的河長、河網(wǎng)水面率等指標變化來研究城市化影響，探討城市功能、結構和空間布局與水系的適應性關系[13]。整體上，城市河流地表河道比例、地表河道彎曲系數(shù)、河面率與城市化均呈負相關，河床硬化率與城市化呈正相關[14]。針對上海這樣的平原水網(wǎng)地區(qū)，水系密布且受人為活動影響大，楊凱[15]、趙軍[16]、白義琴[17]等學者提出河頻數(shù)、河網(wǎng)密度、水面率、河網(wǎng)復雜度和河網(wǎng)發(fā)展系數(shù)等多種量化指標。劉樹[18]則進一步將河道密度、水面率等指標與單元格網(wǎng)結合，開啟了水鄉(xiāng)風貌特征網(wǎng)格化研究的探索。

經(jīng)梳理，河流水系形態(tài)的量化研究指標初步歸納如表1所示。

第一層次是總量型指標，直觀反映了河湖水系的總體規(guī)模特征，如河流面積、河流數(shù)量、河流長度、河流寬度等。

第二層次是比例型指標，反映了水系的某種形態(tài)、結構特征及其強度關系，多采用不同維度的形態(tài)數(shù)據(jù)交叉計算，如河面率、河道頻率、河網(wǎng)密度、岸線密度、河流交叉密集度等。其中，河流寬比（突擴比、突縮比）更適用于地形變化復雜而引起的具體水系形態(tài)變化的研究，河流分支比適用于主次結構分明而分段清晰的河流體系，不太適用于多濕地、灘涂、湖塘的平原水網(wǎng)體系。

第三層次是復雜程度指標，如分維指數(shù)，反映了水系的破碎和連接程度。

2 研究過程

2.1 研究思路

根據(jù)水系肌理的概念和指標梳理，進行上海市總體城市設計分區(qū)研究。上海襟江帶海，屬于典型的平原水網(wǎng)地區(qū)，河流邊界模糊、流向多變、不具有清晰的上下游關系。因此，除了第一層次4項總量型指標，以及不適應平原水網(wǎng)地區(qū)的“河流分支比”和“河流寬比”的2項指標，對其他7項指標進行數(shù)據(jù)分析。

研究對象以2014年測繪的上海市域范圍矢量地形圖為基礎，以1 000 m×1 000 m為尺度，在市域范圍內(nèi)形成7 061個柵格單元覆蓋上海市域空間。第一，以單因子柵格測評，識別不同因子的整體特征；第二，進行單因子相關性分析，從中識別出關鍵性指標；第三，對關鍵性指標聚類，探討基礎類型分區(qū)；第四，結合上海市域空間尺度和客觀環(huán)境，初步劃定地域景觀特征分區(qū)。

2.2 單因子柵格測評

2.2.1 水面率

計算公式為：

（1）

式中：S為水面率；A為水域面積（單位：m?）；Z為區(qū)域總面積（單位：m?）。

經(jīng)測算，上海市域的平均水面率為8.05%。柵格水面率有顯著的極化特點，最高柵格為青浦西淀山湖周邊地區(qū)；中等柵格為浦東、松江和嘉定腹地；市中心柵格因近現(xiàn)代城市建設導致大量水系填沒，僅能識別出一江一河等主要水系。

2.2.2 河道頻率

計算公式為：

（2）

式中：F為河道頻率；Q為河流條/（段）數(shù)（單位：段）；Z為區(qū)域總面積（單位：m?）。

經(jīng)測算，上海市域的平均河道頻率為0.000025條（段）/m?，即25條（段）/km?。最高柵格集聚在浦東腹地的川沙新鎮(zhèn)、泥城鎮(zhèn)等地；較高柵格位于浦東、金山和嘉定腹地；市中心柵格因城市化程度最高，其河道頻率最低且極低。

2.2.3 河網(wǎng)密度

計算公式為：

（3）

式中：N為河網(wǎng)密度；R為河流實際長度（單位：m）；Z為區(qū)域總面積（單位：m?）。

經(jīng)測算，上海市域的平均河網(wǎng)密度為0.0036 m/m?，即3.6 km/km?。最高柵格集聚在浦東腹地原南匯地區(qū)，較高柵格位于金山、奉賢、嘉定和崇明等地，最低柵格位于寶山、青浦、松江、閔行腹地等地。市中心柵格因城市建設而導致河網(wǎng)退化最為嚴重。

2.2.4 岸線密度

計算公式為：

（4）

式中：L為岸線密度；M為水域周長（單位：m）；Z為區(qū)域總面積（單位：m?）。

經(jīng)測算，上海市域的平均岸線密度為0.00748 m/m?，即7.48 km/km?。最高柵格集聚在浦東腹地原南匯地區(qū)，較高柵格位于金山、奉賢、嘉定和崇明等地，最低柵格位于寶山、青浦、松江、閔行腹地等地。市中心因城市建設，導致河網(wǎng)退化最為嚴重，也充分反映了城市化影響下的漸變特點。岸線密度與河網(wǎng)密度的指標特征基本一致。

2.2.5 河流交叉密集度

計算公式為：

（5）

式中：J為河流交叉密集度；O為河流交叉點個數(shù)（單位：個）；Z為區(qū)域總面積（單位：m?）。

經(jīng)測算，上海市域的平均河流交叉密集度為0.0000081個/m?，即8.1個/km?。柵格河流交叉密集度分布有顯著的極化特點，最高柵格集聚在浦東川沙新鎮(zhèn)、周浦鎮(zhèn)等地，較高柵格位于嘉定、金山腹地等地，反映了柵格水系形態(tài)的復雜細碎程度。市中心最低且極低。

2.2.6 河段彎曲度

計算公式為：

（6）

式中：C為河段彎曲度；D為河流起迄斷面的直線距離（單位：m）；R為河流實際長度（單位：m）。

經(jīng)測算，上海市域的平均河段彎曲度為2.63。最高柵格集聚在浦東、奉賢北部等地，較高柵格位于嘉定、青浦和金山等地，較低柵格位于松江、閔行、崇明和寶山等地，反映了水系形態(tài)的復雜蜿蜒程度。市中心最低。

2.2.7 分維指數(shù)

計算公式為：

式中：FRAC為分維指數(shù)；M為水域周長（單位：m）；A為水域面積（單位：m?）。

經(jīng)測算，上海市域整體分維指數(shù)1.63。柵格分維指數(shù)相對均衡，表現(xiàn)出平原水網(wǎng)均衡特征。最高柵格集聚在崇明的堡鎮(zhèn)、陳家鎮(zhèn)等地；較高柵格集聚于浦東外環(huán)以外、黃浦江上游和浦南等地。反映出不同區(qū)域在農(nóng)業(yè)化、工業(yè)化和城鎮(zhèn)化過程中的不同影響與階段性特征。

上述7項指標的單因子柵格測評如圖1所示。

2.3 柵格數(shù)據(jù)相關性分析

2.3.1 相關性分析

從單因子柵格測評可見，7項因子的數(shù)據(jù)分析結果各有異同，存在不同程度地相似性。為了更好地識別不同區(qū)域的差異性特征，應進一步通過相關性分析，將共線性因子在后續(xù)聚類分析中予以剔除。研究采用皮爾遜相關系數(shù)，即皮爾遜積矩相關系數(shù)（Pearson Product-Moment Correlation Coefficient，PPMCC），計算兩兩因子之間的線性相關性強弱。

計算公式為：

（8）

式中：ρ為相關系數(shù)；X、Y為兩項因子數(shù)據(jù)變量；cov（X，Y）為X、Y的協(xié)方差；σXσY為X、Y的標準差乘積。

相關系數(shù)絕對值越大，相關程度越強。當相關系數(shù)為1或-1時，X與Y可以由直線方程來描述；當相關系數(shù)為0時，X與Y之間無線性相關關系，但也可能存在其他相關關系，如曲線方式相關，此處暫不展開。

將7項因子柵格數(shù)據(jù)標準化，繪制兩兩之間散點分布圖，計算相關系數(shù)得到因子間相關性的矩陣和數(shù)值（見表2，圖2）。

2.3.2 關鍵因子篩選

7項因子柵格數(shù)據(jù)之間的相關性系數(shù)反映了各因子數(shù)據(jù)的相對獨立性。

因子之間相關系數(shù)越高，相似程度越高，越無法獨立作為一個維度的關鍵指標，應予以歸并。初步按照絕對值0.8—1.0為極強相關，0.6—0.8為強相關，0.4—0.6為中等程度相關，0.2—0.4為弱相關，0.0—0.2為極弱相關，當小于0.1時視為無相關來判斷。

首先是河湖水面率（S），與其他6項因子柵格數(shù)據(jù)的相關性多為極弱相關，可獨立采用。其次是分維指數(shù)（FRAC），與其他6項因子之間處于弱—中相關，可獨立采用。剩余5項因子柵格數(shù)據(jù)間的相關性均極強，從散點圖也可見一斑，可從中選擇1項易于操作的指標獨立采用?？紤]到數(shù)據(jù)來源為常規(guī)地形圖，不可避免地存在水路割裂問題。因此，從圖面信息的直接明確可獲得的角度來看，岸線密度（L）因子受干擾最小，作為代表指標，予以采用。

河湖水面率、分維指數(shù)和岸線密度被篩選為水系肌理研究的關鍵性指標。

上海市域與各區(qū)的3項關鍵性指標情況如表3、圖3所示。

2.4 聚類與歸并

2.4.1 多因子聚類分析

基于3項關鍵因子，研究采用Ward系統(tǒng)聚類法（hierarchical cluster analysis）。Ward法，即離差平方和法，通過先將每個樣本自身作為一類，在進行類別合并時，計算類中心間方差，先將離差平方和增加幅度最小的兩類合并，再依次將所有類別合并。Ward法適用于調(diào)查目標的變量重要性不明顯且須全面考慮所有變量的情況。

比較4類、6類、8類等不同精度層面組簇劃分的結果，兼顧研究精度與可操作性，采用較為清晰的4類劃分結果，即柵格數(shù)量分別為1 878、3 083、1 754和191個（不包含155個無水系數(shù)據(jù)柵格），以避免過于精細復雜的劃分帶來的過于碎片化、復雜化的分區(qū)問題，通過與空間柵格鏈接后，形成聚類圖（見圖4）。

2.4.2 類型空間歸并

考慮到宏觀研究特點，通過GIS進一步歸并相鄰且小于20個柵格單元的較小片區(qū)，形成數(shù)據(jù)視角下上海市域水系肌理特征的4個基礎類型（見圖5），并以水系最為突出直觀的形態(tài)特征進行命名。

（1）湖蕩密布型（Ⅰ）。水面率極高，岸線密度和分維指數(shù)較低。如青西淀山湖周邊的湖蕩地區(qū)，呈現(xiàn)為湖泊、濕地、蕩、塘連片交錯的自然形態(tài)，鄉(xiāng)村聚落形式表現(xiàn)為相對集中且沿水呈紡錘型分布。

（2）河網(wǎng)稠密型（Ⅱ）。水系稠密豐富，水面率高，岸線密度和分維指數(shù)較高。分布著較大的水塘、河道所形成的肌理，鄉(xiāng)村聚落形式表現(xiàn)為團狀散布。

（3）河流細碎型（Ⅲ）。水系細碎且豐富，水面率低，岸線密度和分維指數(shù)最高。分布著細密成網(wǎng)的河流水系，鄉(xiāng)村聚落形式表現(xiàn)為沿水帶狀、簇狀分布。蘇州河與黃浦江上游地區(qū)所呈現(xiàn)的不同特征值得進行對比研究。

（4）河渠簡疏型（Ⅳ）。水系簡單且稀疏，水面率和岸線密度低，分維指數(shù)波動大。如崇明島、浦東濱海邊緣，水系平直規(guī)則，鄉(xiāng)村聚落形式表現(xiàn)為帶狀散布，充滿了人工開墾的印記。

市域范圍內(nèi)，青浦區(qū)圍繞淀山湖以Ⅰ、Ⅱ類為主；松江區(qū)、嘉定區(qū)分別位于青浦區(qū)的南部和北部，兼有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類特征，并呈現(xiàn)出明顯的層次結構。金山區(qū)、奉賢區(qū)位于市域南部的杭嘉湖平原一帶，以Ⅲ、Ⅳ類為主。浦東新區(qū)最突出的特征是位于腹地的地勢低洼地區(qū)，包含原南匯地區(qū)在內(nèi)，以Ⅱ類為主，靠近中心城區(qū)及濱海則以Ⅳ類為主。閔行區(qū)、寶山區(qū)靠近中心城區(qū)，顯然受到城市化影響，以Ⅳ類為主，相對獨立的崇明島農(nóng)場集中，也是以Ⅳ類為主。

3 分區(qū)建議和研究結果

3.1 分區(qū)建議

總體城市設計是針對當前空間所提出的階段性的設計引導與管控建議。

根據(jù)市域空間尺度和歷史過程，疊加岡身線、崇明三島等關鍵地理信息，進一步將4個基礎類型分解為10個導控分區(qū)（見圖6，表4）。導控分區(qū)與傳統(tǒng)行政邊界相比，存在明顯的差異，客觀呈現(xiàn)了市域范圍的地域景觀特征。

位于市域最西端的青西的Ⅰ-A分區(qū)，本質(zhì)上屬于古太湖時代內(nèi)圍瀉湖所形成的淀泖洼地區(qū)域，地勢低洼，湖泊聚集，是市域內(nèi)水網(wǎng)最稠密、生態(tài)資源最富集的區(qū)域。該分區(qū)城市設計應單獨成片予以考慮。位于上述青西Ⅰ-A分區(qū)東側的青浦南—松江北的Ⅱ-A分區(qū)也屬于江南傳統(tǒng)典型的“低鄉(xiāng)（低位平原區(qū)）”區(qū)域，深受太湖水系影響，依然湖塘較多，形態(tài)豐富。

位于上述兩個片區(qū)南側的青浦中—松江西的Ⅳ-A分區(qū)，受黃浦江（上游段）影響形成跨青松兩區(qū)廊道，廊道內(nèi)人工改造多，水系有整治，上游太湖溢流影響與下游海潮影響在此形成均衡。位于上述兩個片區(qū)北側的嘉定西—青浦北的Ⅲ-A1分區(qū)，受到吳淞江影響形成跨嘉青兩區(qū)廊道，廊道內(nèi)改道多、分支多，形態(tài)復雜。位于市域南部的金山的Ⅲ-A2分區(qū)，杭嘉湖平原上細碎水網(wǎng)特征明顯。

浦東新區(qū)宏觀上分為內(nèi)陸Ⅱ-B1分區(qū)和濱海 Ⅳ-B兩個分區(qū)，充分體現(xiàn)了典型的海陸成型過程。浦東沿海岸線有推土治海的“捍海塘”，包括唐宋時期的里護塘（今浦東運河一帶）、明清時期的欽公塘（今川南奉公路一帶）等，共同形成了浦東地域景觀的年輪。濱海地帶多為草灘、海灘，以及人工開墾梳狀水系地帶，而內(nèi)陸則相對地勢低洼，是被層層堤壩圍合的漫灘泥濘地帶。浦東新區(qū)成陸較晚，河流水系平直規(guī)整，村落多沿水呈現(xiàn)帶狀肌理，與浦西村落相對聚集的團狀肌理有明顯差異。

崇明島相對獨立，為Ⅳ-C分區(qū)。崇明島實為崇明沙洲，主要由長江輸出的泥沙淤積而成，地勢坦蕩，經(jīng)過長期的促淤保灘和圍墾工程，全島形成多個農(nóng)場圍墾的地域景觀。

上海中心城區(qū)由于歷史原因，原有的密集河網(wǎng)基本消亡，已成為Napieralski[19]所說的“城市河流沙漠”之地。

3.2 研究結果

上述基于全市域?qū)用娴乃导±矸謪^(qū)方法搭建了宏觀環(huán)境與微觀景觀之間的跨尺度橋梁，構建了一種識別地域景觀特征類型和提出設計應對策略之間的路徑。

通過數(shù)據(jù)分析與管控分區(qū)，我們可以清楚地看到，湖蕩密布型的地域景觀僅占市域的1/30（3.3%），而河網(wǎng)稠密與河網(wǎng)細碎型則占近一半（48.9%），反映出上海市域的水鄉(xiāng)特色與太湖之濱那種水鄉(xiāng)澤國其實并不相似，而更接近于杭嘉湖平原稠密細碎的水系特征。這種稠密細碎的特征又隱含了明清以來人口集聚所引發(fā)的極度精耕細作的農(nóng)業(yè)痕跡。同時，河渠平直型占近半比例，反映了上海地處海陸交匯的前沿，歷史上的圍海造田、捍海泄水，以及近現(xiàn)代以來的工業(yè)化、城鎮(zhèn)化等復雜過程，留下了大量人工改造痕跡，這與同樣充滿人工改造痕跡的杭嘉湖平原相對均勻的蛛網(wǎng)型水系又不盡相同。

同樣，在上海市域內(nèi)部，由于不同的地理特征、地形條件和歷史形成過程，也充滿了豐富的差異性。通過水系機理的研究，從而加深對全域及不同片區(qū)差異性的認知。筆者在對下一層次浦東新區(qū)的地域景觀特征研究[20]中發(fā)現(xiàn)：一方面，通過數(shù)據(jù)分析同樣可以清晰地看到浦東新區(qū)的腹地—濱海的巨大落差，以及近郊—遠郊漸次變化的總體特征。另一方面，通過縮小研究范圍、縮小柵格尺度以及增加測評因子等方法，可以得到精度更高的聚類結果，并識別出浦東新區(qū)中心城區(qū)外圍曹路—合慶—唐鎮(zhèn)—北蔡—三林—張江一帶水系肌理劇烈變化的空間形態(tài)特征。這顯然與浦東新區(qū)快速城鎮(zhèn)化過程有著緊密關系。

4 結語

城市是復雜變化的，水系肌理只是研究城市的一種視角和方法?？傮w城市設計的研究本質(zhì)上是發(fā)現(xiàn)一種秩序，而非重新建立一種新的秩序[21]。因此總體城市設計遵循“尊重現(xiàn)有肌理，采取保守和適度”[22]的設計原則。水系肌理分類分區(qū)是基于對現(xiàn)實秩序的識別，其劃分邊界顯然受制于識別精度與管控要求，既不是唯一的，也不是絕對剛性的，而更多地是一種服務于識別和協(xié)調(diào)的柔性邊界。

從規(guī)劃管理角度來看，這一研究成果的應用，首先是保護性的。如禁止大幅簡化河流水系分枝狀態(tài)，避免對水體形態(tài)的隨意改變。尤其是在災害防御、鄉(xiāng)村振興、農(nóng)田整治和林地修復中防止一種不易察覺的建設性破壞。有研究顯示，太湖及太湖以東所特有的“活水周流”[23]地理水文特征是江南地區(qū)成為理想稻作區(qū)的重要成因，簡單地以防洪排澇為目的開辟疏浚河道，雖然在功能上更利于江南腹地水系直達江海，但也使水系周流時間大大縮短，引起更大范圍的水流匱乏，而損害到江南地區(qū)自古以來的自然人文特色。同樣，位于青浦西的湖蕩最為密布的淀山湖區(qū)域，是上海水系肌理特征最為獨特的區(qū)域，作為太湖水系與浙西水系的重要泄水積蓄之地，這里促成了當年黃浦江新劈后水勢湍急不浚自深的水利條件，也保留了太湖流域數(shù)百年來形成的經(jīng)典圩田溇沼的特色農(nóng)業(yè)景觀空間，值得我們重新審視其蘊含在貌似平淡疏闊的郊野風光背后的自然、人文的價值。上海開埠歷史不算太長，尚未完全城市化的郊野地區(qū)可能保留著1843年前更久遠的地理歷史信息。保護既是對看得見的風景的延續(xù)，也是對看不見的歷史的尊重。本文囿于數(shù)據(jù)條件，分析尚顯粗略。未來還可進一步將水系肌理與路、田、林、宅等其他空間要素肌理相關聯(lián)，對不同層次、不同類型、不同區(qū)域進行深化研究。