尉馨元 曹 鵬

(蘭州交通大學建筑與城市規(guī)劃學院,甘肅 蘭州 730070)

以往關于銀川市的城市與水資源的研究集中于水資源合理高效利用及水污染防治和生態(tài)環(huán)境方面,具有一定局限性。 將水系結構連通性與城市形態(tài)變化趨勢相結合進行分析,能夠更直觀地認識城市擴展與水系的關聯(lián)程度,為城市未來發(fā)展與水資源合理規(guī)劃利用提供參考[1-4]。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 城市概況

銀川市位于寧夏平原中部,境內(nèi)黃河穿過,境內(nèi)地表水系發(fā)達,歷史上黃河不斷改道衍生出眾多濕地湖泊,又因所處的環(huán)繞沙漠的地理位置與干旱少雨的氣候特征,為滿足城市發(fā)展需要,銀川市在2000 多年前就開始發(fā)展黃河自流灌溉。 自西漢以來,境內(nèi)開鑿的引黃灌渠有4 條:漢延渠、唐徠渠、惠農(nóng)渠和西干渠,大致由西南向東北重新注入黃河[5-6]。 其中,漢延渠和唐徠渠的開鑿時間為公元前,而惠農(nóng)渠與西干渠的開鑿時間分別為1729 年和1960 年。 除灌溉溝渠外銀川市境內(nèi)還有許多排水溝,主要用于泄洪和排出廢水。 因此,銀川市境內(nèi)水系溝渠縱橫,形成了完整的基于黃河引水自流灌溉的灌排水體系,被稱為“塞上江南”[7-9]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 2020 年銀川市行政邊界數(shù)據(jù)

銀川市行政區(qū)劃曾發(fā)生一定調(diào)整:2002 年10 月19 日撤銷銀川市城區(qū)、新城區(qū)與郊區(qū)而設立西夏、金鳳、興慶三個區(qū);2002 年10 月25 日將原吳忠市代管靈武市變更為銀川市代管[10]。 本文以2020 年銀川市行政邊界為基礎數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源于地理遙感生態(tài)網(wǎng)科學數(shù)據(jù)注冊與出版系統(tǒng),可以得出相對準確和更具參考價值的數(shù)據(jù)處理結果[9]。

將2020 年銀川市行政邊界數(shù)據(jù)導入ArcGIS 并配準轉換數(shù)據(jù)坐標系為WGS-1984-UTM-Zone-48N 坐標系;在數(shù)據(jù)屬性表中添加AREA 字段并進行幾何計算,得出2020 年銀川市行政區(qū)域總面積約為6886.60km2(本文行政區(qū)域面積數(shù)據(jù)未包括區(qū)縣面積;據(jù)銀川市人民政府網(wǎng)站統(tǒng)計數(shù)據(jù),銀川市下轄3 區(qū)2 縣1 市,總面積約9025.38km2)。

1.2.2 1990—2021 年銀川市30m 地表覆蓋數(shù)據(jù)

表1 為銀川市1990—2020 年每5 年城市土地利用面積統(tǒng)計數(shù)據(jù),圖1 為根據(jù)表1 數(shù)據(jù)繪制的銀川市土地利用柱狀圖。 由銀川市土地利用分類數(shù)據(jù)可以對銀川市土地利用程度有個初步的認識:研究區(qū)域內(nèi)土地以草原用地為主,其生態(tài)環(huán)境脆弱易荒漠化,在近三十年中草原用地覆蓋面積浮動小;農(nóng)田、水域、不透水面等其他用地面積則有所增長;裸地面積有較大幅度減少。

圖1 銀川市土地利用面積統(tǒng)計(1990—2020)

表1 銀川市土地利用面積統(tǒng)計表(1990—2020 年)單位:km2

1.2.3 1990—2020 年銀川市城市建成區(qū)數(shù)據(jù)

表2 為銀川市1990—2020 年不同時間的城市建成區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù),通過建成區(qū)覆蓋面積的統(tǒng)計,結合銀川市土地利用數(shù)據(jù),可對銀川市城市空間形態(tài)和城市建設情況作出更加準確的分析。 數(shù)據(jù)來源科學數(shù)據(jù)銀行網(wǎng)站[11]。

表2 1990—2020 年銀川市城市建成區(qū)面積匯總

1.2.4 1990 年、2000 年、2010 年、2020 年水系數(shù)據(jù)

本文水系網(wǎng)絡結構分布數(shù)據(jù)均來自銀川市1990—2020 年土地利用數(shù)據(jù)的水域用地提取,并結合當年谷歌影像進行對比補充繪制,利用ArcGIS 軟件進行坐標系校準與水系各項指標數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

2 研究方法

2.1 城市形態(tài)演變

a.質(zhì)心轉移法。 質(zhì)心為多邊形的幾何中心[12-13]。城市的質(zhì)心指一段時間內(nèi)城市發(fā)展的重心;城市重心的變化受不同因素影響[14],因此,以1990—2020 年每5 年為單位時間,對銀川市建成區(qū)質(zhì)心點進行提取并進行疊加分析,為銀川市城市建成區(qū)形態(tài)變化與周邊水系的關聯(lián)性提供判斷依據(jù)。

b.等扇分析法。 在研究區(qū)域內(nèi)選定一中點,以其為圓心劃一定半徑的圓并進行16 等分,得到16 個面積相等的扇形;對各方向扇形內(nèi)部各年份建成區(qū)域進行疊加,以定量方法通過對每個方位內(nèi)的建成區(qū)擴展速度和強度進行計算,得出城市在各方向的變化程度,進而判斷城市空間形態(tài)的演變特性[12,14]。

2.2 水系連通性指標評價法

選取水系連通性指標評價體系對銀川市境內(nèi)水系結構進行研究,對比指標與研究區(qū)實際情況選擇相關指標建立研究指標體系數(shù)據(jù)庫[14-16]。 水系連通性指標體系選取見表3。

表3 水系連通性指標體系[13-14,16-18]

指標體系分數(shù)量特征與結構特征,通過ArcGIS 軟件解譯提取與提取校對取得水系基礎數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計計算,建立評價指標數(shù)據(jù)庫(2000 年以前銀川市水系數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)缺失,本文通過將現(xiàn)有土地利用數(shù)據(jù)、當年地形影像數(shù)據(jù)以及多年份水系數(shù)據(jù)相結合進行解譯校準,最終選定對1990 年、2000 年、2010 年以及2020 年歷史影像數(shù)據(jù)的水系水域進行核對校準并用于數(shù)據(jù)庫建立)。

3 結果分析

3.1 城市形態(tài)演變研究

3.1.1 城市質(zhì)心演變

圖2 為銀川市建成區(qū)1990—2020 年質(zhì)心演變疊置分析圖。 建成區(qū)規(guī)模2005 年前在原有基礎上緩慢擴展;2005 年開始快速向周邊尤其以黃河干流沿岸為主要方向擴展,分散的建成區(qū)域開始逐漸相互聯(lián)系,并以黃河沿岸和人工溝渠為主要方向;2010 年,城市形態(tài)規(guī)模邊界雖然向外擴展,但速度降低甚至個別區(qū)域有所收縮。

圖2 銀川市1990—2020 年城市質(zhì)心演變疊置分析

研究區(qū)城市形態(tài)在1990—2015 年變動程度弱。1990—2000 年,質(zhì)心點由西北向東偏南移動;2000—2010 年,質(zhì)心點向東北移動;2015 年城市質(zhì)心重新向東南方向遷移并出現(xiàn)較大變動;直到2020 年,城市形態(tài)開始大幅度擴展且向外蔓延,城市質(zhì)心開始南移。

3.1.2 建成區(qū)等扇疊加分析

為使等扇研究面完整包含銀川市各年城市建成區(qū)域,選擇最靠近建成區(qū)域中心的2005 年質(zhì)心點作為等扇面圓心,以30km 為半徑繪制等扇分析面,得到1990—2020 年銀川市城市建成區(qū)等扇疊加分析圖(見圖3)。 據(jù)此繪制各方向扇形區(qū)域內(nèi)建成區(qū)面積統(tǒng)計表與雷達統(tǒng)計圖[14,16](見表4、圖4)。

圖3 銀川市1990—2020 年城市建成區(qū)等扇疊加分析

圖4 1990—2020 年銀川市城市建成區(qū)面積擴展雷達

表4 銀川市扇形區(qū)域建成區(qū)面積 單位:km2

由圖4、表4 可知:1990—2000 年,銀川市的城市建成區(qū)不斷向外擴展,但城市形態(tài)仍相對集中;2000年以后,城市建成區(qū)擴展程度變強:1990—2020 年,銀川市城市建成區(qū)的主要擴展方向有西部、東北部和南部,已知銀川市境內(nèi)黃河位于中部偏南,大致流向由西南向東北。 由以上分析可知:銀川市城市發(fā)展長期以來集中在整體行政區(qū)域的北部,且在總體擴展趨勢中具有追隨城市建成區(qū)以南黃河沿線發(fā)展的傾向;除此之外,城市建成區(qū)也有向西發(fā)展的趨勢,尤其在2020年時變化較為明顯,通過對歷史影像的對比解譯,2020年銀川市西的典農(nóng)河與水域用地均出現(xiàn)一定程度的擴展,較1990 年時水域用地更加連續(xù),為城市建設滿足了一定的水源要求和景觀要求。

為了能夠更直觀地研究銀川市城市建成區(qū)的變化,將城市擴展速度和擴展強度兩項作為對等扇分析面各方向的城市形態(tài)擴展趨勢研究指標,分別計算了每個方向在1990—1995 年、1995—2000 年、2000—2005 年、2005—2010 年、2010—2015 年、2015—2020 年6 個時段內(nèi)城市擴展的變化程度。 兩項指標的具體內(nèi)容見表5[14,16-17]。

表5 城市擴展評價指標內(nèi)容

1990—2020 年建設用地擴展強度基本保持平穩(wěn)且逐漸增長的趨勢;其中擴展速度與強度在2000 年左右出現(xiàn)了小的高峰期,這一時期的建成區(qū)擴展速度最高達到了0.11,擴展強度從2000 年前的0.05 提高到0.07,兩項指標在這一時段的快速增長后回歸相對平穩(wěn),但整體增長速度仍舊處于提高趨勢,見表6。

表6 銀川市城市建成區(qū)總面積擴展指標評價

為研究城市形態(tài)在各方向變化的具體情況,通過等扇面各方向建成區(qū)面積統(tǒng)計數(shù)據(jù),對各方向建成區(qū)擴展速度與強度進行計算,見表7、表8,并生成變化趨勢雷達折線分析圖,見圖5、圖6。

圖5 銀川市建成區(qū)擴展速度雷達統(tǒng)計圖(1990—2020)

圖6 銀川市建成區(qū)擴展強度雷達統(tǒng)計圖(1990—2020)

表7 1990—2020 年銀川市城市建成區(qū)各方向擴展速度

表8 1990—2020 年銀川市城市建成區(qū)各方向擴展強度

銀川市城市擴展總體上呈現(xiàn)平穩(wěn)上升的演變趨勢,1990—1995 年城市形態(tài)主要發(fā)展方向在WSW、SW和SSW 方向,且擴展強度與擴展速度指標水平變化突出;在此之后,銀川市發(fā)展開始注重現(xiàn)有用地,擴展速度與強度均有降低;但在2000 年城市建成區(qū)的總體向外擴展速度和強度重新提高且主要以SSW 方向為主。2005 年后,擴展強度有所降低;直到2010 年城市形態(tài)穩(wěn)定擴展,2020 年擴展強度大致保持穩(wěn)定水平,主要擴展方向從20 世紀90 年代末集中在SSW 方向轉向主城區(qū),擴展速度減緩,更注重現(xiàn)有城市用地的合理規(guī)劃利用。

3.2 城市水系連通性評價

銀川市城市形態(tài)變化發(fā)展依賴黃河干流與境內(nèi)水系,因此東部到南部擴展強度呈現(xiàn)波動趨勢;而向西和西南方向出現(xiàn)明顯變化:除依靠西南部黃河的發(fā)展外,城市形態(tài)也開始向西、西南發(fā)展,水域總面積變化不大;同時區(qū)域內(nèi)水系網(wǎng)絡分布逐漸合理,并與城市擴展相協(xié)調(diào)。

由于銀川市地處銀川平原,周邊圍繞沙漠,雖有黃河作為城市發(fā)展的水源,但受到降水量少、蒸發(fā)量大、黃河引水量等因素的限制,城市發(fā)展仍舊受到極大的制約[9]。

通過對城市建成區(qū)和土地利用數(shù)據(jù)的分析,銀川市建成區(qū)輪廓在30 年中不斷擴展,但新生建設用地零碎分散,分布密度低,用地并未形成成片空間;但通過對銀川市水域用地提取并與當年遙感影像數(shù)據(jù)進行對比后得出:1990—2020 年的水系、水域用地面積均有所增加,如銀川市城市用地以西的典農(nóng)河,其1990 年水系無法進行有效識別,而2020 年能夠明確劃定水域空間所處的水系軸線。

銀川市1990 年、2000 年、2010 年、2020 年的河流水系連通性評價指標數(shù)據(jù)庫見表9。 其中銀川市行政區(qū)域內(nèi)的河流總長度在1990—2000 年維持原有水平;而在2000—2020 年,研究區(qū)內(nèi)的河流總長度開始出現(xiàn)增長趨勢,2010 年水系總長度比2000 年增加142.04km,2020 年水系總長度比2010 年增加471.17km,二者漲幅差距極大,綜合考慮數(shù)據(jù)誤差使得結果與實際有所出入,但仍表明銀川市在2000 年開始水系總體出現(xiàn)很大的變化與發(fā)展。

表9 1990—2020 年銀川市水系連通性指數(shù)

黃河銀川段干流長度在30 年間未出現(xiàn)大的波動,總體在85km 左右浮動,但與同時期的區(qū)域河流總長度對比可知,銀川市的水系變化主要表現(xiàn)在支流河道與引黃溝渠水系的變化。

通過對河網(wǎng)密度、水面率、河道頻率指標結果橫向?qū)Ρ妊芯?代表河網(wǎng)長度發(fā)育狀況的河網(wǎng)密度指標變化趨勢與銀川市河網(wǎng)總長度變化趨勢基本趨于同步:在1990—2000 年間基本處于持續(xù)穩(wěn)定趨勢;2000 年后,其河網(wǎng)密度開始逐漸增長,增速也不斷加快:1990—2000 年,河網(wǎng)密度變化幅度只有0.01,但在2000 年后,增長幅度提高,2000—2010 年增加0.02、2010—2020 年增加0.06。 水面率指標也隨之出現(xiàn)變化:銀川市河網(wǎng)水面率在1990—2010 年指標變化處于平穩(wěn)狀態(tài),2020 年境內(nèi)的水系總長度增加、水系數(shù)量增加;與此同時,銀川市近年對于城市綠化與休閑空間建設的重視程度不斷提高,城市居民對于城市景觀空間的要求也隨生活水平的提升而增高,因此,銀川市境內(nèi)的水系、人工溝渠、湖泊、水域面積等也在不斷增加,2020 年,水域面積與水系數(shù)量極大增長,河網(wǎng)發(fā)育程度有所提高。 與此相反,1990—2020 年河道頻率指標未出現(xiàn)顯著變化,即使在1990—2000 年有所增長,但過后仍回落到原水平。 這是因為銀川市的河流水系與水域面積等指標增加的主要因素在于引黃溝渠的改造和增加河道溝渠支流數(shù)量,無法構成完整的自然河流水系計入研究區(qū)河流數(shù)量指標。 因此,在銀川市河網(wǎng)總長快速增長的同時,有關河流數(shù)量道的河道頻率指標并未隨之增長,較2000 年與2010 年時0.80 條/km左右的指標還有所下降。

關于銀川市境內(nèi)水系的連通性結構特征評價指標,支流發(fā)育系數(shù)指研究區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)各級支流的發(fā)育狀況;干流面積長度比則體現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)水系的河流干流主干化程度,用以研究水系形態(tài)的變化[14]。 由于銀川市特殊的人工溝渠縱橫的現(xiàn)實情況,且本文研究主要圍繞城市形態(tài),為了完整得出水系形態(tài)變化趨勢以及與城市形態(tài)的關聯(lián)性,對于研究區(qū)域內(nèi)的水系網(wǎng)絡以黃河主干為一級河流,其余溝渠水系均作為二級水系處理;采取定性研究法及模型法,建立銀川市以黃河為主干河流、區(qū)域河流與人工引黃溝渠為支流水系的水系連通性評價指標體系,除以上水系數(shù)量特征評價體系外,加入支流發(fā)育系數(shù)和干流面積長度指標比作為描述評價城市水系網(wǎng)絡主干與支流形態(tài)變化的指標。

由銀川市境內(nèi)水系支流發(fā)育系數(shù)和干流面積長度比的指標含義與對研究區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)支流的變化趨勢的研究結果發(fā)現(xiàn):1990—2020 年,銀川市的水網(wǎng)密度不斷提升,而支流發(fā)育系數(shù)的變化趨勢與河網(wǎng)密度指標基本保持同步,即在2000 年以前指標系數(shù)增速很慢,2000 年支流發(fā)育系數(shù)較1990 年增加1.2;但2010 年支流發(fā)育系數(shù)增速提升,較2000 年提高1.66;到2020 年時支流發(fā)育系數(shù)已達到23.62,較之前的系數(shù)增長幅度提升3 倍左右。 但黃河銀川段干流面積長度比的指標變化趨勢有所不同:黃河干流面積長度比盡管變化細微,但近30 年間仍處于緩慢下降的趨勢;從干流面積長度比所代表的干流主干化程度來說,該指數(shù)變化表示黃河干流在1990—2020 年間黃河的主干化程度有所減弱,即黃河的支流與基于黃河干流衍生的水系結構逐漸復雜。 結合水網(wǎng)密度、支流發(fā)育系數(shù)、干流面積長度比三者的變化趨勢可知:銀川市行政區(qū)域內(nèi)的水系網(wǎng)絡在近30 年的發(fā)展中結構趨于復雜,河網(wǎng)水系的數(shù)量和密度不斷增加,主要是非自然形成的河流或大型水系的引流溝渠與人工景觀水系;而黃河干流主干化程度在逐漸減弱,黃河支流增加,河網(wǎng)密度的不斷提升。

4 結論與建議

4.1 結論

a. 銀川市城市建成區(qū)形態(tài)與水系結構連通性評價指標變化趨勢基本同步,尤其以河流總長度、河網(wǎng)密度、支流發(fā)育系數(shù)同步性更為明顯,其變化趨勢特征與城市建成區(qū)面積與質(zhì)心點變化同步,證明了銀川市城市的形態(tài)發(fā)展與水系網(wǎng)絡具有很深的關聯(lián)性,城市依靠水系網(wǎng)絡建設發(fā)展,水網(wǎng)結構連通度決定了城市擴展方向及其強度與速度。

b. 通過對銀川市城市建成區(qū)等扇疊加分析及與水系結構連通度相結合分析可知,銀川市城市形態(tài)變化趨勢與境內(nèi)黃河支流水系與引排水溝渠等水系結構的分布具有重要聯(lián)系,多年以來城市擴展方向以沿銀川段黃河為主,但在近10 年,銀川市城市向西南方向擴展的強度與速度開始加快,同時在30 年的城市形態(tài)變遷中,銀川市城市建成區(qū)外圍輪廓擴展趨勢明顯,但內(nèi)部分布破碎、聯(lián)系不強。 因此,在2010 年左右銀川市城市形態(tài)變化具有一定向內(nèi)收縮的趨勢,主要集中在對原有城市用地的調(diào)整建設。 經(jīng)對比銀川市1990—2020 年水系圖與城市建成區(qū)等扇疊加分析圖可知,西南向水系網(wǎng)絡的水網(wǎng)逐漸復雜,且城市形態(tài)出現(xiàn)變化最大的方向同樣位于SW 方向,表明銀川市發(fā)展與水網(wǎng)發(fā)達程度緊密聯(lián)系、城市擴展將首先考慮水系通達度。

4.2 建議

銀川市城市空間形態(tài)與境內(nèi)水網(wǎng)復雜程度聯(lián)系緊密,結合自然環(huán)境條件:研究區(qū)域氣候干旱,境內(nèi)以平原為主,易于荒漠化,生態(tài)環(huán)境脆弱,應著重保護當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的穩(wěn)定,保持水土、防風固沙。 同時根據(jù)銀川市城市空間形態(tài)的演變與當?shù)厮W(wǎng)結構的高度關聯(lián)性,當?shù)爻鞘薪ㄔO發(fā)展應著重考慮合理規(guī)劃水系與水網(wǎng)結構,合理規(guī)劃建設并形成高效合理的水網(wǎng)體系,使河流水系成為銀川市未來發(fā)展的一大重要助力。 對當?shù)厮Y源的利用需統(tǒng)一管理建設,通過水系結構與連通性等具有一定參考價值的指標數(shù)據(jù)控制,提高城市水面率與水網(wǎng)密度,保證城市建設水循環(huán)體系的不斷優(yōu)化,為研究區(qū)域依托水系的城市建設與發(fā)展提供保障[19]。

銀川市的城市建設、農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)發(fā)展都需借助水系資源。 因此,銀川市城市的形態(tài)變化與水網(wǎng)發(fā)育程度變化同步且具有很強的關聯(lián)性,但也由此可知其生態(tài)環(huán)境更易受到破壞。 《基于TM 影像的銀川平原湖泊濕地景觀空間格局動態(tài)演化研究》一文中提出:銀川市的城市形態(tài)演變驅(qū)動因子包括人為與自然因子,其中自然因子即氣候、水文等因素,從以上研究所得結論可知,銀川市的城市宏觀形態(tài)受水系影響更大。但隨社會發(fā)展,對于城市宏觀形態(tài)塑造中人為因素的影響力提升,使生態(tài)環(huán)境、水系結構等受到一定程度破壞:如黃河水量減少、湖泊濕地水域面積改做農(nóng)田面積減少、污水污染等;在2000 年后出于對黃河和生態(tài)環(huán)境的保護,對黃河水資源取用量減少并進行限制,但地下水位下降危機不可避免[7]。 《銀川市城市脆弱性研究》一文中提出:銀川市城市脆弱性逐漸由經(jīng)濟主導型向生態(tài)和社會主導型演變,水資源與生態(tài)問題將成為影響城市形態(tài)的主要因素,表明未來城市發(fā)展必須逐漸將生態(tài)問題納入主要關注范疇[20]。 結合銀川市城市形態(tài)與水系的關聯(lián)性,未來發(fā)展必須考慮完善水系規(guī)劃與指標體系水平把控,如嚴格控制水資源濫用與污染水排放、保護黃河干流生態(tài)環(huán)境、提高城市水系利用效率,形成可持續(xù)的適宜性城市擴展體系。