李林森,王 涵,劉 凱,寧一航,陳 思,宋春橋**

(1:河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院,焦作 454000)(2:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院,徐州 221000)(3:中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210008)(4:重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院,重慶 401331)(5:南京信息工程大學(xué)長(zhǎng)望學(xué)院,南京 210044)

湖泊是地球水循環(huán)和全球生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分,承載著水資源儲(chǔ)存和供給、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性維系等服務(wù)功能[1-4]。幾十年來(lái),氣候變化和人類活動(dòng)干擾對(duì)全球湖泊產(chǎn)生了顯著影響,同時(shí)湖泊變化反過(guò)來(lái)也影響人類的生存環(huán)境[5-8]。城市湖泊通常指位于城市建成區(qū)或城市近郊的湖泊,相比其他類型湖泊,城市湖泊水域面積較小、水深較淺,接觸它們的人更多[9-11],因此也可能受到更高強(qiáng)度的人類活動(dòng)干擾。人們可以直接享受城市湖泊提供的多種生態(tài)服務(wù)功能,如供水、灌溉、捕魚(yú)、防洪抗旱、降溫增濕、生物棲居、微氣候調(diào)節(jié)及文旅休閑等[12-17]。已有研究表明,在較溫暖季節(jié),城市湖泊表面溫度低于其他城市用地,形成城市環(huán)境中的“冷島”[18]。湖泊表面的水氣交換,隨著空氣流動(dòng)擴(kuò)散到周邊環(huán)境,增加空氣濕度,進(jìn)而調(diào)節(jié)城市微氣候[19-20]。此外,城市湖泊具有一定程度的自凈能力,水生植物健全的水體對(duì)比開(kāi)敞水體總氮、總磷的含量分別下降了59.4%、57.0%[21]。

城市是人類活動(dòng)的核心區(qū)域,人們生產(chǎn)生活等行為大多發(fā)生在城市。2020年全球城市化率約為56.2%,隨著城市化水平的不斷攀升,到2050年全球城市化率(通常指城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诘谋壤?將到達(dá)68%左右[22-25]。中國(guó)是全球城市化發(fā)展進(jìn)程最快的國(guó)家之一,據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,截止2020年全國(guó)城市化率為63.9%,預(yù)計(jì)2035年將達(dá)到75%左右[26-27]?？焖俪鞘谢M(jìn)程極大地改變城市湖泊分布和環(huán)境,不僅會(huì)導(dǎo)致湖泊數(shù)量和面積的變化,還會(huì)造成湖泊水質(zhì)惡化、湖泊生態(tài)環(huán)境退化、生物多樣性喪失以及湖泊原真景觀的破壞[28-31]。目前,對(duì)于我國(guó)城市湖泊的研究多集中在單個(gè)城市或熱點(diǎn)湖泊,更多關(guān)注面積變化、湖泊水質(zhì)、湖泊生態(tài)等[32-38]。少數(shù)研究關(guān)注全國(guó)范圍的城市湖泊變化,如Xie等分析1990-2015年我國(guó)主要省會(huì)城市的城市湖泊時(shí)空變化[39]。其研究結(jié)果表明,城市湖泊景觀破碎度明顯增加,水域面積顯著減少,城市擴(kuò)張是主要因素。盡管已有文獻(xiàn)對(duì)我國(guó)個(gè)別或大型城市的城市湖泊的時(shí)空變化、環(huán)境演變、綜合治理等進(jìn)行了不同方面的研究,但缺乏對(duì)我國(guó)城市湖泊的空間分布進(jìn)行全面精細(xì)化調(diào)查和摸底。近期,Song等利用2020年前后的Sentinel-2衛(wèi)星影像提取并發(fā)布了全國(guó)面積大于0.001 km2的高空間分辨率城市湖泊分布數(shù)據(jù)集,但未對(duì)城市湖泊的分布格局及空間特征背后的機(jī)制進(jìn)行剖析[40]?；谠摂?shù)據(jù)集,本研究將從地理本底視角下探討我國(guó)城市湖泊分布的空間分異特征,揭示城市湖泊的空間分布規(guī)律與氣象要素、地形要素和人類活動(dòng)的潛在聯(lián)系,為進(jìn)一步探究城市化進(jìn)程與城市湖泊之間的相互關(guān)系以及在城市化進(jìn)程中合理的保護(hù)和管理城市湖泊提供科學(xué)依據(jù)。

本研究基于中國(guó)城市湖泊分布數(shù)據(jù),以城市湖泊的數(shù)量、面積、豐度、密度為統(tǒng)計(jì)指標(biāo),以縣(區(qū))為評(píng)價(jià)基本單元,分析了中國(guó)城市湖泊在不同地域單元、不同行政等級(jí)、不同城市規(guī)模的分布格局,綜合考慮地貌格局、氣候特點(diǎn)和城市化對(duì)城市湖泊分布格局的影響,采用相關(guān)性分析和多元回歸統(tǒng)計(jì)描述城市湖泊與各影響因素之間的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

1.1.1 中國(guó)城市湖泊數(shù)據(jù) 本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是論文作者團(tuán)隊(duì)前期已完成并公開(kāi)發(fā)布的中國(guó)城市湖泊數(shù)據(jù)集[40]。該數(shù)據(jù)集基于2019-2021年所有無(wú)云Sentinel-2影像通過(guò)中值合成獲得高質(zhì)量覆蓋數(shù)據(jù),并采用兩步城市水體指數(shù)法(TSUWI)篩選閾值大于0的影像像元[41],通過(guò)谷歌地球引擎(GEE),生成初步水體提取結(jié)果;轉(zhuǎn)換矢量后,根據(jù)城市區(qū)域邊界的空間關(guān)系對(duì)水體提取結(jié)果進(jìn)行篩選,排除非城市水體,再結(jié)合World Image Wayback亞米級(jí)高分辨率影像進(jìn)行人工解譯,剔除城市范圍內(nèi)非湖泊類型水體,保留城市范圍內(nèi)面積大于0.001 km2的湖泊。該數(shù)據(jù)集通過(guò)與高分辨率影像的手工數(shù)字化數(shù)據(jù)、全球和國(guó)家湖泊數(shù)據(jù)比對(duì),交叉評(píng)估數(shù)據(jù)集中城市湖泊數(shù)量和面積的精度。該數(shù)據(jù)集參照全球城市邊界(GUB)數(shù)據(jù)[42],根據(jù)城市邊界與湖泊的空間關(guān)系將三類水體定為城市湖泊,類型一:在GUB內(nèi)的湖泊;類型二:與GUB邊界相交湖泊;類型三:湖泊與GUB不相交,但被公認(rèn)為城市湖泊的少量城市鄰近的大型湖泊,如太湖、滇池、洱海等。由于類型三湖泊不在城市范圍內(nèi),本文主要針對(duì)類型一和類型二的城市湖泊開(kāi)展分析,如圖1所示,其中紅色虛線代表城市邊界。中國(guó)城市湖泊數(shù)據(jù)集的其他技術(shù)細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn)[40],數(shù)據(jù)訪問(wèn)下載地址見(jiàn)https://zenodo.org/record/6569049。

圖1 城市湖泊示意圖[40]Fig.1 Urban lake schematic plot[40]

1.1.2 中國(guó)城市邊界數(shù)據(jù) 本研究使用的城市邊界源于從全球人工不透水面(GAIA)數(shù)據(jù)[43]生成的全球城市邊界(GUB)數(shù)據(jù)集[42]。該數(shù)據(jù)集首先采用核密度估計(jì)法生成不透水面核密度圖,將核密度超過(guò)20%的區(qū)域視為城市區(qū)域[44],其次采用11×11摩爾鄰居的元細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型填充遺漏的城市中心/周?chē)陌邏K,并將窗口中城市像素占比超過(guò)20%的窗口區(qū)域視為城市[45],運(yùn)行3次后繪制出初始城市邊界;再次使用形態(tài)學(xué)方法(膨脹和腐蝕)改進(jìn)城市邊界[46],去除緊湊度低、小而分散的城市斑塊。最后填充一些城市邊界內(nèi)遺漏的水體或綠地空洞,生成全球主要城市群和周邊較小城市的城市邊界。由于本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為該數(shù)據(jù)集界定的城市湖泊數(shù)據(jù)[42],所以統(tǒng)計(jì)該數(shù)據(jù)集中國(guó)區(qū)域的城市邊界作為城市面積要素?cái)?shù)據(jù),其中全國(guó)城市總面積為187,551 km2。

1.1.3 主要地理要素?cái)?shù)據(jù) 為了分析我國(guó)城市湖泊分布的地理規(guī)律,研究考慮人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、地形、水文氣象等多方面地理要素。本文采用相關(guān)數(shù)據(jù)包括自然環(huán)境數(shù)據(jù)、人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、行政邊界數(shù)據(jù)等。具體而言,2020年全國(guó)年均溫度、年降水量數(shù)據(jù)是基于全國(guó)2400多個(gè)氣象站點(diǎn)日觀測(cè)年合成數(shù)據(jù),通過(guò)Anuspline軟件生成的空間插值數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境和科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn),其空間分辨率為1 km;數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)采用中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境和科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn)提供的SRTM V4.1版本(Shuttle Radar Topography Mission Version 4.1),空間分辨率為90 m;河流水系分布數(shù)據(jù)源于HydroRivers[47](https://www.hydrosheds.org);全國(guó)人口分布數(shù)據(jù)(100 m)從WorldPop(https://hub.worldpop.org)獲取;全國(guó)GDP分布柵格數(shù)據(jù)(1 km)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境和科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn);2020年全國(guó)省、市、縣行政邊界數(shù)據(jù)從國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心(http://www.ngcc.cn/ngcc)獲取。

1.2 研究方法

1.2.1 城市湖泊分布度量指標(biāo) 利用ArcGIS中“TabulateIntersection”工具模塊對(duì)中國(guó)城市湖泊數(shù)據(jù)集提取各評(píng)價(jià)單元內(nèi)城市湖泊數(shù)量和面積,分別計(jì)算各單元的湖泊豐度和密度。城市湖泊豐度(ULA,個(gè)/km2)為城市湖泊數(shù)量與城市建城區(qū)面積的比值,反映了城市湖泊資源的分布豐富程度,計(jì)算公式如下:

(1)

式中,LN為評(píng)價(jià)單元湖泊數(shù)量(個(gè));UA為評(píng)價(jià)單元GUB面積(km2)。

城市湖泊密度(ULD,%)為城市湖泊面積在城市建城區(qū)范圍內(nèi)中的占比,反映了城市湖泊的空間覆蓋度,計(jì)算公式如下:

(2)

式中,LA為評(píng)價(jià)單元湖泊面積(km2);UA為評(píng)價(jià)單元GUB面積(km2)。

1.2.2 地理要素提取 利用ArcGIS中“Zonal Statistic”工具模塊,分區(qū)統(tǒng)計(jì)地理要素?cái)?shù)據(jù)在各評(píng)價(jià)單元內(nèi)的平均值或累計(jì)值,包括年均溫度、年降雨量、平均高程、人口數(shù)量、GDP、城市面積。此外,利用“Raster Calculator”工具計(jì)算地形起伏度/m(地形起伏度=評(píng)價(jià)單元最大高程值-評(píng)價(jià)單元最小高程值)。將分區(qū)統(tǒng)計(jì)獲得的河流長(zhǎng)度除以城市面積轉(zhuǎn)換為河網(wǎng)密度。

1.2.3 城市湖泊分布與各地理要素的關(guān)系 利用SPSS軟件分析城市湖泊分布與各因素的相關(guān)關(guān)系,縣(區(qū))作為單元,以與城市湖泊分布存在潛在關(guān)聯(lián)的各地理要素為輸入變量、湖泊分布(分布豐度和密度)為輸出變量進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,探討我國(guó)城市湖泊分布隨各地理要素條件的分異規(guī)律;再以城市湖泊分布對(duì)各因素進(jìn)行逐步回歸,構(gòu)建統(tǒng)計(jì)回歸方程,確定影響城市湖泊分布的主導(dǎo)因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 全國(guó)城市湖泊空間分布總體格局

中國(guó)地理范圍廣闊、地形復(fù)雜、氣候多樣,不同地區(qū)和行政級(jí)別的城市發(fā)展水平不均衡。受到各類自然或人文地理要素本底條件的制約,中國(guó)城市湖泊分布呈現(xiàn)出東、南多,西、北少的空間格局。在中國(guó)三大城市群——粵港澳大灣區(qū)、長(zhǎng)三角地區(qū)和京津翼地區(qū),城市湖泊分布最為密集。從總體上看,全國(guó)目前有1.1×105個(gè)城市湖泊(>0.001 km2),總面積超過(guò)2.11×103km2,占全國(guó)城市面積的1.13%?；谌珖?guó)西高東低的地貌格局和南濕北干的氣候條件將全國(guó)劃分為五大湖區(qū)[37],統(tǒng)計(jì)分析不同湖區(qū)的城市湖泊(圖2)。東部平原湖區(qū)擁有最多的城市湖泊(96320個(gè))和最大的面積分布(1735.9 km2),占全國(guó)城市湖泊總數(shù)量和總面積87.0%、82.2%。同時(shí),其自然湖泊(>1 km2)的數(shù)量和面積僅次于青藏高原湖區(qū)。這由于東部平原湖區(qū)地勢(shì)平坦、氣候濕潤(rùn)、降水豐沛,有利于自然湖泊的形成和維持,高城市化水平和城市邊界快速擴(kuò)張又促使大量的自然湖泊或人造洼地轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘泻?。青藏高原湖區(qū)自然湖泊最多,湖泊面積占全國(guó)湖泊的一半以上[37],然而該高原湖區(qū)的城市湖泊數(shù)量最少(154個(gè))、面積最小(1.87 km2),僅占全國(guó)的0.10%、0.09%。青藏高原湖區(qū)在數(shù)百萬(wàn)年的地質(zhì)演化過(guò)程中,雪水、冰川融水以及降水匯集,形成豐富的自然湖泊,但是由于相對(duì)較低人口密度和城市規(guī)模降低了城市湖泊的需求,同時(shí),寒冷干燥的氣候條件,不利用人工湖泊的構(gòu)建,造成該湖區(qū)自然湖泊和城市湖泊空間分布格局的顯著差異。

圖2 中國(guó)城市湖泊分布格局(該圖基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2020)4632號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作,底圖無(wú)修改)Fig.2 Spatial distribution pattern of urban lakes in China

從水系流域統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看(圖2),擁有城市湖泊數(shù)量最多的3個(gè)一級(jí)流域單元是長(zhǎng)江流域片(36307個(gè))、珠江流域片(21711個(gè))、海河流域片(16290個(gè)),分別占全國(guó)總數(shù)的32.8%、19.6%、14.7%;其次分別是淮河(13977個(gè))、東南諸河(9623個(gè))、松遼河(6625 個(gè))、黃河(4893個(gè))、內(nèi)陸河(873個(gè))、西南諸河(399個(gè))流域。各流域城市湖泊總面積排名順序略有不同,依次為長(zhǎng)江(占總面積的35.5%) >海河(15.0%) >珠江(14.8%) >淮河(12.4%) >黃河(8.5%) >松遼河(6.7%) >東南諸河(5.1%) >內(nèi)陸河(1.6%) >西南諸河(0.4%)流域。

2.2 不同行政級(jí)別單元城市湖泊分布

2.2.1 不同地域單元城市湖泊分布的總體特征 全國(guó)城市湖泊分布豐度和密度特點(diǎn)在不同行政級(jí)別的城市上存在差異。在本研究中,將全國(guó)分為7個(gè)區(qū)域:西北、西南、東北、華中、華北、華南和華東,分別計(jì)算了全國(guó)和各個(gè)區(qū)域不同行政級(jí)別城市湖泊數(shù)量和面積,以及相應(yīng)的湖泊豐度和密度(圖3)。從不同分區(qū)來(lái)看,華東地區(qū)城市湖泊最多、面積最大,分別為48219個(gè)、869.1 km2,占全國(guó)城市湖泊總數(shù)量和總面積的43.6%、41.1%;西北地區(qū)城市湖泊數(shù)量最少、面積最小,分別為2117個(gè)、94.7 km2,占全國(guó)城市湖泊總數(shù)量和總面積的1.9%、4.5%(圖3a、3b)。湖泊豐度最高的3個(gè)區(qū)域是華南、華東和華中,分別為1.0、0.7和0.6個(gè)/km2(圖3c);湖泊密度最大的3個(gè)區(qū)域是華中、華南和華東,分別為1.6%、1.4%和1.2%(圖3d)。

圖3 不同行政級(jí)別的城市湖泊分布特征Fig.3 Distribution characteristics of urban lakes at different administrative levels

從五類行政級(jí)別來(lái)看,地級(jí)市(僅包括該城市下轄城區(qū))城市湖泊數(shù)量和面積遠(yuǎn)高于另外行政等級(jí)的城市(圖3a、3b),分別占全國(guó)總數(shù)量和總面積的39.0%與39.8%。其次,34個(gè)省會(huì)城市(僅包括該城市下轄城區(qū))擁有24903個(gè)城市湖泊,面積合計(jì)634.3 km2,分別占全國(guó)總量的22.5%、30.0%,這可能與其區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和高城鎮(zhèn)化率關(guān)系密切(圖3a、3b)。全國(guó)范圍內(nèi),湖泊豐度最高的是地級(jí)市(0.7個(gè)/km2),其次分別是省會(huì)城市(0.6個(gè)/km2)、縣級(jí)市(0.54個(gè)/km2)、縣(0.5個(gè)/km2)和其他類別(0.3個(gè)/km2)(圖3c);湖泊密度的排名稍有不同,省會(huì)城市(1.6%)湖泊密度最大,其次是地級(jí)市(1.3%)、縣(0.8%)、縣級(jí)市(0.7%)和其他類別(0.4%)(圖3d)。城市湖泊在各個(gè)行政等級(jí)的城市中呈現(xiàn)出明顯的空間分異特征,較高行政級(jí)別的城市通常擁有更豐富的城市湖泊資源,地級(jí)市和省會(huì)城市尤其明顯, 而行政等級(jí)較低的城市湖泊資源相對(duì)較弱。這一趨勢(shì)可能受到城市規(guī)模、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、土地利用政策和人口密度等多種因素的影響。

從不同分區(qū)來(lái)看,地級(jí)市城市湖泊數(shù)量和面積占比相對(duì)較高,特別是華南地區(qū),地級(jí)市湖泊數(shù)量和面積占比分別為67.6%和76.2%(圖3a、3b),華北地區(qū)城市湖泊主要集中在省會(huì)城市,湖泊數(shù)量和湖泊面積占比分別為50.6%和47.5%。這是由于華南地區(qū)氣候溫潤(rùn)、水系豐度、城市湖泊分布相對(duì)分散,汕頭市、汕尾市等地級(jí)市擁有大量城市湖泊。而華北地區(qū)氣候相對(duì)干燥,自然湖泊較少,城市湖泊主要依賴于城市規(guī)劃和人工建設(shè),北京、天津等城市化程度較高的省會(huì)城市,有利于城市湖泊的形成與維持?？h和縣級(jí)市的城市湖泊數(shù)量占比最多的區(qū)域分別為華東(24.2%)和東北(21.1%),湖泊面積占比最多的區(qū)域分別為東北(31.3%)和西南(37.3%)(圖3a、3b)。華中和華北地區(qū)省會(huì)城市的湖泊豐度最高,分別為0.9和0.7個(gè)/km2;東北和西北地區(qū)地級(jí)市的城市湖泊豐度最高,分別為0.5和0.2個(gè)/km2;華南和西南地區(qū)縣級(jí)市的城市湖泊豐度最高,分別為1.2和0.4個(gè)/km2;華東地區(qū)縣級(jí)城市湖泊豐度最高(0.7個(gè)/km2)(圖3c)。省會(huì)城市中華中地區(qū)湖泊密度遠(yuǎn)高于其他區(qū)域(5.9%),華南地區(qū)地級(jí)市的城市湖泊密度最大(1.7%)?？h級(jí)市、縣和其他類別中湖泊密度最大的區(qū)域分別為:西南(1.9%)、東北(1.4%)和華南(1.1%)(圖3d)。

2.2.2 不同行政級(jí)別單元城市湖泊分布的空間分異特征 本研究分析了不同行政等級(jí)的城市單元內(nèi)的城市湖泊分布豐度和規(guī)模特征。就湖泊數(shù)量而言,擁有城市湖泊最多的地區(qū)是廣東省(17787個(gè))、江蘇省(10761個(gè))及山東省(9344個(gè)),分別占全國(guó)城市湖泊總數(shù)的16.1%、9.7%和8.4%(圖4a)。就湖泊面積而言,最突出的是廣東省(248.8 km2)、山東省(236.4 km2)、湖北省(225.6 km2),這些省份的湖泊面積分別占全國(guó)城市湖泊總面積的11.8%、11.2%、10.7%(圖4b)。澳門(mén)特別行政區(qū)、寧夏回族自治區(qū)和湖北省是湖泊分布密度最高的三個(gè)省/自治/特區(qū),分別為10.1%、4.0%、3.9%(圖4d)。湖泊豐度排名前三的省份是天津市(1.6個(gè)/km2)、湖北省(1.2個(gè)/km2)和安徽省(1.1個(gè)/km2),排名第四至第十依次是廣東省、江西省、海南省、江蘇省、廣西壯族自治區(qū)、澳門(mén)特別行政區(qū)、浙江省(圖4c)。

圖4 省級(jí)行政單元的城市湖泊分布特征(該圖基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2020)4619號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作,底圖無(wú)修改)Fig.4 Distribution characteristics of urban lakes in provincial administrative units

在市級(jí)行政單元分級(jí)中,擁有城市湖泊最多的地級(jí)市是佛山市(3580個(gè))、杭州市(2758個(gè))、滄州市(2680個(gè)),分別占全國(guó)城市湖泊總數(shù)的3.2%、2.5%、2.4%(圖5a);湖泊豐度排名前三的分別是衡陽(yáng)市(2.1個(gè)/km2)、茂名市(2.06個(gè)/km2)、黃岡市(2.0個(gè)/km2)(圖5c)。武漢市被稱為“百湖之城”,城市湖泊面積最大(167.7 km2)、湖泊最密(10.1%),湖泊面積排名第二和第三的分別是蘇州市(66.0 km2)和東莞市(53.9 km2),湖泊密度排名第二和第三的城市分別是岳陽(yáng)市(9.6%)和紅河哈尼族彝族自治州(9.5%)(圖5b、5d)。

圖5 市級(jí)行政單元的城市湖泊分布特征(該圖基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2020)4619號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作,底圖無(wú)修改)Fig.5 Distribution characteristics of urban lakes in municipal administrative units

城市湖泊廣泛分布在全國(guó)2846個(gè)縣(區(qū))級(jí)行政區(qū)(不包含香港、澳門(mén)和臺(tái)灣),18.9%的縣(區(qū))級(jí)行政單元(538個(gè))擁有全國(guó)數(shù)量78.5%的城市湖泊,但與此同時(shí)約21%的縣(區(qū))級(jí)行政單元(如四川省的黑水縣和紅原縣)幾乎沒(méi)有城市湖泊的分布(圖6a)。3.0%縣(區(qū))級(jí)行政單元湖泊總面積超過(guò)5 km2,城市湖泊面積在0.05～0.50 km2縣(區(qū))級(jí)行政單元占32.0%(圖6b)。擁有城市湖泊最多的是天津市濱海新區(qū)(1846個(gè)),城市湖泊面積最大的是武漢市洪山區(qū)(67.2 km2)(圖6a、6b)。351個(gè)縣(區(qū))級(jí)行政單元的湖泊豐度超過(guò)1個(gè)/km2,湖泊豐度在0.2～0.5個(gè)/km2縣(區(qū))級(jí)行政單元占比最大(25.7%)(圖6c)。湖泊密度超過(guò)1.5%的縣(區(qū))級(jí)共有321個(gè),這些區(qū)域主要分布在廣東省、浙江省、安徽省等省份(圖6d)。

圖6 縣(區(qū))級(jí)行政單元的城市湖泊分布特征(該圖基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2020)4619號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作,底圖無(wú)修改)Fig.6 Distribution characteristics of urban lakes incounty(district) level administrative units

2.3 不同規(guī)模城市單元的城市湖泊分布特征

2.3.1 城市規(guī)模分類情況 根據(jù)國(guó)務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于調(diào)整城市規(guī)模劃分標(biāo)準(zhǔn)的通知》和國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的第七次人口普查數(shù)據(jù),將全國(guó)城市按照城區(qū)常駐人口劃分為五類七檔(表1)[48]。由于縣級(jí)和縣級(jí)以下行政區(qū)并不在城區(qū)范圍內(nèi),所以將它們單獨(dú)歸為其他等級(jí)城市這一類。目前,我國(guó)共有7個(gè)超大城市和14個(gè)特大城市,超大城市分別包括北京、上海、廣州、深圳、重慶、天津和成都;特大城市包括武漢、東莞、西安、杭州、佛山、南京、沈陽(yáng)、青島、濟(jì)南、長(zhǎng)沙、哈爾濱、鄭州、昆明和大連。

表1 我國(guó)城市規(guī)模分類的總體情況Tab.1 Classification of city size in China

2.3.2 不同城市規(guī)模的城市湖泊分布特征 本研究進(jìn)一步分析了不同規(guī)模的城市湖泊在上述城市規(guī)模的分布特征。根據(jù)湖泊面積將城市湖泊劃分為大湖泊(面積大于1 km2)、中等湖泊(面積在0.01～1 km2之間)和小湖泊(面積在0.001～0.01 km2之間)。小湖泊數(shù)量在不同城市規(guī)模中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),其中其他等級(jí)城市小湖泊數(shù)量最多(18801個(gè)),其次是中等城市(15733個(gè)),再次是特大城市(12770個(gè)),但是特大城市在大湖泊數(shù)量方面最多,占大湖泊總數(shù)量21.4%(圖7a)。各類型城市的湖泊豐度在大、中、小湖泊方面均呈現(xiàn)出小湖泊豐度最高,大湖泊豐度最低的特點(diǎn)(圖7c)。雖然其他等級(jí)城市在中、小湖泊數(shù)量方面最多,但是其他等級(jí)城市范圍較大,湖泊分布相對(duì)稀疏,所以其他等級(jí)城市在中、小湖泊豐度方面均相對(duì)較低(0.1、0.4個(gè)/km2)(圖7c)。不同規(guī)模的城市湖泊分布差異顯著,在大湖泊方面,特大城市擁有最大的湖泊面積(204.0 km2),占大湖泊總面積的26.0%,其次為超大城(140.7 m2),最小的是Ⅱ型小城市(3.7 km2);在中等湖泊方面,其他等級(jí)城市擁有最大的湖泊面積(208.4 km2),占中等湖泊總面積的20.0%,其次為中等城市(170.3 km2),最小的是Ⅱ型小城市(29.2 km2);在小湖泊方面,其他等級(jí)城市擁有最大的面積(60.3 km2),占小湖泊總面積的21.0%,其次為中等城市(48.7 km2),最小的是Ⅱ型小城市(8.6 km2)(圖7b)。超大城市和特大城市大湖泊的密度最高(0.7%、1.0%),這是由于超大城市和特大城市的大湖泊的面積占比較高,在剩余城市規(guī)模中,中等湖泊的湖泊密度最高,Ⅱ型小城市在大、中、小湖泊密度方面均最低(圖7d)。

圖7 不同城市規(guī)模的城市湖泊分布特征:(a)城市湖泊數(shù)量,(b)城市湖泊面積,(c)城市湖泊豐度,(d)城市湖泊密度Fig.7 Distribution characteristics of urban lakes in different urban sizes: (a)number of urban lakes, (b) urban lakes area, (c) abundance of urban lakes, and (d) density of urban lakes

3 討論

3.1 城市湖泊和城市范圍的界定

我國(guó)城市的快速擴(kuò)張對(duì)城市湖泊的環(huán)境產(chǎn)生了顯著影響?，F(xiàn)有的區(qū)域大尺度湖泊的遙感制圖與變化監(jiān)測(cè)研究大多針對(duì)自然湖泊,而位于復(fù)雜下墊面的城市區(qū)域的中小型城市湖泊受到的關(guān)注較少[49]。根據(jù)以往的少量涉及城市湖泊的研究,研究學(xué)者主要從兩方面定義城市湖泊。一是從湖泊自身的屬性特征來(lái)定義城市湖泊,有學(xué)者認(rèn)為城市湖泊一般具有以下特征:(1)城市湖泊的面積一般不超過(guò)26 km2;(2)城市湖泊的平均深度不超過(guò)6 m;(3)城市湖泊的流域面積至少是匯水面積的10倍以上。(4)湖泊流域必須包含至少5%的不透水面;(5)不管是天然湖泊還是人工建造的湖泊,通常用于供水、娛樂(lè)、防洪或其他直接的人類用途[49]。二是從遙感的角度來(lái)定義城市湖泊,城市邊界是區(qū)分城市湖泊和自然湖泊的關(guān)鍵要素,城市湖泊通常位于城市邊界內(nèi)部或與城市邊界相交[40],它們往往與連片的不透水面相鄰或接觸。本研究從遙感的角度來(lái)定義城市湖泊,因此,如何界定城市范圍是研究城市湖泊的前提。

城市范圍的定義因采用不同的數(shù)據(jù)集和分類方法稍有差異[42]。人口是城市化的重要指標(biāo),全球人類居住區(qū)(GHS)數(shù)據(jù)集中的城市中心由人口數(shù)量(每平方公里大于1500)和城市范圍數(shù)據(jù)共同界定[50];夜間燈光(NTL)數(shù)據(jù)也廣泛用于繪制城市邊界,具有高NTL強(qiáng)度的連續(xù)不透水面區(qū)域被定義為城市區(qū)域[51];此外,城市道路、土地覆蓋等地理信息常用于改進(jìn)城市分類,Zhang等以高分辨率遙感影像為主要數(shù)據(jù)源,綜合航拍數(shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)和行政區(qū)劃等輔助數(shù)據(jù)提取全國(guó)337個(gè)城市的城市邊界[52]。在我國(guó),城市邊界通常指的是城市增長(zhǎng)邊界,它是為了控制城市無(wú)序蔓延而劃定的區(qū)域界限[53]。本研究使用GUB數(shù)據(jù)集[42],其城市邊界被定義為城市土地和其他非城市區(qū)域之間的真實(shí)邊界[54],它通常包括密集且連續(xù)的水無(wú)法滲透的人造結(jié)構(gòu)(不透水面),例如道路、住宅和工業(yè)建筑等,以及位于不透水面周邊及鄰近區(qū)域的植被和水體[55]。選擇該數(shù)據(jù)集作為城市范圍的參考主要考慮兩個(gè)方面的因素:其一是GUB城市邊界是在基于遙感提取的城市不透水層范圍基礎(chǔ)上通過(guò)制圖綜合進(jìn)行處理,最終邊界范圍內(nèi)包括城市水體與綠地等要素;另一方面,該數(shù)據(jù)集包含中小型城鎮(zhèn)的范圍信息,可以為本研究分析不同行政級(jí)別城鎮(zhèn)范圍內(nèi)城市湖泊的分布特征提供城市邊界信息。

3.2 城市湖泊和城市邊界數(shù)據(jù)集精度驗(yàn)證

3.2.1 城市湖泊精度驗(yàn)證 為了評(píng)估城市湖泊數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)確性,分別與人工數(shù)字化城市湖泊數(shù)據(jù)(>0.001 km2)、HydroLAKES湖泊數(shù)據(jù)和全國(guó)規(guī)模湖泊(>1 km2)數(shù)據(jù)集進(jìn)行比較[56-57]。與人工數(shù)字化城市湖泊數(shù)據(jù)(>0.001 km2)相比,城市湖泊數(shù)量和面積平均準(zhǔn)確率分別為93.35%和81.85%;與HydroLAKES湖泊數(shù)據(jù)相比,HydroLAKES數(shù)據(jù)在大型城市湖泊邊界存在明顯的錯(cuò)分和漏分誤差,精度遠(yuǎn)低于城市湖泊數(shù)據(jù)集;與全國(guó)規(guī)模湖泊(>1 km2)數(shù)據(jù)相比,雖然在繪制大于1 km2的城市湖泊方面兩者的精度相近,但城市湖泊數(shù)據(jù)集的湖泊邊界更加精確[40]。

由于城市湖泊的變化和不確定性受城市快速發(fā)展、城市土地變更、氣候變化等因素的影響,該數(shù)據(jù)集采用2020年前后(2019-2021年)所有無(wú)云的Sentinel-2影像進(jìn)行中值合成后的影像數(shù)據(jù)提取湖泊邊界。雖然經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的去云處理和人工檢查,但是因?yàn)镚UB城市邊界數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確反映城市區(qū)域范圍的變化,城市邊界蔓延可能導(dǎo)致新興城市湖泊丟失[40]。

3.2.2 城市邊界數(shù)據(jù)集精度驗(yàn)證 為了評(píng)估GUB數(shù)據(jù)在國(guó)家尺度下的精度,將GUB數(shù)據(jù)集與中國(guó)城市邊界數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,中國(guó)城市邊界數(shù)據(jù)主要依靠人工解譯1990、2000和2010年Landsat影像生成[58]。全國(guó)尺度下,1990-2010年GUB數(shù)據(jù)和中國(guó)城市邊界數(shù)據(jù)的城市規(guī)模(km2)相關(guān)系數(shù)分別為:0.87、0.86和0.82,GUB數(shù)據(jù)城市規(guī)模略高于中國(guó)城市邊界數(shù)據(jù)。但是GUB數(shù)據(jù)可以繪制更精細(xì)化的城市邊緣細(xì)節(jié),更好地反映城市的邊界范圍[42]。

3.3 城市湖泊分布特征的影響要素分析

全國(guó)各地區(qū)和行政級(jí)別的城市單元內(nèi)湖泊分布存在顯著的差異。這些差異可能受到多種因素的影響,包括地理位置、氣候條件、地形特征以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等。為了深入了解這些差異的成因,本研究綜合考慮以下3種影響因素:(1)地貌格局:選取DEM、地形起伏度和河網(wǎng)密度等地形指標(biāo);(2)氣候條件:選取年均溫度和年降水量等氣候指標(biāo);(3)城市化發(fā)展:選取人口數(shù)量、GDP以及城市面積等城市化指標(biāo)。通過(guò)對(duì)這些因素和城市湖泊屬性(湖泊數(shù)量、面積、豐度和密度)進(jìn)行相關(guān)性分析,更全面地解釋不同地區(qū)和行政級(jí)別城市單元內(nèi)湖泊分布差異的原因(表2)。由表2可知,年均溫度和年降水量與湖泊數(shù)量、湖泊面積、湖泊豐度和湖泊密度呈統(tǒng)計(jì)顯著的正相關(guān)關(guān)系,其中湖泊豐度與年均溫度和年降水量的相關(guān)系數(shù)分別為0.62和0.66(表2)。這表明氣候條件對(duì)我國(guó)湖泊分布和形態(tài)具有較重要的影響,濕暖和濕潤(rùn)的氣候條件可能有利于湖泊的形成和維持[59-61],在城市地區(qū)也不例外。DEM高程和地形起伏度與湖泊屬性呈顯著負(fù)相關(guān)(表2),這意味著在地勢(shì)較低且平坦的地區(qū),湖泊數(shù)量和面積可能更多,這與地形對(duì)水體分布和流動(dòng)的影響相符,低洼地形有助于水體匯聚,從而形成湖泊[62]。河網(wǎng)密度與湖泊數(shù)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,但與湖泊面積呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表2),可能由于河流交匯地區(qū)有利于形成較多的湖泊,但湖泊面積可能受到河流水量和地形的限制,導(dǎo)致湖泊面積整體偏小[63]。

表2 湖泊屬性與影響因子相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis between lake attributes and influencing factors

在人類活動(dòng)方面,人口數(shù)量和GDP與湖泊數(shù)量和湖泊面積呈現(xiàn)顯著正相關(guān),而與湖泊豐度和湖泊密度呈現(xiàn)較弱的正相關(guān)。這可能是因?yàn)槿丝诿芗徒?jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū),水資源的需求較大,可能會(huì)采取人工干預(yù)的方式新建城市湖泊和擴(kuò)充湖泊面積。但是,隨著人口數(shù)量和GDP的增加,人類活動(dòng)和工業(yè)發(fā)展對(duì)城市湖泊的擠占和破壞會(huì)進(jìn)一步增大,湖泊豐度和密度也會(huì)相對(duì)降低(表2)。在城市發(fā)展方面,城市面積與湖泊數(shù)量和湖泊面積呈顯著強(qiáng)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.82和0.77(表2),這表明在城市發(fā)展過(guò)程中,隨著城市面積的增加,城市湖泊的數(shù)量和面積也會(huì)相應(yīng)增加,一方面由于城市擴(kuò)張會(huì)囊括原本位于城市外圍的自然湖泊,另一方面為滿足人們對(duì)城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求,在城市擴(kuò)張的過(guò)程中會(huì)建造更多的人工湖泊[64](表2)。城市面積與湖泊豐度呈顯著正相關(guān),這可能是因?yàn)殡S著城市用地的擴(kuò)張,原有的自然水體可能被切割、圍填或人為改造,從而形成一些較小的城市湖泊。同時(shí),城市面積與湖泊密度呈顯著負(fù)相關(guān),這可能是因?yàn)殡S著城市用地需求的增加,湖泊可能會(huì)被填平或被其他用地類型所取代,導(dǎo)致湖泊密度降低(表2)。

3.4 城市湖泊與相關(guān)因素逐步回歸分析

全國(guó)城市湖泊分布與自然和人文因素的逐步回歸分析結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知,影響城市湖泊屬性的因子主要包括城市面積(UA)、年降水量(PRE)、GDP和地形起伏度(RDLS)。其中湖泊數(shù)量主要與城市面積、年降水量和GDP有關(guān),回歸方程復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.792(n=754,P<0.001),說(shuō)明城市面積、年降水量和GDP可以在一定程度上解釋自然和人文因素對(duì)湖泊數(shù)量的影響;湖泊面積同湖泊數(shù)量一樣,同樣受到城市面積、年降水量和GDP的顯著影響,這些因素和湖泊面積較強(qiáng)相關(guān)性,復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.800(n=816,P<0.001) (表3)。湖泊豐度主要受到自然因素影響,包括年降水量、年均溫度(TEM)和地形起伏度,復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.735(n=742,P<0.001)。湖泊密度與年降水量、河網(wǎng)密度(Dd)和地形起伏度具有較強(qiáng)相關(guān)性,復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.586(n=837,P=0.001),其中河網(wǎng)密度和地形起伏度與湖泊密度負(fù)相關(guān),這與相關(guān)性分析的結(jié)果吻合,在河網(wǎng)密度較大的區(qū)域,盡管小型湖泊較多,湖泊密度也相對(duì)較低(表2,表3)。此外,統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)均小于0.05,逐步回歸顯著性良好(表3)。

表3 城市湖泊屬性與影響因子的回歸方程Tab.3 Regression equation of urban lake properties and influencing factors

本研究探討了自然因素和人為因素對(duì)全國(guó)城市湖泊分布的影響,初步分析了這些因素與城市湖泊分布特征的關(guān)系。然而造成城市湖泊分布現(xiàn)狀的原因眾多,機(jī)制復(fù)雜,并不局限于地貌特征、氣候特點(diǎn)和城市發(fā)展等因素。比如,一些城市建設(shè)商品住宅,會(huì)在周邊修建人工湖泊,以此來(lái)提高住宅的環(huán)境品質(zhì)[65-66];一些城市湖泊是由于城市發(fā)展規(guī)劃建造用于滿足城市居民休閑娛樂(lè)需求,如長(zhǎng)沙市的松雅湖[67],這類城市湖泊的形成機(jī)制與該城市的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和政策規(guī)劃密切相關(guān)。

由于數(shù)據(jù)的可獲得性和文章篇幅的限制,本文無(wú)法分析自然因素和人類活動(dòng)對(duì)城市湖泊分布特征綜合定量影響。在后續(xù)的研究中,將針對(duì)典型地區(qū)收集更多的潛在影響因素的定量表達(dá)數(shù)據(jù),進(jìn)一步揭示自然環(huán)境和人類活動(dòng)對(duì)城市湖泊形成和變化的影響機(jī)制。

4 結(jié)論

本文基于中國(guó)城市湖泊數(shù)據(jù)集,結(jié)合多方面自然與人文地理要素,分析了全國(guó)城市湖泊屬性分布的空間分異特征,探討了不同地理要素對(duì)城市湖泊分布的可能影響,主要結(jié)論如下:

1)全國(guó)分布有110698個(gè)0.001 km2以上城市湖泊,總面積達(dá)2112.4 km2,廣泛分布在全國(guó)各地區(qū)和不同級(jí)別城市單元。但其分布存在顯著空間分異和行政級(jí)別差異,總體呈現(xiàn)出東、南多,西、北少的空間格局。具體來(lái)看,東部平原湖區(qū)占據(jù)了全國(guó)80%以上的城市湖泊;城市湖泊數(shù)量最多和面積最大的一級(jí)流域均為長(zhǎng)江流域。

2)地級(jí)市級(jí)別城市湖泊數(shù)量和湖泊面積在全國(guó)占比最高(39.0%、39.8%)、湖泊豐度最大(0.7個(gè)/km2),而湖泊密度最大的是省會(huì)城市(1.6%);華南地區(qū)的地級(jí)市城市湖泊數(shù)量和面積占比高達(dá)67.6%和76.2%,而華北和華中地區(qū)的省會(huì)城市分別擁有最多的城市湖泊(50.6%)和最大的湖泊面積(53.2%)。

3)在省級(jí)行政單元中,廣東省擁有最多數(shù)量(17787個(gè))和最高面積(248.8 km2)的城市湖泊分布,而湖泊密度和湖泊豐度最突出的分別是澳門(mén)特別行政區(qū)(10.1%)和天津市(1.6個(gè)/km2);在市級(jí)行政單元中,佛山市、杭州市和滄州市城市湖泊數(shù)量最多,而衡陽(yáng)市、茂名市和黃岡市的城市湖泊豐度最高;武漢市是城市湖泊面積最大、最密的城市;全國(guó)不到20%的縣(區(qū))級(jí)行政單元擁有全國(guó)70%以上的城市湖泊,但仍有21%的縣(區(qū))級(jí)行政單元幾乎沒(méi)有城市湖泊。

4)小湖泊的數(shù)量和豐度在全國(guó)不同的城市規(guī)模中均占絕對(duì)優(yōu)勢(shì);在超大城市和特大城市中,大型城市湖泊的面積最大且密度最高;其他城市規(guī)模中,中等湖泊面積占比最高。

5)人類活動(dòng)和自然環(huán)境的差異造就了全國(guó)城市湖泊的分布空間分異,多要素相關(guān)性分析表明:城市湖泊數(shù)量和面積與氣候條件(降水、溫度等)存在顯著的相關(guān)關(guān)系,地形平坦、溫度適宜、降水充沛的城市單元往往擁有較多的城市湖泊。城市發(fā)展(人口增長(zhǎng)、城市擴(kuò)張等)也是重要的影響因素,如城市擴(kuò)張會(huì)形成更多的新城市湖泊,同時(shí)規(guī)劃修建人工湖泊濕地用以滿足公眾的濱水棲息需求;城市面積、年降水量和GDP對(duì)城市湖泊屬性具有統(tǒng)計(jì)顯著影響,可以在一定程度上解釋城市湖泊分布特征。