常德市海绵城市示范区下垫面空间格局研究

陈端吕, 陈哲夫, 彭保发, 莫操湖

(湖南文理学院地理科学与旅游学院, 湖南常德,415000)

城市下垫面与城市降雨直接接触, 是减少洪涝灾害的重要载体。城市化建设使城市下垫面类型发生了显著的改变, 原生的生态用地被占用, 不透水面占比越来越高, 城市下垫面的渗透性越来越差, 城市下垫面的空间特征变得越来越复杂。城市下垫面结构呈现出不同空间格局, 是由各个异质的景观单元组成[1], 每个景观单元具有相对的独立性与完整性。随着硬质下垫面急剧增加, 不透水下垫面成为城市地表的主要特征, 城市景观在自然景观的基础上具有大量的、有规律的人工景观要素, 通过研究城市景观单元构成, 对景观的性质和变化方向起着决定性的作用, 同时对城市水文产生了显著的影响[2]。目前,国内外学者对城市景观格局研究主要集中在城市绿地[3]、土地利用[4]、城市湿地[5]等方面, 随着硬质下垫面急剧增加, 城市景观与海绵城市建设至关重要, 通过研究城市景观单元构成, 找出镶嵌与分布格局上的规律, 形成合理的下垫面空间格局, 让水在城市中的迁移活动更加“自然”, 强调通过多层次的海绵设施系统来进行水资源的管理与利用, 为解决城市中存在的水生态与水环境问题, 提高城市宜居性提供了一个有效的方法[6]。

1 研究区概况

常德市位于湖南省的西北部, 为环洞庭湖生态经济区的核心城市, 介于东经110°29′～112°18′, 北纬28°24′～30°07′, 属于中亚热带过渡的湿润季风气候,雨季主要集中在4～6 月, 年均降水量1 365.5 mm, 年均暴雨日数4.1 d, 最大日降水量为251.1 mm,2～11 月份均有暴雨发生, 其中6 月占全年暴雨日数的26.7%。海绵城市建设示范区处于江北城区(见图1), 东起常德大道, 西至桃花源路, 南以沅江河堤、人民路为界, 北到常德大道, 示范区总面积为36.1 km2, 其中老城区为6.6 km2, 新城区为25.8 km2, 拟建区为3.7 km2[7]。

图1 研究区范围

2 研究方法

2.1 数据的获取与处理

以常德市城区遥感卫星影像图作为源数据, 实地考察作为辅助纠正手段, 运用地理信息系统软件ArcGIS 对海绵城市建设示范区遥感影像图进行矢量化参照国家土地分类系统与海绵城市建设要求, 将矢量化图层分为耕地、林地、园地、绿地、平房、高楼、河流、湖泊、沟渠、坑塘、内部道路、裸露土地、硬化铺装、透水铺装、其他用地等类型。并将以上类型分为4 大类, 分别是植被(耕地、林地、园地、绿地)、建筑类(平房、高楼)、水域(河流、湖泊、沟渠、坑塘)、其他类型(内部道路、裸露土地、硬化铺装、透水铺装), 下垫面类型见图2。

图2 海绵城市建设的主要下垫面类型

2.2 景观指数的选取与计算

利用ArcGIS 与景观结构分析软件Fragstats 4.2, 通过对常德市海绵城市建设示范区的15 个景观格局指数进行分析计算, 得出常德市海绵城市建设示范区下垫面的景观类型组成构成、景观类型斑块特征和景观异质性这3大特性, 找出海绵城市建设示范区景观格局景观分布规律, 定量分析城市下垫面空间结构特征。

2.3 斑块廊道的识别提取

周长面积比值处于正负标准差范围内的提取为斑块, 超出趋势线正标准差的属于廊道[8]。应用Excel 软件生成研究区斑块周长面积比与面积关系的散点图, 并拟合趋势线, 计算标准差, 见图3。

图3 斑块周长面积比与面积关系的散点图

2.4 廊道形态结构分析

通过对廊道的识别提取, 得到绿地廊道、水体廊道等海绵廊道及道路廊道, 由其交点识别构成廊道节点, 形成廊道网络结构。网络结构特征主要利用γ指数、α指数及β指数进行评价分析[9]。

2.4.1 连接性指数(γ指数)

计算海绵网络现状廊道数量与其可能具备的廊道最大数量的比值, 计算公式为γ=L/[3(V-2)], 其中,V代表生态用地网络中源和节点总量,L代表网络中廊道总量, 下同。城市空间结构中实际廊道数量和此结构中有可能拥有的最大廊道数量的比值即γ指数,γ指数取值范围为0-1,0 代表无连接线在生态源或者生态节点间,1 代表所有生态源或者生态节点之间全都互相联通。γ值的大小代表节点之间连通度的强弱, 值越大, 其连接效能越强。

2.4.2 线点度指数(β指数)

评价生态源或者关键节点之间关联程度大小的指标, 计算公式为β=(2L)/V。

2.4.3 环度指数(α指数)

α指数又称环度, 是度量空间生态景观结构中环通路的指数, 用于计算生态廊道环路的数量。公式为α=Ln/(2V- 5), 式中,Ln代表现状环路的数量。环线可以为各种物质流、能量流提供可选的巡回路线。α指数值的大小范围处于0 与1 之间。当指数为0 时, 结构中没有环路; 当指数为1 时, 结构中环路数达到最大。

3 结果与分析

3.1 城市下垫面景观格局分析

3.1.1 下垫面类型组成结构

下垫面类型组成结构是常用的城市下垫面空间特征参数, 表征不同下垫面类型、数量关系, 体现下垫面整体结构与功能的控制作用[10]。由表1 可知, 常德市海绵城市建设示范区的下垫面类型组成主要以内部道路、裸露土地、硬化铺装、透水铺装为主, 其面积占整个面积的49.47%; 其次是建筑类(平房、高楼), 占总面积的26.16%; 植被类(耕地、林地、园地、绿地)占总面积的18.17%; 最后则是水域(河流、湖泊、沟渠、坑塘)占总面积的6.20%。从斑块数以及斑块比来看, 主要是以建筑类下垫面为主, 其斑块数达1 636 块, 斑块比达37.8%; 其次是植被为1 365 块, 斑块比为31.53%; 之后则是其他用地和水域,斑块数比分别为28.25%和2.4%。在斑块密度方面, 植被中的绿地最多, 高达35.35 块/hm2; 建筑类的平房与高楼较多, 都超过20 块/hm2; 水域的斑块密度比都不超过2 块/hm2, 水域类的斑块密度比最少, 仅为2.90 块/hm2。

表1 下垫面组成结构

续表1

3.1.2 下垫面斑块特征

由表2 可知, 水域(河流、湖泊、沟渠、坑塘)类型的平均值最大, 其中河流平均值高达5.881, 水域类型变动系数较大, 这主要是由于城市中湖泊、坑塘分布零散使得水域变动系数增大。植被类与建筑类的平均面积小, 组成该类型的景观要素的平均值都不超过1 hm2, 但其变动系数较高, 原因是由于城市中建筑与植被的破碎化分布, 不同类型的建筑、植被、道路等多要素的交错分布, 使得城市中植被与建筑这两大主体的变动系数高。其他用地类型(内部道路、裸露土地、硬化铺装、透水铺装)的平均面积除内部道路外, 各要素的平均面积都超过1 hm2, 最高的硬化铺装平均面积达3.0 hm2, 其变动系数高, 符合城市的镶嵌分布情况。内部道路、裸露土地、硬化铺装、透水铺装的形状系数、分维度、边缘密度较大, 分别为110.69、272.95、4.21。表明斑块形状复杂, 由于其边缘形状延伸到其他各个类型中, 内部道路、硬化铺装等带状地物的边缘形状延伸程度更为明显。其次是建筑与植被, 形状指数分别为67.21、62.45, 说明其边缘效益较为明显, 形状较复杂, 其中高楼与绿地的形状指数在建筑景观类型与植被景观类型中最高, 分别为36.16、45.07。由综合高楼与绿地的平均面积可得出: 高楼与绿地是建筑景观类型与植被景观类型的主要影响要素。水域景观类型的形状系数、分维度、边缘密度最小, 主要是由于河流、湖泊等水域要素受人为干扰, 具有一定规则的形态、边缘形状单一、复杂度低。

表2 景观斑块特征分析

3.1.3 下垫面类型异质性

由表3 可知, 其他用地类型的多样性指数及均匀度最高, 多样性指数与均匀度分别为0.49、0.68, 其优势度最低, 表明其他用地类型在整个示范区景观中是最为丰富且均匀, 从景观的分离度来看, 其他用地类型的分离度较低, 位于四大类型的第三, 且与其他两种类型的分离度相差很大, 表明其他用地类型分布集中, 破碎化程度较低, 受其他景观类型影响较小。建筑类的多样性指数、均匀度以及分离度都较高, 均位于类型第二, 表明建筑类在整体空间格局分布零散, 并呈均匀分布状态。植被类型的多样性指数和均匀度最低, 分离度最高, 表明植被类型在示范区内零散分布且不均匀, 多样性指数最低, 受其他类型要素影响大。水域类型的分离度最低, 多样性指数也较低, 表面水域在示范区的丰富度不高, 但分布集中, 破碎化程度低, 在整个示范区景观中较为劣势, 根据水域类型的组成可知, 该景观类型主要以河流为主, 河流的分布固定, 受其他要素影响小。

表3 景观类型异质性分析

3.2 海绵体斑块特征

3.2.1 海绵体斑块的空间分布现状

通过下垫面斑块提取, 对照常德市土地利用基础数据, 识别生态海绵体与人工海绵体的空间分布(见图4 和图5), 从图中可统计, 生态海绵体斑块面积为577.017 hm2, 人工海绵体斑块面积为843.337 hm2, 建筑面积为934.120 hm2。图6 为常德市城区海绵体分布面积与适用性。

图4 生态海绵体斑块空间分布

图5 人工海绵体斑块空间分布

常德市海绵城市建设示范区积极建设海绵体,建设面积不断增大, 分布广泛且与原生海绵体配合建设, 相互联系。由图4 可知, 常德市示范区海绵体建成面积主要以绿地建设为主, 绿地面积占总面积的15.98%。但各种海绵体的功能不尽相同,其渗透能力和蓄留能力也各有差异, 图6 中海绵体的面积、蓄留能力、渗透能力三个方面适用性特征,可以较直观的看出绿地的蓄留能力较其他设施偏弱, 因此常德市示范区在绿地周围建设了雨水回用、绿色屋顶等作为补充, 与此同时, 通过建设渗透能力较强的植草沟、渗管、下沉式绿地等措施弥补洼地、池塘渗透能力弱的缺陷, 从而基本实现了“小雨不积水, 大雨不内涝”[11]。综合来看, 常德市示范区将点线面建设充分融合, 以原生海绵体为基础, 从公园、广场、小区、建筑, 从植草沟、下沉式绿地到绿色屋顶基本形成团状模式, 其中城区以三大公园即滨湖公园、白马湖公园、丁玲公园为中心, 将海绵体建设项目逐步向市中心聚集, 在城区建筑密集区域的四周呈环状建设植被, 在内部通过建设人工海绵体与部分原生海绵体相联结, 在城区形成相对完整的海绵体。

图6 常德市城区海绵体分布面积与适用性

3.2.2 海绵体斑块的空间分布特征

不同生态海绵体、人工海绵体的空间分布与不同影响要素结合, 常德市已建成的海绵体分布呈现出地形地貌、水文要素、植被要素影响的相应空间特征。

(1) 地形地貌作为空间分布的自然基础

高程、坡度对于土地的侵蚀状况有影响, 海绵斑块必须依据高程坡度进行建设布局。高程越高、坡度越大土地侵蚀状况会越明显, 伴随着水土保持难度变大植被覆盖率也会随之变低。不同高程坡度的组合带来了不同的水热组合, 直接制约着城市建筑的布局。常德市城区因地形的起伏较小, 土地较为平缓、高程较低、坡度较缓, 因此示范区内的水土比较容易保持, 水热条件较为统一。地势起伏的程度低,有利于雨水从高处向低处的汇聚收集, 同时更有利于海绵城市建设中水体层次通过地表和地下连接成可持续循环利用的水系, 以保障海绵城市建设的水系循环。

(2) 水文要素呈现了空间分布的强聚焦性

水文要素作为吸纳雨水的直接环节在海绵城市建设中起到重要作用。水系分布是常德市水循环的骨架, 海绵城市建设适应性最高、功能性最强的城市用地类型规划必须基于水文要素基本骨架进行实施,通过海绵体斑块的补缀, 将湖泊、坑塘块状区域相连, 在空间分布上构成大水圈。结合实际地形图来看,自南向北第一水圈为沅江, 第二水圈为白马湖—穿紫河—姻缘河(连通工程), 第三水圈为花山河—渐河—沾天湖—马家吉河—柳叶湖。第二条水圈为常德海绵城市示范区的主要雨水收纳水体。自然排放能力结合利用沾天湖与柳叶湖进行水资源的调蓄, 能够对洪水进行更好的调控。水圈结构构成常德市江北城区重要的排水骨架, 也为海绵城市建设提供了先决条件。

(3) 植被要素构建了空间分布的多中心分异

在海绵城市示范区内, 草地、林地的空间分布总体分布较为分散且疏密不均衡。人工海绵体在植被要素影响下的空间布局, 多数沿河流湖泊分布, 自南向北, 各有较为集中的绿地聚集区, 大体呈点状、面状分布。海绵院落建设以三大公园改造项目为中心, 即围绕南部的滨湖公园、中部的白马湖公园以及北部的丁玲公园三处分布较为密集。河流交汇处或拐弯处, 因水体集中在大面积降水时更容易造成因雨水流通不畅容易出现积水, 在此处集中开展了泵站改造项目。其中北部与中部植被的连续性较南部相比更强。植被与水圈大体呈圆环状分布在建筑用地四周, 形成天然的雨水调蓄。结合人工海绵体缓解区域内部的洪涝灾害, 为连通系列海绵城市建设手段创造十分有利的条件。

3.3 海绵廊道特征

根据廊道网络指标计算方法[12],针对示范区海绵廊道, 将各条廊道邻近的节点数量记作其属性值, 基于Field Calculator 命令, 对廊道的属性值运算分析, 获得γ指数、β指数及α指数特征指数, 等权重加和计算廊道的综合指数(见表4), 揭示各条现状廊道连通度的大小。

表4 指数强弱分布现状

由表4 可知, 示范区河流廊道数量少, 节点也少, 线点率仅为0.15, 同时γ指数为0.05, 说明河流廊道零散稀疏, 连通度比较差; 而绿带廊道数量多, 但连接度也不高。根据海绵廊道α指数强弱分布状况,河流廊道没有环通路, 而绿带廊道α指数为0.02, 表明海绵廊道中的回路较少, 尚未形成较为完整的环状结构, 应增加海绵廊道环线的条数, 提高网络体系连接性。海绵廊道的综合指数表明, 整个区内不具有较为复杂的网络结构, 应针对海绵廊道连通度较弱区域各指数分析呈现出的问题, 制定相应的规划指标, 増强城市结构内部整体的海绵效能。

4 结论与讨论

(1) 从下垫面类型构成来看, 内部道路、裸露土地、硬化铺装、透水铺装、其他用地为景观主体, 斑块数最多的是不透水下垫面, 形成了以不透水下垫面为主的景观格局。从下垫面斑块特征来看, 水域变异较大, 斑块不规整, 城市中建筑与植被的破碎化程度高。从下垫面类型异质性来看, 水域景观类型的分离度最低, 多样性指数也较低, 植被景观类型主要以绿地为主, 因受建筑和其他用地类型的影响, 植被景观类型的连接度不高、较为分散, 高楼与绿地是建筑景观类型与植被景观类型的主要影响要素。

(2) 海绵体建成面积主要以绿地建设为主, 生态海绵体斑块面积为577.017 hm2, 人工海绵体斑块面积为843.337 hm2, 建筑面积为934.120 hm2。不同生态海绵体、人工海绵体的空间分布与不同影响要素结合, 常德市已建成的海绵体分布呈现出地形地貌、水文要素、植被要素影响的相应空间特征。

(3) 示范区河流廊道数量少, 节点也少, 海绵廊道中的回路较少, 尚未形成较为完整的环状结构,连通性和环通性差, 影响了廊道的径流通道功能。应增加海绵廊道环线的条数, 提高网络体系连接性。海绵廊道连通度较弱, 整个区内不具有较为复杂的网络结构。

(4) 只有合理的景观格局, 才能有利于降水蓄渗与雨水资源利用, 从多维度揭示城市下垫面空间优化规律, 提升城市水文效应适应性, 可为宏观层次的海绵城市建设提供参考, 但其动态演变有待于进一步研究。