银川市城市形态变迁与水系结构关联性研究

尉馨元 曹 鹏

(兰州交通大学建筑与城市规划学院,甘肃 兰州 730070)

以往关于银川市的城市与水资源的研究集中于水资源合理高效利用及水污染防治和生态环境方面,具有一定局限性。 将水系结构连通性与城市形态变化趋势相结合进行分析,能够更直观地认识城市扩展与水系的关联程度,为城市未来发展与水资源合理规划利用提供参考[1-4]。

1 研究区与数据来源

1.1 城市概况

银川市位于宁夏平原中部,境内黄河穿过,境内地表水系发达,历史上黄河不断改道衍生出众多湿地湖泊,又因所处的环绕沙漠的地理位置与干旱少雨的气候特征,为满足城市发展需要,银川市在2000 多年前就开始发展黄河自流灌溉。 自西汉以来,境内开凿的引黄灌渠有4 条:汉延渠、唐徕渠、惠农渠和西干渠,大致由西南向东北重新注入黄河[5-6]。 其中,汉延渠和唐徕渠的开凿时间为公元前,而惠农渠与西干渠的开凿时间分别为1729 年和1960 年。 除灌溉沟渠外银川市境内还有许多排水沟,主要用于泄洪和排出废水。 因此,银川市境内水系沟渠纵横,形成了完整的基于黄河引水自流灌溉的灌排水体系,被称为“塞上江南”[7-9]。

1.2 数据来源

1.2.1 2020 年银川市行政边界数据

银川市行政区划曾发生一定调整:2002 年10 月19 日撤销银川市城区、新城区与郊区而设立西夏、金凤、兴庆三个区;2002 年10 月25 日将原吴忠市代管灵武市变更为银川市代管[10]。 本文以2020 年银川市行政边界为基础数据,数据来源于地理遥感生态网科学数据注册与出版系统,可以得出相对准确和更具参考价值的数据处理结果[9]。

将2020 年银川市行政边界数据导入ArcGIS 并配准转换数据坐标系为WGS-1984-UTM-Zone-48N 坐标系;在数据属性表中添加AREA 字段并进行几何计算,得出2020 年银川市行政区域总面积约为6886.60km2(本文行政区域面积数据未包括区县面积;据银川市人民政府网站统计数据,银川市下辖3 区2 县1 市,总面积约9025.38km2)。

1.2.2 1990—2021 年银川市30m 地表覆盖数据

表1 为银川市1990—2020 年每5 年城市土地利用面积统计数据,图1 为根据表1 数据绘制的银川市土地利用柱状图。 由银川市土地利用分类数据可以对银川市土地利用程度有个初步的认识:研究区域内土地以草原用地为主,其生态环境脆弱易荒漠化,在近三十年中草原用地覆盖面积浮动小;农田、水域、不透水面等其他用地面积则有所增长;裸地面积有较大幅度减少。

图1 银川市土地利用面积统计(1990—2020)

表1 银川市土地利用面积统计表(1990—2020 年)单位:km2

1.2.3 1990—2020 年银川市城市建成区数据

表2 为银川市1990—2020 年不同时间的城市建成区统计数据,通过建成区覆盖面积的统计,结合银川市土地利用数据,可对银川市城市空间形态和城市建设情况作出更加准确的分析。 数据来源科学数据银行网站[11]。

表2 1990—2020 年银川市城市建成区面积汇总

1.2.4 1990 年、2000 年、2010 年、2020 年水系数据

本文水系网络结构分布数据均来自银川市1990—2020 年土地利用数据的水域用地提取,并结合当年谷歌影像进行对比补充绘制,利用ArcGIS 软件进行坐标系校准与水系各项指标数据统计。

2 研究方法

2.1 城市形态演变

a.质心转移法。 质心为多边形的几何中心[12-13]。城市的质心指一段时间内城市发展的重心;城市重心的变化受不同因素影响[14],因此,以1990—2020 年每5 年为单位时间,对银川市建成区质心点进行提取并进行叠加分析,为银川市城市建成区形态变化与周边水系的关联性提供判断依据。

b.等扇分析法。 在研究区域内选定一中点,以其为圆心划一定半径的圆并进行16 等分,得到16 个面积相等的扇形;对各方向扇形内部各年份建成区域进行叠加,以定量方法通过对每个方位内的建成区扩展速度和强度进行计算,得出城市在各方向的变化程度,进而判断城市空间形态的演变特性[12,14]。

2.2 水系连通性指标评价法

选取水系连通性指标评价体系对银川市境内水系结构进行研究,对比指标与研究区实际情况选择相关指标建立研究指标体系数据库[14-16]。 水系连通性指标体系选取见表3。

表3 水系连通性指标体系[13-14,16-18]

指标体系分数量特征与结构特征,通过ArcGIS 软件解译提取与提取校对取得水系基础数据并进行统计计算,建立评价指标数据库(2000 年以前银川市水系数据和影像数据缺失,本文通过将现有土地利用数据、当年地形影像数据以及多年份水系数据相结合进行解译校准,最终选定对1990 年、2000 年、2010 年以及2020 年历史影像数据的水系水域进行核对校准并用于数据库建立)。

3 结果分析

3.1 城市形态演变研究

3.1.1 城市质心演变

图2 为银川市建成区1990—2020 年质心演变叠置分析图。 建成区规模2005 年前在原有基础上缓慢扩展;2005 年开始快速向周边尤其以黄河干流沿岸为主要方向扩展,分散的建成区域开始逐渐相互联系,并以黄河沿岸和人工沟渠为主要方向;2010 年,城市形态规模边界虽然向外扩展,但速度降低甚至个别区域有所收缩。

图2 银川市1990—2020 年城市质心演变叠置分析

研究区城市形态在1990—2015 年变动程度弱。1990—2000 年,质心点由西北向东偏南移动;2000—2010 年,质心点向东北移动;2015 年城市质心重新向东南方向迁移并出现较大变动;直到2020 年,城市形态开始大幅度扩展且向外蔓延,城市质心开始南移。

3.1.2 建成区等扇叠加分析

为使等扇研究面完整包含银川市各年城市建成区域,选择最靠近建成区域中心的2005 年质心点作为等扇面圆心,以30km 为半径绘制等扇分析面,得到1990—2020 年银川市城市建成区等扇叠加分析图(见图3)。 据此绘制各方向扇形区域内建成区面积统计表与雷达统计图[14,16](见表4、图4)。

图3 银川市1990—2020 年城市建成区等扇叠加分析

图4 1990—2020 年银川市城市建成区面积扩展雷达

表4 银川市扇形区域建成区面积 单位:km2

由图4、表4 可知:1990—2000 年,银川市的城市建成区不断向外扩展,但城市形态仍相对集中;2000年以后,城市建成区扩展程度变强:1990—2020 年,银川市城市建成区的主要扩展方向有西部、东北部和南部,已知银川市境内黄河位于中部偏南,大致流向由西南向东北。 由以上分析可知:银川市城市发展长期以来集中在整体行政区域的北部,且在总体扩展趋势中具有追随城市建成区以南黄河沿线发展的倾向;除此之外,城市建成区也有向西发展的趋势,尤其在2020年时变化较为明显,通过对历史影像的对比解译,2020年银川市西的典农河与水域用地均出现一定程度的扩展,较1990 年时水域用地更加连续,为城市建设满足了一定的水源要求和景观要求。

为了能够更直观地研究银川市城市建成区的变化,将城市扩展速度和扩展强度两项作为对等扇分析面各方向的城市形态扩展趋势研究指标,分别计算了每个方向在1990—1995 年、1995—2000 年、2000—2005 年、2005—2010 年、2010—2015 年、2015—2020 年6 个时段内城市扩展的变化程度。 两项指标的具体内容见表5[14,16-17]。

表5 城市扩展评价指标内容

1990—2020 年建设用地扩展强度基本保持平稳且逐渐增长的趋势;其中扩展速度与强度在2000 年左右出现了小的高峰期,这一时期的建成区扩展速度最高达到了0.11,扩展强度从2000 年前的0.05 提高到0.07,两项指标在这一时段的快速增长后回归相对平稳,但整体增长速度仍旧处于提高趋势,见表6。

表6 银川市城市建成区总面积扩展指标评价

为研究城市形态在各方向变化的具体情况,通过等扇面各方向建成区面积统计数据,对各方向建成区扩展速度与强度进行计算,见表7、表8,并生成变化趋势雷达折线分析图,见图5、图6。

图5 银川市建成区扩展速度雷达统计图(1990—2020)

图6 银川市建成区扩展强度雷达统计图(1990—2020)

表7 1990—2020 年银川市城市建成区各方向扩展速度

表8 1990—2020 年银川市城市建成区各方向扩展强度

银川市城市扩展总体上呈现平稳上升的演变趋势,1990—1995 年城市形态主要发展方向在WSW、SW和SSW 方向,且扩展强度与扩展速度指标水平变化突出;在此之后,银川市发展开始注重现有用地,扩展速度与强度均有降低;但在2000 年城市建成区的总体向外扩展速度和强度重新提高且主要以SSW 方向为主。2005 年后,扩展强度有所降低;直到2010 年城市形态稳定扩展,2020 年扩展强度大致保持稳定水平,主要扩展方向从20 世纪90 年代末集中在SSW 方向转向主城区,扩展速度减缓,更注重现有城市用地的合理规划利用。

3.2 城市水系连通性评价

银川市城市形态变化发展依赖黄河干流与境内水系,因此东部到南部扩展强度呈现波动趋势;而向西和西南方向出现明显变化:除依靠西南部黄河的发展外,城市形态也开始向西、西南发展,水域总面积变化不大;同时区域内水系网络分布逐渐合理,并与城市扩展相协调。

由于银川市地处银川平原,周边围绕沙漠,虽有黄河作为城市发展的水源,但受到降水量少、蒸发量大、黄河引水量等因素的限制,城市发展仍旧受到极大的制约[9]。

通过对城市建成区和土地利用数据的分析,银川市建成区轮廓在30 年中不断扩展,但新生建设用地零碎分散,分布密度低,用地并未形成成片空间;但通过对银川市水域用地提取并与当年遥感影像数据进行对比后得出:1990—2020 年的水系、水域用地面积均有所增加,如银川市城市用地以西的典农河,其1990 年水系无法进行有效识别,而2020 年能够明确划定水域空间所处的水系轴线。

银川市1990 年、2000 年、2010 年、2020 年的河流水系连通性评价指标数据库见表9。 其中银川市行政区域内的河流总长度在1990—2000 年维持原有水平;而在2000—2020 年,研究区内的河流总长度开始出现增长趋势,2010 年水系总长度比2000 年增加142.04km,2020 年水系总长度比2010 年增加471.17km,二者涨幅差距极大,综合考虑数据误差使得结果与实际有所出入,但仍表明银川市在2000 年开始水系总体出现很大的变化与发展。

表9 1990—2020 年银川市水系连通性指数

黄河银川段干流长度在30 年间未出现大的波动,总体在85km 左右浮动,但与同时期的区域河流总长度对比可知,银川市的水系变化主要表现在支流河道与引黄沟渠水系的变化。

通过对河网密度、水面率、河道频率指标结果横向对比研究,代表河网长度发育状况的河网密度指标变化趋势与银川市河网总长度变化趋势基本趋于同步:在1990—2000 年间基本处于持续稳定趋势;2000 年后,其河网密度开始逐渐增长,增速也不断加快:1990—2000 年,河网密度变化幅度只有0.01,但在2000 年后,增长幅度提高,2000—2010 年增加0.02、2010—2020 年增加0.06。 水面率指标也随之出现变化:银川市河网水面率在1990—2010 年指标变化处于平稳状态,2020 年境内的水系总长度增加、水系数量增加;与此同时,银川市近年对于城市绿化与休闲空间建设的重视程度不断提高,城市居民对于城市景观空间的要求也随生活水平的提升而增高,因此,银川市境内的水系、人工沟渠、湖泊、水域面积等也在不断增加,2020 年,水域面积与水系数量极大增长,河网发育程度有所提高。 与此相反,1990—2020 年河道频率指标未出现显著变化,即使在1990—2000 年有所增长,但过后仍回落到原水平。 这是因为银川市的河流水系与水域面积等指标增加的主要因素在于引黄沟渠的改造和增加河道沟渠支流数量,无法构成完整的自然河流水系计入研究区河流数量指标。 因此,在银川市河网总长快速增长的同时,有关河流数量道的河道频率指标并未随之增长,较2000 年与2010 年时0.80 条/km左右的指标还有所下降。

关于银川市境内水系的连通性结构特征评价指标,支流发育系数指研究区域内河网各级支流的发育状况;干流面积长度比则体现研究区域内水系的河流干流主干化程度,用以研究水系形态的变化[14]。 由于银川市特殊的人工沟渠纵横的现实情况,且本文研究主要围绕城市形态,为了完整得出水系形态变化趋势以及与城市形态的关联性,对于研究区域内的水系网络以黄河主干为一级河流,其余沟渠水系均作为二级水系处理;采取定性研究法及模型法,建立银川市以黄河为主干河流、区域河流与人工引黄沟渠为支流水系的水系连通性评价指标体系,除以上水系数量特征评价体系外,加入支流发育系数和干流面积长度指标比作为描述评价城市水系网络主干与支流形态变化的指标。

由银川市境内水系支流发育系数和干流面积长度比的指标含义与对研究区域内河网支流的变化趋势的研究结果发现:1990—2020 年,银川市的水网密度不断提升,而支流发育系数的变化趋势与河网密度指标基本保持同步,即在2000 年以前指标系数增速很慢,2000 年支流发育系数较1990 年增加1.2;但2010 年支流发育系数增速提升,较2000 年提高1.66;到2020 年时支流发育系数已达到23.62,较之前的系数增长幅度提升3 倍左右。 但黄河银川段干流面积长度比的指标变化趋势有所不同:黄河干流面积长度比尽管变化细微,但近30 年间仍处于缓慢下降的趋势;从干流面积长度比所代表的干流主干化程度来说,该指数变化表示黄河干流在1990—2020 年间黄河的主干化程度有所减弱,即黄河的支流与基于黄河干流衍生的水系结构逐渐复杂。 结合水网密度、支流发育系数、干流面积长度比三者的变化趋势可知:银川市行政区域内的水系网络在近30 年的发展中结构趋于复杂,河网水系的数量和密度不断增加,主要是非自然形成的河流或大型水系的引流沟渠与人工景观水系;而黄河干流主干化程度在逐渐减弱,黄河支流增加,河网密度的不断提升。

4 结论与建议

4.1 结论

a. 银川市城市建成区形态与水系结构连通性评价指标变化趋势基本同步,尤其以河流总长度、河网密度、支流发育系数同步性更为明显,其变化趋势特征与城市建成区面积与质心点变化同步,证明了银川市城市的形态发展与水系网络具有很深的关联性,城市依靠水系网络建设发展,水网结构连通度决定了城市扩展方向及其强度与速度。

b. 通过对银川市城市建成区等扇叠加分析及与水系结构连通度相结合分析可知,银川市城市形态变化趋势与境内黄河支流水系与引排水沟渠等水系结构的分布具有重要联系,多年以来城市扩展方向以沿银川段黄河为主,但在近10 年,银川市城市向西南方向扩展的强度与速度开始加快,同时在30 年的城市形态变迁中,银川市城市建成区外围轮廓扩展趋势明显,但内部分布破碎、联系不强。 因此,在2010 年左右银川市城市形态变化具有一定向内收缩的趋势,主要集中在对原有城市用地的调整建设。 经对比银川市1990—2020 年水系图与城市建成区等扇叠加分析图可知,西南向水系网络的水网逐渐复杂,且城市形态出现变化最大的方向同样位于SW 方向,表明银川市发展与水网发达程度紧密联系、城市扩展将首先考虑水系通达度。

4.2 建议

银川市城市空间形态与境内水网复杂程度联系紧密,结合自然环境条件:研究区域气候干旱,境内以平原为主,易于荒漠化,生态环境脆弱,应着重保护当地生态环境的稳定,保持水土、防风固沙。 同时根据银川市城市空间形态的演变与当地水网结构的高度关联性,当地城市建设发展应着重考虑合理规划水系与水网结构,合理规划建设并形成高效合理的水网体系,使河流水系成为银川市未来发展的一大重要助力。 对当地水资源的利用需统一管理建设,通过水系结构与连通性等具有一定参考价值的指标数据控制,提高城市水面率与水网密度,保证城市建设水循环体系的不断优化,为研究区域依托水系的城市建设与发展提供保障[19]。

银川市的城市建设、农业灌溉和工业发展都需借助水系资源。 因此,银川市城市的形态变化与水网发育程度变化同步且具有很强的关联性,但也由此可知其生态环境更易受到破坏。 《基于TM 影像的银川平原湖泊湿地景观空间格局动态演化研究》一文中提出:银川市的城市形态演变驱动因子包括人为与自然因子,其中自然因子即气候、水文等因素,从以上研究所得结论可知,银川市的城市宏观形态受水系影响更大。但随社会发展,对于城市宏观形态塑造中人为因素的影响力提升,使生态环境、水系结构等受到一定程度破坏:如黄河水量减少、湖泊湿地水域面积改做农田面积减少、污水污染等;在2000 年后出于对黄河和生态环境的保护,对黄河水资源取用量减少并进行限制,但地下水位下降危机不可避免[7]。 《银川市城市脆弱性研究》一文中提出:银川市城市脆弱性逐渐由经济主导型向生态和社会主导型演变,水资源与生态问题将成为影响城市形态的主要因素,表明未来城市发展必须逐渐将生态问题纳入主要关注范畴[20]。 结合银川市城市形态与水系的关联性,未来发展必须考虑完善水系规划与指标体系水平把控,如严格控制水资源滥用与污染水排放、保护黄河干流生态环境、提高城市水系利用效率,形成可持续的适宜性城市扩展体系。