LA研究 | 禹佳宁 周燕 王雪原 郭诗怡 | 城市蓝绿景观格局对雨洪调蓄功能的影响

全文刊登于《风景园林》2021年第9期 P63-67

禹佳宁，周燕，王雪原，郭诗怡.城市蓝绿景观格局对雨洪调蓄功能的影响[J].风景园林，2021，28（9）：63-67.

城市蓝绿景观格局对雨洪调蓄功能的影响

禹佳宁

女 / 武汉大学城市设计学院在读硕士研究生 / 研究方向为城乡生态规划、雨洪管理、绿色基础设施

周燕*

女 / 博士 / 武汉大学城市设计学院副教授 / 研究方向为城乡生态规划、雨洪管理、绿色基础设施

王雪原

女 / 东南大学建筑学院在读博士研究生 / 研究方向为数字景观方法与技术

郭诗怡

女 / 博士 / 武汉大学城市设计学院讲师 / 研究方向为城市生态学、景观生态学、绿地与健康

摘要：近年来，城市内涝问题频发，引发了社会强烈关注。现有研究多从灾害成因角度聚焦于景观格局变化对洪涝产生的影响，蓝绿景观格局与雨洪调蓄功能的响应关系尚待进一步探讨分析。以武汉市江夏区为研究区域，通过对比连续晴天及雨后情景下的遥感影像结果，建立了淹没转移变化矩阵表征调蓄状况，结合以往研究与斯皮尔曼相关系数分析的结果，选取了面积周长比、形状指数、分形维数、近圆指数、边缘对比度5个景观指数，运用二元Logistic回归分析，探究了景观格局对雨洪调蓄功能的影响。结果表明：1）分维指数对雨洪调蓄能力的发挥有直观的作用，城市存量布局优化中需要着重注意对蓝绿空间自然形态的保护；2）雨洪调蓄功能与蓝绿空间聚集度指标之间没有显著关联，蓝绿空间的复合程度对雨洪调蓄能力的影响有待更精细化的研究。研究结果为蓝绿空间景观格局的调蓄效能理论提供了量化支持，可为今后城市洪涝治理和景观格局优化研究提供一定的思路。

关键词：蓝绿空间；景观格局；土地利用；城市内涝；雨洪调蓄；logistic回归分析

1 研究背景

随着城市化不断推进与全球气候变化的影响，极端降雨天气频发，内涝问题频发。同时，在建设韧性城市、健康城市等政策背景下，当下城市规划设计更加注重生态系统的健康可持续性发展，雨洪调蓄模式逐渐从排水工程视角转化为生态综合调控视角，并逐渐成为政府和学术界持续关注的热点。

当前学界关注城市景观格局对灾害成因、孕灾环境等方面的影响，多从灾害角度出发，聚焦城市景观格局与水文过程的响应关系：宏观层面景观格局内部特征与洪水过程之间的响应关系，或是中微观层面城市化景观格局变化对城市内涝孕灾成因的影响，但是对于蓝绿空间调蓄能力与内涝缓解途径的分析较少。

本研究立足于内涝缓解途径，聚焦城市化蓝绿空间内部特征差异，探究城市蓝绿景观格局与雨洪调蓄功能的响应关系。基于实际降雨情况构建了城市淹没转移矩阵以表征雨洪调蓄能力，结合Fragstats景观指数，建立二元Logistic回归模型分析两者之间的关系。以期探究蓝绿空间格局与雨洪调蓄功能之间的响应关系，为城市蓝绿空间雨洪调蓄功能的优化提供可靠的理论支撑。

2 研究区域与方法

2.1  研究区域

江夏区隶属湖北省武汉市，山水资源丰富。降雨特点如下：时间上，江夏区洪涝最早始于4月上旬，最迟终于9月中旬，尤以6—7月频次最高，危害最重；空间上，洪涝灾害地域差异分布明显。

2.2  数据来源与处理

土地利用数据来源为分辨率30 m的Landsat 8遥感影像数据图。根据气象数据资料，分别选取连续晴天（图1）和雨后（图2）情景下的遥感影像数据图作为对比，在ENVI软件中进行波段合成与解译，根据LUCC分类系统，将土地利用分为草地、耕地、林地、建设用地、水域和未利用土地六大类。

1 江夏区连续晴天情景下土地利用现状

2 江夏区雨后情景下土地利用现状

2.2.1 雨洪调蓄功能表征

雨洪调蓄功能是响应关系建立中的反应变量，具备真实反映场地滞蓄调节情况、确保相关性建立过程与结果可靠真实等功能。基于土地利用转移矩阵的概念建立城市淹没状况转移矩阵，

其中：i代表连续晴天下江夏区的淹没情况；j代表雨后的淹没情况；S_ij代表降雨发生前后，用地类型i和j之间淹没转化的情况，其反映在一定时间间隔下，一个亚稳定系统从T时刻向T+1时刻状态转化的过程。依据雨后不同用地类型上是否有水，确定不同用地类型的雨洪调蓄状况，建立雨洪调蓄功能发挥状况数值矩阵。通过遥感技术解析不同时段内某区域不同土地利用类型是否发生内涝的相互转换关系，建立淹没状况转移矩阵用以确定不同地表空间的汇水集水能力差异。

根据相关文献对蓝绿空间雨洪调蓄能力进行分级：蓝绿空间相较于城市不透水地面，地表下渗能力较强，具有一定的雨洪调蓄能力，判定为雨洪调蓄能力一般发挥；能够汇集雨水的蓝绿空间相较于一般蓝绿空间，可以减少径流，雨洪调蓄功能发挥更为显著，判定为雨洪调蓄能力较优发挥（图3）。

3 江夏区雨洪调蓄功能发挥状况

2.2.2 景观格局指数筛选

在Fragstats中进行景观指数计算，同时选择生成栅格图。结合斯皮尔曼相关性分析（Spearman correlation analysis）筛选出不具备空间相关关系的解释变量。结合以往研究从面积指标、形状指标、对比指标、聚集度指标4个方面初步筛选出可以进行相关性分析的景观指数（表1）。

表1 研究中选取的景观指数

2.2.3  雨洪调蓄功能与景观格局关联建立

利用ArcGIS空间连接工具，将上述雨洪调蓄发挥状况栅格图与Fragstats生成的栅格图进行连接，将之作为样本数据，为下一步的数据分析做准备。

2.3  数据分析

斯皮尔曼相关系数是衡量2个变量的依赖性的非参数指标，用于初步筛选出与雨洪调蓄功能关联且不具备空间自相关性的因子，为下一步研究打下基础。

由于相关系数反映的线性关系不一定是因果关系，为了进一步探讨多种景观格局在共同作用下对城市内涝的影响程度，本研究选择二元Logistic回归分析进一步探究蓝绿空间对雨洪调蓄功能的影响。

3 结果与分析

3.1 斯皮尔曼相关系数分析结果

针对景观格局和雨洪调蓄能力进行相关分析，通过斯皮尔曼相关系数检验自变量景观指数与雨洪调蓄功能之间的相关关系。初步剔除自相关性较强因子之后，获得面积指标、形状指标、对比指标、聚集度指标4个能够描述景观特征的代表性因子，入选因子与雨洪调蓄功能之间的关系如表2所示。

表2 斯皮尔曼相关系数分析结果

根据分析结果发现，蓝绿空间景观格局与雨洪调蓄能力之间存在显著关联，主要集中在蓝绿空间的形状指标与对比指标中。将面积周长比、形状指数、分维指数、近圆形状指数、边缘对比度5个指数，进一步进行二元Logistic回归分析。

根据分析结果，蓝绿空间的聚集度指标与雨洪调蓄能力之间没有关联。其中，相似度指数反映了景观要素在景观中的相互分散或聚合的特点，临近指数反映了景观类型的丰富度，它们共同描述了不同景观类型的聚集程度，景观类型丰富度与聚集度不具备空间自相关性，且与雨洪调蓄能力之间不存在统计关系。

3.2 二元logistic回归分析结果

为进一步研究不同景观指数的影响程度，在斯皮尔曼相关系数分析结果的基础上，利用二元logistic回归对变量进行处理（表3）。其中样本数量为2 091个，根据霍斯默–莱梅肖检验（Hosmer-Lemeshow Test）的结果（表4），显著性为0.061＞0.050，表明实验结果存在统计学意义。

表3 二元logistic回归分析参数

表4 霍斯默-莱梅肖检验结果

在蓝绿空间的形状指标中，与雨洪调蓄最为直接相关的因素是分维指数。分维指数作为整体景观尺度的重要指标，反映斑块边界形状的复杂性和变异性，可揭示人类活动的干扰程度 。实验结果显示：分维指数对雨洪调蓄能力的发挥有明显的正向促进，证明自然程度更高、人类活动干预更少的用地形状具备更优的雨洪调蓄能力；反之，受人类活动影响更大、更为简单规整的用地调蓄能力较差。

与分维指数相比，同样对用地形状进行量化的指标还有面积周长比、近圆指数，但是仅分维指数和雨洪调蓄功能具有相关性，这是因为面积周长比、近圆指数聚焦于地块的物理形状，简单的地块形状变化不能清晰地反映地块的空间意义，且形状的变化对雨洪调蓄能力也不具备指导意义，人类行为和城市活动相较之对自然环境的生态功能更具影响力。

边缘对比度用于衡量相邻斑块之间的边缘对比关系，代表了周边生态系统的复杂性和生物多样性。边缘对比度指标关注于用地类型的相邻关系，与蓝绿空间形状的破碎化与规则程度等方面没有直接的因果关系，因此边缘对比度对于雨洪调蓄能力没有直接的指导意义。

3.3 景观格局对雨洪调蓄能力的影响

整理实验结果（表5），发现蓝绿空间格局中影响最为显著的是形状指标。其中，能够表征人类活动影响的分维指数更为显著，蓝绿空间的对比度指标与聚集度指标虽然在净化水环境质量、改善热舒适度等方面有较为成熟的实证研究，但对调蓄影响较弱。

表5 景观格局对雨洪调蓄功能的影响

结合实际城市水文循环过程与江夏区现实情况，分析具体影响成因。1）雨水落在软质下垫面时，部分人类活动会影响土壤的结构与质量，进而影响雨水下渗，城市内大规模的建设、垦殖等都会增加径流、加剧土壤侵蚀、蓝绿空间质量退化。2）雨水落在不透水面时，城市化进程会改变城市下垫面状况，不透水面的高径流系数使得雨水汇流速度提高，从而使洪峰出现时间提前，同时，水库和防洪堤坝、河道取用水等工程的修建会在一定程度上削弱城市河流湖泊之间的连通性，引起蓝绿空间蓄水削洪能力的减弱。

4 基于调蓄能力提升的城市规划布局建议

在城市发展中，需要考虑如何在区域化空间规划中提升韧性应对能力。将本次研究过程与城市规划建设思路相融合，对于规划提出建议，具体开展思路如下：

1）在城市规划与建设阶段，应提前开展全域尺度定量化风险评估，通过识别和评估城市原本生态基底格局与城市洪涝情况，提前制定与之相适应的韧性目标与管控策略。以江夏区为例，根据实验结果中重要的景观指数与实际淹没情况，分析城市不同滞洪调蓄空间，分层级提出规划管理建议（图4）。

4 江夏区城市滞洪调蓄空间

2）在规划运行阶段，应结合实际用地情况对保护措施进行及时调整。研究结果发现，关联更为显著的景观格局呈现蓝绿自然程度较高、用地形状较复杂的特点，以武汉市江夏区为例，根据其景观格局分析自然形态保护情况，针对区域内用地分形维数具体分析，对城市规划布局提出实际建议（图5）。

5 江夏区蓝绿空间自然形态保护情况

5 结论与讨论

目前，已有研究大多关注景观格局与洪水过程或内涝孕灾环境之间的关系。本研究从内涝缓解途径出发，根据雨洪调蓄功能发挥状况，定量分析了不同空间特征因子对雨洪调蓄能力变化的影响及贡献程度。经研究发现，人类活动程度较轻、自然程度保持较好的用地的雨洪调蓄能力更强，而蓝绿耦合关系、同类型用地聚集关系与调蓄能力无显著相关。相关结论对城市建设具有积极的作用与意义，且在以往内涝成因研究中较少提及。

研究中，在雨洪调蓄能力量化方面，Landsat多波段遥感影像不受限于资料获取，能够快速有效地反映雨洪调蓄的真实状况，在以后的研究中，如果能够获取更高精度的遥感影像，将进一步提升本研究的准确性与稳定性；在影响因子探究方面，本研究在中微观层面探究了蓝绿空间的调蓄效能，未来研究中还需要更多尺度层面的探索，以更有效地指导城市建设。

图片来源：

图 1~5 由作者绘制，底图来自湖北省省级自然资源行政主管部门下载的 武汉市行政区域地图（审图号：鄂S(2020)003 号）；表 1~5 由作者绘制。

为了微信阅读体验，文中参考文献标注进行了删减，详见杂志。

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文章编辑 王一兰 李卫芳

微信编辑 刘芝若

微信校对 王亚莺

审核 曹娟

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