近70年來(lái)上海中心城區(qū)水系演變及水安全響應(yīng)
——基于景觀連通視角

吳玫玫，張 森，王忠昊，趙 軍

（1.上海水務(wù)局行政服務(wù)中心，上海市200050；2.上海大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，上海市200444）

0 引言

上海中心城區(qū)是歷史上典型的平原河網(wǎng)地區(qū)，水系高度發(fā)育，河流水系縱橫交錯(cuò)。城市化進(jìn)程對(duì)上海及長(zhǎng)三角地區(qū)水系結(jié)構(gòu)影響的研究近年來(lái)得到重視[1-8]，然而因其“橫塘縱浦”式的復(fù)雜網(wǎng)狀水系結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的地貌學(xué)方法如Horton定律，以及相關(guān)水系結(jié)構(gòu)參數(shù)，來(lái)探討區(qū)域水系結(jié)構(gòu)面臨許多理論挑戰(zhàn)。

現(xiàn)運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)理論和GIS空間分析技術(shù)，采用水系連通指標(biāo)描述平原河網(wǎng)地區(qū)網(wǎng)狀水系結(jié)構(gòu)及其變化，可為復(fù)雜的網(wǎng)狀水系結(jié)構(gòu)研究提供新的視角[9]。為此，以上海中心城區(qū)為典型案例區(qū)域，探討了近70年以來(lái)區(qū)域河網(wǎng)水系在快速城市化過(guò)程中的變化，以及其對(duì)河網(wǎng)連通性和城市水安全的影響，以期為未來(lái)快速城市化過(guò)程中河網(wǎng)水系保護(hù)工作提供科學(xué)參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域是以目前上海中心城區(qū)內(nèi)環(huán)線為基礎(chǔ)，適當(dāng)外擴(kuò)而形成的矩形區(qū)域（見(jiàn)圖1），包括黃浦、靜安、長(zhǎng)寧等中心城區(qū)，以及浦東新區(qū)城市化區(qū)域，東西方向長(zhǎng)度為16.5 km，南北方向?qū)挾葹?2.6 km，面積為207.9 km2。建國(guó)初期該區(qū)域除黃浦、靜安、盧灣等三個(gè)中心城區(qū)外，大多以農(nóng)業(yè)用地為主且水系密布，隨著近70年以來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的迅速發(fā)展，城市建設(shè)不斷與河爭(zhēng)地，作為大量末端村鎮(zhèn)級(jí)河道被填堵，河網(wǎng)水系發(fā)生顯著變化。

圖1 上海中心城區(qū)河網(wǎng)景觀結(jié)構(gòu)演變研究區(qū)域示意圖

1.2 數(shù)據(jù)與方法

河網(wǎng)水系遙感解譯數(shù)據(jù)來(lái)源于華東師范大學(xué)教育部地理信息科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，共包括1950—2018時(shí)期內(nèi)共八個(gè)時(shí)相，其中1950—1979數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)偵察衛(wèi)星遙感影像，黑白圖像，空間分辨率2 m，1984—2006數(shù)據(jù)來(lái)源于航空遙感影像數(shù)據(jù)，彩紅外圖像，空間分辨率2 m。2010—2018數(shù)據(jù)系根據(jù)Google Earth遙感影像，對(duì)2006年數(shù)據(jù)做局部調(diào)整。需要指出，該地區(qū)河流縱橫交錯(cuò)，此外城市河流多受人工水閘控制，導(dǎo)致河道等級(jí)較為模糊?？紤]到研究區(qū)域的河流長(zhǎng)度與河流等級(jí)存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及河流長(zhǎng)度分布特點(diǎn)，現(xiàn)按長(zhǎng)度將河流劃分為0～0.5 km、0.5～1.0 km、1.0～2.0 km、2.0～5.0 km、及5.0 km以上等五個(gè)等級(jí)，進(jìn)行分析討論。

河網(wǎng)連通性一般是指河鏈與河網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的連接程度，其計(jì)算須依賴(lài)于河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和河鏈的提取[10-11]。河流廊道相互交叉，交叉點(diǎn)稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)，鄰近兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的河段即為一條河鏈（見(jiàn)圖2）。

圖2 研究區(qū)域局部網(wǎng)狀水系結(jié)構(gòu)及河流廊道節(jié)點(diǎn)、河鏈?zhǔn)疽鈭D

目前一般河網(wǎng)水系的連接程度指標(biāo)和擴(kuò)展?jié)摿χ笜?biāo)用來(lái)評(píng)估河網(wǎng)連通性。

（1）河網(wǎng)連接程度指標(biāo)：主要包括連接率（β）和環(huán)路指數(shù)（μ）。

式中：β為河網(wǎng)中河鏈數(shù)L與水系網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)N的比值，反映每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接的平均河鏈數(shù)。參考地圖圖形結(jié)構(gòu)判別方法和標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)β＞1時(shí)，河網(wǎng)為回路結(jié)構(gòu)或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)；β＜1時(shí)，河網(wǎng)則為樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)；μ等于水系網(wǎng)絡(luò)中河鏈數(shù)L減去節(jié)點(diǎn)數(shù)N再加上網(wǎng)絡(luò)子圖個(gè)數(shù)p之值。μ值越大，網(wǎng)絡(luò)越發(fā)達(dá)。p為網(wǎng)絡(luò)中各自相交的子網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量之和（在鐵路、城市道路等網(wǎng)絡(luò)分析中，一般令P=1，而水系網(wǎng)絡(luò)中由于存在較多的斷頭河浜或與區(qū)域主干河網(wǎng)脫離水文聯(lián)系的獨(dú)立子水 系，因而一般p＞1。該項(xiàng)研究中p值主要依賴(lài)于視判讀）。

（2）河網(wǎng)擴(kuò)展?jié)摿χ笜?biāo)：主要包括實(shí)際成環(huán)率（α）和實(shí)際結(jié)合度（γ）

式中：α表示環(huán)路指數(shù)與最大可能環(huán)路數(shù)的比值，反映河網(wǎng)水系實(shí)際成環(huán)的水平；γ反映河網(wǎng)水系河道之間的實(shí)際結(jié)合水平。

河流廊道連通性評(píng)估的主要步驟在于識(shí)別提取河網(wǎng)中的河鏈和河道節(jié)點(diǎn)（尤其是節(jié)點(diǎn)判讀）。在ArcGIS 10.2軟件中重新建立河網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系，根據(jù)相關(guān)功能模塊識(shí)別并提取節(jié)點(diǎn)和河鏈；根據(jù)上文式（1）~式（4）即可計(jì)算研究區(qū)域河網(wǎng)水系的廊道連通性及相關(guān)表征指標(biāo)。需要指出，以往河網(wǎng)水系景觀研究大多對(duì)區(qū)域河網(wǎng)進(jìn)行了概化（即面向區(qū)域若干主干河道），節(jié)點(diǎn)和河鏈基本來(lái)源于目視判斷，但平原河網(wǎng)地區(qū)水系高度發(fā)育，為更加科學(xué)地提取河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和河鏈識(shí)別方法，現(xiàn)嘗試采用GIS技術(shù)方法（見(jiàn)圖3）。

圖3 基于GIS的河網(wǎng)連通性評(píng)價(jià)技術(shù)圖示

2 結(jié)果與分析

2.1 河網(wǎng)水系變化基本過(guò)程

2.1.1 總體變化趨勢(shì)分析

建國(guó)初期除黃浦、盧灣、靜安等三區(qū)外，研究區(qū)域大部分地區(qū)水系保存良好。此后隨著城市建設(shè)不斷擴(kuò)展，河網(wǎng)水系快速萎縮，河道數(shù)量從1950年的465條減少為2018年的54條，現(xiàn)狀數(shù)量?jī)H約為初始狀態(tài)的11.61%。河道總長(zhǎng)度相應(yīng)地持續(xù)下降，區(qū)域河道總長(zhǎng)度由442.42 km減少為139.19 km，現(xiàn)狀總長(zhǎng)度約為初始狀態(tài)的31.46 %。

區(qū)域河道平均長(zhǎng)度發(fā)生顯著變化。1950年區(qū)域河道平均長(zhǎng)度為0.95 km，2018年則為2.58 km，區(qū)域河道平均長(zhǎng)度顯著增加。1994年之后，河道平均長(zhǎng)度增長(zhǎng)更加顯著，這與1990年之后研究區(qū)域浦東部分開(kāi)始大規(guī)模的開(kāi)發(fā)建設(shè)、導(dǎo)致中小河道大規(guī)模萎縮有關(guān)。

2.1.2 河道變化等級(jí)差異診斷

按前文所提出的河道等級(jí)劃分方案，對(duì)五個(gè)不同長(zhǎng)度等級(jí)河道的數(shù)量變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明，等級(jí)越低的河道其變化更加劇烈，近70年以來(lái)長(zhǎng)度低于1 km河道共消亡317條，占研究區(qū)域全部消亡河道的77.13 %。從長(zhǎng)度上來(lái)看，不同等級(jí)河道的消亡并未表現(xiàn)這一規(guī)律，除最高等級(jí)的5 km以上河道基本保持穩(wěn)定外，其余四個(gè)等級(jí)河道消失長(zhǎng)度未表現(xiàn)顯著區(qū)別，其原因在于等級(jí)較高的河道消失量雖少，但長(zhǎng)度較大，因而消失總長(zhǎng)度相應(yīng)較大（見(jiàn)圖4）。

圖4 近70 a以來(lái)上海中心城區(qū)不同等級(jí)河道的數(shù)量和長(zhǎng)度變化曲線圖

2.2 河網(wǎng)水系變化對(duì)景觀連通性影響

2.2.1 節(jié)點(diǎn)和河鏈迅速減少，階段性變化特征顯著

研究初期河網(wǎng)中河鏈為862條，至2018年急劇減少為119條。河鏈數(shù)變化具有階段性特征，1950～1979年時(shí)期內(nèi)年均消失河鏈8.24條，1979～1984年近5年期間年均消失河鏈30.60條，而1984～1994年期間河鏈數(shù)基本穩(wěn)定，1994～2000年期間變化最為劇烈，年均消失河鏈46.50條（見(jiàn)表1、圖5），2000～2018年變化趨于穩(wěn)定。近70年以來(lái)研究區(qū)域河網(wǎng)廊道密度由2.08 km/km2減少為0.67 km/km2，消亡的河道主要分布于西北方向的普陀區(qū)和東南方向的浦東新區(qū)，節(jié)點(diǎn)和河鏈的階段性變化與上海城市發(fā)展的時(shí)間特征基本可以呼應(yīng)。

表1 上海中心城區(qū)河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和河鏈數(shù)變化表

圖5 上海中心城區(qū)河網(wǎng)水系形態(tài)演變及河鏈節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)消亡過(guò)程圖示

2.2.2 河鏈總長(zhǎng)度下降，平均長(zhǎng)度增加

河鏈總長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)與河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、河鏈相同，但河鏈總長(zhǎng)度下降幅度相對(duì)較少，原因在于消亡河道多為河網(wǎng)中的末端河道。2018年河鏈總長(zhǎng)度為1950年的1/3，變化較大時(shí)期為1964—1984年和1994—2000年，河鏈總長(zhǎng)度均變化30 %左右。由于河網(wǎng)中長(zhǎng)度較低的末端河道消亡，河鏈平均長(zhǎng)度逐漸變大。1950年河鏈平均長(zhǎng)度為502.31 m，2018年增大至1 177.82 m，約為1950年2.34倍。1994年為河鏈平均長(zhǎng)度變化的分界點(diǎn)，在此之前河鏈平均長(zhǎng)度變化不大，1994～2000年間河鏈平均長(zhǎng)度增長(zhǎng)較快，而2000年后較為穩(wěn)定。

值得注意的是，隨著末端河道不斷消亡，河鏈平均長(zhǎng)度雖不斷增大，但由表1推算可發(fā)現(xiàn)，各時(shí)間階段內(nèi)消亡河鏈的平均長(zhǎng)度并未發(fā)生明顯變化趨勢(shì)，基本保持為400 m，這表明近70年來(lái)上海中心城區(qū)消亡河道一直集中于末端村鎮(zhèn)級(jí)河道，未向較高等級(jí)河道轉(zhuǎn)移。結(jié)合前文分析，1950年上海中心城區(qū)長(zhǎng)度小于1 km河道為333條，而2018年僅剩為16條，末端村鎮(zhèn)級(jí)河道消亡95.20 %，當(dāng)前研究區(qū)域河道保護(hù)工作應(yīng)注意避免消亡河道由村鎮(zhèn)級(jí)河道轉(zhuǎn)向較高等級(jí)河道。

2.2.3 河網(wǎng)連通明顯削弱，結(jié)構(gòu)由網(wǎng)狀轉(zhuǎn)為樹(shù)枝狀

河流廊道各項(xiàng)指標(biāo)均呈趨勢(shì)性下降，表明研究區(qū)域河網(wǎng)結(jié)構(gòu)趨向簡(jiǎn)單化和主干化。1994年之前河網(wǎng)連接率高于1，顯示水系為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而此后連接率指標(biāo)開(kāi)始低于1，且河網(wǎng)成環(huán)率和結(jié)合度逐漸降低，水系逐漸轉(zhuǎn)為樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖6）。研究初期的河網(wǎng)水系中共存在閉合水系回路87個(gè)，而2018年僅為4個(gè)，水系環(huán)路指數(shù)對(duì)河網(wǎng)變化較為敏感?？梢哉J(rèn)為，1990年開(kāi)始的大規(guī)?？焖俪鞘谢?，導(dǎo)致研究區(qū)域河網(wǎng)水系發(fā)生了顯著變化，2000年之后區(qū)域河網(wǎng)已不再具有典型的網(wǎng)狀水系結(jié)構(gòu)表現(xiàn)。

圖6 上海中心城區(qū)河網(wǎng)水系各景觀連通指標(biāo)變化曲線圖

2.3 河網(wǎng)水系變化對(duì)城市排水安全的影響

分析近70年來(lái)不同時(shí)期上海中心城區(qū)雨水泵站排水能力和區(qū)域河網(wǎng)總長(zhǎng)度，以及河網(wǎng)連通性的關(guān)系（見(jiàn)圖7）可以發(fā)現(xiàn)，前者和后二者存在顯著負(fù)相關(guān)，表明雨水泵站建設(shè)與區(qū)域河網(wǎng)萎縮和連通受阻存在良好的響應(yīng)關(guān)系。圖7還表明，雨水泵站排水能力與河道總長(zhǎng)度的負(fù)相關(guān)關(guān)系相對(duì)更加明顯，與河網(wǎng)連通性關(guān)系稍弱。盡管上海中心城區(qū)排水能力不斷增強(qiáng)，但這些人工措施仍難以替代自然河網(wǎng)的雨水調(diào)蓄和排澇功能，較之于河網(wǎng)密集的郊區(qū)區(qū)域，中心城區(qū)的汛期積水問(wèn)題持續(xù)趨向嚴(yán)重[12-14]。

圖7 上海中心城區(qū)雨水泵站建設(shè)與河網(wǎng)總長(zhǎng)度及景觀連通指標(biāo)的響應(yīng)關(guān)系圖（1950～2010）

3 結(jié)論與討論

（1）近70年來(lái)上海中心城區(qū)的高密度河網(wǎng)迅速萎縮，河網(wǎng)密度下降了68.54%，消亡河道多為1 km長(zhǎng)度以下的村鎮(zhèn)級(jí)河道，占消失河道比例約77.13%。河道數(shù)量不斷下降，河道平均長(zhǎng)度則持續(xù)增加，河網(wǎng)結(jié)構(gòu)趨向簡(jiǎn)單化和主干化。

（2）河網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致河鏈和河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)顯著下降，對(duì)區(qū)域河網(wǎng)廊道連通性產(chǎn)生重要影響。1994年之前區(qū)域河網(wǎng)水系連接率指標(biāo)高于1，即保持為網(wǎng)狀水系結(jié)構(gòu)，而此后水系環(huán)路指數(shù)劇烈下降，連接率指標(biāo)低于1，由復(fù)雜的網(wǎng)狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單的樹(shù)枝狀。

（3）河網(wǎng)萎縮導(dǎo)致河網(wǎng)密度銳減和河網(wǎng)連通受阻，兩個(gè)因素共同對(duì)上海中心城區(qū)水安全問(wèn)題造成壓力。近70年來(lái)區(qū)域雨水泵站排水能力不斷增強(qiáng)，并與河網(wǎng)總長(zhǎng)度和河網(wǎng)連通性?xún)蓚€(gè)指標(biāo)的變化均存在顯著的響應(yīng)關(guān)系，其中對(duì)河網(wǎng)總長(zhǎng)度變化的響應(yīng)程度更加明顯，連通性稍弱。

（4）本文在河網(wǎng)連通性對(duì)水安全影響方面的研究還有待進(jìn)一步深入，雖初步證實(shí)河網(wǎng)連通性與城市水安全存在關(guān)聯(lián)，但城市水安全的影響因素比較復(fù)雜，既與河流自身的消亡和連通性下降有關(guān)，同時(shí)與大氣降水、河道外土地利用狀況、排水市政設(shè)施建設(shè)狀況亦有密切關(guān)系，未來(lái)研究可在掌握更多相關(guān)數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，采用更先進(jìn)的研究方法對(duì)不同影響因素與城市安全的關(guān)系進(jìn)行定量分解。