銀川市城市形態變遷與水系結構關聯性研究

尉馨元 曹 鵬

(蘭州交通大學建筑與城市規劃學院,甘肅 蘭州 730070)

以往關于銀川市的城市與水資源的研究集中于水資源合理高效利用及水污染防治和生態環境方面,具有一定局限性。 將水系結構連通性與城市形態變化趨勢相結合進行分析,能夠更直觀地認識城市擴展與水系的關聯程度,為城市未來發展與水資源合理規劃利用提供參考[1-4]。

1 研究區與數據來源

1.1 城市概況

銀川市位于寧夏平原中部,境內黃河穿過,境內地表水系發達,歷史上黃河不斷改道衍生出眾多濕地湖泊,又因所處的環繞沙漠的地理位置與干旱少雨的氣候特征,為滿足城市發展需要,銀川市在2000 多年前就開始發展黃河自流灌溉。 自西漢以來,境內開鑿的引黃灌渠有4 條:漢延渠、唐徠渠、惠農渠和西干渠,大致由西南向東北重新注入黃河[5-6]。 其中,漢延渠和唐徠渠的開鑿時間為公元前,而惠農渠與西干渠的開鑿時間分別為1729 年和1960 年。 除灌溉溝渠外銀川市境內還有許多排水溝,主要用于泄洪和排出廢水。 因此,銀川市境內水系溝渠縱橫,形成了完整的基于黃河引水自流灌溉的灌排水體系,被稱為“塞上江南”[7-9]。

1.2 數據來源

1.2.1 2020 年銀川市行政邊界數據

銀川市行政區劃曾發生一定調整:2002 年10 月19 日撤銷銀川市城區、新城區與郊區而設立西夏、金鳳、興慶三個區;2002 年10 月25 日將原吳忠市代管靈武市變更為銀川市代管[10]。 本文以2020 年銀川市行政邊界為基礎數據,數據來源于地理遙感生態網科學數據注冊與出版系統,可以得出相對準確和更具參考價值的數據處理結果[9]。

將2020 年銀川市行政邊界數據導入ArcGIS 并配準轉換數據坐標系為WGS-1984-UTM-Zone-48N 坐標系;在數據屬性表中添加AREA 字段并進行幾何計算,得出2020 年銀川市行政區域總面積約為6886.60km2(本文行政區域面積數據未包括區縣面積;據銀川市人民政府網站統計數據,銀川市下轄3 區2 縣1 市,總面積約9025.38km2)。

1.2.2 1990—2021 年銀川市30m 地表覆蓋數據

表1 為銀川市1990—2020 年每5 年城市土地利用面積統計數據,圖1 為根據表1 數據繪制的銀川市土地利用柱狀圖。 由銀川市土地利用分類數據可以對銀川市土地利用程度有個初步的認識:研究區域內土地以草原用地為主,其生態環境脆弱易荒漠化,在近三十年中草原用地覆蓋面積浮動小;農田、水域、不透水面等其他用地面積則有所增長;裸地面積有較大幅度減少。

圖1 銀川市土地利用面積統計(1990—2020)

表1 銀川市土地利用面積統計表(1990—2020 年)單位:km2

1.2.3 1990—2020 年銀川市城市建成區數據

表2 為銀川市1990—2020 年不同時間的城市建成區統計數據,通過建成區覆蓋面積的統計,結合銀川市土地利用數據,可對銀川市城市空間形態和城市建設情況作出更加準確的分析。 數據來源科學數據銀行網站[11]。

表2 1990—2020 年銀川市城市建成區面積匯總

1.2.4 1990 年、2000 年、2010 年、2020 年水系數據

本文水系網絡結構分布數據均來自銀川市1990—2020 年土地利用數據的水域用地提取,并結合當年谷歌影像進行對比補充繪制,利用ArcGIS 軟件進行坐標系校準與水系各項指標數據統計。

2 研究方法

2.1 城市形態演變

a.質心轉移法。 質心為多邊形的幾何中心[12-13]。城市的質心指一段時間內城市發展的重心;城市重心的變化受不同因素影響[14],因此,以1990—2020 年每5 年為單位時間,對銀川市建成區質心點進行提取并進行疊加分析,為銀川市城市建成區形態變化與周邊水系的關聯性提供判斷依據。

b.等扇分析法。 在研究區域內選定一中點,以其為圓心劃一定半徑的圓并進行16 等分,得到16 個面積相等的扇形;對各方向扇形內部各年份建成區域進行疊加,以定量方法通過對每個方位內的建成區擴展速度和強度進行計算,得出城市在各方向的變化程度,進而判斷城市空間形態的演變特性[12,14]。

2.2 水系連通性指標評價法

選取水系連通性指標評價體系對銀川市境內水系結構進行研究,對比指標與研究區實際情況選擇相關指標建立研究指標體系數據庫[14-16]。 水系連通性指標體系選取見表3。

表3 水系連通性指標體系[13-14,16-18]

指標體系分數量特征與結構特征,通過ArcGIS 軟件解譯提取與提取校對取得水系基礎數據并進行統計計算,建立評價指標數據庫(2000 年以前銀川市水系數據和影像數據缺失,本文通過將現有土地利用數據、當年地形影像數據以及多年份水系數據相結合進行解譯校準,最終選定對1990 年、2000 年、2010 年以及2020 年歷史影像數據的水系水域進行核對校準并用于數據庫建立)。

3 結果分析

3.1 城市形態演變研究

3.1.1 城市質心演變

圖2 為銀川市建成區1990—2020 年質心演變疊置分析圖。 建成區規模2005 年前在原有基礎上緩慢擴展;2005 年開始快速向周邊尤其以黃河干流沿岸為主要方向擴展,分散的建成區域開始逐漸相互聯系,并以黃河沿岸和人工溝渠為主要方向;2010 年,城市形態規模邊界雖然向外擴展,但速度降低甚至個別區域有所收縮。

圖2 銀川市1990—2020 年城市質心演變疊置分析

研究區城市形態在1990—2015 年變動程度弱。1990—2000 年,質心點由西北向東偏南移動;2000—2010 年,質心點向東北移動;2015 年城市質心重新向東南方向遷移并出現較大變動;直到2020 年,城市形態開始大幅度擴展且向外蔓延,城市質心開始南移。

3.1.2 建成區等扇疊加分析

為使等扇研究面完整包含銀川市各年城市建成區域,選擇最靠近建成區域中心的2005 年質心點作為等扇面圓心,以30km 為半徑繪制等扇分析面,得到1990—2020 年銀川市城市建成區等扇疊加分析圖(見圖3)。 據此繪制各方向扇形區域內建成區面積統計表與雷達統計圖[14,16](見表4、圖4)。

圖3 銀川市1990—2020 年城市建成區等扇疊加分析

圖4 1990—2020 年銀川市城市建成區面積擴展雷達

表4 銀川市扇形區域建成區面積 單位:km2

由圖4、表4 可知:1990—2000 年,銀川市的城市建成區不斷向外擴展,但城市形態仍相對集中;2000年以后,城市建成區擴展程度變強:1990—2020 年,銀川市城市建成區的主要擴展方向有西部、東北部和南部,已知銀川市境內黃河位于中部偏南,大致流向由西南向東北。 由以上分析可知:銀川市城市發展長期以來集中在整體行政區域的北部,且在總體擴展趨勢中具有追隨城市建成區以南黃河沿線發展的傾向;除此之外,城市建成區也有向西發展的趨勢,尤其在2020年時變化較為明顯,通過對歷史影像的對比解譯,2020年銀川市西的典農河與水域用地均出現一定程度的擴展,較1990 年時水域用地更加連續,為城市建設滿足了一定的水源要求和景觀要求。

為了能夠更直觀地研究銀川市城市建成區的變化,將城市擴展速度和擴展強度兩項作為對等扇分析面各方向的城市形態擴展趨勢研究指標,分別計算了每個方向在1990—1995 年、1995—2000 年、2000—2005 年、2005—2010 年、2010—2015 年、2015—2020 年6 個時段內城市擴展的變化程度。 兩項指標的具體內容見表5[14,16-17]。

表5 城市擴展評價指標內容

1990—2020 年建設用地擴展強度基本保持平穩且逐漸增長的趨勢;其中擴展速度與強度在2000 年左右出現了小的高峰期,這一時期的建成區擴展速度最高達到了0.11,擴展強度從2000 年前的0.05 提高到0.07,兩項指標在這一時段的快速增長后回歸相對平穩,但整體增長速度仍舊處于提高趨勢,見表6。

表6 銀川市城市建成區總面積擴展指標評價

為研究城市形態在各方向變化的具體情況,通過等扇面各方向建成區面積統計數據,對各方向建成區擴展速度與強度進行計算,見表7、表8,并生成變化趨勢雷達折線分析圖,見圖5、圖6。

圖5 銀川市建成區擴展速度雷達統計圖(1990—2020)

圖6 銀川市建成區擴展強度雷達統計圖(1990—2020)

表7 1990—2020 年銀川市城市建成區各方向擴展速度

表8 1990—2020 年銀川市城市建成區各方向擴展強度

銀川市城市擴展總體上呈現平穩上升的演變趨勢,1990—1995 年城市形態主要發展方向在WSW、SW和SSW 方向,且擴展強度與擴展速度指標水平變化突出;在此之后,銀川市發展開始注重現有用地,擴展速度與強度均有降低;但在2000 年城市建成區的總體向外擴展速度和強度重新提高且主要以SSW 方向為主。2005 年后,擴展強度有所降低;直到2010 年城市形態穩定擴展,2020 年擴展強度大致保持穩定水平,主要擴展方向從20 世紀90 年代末集中在SSW 方向轉向主城區,擴展速度減緩,更注重現有城市用地的合理規劃利用。

3.2 城市水系連通性評價

銀川市城市形態變化發展依賴黃河干流與境內水系,因此東部到南部擴展強度呈現波動趨勢;而向西和西南方向出現明顯變化:除依靠西南部黃河的發展外,城市形態也開始向西、西南發展,水域總面積變化不大;同時區域內水系網絡分布逐漸合理,并與城市擴展相協調。

由于銀川市地處銀川平原,周邊圍繞沙漠,雖有黃河作為城市發展的水源,但受到降水量少、蒸發量大、黃河引水量等因素的限制,城市發展仍舊受到極大的制約[9]。

通過對城市建成區和土地利用數據的分析,銀川市建成區輪廓在30 年中不斷擴展,但新生建設用地零碎分散,分布密度低,用地并未形成成片空間;但通過對銀川市水域用地提取并與當年遙感影像數據進行對比后得出:1990—2020 年的水系、水域用地面積均有所增加,如銀川市城市用地以西的典農河,其1990 年水系無法進行有效識別,而2020 年能夠明確劃定水域空間所處的水系軸線。

銀川市1990 年、2000 年、2010 年、2020 年的河流水系連通性評價指標數據庫見表9。 其中銀川市行政區域內的河流總長度在1990—2000 年維持原有水平;而在2000—2020 年,研究區內的河流總長度開始出現增長趨勢,2010 年水系總長度比2000 年增加142.04km,2020 年水系總長度比2010 年增加471.17km,二者漲幅差距極大,綜合考慮數據誤差使得結果與實際有所出入,但仍表明銀川市在2000 年開始水系總體出現很大的變化與發展。

表9 1990—2020 年銀川市水系連通性指數

黃河銀川段干流長度在30 年間未出現大的波動,總體在85km 左右浮動,但與同時期的區域河流總長度對比可知,銀川市的水系變化主要表現在支流河道與引黃溝渠水系的變化。

通過對河網密度、水面率、河道頻率指標結果橫向對比研究,代表河網長度發育狀況的河網密度指標變化趨勢與銀川市河網總長度變化趨勢基本趨于同步:在1990—2000 年間基本處于持續穩定趨勢;2000 年后,其河網密度開始逐漸增長,增速也不斷加快:1990—2000 年,河網密度變化幅度只有0.01,但在2000 年后,增長幅度提高,2000—2010 年增加0.02、2010—2020 年增加0.06。 水面率指標也隨之出現變化:銀川市河網水面率在1990—2010 年指標變化處于平穩狀態,2020 年境內的水系總長度增加、水系數量增加;與此同時,銀川市近年對于城市綠化與休閑空間建設的重視程度不斷提高,城市居民對于城市景觀空間的要求也隨生活水平的提升而增高,因此,銀川市境內的水系、人工溝渠、湖泊、水域面積等也在不斷增加,2020 年,水域面積與水系數量極大增長,河網發育程度有所提高。 與此相反,1990—2020 年河道頻率指標未出現顯著變化,即使在1990—2000 年有所增長,但過后仍回落到原水平。 這是因為銀川市的河流水系與水域面積等指標增加的主要因素在于引黃溝渠的改造和增加河道溝渠支流數量,無法構成完整的自然河流水系計入研究區河流數量指標。 因此,在銀川市河網總長快速增長的同時,有關河流數量道的河道頻率指標并未隨之增長,較2000 年與2010 年時0.80 條/km左右的指標還有所下降。

關于銀川市境內水系的連通性結構特征評價指標,支流發育系數指研究區域內河網各級支流的發育狀況;干流面積長度比則體現研究區域內水系的河流干流主干化程度,用以研究水系形態的變化[14]。 由于銀川市特殊的人工溝渠縱橫的現實情況,且本文研究主要圍繞城市形態,為了完整得出水系形態變化趨勢以及與城市形態的關聯性,對于研究區域內的水系網絡以黃河主干為一級河流,其余溝渠水系均作為二級水系處理;采取定性研究法及模型法,建立銀川市以黃河為主干河流、區域河流與人工引黃溝渠為支流水系的水系連通性評價指標體系,除以上水系數量特征評價體系外,加入支流發育系數和干流面積長度指標比作為描述評價城市水系網絡主干與支流形態變化的指標。

由銀川市境內水系支流發育系數和干流面積長度比的指標含義與對研究區域內河網支流的變化趨勢的研究結果發現:1990—2020 年,銀川市的水網密度不斷提升,而支流發育系數的變化趨勢與河網密度指標基本保持同步,即在2000 年以前指標系數增速很慢,2000 年支流發育系數較1990 年增加1.2;但2010 年支流發育系數增速提升,較2000 年提高1.66;到2020 年時支流發育系數已達到23.62,較之前的系數增長幅度提升3 倍左右。 但黃河銀川段干流面積長度比的指標變化趨勢有所不同:黃河干流面積長度比盡管變化細微,但近30 年間仍處于緩慢下降的趨勢;從干流面積長度比所代表的干流主干化程度來說,該指數變化表示黃河干流在1990—2020 年間黃河的主干化程度有所減弱,即黃河的支流與基于黃河干流衍生的水系結構逐漸復雜。 結合水網密度、支流發育系數、干流面積長度比三者的變化趨勢可知:銀川市行政區域內的水系網絡在近30 年的發展中結構趨于復雜,河網水系的數量和密度不斷增加,主要是非自然形成的河流或大型水系的引流溝渠與人工景觀水系;而黃河干流主干化程度在逐漸減弱,黃河支流增加,河網密度的不斷提升。

4 結論與建議

4.1 結論

a. 銀川市城市建成區形態與水系結構連通性評價指標變化趨勢基本同步,尤其以河流總長度、河網密度、支流發育系數同步性更為明顯,其變化趨勢特征與城市建成區面積與質心點變化同步,證明了銀川市城市的形態發展與水系網絡具有很深的關聯性,城市依靠水系網絡建設發展,水網結構連通度決定了城市擴展方向及其強度與速度。

b. 通過對銀川市城市建成區等扇疊加分析及與水系結構連通度相結合分析可知,銀川市城市形態變化趨勢與境內黃河支流水系與引排水溝渠等水系結構的分布具有重要聯系,多年以來城市擴展方向以沿銀川段黃河為主,但在近10 年,銀川市城市向西南方向擴展的強度與速度開始加快,同時在30 年的城市形態變遷中,銀川市城市建成區外圍輪廓擴展趨勢明顯,但內部分布破碎、聯系不強。 因此,在2010 年左右銀川市城市形態變化具有一定向內收縮的趨勢,主要集中在對原有城市用地的調整建設。 經對比銀川市1990—2020 年水系圖與城市建成區等扇疊加分析圖可知,西南向水系網絡的水網逐漸復雜,且城市形態出現變化最大的方向同樣位于SW 方向,表明銀川市發展與水網發達程度緊密聯系、城市擴展將首先考慮水系通達度。

4.2 建議

銀川市城市空間形態與境內水網復雜程度聯系緊密,結合自然環境條件:研究區域氣候干旱,境內以平原為主,易于荒漠化,生態環境脆弱,應著重保護當地生態環境的穩定,保持水土、防風固沙。 同時根據銀川市城市空間形態的演變與當地水網結構的高度關聯性,當地城市建設發展應著重考慮合理規劃水系與水網結構,合理規劃建設并形成高效合理的水網體系,使河流水系成為銀川市未來發展的一大重要助力。 對當地水資源的利用需統一管理建設,通過水系結構與連通性等具有一定參考價值的指標數據控制,提高城市水面率與水網密度,保證城市建設水循環體系的不斷優化,為研究區域依托水系的城市建設與發展提供保障[19]。

銀川市的城市建設、農業灌溉和工業發展都需借助水系資源。 因此,銀川市城市的形態變化與水網發育程度變化同步且具有很強的關聯性,但也由此可知其生態環境更易受到破壞。 《基于TM 影像的銀川平原湖泊濕地景觀空間格局動態演化研究》一文中提出:銀川市的城市形態演變驅動因子包括人為與自然因子,其中自然因子即氣候、水文等因素,從以上研究所得結論可知,銀川市的城市宏觀形態受水系影響更大。但隨社會發展,對于城市宏觀形態塑造中人為因素的影響力提升,使生態環境、水系結構等受到一定程度破壞:如黃河水量減少、湖泊濕地水域面積改做農田面積減少、污水污染等;在2000 年后出于對黃河和生態環境的保護,對黃河水資源取用量減少并進行限制,但地下水位下降危機不可避免[7]。 《銀川市城市脆弱性研究》一文中提出:銀川市城市脆弱性逐漸由經濟主導型向生態和社會主導型演變,水資源與生態問題將成為影響城市形態的主要因素,表明未來城市發展必須逐漸將生態問題納入主要關注范疇[20]。 結合銀川市城市形態與水系的關聯性,未來發展必須考慮完善水系規劃與指標體系水平把控,如嚴格控制水資源濫用與污染水排放、保護黃河干流生態環境、提高城市水系利用效率,形成可持續的適宜性城市擴展體系。