城市景觀水空間分布特征與生態效應研究

徐巧藝，王維平，鄧海燕

（1.濟南市清源水務集團有限公司，山東 濟南 250014；2.濟南大學 水利與環境學院，山東 濟南 250000；3.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250014）

隨著經濟全球化的發展，人們除了享受更高的物質生活外，對于周圍生活環境的優化問題也在日益關注，于是逐漸開始重視城市景觀的改善。城市景觀水作為城市景觀的重要元素，游憩和文化價值也許是城市水體最具價值的生態功能，同時城市中的水域在冬夏都有助于減小溫度偏差，改善由于城市中大量的吸熱表面和使用能源而造成的城市熱島效應。

目前，雖然對綠地景觀效果的研究有很多，但缺乏對于北方城市景觀水面空間布局情況的探討。該研究的目的是建立一個在相對理想狀態下的足以描述景觀水空間布局而又不冗余的空間分布指標體系，形象地刻畫城市水面的空間分布特征，探究景觀水面空間分布的最為合理的形式，使之在城市景觀整體布局過程中更加合理地規劃城市景觀水，發揮最大的生態效益。現以濟南市區黃臺橋以上流域面積為研究區，定量分析景觀水面對于其區域生態效應（尤其在調節區域氣溫方面）的影響，從而有助于在城市景觀整體布局過程中更加合理地規劃城市景觀水，提高城市整體的生態效益。

1 研究區城市景觀水概況

伴隨著城市化步伐的加快，城市水系儼然成為城市生態環境中不可或缺的因素，對于城市的用地布局及未來發展方向產生深遠影響。城市景觀水的空間分布，即所處區域的地理位置、地形地貌等情況，都會影響城市景觀水周圍的生態效應問題。本文選取山東省濟南市、聊城市、臨沂市和濰坊市這4個城市，介紹其城市景觀水在各個城市空間分布的基本情況。

濟南自古就有“泉城”的美譽，尤其以四大泉群、環繞老城的護城河、大明湖及小清河水系著名。濟南市區將山川、湖泊、河流和眾多的泉水泉群相融合，形成獨特的水文環境格局。此外，為了解決濟南市供水保泉及南水北調東線工程調蓄問題，相繼修建了黃河南的玉清湖水庫和東湖水庫。

聊城是個因水而生、因水而盛的城市，城區內古運河、徒駭河等河流水系縱橫分布，并與城區的東昌湖連成一體，更加彰顯出聊城獨特的“運河古都”、“江北水城”的城市風貌。

臨沂境內水系豐富，呈脈狀分布，四大水系：沂河、沭河、中運河、濱海貫穿城區，形成了“以沂河為軸、兩岸開發”的布局，故臨沂亦有“水城”之稱。

濟寧市區運河發達，河流眾多，密布城區，并與山東省兩大湖泊之一的南四湖相連，極具南方水系的特征。此外，為了保障南水北調工程輸水期間的水質，建設了截污導蓄工程，從而形成了大面積人工濕地。

2 景觀水空間分布指標選擇與評價

2.1 城市適宜水面面積率

景觀水面是指城建區范圍內具有一定水深，能夠常年涌水的開放型水域。而城市水面面積率S△則為城市總體規劃控制區內常水位下水面面積Sw占城市總體規劃控制區面積St的比率，即：

城市適宜水面面積率S＇△應根據當地的自然環境條件、歷史水面比率、經濟社會狀況和生態景觀要求等實際情況確定。對于S△≥S＇△的城市，應保持現有水面，不應進行侵占和縮小；對于S△≤ S＇△的城市，應根據城市具體情況，采取適當措施補償和修復，以滿足城市適宜水面面積率的要求[1]。經查閱《城市分區及其適宜水面面積率》可知4個城市的城市分區為III級，且適宜水面面積率 S＇△為 1%～5%。

根據山東省濟南市、聊城市、臨沂市和濟寧市4個城市建成區的景觀水面概況，可將景觀水分為河流水面和湖泊水庫水面兩種類型。統計這4個城市各景觀水類型的面積，結合濟南、聊城、臨沂和濟寧4個城市城建區的面積：325.7 km2、234.6 km2、195 km2和 117.5 km2[2]，利用城市水面面積率的計算公式，計算4個城市的水面面積率，并與適宜水面面積率進行對比分析，具體結果見表1。

表1 各城市景觀水面面積率評價表

根據表1結果可知，上述4個城市的景觀水適宜水面率以臨沂市最高，在城市規劃用地中，景觀水面面積率達到6.5%，其景觀水成為臨沂的優勢景觀；聊城次之，景觀水面面積占據城市用地的5.6%；濟寧位居第三，城市水面面積率達到5.2%；濟南為3.3%，故4個城市的水面面積率均達到城市適宜水面面積率的要求。但從表1也可看出，在4個城市景觀水面面積中，河流、湖泊面積所占的比重體現出分布的不均衡性，所以僅靠城市適宜水面面積率來衡量景觀水空間布局過于片面，應該選取其他指標進行綜合評價。

2.2 均勻度指標

均勻度指標能比較客觀準確的反映不同城市水景觀類型在城市總體規劃用地中的均勻分布程度。評價均勻度的指標很多，通常選取香農均勻度指數進行衡量，計算公式為：

式中：SHEI表示均勻度指數；pi指某種城市水景觀類型占景觀水面總面積的比例，i=1，2……n；n為景觀類型總數。

SHEI值的范圍為[0,1]，值趨于1說明景觀水中沒有明顯的優勢類型，且各景觀水類型在區域內均勻分布[3]。故可根據上述統計的4個城市各景觀水類型的面積來核算其所占比例及相應的香農均勻度指數，具體結果見表2。

表2 各城市景觀水面的香農均勻度值

由表2結果可以看出，濟南市和聊城市景觀水的SHEI值較高，表明各景觀水面在城市規劃用地中分布最為均勻；其次為濟寧市，均勻度指數為0.95，景觀水中以河流類型為主導，分布均勻度較差；再者便是臨沂市，各景觀水類型在4個城市中的分布均勻度最差。

2.3 形態指標

選定形態指標的原因是可以定量刻畫城市水景觀的平面展布形態。整個景觀水面形狀指數與單個景觀水面的形狀指數相似，只是計算尺度從單一化轉變成整體化[3]，表達公式為：

式中：LSI為形態指數，E為城市中所有景觀水邊界的總長度，A為景觀水的總面積。

現將濟南、聊城、臨沂和濟寧4個城市景觀水邊界進行匯總[2]，并計算出各城市景觀水面的形態指數值，具體結果見表3。

表3 各城市景觀水面形態指數

從表3可看出在4個城市中以臨沂市景觀水的形狀較為規則，其值最趨近0；聊城市的LSI值為0.54，表示各景觀水面的形狀逐漸趨于復雜，不能忽視小面積水域的分布；濟寧市和濟南市景觀水面的形狀指數普遍偏高，表明區域內小面積景觀水類型散亂分布，導致其整體景觀水面形狀最為復雜。

2.4 分離度指數

當城市建成區的形狀為規則圖形，如正方形、偏正方形等或圓形、近圓形時，為了描述各城市景觀水面在城建區內的相對位置情況，可在城建區內選取一個中心點，通過計算城市各景觀水相對中心點距離的標準差進行評價[4]?，F以建成區形心為中心點，衡量各景觀水空間位置的偏離程度，從而反映出4個城市景觀水的相對聚散情況，計算公式為：

式中：DI為分離度指數；li為各城市景觀水距中心點的距離，i=1，2……n；為景觀水距離中心的平均距離；n為各城市景觀水體的數目。各城市景觀水的分離度指數結果見表4。

表4 各城市景觀水的分離度指數

從表4可以看出，聊城市景觀水空間位置相對于中心點來說，聚集程度最好；臨沂市整體聚集程度較好，景觀水分布較集中；濟南市位居第三，城區內泉水與河流、湖泊的相對位置距離較遠，分離度較高；濟寧市雖有南四湖等大面積水域分布在城區內，但位置偏于城區邊緣地帶，故分離度最高。

2.5 景觀水綜合分析

結合表1～表4對各指數進行分析，并進行評分。每個參數分成3個等級，分別取分值為0.9、0.6、0.3，并且每個參數是等權重的。其中，在滿足城市適宜水面面積率的要求下，城市景觀水面面積率越大，表明其生態效益越好，分值越高；城市景觀水面類型分布越均勻，分值越高；但對于形態指數來說，指數值越低，表明各城市景觀水面形狀較規則，區域內小面積景觀水面幾乎可以忽略不計，分值越高；分離度指數越低，表示景觀水的聚集程度越好，分值越高。綜上所述，景觀水綜合分析的具體結果見表5。

表5 城市景觀水面空間分布情況的評分

由表5結果顯示，聊城市景觀水面整體空間分布最為合理，景觀水面面積在城市規劃用地中比重較大，可以給景觀水所在區域居民帶來可觀的社會和生態效應；其次就是臨沂市，雖有沂河、涑河和祊河三河匯聚貫穿城區，但各類型景觀水的分布均勻度較差；再次是濟南市，其整體水面分布均勻，但由于眾多小面積泉水泉群的零落分布，導致整體水面形狀的復雜程度高；較差的是濟寧市，整體景觀水面離散程度較大，可能導致區域發展的不平衡，因此應該把平衡景觀水的分布工作作為當務之急。

3 景觀水生態效應定量分析

3.1 景觀水生態效益的作用機理

濟南市區黃臺橋以上流域面積是由山丘區、平原區和城區構成，分別占流域總面積的31%、39%、30%。根據區域綜合陸面蒸散發計算結果可知，山丘區、平原區和城區的蒸散發量分別占整體陸面蒸散發量的23.3%、17.6%和59.1%?？梢姡菂^陸面蒸發量相對較大。其中，城區又分為透水和不透水面積[5]，不透水面指的是天然的或者人造的能阻止水滲透到地表以下的物質，例如瀝青、混凝土等人工下墊面，而透水面則指的是如水面、植被、土壤等自然下墊面。

城區透水面主要通過景觀水和陸面蒸發這兩種方式達到調節區域溫度的作用。其中，景觀水主要通過水面蒸發的方式來吸收熱量，從而起到降低區域溫度的作用；而城區陸面蒸發主要通過土壤水分的上升和汽化及植物葉面和枝干的水分蒸騰的方式來起到調節溫度的作用。

3.2 相同面積的景觀水與城市陸面生態效應對比

在假定濟南陸面面積和城區景觀水面面積相同，皆為10.61 km2的前提下，以全年和夏季（6～9月份）蒸發量為主，探討景觀水面和陸地對于調節區域氣溫方面的效果。

1）全年景觀水面蒸發量及對氣溫影響的定量計算。濟南市全年的水面蒸發深為1 288.9 mm，全年的陸面蒸發深以黃臺橋站測定為準，其值為525.6 mm，可計算出全年的水面和陸面蒸發量。根據每蒸發1 g水帶走585卡的熱量為準（由水的密度為1 g/cm3，且1 cm3=1 ml，故蒸發1 g水即為蒸發1 ml水）[6]，可算的濟南市全年水面和陸面蒸發的耗熱量。由于在標準大氣壓下，空氣的密度為1.293 kg/m3，城建區面積為325.7 km2，比熱容c為1000J/（kg·℃），故現以濟南市近地面200 m高空的大氣為研究范圍，利用已算出的全年水面和陸面蒸發的耗熱量，根據熱力學公式可以得到水面和陸面蒸發對于溫度變化的差異，具體結果見表6。

表6 濟南市全年水面和陸面蒸發耗熱量和溫度變化值

從表6可看出，水面和陸面蒸發消耗的熱量可使濟南市城建區全年溫度降低值分別為398℃和162℃，按一年365 d計，由此得出每平方千米的水面和陸地面積可使溫度每天降低1.09℃和0.44℃。因此從全年蒸發量來看，當假定城市水面面積和陸面面積相等時，水面蒸發相比于陸面蒸發，其調節溫度的效果更明顯。

2）夏季景觀水面蒸發量及對溫度影響的定量計算。同樣假定濟南市城市景觀水面和陸面面積是相等的，根據資料查證出的濟南市夏季（主要集中在6～8月份）的水面和陸地蒸發深[5]，結合濟南市的水域和陸地面積，算出其相應水面和陸地的月蒸發量，具體結果見表7。

表7 濟南市夏季（6～8月）水面和陸面的月蒸發量

同樣仍以濟南市近地面200 m高空的大氣為研究范圍，對于6～8月的水面和陸面蒸發的耗熱量和溫度變化值可按照全年水面和陸面蒸發的計算方法同理可得，具體結果見表8。

表8 濟南市夏季水面和陸面蒸發耗熱量和溫度降低值

由表8得出的夏季（6～8月）水面和陸面蒸發的溫度降低值，按每月30 d計，可推斷出每平方千米的水面和陸地面積的日均氣溫降低值，具體結果見表9。

表9 濟南市夏季每平方千米水面和陸面日均氣溫降低值 ℃

從表9中得出的夏季（6～8月）水面和陸面日均氣溫降低值可看出水面蒸發相對于陸面蒸發而言，在調節溫度方面更加具有優勢。

綜上所述，在假定城市水面面積和陸面面積相等的前提下，無論是全年蒸發量或是夏季蒸發量，其城市景觀水調節溫度的效果更優于陸地對于溫度的影響。故針對濟南市而言，其氣候的極端性較強，夏季（6～8月）的月平均氣溫最高可達28.3℃，最低到21.9℃，因此必須采取較為高效的方式來調節氣溫，改善區域氣候。從表6和表9可看出，當城市僅由陸面構成，而缺乏景觀水的輔助時，夏季日平均氣溫僅降低0.054℃，對于調節區域小氣候的效果不明顯；當城市是由大面積的景觀水構成，而陸地面積與之相比可忽略時，夏季日平均氣溫變化值明顯高于陸面蒸發引起的氣溫變化值。因此，在城市用地規劃過程中，不能過分加大城市陸面面積，而忽視城市景觀水的建造，應該做到統籌兼顧，將景觀水與其他的景觀類型（例如綠地、道路和建筑物等）的空間布局趨于合理化。

4 結論

初步選取了城市適宜水面面積率、景觀水面均勻度、景觀水形態指數和景觀分離度這4個空間分布指標對于山東省濟南市、聊城市、臨沂市和濟寧市城建區的景觀水空間布局進行評價。綜合各指標的評分，分析出4個城市的景觀水空間布局的合理度由優到劣的順序為聊城市、臨沂市、濟南市和濟寧市。

為了探究景觀水與生態效應的聯系，以濟南市黃臺橋以上流域面積為研究區，在假定城市景觀水面面積和陸面面積是相等的基礎上，主要從水面和陸面的全年蒸發量和夏季（6-8月）蒸發量兩個方面入手，對于區域溫度的調節效果進行分析，其分析結果表明景觀水面比起陸面來說，調溫效果更佳。