福州市景觀格局對城市內澇的影響*

吳涌平 林鈺珺 吳姝婷 鄭藝琦 林開泰 蘭思仁，2

1 福建農林大學園林學院 福州 3500022 國家林業與草原局森林公園工程技術研究中心 福州 350002

目前，全國范圍發生內澇現象的城市已超過60%。城市的建設開發使土地利用方式發生了結構性變化，城市下墊面硬質程度加劇，天然排澇系統減少，地表徑流的增加加快了匯流速度，使尖峰徑流的時間集中，強度增大，大幅度增加了低洼地帶的排水壓力[1-3]。因此，城市化造成的土地利用變化加劇了城市內澇的形成，并逐漸變為城市洪澇災害日趨嚴重的主要原因[4-5]。已有研究指出，自然因素及人為活動共同作用引起的城市景觀格局變化是城市地表徑流量變化的主要因素之一[6]，景觀格局通過影響暴雨徑流的產流及匯流過程影響城市內澇發生的頻率和強度[7]。在許多研究[8-10]中，景觀格局對雨水徑流的重要影響已得到證實。

目前，已有學者對福州中心城區內澇災害的原因進行探討，并提出相應的解決策略[2，11]，但主要是基于宏觀層面，缺乏對于特定區域的定量分析。因此，本文將從流域視角，對易澇區域進行具體的定量分析，探究其景觀格局對內澇的影響。在暴雨事件中實地記載所得的內澇點數據是對城市內澇狀況的實際反映，基于此，文章選取內澇災害頻發的福州市為研究區，以福州勘測局記錄的內澇點數據為基礎，輔以歷史相關勘測數據，建立福州內澇點空間分布數據，進而探究在類型水平和景觀水平上，城市景觀格局對其內澇的影響，并以此為城市內澇治理和城市景觀格局優化管理提供理論支持和實踐基礎。

1 研究區概況

福州市是我國東南沿海地區重要的港口城市，也是海峽兩岸經濟區核心城市之一。福州屬亞熱帶季風氣候，年平均降水量約為900～2 200 mm，地貌特征為典型的河口盆地，山地與丘陵約占轄區土地總面積的73%。福州江北主城三面依山，地勢西北高，東南低，城區內河密布，閩江穿城而過，集水總面積約為165.6 km2。

近年來，福州中心城區的硬質不透水地面面積比例持續增大，導致地表徑流增加，同時，特殊的盆地地形導致外圍坡陡山體形成的山洪匯入內城區，但城區內河河道淤積導致其泄洪排澇能力下降，內城泄洪壓力日益劇增。總的來說，雖然特殊的地形地貌及臺風強降雨在一定程度造成了福州易澇的現狀，然而，城市化帶來水文條件的不利改變已成為洪澇產生的根本原因。

2 數據處理與分析

本文研究內容主要包括數據處理與數據分析兩部分，是一個較為完整的定量分析過程。數據處理主要包含3部分:一是基于ArcGIS對DEM高程數據進行水文分析，導入內澇點數據，從而建立以流域為單位的匯水區內澇數據；二是基于ENVI對衛星影像進行解譯并以此生成土地利用數據；三是基于FragStats對研究區景觀格局進行景觀指數計算，以此表征研究區的景觀格局特征。數據分析主要是基于SPSS統計分析軟件進行皮爾森相關性分析與多元逐步回歸分析，主要探究城市景觀格局對城市內澇程度的影響。

2.1 數據處理

2.1.1 匯水區內澇數據

城市雨洪問題是系統性問題，該問題的產生與其所處流域的水文環境被改變破壞密切相關[8，12]。因此，通過 “地理空間數據云” 獲取精度為30 m的DEM高程數據，基于ArcGIS的水文分析模塊，提取匯水線、河網等相關水文要素獲得福州市匯水區劃分圖。

同時，以福州勘測局記錄并發布的內澇點數據為基礎，輔以歷史相關勘測數據，對福州內澇點分布數據進行矢量化操作，建立共計82個易澇點的福州內澇點空間數據集。由所建立的空間數據與福州內澇現狀進行比對，該內澇點空間數據基本準確地反映了福州主城區內澇情況。

疊加福州市內澇點空間數據集與匯水區劃分圖，得到共計52個含有內澇點的子匯水區，并以子匯水區作為研究單元。本研究中匯水區的內澇程度將用內澇點密度 (內澇點密度＝匯水區內內澇點個數/匯水區面積，單位:個/km2)進行定量化表述。在基于ArcGIS的支持下，對每個研究樣本的內澇點密度及各類景觀格局指數進行對應的矢量化數據操作。

2.1.2 土地利用數據

本研究從 “地理空間數據云”獲取研究區2018年的Landsat TM遙感影像數據，空間分辨率為30 m，云量低于10%且成像質量良好。根據國家現有 《土地利用現狀分類》[13]標準，結合福州市區域土地利用特征和研究目的，對影像進行土地利用類型分類；在基于ENVI 5.3的支持下，通過監督與非監督分類方法，最終將研究區劃分成5種類型，即農地、林地、水域、建設用地和未利用土地；同時，利用福州市城市總體規劃圖進行校準核對，最終獲得2018年福州市土地利用圖 (圖1)。

2.1.3 景觀格局指數

景觀格局指數被廣泛用于衡量景觀格局，其優點在于能夠高度濃縮景觀格局信息，體現景觀結構特征及空間構成，且易于定量化計算和表述[6]。因此，本研究基于Fragstats4.2景觀指數軟件，應用景觀格局指數對流域的景觀格局信息進行表征，通過對各景觀格局指數的表征意義與相關研究的總結，共選取8個景觀指數，其中包括4個類型水平，4個景觀水平 (表1)。

圖1 2018年福州土地利用圖

2.2 數據分析

1)皮爾森相關性分析。采用皮爾森相關性分析對城市內澇程度與景觀指數進行相關性分析，找到與城市內澇程度相關的景觀指數，為下一步研究打下基礎。在統計學中，相關分析是研究變量之間是否存在某種依存關系的方法。皮爾森(Pearson)相關系數描述的是兩個變量之間線性相關程度強弱的統計量，相關系數的絕對值越大，變量之間相關越密切[14]。

2)多元線性回歸分析。由于相關系數反映的線性關系不一定是因果關系，為了進一步探討多種景觀格局在共同作用下對城市內澇的影響程度，本文采用多元線性逐步回歸的方法進一步探究城市景觀格局對城市內澇的影響[15]。指定因變量為內澇程度，自變量為景觀指數，通過回歸分析可量化二者之間相關性的強度，進而評估出與城市內澇程度最相關的影響因子。

表1 研究中選取的景觀格局指數簡介

3 研究結果與分析

3.1 皮爾森相關性分析

通過SPSS22.0軟件，以子匯水區為單元，將匯水區內內澇點度與景觀指數進行雙變量相關性分析，采用皮爾森相關分析進行計算，雙側檢驗，結果如表2所示。通過相關性分析，得出城市內澇程度相關的景觀指數有景觀形狀指數、建設用地的斑塊聚集度指數和建設用地的斑塊密度。從相關系數的絕對值看，景觀形狀指數＞建設用地的斑塊密度＞建設用地的斑塊聚集度。分析結果表明，景觀斑塊形狀越規整，空間結構越單一，城市內澇發生風險越大；此外，建設用地削弱了城市下墊面的透水性，對城市原有的水文環境造成了極大的破壞，其斑塊分布越零散、密度越大，都極有可能加快暴雨徑流的匯集，從而導致城市內澇的發生。

表2 與城市內澇密度相關的景觀指數

3.2 多元逐步回歸分析

為滿足SPSS對樣本數據分析的準確性要求，對樣本進行篩選后進行回歸分析，形成最終的回歸模型。從分析所得到的參數 (置信區間＝95%)看 (表3)，該回歸模型中各變量的檢驗顯著性均小于0.01，回歸方程F檢驗觀測值為16.034，對應顯著值近似為0，說明回歸模型中每個回歸系數具有顯著性，并且各個回歸模型均是有效的，說明內澇點密度與景觀指數線性關系顯著。R2表征模型的擬合優度，調整過后的決定系數R2＝0.518，解釋性合理，擬合度效果較好。因此，最終建立模型為:Y(內澇點密度)＝ 58.301-0.671X1(COHESION_建設用地)-0.614X2(LSI)-0.326X3(PLAND_林地)。

通過多元回歸分析，最終進入方程的變量是景觀形狀指數、建設用地的斑塊聚集度指數及林地斑塊所占景觀面積比例。標準化回歸系數表征的是對被解釋變量的重要性。從自變量標準化回歸系數Beta的絕對值看，對內澇災害影響的重要性程度為:建設用地的斑塊聚集度＞景觀形狀指數＞林地斑塊所占景觀面積比例。分析結果表明，建設用地與林地這兩種土地利用類型對于城市內澇的影響比較突出，城市建設用地越破碎，城市林地占比越小，城市內澇發生的風險越大。

表3 多元逐步回歸模型參數表

4 結論

本文以內澇頻發的福州市為研究區域，重點探究城市景觀格局對城市內澇程度的影響，通過皮爾森相關性分析及多元逐步回歸分析，表明城市化發展所造成的土地利用格局的改變導致了城市洪澇問題，依照分析結果可以得出4個景觀指數在其中起到決定性作用。

1)景觀形狀指數 (LSI)。城市景觀斑塊的形狀越復雜，越不易發生區域內澇災害。在一定尺度的景觀空間中，復雜形狀的建設用地在一定程度上會分散或延長徑流路徑，從而延緩尖峰徑流的到來。因此，在城市景觀設計中可以使用復雜的斑塊邊緣形狀代替規則邊緣形狀，從而降低內澇發生的風險。在整體的景觀空間中，不同的土地利用結構具有不同的雨洪調蓄能力，而不規整的林地個體斑塊可以使其與其他斑塊的連接性更好，有效疏導徑流進入具有蓄水能力的林地空間，從而提高整體景觀空間的雨洪調蓄能力。因此，在城市景觀設計中可通過塑造同類和不同類別斑塊間的良好鑲嵌結構，增加景觀各類型間的復雜作用，從而減小城市內澇的發生風險。

2)建設用地的斑塊密度 (PD)和建設用地的斑塊聚集度 (COHESION)。從相關分析看，建設用地的斑塊密度 (PD)與城市內澇風險呈正相關。PD值的大小表征單位面積中類型斑塊的數量，在面積與地面硬質率相同的建成環境中，建設用地的斑塊數量越多，PD值越大。從回歸分析看，建設用地的斑塊聚集度 (COHESION)越小，也就是建設用地斑塊分布越破碎，城市內澇問題越嚴重。總的來說，在具體的城市建成環境中，建設用地斑塊數量越多，建設用地就越易破碎無序，使景觀空間連通性降低，可延滯雨水的綠地連續性被硬質地面打斷，雨水從某一綠地斑塊傳遞到另一綠地斑塊的效率一定程度上降低，綠地就近消納雨水的效果就越不突出，整個景觀空間的雨洪調蓄能力就越弱。因此，可減少城市中建設用地細小斑塊散亂分布，形成以較大且集中的斑塊為主的景觀，有效降低城市內澇的發生。

3)林地斑塊所占景觀面積比例 (PLAND)。城市林地面積占景觀總面積的比例越大，區域的內澇發生風險越小。在整個降水過程中，雨水會蒸發、會被植被吸收、會滲透成為地下徑流等等，除去這部分消耗掉的雨水，剩下的會匯合成為地表徑流[16]。然而，在樹木茂密的地區，地表徑流占總降水量的比例不到10%，這主要是因為植被的耗水作用十分突出，除去綠地本身具有滲透性的土壤可消納一部分雨水外，在每次降水中，植物的樹冠可截留15%～40%的降水量[17]。因此，可通過增加林地建設來降低城市內澇發生的風險。

因此，本文以研究分析結果為基礎，對福州市未來景觀格局優化提出以下幾點建議:首先，加強對整體景觀空間的宏觀調控，營造各景觀類型之間良好的鑲嵌結構，形成水綠交融的安全雨洪景觀格局；其次，適當調控建設用地，對于細小散亂分布的建設用地斑塊進行整合和重新規劃，可適當將廢棄的建設用地歸還成具有滲水、蓄水能力的綠地，以此緩解城市內澇程度；最后，在雨水管網等灰色基礎設施的建設基礎上，輔以綠色基礎設施的建設支持，如增加綠色滲水鋪裝、雨洪濕地等，同時，重點利用林地的海綿效益，適當退耕還林，提高綠地整體的雨洪調蓄能力，以此全面提高城市的排水和防洪能力，從而緩解城市內澇的風險。

此外，本文應用中低分辨率的遙感數據對地物識別不夠精準，且影響景觀格局的要素較多，導致模擬過程中可能出現誤差；但通過對場地現狀的調研對比，所得到的土地利用現狀、區域內澇狀況基本符合福州市的雨洪現狀。