基于景觀形態的城鎮與山地交互作用及其災害效應
——以粵港澳大灣區為例

黎 昊，宮清華，袁少雄，王 鈞，黃志豪，程玥淞，陳敬業，黃建國

（1.廣東省科學院廣州地理研究所//廣東省地理空間信息技術與應用公共實驗室//廣東省地質災害應急技術研究中心，廣州 510070；2.昆明理工大學 國土資源工程學院，昆明 650031）

丘陵淺山區作為人與自然雙向作用的平原山地重要交互帶，在高強度、高頻率的工程建設活動影響下，景觀結構在短時間內發生顯著變化（Reichenbach et al., 2014）。粵港澳大灣區在快速城市化的驅動下，城鎮用地需求不斷增加，外圍丘陵淺山區是城鎮對山地擾動極為劇烈的區域，城鎮面積增長侵占了周圍農田、林地和濕地的空間（王文靜 等，2020；劉志濤 等，2021）。林地作為丘陵淺山區主要地類，1980—2018年大灣區林地覆蓋面積縮減1 274 km2，林地轉變為建設用地的面積占林地喪失總面積的比例從1980—1990 年的11%增長至2010—2018年的42%，城市擴張幅度與空間格局顯著影響林地破碎化（虞文娟 等，2020）。

景觀格局包括景觀組成單元的類型、形狀、數目以及空間分布與配置，是生態系統屬性空間變異程度的具體表現，是土壤、水文地質、植被等層次的綜合反映（宇振榮，2008）。同時景觀格局與坡度、坡長以及土壤性質等密切相關，是自然和人類活動相互作用的結果（尹志恒 等，2021）。建設用地對山地的擾動主要通過直接占用土地改變地貌形態，破壞坡面穩定性和水循環，進而引發地質災害。據統計，廣東90.3%的滑坡、崩塌等地質災害由切坡工程活動引發，且主要發生在中低山區和丘陵淺山區（方朝豐，2018）。城鎮不合理削山造地等工程活動深刻改變了原有地質地貌環境，增加了丘陵淺山區地質災害的發生風險（黎昊 等，2022）。因此，景觀格局的變化雖然不是導致地質災害的發生直接因素，但包含了工程切坡改變坡面形態的基本屬性。

城市擴張過程中進行的人工削坡活動是導致山地景觀破碎化的直接因素，同時也是增加滑坡、崩塌風險的關鍵因素。雖然歷史時期的人工削坡活動無法進行有效監測，但可以通過景觀格局指數分析獲取城山交互區的切坡形態。如余剛鵬（1992）提出了山地平原交錯帶概念，并討論了交錯帶的自然結構和邊緣效應；黃佩（2020）認為山地災害與城鎮擴張強度、城鎮景觀破碎度之間有較強的耦合關系，不同時段呈現不同的時空分異特征；趙美齡等（2022）通過對比分析2010與2018年印度依都基地區地質災害發育的土地利用/植被變化之間的關系，得出土地利用變化主要發生在林地與工程建設用地中，地質災害主要分布于林地、建設用地、道路等交錯區域。景觀類型水平上，景觀的大小、形狀、破碎程度、聚合程度指數與滑坡危險性等級均具有一定的相關關系（郭惠娟，2010）。綜合研究現狀，滑坡、崩塌等地質災害與人類工程活動導致的景觀破碎有著密切關系。從城山交互區景觀的角度出發，多數研究停留在兩者之間的相關關系，未能揭示景觀格局指數所體現的城山交互區形態特征及其災害效應。

城市周邊的山體穩定對于維持山地城市圈整體生態與環境安全的意義重大。研究城鎮山地交互區的景觀形態、面積以及空間配置與地質災害之間的關系，探討人類工程活動與丘陵山地相互作用對地質災害發生的影響，可以從工程建設源頭降低地質災害風險。因此，本文以粵港澳大灣區為研究區，用城山交互區景觀格局指數反映交互區的邊界形態，分析景觀格局指數與地質災害發生強度之間的關系、識別關鍵因子，并利用GAM 模型擬合災害發生強度與景觀格局指數的函數關系，分析城市開發建設的地質災害效應。以期為粵港澳大灣區土地利用規劃布局提供指導建議，為生態恢復和土地資源的可持續合理利用及地質災害防治提供參考。

1 研究區域概況

粵港澳大灣區城市群由廣州、深圳、珠海、中山、江門、佛山、東莞、惠州、肇慶以及香港、澳門組成，介于21°56′-24°51′N、111°59′-115°28′E之間（羅趙慧 等，2021）。大灣區位于南嶺山脈以南，南瀕南海，地形復雜多樣以丘陵、平原為主，地處中緯度環球災害與環太平洋災害帶交匯部位，海洋、陸地、大氣交互作用強烈，受低緯度熱帶天氣系統的交替影響，氣候復雜多變，年均溫為22℃，年平均降雨量為2 300 mm（杜鵬 等，2010；謝和平 等，2019）。大灣區作為中國經濟活力最強、人口密度最大、發展速度最快的區域之一，人類活動作用十分強烈。在特殊的自然地理環境、氣候條件和人類活動的綜合影響下，大灣區崩塌、滑坡、泥石流等山地災害頻發（宮清華 等，2021）。2014—2020年灣區滑坡、崩塌山地災害點共計1 446個，山地災害密度呈塊狀分布，大部分分布在丘陵淺山區與平原交錯的區域（圖1）。

圖1 粵港澳大灣區地理位置Fig.1 The geographic location of the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area

2 數據與方法

2.1 數據來源

地質災害（2014—2020年）數據來源于廣東省各地市地質災害防治方案及香港特別行政區政府資訊科技總監辦公室①https://data.gov.hk/，數據由廣東省科學院廣州地理研究所自然地理與資源環境研究部匯總整理。DEM數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺②http://www.gscloud.cn/；2005和2020年土地利用遙感監測數據來源于中國科學院地理科學與資源研究所③http://www.resdc.cn/。

2.2 數據處理

2.2.1 城鎮山地交互區提取 根據“中國1∶100萬地貌圖制圖規范”與中國陸地1∶100萬數字地貌三等六級七層的數值分類方法（中國科學院地理研究所，1987；周成虎 等，2009），以地勢起伏度定義地貌基本類型。粵港澳大灣區地貌以平原、丘陵、臺地為主（鄧昊鍵 等，2020），其中，平原占48.2%、丘陵臺地占51.4%、小起伏山地占0.4%。本文將小起伏山地、丘陵、臺地統稱為丘陵淺山區。基于均值變點法計算大灣區最佳地勢起伏度提取單元，劃分丘陵淺山區，并結合土地利用類型數據將建設用地與丘陵淺山區重合區域進行識別，提取城鎮山地交互區（建設用地干擾丘陵淺山區），具體提取步驟及空間分布結果見文獻（黎昊 等，2022）。

2.2.2 城鎮山地交互景觀格局指數計算 城山交互區的邊緣效應，一方面表現為環境因子相互作用在交互區內的某些特殊的自然響應，另一方面表現為人類的占領、開拓、利用和調控的特化作用，從而產生各種不同的地理結果（余剛鵬，1992）。考慮景觀格局指數的意義和城山交互區邊緣效應（張倩寧 等，2017；歐維新 等，2019；羅佳茹 等，2021），選取回旋半徑、分維數、景觀形狀指數、相關外接圓指數、邊緣面積比、形狀指數、分離度指數、連接性指數、拼塊面積9個景觀指數分析大灣區各地級市的城鎮山地交互區景觀形態（表1）。基于Fragstats 4 計算大灣區各地市（澳門除外）各類景觀格局指數。

表1 城鎮山地交互區景觀格局指數類別Table 1 Landscape pattern index categories for urban-mountain interaction areas

2.2.3 地質災害發生強度計算 地質災害發生強度采用大灣區各市區的地質災害數量與面積的比值計算，公式為：

式中：D表示地質災害發生強度；d表示地質災害數量；S表示面積。

2.3 城山交互區景觀形態與地質災害發生強度的相關關系

采用Pearson 相關性分析方法計算粵港澳大灣區地市地質災害發生頻率與城鎮山地交互區各景觀格局指數之間的關系。Pearson相關系數是描述2個變量之間的相關程度的常用統計量，相關系數絕對值的大小，可體現變量之間的密切程度（南英子，2011）。為歸納統一樣本的統計分布性，首先需對景觀格局指數及地質災害發生頻率進行歸一化處理，公式為：

式中：Dmax為地質災害強度的最大值；Dmin為地質災害強度的最小值；DF為地質災害強度歸一化值。

Pearson相關系數計算方法為：

式中：E表示均值；D表示方差；D(x)D(y)表示標準差；Cov(x，y)=E[(x-Ex)(y-Ey)]表示變量x與y之間的協方差；相關系數ρxy表示2個變量之間的協方差與標準差的商，取值范圍為［-1，1］。|ρxy|越大，表示變量x與y相關性越高，ρxy為正值表示正相關，ρxy為負值表示負相關，ρxy=0表示兩者不相關。

由公式（3）變換可得地質災害強度與景觀格局指數Pearson相關系數：

式中：x、y均表示地質災害發生強度與景觀格局指數序列組；xi、yi表示第i序列組的值；xˉ、yˉ表示序列組的均值；rxy表示質災害強度與景觀格局指數Pearson系數。

2.4 城山交互的災害效應分析

采用GAM 模型探究景觀格局指數變量對地質災害的效應。GAM模型是在廣義線性模型（Generalized Linear Model, GLM）的基礎上提出的（Hastie et al., 1990），GAM 為非參數回歸模型，模型假設函數是相加的，可對解釋變量進行線性擬合和光滑函數擬合，能自動選擇合適的多項。為比較各景觀格局指數類型對地質災害的貢獻，將地質災害概率作為響應變量，各景觀指數因子作為解釋變量分別建立GAM 模型。模型采用恒等聯系函數作為連接函數，平滑回歸項采用樣條平滑函數，模型為：

式中：β0為截距；β1為景觀指數系數；Xi為交互區景觀格局指數；i為第1 -n類景觀格局指數。

3 結果分析

3.1 城山交互區與地質災害強度分布特征

圖2顯示，城山交互區分布范圍較廣，大多集中在人口聚集且起伏度較高的區域。其中，城山交互區面積較大的區域主要分布于大灣區中部及東南地區，江門和惠州也有少量分布，面積分別為63.5和 81.9 km2，地質災害頻率分別為0.7 和0.9 個/102km2；廣州的城山交互區主要分布于白云山南部，面積為131.8 km2，地質災害頻率為3 個/102km2；深圳、香港、東莞主要分布于人口聚居的南部，面積分別為81.6、58.5、32.1 km2，地質災害頻率分別為10、10 和11 個/102km2。崩塌、滑坡地質災害點與城山交互區分布有較大相似度，同樣集中分布于大灣區中部及東南沿海經濟區。

圖2 粵港澳大灣區城鎮山地交互區與地質災害分布Fig.2 Distribution of urban mountain coupling area and landslide hazards in the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area

3.2 城山交互區景觀形態空間分布特征

以區縣級尺度計算粵港澳大灣區景觀格局指數，并依據自然斷點法分為4級。景觀格局指數空間分布如圖3所示。回旋半徑屬于邊緣指標類，用以表征斑塊邊界的曲折性、斑塊范圍等屬性，回旋半徑在香港、江門市西北部、廣州北部及惠州大部分區域數值較大，表明該地區單個斑塊范圍較大，緊湊度較高。分維數、景觀形狀指數、相關外接圓指數、形狀指數、邊緣面積比都表征斑塊的形狀及其復雜程度。綜合來看，香港、深圳、大灣區西北部斑塊形狀較其他地區復雜，在江門市新會區、珠海市同樣數值較大，表明該地區斑塊面較大且形狀不規則，城鎮建設對山體的切坡削坡的規劃較為無序。分離度指數、連接性指數都表示斑塊的聚散性，香港、珠海、深圳的斑塊聚合度高，肇慶、惠州地區斑塊聚合度較差，這與城市發展水平有較大關系，廣州、深圳、香港這些城市群以面狀擴散，肇慶、惠州等地發展以點狀擴散，導致在發展欠佳的地區城山交互斑塊連接性較差，兩者的指數計算結果也呈相反趨勢，結果符合實際情況。拼塊面積屬于面積指標，刻畫斑塊的形狀的規則及復雜程度，深圳、香港、珠海、中山、惠州東部的斑塊面積形狀較為復雜，其結果與形狀指標、邊緣指標較為類似，表示邊緣長度越長，斑塊邊線越曲折，斑塊的面積越大形狀越復雜。

圖3 粵港澳大灣區城鎮山地交互區景觀指數空間分布Fig.3 Spatial distribution of landscape index in urban mountain coupling area in the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area

3.3 城山交互區景觀形態與地質災害強度關系

根據公式1～4計算建設用地入侵丘陵淺山區景觀格局指數與地質災害頻率相關性（圖4）。整體上，城山交互區景觀格局指數中，拼塊面積、回旋半徑、形狀指數、分維數、邊緣面積比、相關外接圓指數、連接性指數與地質災害頻率呈正相關，景觀形狀指數和分離度指數與地質災害頻率呈負相關。其中連接性指數、形狀指數、分維數與回旋半徑與災害頻率均呈極顯著的正相關性（P<0.01），相關外接圓指數與災害頻率呈顯著正相關關系（P<0.05）。分離度指數與災害頻率呈極顯著的負相關性（P<0.01），景觀形狀指數與災害頻率呈顯著負相關性（P<0.05）。拼塊面積與邊緣面積比與地質災害頻率有一定相關性，但顯著水平不高（P<0.1）。

圖4 粵港澳大灣區城山交互區景觀指數與地質災害相關性Fig.4 Correlation between landscape index of urban mountain coupling area and landslide hazard in the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area

3.4 城山交互區景觀格局指數與地質災害頻率的擬合關系

將9類景觀指數分作為解釋變量，擬合各景觀指數與地質災害頻率的GAM 模型（表2）。景觀指數中對地質災害有顯著影響的因子包括景觀形狀指數、回旋半徑、形狀指數等7個，其中連接性指數、分離度指數、形狀指數、分維數和回旋半徑對地質災害有極顯著影響；相關外接圓指數和景觀形狀指數對地質災害有顯著影響；拼塊面積和邊緣面積比對地質災害有一定影響，但不明顯，這與3.2 小節分析結果一致。

表2 粵港澳大灣區地質災害頻率與景觀指數因子的GAM模型擬合效果Table 2 GAM model fitting results of landslide frequency and landscape pattern indexs in the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area

各景觀指數對地質災害基于GAM 模型的效應如圖5所示。景觀形狀指數、回旋半徑、形狀指數、分維數、邊緣面積比、相關外接圓指數及分離度指數與地質災害頻率之間為線性關系，地質災害頻率隨景觀形狀指數與分離度指數的增加而遞減，隨回旋半徑、形狀指數、分維數、邊緣面積比和相關外接圓指數的增加而遞增；連接性指數和拼塊面積與地質災害頻率之間為非線性關系，地質災害頻率隨連接性指數的增加呈先增加后減少的趨勢，隨拼塊面積的增加呈先增加后趨平趨勢。

圖5 粵港澳大灣區地質災害發生頻率與各景觀指數類型的GAM模型擬合Fig.5 The fitting diagram of the gam model between the occurrence frequency of landslide hazard and various landscape index types in the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area

綜上，邊緣指標、形狀指標、聚散性等城山交互區景觀格局指數與地質災害頻率均呈顯著相關性。其中，邊緣指標中回旋半徑與災害概率呈顯著正相關，地質災害頻率隨著回旋半徑的增加而升高，表明城山交互區的邊界長度越長，景觀被邊界分割的程度越大，其交互區接觸面積越大，形狀越復雜，發生崩塌地質災害的概率越高。對應工程建設角度，即工程對山體開挖的范圍越大，工程切面越曲折、形態越復雜、切面越大，發生崩塌滑坡地質災害的概率越高。形狀指標中形狀指數與地質災害頻率相關性最高，其次是分維數、相關外接圓指數，表明城山交互區形狀越不規則其接近圓的程度越小，交互區斑塊越破碎，引發地質災害的概率越大。聚散性中連接度指數與地質災害頻率呈高度正相關，分離度指數與地質災害頻率呈高度負相關，表明交互區在空間上的連接度越高斑塊越聚合，引發地質災害的概率越大。面積指標中拼塊面積與地質災害頻率呈一般正相關，表明交互區面積越大形狀越復雜，核心斑塊占交互區總面積的比值越高，地質災害的發生概率越大。對應工程建設特征角度，工程建設越緊密，團聚程度越高，核心工程所占的面積越大，越可能引發地質災害。

因此，在城市建設的規劃設計階段，應注重順從山坡趨勢規劃建設物，避免切坡面積過大，且建設切坡形狀不宜過于復雜，同時在丘陵山地區盡量將建筑物分散建設，避免過于團聚而導致工程邊坡互相影響降低穩定性，以此降低滑坡、崩塌地質災害發生的概率，減少生命財產損失。

本文以城市擴張后城鎮山地交互區形態的視角分析其對地質災害的影響，研究結果可為實際工程規劃設計提供參考。相較于傳統以物理模型和數值模擬單個邊坡切坡對坡體穩定性，通過遙感手段獲取土地利用類型，計算景觀格局指數的方法更適于大范圍、區域性、長時序研究，且成本較低。同時城鎮山地交互區景觀格局指數也可以作為地質災害易發性評價因子，代替傳統以道路密度、人口密度

4 討論

等因子表征人類工程活動的強弱，更能體現出人類工程活動的范圍、強度、空間分布等信息，可以顯著提高地質災害易發性評價的精確度。

本研究也存在一定局限性：1）崩塌、滑坡災害數據時限較短，僅有6 a 的相對連續數據，其相對于城鎮交互區景觀格局的單期變化代表性可能還不夠；2）地質災害在地市空間上的分布不夠均勻，且從區縣尺度進行的分析對比在數據樣本上欠缺，將來可從鄉鎮甚至村街角度進行更細致的探討；3）從景觀生態學到地質災害的學科跨度較大，關于山地工程開挖與景觀格局演變、地質災害與景觀指數之間的理解存在局限性，需要更深入的分析梳理，以進一步探討城鎮山地交互區對地質災害的影響及其時空分異特征。

5 結論

本文從粵港澳大灣區城鎮山地交互區景觀形態與地質災害頻率角度，探究了城市開發建設擾動丘陵淺山區邊坡形態引發崩塌、滑坡地質災害效應，得到以下主要結論：

1）城鎮山地交互區主要分布在丘陵淺山區占比較高且城市發展較快的廣州、深圳、香港等地區，這些地區城鎮擴張速度快，同時地質地貌環境特殊，導致城市開發建設對山體自然狀態的破壞嚴重。

2）本文選擇的景觀格局指數中，7 個與地質災害頻率呈正相關，2個呈負相關，其中連接性指數呈高度正相關，分離度指數呈高度負相關，為-0.84（P<0.01），拼塊面積、邊緣面積比呈較弱相關性。城鎮擴張對山體的破壞在景觀指數上表現出與地質災害明顯的相關性。

3）在城鎮山地交互區景觀指數中，多數與地質災害頻率為線性關系，其中地質災害頻率隨景觀形狀指數與分離度指數的增加而遞減，隨回旋半徑、形狀指數、分維數、邊緣面積比和相關外接圓指數的增加而遞增。城鎮擴張對地質災害的發生有明顯的促進作用。

致謝 感謝廣東省地理科學數據中心（地理所）提供相關數據。