基于VIS模型的南京江寧新區(qū)下墊面格局分析

蘇偉忠，楊桂山，陳 爽

(中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，江蘇南京 210008)

新一輪新區(qū)開發(fā)熱潮在中國掀起，尤其長三角地區(qū)地方政府付諸極大熱情、超常規(guī)的新區(qū)建設(shè)，被認為是解決大城市發(fā)展的有效路徑。但近年來城市新區(qū)雨季內(nèi)澇頻發(fā)，主要是因為新區(qū)建設(shè)階段，急于開發(fā)土地、土地規(guī)劃控制效能因經(jīng)濟利益而降低［1-2］、城市土地利用水文安全考慮不足［3-4］。城市化過程通過植被砍伐、土壤夯實、開溝排水、不透水路面和建筑物覆蓋［5-7］改變地表下墊面、產(chǎn)匯流時空模式和水量平衡狀況［8-9］。國外SCS(soil conservation service)水文模型和USLE(universal soil loss equation)雖然考慮了土地利用、土地覆蓋類型對地表徑流的影響，但主要側(cè)重于土地用途或遙感數(shù)據(jù)的可識別性。L-THIA(long-term hydrologic Impact assessment)需要確定的流域各類地塊的CN值由土地利用類型和水文土壤類型共同決定，其中土地利用類型是根據(jù)不透水面面積比進行劃分的。Lo等［10］在研究美國亞特蘭大時，將土地利用/覆蓋類型分為高密度城市用地、低密度城市用地、農(nóng)田/草地、森林、水體和裸地。我國史培軍等［11］、袁藝等［12］、鄧璟等［13］、秦莉俐等［14］利用SCS水文模型分析了深圳、浙東沿海等地區(qū)土地利用方式、降雨因素對降雨-徑流關(guān)系及城市洪澇災(zāi)害的影響。武晟等［15］分析了降雨強度與歷時、土壤濕度與密度、不透水面面積比等因素對徑流系數(shù)和產(chǎn)流過程的影響。程江等［16-17］先后研究了城市土地利用變化和綠地系統(tǒng)對城市雨水徑流總量的產(chǎn)生和消減效應(yīng)。

可見，模擬產(chǎn)匯流過程的水文模型常需要輸入土地利用類型參數(shù)，但土地利用分類體系難以精確區(qū)分城鎮(zhèn)用地類型之間的透水性差異［18］，而下墊面的透水性及格局直接影響產(chǎn)匯流格局及過程曲線。Ridd［19］提出的廣義城市地表下墊面組分模型(vegetation-impervious surface-soil，簡稱VIS模型)，認為城市地表下墊面由植被、不透水表面與土壤3種組分構(gòu)成。通過獲取地表不同下墊面組分的構(gòu)成，可以更好地分析城鎮(zhèn)用地內(nèi)部的水量分布和交換過程［20］。筆者基于2009年南京江寧新區(qū)的Landsat TM數(shù)據(jù)，分析其下墊面組分結(jié)構(gòu)特征與空間差異，為水文模型和地表水量調(diào)節(jié)功能評估模擬提供精確的輸入?yún)?shù)。

1 研究區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)

南京江寧新區(qū)(以下簡稱新區(qū))面積為69.00 km2，北臨南京主城，機場高速、寧溧路、將軍大道、寧丹路等干道使新區(qū)與主城無縫對接，目前已是南京地區(qū)建設(shè)發(fā)展最快、產(chǎn)業(yè)競爭力最強的開發(fā)區(qū)(圖1)。研究區(qū)西部和西北部為牛首—祖堂山、將軍山。1994年、2000年、2009年新區(qū)建設(shè)用地面積分別為2.22km2，5.50 km2，25.19 km2;2000年以來城市空間增長了近4倍［4］，而近幾年研究區(qū)雨季內(nèi)澇局地頻發(fā)。因此，筆者以新區(qū)為研究對象，分析其土地利用類型和自然水文單元的下墊面格局特征，并將其與南京市區(qū)、南京老城區(qū)(明城墻以內(nèi))的下墊面格局特征進行比較。

1.2 方法與數(shù)據(jù)

1.2.1 下墊面組分提取方法

采用研究區(qū)2009年7月5日Landsat TM影像(無云、質(zhì)量好)，利用線性光譜混合模型通過最小噪音分量變換、純凈像元指數(shù)計算、終端地類收集、線性光譜模型分解、精度評價等步驟，在遙感圖像處理軟件ENVI 4.7下，基于綠光波段和中紅外波段提取修正的歸一化水體指數(shù)(MNDWI)［21］，進行水體掩膜，基于最小噪音分離的前3個波段選取高反照、低反照、植被和土壤4種端元進行混合光譜分解。

1.2.2 下墊面空間特征分析

基于Landsat TM影像，結(jié)合城市規(guī)劃建設(shè)用地現(xiàn)狀圖提取二級城市用地類型，包括道路(T)、工業(yè)用地(M)、一般居住用地(R1)、低層居住(別墅)用地(R2)、公共設(shè)施(商服、醫(yī)療衛(wèi)生、機關(guān)及教育科研)用地(U)、待建用地(I)、農(nóng)田(A)、經(jīng)濟林(G1)、綠地(G2)、水源涵養(yǎng)林(G3)、水域(W)11類用地。通過對11類用地類型進一步合并，可得5類一級用地類型，即由T，M，R1，R2，U組成的建設(shè)用地，待建用地，水域W，綠地G2，以及由G1，G3，A組成的農(nóng)林地。利用ArcGIS水文模塊，基于30 m分辨率DEM提取水系和小流域，綜合實際河網(wǎng)及水利片區(qū)確定匯水區(qū)。根據(jù)所得數(shù)據(jù)分析市區(qū)、老城區(qū)、新區(qū)的下墊面特征差異，以及新區(qū)不同用地類型和匯水區(qū)下墊面特征。

圖1 研究區(qū)地理位置及用地類型Fig.1 Location and land use types of study area

2 結(jié)果與討論

圖2為提取的南京市下墊面組分圖，筆者用均方根(RMS)誤差進行精度檢驗。根據(jù)解混中得到的RMS頻率分布與空間圖像，研究區(qū)域 RMS的平均值為0.00708，絕大部分像元的RMS值都小于0.015 00，可見本研究的誤差相對較小。

高反照度影像中的高值集中于城區(qū)，建筑和道路基本以水泥、金屬和玻璃等材料為主;低反照度影像中的高值區(qū)主要為以舊建筑為主的老城區(qū)以及重工業(yè)區(qū);植被覆蓋度的高值基本在綠化區(qū)和農(nóng)田地區(qū)。在外環(huán)線以內(nèi)的城市建筑密集區(qū)，除幾個公園綠地外，植被覆蓋度都較低;外環(huán)線以外植被覆蓋度高值出現(xiàn)的頻率明顯增加;外環(huán)線附近是植被蓋度空間分布的一個高值區(qū)。

2.1 南京市不同地域下墊面特征

圖2及表1表明不同地域下墊面特征如下:

a.老城區(qū)不透水面占主導(dǎo)，且分布連續(xù)、布局均衡;水面和植被相對集中，主要為圍繞城墻的林地和水域，以及由東西貫穿的紫金山—石頭城組成的公共綠地;裸土在植被集中區(qū)周邊及交通沿線聚集分布。市區(qū)以植被為主，并且主要分布在遠郊;不透水面則集中在城區(qū)和近郊;裸土和水面斑塊破碎散布。新區(qū)以不透水面和植被居多，保留了原有的水面和低山丘陵林地，布局均衡;不透水面分布均勻，且與植被、水面交錯分布，未形成類似老城區(qū)一樣的連片分布格局。各地域水面和裸土都較少。

圖2 南京市下墊面組分Fig.2 Land surface components of Nanjing

表1 南京市不同地域下墊面特征Table 1 Land surface characteristics in different urban areas of Nanjing

b.從相對值看，老城區(qū)、新區(qū)、市區(qū)的不透水面面積比和平均值依次降低，而水面、植被和裸土總體呈增加趨勢，表明開發(fā)強度總體依次加強。裸土、植被和水面越破碎，即斑塊面積越小，數(shù)量越多，不透水面越能大片連續(xù)分布。

c.從下墊面參數(shù)的相關(guān)性看，4類下墊面的面積比與斑塊總面積基本成正向關(guān)系，而兩者又和斑塊密度成反向關(guān)系，即不管是以不透水面為主導(dǎo)的地域還是以植被為主導(dǎo)的地域，面積比例越大，斑塊平均面積越大，斑塊密度越小。因此，某地域的下墊面組分面積和其空間特征具有無尺度的關(guān)聯(lián)性，面積屬性具有主導(dǎo)因子作用。

可見，城市的開發(fā)和增長是下墊面特征差異的重要原因。隨著開發(fā)強度增加，不透水面面積比及其分布連通性增加，植被、水面的面積比例降低而且破碎化更明顯。開發(fā)晚期的地貌和水域格局基本決定了植被和水面的最終格局;新區(qū)下墊面組分兼具市區(qū)和老城區(qū)的特征。

2.2 新區(qū)各用地類型的下墊面組成特征

居住、工業(yè)、公共設(shè)施等城市用地類型是滿足城市基本需求的空間功能單元，用地類型的下墊面組成特征是地表產(chǎn)水估算和模擬的關(guān)鍵參數(shù)。表2給出了新區(qū)不同用地類型的下墊面組成。從表2可以看出，新區(qū)各用地類型下墊面組分體現(xiàn)了用地主導(dǎo)功能決定其下墊面組分及結(jié)構(gòu)的一般規(guī)律。不透水面積比，建設(shè)用地＞待建用地＞綠地＞水域＞農(nóng)林地，其中涵養(yǎng)林最低;植被面積比，農(nóng)林地＞綠地＞待建用地＞水域＞建設(shè)用地，植被和不透水面的面積比大體呈反向關(guān)系;各用地類型的水面、裸土面積比一般都低于10.00%。陳爽等［22］提取了2005年南京老城區(qū)下墊面組分，對于不透水面面積比，綠地最低(15.00%)，公共設(shè)施最高(90.00%)，居住與道路廣場接近72.50%，而工業(yè)較低(57.50%)，平均建設(shè)用地不透水面積比約為69.00%。將文獻［22］的結(jié)果與本文結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn):(a)新區(qū)比老城區(qū)綠地G2的不透水面面積比大。新區(qū)和老城區(qū)綠地界定不同，前者主要指環(huán)九龍湖大片的人工草地，內(nèi)設(shè)諸多娛樂廣場和停車場，而后者綠地零碎，綠化覆蓋好。(b)公共設(shè)施用地U不透水面面積比，新區(qū)比老城區(qū)低很多。新區(qū)公共設(shè)施用地主要為處于開發(fā)初級階段的高校和醫(yī)院用地，建筑容積率低而植被面積比較高;老城區(qū)處于建設(shè)完善階段，公共設(shè)施用地含有成片的完善商業(yè)區(qū)，水泥路面和建筑密集。(c)新區(qū)工業(yè)用地M不透水面面積比比老城大。老城區(qū)從20世紀90年代末開始逐漸將工業(yè)用地置換到城市郊區(qū)，未置換的工業(yè)用地綠化水平高;新區(qū)工業(yè)用地尚處在建設(shè)階段，以建筑和待建工地為主，綠化水平尚差。(d)新區(qū)和老城區(qū)的居住用地R1和R2、道路T、待建用地I的不透水面面積比相當(dāng)。老城區(qū)待建用地一般為原有建筑群落拆遷后翻蓋;而新區(qū)主要建立在原有的自然基質(zhì)之上。

表2 新區(qū)不同用地類型下墊面組成Table 2 Land surface components of different land use types in study area

可見，城市增長引起的下墊面差異不僅反映在新區(qū)與老城區(qū)，也在新區(qū)的不同增長階段區(qū)有體現(xiàn)。新區(qū)根據(jù)開發(fā)階段和開發(fā)強度可分為建設(shè)完善區(qū)(1994—2003年)、建完初期區(qū)(2004—2008年)、在建區(qū)(2008年以后)。在建區(qū)基于原有的自然基質(zhì)建設(shè)，植被、水面較高，不透水面面積比比老城區(qū)小很多;建完初期區(qū)在新區(qū)占主導(dǎo)，以房屋建筑和道路、廣場建設(shè)為主，綠化跟進不足;完善區(qū)為少數(shù)居住和工業(yè)用地，其綠化水平高，不透水面面積比低。

2.3 新區(qū)匯水區(qū)的下墊面組成特征

九龍湖匯水區(qū)以九龍湖體為中心，周邊不透水面連片，湖體接納四周產(chǎn)水，北口入牛首河，東處入秦淮河，與牛首河和沿秦淮片區(qū)相互聯(lián)系。該匯水區(qū)地勢低洼，尤其東北部殷巷鎮(zhèn)區(qū)居住用地連片，排水設(shè)施更新不足，雨季內(nèi)澇時有發(fā)生。匯水區(qū)東南角東南大學(xué)校區(qū)植被覆蓋良好，內(nèi)澇較少發(fā)生。總體而言，以湖體為中心形成的低洼匯水區(qū)水容量大，但湖體出水口的高密度用地區(qū)需提升排水能力，以防排水不暢及澇災(zāi)發(fā)生。

沿秦淮片區(qū)的QA1區(qū)除自身產(chǎn)水外，暴雨期還接納九龍湖片區(qū)的部分出水，僅沿秦淮河地帶植被覆蓋良好，其余地區(qū)不透水面密布;QA2區(qū)僅接九龍湖南部東南大學(xué)區(qū)不透水面分布，其余地區(qū)農(nóng)地植被茂盛，接納自身產(chǎn)水而直流入秦淮河。總體而言，沿秦淮河片區(qū)的產(chǎn)水直排入河，水量調(diào)蓄能力強。

牛首河片區(qū)地勢自西向東降低，從其上游到中下游匯水區(qū)植被遞減，而不透水面遞增(表3)。NA2將軍山西麓和NA3祖堂山東坡分布著高檔居住區(qū)、村落及墓地，居住區(qū)和佛城路不僅替代了匯水區(qū)關(guān)鍵蓄水面，也分割了排泄山上來水的自然通道;沿佛城路的截洪溝和地下管網(wǎng)常因超載而使雨水倒灌到沿線各居住區(qū)和工業(yè)區(qū)，雨季積水近年來較為嚴重。中下游NB1接納NA1和NA3片區(qū)來水，而NB2接納NA2來水。NB1尚處于開發(fā)初期，農(nóng)田、人工林地和開發(fā)園區(qū)交錯，工業(yè)用地集約度低，排水網(wǎng)建設(shè)水平高。而NB2不透水面密集、連片，除上游來水還蓄納由將軍山流下的雨水，造成沿將軍大道和佛城路截洪溝和地下管網(wǎng)壓力更大。NB3，NB4和NB5不透水面面積比較大，開發(fā)強度大但建設(shè)完善?？傊?，每個匯水區(qū)的泄洪通道以及匯水區(qū)之間的結(jié)合地帶構(gòu)成關(guān)鍵水文安全格局，而沿將軍大道、佛城路以及NB2與NB1交接區(qū)的密集不透水面和路網(wǎng)對匯水區(qū)進行了分割，導(dǎo)致其成為雨季內(nèi)澇易發(fā)區(qū)。近些年這些地區(qū)的內(nèi)澇頻發(fā)事件印證了這一結(jié)論。

圖3 南京江寧新區(qū)匯水區(qū)及排水渠Fig.3 Catchment areas and drainage channels in study area

產(chǎn)流量與下墊面類型直接相關(guān)，下墊面類型、格局的變化影響研究區(qū)的產(chǎn)流量，顯然新區(qū)與老城區(qū)的產(chǎn)流量相比還不大。但從時間變化來看，新區(qū)的產(chǎn)流量還將繼續(xù)增加。由于城市水文站設(shè)置的缺乏，研究區(qū)的水文數(shù)據(jù)和管網(wǎng)數(shù)據(jù)還難以在短時間內(nèi)得到解決。

因此，在缺乏水文和排水?dāng)?shù)據(jù)的前提下，定量提出下墊面格局的優(yōu)化方案具有一定難度。但是，從優(yōu)化途徑來看，適應(yīng)水文安全的城市空間增長實際就是要求增長格局與水文格局之間的協(xié)調(diào)。一方面，需要優(yōu)化不同用地類型的下墊面組分和結(jié)構(gòu)，提升用地的水量調(diào)蓄能力，減少徑流量;另一方面，用地布局的原則是盡量選擇高地，避開流域結(jié)合部，并保障匯水區(qū)泄洪通道順暢和充足的排水能力。

表3 新區(qū)各匯水區(qū)下墊面組成Table 3 Land surface components of catchment areas in study area

3 結(jié) 論

a.新區(qū)整體平均不透水面面積比低于老城區(qū)，但比市區(qū)高24.23%，植被面積比比市區(qū)低20.10%，增加了流域地表產(chǎn)水量。

b.新區(qū)用地類型下墊面結(jié)構(gòu)中的不透水面面積比較高，而植被面積比較低，用地單元產(chǎn)流增加而調(diào)蓄功能下降。新區(qū)不透水面面積比建設(shè)用地(75.87%)＞待建用地(62.12%)＞綠地(41.15%)＞水域(34.42%)＞農(nóng)林地(22.76%)，尤其工業(yè)、待建用地和綠地的不透水面比甚至大于老城區(qū)。

c.新區(qū)連片的不透水面占據(jù)匯水區(qū)結(jié)合部，道路切割了高低地間泄洪通道，佛城路和將軍大道沿線形成內(nèi)澇易發(fā)區(qū)。新區(qū)開發(fā)要適應(yīng)水文安全需要，用地增長需優(yōu)化用地下墊面結(jié)構(gòu)以減少徑流，用地布局宜高而避開匯水結(jié)合處以適應(yīng)自然水文格局。

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［22］陳爽，張秀英，彭立華.基于高分辨衛(wèi)星影像的城市用地不透水率分析［J］.資源科學(xué)，2006，28(2):41-46.(CHEN Shuang，ZHANG Xiuying，PENGLihua.Impervious surface coverage in urban land use based on high resolution satellite images［J］.Resources Science，2006，28(2):41-46.(in Chinese))