基于VIS模型的南京江宁新区下垫面格局分析

苏伟忠，杨桂山，陈 爽

(中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室，江苏南京 210008)

新一轮新区开发热潮在中国掀起，尤其长三角地区地方政府付诸极大热情、超常规的新区建设，被认为是解决大城市发展的有效路径。但近年来城市新区雨季内涝频发，主要是因为新区建设阶段，急于开发土地、土地规划控制效能因经济利益而降低［1-2］、城市土地利用水文安全考虑不足［3-4］。城市化过程通过植被砍伐、土壤夯实、开沟排水、不透水路面和建筑物覆盖［5-7］改变地表下垫面、产汇流时空模式和水量平衡状况［8-9］。国外SCS(soil conservation service)水文模型和USLE(universal soil loss equation)虽然考虑了土地利用、土地覆盖类型对地表径流的影响，但主要侧重于土地用途或遥感数据的可识别性。L-THIA(long-term hydrologic Impact assessment)需要确定的流域各类地块的CN值由土地利用类型和水文土壤类型共同决定，其中土地利用类型是根据不透水面面积比进行划分的。Lo等［10］在研究美国亚特兰大时，将土地利用/覆盖类型分为高密度城市用地、低密度城市用地、农田/草地、森林、水体和裸地。我国史培军等［11］、袁艺等［12］、邓璟等［13］、秦莉俐等［14］利用SCS水文模型分析了深圳、浙东沿海等地区土地利用方式、降雨因素对降雨-径流关系及城市洪涝灾害的影响。武晟等［15］分析了降雨强度与历时、土壤湿度与密度、不透水面面积比等因素对径流系数和产流过程的影响。程江等［16-17］先后研究了城市土地利用变化和绿地系统对城市雨水径流总量的产生和消减效应。

可见，模拟产汇流过程的水文模型常需要输入土地利用类型参数，但土地利用分类体系难以精确区分城镇用地类型之间的透水性差异［18］，而下垫面的透水性及格局直接影响产汇流格局及过程曲线。Ridd［19］提出的广义城市地表下垫面组分模型(vegetation-impervious surface-soil，简称VIS模型)，认为城市地表下垫面由植被、不透水表面与土壤3种组分构成。通过获取地表不同下垫面组分的构成，可以更好地分析城镇用地内部的水量分布和交换过程［20］。笔者基于2009年南京江宁新区的Landsat TM数据，分析其下垫面组分结构特征与空间差异，为水文模型和地表水量调节功能评估模拟提供精确的输入参数。

1 研究区与方法

1.1 研究区

南京江宁新区(以下简称新区)面积为69.00 km2，北临南京主城，机场高速、宁溧路、将军大道、宁丹路等干道使新区与主城无缝对接，目前已是南京地区建设发展最快、产业竞争力最强的开发区(图1)。研究区西部和西北部为牛首—祖堂山、将军山。1994年、2000年、2009年新区建设用地面积分别为2.22km2，5.50 km2，25.19 km2;2000年以来城市空间增长了近4倍［4］，而近几年研究区雨季内涝局地频发。因此，笔者以新区为研究对象，分析其土地利用类型和自然水文单元的下垫面格局特征，并将其与南京市区、南京老城区(明城墙以内)的下垫面格局特征进行比较。

1.2 方法与数据

1.2.1 下垫面组分提取方法

采用研究区2009年7月5日Landsat TM影像(无云、质量好)，利用线性光谱混合模型通过最小噪音分量变换、纯净像元指数计算、终端地类收集、线性光谱模型分解、精度评价等步骤，在遥感图像处理软件ENVI 4.7下，基于绿光波段和中红外波段提取修正的归一化水体指数(MNDWI)［21］，进行水体掩膜，基于最小噪音分离的前3个波段选取高反照、低反照、植被和土壤4种端元进行混合光谱分解。

1.2.2 下垫面空间特征分析

基于Landsat TM影像，结合城市规划建设用地现状图提取二级城市用地类型，包括道路(T)、工业用地(M)、一般居住用地(R1)、低层居住(别墅)用地(R2)、公共设施(商服、医疗卫生、机关及教育科研)用地(U)、待建用地(I)、农田(A)、经济林(G1)、绿地(G2)、水源涵养林(G3)、水域(W)11类用地。通过对11类用地类型进一步合并，可得5类一级用地类型，即由T，M，R1，R2，U组成的建设用地，待建用地，水域W，绿地G2，以及由G1，G3，A组成的农林地。利用ArcGIS水文模块，基于30 m分辨率DEM提取水系和小流域，综合实际河网及水利片区确定汇水区。根据所得数据分析市区、老城区、新区的下垫面特征差异，以及新区不同用地类型和汇水区下垫面特征。

图1 研究区地理位置及用地类型Fig.1 Location and land use types of study area

2 结果与讨论

图2为提取的南京市下垫面组分图，笔者用均方根(RMS)误差进行精度检验。根据解混中得到的RMS频率分布与空间图像，研究区域 RMS的平均值为0.00708，绝大部分像元的RMS值都小于0.015 00，可见本研究的误差相对较小。

高反照度影像中的高值集中于城区，建筑和道路基本以水泥、金属和玻璃等材料为主;低反照度影像中的高值区主要为以旧建筑为主的老城区以及重工业区;植被覆盖度的高值基本在绿化区和农田地区。在外环线以内的城市建筑密集区，除几个公园绿地外，植被覆盖度都较低;外环线以外植被覆盖度高值出现的频率明显增加;外环线附近是植被盖度空间分布的一个高值区。

2.1 南京市不同地域下垫面特征

图2及表1表明不同地域下垫面特征如下:

a.老城区不透水面占主导，且分布连续、布局均衡;水面和植被相对集中，主要为围绕城墙的林地和水域，以及由东西贯穿的紫金山—石头城组成的公共绿地;裸土在植被集中区周边及交通沿线聚集分布。市区以植被为主，并且主要分布在远郊;不透水面则集中在城区和近郊;裸土和水面斑块破碎散布。新区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;不透水面分布均匀，且与植被、水面交错分布，未形成类似老城区一样的连片分布格局。各地域水面和裸土都较少。

图2 南京市下垫面组分Fig.2 Land surface components of Nanjing

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

b.从相对值看，老城区、新区、市区的不透水面面积比和平均值依次降低，而水面、植被和裸土总体呈增加趋势，表明开发强度总体依次加强。裸土、植被和水面越破碎，即斑块面积越小，数量越多，不透水面越能大片连续分布。

c.从下垫面参数的相关性看，4类下垫面的面积比与斑块总面积基本成正向关系，而两者又和斑块密度成反向关系，即不管是以不透水面为主导的地域还是以植被为主导的地域，面积比例越大，斑块平均面积越大，斑块密度越小。因此，某地域的下垫面组分面积和其空间特征具有无尺度的关联性，面积属性具有主导因子作用。

可见，城市的开发和增长是下垫面特征差异的重要原因。随着开发强度增加，不透水面面积比及其分布连通性增加，植被、水面的面积比例降低而且破碎化更明显。开发晚期的地貌和水域格局基本决定了植被和水面的最终格局;新区下垫面组分兼具市区和老城区的特征。

2.2 新区各用地类型的下垫面组成特征

居住、工业、公共设施等城市用地类型是满足城市基本需求的空间功能单元，用地类型的下垫面组成特征是地表产水估算和模拟的关键参数。表2给出了新区不同用地类型的下垫面组成。从表2可以看出，新区各用地类型下垫面组分体现了用地主导功能决定其下垫面组分及结构的一般规律。不透水面积比，建设用地＞待建用地＞绿地＞水域＞农林地，其中涵养林最低;植被面积比，农林地＞绿地＞待建用地＞水域＞建设用地，植被和不透水面的面积比大体呈反向关系;各用地类型的水面、裸土面积比一般都低于10.00%。陈爽等［22］提取了2005年南京老城区下垫面组分，对于不透水面面积比，绿地最低(15.00%)，公共设施最高(90.00%)，居住与道路广场接近72.50%，而工业较低(57.50%)，平均建设用地不透水面积比约为69.00%。将文献［22］的结果与本文结果进行对比发现:(a)新区比老城区绿地G2的不透水面面积比大。新区和老城区绿地界定不同，前者主要指环九龙湖大片的人工草地，内设诸多娱乐广场和停车场，而后者绿地零碎，绿化覆盖好。(b)公共设施用地U不透水面面积比，新区比老城区低很多。新区公共设施用地主要为处于开发初级阶段的高校和医院用地，建筑容积率低而植被面积比较高;老城区处于建设完善阶段，公共设施用地含有成片的完善商业区，水泥路面和建筑密集。(c)新区工业用地M不透水面面积比比老城大。老城区从20世纪90年代末开始逐渐将工业用地置换到城市郊区，未置换的工业用地绿化水平高;新区工业用地尚处在建设阶段，以建筑和待建工地为主，绿化水平尚差。(d)新区和老城区的居住用地R1和R2、道路T、待建用地I的不透水面面积比相当。老城区待建用地一般为原有建筑群落拆迁后翻盖;而新区主要建立在原有的自然基质之上。

表2 新区不同用地类型下垫面组成Table 2 Land surface components of different land use types in study area

可见，城市增长引起的下垫面差异不仅反映在新区与老城区，也在新区的不同增长阶段区有体现。新区根据开发阶段和开发强度可分为建设完善区(1994—2003年)、建完初期区(2004—2008年)、在建区(2008年以后)。在建区基于原有的自然基质建设，植被、水面较高，不透水面面积比比老城区小很多;建完初期区在新区占主导，以房屋建筑和道路、广场建设为主，绿化跟进不足;完善区为少数居住和工业用地，其绿化水平高，不透水面面积比低。

2.3 新区汇水区的下垫面组成特征

九龙湖汇水区以九龙湖体为中心，周边不透水面连片，湖体接纳四周产水，北口入牛首河，东处入秦淮河，与牛首河和沿秦淮片区相互联系。该汇水区地势低洼，尤其东北部殷巷镇区居住用地连片，排水设施更新不足，雨季内涝时有发生。汇水区东南角东南大学校区植被覆盖良好，内涝较少发生。总体而言，以湖体为中心形成的低洼汇水区水容量大，但湖体出水口的高密度用地区需提升排水能力，以防排水不畅及涝灾发生。

沿秦淮片区的QA1区除自身产水外，暴雨期还接纳九龙湖片区的部分出水，仅沿秦淮河地带植被覆盖良好，其余地区不透水面密布;QA2区仅接九龙湖南部东南大学区不透水面分布，其余地区农地植被茂盛，接纳自身产水而直流入秦淮河。总体而言，沿秦淮河片区的产水直排入河，水量调蓄能力强。

牛首河片区地势自西向东降低，从其上游到中下游汇水区植被递减，而不透水面递增(表3)。NA2将军山西麓和NA3祖堂山东坡分布着高档居住区、村落及墓地，居住区和佛城路不仅替代了汇水区关键蓄水面，也分割了排泄山上来水的自然通道;沿佛城路的截洪沟和地下管网常因超载而使雨水倒灌到沿线各居住区和工业区，雨季积水近年来较为严重。中下游NB1接纳NA1和NA3片区来水，而NB2接纳NA2来水。NB1尚处于开发初期，农田、人工林地和开发园区交错，工业用地集约度低，排水网建设水平高。而NB2不透水面密集、连片，除上游来水还蓄纳由将军山流下的雨水，造成沿将军大道和佛城路截洪沟和地下管网压力更大。NB3，NB4和NB5不透水面面积比较大，开发强度大但建设完善。总之，每个汇水区的泄洪通道以及汇水区之间的结合地带构成关键水文安全格局，而沿将军大道、佛城路以及NB2与NB1交接区的密集不透水面和路网对汇水区进行了分割，导致其成为雨季内涝易发区。近些年这些地区的内涝频发事件印证了这一结论。

图3 南京江宁新区汇水区及排水渠Fig.3 Catchment areas and drainage channels in study area

产流量与下垫面类型直接相关，下垫面类型、格局的变化影响研究区的产流量，显然新区与老城区的产流量相比还不大。但从时间变化来看，新区的产流量还将继续增加。由于城市水文站设置的缺乏，研究区的水文数据和管网数据还难以在短时间内得到解决。

因此，在缺乏水文和排水数据的前提下，定量提出下垫面格局的优化方案具有一定难度。但是，从优化途径来看，适应水文安全的城市空间增长实际就是要求增长格局与水文格局之间的协调。一方面，需要优化不同用地类型的下垫面组分和结构，提升用地的水量调蓄能力，减少径流量;另一方面，用地布局的原则是尽量选择高地，避开流域结合部，并保障汇水区泄洪通道顺畅和充足的排水能力。

表3 新区各汇水区下垫面组成Table 3 Land surface components of catchment areas in study area

3 结 论

a.新区整体平均不透水面面积比低于老城区，但比市区高24.23%，植被面积比比市区低20.10%，增加了流域地表产水量。

b.新区用地类型下垫面结构中的不透水面面积比较高，而植被面积比较低，用地单元产流增加而调蓄功能下降。新区不透水面面积比建设用地(75.87%)＞待建用地(62.12%)＞绿地(41.15%)＞水域(34.42%)＞农林地(22.76%)，尤其工业、待建用地和绿地的不透水面比甚至大于老城区。

c.新区连片的不透水面占据汇水区结合部，道路切割了高低地间泄洪通道，佛城路和将军大道沿线形成内涝易发区。新区开发要适应水文安全需要，用地增长需优化用地下垫面结构以减少径流，用地布局宜高而避开汇水结合处以适应自然水文格局。

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