武汉市主城区湖泊水域面积变化及其与城市内涝的关系研究

徐惠妍

武汉市主城区湖泊水域面积变化及其与城市内涝的关系研究

徐惠妍

（上海师范大学 环境与地理科学学院，上海 200234）

近年来，武汉市城市化快速发展，在这一过程中湖泊水域面临着面积缩小、水质恶化和数量锐减等问题，同时也加剧了城市内涝的问题。通过对武汉市主城区1990年、2000年和2010年遥感数据的获取分析，得到武汉市主城区湖泊水域面积的时空变化和不同阶段各个辖区的变化特点；同时通过对湖泊水域面积减少剧烈的区域和2016年武汉市主城区内涝主要发生点的对比分析，发现湖泊水域减少和城市内涝的发生具有很明显的相关性。提出发挥湖泊水域在城市内涝中的重要作用以及湖泊水域保护红线，为武汉市未来可持续发展提供借鉴。

湖泊水域面积；时空变化；城市内涝；生态系统

1 引言

城市湖泊作为城市生态系统中一个关键的组成部分，在城市经济发展和气候调节中起到重要作用[1-2]。武汉市素来有“百湖之城”的美称，湖泊众多，水资源丰富，水域面积约占行政区面积的1/4[3]。

近年来，由于城市化快速发展，武汉市湖泊数量和面积急剧减少，湖泊淤积严重，水质恶化，生态功能降低，严重影响了城市可持续发展[4-5]。同时，近几年武汉市城市内涝灾害多发，造成的经济损失巨大，严重威胁人身安全。例如2016年暴雨洪涝灾害导致武汉市受灾企业达323家，直接经济损失为3.51亿元，铁路运输及城市轨道交通、道路交通基本瘫痪。除了降水的自然原因外，湖泊减少被认为是武汉城市内涝的一个重要原因。

因此，开展武汉市主城区水域面积变化及其对城市内涝灾害的影响研究，对城市湖泊资源合理开发和利用以及缓解城市内涝具有重要意义。

目前，对武汉市湖泊和内涝关系的研究主要集中在湖泊对城市内涝的调蓄作用上[6-7]，而湖泊水域面积变化对城市内涝的影响研究非常薄弱。

本研究首先基于Landsat卫星数据，分析了武汉市1990—2010年湖泊面积的时空变化，然后通过对2018年武汉市城市内涝相关资料的收集，分析了湖泊面积变化程度与城市内涝的关系，为武汉市未来湖泊保护和城市内涝减缓提供了依据。

2 数据与方法

2.1 研究区概况

武汉市位于湖北省东部，共有13个辖区，包括江岸、江汉、硚口、汉阳、武昌、洪山、青山7个中心城区和蔡甸、江夏、黄陂、新洲、东西湖、汉南6个远城区。本研究中武汉市主城区即为7个中心城区，面积为955.15 km2。

武汉市主城区地形以平原为主，中部散列着东西走向的残丘。属于亚热带季风性湿润气候，具有常年雨量充沛、热量充足、冬冷夏热、四季分明的特点。多年平均气温15.8～17.5 ℃，极端最高气温41.3 ℃，极端最低气温﹣18.1 ℃。年降水量1 150～1 450 mm，降雨集中在每年6—8月，占全年降雨量的40%左右。

2.2 数据来源与预处理

本研究采用1990年、2000年和2010年三期Landsat4-5 TM遥感影像数据，影像空间分辨率为30 m，轨道号为123-39，完全覆盖武汉市主城区。影像成像时间在9—12月，质量完好，无云层覆盖。根据研究的需要，对遥感影像进行了辐射定标、大气校正和裁剪的预处理。

2.3 湖泊水域面积提取

本研究主要目的是对城镇化背景下湖泊水域面积变化分析，因此简单将研究区土地利用类型分为水体（包括湖泊、河流和坑塘）、建设和植被用地。采用最大似然法对三期影像进行监督分类，分别建立训练区。水体、建筑和植被的判别特征，以标准假彩色显示，如表1所示。选择大量训练样本，提取了1990年、2000年和2010年的水体面积，得到不同时期的水体分布图。

表1 遥感影像不同地物判别特征

类型判别特征 水体湖泊色调呈暗蓝色，纹理变化较小；河流呈蓝绿色和浅蓝色，特征明显 建设用地色调呈红色，影像放大为斑块状，有凸起和下凹额特征 植被用地色调为灰白色和灰绿色，放大多为条状或栅格状

2.4 城市内涝灾害

城市内涝是指由于强降水或连续性降水超过排水系统排除能力致使城市道路及低洼区产生一定程度积水，影响城市交通和产生其他灾害的现象[8]。城市内涝灾害的驱动因素可以分为气候变化下极端降水和下垫面蓄水排水能力降低两方面的因素，具体因素包括强降水或持续性降水、天然蓄水用地减少、不透水面增加、排水管网设计标准不达标、设计不完善和维护管理不完善。由于缺乏排水管网和武汉市主城区降水空间分布的相关数据，难以从降水和排水网的角度具体分析其对于城市内涝的影响程度。本文拟从湖泊水体面积这一驱动因素出发，研究湖泊水域面积变化对城市内涝的影响及其在空间上的表现。

3 结果与分析

3.1 湖泊水域面积总量变化分析

在GIS支持下对三期解译结果进行叠置分析，得到了1990—2010年武汉市主城区湖泊水域面积变化图，如图1所示。

图1 1990—2010年间武汉市主城区湖泊水域面积变化

1990年武汉市主城区水域面积为216.88 km2，到2010年面积下降到171.25 km2，20年间减少了45.63 km2，在区域面积比例中下降了4.78%。从变化数量上看，后10年湖泊水体减少面积大于前10年。通过对比发现，主要是青山区长江的天兴洲出现大块淤积，导致水体面积减少。

3.2 湖泊水域面积空间变化

从图1可以看出，整体上武汉市主城区在1990—2010年湖泊水域面积不断减少，但不同阶段各个区域变化速度不同。在1990—2000年间，主要减少区域为江岸区、江汉区和硚口区的西北方向，这三个区域刚好组成汉口片区。通过解译过程发现，汉口区在1990—2000年湖泊水域面积减少主要是转化为了建设用地，减少的部分主要是小面积的湖泊水域。在2000—2010年间，水域减少的区域分布广泛，主要有青山区的天兴洲淤积和东部坑塘周围的小面积水体减少、洪山区南湖和严东湖周围萎缩以及汉口区原有基础上的继续减少。在两个变化阶段内，主城区的东湖、严西湖和汤逊湖变化不大，湖泊面积几乎没有减少。总结来说，武汉市主城区湖泊水体面积变化主要表现出以下几个特征：①小面积湖泊和水体减少速度快；②大面积湖泊水体和长江水域面积变化不明显；③不同阶段内湖泊变化速度和主要变化区域差异较大。

进一步统计了武汉市主城区的7个辖区在1990—2010年湖泊水域面积，计算了不同时期各个辖区水体在区域内的占比及占比变化，结果如表2所示。从表2可以看出，武昌区的三个辖区水域面积最大，汉口区的三个辖区水域面积最小，其中江汉区到2010年水域面积几乎为0；从面积变化上看，1990—2010年间江岸区水域面积减少最多，其次是青山区，分别减少了11.97 km2和11.41 km2；从水体在辖区内的占比情况来看，武昌区占比最高，并且下降幅度不大（3.03%），江岸区占比下降最大（13.87%），在两个阶段变化幅度都大。从变化速度来看，可以将7个辖区分为三种特征：①“先快速减少后缓慢并趋于稳定”，包括江汉区和江岸区；②“先稳定后加快减少”，主要有汉阳区、青山区、武昌区和洪山区；③“匀速减少”，有硚口区。这三种特征表明江汉区和江岸区在1990—2000年间发展速度快，在2000—2010年间发展走向成熟；表现出第二种特征的四个辖区在2000—2010年间城镇化发展快于前面一个阶段；硚口区城镇化匀速发展。

表2 武汉市主城区湖泊水域面积变化及占比变化

面积/km2面积变化/km2占比/（%）占比变化/（%） 1990年2000年2010年1990—2010年1990年2000年2010年1990—2010年 江岸区13.848 75.895 91.874 5﹣11.974 216.046.832.1713.87 江汉区1.469 60.506 90.168 2﹣1.301 46.102.100.705.40 硚口区6.285 94.499 23.117 2﹣3.168 713.069.346.476.58 汉阳区23.217 624.969 416.869 7﹣6.347 819.2220.6713.965.25 武昌区49.715 450.401 544.831 3﹣4.884 130.8831.3127.853.03 洪山区42.431 944.190 335.911 3﹣6.520 617.8718.6115.132.75 青山区79.810 483.206 868.396 8﹣11.413 628.8330.0624.714.12

3.3 湖泊水域面积变化对城市内涝影响

城市湖泊水域在城市内涝灾害中可以充分发挥其调蓄作用，减少内涝损失。武汉市近年来在快速城市化发展过程中，出现了严重的城市内涝问题，给居民安全和经济持续发展带来严重影响。

2016年武汉市再次发生严重内涝问题，相关研究对内涝发生原因的探究可以总结为以下几点：①强降水和持续性降水使得周降水量突破历史极值；②地势低洼使得雨水汇集难以排水；③地表径流系数大，城市排水系统排水能力不足；④城市不透水面增多，湖泊蓄洪能力降低。武汉市是一个依水而建的城市，河流水系和湖泊众多，可以充分发挥湖泊的调蓄作用。大量研究表明武汉市中心城区和远城区的湖泊水域面积在近几十年大量减少，减少的主要原因有自然或人为导致的淤积、围湖造田或围湖造塘、工程建设填湖。湖泊水域减少的直接后果是加剧城市内涝灾害。

如何定量描述湖泊水域面积变化对城市内涝的影响，以及湖泊在内涝问题中缓解作用的程度，是一个值得关注的问题。本研究中湖泊水域面积减少表现最明显的是汉口区小面积水域的消失和武昌区湖泊的萎缩。2016年武汉市主城区内涝点主要在南湖和汉口老城区，与本研究中湖泊水域面积减少的两个主要区域相吻合。汉口城区由于水域转化为建设用地，导致不透水地面增加，不仅使原来水域的调蓄作用消失，还加剧排水的不畅。南湖地区地势低平，湖泊调蓄压力大，从遥感影像中可以明显发现湖泊面积在不断减少，原本的湖泊全部被建设用地占领。相关资料表明，该地区在房产开发中宣传为湖景房，加强了对该地区的开发，但是在2016年内涝发生后，却成为了一片汪洋里的孤岛。由此可见湖泊水域面积的减少会严重加剧城市内涝，湖泊的调蓄作用非常明显。

针对武汉市湖泊众多这一特点，大量研究认为武汉市应该发挥湖泊在城市内涝中的调蓄作用。本研究认为武汉市主城区内涝和湖泊水域有明显相关关系，后期武汉市应划定湖泊水域保护红线，定期清理湖泊淤积，保证其容量和调蓄能力，一方面可以缓解城市内涝灾害，一方面为城市可持续发展提供资源。

4 讨论

本研究的结果表明，武汉市主城区的湖泊水域面积在1990—2010年间总共减少了45.63 km2，两个阶段区域变化差异较大，变化的驱动因子也不同。汉口区减少的主要原因是建设用地增加，武昌区湖泊面积减少的主要原因是围湖造田和湖泊淤积。

在探索湖泊水域面积变化和城市内涝的关系时，由于缺乏空间上的降水数据和排水管网数据，只能从定性角度分析两者的关系。后面的研究可以设计在同样降水强度下，湖泊水域在变化前后的蓄水能力，定量分析湖泊缓解内涝的程度，因而可以强调湖泊水域在城市发展中的重要性。

5 结论

本研究的主要结论：①1990—2010年武汉市主城区湖泊水域面积减少了45.63 km2，在区域面积占比中下降了4.78%；②1990—2000年间主要减少区域分布在汉口区的西北方向，主要原因是建设用地扩张，2000—2010年间水域减少的区域分布广泛，主要有青山区的天兴洲淤积和东部坑塘周围的小面积水体减少、洪山区南湖和严东湖周围萎缩；③不同辖区在1990—2010年变化特点不同，其中江汉区是水域面积最小的辖区，江岸区是湖泊减少速度最快的区域；④湖泊水域对缓解城市内涝起重要作用，水域面积减少会加剧城市内涝，应该重视对湖泊的保护和治理。

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.23.017

2095－6835（2019）23－0044－03

〔编辑：张思楠〕