1994—2015年武汉城市圈湖泊演变规律及驱动力分析

2020-10-27何思聪张城芳

生态与农村环境学报 2020年10期

何思聪,董恒,张城芳,2①

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北武汉 430070;2.武汉华夏理工学院土木建筑工程学院,湖北武汉 430223)

作为湿地生态系统中最重要的组成部分,湖泊有维持生物多样性、调节气候、缓解渍水、净化水质等生态功能[1],同时作为城市系统的独特景观,也影响着城市建设规划和人文景观塑造[2]。武汉城市圈是长江中游重要的湖泊集中区,武汉市更有“江城”之美称[3]。近年来,在中部崛起战略及武汉城市圈发展战略的大背景下,武汉城市圈的城市化建设正以前所未有的速度高速发展,城市土地利用格局发生了剧烈变化[4-5]。2015—2017年武汉城市圈暴雨频繁,引发了多次程度不一的城市内涝,严重影响了城市圈的可持续发展与建设,这与湖泊数量锐减以及湖泊面积萎缩密不可分。针对湖泊问题,许多学者对其开展了研究。以湖泊面积变化为出发点,张毅等[6]、YAO等[7]和FANG等[8]结合历史文献资料与遥感影像,分别探究了武汉市、可可西里地区和江汉平原长时间序列的湖泊时空变化情况,并从自然状况、人类活动和政策实施方面总结了湖泊变化的原因;徐娜等[9]和XIE等[10]对各自的研究区开展了高精度的土地覆被变化研究,从地物转换的角度探究了驱动区域湖泊变化的自然和人类活动因素。以景观生态学为立脚点,黄浦江等[11]利用3S技术,结合湖泊分形维数变化指数,初步定量分析了人类活动对湖泊的影响程度;XU等[12]基于景观生态学多样性、破碎度和均匀度等指标,探究了武汉城市湿地的面积变化特征,发现城市化是影响武汉湿地景观结构变化的主要因素。笔者鉴于前人对湖泊演变驱动力的机制分析以及对人类活动的定量描述思维,利用1994—2015年期间的11期遥感影像,分析武汉城市圈的湖泊演化规律以及湖泊周边的土地利用变化规律,并提出比较完整的湖泊演变驱动力分析模型,定量化描述各驱动力因子比重,为解决城市内涝、建设可持续发展武汉城市圈提供参考。

1 研究区概况

武汉城市圈的湖泊主要集中在武汉市,为了保证各大湖泊的整体性,将研究区定义为以武汉市为核心并包括其周边的嘉鱼县、咸宁市、大冶市、鄂州市、黄冈市和团风县的完整区域(图1)。按湖北省“一湖一勘”统计标准,至2012年底武汉市共有湖泊148个,总水面面积752.30 km2[1]。

武汉城市圈位于湖北省东部、长江中游,是我国东部与西部之间重要的交通枢纽,同时也是中部重要的经济圈和科研基地。区域内地势平坦,平均海拔较低,其中湖泊海拔多为21～23 m,处在亚热带湿润季风气候区,雨量丰沛,降水主要集中在夏季7—8月,年均降水量在1 300 mm左右,夏热冬冷,昼夜温差较大,年平均气温为17 ℃。

2 研究数据与方法

2.1 数据来源

2.1.1遥感数据

为了精确提取武汉城市圈的湖泊面积以及土地利用变化情况,选取1994—2015年间11期33景高质量Landsat遥感影像,平均每期年际间隔约为2 a。相较于其他时期,枯水期的湖泊面积变化幅度较小,保证了数据的可比性,同时能减少由数据带来的误差变化,故影像获取的月份主要集中在枯水期(每年9—12月),其中10月17景、9月11景、11月1景、1月1景和8月1景。每期数据能够完全覆盖研究区并且基本无云层覆盖(表1)。

图1 研究区位图Fig.1 Study area map

2.1.2气象与经济数据

从中国气象数据网(http:∥data.cma.cn)获取研究区1994—2015年枯水期(9—10月)的平均气温以及平均总降水量数据,以研究气候变化对湖泊演变的影响;并从国家统计局编制的《武汉统计年鉴》中收集1994—2015年武汉市的农业生产总值、GDP、城市建成区面积和常住人口等数据,以定量研究人类活动对湖泊演变的推动作用。

2.2 研究方法

2.2.1湖泊信息获取方法

对于水体的提取方法有很多,如水体指数法、基于阈值的单波段法、基于阈值的多波段法以及ISODATA法[13-15]。鉴于武汉城市圈地形较为平坦、大湖泊较多且部分湖泊水体富营养严重[16],采用归一化水体指数(NDWI,INDW)快速准确地提取水体信息[1,17-18]。

(1)

式(1)中,INDW为归一化水体指数;ρGreen为绿波段的反射率,%;ρNIR为近红外波段的反射率,%。

通过反复对比遥感影像确认每一年合适的NDWI阈值[19-20],对11期影像中的水体信息进行提取,并根据湖泊空间特征进行目视修正,提取较为精确的湖泊信息。

表1 武汉城市圈遥感影像信息

2.2.2土地覆被变化情况获取方法

依据湖泊总面积变化趋势,大致划分其演变阶段,确定各阶段的始终年份,并提取土地覆盖信息。利用监督分类方法,采用神经网络分类器对1994、2003、2009和2015年4期影像进行分类。土地覆盖类型分为6类:城市用地(大小规模居民地、工矿用地、交通用地和城郊开发待建设裸地)、耕地(水田、旱田)、林地(草地、乔木地、灌木丛和园地)、湖泊、水塘(湖泊附近的渔业用水体)和其他用地(未利用裸地、河流以及沙地)。

根据空间分析原理,将同年份利用归一化水体指数法提取的湖泊信息与监督分类提取的土地覆盖信息进行空间叠加[21-22],用归一化水体指数法提取的高精度湖泊信息修正监督分类的湖泊区域。最后结合目视解译[23]人机交互式修正分类结果并进行小斑块去除处理,以保证结果的准确性。

2.2.3湖泊驱动力定量化分析方法

以各驱动力作为自变量,对应时期的湖泊面积作为因变量,利用SPSS 22.0软件探究自变量与因变量间的相关性并进行数据的标准化,最后基于最小二乘估计求解回归方程。回归模型如下所示:

Y=β1X1+β2X2+…+βMXM。

(2)

式(2)中,Y为湖泊面积, km2;β为拟合系数;X为各种驱动力,包括建成区面积(km2)、人口数(万人)、农业生产总值(亿元)、温度(℃)和降水量(mm)。

在自变量之间存在多重共线性的情况下直接拟合的回归方程可信度低[24]。为了消除多重共线性的影响,对自变量进行主成分分析,提取贡献度在95%以上的主成分。根据相关矩阵提取主成分载荷,计算因子得分,最后将因子得分作为自变量,与武汉城市圈湖泊面积进行回归拟合,将各驱动力回代到拟合方程,得到最终拟合结果。

3 结果与讨论

3.1 湖泊面积变化规律

利用前文提到的提取方法提取1994—2015年武汉城市圈的11期湖泊信息,与马建威等[1]的解译结果相比,多年湖泊面积的平均差异为13%。该研究的解译结果略小于马建威等[1]的结果,其原因在于该研究统计的是枯水期湖泊面积,而马建威等[1]所统计的是丰水期湖泊面积。如图2所示,在整个研究时期武汉城市圈的湖泊总面积整体呈减少趋势,1994年时面积最大,为1 299.7 km2,占总区域面积的8.4%。从1994年到2015年湖泊面积共减少168.3 km2,较面积最大时减少12.9%。

武汉城市圈各个时期的湖泊面积如图3所示。湖泊面积变化有较为明显的阶段性,可以大致划分为3个阶段:1994—2003年、2003—2009年、2009—2015年。第1阶段(1994—2003年)为湖泊面积复杂变化阶段,湖泊面积呈先减后增的变化趋势,1994—1996年湖泊面积减少了46 km2。1996年后湖泊面积开始增长,至2003年湖泊总面积增长到1 279 km2,占总区域面积的8.2%。2003年后湖泊面积略微减少(20.5 km2)。第2阶段(2003—2009年)为湖泊面积锐减阶段,武汉城市圈湖泊面积开始剧烈减少,由2003年的1 279 km2减少到2009年的1 162 km2,减少面积为117 km2,是第1阶段减少面积的2.54倍。2009年后湖泊面积占区域总面积的7.5%，较面积最大时减少了近1个百分点。第3阶段(2009—2015年)为湖泊面积缓慢减少阶段,以平均5.14 km2·a-1的速率缓慢减少。

图2 1994—2015年武汉城市圈湖泊分布Fig.2 Distribution map of lakes in Wuhan City Circle from 1994 to 2015

图3 1994—2015年武汉城市圈湖泊总面积变化Fig.3 Changes in the total lake area in Wuhan City Circle from 1994 to 2015

3.2 土地覆被变化分析

依据武汉城市圈1994—2015年期间的11期遥感影像的湖泊面积变化规律,利用1994、2003、2009和2015年的遥感影像,结合选择性组合分类处理方法,进行土地利用覆被的动态监测,结果如图4所示。考虑到不同的湖泊演变阶段其土地覆被变化情况不同,针对湖泊的3个演变阶段分别统计了湖泊面积转移情况[25],结果如表2所示。

从表2可以看出,1994—2003年武汉城市圈湖泊面积变化主要与耕地和林地变化相关。耕地作为影响湖泊面积转换的最主要土地利用类型,与湖泊之间存在大面积转换,两者的净转换量为-19.2 km2。林地、城市用地和其他用地则对湖泊面积变化影响甚微。

图4 武汉城市圈1994、2003、2009和2015年土地覆盖情况Fig.4 Land covers of Wuhan City Circle in 1994, 2003, 2009 and 2015

2003—2009年期间,影响武汉城市圈湖泊面积变化的主要土地利用类型发生了改变。一方面,耕地的转出面积进一步增加(170.2 km2),转入面积进一步减少(69.4 km2),净转换量为100.8 km2,依旧是湖泊面积最主要的转入类型；另一方面,城市用地锐增并开始占用湖泊面积(18.1 km2),而少有城市用地类型转入湖泊类型(4.0 km2)。这说明湖泊面积在这期间锐减,农业扩张作为主要的变化方式,控制着湖泊面积变化大致趋势,同时城市扩张对湖泊的占用也变得不容小觑。2009—2015年湖泊的主要转出类型为耕地和城市用地。其中耕地的转入量和净转换量大幅减少,分别为123.5和20.6 km2,而城市用地的转入量基本不变,为18.2 km2。不难看出,城市扩张对湖泊面积的影响还在继续增强,而农业发展对湖泊面积的影响正快速减弱。

3.3 武汉城市内湖泊面积变化

为了进一步分析城市内部湖泊面积的变化特征,统计了汉口、汉阳和武昌的湖泊面积(表3)。在武汉三镇中,武昌的湖泊面积最大,多年平均为79.21 km2,其次是汉阳和汉口,分别为7.46和1.44 km2。武汉三镇的湖泊面积整体均呈减少趋势,研究期内各区域的湖泊面积极值虽然有所差异,但在2007—2009年有一致的回升趋势,特别是汉口区,湖泊面积增加了56%。

3.4 自然因素对湖泊面积演变的影响

在自然条件下的水循环中,影响武汉城市圈湖泊面积变化最直接的环节就是大气降水和蒸发[26-28]。大气降水是湖泊主要的水量来源,而蒸发则是湖泊主要的水量流失方式。选取武汉气象站1994—2015年的年平均降水量和年平均气温数据,以探究上述环节对武汉城市圈湖泊的具体影响。

图5为武汉城市圈湖泊面积及平均气温变化趋势图,可以看出1994—2015年武汉城市圈的年平均气温变化比较剧烈,历史平均温度差最高达到2.5 ℃,大致呈上升趋势,与湖泊面积有一定的负相关关系。温度与湖泊面积的对应关系比较复杂:1996—2003、2007—2011和2013—2015年武汉城市圈平均温度与湖泊面积呈现明显的相同变化趋势,但是在1994—1996、2003—2007和2011—2013年两者又呈现相反的变化趋势。在区域尺度上,气温与蒸发量有一定的相关关系,一般而言,温度的增加会导致蒸发量的增加,而在云量增加的情况下,平均气温的升高往往对应着蒸发量的减少[29],气温的变化在一定程度上反映着蒸发量的变化[30-31],而蒸发量的变化又直接影响了湖泊面积的变化。

表2 武汉城市圈各阶段湖泊变化情况

图6为武汉城市圈湖泊面积及平均降水量变化趋势,整体上武汉城市圈的年平均降水量变化平缓,呈微弱下降趋势,湖泊面积呈大幅减少趋势。大部分时段(1999—2009年)湖泊面积与降水量有相同的增减趋势,随着降水量的增加湖泊面积也增加,降水量作为湖泊水量的重要来源,对湖泊面积的变化有一定的影响力。

3.5 人类活动对湖泊面积演变影响的定性研究

人类活动本身具有高度复杂性,对湖泊演变的影响更具有时段性和综合性[32]。根据武汉城市圈1994—2003、2003—2009和2009—2015年3个时期的土地利用覆被变化情况,结合1994—2015年武汉市的GDP以及常住人口数据,初步分析了人类活动对湖泊演变的影响。自1990年退田还湖的政策推行后大量耕地面积开始转入湖泊面积,而围湖造田现象并没有立即消失,仍有大部分湖泊面积转入耕地面积,这就使得1994—2003年湖泊面积变化趋势复杂。2004年中部崛起计划开始实施,一方面,武汉城市圈快速扩张(图7):武汉市的GDP从2003年开始呈指数增长,12 a共增长3.91倍,城市用地开始大规模侵占湖泊,屡见不鲜的“围湖造城”现象成为了湖泊面积锐减的主要原因之一。另一方面,经济高速发展,生活水平不断提高,使得人口数剧增,随之而来的高用水需求也成为了武汉城市圈湖泊面积锐减的原因之一。自2009年世界湖泊大会以后,武汉积极响应大东湖生态水网建设和湖长制制度,武汉城市圈湖泊面积进入缓慢减少阶段,并且这种减缓趋势在政策实施区(汉阳)最为明显,而武汉市的城市扩张速度并没有减缓,人口和经济仍然处于高速增长状态。可见一系列的湖泊保护政策削弱了湖泊面积的减少趋势,相关措施卓有成效。

表3 武汉城区内部湖泊变化情况

图5 1994—2015年武汉城市圈湖泊面积及平均温度变化Fig.5 Changes in lake area and average temperature in Wuhan City Circle from 1994 to 2015

图6 1994—2015年武汉城市圈湖泊面积及降水量变化Fig.6 Changes in lake area and average rainfall in Wuhan City Circle from 1994 to 2015

3.6 驱动湖泊面积演变的定量研究

为了进一步分析湖泊演变的驱动机制,依据自然和人类活动对湖泊演变的初步探究结果,针对人类活动对湖泊演变影响的主要方式(围湖造田和围湖造城),将主要的湖泊演变驱动力分为城市内部扩张驱动力、农业发展驱动力、人口驱动力以及自然驱动力。城市内部扩张驱动力指的是城市扩张对湖泊演变的推动作用,在城市扩张的过程中存在大量的“围湖造城”现象,大量的湖泊用地被占用并转变为建成区,因此以城市建成区面积作为评价指标最为合适;农业发展驱动力是指在区域农业发展过程中其所处的规模大小与存在方式对湖泊演变的推动作用,以农业生产总额为指标,该指标越大,说明农业活动越剧烈,对湖泊的侵占活动也会相应增大;人口驱动力是指区域人口的正常生活所带来的用地压力和资源压力,区域常住人口数增加会加剧城市供水湖泊的供水压力,进而影响湖泊面积;自然驱动力是指自然条件变化对湖泊面积的影响。以上4种驱动力代表了人类活动和自然变化对湖泊演变的多元影响。为了全面比较各个驱动力对湖泊演变的影响程度,选取1994—2015年建成区面积(X1)、常住人口(X2)、农业生产总值(X3)、降水(X4)和温度(X5),前3者分别代表城市内部扩张驱动力、人口驱动力和农业发展驱动力,后2者代表自然因素驱动力。对各影响因子进行相关性分析,发现武汉城市圈建成区面积、常住人口、农业生产总值、降水和温度与湖泊面积的Pearson 相关系数分别为-0.959、-0.906、-0.799、0.318和-0.319。人类活动指标与武汉城市圈湖泊面积之间呈显著负相关,说明农业规模的扩大、人口基数的增长、城市内部扩张都使得武汉城市圈湖泊面积锐减,相对于自然因素,人类活动是影响湖泊演变的主要因素。

基于前文所述的模型构建方法,构建了武汉城市圈湖泊演变驱动力(Y)回归模型:Y=-0.54X1-0.51X2-0.47X3+0.19X4-0.29X5,模型的拟合优度(R2)达0.89。通过回归模型分析可以发现，在整个研究时段中湖泊演变最主要的驱动力为城市内部扩张驱动力,影响系数为0.54,其次是人口驱动力和农业发展驱动力,影响系数分别为0.51和0.47,最后是自然因素驱动力,温度和降水的影响系数分别为0.29和0.19。由此可见,城市内部扩张是导致武汉城市圈湖泊面积减少最主要的原因,农业发展与人口压力对湖泊演变也有较为显著的影响,而自然因素的推动作用则相对较小。