淡永利,王宏志,張 歡,張曉峰,縱兆偉

(地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室; 華中師范大學,城市與環(huán)境科學學院, 武漢 430079)

2000—2010年武漢市中心城區(qū)湖泊景觀變化

淡永利,王宏志*,張 歡,張曉峰,縱兆偉

(地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室; 華中師范大學,城市與環(huán)境科學學院, 武漢 430079)

武漢雅稱“百湖之市”,湖泊是武漢市的重要名片。以2000、2005和2010年三期Landsat TM數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,采用歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)提取湖泊水體信息,建立了各個時期武漢市中心城區(qū)湖泊矢量圖層,計算了湖泊的面積萎縮率、斑塊分維數(shù)和破碎度等景觀指數(shù),對2000—2010年武漢市中心城區(qū)湖泊變化特征進行了分析。研究表明,武漢市各個湖泊均有不同程度的萎縮,湖泊面積萎縮率大小和其所隸屬的環(huán)線及政策因素有較大的關(guān)系；各湖泊斑塊分維數(shù)在1—1.3之間,并越來越接近于1,表明在人類活動持續(xù)影響下,其形狀變得越來越規(guī)則；同時斑塊數(shù)目增加,湖泊在面積萎縮的同時,也變得越來越破碎,研究顯示主要是道路修建所致導致的湖泊分割,湖泊被分割后,自凈能力下降,會導致水體污染而最終被填埋?？傊?10年武漢市湖泊景觀環(huán)境朝著不良方向發(fā)展,應該制定更嚴格的政策進行水域管理。

武漢市中心城區(qū)；NDWI；湖泊景觀變化；萎縮率

濕地是全球價值最高的三大生態(tài)系統(tǒng)之一,然而在人類長期的掠奪式開發(fā)利用下,濕地自然曲折的形狀變得簡化、面積和數(shù)量銳減、水域受到不同程度的污染,濕地環(huán)境問題已經(jīng)成為全球變化研究的重要內(nèi)容之一[1- 2]。城市是以人類行為為主導的復雜社會經(jīng)濟自然復合生態(tài)系統(tǒng),城市內(nèi)湖也是人類活動干擾最嚴重的生態(tài)類型之一。城市內(nèi)湖除具有生物棲息地、調(diào)蓄洪水和生產(chǎn)等功能外,對于接納城市污水、建構(gòu)城市景觀、促進城市經(jīng)濟增長具有非常重要的作用[3]。武漢雅稱“百湖之市”,湖泊是武漢市重要的城市名片。武漢市湖泊屬于江漢湖群的一部分,新中國成立之初,僅漢口地區(qū)大小湖泊就有100多個,但截止到2000年底,武漢三鎮(zhèn)僅存湖泊27個[4]。武漢作為我國首批“兩型”社會試點的中心城市,建設(shè)生態(tài)宜居的生態(tài)園林城市是武漢市“兩型”社會建設(shè)的重要目標,加強水污染防治、建立一批以河流、湖泊、水庫和濕地為核心的生態(tài)保護區(qū)、推進“清水入湖”工程是武漢市“兩型”社會建設(shè)的重要舉措。

但近年來武漢城市化水平的不斷提高,使得城市湖泊面積萎縮,水質(zhì)污染,生態(tài)功能下降,嚴重制約了武漢生態(tài)園林城市的建設(shè)[5]。這一問題也引起了學者的廣泛關(guān)注,黃浦江[6]等利用景觀分形理論與GIS的空間分析功能相結(jié)合的方法,分別構(gòu)建湖泊變化強度指數(shù)和湖泊分形維數(shù)變化指數(shù),從湖泊的空間面積變化以及湖泊形態(tài)變化2個方面進行了研究。寧龍梅[7]等利用景觀生態(tài)學的方法對武漢市濕地景觀格局變化進行了定量研究。曾中平[8]等利用NDWI指數(shù)提取了4a不同的武漢市主城區(qū)湖泊的水域面積,引入湖泊萎縮指數(shù)對湖泊進行時空變化的初步定量分析。其它學者則更多的關(guān)注湖泊水質(zhì)污染及其生態(tài)環(huán)境的變化特征研究[9- 10]。鑒于以上在城市湖泊研究中側(cè)重面積和空間格局變化的基礎(chǔ)上,以2000、2005和2010年三期Landsat TM數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,選擇27個主要湖泊并基于湖泊的景觀變化模型,構(gòu)建了湖泊面積萎縮率、湖泊分維數(shù)和湖泊破碎度等指標,從湖泊的空間面積變化、湖泊形態(tài)變化及破碎程度等方面來進行分析,以期豐富湖泊景觀變化的分析方法,以及更深入地了解和認識人類活動因素與湖泊水域動態(tài)變化之間的關(guān)系,并揭示其規(guī)律和原因,為進一步推進武漢市湖泊環(huán)境保護提供決策依據(jù)。

1 武漢市中心城區(qū)湖泊信息提取

1.1 武漢市中心城區(qū)湖泊名錄

武漢市(113°41′—115°05′E,29°58′—31°22′N)是長江中下游特大城市之一,處于江漢平原東部、長江與其一級支流漢水的交匯處,為殘丘性河湖沖積平原,地勢平坦低洼[11]。選擇傳統(tǒng)武漢三鎮(zhèn)為研究區(qū),即江岸區(qū)、江漢區(qū)、硚口區(qū)、漢陽區(qū)、武昌區(qū)、洪山區(qū)6個中心城區(qū),其中江岸區(qū)、江漢區(qū)和硚口區(qū)隸屬于漢口鎮(zhèn),武昌區(qū)和洪山區(qū)隸屬于武昌鎮(zhèn),漢陽區(qū)隸屬于漢陽鎮(zhèn)。2000年末武漢三鎮(zhèn)共有湖泊27個,其中漢口10個、漢陽6個、武昌11個(表1)。

表1 武漢主城區(qū)湖泊名錄

1.2 湖泊景觀生態(tài)信息的提取

1.2.1 圖像預處理

湖泊生態(tài)服務(wù)能力相關(guān)衡量指標主要從三期遙感圖像獲取。選取2000年、2005年和2010年秋季的三期Landsat TM(ETM+)數(shù)字遙感數(shù)據(jù),運用ENVI 5.0遙感圖像處理軟件,對圖像進行幾何精校正、圖像裁剪和圖像增強等預處理(圖1)。

1.2.2 歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)計算

運用歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)提取湖泊水域信息[12- 13],其基本原理是通過波段之間的比值運算增強水域與背景地物之間的反差,從而使水體容易地被識別出來。其計算公式為：

圖1 三期標準假彩色Landsat-TM(ETM+)遙感影像Fig.1 Three periods of standard false color Landsat-TM(ETM+)remote sensing images

(1)

式(1)中,GREEN代表綠光波段,NIR代表近紅外波段。

1.2.3 武漢市中心城區(qū)湖泊矢量信息提取

利用計算得到的NDWI圖像,并利用GPS進行了實地抽樣調(diào)查檢驗,利用NDWI提取的圖像精度準確可靠。在ArcGIS10環(huán)境中,提取三期武漢市湖泊水域矢量信息,并參考有關(guān)資料及實地考察各圖斑所對應的湖泊名稱,分別建立2000、2005和2010年武漢市中心城區(qū)湖泊矢量圖層,如圖2顯示了2010年武漢市中心城區(qū)湖泊分布圖。2010年主城區(qū)湖泊水面總面積為62.52km2,占三鎮(zhèn)總面積的7.64%,其中武昌地區(qū)湖泊總面積為54.95km2,漢陽地區(qū)湖泊總面積為6.68km2,漢口地區(qū)湖泊總面積為0.88km2,分別占主城區(qū)湖泊總面積的87.90%、10.69%和1.41%。武漢三鎮(zhèn)湖泊面積差異懸殊。

圖2 2010年武漢市中心城區(qū)湖泊分布圖Fig.2 Distribution of lakes in the main central city districts of Wuhan in 2010

2 湖泊景觀變化模型的構(gòu)建

2.1 湖泊景觀變化要素及指數(shù)選擇

湖泊景觀生態(tài)環(huán)境變化主要體現(xiàn)在湖泊面積、形狀、完整性等方面的變化。城市湖泊經(jīng)常被各種建設(shè)項目侵占,面積減少,面積的減少可采用萎縮率來表示；城市交通體系的建設(shè)和擴展等經(jīng)常分割湖體,湖體被分割后其水體自凈能力減弱,率先被污染、填埋,湖泊的完整性采用破碎度來表示；湖泊形狀的變化會影響到水陸交界面的大小、生物棲息地的變化和湖泊的美學價值,自然狀態(tài)下的湖泊邊界曲折自然,人類活動影響越大,湖泊邊界越規(guī)則,可采用湖泊斑塊分維數(shù)來表示湖泊形狀的變化。

2.2 湖泊生態(tài)景觀變化指數(shù)計算

從武漢市中心湖泊圖層提取湖泊水域面積、斑塊個數(shù)和周長等信息,對各湖泊面積變化率、湖泊斑塊分維數(shù)和湖泊景觀破碎度等各指數(shù)的計算。

(1)湖泊面積萎縮率(ACR)

(2)

式中,A0為研究始期湖泊面積；A1為研究終期湖泊面積。

(2)湖泊斑塊分維數(shù)(FRAC)

(3)

式中,P為湖泊斑塊的周長；A為湖泊斑塊的面積。斑塊分維數(shù)用來描述湖泊景觀形狀的復雜性[14- 15],其理論范圍值為[1.0—2.0],1.0 代表斑塊形狀為正方形,人為干擾大；2.0 表示斑塊形狀非常曲折復雜,人為干擾小[15- 17]。

(3)湖泊景觀破碎度(F)

(4)

式中,N表示景觀斑塊數(shù),A表示景觀總面積。F越大,景觀越破碎。景觀破碎化是生物多樣性喪失的重要原因之一[15,18]。

3 計算結(jié)果分析

3.1 武漢市主城區(qū)湖泊萎縮特點

10年中,武漢主城區(qū)湖泊面積減少了11.53km2,總萎縮率為15.57%,其中2000—2005年減少了8.17km2,2005—2010年減少了3.36km2(表2)。武漢市湖泊面積差別懸殊,10a內(nèi)均有不同程度的萎縮,排在前面九大湖位序并沒有改變,前九大湖面積共減少了10.33 km2,占總萎縮量的89.61%。2000、2005和2010年九大湖面積總和分別為71.28 km2、63.74 km2和60.95km2,占同期湖泊總面積的96.27%,96.76%和97.49%,占比逐步上升；排在前3位的東湖、嚴西湖和南湖面積總和分別為56.7678、52.2241 km2和50.7552 km2,分別占同期九大湖總面積的79.64%；81.93%和83.27%,占比也在攀升。

27個湖泊萎縮率差異明顯(表2)。內(nèi)沙湖萎縮率最高,達83.62%,內(nèi)沙湖位于武漢市武昌區(qū)、武漢市區(qū)內(nèi)環(huán)線內(nèi),曾是武漢市僅次于東湖的第二大“城中湖”,2000年該湖在27個湖泊中尚居于第13位,到2010年卻退居為末位；萎縮率處于70%—80%之間的有楊春湖和曬湖,位序均有明顯的下降,前者位于三環(huán)邊上,后者位于二環(huán)以內(nèi)；萎縮率處于50%—60%之間的有月湖和北太子湖,前者處于二環(huán)線內(nèi),后者位于三環(huán)附近；萎縮率在40%—50%之間的湖泊是外沙湖和西湖,均位于二環(huán)之內(nèi)；萎縮率在30%—40%之間的湖泊南太子湖、張畢湖和南湖,均鄰近三環(huán)線,均是區(qū)域內(nèi)面積較大的湖泊,自2000年到2010年三者位序未變；萎縮率在20%—30%之間的湖泊有墨水湖、紫陽湖、菱角湖、北湖、烷子湖、四美塘和小南湖,除墨水湖處于三環(huán)內(nèi),其他均處于二環(huán)內(nèi)；萎縮率在10%—20%之間的湖泊有塔子湖、水果湖、機器蕩子和蓮花湖,除塔子湖處于三環(huán)線內(nèi),其他均處于二環(huán)線內(nèi)；萎縮率小于10%的湖泊有東湖、嚴西湖、野芷湖、竹葉海和后襄河,其中嚴西湖位于三環(huán)線外,后襄河位于二環(huán)線內(nèi),東湖和野芷湖主體位于三環(huán)之內(nèi),而竹葉海位于三環(huán)附近。從排序來看,東湖、嚴西湖一直居于前兩位寶座,東湖為重要的風景旅游區(qū),而嚴西湖位于三環(huán)以外,較小的萎縮率與人類活動的保護行為及較少的干預相關(guān)；野芷湖第7位未變；竹葉海從16升級為13;后襄河從26升級為22。竹葉海、后襄河被定位為城市湖泊公園。

可見,萎縮率大于70%的湖泊均位于二環(huán)區(qū)之內(nèi),萎縮使得其在整個中心城區(qū)湖泊中的排序大大下降；沒有萎縮率在60%—70%的湖泊；萎縮率為30%—50%的湖泊,要么位于二環(huán)之內(nèi)人口稠密區(qū),要么位于三環(huán)線附近的環(huán)線建設(shè)區(qū),其排序基本穩(wěn)定；萎縮率小于30%的湖泊,情況最為復雜,有二環(huán)內(nèi)、三環(huán)內(nèi)及三環(huán)附近的,這些湖泊的排序均比較穩(wěn)定或提高,除部分湖泊具有面積優(yōu)勢外,有針對性的湖泊利用及保護政策等對其現(xiàn)狀也有著積極的作用。

隨著房地產(chǎn)開發(fā)熱的到來,濱湖地區(qū)成為房地產(chǎn)開發(fā)的焦點地區(qū)以及市政建設(shè)的大力推行,使得大量湖泊用地被填占而成為建筑用地。對27個湖泊均存在于建設(shè)用地占用問題,主要包括房屋建設(shè)和公路修建等；同時,東湖、嚴西湖、北太子湖、南太子湖、塔子湖、外沙湖、張畢湖、月湖、楊春湖、竹葉海和龍陽湖等11個湖泊,存在于湖面轉(zhuǎn)化為灘地等現(xiàn)象,是湖泊退化的標志之一。

表2 2000—2010年武漢主城區(qū)湖泊面積、排序變化及萎縮情況

3.2 武漢主城區(qū)湖泊形狀變化

武漢中心城區(qū)湖泊景觀分維數(shù)3個時期依次為:1.275、1.264、1.262(表3),一直呈下降趨勢,人為活動對湖泊的改造程度愈來愈大。其中2000—2005年變化較為顯著,2005—2010年變化相對緩和,說明人類活動干擾相比上一時期要小一些。

單個湖泊分維數(shù)均在1.000—1.300之間,說明武漢中心城區(qū)湖泊總體上受人為活動影響很大。分維數(shù)接近于1的湖泊有內(nèi)沙湖、北湖、后襄河、小南湖、曬湖、機器蕩子、楊春湖、水果湖、蓮花湖、菱角湖和西湖,這些湖泊除楊春湖位于三環(huán)附近外,其他湖泊均位于二環(huán)線以內(nèi)的市區(qū)附近,受人類活動影響大,湖泊幾何形狀趨于簡單化；其他湖泊分維數(shù)變化具有反復性,但總體上仍呈下降趨勢。

3.3 湖泊景觀破碎度變化趨勢

2000、2005、2010年武漢中心城區(qū)湖泊景觀的破碎度分別為1.202、1.397、1.648,破碎度不斷增加。不同時期湖泊破碎度也存在著一定的差異,2000—2005年湖泊破碎度有所增加,2005—2010年湖泊景觀破碎度的增加則更為顯著。

表3 2000—2010年湖泊分維數(shù)和斑塊數(shù)變化

2000、2005、2010年湖泊斑塊總數(shù)分別為81個、88個、104個。通過圖像解譯和實地考察對斑塊數(shù)目變化原因進行了分析。斑塊明顯增多的湖泊有東湖、嚴西湖、南太子湖、墨水湖、野芷湖、龍陽湖、月湖、竹葉海和紫陽湖,其中東湖、嚴西湖、南太子湖、墨水湖、野芷湖、龍陽湖、竹葉海是由于交通線路把湖泊切割成幾部分,而月湖和紫陽湖位于市區(qū),由于建筑用地填占使得湖泊被切割；斑塊明顯減少的湖泊有楊春湖、外沙湖、塔子湖、張畢湖和曬湖,主要是由于破碎湖泊部分斑塊被填占或湖泊水量減少變?yōu)闉┑?、未利用地?表3)。

4 結(jié)論

(1)本研究利用多時相遙感信息,在GIS技術(shù)的支持下,建立了2000—2010年武漢中心城區(qū)湖泊數(shù)據(jù)庫,能夠快速及時準確地反映湖泊動態(tài)變化,為武漢市湖泊資源的監(jiān)測、保護與利用提供參考。

(2)武漢中心城區(qū)湖泊時空動態(tài)演變具有階段性特征。2000—2005年湖泊面積萎縮量比2005—2010年顯著、湖泊斑塊分維數(shù)變化幅度在2000—2005年時期也較大。2000—2005年武漢城市化進程主要表現(xiàn)為湖泊的占用和開發(fā)；2005—2010年時期湖泊斑塊數(shù)量增加迅速,道路修建對湖體的分割明顯。

(3)有利的政策對湖泊保護起到明顯的作用。竹葉海處于三環(huán)線附近、后襄河處于繁華的漢口二環(huán)之內(nèi),其萎縮率明顯低于大多數(shù)湖泊,顯然和其被定位為城市湖泊公園有關(guān)。

綜上所述,武漢中心城區(qū)湖泊受武漢城市化進程影響很大,而且影響還在逐年增強。要保護武漢市的這一城市名片,制訂更加嚴格的政策、加強管理是必須的舉措。

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Lakes evolution of central Wuhan during 2000 to 2010

DAN Yongli,WANG Hongzhi*, ZHANG Huan, ZHANG Xiaofeng, ZONG Zhaowei

KeyLaboratoryofAnalysisandSimulationofGeologicalProcessesofHubeiProvince;CollegeofUrbanandEnvironmentalScience,CentralChinaNormalUniversity,Wuhan430079,China

Wetland is one of the three most valuable ecosystems in the world. Blessed with numerous lakes, Wuhan has enjoyed the reputation of “City with hundreds of lakes”, and “Lake” is the important name card of Wuhan. Based on the Landsat TM images of the year of 2000, 2005, and 2010, we get the lakes variation characteristics from year 2000 to year 2010 of central Wuhan with the method of NDWI to extract prominent information of lakes and then create the vector layers of the lakes data of the three years, which are used to calculate the Shrinking Rate of the lakes, fractal dimension of lake patches and the degree of fragmentation of lake landscape. The study shows that: (1) All the lakes have shrunk, and there are different shrinking rates of different lakes, which are mainly decided by which loop are these lakes in and policy factors. (2) fractal dimensions of these lake patches are range from 1 to 1.3, and are increasingly close to 1. It shows that the lakes are becoming regularly shaped under human activity influence. (3) There is an increase in the number of lake patches. With their decrease in area, the lakes become fragmented at the same time due to the traffic construction. When a lake is fragmented, it is easier to be polluted for the reduction of its self-purification capacity and probably to be filled in at last. In one word, the landscape environment of lakes proceeds in a negative direction. Stricter policies should be put forward for administration and protection of the lakes of Wuhan City.

central area of Wuhan city; NDWI; lake landscape evolution; shrinking Rate

國家自然科學基金項目(41271534)

2013- 06- 10;

2023- 10- 08

10.5846/stxb201306101592

*通訊作者Corresponding author.E-mail: whz1237@hotmail.com

淡永利,王宏志,張歡,張曉峰,縱兆偉.2000—2010年武漢市中心城區(qū)湖泊景觀變化.生態(tài)學報,2014,34(5):1311- 1317.

Dan Y L,Wang H Z, Zhang H, Zhang X F, Zong Z W.Lakes evolution of central Wuhan during 2000 to 2010.Acta Ecologica Sinica,2014,34(5):1311- 1317.