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地球信息科学学报 >

2015 , Vol. 17 >Issue 4: 445 - 450

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2015.00445

广州城市暴雨内涝时空演变及建设用地扩张的影响

  • 李彬烨 ,
  • 赵耀龙 , * ,
  • 付迎春
展开
  • 华南师范大学地理科学学院, 广东省智慧国土工程技术研究中心, 广州 510631
*通讯作者：赵耀龙(1974-),男,河南沈丘人,博士,教授,主要从事地理信息科学与城市问题研究。E-mail:

作者简介：李彬烨（1991-）,男,广东汕尾人,硕士生,主要从事地理模拟与公共政策研究。E-mail:

收稿日期: 2014-11-14

  要求修回日期: 2015-01-26

  网络出版日期: 2015-04-10

基金资助

国家自然科学基金项目（41101152）

“973”计划前期研究专项（2014CB460614）

广州市产学研协同创新重大专项民生科技项目（156100021）

“十二五”国家科技支撑计划课题（2012BAJ22B06）

教育部留学回国人员科研启动基金资助项目（2012-940）

收起

Spatio-temporal Characteristics of Urban Storm Waterlogging in Guangzhou and the Impact of Urban Growth

  • LI Binye ,
  • ZHAO Yaolong , * ,
  • FU Yingchun
Expand
  • School of Geography, South China Normal University, Guangdong Provincial Center for Smart Land Research, Guangzhou 510631, China
*Corresponding author: ZHAO Yaolong, E-mail:

Received date: 2014-11-14

  Request revised date: 2015-01-26

  Online published: 2015-04-10

Copyright

《地球信息科学学报》编辑部 所有
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摘要

暴雨内涝是城市常见的“城市病”。本研究通过收集20世纪80年代、90年代,以及2000年之后广州市主城区严重暴雨内涝资料,探索改革开放后广州市暴雨内涝时空演变特征,分析城市建设用地扩张对暴雨内涝的影响。结果表明,20世纪80年代至今,广州市主城区暴雨内涝点在时间和空间2个尺度上有显著的变化。早期内涝点主要集中于市中心的越秀区,随着城市化进程的推进逐渐在白云、天河等城市化较快的区域出现。从1990-2010年,广州市城乡建设用地扩张显著,城市不透水面密度与暴雨内涝点核密度呈正相关。其相关性随城市化发展逐渐增强,表明改革开放后广州市城市的快速扩张,对主城区暴雨内涝点的时空演变有较大的影响。因此,城市暴雨内涝的防治应重视城市不透水面格局的优化和调整。

关键词： 城市暴雨内涝; 时空演变; 建设用地扩张; 相关关系; 广州市

本文引用格式

李彬烨 , 赵耀龙 , 付迎春 . 广州城市暴雨内涝时空演变及建设用地扩张的影响[J]. 地球信息科学学报, 2015 , 17(4) : 445 -450 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2015.00445

Abstract

Urban storm waterlogging has become one of the common serious “urban diseases” in China. The purpose of this study is to examine the spatio-temporal characteristics of urban storm waterlogging in Guangzhou from the 1980s and analyze the relationship of urban storm waterlogging and urban growth. Information about the urban storm waterlogging in Guangzhou was gathered from the newspaper of Guangzhou Daily and from the waterlogging census implemented by Guangzhou Bereau of Water affairs. Moreover, Landsat TM/ETM 30 m images for the years of 1990, 1999, and 2010 were collected to monitor the urban growth of Guangzhou. Density estimation method was used to quantify the density of these waterlogging spots and calculate the construction land ratio of Guangzhou. The relationship of urban storm waterlogging with urban growth was explored using Pearson correlation coefficient. The results show that the urban storm waterlogging spots in Guangzhou had increased greatly on the time scale and had sprawled since the 1980s on the spatial scale. In the 1980s, waterlogging disaster mostly took place in Yuexiu district, which is the core area of Guangzhou. However, the disaster had gradually spread into districts that having rapid urban growth such as Baiyun and Tianhe after the 1990s. Simultaneously, the urban area also had sprawled rapidly from 1990 to 1999 and to 2010. According to the results of Pearson correlation coefficient calculation, the density of waterlogging spots is positively correlated with the construction land ratio, and the correlation relationship gradually strengthens with respect to the rapid urbanization, implying the notable impact of construction land ration on urban storm waterlogging. The results suggest that more attention should be paid to the optimization of construction land ratio in urban planning procedure, and the government should improve the condition of drainage pipeline system and facilities to avoid urban storm waterlogging.

Key words： urban storm waterlogging; spatio-temporal characteristics; urban growth; correlation relationship; Guangzhou city

1 引言

近年来,城市的暴雨内涝灾害频繁发生,如北京[1]、上海[2]、广州[3]、南京[4]等地,而且出现了区域连片频发的现象。以珠江三角洲为例,2014年5月出现了大范围强降雨过程,导致包括广州、中山、珠海、深圳、惠州、东莞等在内的大中城市发生了严重的暴雨内涝灾害。城市暴雨内涝已经成为多数城市必须面对和解决的“城市病”。
研究表明,城市暴雨内涝灾害的发生很大程度上是由城市化过程中下垫面变化导致的地表产流能力增加造成的。国内外不少学者曾系统研究了城市化对城市地表径流的影响,如Weng[5]在对珠江三角洲区域城市化的径流影响研究中发现,由于城市化过程中地表透水和储水能力下降,引起了径流量和径流系数的增加,从而导致城市区域的洪涝发生频率增加,并且城市化程度不同的区域其增量也不同;Niehoff、Sathish等学者的研究表明,城市化使得径流的峰值时间提前、峰值流量增加[6-7]。自从不透水面密度被作为一个相比土地利用更能衡量城市扩张强度和范围的指标以来[8],降雨径流变化与不透水面的关系受到了广泛关注。Brun等[9]研究了城市区域的径流特征后发现,研究区域中20%~25%的不透水面密度范围内,存在着对降雨径流系数影响的阈值,大于该阈值则城市降雨径流系数将迅速变大。随着不透水面密度的增加,降雨径流的峰值时间减少、峰值流量增大,总流量增大,呈现出和土地利用变化一致的影响程度[10-12];除不透水面的面积、比例,其空间分布的格局也会影响降雨径流的产生[13-15]。无论是土地利用变化,还是不透水面扩张,其背后都隐含着城市化过程中城市区域下垫面的变化,这种变化对区域的水文过程产生影响,从而导致城市地表暴雨径流增加,内涝易发。
目前,针对城市暴雨内涝的防控,国内外研究主要集中于预警模拟、风险评估及雨水管理等方面,而对于城市暴雨内涝的时空演变特征以及城市化过程对其影响还缺乏较深刻的认识[16-25]。本文以广州市主城区为研究区域,对改革开放后城市暴雨内涝灾害时空演变特征及其与城市化的关系进行分析,以期对城市暴雨内涝的防治与调控政策制定提供科学依据。

2 研究区地理背景与数据源

2.1 研究区地理背景

本文以广州市主城区作为研究区域（图1）。广州市改革开放30多年来随着城市化进程的推进,城市暴雨内涝灾害不断加剧。据统计,仅在2010年广州市就发生了4次严重的城市暴雨内涝灾害,其重要原因除了气候因素外,还有排水管网设施不足,以及城市化过程中的地表硬质化范围的扩张[26-28]。可见,广州城市暴雨内涝与地表硬质化有着密不可分的关系。
Fig. 1 Study Area

图1 研究区地理位置与分布

2.2 数据源

本文暴雨内涝点数据主要来源于广州市水务局提供的暴雨内涝记载相关资料等。对此,利用ArcGIS软件将暴雨内涝点进行矢量化,建立了暴雨内涝点空间数据集。矢量化过程中,暴雨内涝事件记录为“点”状数据,如道路与道路的交叉口、具体建筑物等则用一个点表示。
另外,本文获取了广州市主城区1990、1999、2010年10-11月份 Landsat TM/ETM 30 m分辨率的遥感影像数据。同时,收集了广州市主城区2000、2008、2010年航片数据,用于辅助遥感影像分类的取样、验证,所有数据信息如表1所示。
Tab. 1 Data sources and relevant information

表1 数据及相关信息

数据名称 格式 时间（年） 数据来源
1：400万行政区划 Esri shapefile 2005 国家基础地理信息系统网站
Landsat遥感影像 Img 1990-11-03
1999-11-15
2010-10-28		 USGS
高分辨率遥感影像 Jpeg 2000
2008
2010		 Google Earth
航片
暴雨内涝信息 文本资料 1980-2012 广州市水务局
《广州日报》

3 暴雨内涝时空变化分析

3.1 时空演变分析方法

（1）内涝点核密度估计
核密度估计是利用一个移动的窗口对点或者线的密度的估计,相比于普通的密度值,核密度值考虑了窗口中点的空间位置,即反映了区域中点与点之间的关系。在核密度估计中,带宽是一个重要的参数,搜索范围（窗口）是以带宽为半径的圆形区域。其通过核密度函数计算出窗口内所有栅格的核密度函数值,则每个栅格的核密度值即以该栅格为中心的窗口内所有核密度值之和。考虑到研究的适用性,本文采用Rosenblatt-Parzen估计方法：
f n x = 1 n h ∑ i = 1 n K x - x i h ( i = 1,2 , … … n ) （1）
式中,n为空间中事件点的个数;h为带宽;K为核函数; ( x - x i ) 为空间中估值点与事件点的距离。此处带宽使用默认值,由研究范围内最小长度或者宽度除以30得到。默认核函数为二次核函数：
K x = 3 4 1 - x 2 ) , x ∈ - 1,1 0 , o t h erwise （2）
输出的核密度值以1 km网格显示。严重内涝事件矢量化后在空间中体现为一个点,但通常暴雨内涝在空间表现为面状,对方圆几百平方米内的影响都较大,因此,使用1 km网格能够体现内涝在一定区域内的影响程度和发生频率。
（2）城市不透水面密度估算
城市不透水面主要由人造地物构成,通常用不透水面百分比,即区域或单位面积内不透水面密度来度量。本文使用城乡建设用地在网格内的比例来表示广州市人工不透水面密度。这里的城乡建设用地是指建造各类建筑物或构筑物的土地,具体为城乡住宅、公共设施、工矿、交通等用地类型,该用地类型在Landsat TM/ETM 30 m空间分辨率的影像上有较好的目视解译效果。本文应用最大似然监督分类法[29]提取1990、1999、2010年3个时相的遥感影像中广州市城乡建设用地。城市不透水面密度的计算方法为：
D i = S i 1 000 000 （3）
式中, D i 为单个网格的建设用地比例;Si为该网格内的建设用地面积（m2）。
（3）内涝点空间集聚分析
本文采用Moran指数[30]度量暴雨内涝点核密度内部空间分布的集聚性,其计算方法如式（4）所示：
Moran ' s I = n ∑ i = 1 n ∑ j = 1 n W ij x i - x ̅ x j - x ̅ ∑ i = 1 n ∑ j = 1 n W ij ∑ i = 1 n x i - x ̅ 2 （4）
式中,xi和xj分别为变量x在i和j处的值;n为变量的样本数量; x ̅ 为样本均值;Wij为空间权重矩阵W的元素,表示位置i与j的空间权重,如果位置i与j相邻,则Wij=1,否则为0。空间权重相邻关系采用Queen类型,即网格间只要有共同边界或顶点即为相邻。
（4）相关分析
本文采用皮尔森相关系数计算内涝点核密度与不透水面密度的相关性。皮尔森相关系数是常用的以样本独立假设的普通相关分析指数,计算方法如式（5）：
r = 1 n - 1 ∑ i = 1 n x i - x ̅ S x y i - y ̅ S y （5）
式中,n为网格数量; x i 和 y i 分别为第i个网格的不透水面密度与内涝密度; x ̅ 、 y ̅ 分别为2个变量的样本均值;Sx和Sy分别为2个变量的标准差。

3.2 广州市暴雨内涝时空演变分析

（1）广州市暴雨内涝时空演变特征
广州市暴雨内涝点时空分布如图2所示,广州主城区暴雨内涝点在时间和空间2个尺度上体现出显著的扩张。20世纪80年代,严重城市暴雨内涝事件点有7个,主要集中于越秀区长堤大马路附近;90年代,内涝事件点增加到51个,绝大部分集中在越秀区,少量分布在其他区域; 2000年以后（截至2012年）,内涝事件点达到113个,相比于前2个时期,内涝事件在越秀、天河、海珠、白云等主要区域都有发生。
Fig. 2 Spatial distribution of urban storm waterlogging in the main districts of Guangzhou from 1980 to 2012

图2 1980-2012年广州市主城区城市暴雨内涝事件点空间分布

对内涝点进行空间核密度估计并作自相关性分析的结果（图3）表明,20世纪80年代以来,核密度值均呈现出显著的空间自相关性,Moran′I指数分别为0.484、0.678、0.648,说明内涝分布呈现出“先增后减”的倒“U”型的集聚性特征。3个时点的核密度值也发生了变化,80年代的密度最大值最小,90年代最大,而到了2000年以后最大值又下降。这些变化说明了暴雨内涝点不仅仅数量在增多,而且呈现出从区域集聚到逐渐扩散的变化特征。
Fig. 3 Kernel density of urban storm waterlogging in the main districts of Guangzhou from 1980 to 2012

图3 1980-2012年广州市主城区暴雨内涝事件核密度

（2）广州市建设用地扩张特征
广州市3个时间点的土地利用图像分类结果如图4所示。经精度评估,3个时相的土地利用分类总体精度都超过了85%。图4表明,1990年以来,广州市主城区的城乡建设用地发生了快速的扩张,3个时相城乡建设用地所占比例分别为17.3%,30.67%,41.76%,相邻2个时期的平均增长速度为12.23%。与此同时,3个时相占有较大比例的植被与农业用地面积分别为71.02%、51.38%、48.32%,显著减少,减少的植被与农业用地多转化为新增的城乡建设用地。
Fig. 4 Changes of construction land from 1990-2010 in the main districts of Guangzhou

图4 1990-2010年广州市主城区城乡建设用地变化

广州城乡建设用地的快速扩张与道路设施、公共设施项目的建设是紧密相关的。20世纪80年代以来,广州市城市的发展都伴随着重大设施项目的建设。首先,1987年六运会建设的一系列城市设施奠定了广州由老中心区域（主要为越秀、荔湾）向其北部、东部及西南的城市扩张。90年代末,广州市又借势九运会进行了一系列交通基础设施建设,主城区进一步向东部扩张[31]。至2010年广州亚运会举办前,“两心四城”的空间概念基本确立,以天河区为中心亚运服务设施建设也带动了白云区、荔湾西南部（旧为芳村区）等区域的发展[32]。
伴随着城乡建设用地的快速扩张,区域的不透水面密度也不断升高（图5）。3个时期高密度建设用地在空间上不断外扩,网格的平均不透水面密度分别达到0.159、0.281、0.383。
Fig. 5 Changes of imperviousness density from 1990-2010 in the main districts of Guangzhou

图5 1990-2010年广州市主城区不透水面密度变化

（3）内涝点核密度与不透水面密度的关系
本文选取主城区3个时相各1602个网格样本,计算了不透水面密度与核密度皮尔森相关系数（表2）。结果表明,城市不透水面密度与暴雨内涝点核密度的皮尔森系数呈现出正相关,说明城市不透水面密度高的区域有着较高的城市暴雨内涝发生概率。这种正相关关系随着时间的变化呈现出增强的趋势,到2000年以后该关系值达到0.429。然而,这二者之间的相关系数并没有接近于1,表明1 km范围内城市内部地理要素组成复杂,城市暴雨内涝还受到其他因素的影响。
Tab. 2 The Pearson correlation coefficients between waterlogging density and imperviousness density

表2 内涝点核密度与不透水面密度的皮尔森相关系数

时期 皮尔森相关系数 显著性（双尾）
20世纪80年代 0.214 0.01
20世纪90年代 0.317 0.01
2000年以后 0.429 0.01

4 结语

改革开放以来,广州市主城区暴雨内涝点在时间和空间2个尺度上有显著的扩张,早期主要集中于市中心的越秀区,之后逐渐在白云、天河等城市化较快的区域出现。1990年以后,广州市主城区的城乡建设用地和不透水面密度也发生了快速的扩张,暴雨内涝点核密度与城市不透水面密度呈显著正相关,其相关性随城市化发展逐渐增强,表明广州市城乡建设用地扩张是主城区暴雨内涝灾害频发的一个重要诱因。
除了城乡建设用地的快速扩张,广州城市暴雨内涝的成因还包括排水管网、建成区低洼程度等多种因素,因此,城市暴雨内涝的治理是一个涉及多因素、多学科的综合问题。目前,对于城市暴雨内涝的治理,主要是从排水管网设施的改造入手,然而排水管网设施等的改造具有经济、社会成本高的特点,因此,暴雨内涝的防治与调控还应该从增强城市透水性这一更为生态、经济,且具有前瞻性的角度考虑。对此,2014年11月广州市出台了“城市建设项目雨水径流控制办法”,以管理法规的形式强制限定了城市建设项目的透水/不透水比例。今后城市更新规划中应考虑对局部区域的城市不透水面密度空间格局进行调整,以降低暴雨内涝发生的频率。

The authors have declared that no competing interests exist.

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原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
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