城市景观水空间分布特征与生态效应研究

徐巧艺，王维平，邓海燕

（1.济南市清源水务集团有限公司，山东 济南 250014；2.济南大学 水利与环境学院，山东 济南 250000；3.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250014）

随着经济全球化的发展，人们除了享受更高的物质生活外，对于周围生活环境的优化问题也在日益关注，于是逐渐开始重视城市景观的改善。城市景观水作为城市景观的重要元素，游憩和文化价值也许是城市水体最具价值的生态功能，同时城市中的水域在冬夏都有助于减小温度偏差，改善由于城市中大量的吸热表面和使用能源而造成的城市热岛效应。

目前，虽然对绿地景观效果的研究有很多，但缺乏对于北方城市景观水面空间布局情况的探讨。该研究的目的是建立一个在相对理想状态下的足以描述景观水空间布局而又不冗余的空间分布指标体系，形象地刻画城市水面的空间分布特征，探究景观水面空间分布的最为合理的形式，使之在城市景观整体布局过程中更加合理地规划城市景观水，发挥最大的生态效益。现以济南市区黄台桥以上流域面积为研究区，定量分析景观水面对于其区域生态效应（尤其在调节区域气温方面）的影响，从而有助于在城市景观整体布局过程中更加合理地规划城市景观水，提高城市整体的生态效益。

1 研究区城市景观水概况

伴随着城市化步伐的加快，城市水系俨然成为城市生态环境中不可或缺的因素，对于城市的用地布局及未来发展方向产生深远影响。城市景观水的空间分布，即所处区域的地理位置、地形地貌等情况，都会影响城市景观水周围的生态效应问题。本文选取山东省济南市、聊城市、临沂市和潍坊市这4个城市，介绍其城市景观水在各个城市空间分布的基本情况。

济南自古就有“泉城”的美誉，尤其以四大泉群、环绕老城的护城河、大明湖及小清河水系著名。济南市区将山川、湖泊、河流和众多的泉水泉群相融合，形成独特的水文环境格局。此外，为了解决济南市供水保泉及南水北调东线工程调蓄问题，相继修建了黄河南的玉清湖水库和东湖水库。

聊城是个因水而生、因水而盛的城市，城区内古运河、徒骇河等河流水系纵横分布，并与城区的东昌湖连成一体，更加彰显出聊城独特的“运河古都”、“江北水城”的城市风貌。

临沂境内水系丰富，呈脉状分布，四大水系：沂河、沭河、中运河、滨海贯穿城区，形成了“以沂河为轴、两岸开发”的布局，故临沂亦有“水城”之称。

济宁市区运河发达，河流众多，密布城区，并与山东省两大湖泊之一的南四湖相连，极具南方水系的特征。此外，为了保障南水北调工程输水期间的水质，建设了截污导蓄工程，从而形成了大面积人工湿地。

2 景观水空间分布指标选择与评价

2.1 城市适宜水面面积率

景观水面是指城建区范围内具有一定水深，能够常年涌水的开放型水域。而城市水面面积率S△则为城市总体规划控制区内常水位下水面面积Sw占城市总体规划控制区面积St的比率，即：

城市适宜水面面积率S＇△应根据当地的自然环境条件、历史水面比率、经济社会状况和生态景观要求等实际情况确定。对于S△≥S＇△的城市，应保持现有水面，不应进行侵占和缩小；对于S△≤ S＇△的城市，应根据城市具体情况，采取适当措施补偿和修复，以满足城市适宜水面面积率的要求[1]。经查阅《城市分区及其适宜水面面积率》可知4个城市的城市分区为III级，且适宜水面面积率 S＇△为 1%～5%。

根据山东省济南市、聊城市、临沂市和济宁市4个城市建成区的景观水面概况，可将景观水分为河流水面和湖泊水库水面两种类型。统计这4个城市各景观水类型的面积，结合济南、聊城、临沂和济宁4个城市城建区的面积：325.7 km2、234.6 km2、195 km2和 117.5 km2[2]，利用城市水面面积率的计算公式，计算4个城市的水面面积率，并与适宜水面面积率进行对比分析，具体结果见表1。

表1 各城市景观水面面积率评价表

根据表1结果可知，上述4个城市的景观水适宜水面率以临沂市最高，在城市规划用地中，景观水面面积率达到6.5%，其景观水成为临沂的优势景观；聊城次之，景观水面面积占据城市用地的5.6%；济宁位居第三，城市水面面积率达到5.2%；济南为3.3%，故4个城市的水面面积率均达到城市适宜水面面积率的要求。但从表1也可看出，在4个城市景观水面面积中，河流、湖泊面积所占的比重体现出分布的不均衡性，所以仅靠城市适宜水面面积率来衡量景观水空间布局过于片面，应该选取其他指标进行综合评价。

2.2 均匀度指标

均匀度指标能比较客观准确的反映不同城市水景观类型在城市总体规划用地中的均匀分布程度。评价均匀度的指标很多，通常选取香农均匀度指数进行衡量，计算公式为：

式中：SHEI表示均匀度指数；pi指某种城市水景观类型占景观水面总面积的比例，i=1，2……n；n为景观类型总数。

SHEI值的范围为[0,1]，值趋于1说明景观水中没有明显的优势类型，且各景观水类型在区域内均匀分布[3]。故可根据上述统计的4个城市各景观水类型的面积来核算其所占比例及相应的香农均匀度指数，具体结果见表2。

表2 各城市景观水面的香农均匀度值

由表2结果可以看出，济南市和聊城市景观水的SHEI值较高，表明各景观水面在城市规划用地中分布最为均匀；其次为济宁市，均匀度指数为0.95，景观水中以河流类型为主导，分布均匀度较差；再者便是临沂市，各景观水类型在4个城市中的分布均匀度最差。

2.3 形态指标

选定形态指标的原因是可以定量刻画城市水景观的平面展布形态。整个景观水面形状指数与单个景观水面的形状指数相似，只是计算尺度从单一化转变成整体化[3]，表达公式为：

式中：LSI为形态指数，E为城市中所有景观水边界的总长度，A为景观水的总面积。

现将济南、聊城、临沂和济宁4个城市景观水边界进行汇总[2]，并计算出各城市景观水面的形态指数值，具体结果见表3。

表3 各城市景观水面形态指数

从表3可看出在4个城市中以临沂市景观水的形状较为规则，其值最趋近0；聊城市的LSI值为0.54，表示各景观水面的形状逐渐趋于复杂，不能忽视小面积水域的分布；济宁市和济南市景观水面的形状指数普遍偏高，表明区域内小面积景观水类型散乱分布，导致其整体景观水面形状最为复杂。

2.4 分离度指数

当城市建成区的形状为规则图形，如正方形、偏正方形等或圆形、近圆形时，为了描述各城市景观水面在城建区内的相对位置情况，可在城建区内选取一个中心点，通过计算城市各景观水相对中心点距离的标准差进行评价[4]。现以建成区形心为中心点，衡量各景观水空间位置的偏离程度，从而反映出4个城市景观水的相对聚散情况，计算公式为：

式中：DI为分离度指数；li为各城市景观水距中心点的距离，i=1，2……n；为景观水距离中心的平均距离；n为各城市景观水体的数目。各城市景观水的分离度指数结果见表4。

表4 各城市景观水的分离度指数

从表4可以看出，聊城市景观水空间位置相对于中心点来说，聚集程度最好；临沂市整体聚集程度较好，景观水分布较集中；济南市位居第三，城区内泉水与河流、湖泊的相对位置距离较远，分离度较高；济宁市虽有南四湖等大面积水域分布在城区内，但位置偏于城区边缘地带，故分离度最高。

2.5 景观水综合分析

结合表1～表4对各指数进行分析，并进行评分。每个参数分成3个等级，分别取分值为0.9、0.6、0.3，并且每个参数是等权重的。其中，在满足城市适宜水面面积率的要求下，城市景观水面面积率越大，表明其生态效益越好，分值越高；城市景观水面类型分布越均匀，分值越高；但对于形态指数来说，指数值越低，表明各城市景观水面形状较规则，区域内小面积景观水面几乎可以忽略不计，分值越高；分离度指数越低，表示景观水的聚集程度越好，分值越高。综上所述，景观水综合分析的具体结果见表5。

表5 城市景观水面空间分布情况的评分

由表5结果显示，聊城市景观水面整体空间分布最为合理，景观水面面积在城市规划用地中比重较大，可以给景观水所在区域居民带来可观的社会和生态效应；其次就是临沂市，虽有沂河、涑河和祊河三河汇聚贯穿城区，但各类型景观水的分布均匀度较差；再次是济南市，其整体水面分布均匀，但由于众多小面积泉水泉群的零落分布，导致整体水面形状的复杂程度高；较差的是济宁市，整体景观水面离散程度较大，可能导致区域发展的不平衡，因此应该把平衡景观水的分布工作作为当务之急。

3 景观水生态效应定量分析

3.1 景观水生态效益的作用机理

济南市区黄台桥以上流域面积是由山丘区、平原区和城区构成，分别占流域总面积的31%、39%、30%。根据区域综合陆面蒸散发计算结果可知，山丘区、平原区和城区的蒸散发量分别占整体陆面蒸散发量的23.3%、17.6%和59.1%。可见，城区陆面蒸发量相对较大。其中，城区又分为透水和不透水面积[5]，不透水面指的是天然的或者人造的能阻止水渗透到地表以下的物质，例如沥青、混凝土等人工下垫面，而透水面则指的是如水面、植被、土壤等自然下垫面。

城区透水面主要通过景观水和陆面蒸发这两种方式达到调节区域温度的作用。其中，景观水主要通过水面蒸发的方式来吸收热量，从而起到降低区域温度的作用；而城区陆面蒸发主要通过土壤水分的上升和汽化及植物叶面和枝干的水分蒸腾的方式来起到调节温度的作用。

3.2 相同面积的景观水与城市陆面生态效应对比

在假定济南陆面面积和城区景观水面面积相同，皆为10.61 km2的前提下，以全年和夏季（6～9月份）蒸发量为主，探讨景观水面和陆地对于调节区域气温方面的效果。

1）全年景观水面蒸发量及对气温影响的定量计算。济南市全年的水面蒸发深为1 288.9 mm，全年的陆面蒸发深以黄台桥站测定为准，其值为525.6 mm，可计算出全年的水面和陆面蒸发量。根据每蒸发1 g水带走585卡的热量为准（由水的密度为1 g/cm3，且1 cm3=1 ml，故蒸发1 g水即为蒸发1 ml水）[6]，可算的济南市全年水面和陆面蒸发的耗热量。由于在标准大气压下，空气的密度为1.293 kg/m3，城建区面积为325.7 km2，比热容c为1000J/（kg·℃），故现以济南市近地面200 m高空的大气为研究范围，利用已算出的全年水面和陆面蒸发的耗热量，根据热力学公式可以得到水面和陆面蒸发对于温度变化的差异，具体结果见表6。

表6 济南市全年水面和陆面蒸发耗热量和温度变化值

从表6可看出，水面和陆面蒸发消耗的热量可使济南市城建区全年温度降低值分别为398℃和162℃，按一年365 d计，由此得出每平方千米的水面和陆地面积可使温度每天降低1.09℃和0.44℃。因此从全年蒸发量来看，当假定城市水面面积和陆面面积相等时，水面蒸发相比于陆面蒸发，其调节温度的效果更明显。

2）夏季景观水面蒸发量及对温度影响的定量计算。同样假定济南市城市景观水面和陆面面积是相等的，根据资料查证出的济南市夏季（主要集中在6～8月份）的水面和陆地蒸发深[5]，结合济南市的水域和陆地面积，算出其相应水面和陆地的月蒸发量，具体结果见表7。

表7 济南市夏季（6～8月）水面和陆面的月蒸发量

同样仍以济南市近地面200 m高空的大气为研究范围，对于6～8月的水面和陆面蒸发的耗热量和温度变化值可按照全年水面和陆面蒸发的计算方法同理可得，具体结果见表8。

表8 济南市夏季水面和陆面蒸发耗热量和温度降低值

由表8得出的夏季（6～8月）水面和陆面蒸发的温度降低值，按每月30 d计，可推断出每平方千米的水面和陆地面积的日均气温降低值，具体结果见表9。

表9 济南市夏季每平方千米水面和陆面日均气温降低值 ℃

从表9中得出的夏季（6～8月）水面和陆面日均气温降低值可看出水面蒸发相对于陆面蒸发而言，在调节温度方面更加具有优势。

综上所述，在假定城市水面面积和陆面面积相等的前提下，无论是全年蒸发量或是夏季蒸发量，其城市景观水调节温度的效果更优于陆地对于温度的影响。故针对济南市而言，其气候的极端性较强，夏季（6～8月）的月平均气温最高可达28.3℃，最低到21.9℃，因此必须采取较为高效的方式来调节气温，改善区域气候。从表6和表9可看出，当城市仅由陆面构成，而缺乏景观水的辅助时，夏季日平均气温仅降低0.054℃，对于调节区域小气候的效果不明显；当城市是由大面积的景观水构成，而陆地面积与之相比可忽略时，夏季日平均气温变化值明显高于陆面蒸发引起的气温变化值。因此，在城市用地规划过程中，不能过分加大城市陆面面积，而忽视城市景观水的建造，应该做到统筹兼顾，将景观水与其他的景观类型（例如绿地、道路和建筑物等）的空间布局趋于合理化。

4 结论

初步选取了城市适宜水面面积率、景观水面均匀度、景观水形态指数和景观分离度这4个空间分布指标对于山东省济南市、聊城市、临沂市和济宁市城建区的景观水空间布局进行评价。综合各指标的评分，分析出4个城市的景观水空间布局的合理度由优到劣的顺序为聊城市、临沂市、济南市和济宁市。

为了探究景观水与生态效应的联系，以济南市黄台桥以上流域面积为研究区，在假定城市景观水面面积和陆面面积是相等的基础上，主要从水面和陆面的全年蒸发量和夏季（6-8月）蒸发量两个方面入手，对于区域温度的调节效果进行分析，其分析结果表明景观水面比起陆面来说，调温效果更佳。