摘 要：

土地利用景观格局(类型以及空间配置)变化是诱发城市内涝灾害的重要原因，探究其对城市内涝灾害风险的影响具有重要意义。以杭州市临安建成区为例，提取含有内涝点的子汇水区作为研究样本，采用指标体系方法评估城市内涝灾害风险，并计算区域内最大斑块面积比例等5个典型景观格局指数，同时结合不透水率、植被覆盖度及地形地势等影响因子，运用统计分析方法，分析土地利用景观格局对城市内涝灾害风险的影响。结果显示：(1)在土地利用类型方面，对内涝灾害风险影响的重要性程度依次为：林地>住宅用地>工矿用地；(2)在景观格局特征方面，建设用地斑块的聚集度越高、破碎度越低，内涝灾害风险就越高，绿地斑块对内涝风险的影响则相反；(3)地形地势以及人为因素等其他影响因子对城市内涝灾害风险也会产生显著影响，其中不透水率越高、地表粗糙度越低，内涝灾害风险就越大。研究结果表明通过优化城市景观格局以及合理配置土地资源可以有效降低城市内涝灾害风险。

关键词：

城市内涝;景观格局;灾害风险;杭州临安;极端降水;降雨;土地利用;影响因素;

作者简介：

唐钰嫣(2001—),女，助理研究员，学士，主要从事土地利用变化和城市内涝相关研究。E-mail:tangyuyan@stu.hznu.edu.cn;

*胡潭高(1983—),男，教授，博士，主要从事土地利用变化和城市内涝相关研究。E-mail:hutangao@hznu.edu.cn;

基金：

国家重点研发计划项目(2018YFC1504603);

国家高分辨率对地观测重大科技专项项目(5-Y30B01-9001-19/20-4);

浙江省基础公益研究计划项目(LY19D010004);

高层次留学回国人员(团队)在杭创业创新项目;

引用：

唐钰嫣，潘耀忠，范津津，等． 土地利用景观格局对城市内涝灾害风险的影响研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021，52( 12) : 1-11.

TANG Yuyan，PAN Yaozhong，FAN Jinjin，et al． The influence of landscape pattern on the risk of urban watelogging disaster［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2021，52( 12) : 1-11.

0 引 言

随着我国城市的快速发展和现代化，内涝灾害已成为影响社会经济发展、破坏生态环境的主要自然灾害之一。在诸多因素的作用下，内涝灾害对人民生产生活产生不利影响，造成巨额的经济损失，危及居民生命安全。2019年6月18日至28日期间，杭州市出现极端降雨天气引发洪涝灾害，致使主城区及桐庐县、淳安县、临安区等地区7.8万人受灾，800余人紧急转移安置，400余人需紧急生活救助，100余间房屋不同程度损坏，农作物受灾面积2.7千hm2,其中绝收面积超过300 hm2;直接经济损失达1.6亿元，对当地社会经济和人民活动产生了巨大影响。

自然因素及人为活动将引起城市流域内内涝增多增强。随着气候变化，极端降水的频率及量级都呈现增加趋势;地形地势等因素也会对城市内涝的发生造成影响。城市排水设施的不合理建设和管理致使排水不畅并诱发城市内涝。同时，不透水表面的增加改变了水循环过程，给城市排水造成了巨大压力。地面硬化、绿地减少、径流系数增加也加大了泄洪难的问题。

土地利用及景观格局变化对城市内涝的影响是当前研究热点之一。从土地利用的角度分析，城市化造成的建筑用地占比不断增加导致土地利用对城市内涝灾害的影响日益显著。不透水面的增加将导致洪峰流量和洪量增加并呈现线性增长关系。农业用地不断开垦、土地利用强度增大，导致土壤入渗率减小，也增大了流域径流量和洪量。彭建等指出建设用地面积的增加显著影响了内涝灾害发生的风险。研究表明连续分布的建设用地和农业用地会导致内涝灾害风险提高,在城市化过程中，随着绿地面积的不断减少，绿地所具有的对降水的滞蓄能力也会被减弱。上述研究表明城市内涝的发生风险与城市表面的透水性相关，不透水表面的增加将导致城市发生内涝灾害的风险增大。

已有研究表明，城市绿地空间建设远不及城市空间扩张的速度，空间布局趋于分散且景观结合度变差。同时，快速发展的城市建设使得我国城市景观格局中自然景观被不透水面大幅替代，景观比例和格局受到干扰和破坏。在城市建成过程中，硬质斑块能够将雨水快速聚集产流，而城市绿地能够有效的阻断硬质斑块连通性，消纳雨水。AUFFRET等提出了绿色雨洪设施分散布局模式来减少和延缓洪峰流量，通过结合良好的水文连接体，可以在场地尺度提升植被群落的物种丰富度、斑块密度。科学化的运用城市绿地对于“产、汇、流”的调节作用，修补自然状态的水循环过程，可以极大缓解城市水循环障碍。景观格局特征对于城市水文效应的影响也不容忽视。暴雨径流的产汇流过程受到景观格局的影响，从而间接影响城市内涝的发生和强度。XU等研究分析了景观格局在不同情形下对于水土保持功能的变化情况。吴健生等通过分析城市内涝历史状况，证实了景观蔓延度和景观多样性对于城市内涝灾害的影响十分显著。从灾害系统的角度来分析：城市空间的增长改变了景观结构、植被特征以及自然的水文机制，天然雨洪调蓄能力被降低，使洪涝灾害频繁发生。地表不透水面、河流景观等洪涝灾害的孕灾环境越不稳定，发生城市洪涝灾害的风险就越大,且城市化程度越高的地区洪涝灾害的风险越大。可见，土地利用以及景观格局的变化对城市洪涝灾害有巨大影响。目前国内外学者在土地利用变化方面对城市内涝的影响开展了大量相关研究，但是探究景观格局对于城市内涝灾害风险的研究还相对较少，且在探究土地利用景观格局对于城市内涝灾害的影响时，多是基于历史内涝点密度来表征内涝发生的风险，虽然可以在一定程度上反映历史内涝状况，但缺乏对于整个区域内涝风险更为准确的表达。

因此，本文选取浙江省杭州市临安区为研究区，以指标体系方法获取城市内涝灾害风险空间分布数据，替代历史内涝表征区域内涝风险，探究土地利用景观格局对于城市内涝灾害风险的影响，以期为城市土地利用景观格局的优化和内涝灾害的防治提供科学依据。

1 研究区和数据

1.1 研究区概况

杭州市临安区位于浙江省西北部(118°51′E—119°52′E,29°56′N—30°23′N),属季风型气候，雨量充沛，年平均降水量1 613.9 mm。临安建成区地形以丘陵平原为主，区域内水系发达，降水时空分布不均衡，易受到洪涝灾害的侵袭。研究区内土地利用类型主要为建设用地和绿地，其中绿地约占67%,建设用地约占26%。近年来，临安区发生过多次内涝灾害，例如：2019年8月8日至11日，受台风“利奇马”影响，造成大范围山洪爆发，临安区受灾106 893人，紧急转移39 124人，直接经济损失1.69亿元，330国道等多条道路受阻，房屋倒塌46间，农作物受灾面积3.6千hm2。历史内涝点空间分布如图 1所示。

图1 研究区概况

1.2 数据来源

本文所使用的数据主要包括(见表 1):(1)高空间分辨率遥感影像，空间分辨率0.5 m, 成像时间为2019年12月；(2)DEM数据，空间分辨率为2 m; (3)土地利用数据，主要包括绿地、建设用地等类型；上述数据均来源于杭州市规划和自然资源局临安分局；(4)研究区多年降雨数据，表征2011年至2020年以来，6—9月期间降雨量均值的空间分布情况，空间分辨率2米，来源于临安区气象局；(5)排水管网数据和历史内涝点数据，来源于临安区城市管理局；(6)社会经济数据，包括2020年临安区国民生产总值、各街道人口总数等，来源于临安区统计局官网(http: //)。

其中，土地利用数据(见图 2)包括4个一级类(建筑用地、水体、绿地、其他)和12个二级类(水域及水利设施用地、耕地、园地、林地、草地、商服用地、工矿仓储用地、住宅用地、公共管理与公共服务用地、特殊用地、交通用地、其他),在此基础上提取不同土地利用类型占其所在流域的面积比例作为研究变量。

图2 土地利用数据

2 方 法

主要包括以下步骤(见图 3)。(1)子汇水区划分：依据原始DEM数据和D8算法计算得到子汇水区划分图，将内涝点空间数据集与汇水区划分图进行叠加，提取含有内涝点的子汇水区作为研究样本(共61个)。(2)城市内涝灾害分析评估：对选取的指标进行指标定量化和空间标准化，利用GIS空间分析技术和模糊综合评价方法计算各指标的权重，通过栅格计算工具得到城市内涝风险评估结果，提取子汇水区的内涝风险均值作为研究变量。(3)景观格局指数计算：使用Fragstats软件计算景观格局指数作为研究变量。(4)其他变量的计算：分别利用DEM数据和遥感影像计算临安建成区的不透水率、植被覆盖度、地表起伏度、地表粗糙度，提取各子汇水区的平均值作为研究变量。(5)统计分析：利用SPSS软件分析土地利用景观格局及其他内涝影响因子对城市内涝灾害风险的相关性，并探究其影响。

图3 技术路线

2.1 城市内涝灾害风险评估

从城市内涝灾害的形成入手，参照已有研究,从致灾特征、孕灾环境敏感性、承灾体易损性、防灾减灾能力四个方面出发，分别选取研究区年均暴雨内涝频次、城市洼地深度、植被覆盖度以及河网密度、人口密度、地均GDP以及道路密度、城市管网排涝能力、区域避难场所个数、医疗救助能力、群众抗灾能力等因子，在已有洼地积涝提取模型的基础上，采用GIS空间分析技术和模糊综合评价方法，定量评估临安主城区暴雨内涝灾害风险，提取不同子汇水区内涝灾害风险的均值作为研究变量，内涝风险区划如图 4所示。

图4 城市内涝灾害风险评估

2.2 景观格局指数

本文选取的景观格局指数主要包括：最大斑块面积比例(LPI)、斑块聚集度指数(COHESION)、景观破碎度指数(DIVISION)、蔓延度(CONTAG)和香农多样性指数(SHDI),具体说明如表 2所列。

2.3 其他内涝影响因子

城市内涝灾害风险的影响因素除了土地利用类型与景观格局特征以外，还受到其他因素的影响(见图5)。例如：地表覆被属性能够极大程度影响着对雨洪的调蓄能力，绿地具有良好持水能力从而降低内涝发生风险。不透水表面(Impervious Surface)是城市中的道路、广场、屋顶、停车场等建筑物的统称。不透水面将会阻碍雨水下渗，这个过程将导致地表径流量增大，产生内涝灾害的风险就越大。反之，绿地具有很好的下渗性，发生内涝灾害的风险越小。因此，选取了植被覆盖度、不透水率作为其余研究变量。

图5 其他影响因子分布

以2019年高分辨率遥感影像为基础，计算归一化差值植被指数(NDVI)作为植被覆盖度，以单个子汇水区的平均植被覆盖度作为研究变量，并依据土地利用分类数据提取不透水表面，计算单位面积地表中不透水面面积来表征平均不透水率

式中，NIR为红外波段的反射率；R为红光波段的反射率。

此外，还选取了地表起伏度和地表粗糙度两个地形地势因子。地貌起伏度用一定区域内最高点高程与最低点高程之差来表示，能够反映地面侵蚀程度。地表粗糙度是指地表凹凸程度，它与地表径流与土壤蓄水能力等陆面过程密切相关。地表起伏度和地表粗糙度均基于原始DEM数据分别获取，以每个子汇水区的平均值作为研究变量

式中，s为原始DEM数据计算获得的坡度值。

2.4 相关性分析

皮尔森(Pearson)相关系数是描述两个变量之间的相关程度的常用统计量，相关系数绝对值的大小，可以体现变量之间的密切程度。本文采用皮尔森相关分析方法计算子汇水区内涝灾害风险和土地利用类型、景观格局指数和其他影响因子之间的相关性，以便进一步分析土地利用景观格局对城市内涝风险灾害的影响(见表3)。

3 结果与讨论

3.1 土地利用类型对城市内涝风险的影响

通过SPSS26.0软件，将城市内涝风险与土地利用类型进行皮尔逊相关性分析，结果如表4所列。

在一级分类体系下，得出与城市内涝风险显著相关的土地利用类型有绿地、建筑用地。从相关性的绝对值来看：绿地>建筑用地，由此可判断绿地占比对于城市内涝风险的影响更为显著，典型研究区样本验证了上述结果[见图6(a)和图6(b)]。

图6 土地利用类型对内涝风险的影响

在二级分类体系下，与城市内涝风险显著相关的土地利用类型有林地、住宅用地、工矿用地。从相关性的绝对值来看：林地>住宅用地>工矿用地，由此可判断在绿地类型中，对城市内涝风险影响最为显著的子类型是林地；而建筑用地当中，对城市内涝风险影响最为显著的子类型是建筑用地和工矿用地，典型研究区样本验证了上述结果[见图6(c)和图6(d)]。

上述结果表明，不同子类别对于城市内涝风险的影响存在较大差异。林地对于减轻内涝灾害的影响不容忽视；而住宅用地，工矿用地等建设用地，对城市内涝产生极大的负面影响，将加剧内涝灾害的发生风险。为了缓解城市内涝灾害风险，在保护现有城市绿地面积的同时，可以提高林地规模。

3.2 景观格局指数对城市内涝灾害风险的影响

根据结果分析(见表5),从一级分类水平上看，与内涝风险呈现显著相关性的变量有绿地以及建设用地的最大斑块面积比例LPI、斑块聚集度指数COHESION、景观破碎度指数DIVISION。从二级分类水平上看，根据相关性系数的正负关系，林地、草地的最大斑块面积比例、斑块聚集度指数及住宅用地、工矿用地的景观破碎度指数与内涝风险呈显著负相关，即各项指标值越大，发生内涝灾害的风险越低；而林地、草地的景观破碎度指数及住宅用地、工矿用地等建筑用地的最大斑块面积比例与内涝风险呈显著正相关，即各项指标值越大，发生内涝灾害的风险就越大。上述结果表明：在一级分类体系下，绿地的优势度和聚集度对内涝灾害风险的影响最大，建设用地的影响次之；在二级分类体系下，林地和草地的聚集都对内涝灾害风险的影响最大，林地、草地等小类别的景观格局影响程度差异较大，而工矿、住宅等小类别的景观格局影响程度较小。

本文选取了一级土地利用分类尺度下相关性较好的2个景观格局指数，通过SPSS软件将其与城市内涝风险进行了一元线性回归分析，可以更直观体现关键景观格局对内涝风险的影响。如图 7所示，建设用地的景观破碎度指数DIVISION与内涝风险之间的回归方程为y=-0.101 9x+0.190 3,R2=0.518 4,表明拟合程度较好。随着建设用地景观破碎度的增大，内涝风险也随之降低。绿地的景观破碎度指数DIVISION与内涝灾害风险的回归方程为y=0.205 2x-0.055 7,R2=0.510 8,表明方程的拟合程度较好。随着绿地景观破碎度的降低，内涝风险也随之降低。结果表明：绿地和建设用地的破碎度对城市内涝风险的影响十分显著。建筑用地的破碎度较小时，不透水表面容易在短时间内汇聚地表径流，增加区域内涝灾害风险。而成片绿地被分割时，绿地下渗面变小，容易增强内涝发生风险。因此对建筑用地与绿地合理规划，提高建筑用地的破碎化程度，降低绿地的破碎化程度，有助于降低内涝灾害发生的风险。

图7 一元线性回归结果示意

3.3 其他影响因子对城市内涝灾害风险的影响

从皮尔逊相关分析的结果(见表5)来看，自然因素中，地形地势因素对城市内涝风险的发生影响显著，较为粗糙的地表发生内涝灾害的风险较低。相关分析结果显示，粗糙度与内涝风险负线性相关，即地表起伏度、粗糙度越高，越有利于雨水径流的分散，越能降低内涝产生风险。在典型研究区样本中(见图8),地表粗糙度越大的地方，发生内涝灾害的风险就越低，与皮尔逊相关分析得出的结果一致性程度高。

图8 其他变量因子对内涝风险的影响

平均不透水率与内涝点密度呈线性正相关，表明不透水地表由于阻隔了地表雨水的入渗过程，则会导致地表径流量的增大，从而更易引发内涝灾害。对比分析两个研究区样本，颜色越深表示平均不透水率越高，且平均不透水率高的区域，发生内涝灾害的风险更高。

4 结 论

本文以杭州临安区为例，采用指标体系方法评估城市内涝灾害风险，计算区域内景观指数，运用统计分析方法，定量分析土地利用景观格局对城市内涝灾害风险的影响。主要研究结论如下：

(1)在土地利用类型对内涝风险的影响主要体现在下垫面的蓄渗功能上。从相关性分析可得出，绿地和建设用地占子汇水区的面积比例对内涝灾害风险的影响显著。在整个降水过程中，除去渗透吸收的雨水，剩余部分汇合成为地表径流，而林地对雨水有很好的截留作用，因此林地占比的增加会降低区域内涝灾害风险，可合理建设林地降低城市发生内涝灾害的风险。

(2)在土地利用景观的特征之中，影响最为显著的是最大斑块面积比例LPI和景观破碎度指数DIVISION。从相关分析来看，绿地与建设用地的景观破碎度指数与城市内涝灾害风险相关系数分别为0.711和-0.720,相关性显著。从回归分析来看，建设用地的景观破碎度指数越小，即建设用地斑块越破碎，城市内涝灾害发生的风险就越高。最大斑块面积比例与内涝风险呈现正相关。在城市建成过程中，建筑用地斑块数目增多时容易导致建设用地斑块破碎无序，绿地连接度下降，城市绿地对降水的调蓄能力降低，增大城市内涝发生风险。

(3)同时，自然因素中的地表起伏度以及人为因素中的不透水率对城市内涝灾害风险的影响也十分显著。不透水率越高、地表粗糙度越低，发生内涝灾害的风险就越大。虽然地形地势等因素人为难以改变，但是土地利用和景观格局是可以人为规划适当调控的，因此未来有望通过优化景观格局以及合理配置土地资源来降低发生内涝灾害的风险。

水利水电技术（中英文）

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