河流水体是三角洲地区最重要的自然元素之一。珠江三角洲是中国改革开放以来工业化和城市化最为迅猛的地区之一,剧烈的人类活动对河流水体造成了强烈的扰动,使这一区域的河流水体在水环境和形态上都发生了很大改变。长期以来,国内外研究者从河流形态和结构^[1~4]、城市河流灾害风险^[5,6]、河流水环境^[7,8]等多个方面开展了大量研究,以明晰城市发展对河流水系影响的内容、方式、程度及模式等,并就未来发展进行预测,进而提出相关规划方案和改善建议^[9]。Extence早在1978年就讨论了高速公路建设对城市河流的影响,Tong在1990年以小迈阿密河盆地为例研究了城市土地利用的水文效应,Yli-Pelkonen等以芬兰Rekolanoja的研究发现人类的建筑工程活动造成了河岸植被大量减少、河滨生境退化,但城市小河流在构筑区域绿色空间网络中起着十分重要的作用,因此建议规划师、决策者以及投资者注意城市小河流在城市发展过程中的生态价值^[10~12]。近年来,国内研究成果日益增多,大多运用遥感影像、测绘数据、历史记载等数据,通过连通度、景观指数等指标开展研究。孟飞、程江、黄奕龙、雒占福等讨论了上海、深圳、兰州等的城市河流水系形态变化和特征^[13~16],杨凯、周洪建、吴俊范、袁雯等研究了城市河流水系变化与城市化、生态环境、水灾等的相互关系^[17~20],城市河流水体的研究日益受到重视,研究视角也日益多元。但在河网密集分布的珠三角中心城市——广州,从整体上分析河流水体变化的研究却很少。本文利用遥感影像提取河流水体信息,研究广州1990~2010年以来河流水系和其他面状水体的变化情况,以期较为全面地把握广州城市河流水体的变化特征及原因,解读人类活动在这一过程中的角色,为城市景观规划和环境治理提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区

广州地处华南沿海,西江、北江、东江三江在此汇合,冲积成珠江三角洲平原,因此水系发达、河道密布,仅广州中心城区就有231条河涌^①( ① “十年成效甚微 广州河涌整治困难重重”,南方网,2008-11-18。http://news.southcn.com/gdnews/nanyuedadi/content/2008-11/18/content_4712837.htm.)。广州市是国家中心城市之一,华南地区经济、文化、科技和教育中心,交通枢纽,据第六次全国人口普查,2010年全市常住人口1 270.08万人,户籍人口794万人。本研究选择广州中心城区的越秀、海珠、荔湾、天河、黄埔、白云、萝岗7个区作为研究区,总面积1 559.59 km²,常住人口810万人（图1）。

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图1   研究区位置示意图

Fig.1   Location of the study area in Guangzhou City

1.2 数据来源

本研究采用的数据包括Landsat影像数据、Ikonos高分辨率影像数据、Geoeye-1高分辨率影像数据、气象监测数据、前苏联测绘1：10万广州地形图及部分社会统计数据。其中用于水体信息提取的Landsat影像数据来源于美国地质调查局网站影像数据库;用于水体信息人工目视解译和修正的2000年Ikonos影像数据（全色分辨率为1 m,多光谱为4 m）和2010年Geoeye-1（多光谱分辨率为0.5 m）高分辨率影像数据来源于Google Earth。气象监测数据包括1978~2010年广州逐月降水情况,来源于中国气象科学数据共享服务网数据库（http://cdc.cma.gov.cn/index.jsp）。社会统计数据包括研究区不同年份的社会经济发展情况,来源于统计年鉴和方志。因研究区春夏属雨季,蒸腾作用强烈,云量多,降水频繁,这一时段的遥感影像不同程度地存在着云层遮蔽和降水作用造成河流水体边界的不确定,严重影响水体边界信息的处理和分析,而秋冬则属于少雨季节,能有效回避这些影响。通过对比广州1978~2010年的逐月平均降水量后,选取了云量和降水干扰很少的1990/10/13（TM）、2000/11/01（ETM+）和2010/10/28（TM）3期Landsat影像数据对广州城市河流水体信息进行识别分析,并辅以其他时段的遥感影像作为参考数据（表1）。

注：表中数据均来源于美国地质调查局官方网站影像数据库（www.glovis.usgs.gov）。

1.3 数据处理

综合考虑研究对象特征和获取的TM/ETM+多光谱数据特性之后,本研究采用徐涵秋提出的改进的归一化差异水体指数（MNDWI）^[21~24]：

MNDW I=(Green-MIR)/(Green+MIR) (1)

式（1）中,Green为绿光波段,MIR为中红外波段,如TM/ETM+的Band5^[21],利用Band2与Band5的差和比,对大气地形校正后的TM/ETM+数据自动解译,获取研究区的相关水体信息（主要包括宽度大于30 m的河流和面积大于30 m×30 m的面状水体）,同时参考高分辨率影像和地形图,采用人工解译的方法进行修正。对河宽小于30 m的河流和池塘等水体进行目视解译,获取更加详实的水体分布信息,以便进行河流水系演化的对比分析。

1.4 精度评价

水体信息解译误差主要源于建筑物、山体阴影的干扰以及部分道路路面的误判。为估算水体信息提取误差,本研究以获取的各期水体范围信息为基础生成15 m缓冲区,并在所得缓冲区范围内利用Hawth工具随机生成1 000个检测点,然后与1∶10万广州地形图、Ikonos高分辨率影像、Geoeye-1高分辨率影像、ETM+全色影像（15 m）等参考数据进行比对判别。通过误差判别发现,1990年、2000年和2010年的研究区水体信息提取误差分别为4.8%、3.6%和3.1%。

2 研究结果

2.1 水域面积变化

2.1.1 总体变化

1990~2010年研究区内河流水体面积总体上呈萎缩趋势,但在1990~2000年却略有增加（表2）。1990~2000年研究区水域总面积增加了9.11 km²,增加比例约为6.92%;而2010年比2000年水域总面积陡然减少32.37 km²,减少比例高达22.98%,比1990年减少了23.26 km²,减少比例约为17.66%。研究区河流水体总面积呈现略增-陡降的变化趋势。

2.1.2 区域变化

对研究区不同行政区的水域面积变化分析发现,研究区不同时期不同区域的水体分布及变化存在着显著的差异性（表2）。研究区河流水体的分布在面积上由城市中心向外围逐渐增多,水域面积变化主要发生在城市外围区域,如萝岗、白云、荔湾;越秀等老城区则因为建成区完全覆盖、水体非常少,所占总面积的比例一直在0.02%之内,而保持相对稳定的状态。1990~2000年的水域面积增加主要发生在北部城乡交接的白云和萝岗二区,越秀、天河、荔湾、海珠、黄埔5区呈持续减少趋势;2000~2010年所有7区都处于萎缩状态,而处于外围的白云和萝岗则是减少最多的区域（图2）。20 a间缩减比率最大的是天河区,达54.33%,其次是荔湾区,缩减比率为41.37%,与广州城市扩展的方向契合;而萝岗区却总体上增加了22.76%。

注：Δa(km²)=水域面积变化量,Δa(%)=水域面积变化比率,Δa/a=水面积年均变化量。

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图2   白云区流溪河石井段基塘1990~2010年变化（a:1990年;b:2000年;c:2010年）

Fig.2   Water body changes in Shijing area in Baiyun District (a:1990; b:2000; c: 2010)

2.2 岸线长度变化

2.2.1 总体变化

1990~2010年研究区河流水体的岸线总体上呈持续减少趋势（表3）。1990年研究区水体岸线长度为3 833.16 km,到2000年时减少到3 806.67 km,减少了26.49 km;到2010年岸线长度为2 798.48 km,比2000年陡然减少1 008.19 km,减少比例高达26.48%。总体上河流水体的减少主要发生在2000~2010年。

2.2.2 区域变化

研究区不同时期不同区域的水体岸线及其变化也存在显著的差异（表3）。与水域面积由城市中心向外围逐渐增多不同,1990年除最中心的越秀区和最外围的白云区之外其他各区相对均匀,但岸线长度变化趋势存在着较大的差异。越秀、天河、荔湾、海珠、黄埔五区在1990~2010年间呈持续减少态势;萝岗区和白云区则在1990~2000年时出现了较高比例的岸线长度增加,2000~2010年又继续减少,其中这一时段白云区的缩减速率远高于萝岗及其他各区。20 a间,岸线减少比率最大的是天河区（65.38%）,其次是荔湾区（59.13%）、海珠区（52.99%）,均减少一半以上;而萝岗区却总体上增加了37.55%。

注：Δb(km²)=岸线长度变化量,Δb(%)=岸线长度变化比率,Δb/a=岸线长度年均变化量。

2.3 形状指数变化

表2、表3的数据表明,研究区水域面积的略增-骤减趋势与岸线长度的持续减少存在着较大的不同步现象,因此引入形状指数（Shape Index）分析人类活动干预强度 ^[25,26]。

形状指数（S）可用多边形边界实际长度（L）与同面积（A）正方形周长的比值来表示：

S=L4A(2)

S是景观要素形状复杂程度和受干扰程度的反映,S越小,景观要素的几何形状越简单,受干扰越大;S越大,景观要素的几何形状越复杂,受到的干扰越小^[27]。自然河道、水体与人工干预规整之后的河道、水体的岸线在形状表现上存在着很大差异,一般人工干预后的更加平直圆滑,而城市中的河流水体主要受人类活动的影响,因此同一水体不同时期形状指数的差异可以反映人类活动的干预程度。

2.3.1 总体变化

经计算,1990~2010年研究区河流水体的形状指数呈现持续下降态势,其中2000~2010年的下降幅度远大于1990~2010年（表4）。

2.3.2 区域变化

研究区不同行政区范围内不同时期的河流水体形状指数的变化有所不同（表4）。越秀、天河、荔湾、海珠、黄埔五区在1990~2010年间呈持续下降态势,其中天河区下降幅度最大、越秀区最小;正好与各区各时段的水域面积变化相对应,天河、荔湾、海珠恰恰就是水域面积缩减最快的3个区。萝岗区和白云区则呈现先上升后下降态势,但萝岗区的波动更大。天河、荔湾、海珠、黄埔四区形状指数的下降主要因为面状水体的消亡;而萝岗区的形态指数在2000年的上升之所以高于白云区,是因为这一时期萝岗区北部增加了大量不规则面状水体（图3）。

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图3   白云-萝岗交接北部地区的矿坑变化（a:1990年;b:2000年;c:2010年）

Fig.3   Porcelain cay pits changes in north area of Baiyun and Luogang District (a: 1990; b: 2000; c: 2010)

3 广州城市河流水体变化主体

3.1 减少部分

1） 城市建设用地的侵占。城市交通设施、工业厂房、商贸用地、居住用地等的扩展是引起河流水体减少的最主要部分。以荔湾区南端的东沙街为例,通过对比2000年和2010年的高分辨率影像发现（图4）,大量水体被东沙工业园的厂房和商贸建筑所侵占,原有的大量基塘、灌溉用沟渠和小河涌消亡殆尽,甚至花地河河口形态也被改变。

2） 城郊农业的侵占。城市边缘地区发展起了大片花卉、蔬菜、瓜果种植和贸易区域,以前的农田、基塘及一些河涌湿地被规整后发展为花田、菜地和瓜果种植园及与之相对应的交易市场,典型区域如芳村花卉业和海珠的瓜果蔬菜种植^[28]。

3） 河道收窄。以海珠区中部水系为例（图5）,在影像比对中可以很直观地发现不同层级的河涌河道均出现了较大幅度的收窄,通过高分辨率影像的测量发现,1990年、2000年、2010年华南汽贸城顶点处（A）的河涌宽度分别为29.06 m、22.79 m、17.56 m,龙谭大围顶点处（B）河涌宽度分别为83.13 m、72.56 m、68.14 m,华洲大洲围顶点处（C）河涌宽度分别为94.42 m、81.65 m、78.57 m,都呈递减趋势。近20 a来该区域河涌受到新建华南汽贸城、华南轻纺城、华南鞋城等商贸用地和南洲、江海、华洲等街道及其村属工业区工业用地的侵占。

4） 城市内部新建商品房小区的水体被侵占,而城中村中的小水塘和河涌多被保存。

3.2 增加部分

1） 农业养殖水体的开挖。1990~2000年广州水域面积的增加主要发生在白云区西北部的流溪河-白坭河交汇地区和白云-萝岗交接的北部地区。以流溪河-白坭河交汇地区为例（图2）,为了满足市场对水产品需求的不断提高,大量农田被开挖修筑为鱼塘。

2） 矿产开采遗留的矿坑。1990~2000年广州水域面积增加的另一主要区域是白云-萝岗交接区域北部的钟落潭镇和九龙镇等地区,其中以九龙镇为主（图3）。由于广佛地区陶瓷制造业发展迅猛,研究区内瓷土矿大量开采,形成大量矿坑,并积水形成不规则水体。

3） 景观水体的营造。近10 a来,广州开始倡导宜居城市建设,同时努力提升城市的国际形象,举办2010年亚运会。城市发展目标的转变促使大量景观水体在2000~2010年间被开挖建造,如海珠湖（图5）、白云湖。

4） 其他特殊水体的开凿。除以上几种水体增加的主要形式之外,还存在着一些特殊用途水体的开凿,比如用于体育训练和休闲运动的人和镇皮划艇训练基地的建造。

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图4   荔湾区东沙街道东沙工业区对河流水体的侵占（a:2000年;b:2010年）

Fig.4   Water body changes in Dongsha Industrial Park in Liwan District (a:2000; b: 2010)

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图5   海珠区中部河涌1990~2010年变化（a:1990;b:2000;c:2010）

Fig.5   Brook changes in the central area of Haizhu District (a:1990; b: 2000; c: 2010)

4 原因分析

4.1 城市经济发展与建成区扩张

改革开放以来,广州经济和空间增长非常迅速。1990年全市工业企业数3 038个,产值308.28亿元,建成区面积182 km²;2000年工业企业31 416个,产值3 160.02亿元,建成区431 km²;2010年工业企业46 469个,产值6 767.96亿元,建成区952 km^2[29]。城市经济增长和建成区的扩张,导致自然元素减少,河流水体作为三角洲地区最重要的自然元素,在城市发展过程中首当其冲被不断侵蚀。

4.2 城市人口需求变化与城郊农业转型

工业化和城市化发展带来了城市人口的急剧增加,同时人们对食品的需求走向更加多样化,刺激了城郊农业由粮食种植向蔬菜种植和水产养殖的转化。地处广州市远郊的白云和萝岗区在1990~2000年兴建了大量鱼塘。1990年白云区鱼塘总面积17.53 km²至1995年鱼塘面积增加到29.88 km²;水产养殖业产值则从1990年的1 158万元,增加到1995年的17 546万元^[30]。1990年广州全市耕地改鱼塘2.69 km²,其中白云区和萝岗面积共计1.23 km²,海珠、天河、黄埔、荔湾、越秀等区未发生;2000年耕地改鱼塘面积0.65 km²,其中白云和萝岗两区0.02 km²,都与研究区河流水体的总体和区域变化契合^[31]。

4.3 陶瓷产业发展促进瓷土矿的开采

改革开放以后以佛山为代表的珠三角陶瓷产业崛起,其发展由起步逐步走向成熟^[32]。20世纪90年代是珠三角陶瓷产业高速发展期,瓷土矿需求量巨大,而地处广州远郊的白云、萝岗北部地区正好分布有大量高岭土。在当时粗放的露天开采方式甚至无秩序的滥采之下,白云、萝岗北部地区留下了大量矿坑,积水形成大量破碎水体。鱼塘和瓷土矿坑的开挖是1990~2000年水体大量增加的原因,而瓷土矿坑不规则的边界正是造成2000年萝岗、白云区水体形状指数变大的原因。

4.4 宜居城市对景观水体需求的提升

由于生产技术、污水处理技术和设施的落后,20世纪80年代以来广州城市河流水体受到了不同程度的污染,一些小河涌甚至被直接掩盖作为下水道。近十余年来,城市宜居性、城市形象、绿色城市日益受到政府和市民的重视,在“创卫”、亚运会等一系列活动的促进下,政府开始大力推进景观水体营造。2000~2010年,东濠涌、荔枝湾等之前被掩盖的河涌经过改造重见天日,白云湖、海珠湖等人工景观水体被开挖建造。这些恢复或新增的景观水体都增加了城市水体面积。

5 结 论

1） 过去20 a,广州市河流水体经历了剧烈的变化,水域面积和水体岸线长度总体上持续减少,并随时间呈加速趋势。城市外围是变化最剧烈的地区,变化率分布与城市发展方向一致。

2） 研究区河流水体的形状指数持续下降,表明其受到人类的干预不断加强。水体减少主要源于城市建成区的扩张;水体增加主要来自城郊开挖鱼塘,开采瓷土矿,以及城市景观水体的营造。但总体上城市人类活动导致河流水体的减少是主导趋势。

3） 过去20 a,广州城市河流水体大规模被侵占或干预的同时,政府开挖了大量的景观水体,增加了水体面积但弱化了生态功能。未来城市发展中应更加注重城市河流水体的生态保护,在开发建设过程中尽可能地遵循河流的自然过程。

致谢：感谢福建省国土资源厅林征和惠州市水务局周浩澜同学的意见和帮助！

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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