沿海城市天津湖泊—内涝时空变化耦合关系

沿海城市天津湖泊—内涝时空变化耦合关系 Coupling relationship between spatial-temporal variation of lakes and waterlogging in the coastal city Tianjin first-author 臧金龙，1992年生，男，硕士研究生，研究方向为资源与环境遥感监测。E-mail:zjl1992_127@163.com 臧金龙，1992年生，男，硕士研究生，研究方向为资源与环境遥感监测。E-mail:zjl1992_127@163.com zjl1992_127@163.com corresp 国巧真，1979年生，女，副教授，研究方向为资源与环境遥感监测。E-mail:gqiaozhen@tcu.edu.cn 国巧真，1979年生，女，副教授，研究方向为资源与环境遥感监测。E-mail:gqiaozhen@tcu.edu.cn gqiaozhen@tcu.edu.cn 天津城建大学 地质与测绘学院, 天津 300384 天津城建大学 地质与测绘学院, 天津 300384 School of Geology and Geomatics, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China School of Geology and Geomatics, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China 近年来城市内涝问题凸显，给社会生产和人们生活带来诸多不便。以天津市为例，基于Landsat系列数据，利用MBWI水体指数法逐年提取其1984年—2017年的湖泊数据，并结合内涝点数据，研究天津市湖泊空间演变与内涝耦合性，建立湖泊演变系统与内涝系统的综合评价指标体系，构建湖泊演变与内涝之间的耦合度模型。结果表明：天津市湖泊面积在1984年—2005年波动上升，2005年—2017年间断减少，减少原因主要是人为干扰。2005年—2017年东丽区的湖泊面积减少最快且幅度最大。同时，大部分区的湖泊面积占比大幅降低；天津市的内涝区主要分布在市内6区及附近区，其中无湖泊区域比有湖泊区域容易产生内涝，湖泊面积小的区域比湖泊面积大的区域容易产生内涝。湖泊面积占比越小，内涝点密度越大。天津市湖泊群质心整体由中心向四周移动，湖泊质心移动的反方向容易产生内涝。湖泊演变与内涝之间存在初级耦合协调关系。 In recent years, the problem of urban waterlogging has become prominent, which has brought many inconveniences towards social production and human life. Taking Tianjin as an example, the coupling on the spatial evolution of lakes and waterlogging was studied. Based on the Landsat series data, multi-ban water index was used to extract the lake from 1984 to 2017 year by year. Combined with the data on waterlogging, a comprehensive evaluation index system on lake evolution and waterlogging systems was proposed. Meanwhile, a coupling degree model between lake evolution and waterlogging was established. Results indicated that the lake area in Tianjin volatility increased from 1984 to 2005 and intermittently decreased from 2005 to 2017. From 2005 to 2017, the lake area in Dongli District decreased the fastest and the greatest. The proportion of lakes in most districts also decreased significantly. The waterlogging areas of Tianjin were mainly distributed in the six districts of the city centre and nearby districts. Areas without lakes were more likely to produce waterlogging than areas with lakes; areas with few lakes were more likely to produce waterlogging than areas with many lakes; the smaller the proportion of lakes, the greater the density of waterlogging points. The lake group moved from the centre towards the whole Tianjin, and the opposite direction of the lake’s centroid movement was likely to produce waterlogging. Lake areas in Tianjin have decreased in recent years, and the reduction is mainly due to human interference. The decrease of lakes is one of the important causes of waterlogging. Therefore, a primary coupling and coordination relationship exists between lake evolution and waterlogging. 遥感 Landsat 城市内涝 湖泊面积 湖泊质心 耦合度 remote sensing Landsat urban waterlogging lake area lake centroid coupling degree 1　引　言 1 湖泊是重要的水资源，具有涵养水源、发展灌溉、蓄洪抗旱、改善区域生态环境等多种功能（ 吉红霞 等，2015 吉红霞 等，2015 ）。然而，湖泊对全球变化响应敏感，在气候因素和人为因素的共同作用下，湖泊的面积和数量不断减少，尤其是内陆的湖泊湿地，发生大面积萎缩（ Xiao 等，2016 Xiao 等，2016 ）。湖泊面积和数量锐减及其功能的退化，使其在暴雨时期对雨水的滞蓄功能严重削弱，城市极易发生内涝灾害（ 马建威 等，2017 马建威 等，2017 ）。20世纪50年代以来，中国湖泊大面积萎缩，贮水量骤减，水质不断恶化，湖泊生态系统逐渐被破坏，给区域经济和社会可持续发展带来严重威胁。 天津市是一个水资源严重短缺的地区，由于人口增长，过度取用地下水，再加上“围湖造田”、“围湖养殖”等运动，使湖泊水域面积大量减少。21世纪以来，城镇化节奏加快，居住和建筑用地需求增加，大片湖泊被填埋开发，加剧了湖泊减少的态势，其影响也十分严重，尤其是在2016年7月的暴雨中，市内6区及周边出现严重内涝，城市机能基本瘫痪，经济损失严重，人们的生产生活和生命安全受到严重影响。 已有研究证明土地利用类型、城市景观格局、雨水管网密度等对内涝的产生有重要影响（ 吴健生和张朴华，2017 吴健生和张朴华，2017 ），其中水体变化尤其是湖泊的减少被认为是引起内涝的关键原因（ 马建威 等，2017 马建威 等，2017 ）。气候因素和人为因素共同导致了湖泊水体减少、湖水中沉积物增多等问题（Havens 和Steinman，2015； Sha等，2017 Sha等，2017 ； Vijay等，2016 Vijay等，2016 ； Wang等，2018 Wang等，2018 a）。有学者（ 阿布都米吉提·阿布力克木 等，2016 阿布都米吉提·阿布力克木 等，2016 ； 邢宇 等，2017 邢宇 等，2017 ； Dong 等，2018 Dong 等，2018 ； 张国庆，2018 张国庆，2018 ； 李治国 等，2015 李治国 等，2015 ； 胡尔西别克·孜依纳力 等，2018 胡尔西别克·孜依纳力 等，2018 ； 王莺 等，2018 王莺 等，2018 ）通过遥感方法监测湖泊时空变化，并分析湖泊变化的多方面影响因素，也有研究在此基础上建模预测了未来湖泊的变化趋势（ Abbaspour，2012 Abbaspour，2012 ； Schewe等，2014 Schewe等，2014 ）。然而，上述研究没有将湖泊时空变化与内涝灾害实例结合起来；同时，有关天津市湖泊变化监测的数据陈旧，且来源不明确，难以真实、全面反映现阶段天津市湖泊的变化。针对以上问题，本文通过遥感数据信息提取并统计天津市湖泊历史以来的时空演变，同时结合内涝点数据探究湖泊变化与城市内涝之间的关系。 湖泊面积和数量是表征湖泊受气候变化与人类活动影响程度的重要指标，准确提取湖泊面积和数量对于全面了解湖泊历史演变具有重要意义（ 吉红霞 等，2015 吉红霞 等，2015 ）。遥感卫星影像为研究长时间序列的湖泊时空变化提供了良好的数据源，目前已成为水资源调查和宏观监测的重要手段（ 马建威 等，2017 马建威 等，2017 ）。地理信息技术的应用可以直观显示空间数据并对其进行多种空间分析，充分挖掘不同空间信息之间的隐含关系。暴雨发生时实际区域的内涝点数据可以真实反映城市内涝的情况和程度（ 吴健生和张朴华，2017 吴健生和张朴华，2017 ）。耦合度模型可反映多个系统之间的关联程度。 本文以Landsat系列数据为基础，对天津市1984年—2017年的湖泊进行长时间序列、高频率的监测，并结合2016-07-20暴雨期间的内涝点数据，探究天津市湖泊演变与内涝的关系，建立湖泊—内涝耦合度模型来描述和反映两者之间关系，为天津市湖泊保护和内涝的治理提供数据基础，为有关湖泊演变与内涝关系的研究提供思路。 2　研究区概况与数据源 1 天津地处华北平原北部，东临渤海、北依燕山，位于116°43'E—118°04'E，38°34'N—40°15' N。市中心位于117°10'E，39°10' N。天津地处北温带，属暖温带半湿润季风性气候。主要气候特征为四季分明，春季多风，干旱少雨；夏季炎热，雨水集中。冬半年多西北风，气温较低，降水较少；夏半年太平洋副热带暖高压加强，以偏南风为主，气温高，降水较多。天津的年平均气温约为14℃，7月最热，月平均温度为28℃，历史最高温度为41.6℃。1月最冷，月平均温度为-2℃，历史最低温度是-17.8℃。年平均降水量在360—970 mm，降雨集中在7—9月。 本研究选取1984年—2017年33个时期的132景遥感影像。其中1984年—2011年所用传感器为Landsat 5 TM，2013年—2017年所用传感器为Landsat 8 OLI，影像轨道号为122-33、123-32、123-33、122-32，选取了每年7—9月降雨比较丰富的时期。影像下载于美国地质勘探局（ http：//glovis.usgs.gov/ http://glovis.usgs.gov/ ［2018-08-06］）。 3　研究方法 1 3.1　湖泊提取方法 2 为了精确获取天津市湖泊数量与面积，本研究提取了影像上大小在10个像元以上的湖泊（含湖泊、坑塘、渔场、水库、人工湖等）。对于水体的提取，近年来有许多比较新颖的方法如AWEInsh（ Feyisa等，2014 Feyisa等，2014 ）、WI2015（ Fisher等，2016 Fisher等，2016 ）、基于多时相影像监督分类的后处理技术（ Khandelwal等，2017 Khandelwal等，2017 ）等，提取精度在不断提高，但指数设计较复杂或技术过程繁琐，本文采用了最新提出的MBWI水体指数提取方法（ 王小标 等，2018 王小标 等，2018 ； Wang等，2018 Wang等，2018 b）。MBWI是用遥感影像的特定波段进行归一化差值处理，以凸显影像中的水体信息的算法，MBWI能有效地抑制低反射率噪声，其表达式为 <math display="block" id="M1"><mi mathvariant="normal">M</mi><mi mathvariant="normal">B</mi><mi mathvariant="normal">W</mi><mi mathvariant="normal">I</mi><mo>=</mo><mfenced 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mathvariant="normal">8</mn></mtd></mtr></mtable></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21165738&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21165730&type= 78.90933228 9.73666668 式中， ρ 为对应波段的光谱反射值。 以Landsat 5 TM影像为例，对4景单波段影像进行大气校正、影像融合、裁剪、拼接等预处理，得到天津市的遥感影像，利用MBWI模型对湖泊进行提取，得到湖泊分布图。 3.2　湖泊时空变化分析 2 本文引入湖泊面积动态度来表现区域湖泊面积变化的程度。面积动态度是指某研究区内一定时间范围内湖泊面积的变化，利用动态度模型（ 王秀兰和包玉海，1999 王秀兰和包玉海，1999 ）来分析，表达式为 <math display="block" id="M2"><mi>L</mi><mi>C</mi><mo>=</mo><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>S</mi></mrow><mrow><mi>n</mi></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mrow><mi>S</mi></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub></mrow></mfenced><mo>/</mo><msub><mrow><mi>S</mi></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo>×</mo><mn mathvariant="normal">100</mn><mi mathvariant="normal">%</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21165754&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21165744&type= 46.82066727 5.24933338 式中， LC 为研究时期内湖泊面积动态度，动态度为正值时表示湖泊面积增加，负值表示减少。 S n 为研究当年湖泊面积， S n -1 为上一年湖泊面积。 当 式（2） 式（2） 中 S n -1 变为 S n - k （ k 为间隔年数）时，得到总体动态度 LC total ，总体动态度代表了湖泊面积始末年份变化的幅度， LC total 与间隔年数 k 的比值为平均动态度 LC mean ，平均动态度代表了湖泊增加或减少的速度。 LC total 、 LC mean 的表达式为 <math display="block" id="M3"><mfenced open="{" close="" separators="|"><mrow><mtable><mtr><mtd><mi>L</mi><msub><mrow><mi>C</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">l</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfenced 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http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21165791&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21165786&type= 29.46399879 3.81000018 同时引入质心研究湖泊的时空变化。质心变化的方向可以说明湖泊在此方向上扩张或者在此方向的反方向上缩减（ 许诗 等，2010 许诗 等，2010 ）。 3.3　湖泊—内涝耦合分区分析 2 “7.20”暴雨事件中天津市产生52个内涝区域，将其以点数据的形式建立内涝空间分布点图层，并与天津市行政区划矢量数据叠加，计算各区内涝点密度，内涝点密度可表征一定区域范围内的内涝强度（ 吴健生和张朴华，2017 吴健生和张朴华，2017 ），其表达式为 <math display="block" id="M6"><mi>T</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mo>/</mo><msub><mrow><mi>S</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">a</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21165801&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21165796&type= 13.20799923 3.81000018 式中， T 为内涝点密度， N 为某个区内的内涝点个数， S a 为区面积。内涝点密度值越大，说明某个区的内涝情况越严重。 内涝点数据分布图与不同的专题图叠加可获得丰富的信息，主要包括与湖泊空间分布图、各区湖泊面积占比图、湖泊质心移动图的叠加，将内涝数据与2005年—2016年的湖泊数据进行空间叠加，分析湖泊演变与内涝之间的关系。另外，通过统计发生内涝的区湖泊面积走势，进一步说明湖泊面积变化与内涝的内在关联。 3.4　湖泊—内涝耦合度模型 2 本文所构建的耦合度模型来源于物理学中的耦合系数模型。首先结合湖泊演变与内涝的有关数据选取7个指标，构建湖泊演变—内涝耦合度综合评价指标体系。每个指标的权重可用熵值法确定，当有 m 个评价方案和 n 个待评价指标时，指标矩阵为 X =（ x ij ） m × n 。耦合度（ C ）模型运用在多个系统之间时，其公式为（ 常玉苗，2018 常玉苗，2018 ） <math display="block" id="M7"><mi>C</mi><mo>=</mo><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>•</mo><mo>⋅</mo><mo>⋅</mo><mo>⋅</mo><mo>•</mo><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mi>m</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msup><mrow><mfenced open="|" close="|" separators="|"><mrow><mfrac><mrow><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mo>⋅</mo><mo>⋅</mo><mo>⋅</mo><mo>+</mo><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mi>m</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo 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http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21165824&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21165818&type= 23.02933502 8.72066689 式中， f m （ x ）为要评价子系统的综合评价函数； w j 为指标权重； m 为要评价的子系统的个数。本文要评价子系统的个数为2，则耦合度公式为 <math display="block" id="M9"><mi>C</mi><mo>=</mo><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msup><mrow><mfenced open="|" close="|" separators="|"><mrow><mfrac><mrow><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo 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2.03200006 2.62466669 ［0，1］。 耦合度模型可反映子系统之间的相互关联程度，也叫耦合协调发展程度，耦合度 <math id="M12"><mi>C</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21165870&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21165862&type= 2.28600001 2.62466669 值越接近于1，表明两个系统关联程度越大，协调度越高（ 常玉苗，2018 常玉苗，2018 ）。 4　结果与分析 1 4.1　湖泊提取结果 2 通过对1984年—2017年33个时期的天津市遥感影像的数字化，得到每一个时期的湖泊分布图。 图1 图1 为2005年的湖泊分布图、细节图及其与底图的对照图，从对照图可以看出，本研究所提取的湖泊边界准确性较高。提取的天津市湖泊分布图见 图2 图2 。 1,2; 为了进一步验证提取结果的精度，每张图上选取255个随机点与底图对照进行精度评价，本文采用两种评价指标，包括总体分类精度和Kappa系数。评价结果发现总体分类精度均在95%以上，Kappa系数均在0.90以上，湖泊提取精度较高，图形质量较好。 4.2　湖泊变化分析 2 4.2.1　天津市湖泊时空变化 3 根据湖泊提取结果，统计了天津市1984年—2017年湖泊总体面积和数量（ 图3 图3 ）。 由 图3 图3 可知，天津市的湖泊面积整体上先增加后减小，从1984年的312.80 km 2 到2005年的836.27 km 2 ，增加了523.47 km 2 ，期间呈波动上升趋势，且2005年和1984年湖泊面积分别为历史最高值和历史最低值。2005年—2010年湖泊面积急剧下降，2010年—2017年有小幅回升然后继续下降，截至2017年湖泊面积仅为503.78 km 2 。从2005年—2017年，由于城镇化的进程加快，湖泊面积减少了332.48 km 2 ，占2005年的39.76%。湖泊数量的变化趋势和面积整体类似。从2005年—2013年虽然湖泊数量基本没有大幅变化，面积却慢慢减少，虽然许多面积较小的湖泊消失了，但许多面积较大的湖泊却分散成许多小湖，所以数量也没有大幅变化。湖泊数量最高值是2013年的644个，最低值是1984年的263个，从2013年开始湖泊数量急剧减少，2017年9月，湖泊数量为487个。 湖泊面积和数量的减少会引发一系列生态失衡问题，由于湖泊数量的变化具有特殊性，本文将着重对湖泊面积减少部分（2005年—2017年）进行分析。 图4 图4 为2005年—2017年天津市湖泊空间变化轨迹， 表2 表2 为2005年—2017年天津市各区湖泊的面积变化。 2 区名 12 年份 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2013 2014 2015 2016 2017 蓟州区 75.97 73.89 71.17 77.01 79.69 78.71 78.55 79.30 79.09 77.30 75.76 77.01 宝坻区 43.80 45.51 45.27 45.36 45.49 44.59 46.61 47.75 47.07 45.85 45.11 38.30 武清区 61.73 61.42 56.30 55.21 60.65 58.11 62.29 64.10 66.57 67.78 65.26 60.33 宁河区 92.50 75.63 74.23 74.13 73.00 58.43 59.56 68.57 66.84 72.61 64.70 43.35 北辰区 21.70 21.18 19.90 18.15 17.96 15.38 14.37 12.55 13.99 11.51 10.67 7.39 红桥区 0.25 0.25 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 河北区 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 和平区 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 河东区 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 东丽区 53.53 51.91 52.99 50.82 34.04 27.12 26.83 27.29 26.18 25.18 25.55 13.06 滨海新区 229.64 207.91 174.73 169.25 178.36 167.57 204.86 212.48 209.48 203.41 181.68 150.11 西青区 111.26 96.01 97.85 94.46 91.53 70.65 68.98 67.84 66.95 65.05 60.07 38.93 南开区 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 河西区 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.15 0.15 0.28 0.28 0.28 0.28 0.28 津南区 42.26 42.48 32.87 31.77 25.83 25.58 26.58 22.60 21.28 20.93 20.27 4.06 静海区 103.24 102.86 102.32 98.00 46.21 43.48 42.97 76.25 80.25 80.01 80.56 70.81 km 2 2 2 LP 12 年湖泊变化动态度 2 LC total 2 LC mean 2005 2017 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2013 2014 2015 2016 2017 天津市 7.25 4.37 2 -6.8 -6.6 -1.85 -8.59 -9.68 7.12 7.48 -0.15 -1.19 -5.97 -20.04 -34.06 -4.21 蓟州区 4.79 4.85 2 -2.73 -3.68 8.20 3.49 -1.23 -0.21 0.96 -0.26 -2.26 -1.99 1.65 1.37 0.17 宝坻区 2.90 2.53 2 3.90 -0.52 0.21 0.28 -1.97 4.53 2.45 -1.43 -2.59 -1.62 -15.09 -12.55 -1.08 武清区 3.92 3.83 2 -0.50 -8.33 -1.94 9.85 -4.19 7.20 2.90 3.85 1.82 -3.72 -7.55 -2.27 -0.06 宁河区 7.10 3.33 2 -18.24 -1.85 -0.13 -1.53 -19.95 1.93 15.13 -2.53 8.64 -10.89 -33.00 -53.14 -5.68 北辰区 4.79 1.63 2 -2.41 -6.06 -8.80 -1.00 -14.38 -6.54 -12.68 11.48 -17.77 -7.28 -30.72 -65.94 -8.74 红桥区 1.20 0.00 2 0.00 -100.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 -100.00 0.00 河北区 0.00 0.00 2 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 和平区 0.00 0.00 2 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 河东区 0.00 0.00 2 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 东丽区 11.32 2.76 2 -3.02 2.07 -4.09 -33.01 -20.32 -1.10 1.72 -4.05 -3.82 1.47 -48.87 -75.60 -10.28 滨海新区 11.57 7.56 2 -9.46 -15.96 -3.13 5.38 -6.05 22.25 3.72 -1.41 -2.90 -10.68 -17.38 -34.63 -3.24 西青区 18.86 6.60 2 -13.71 1.91 -3.46 -3.11 -22.82 -2.35 -1.66 -1.31 -2.85 -7.66 -35.19 -65.01 -8.38 南开区 0.57 0.57 2 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 河西区 0.62 0.77 2 0.00 0.00 0.00 0.00 -33.10 0.00 86.81 0.00 0.00 0.00 0.00 24.98 4.88 津南区 10.41 1.00 2 0.52 -22.63 -3.35 -18.69 -0.98 3.93 -14.96 -5.88 -1.61 -3.16 -79.98 -90.40 -13.34 静海区 6.96 4.77 2 -0.37 -0.52 -4.22 -52.84 -5.91 -1.18 77.47 5.25 -0.30 0.69 -12.11 -31.42 0.54 由 图4 图4 湖泊的变化轨迹可以直观地看出，湖泊减少的区域（红色区）几乎在每一片湖泊群都大量分布，说明天津市绝大多数区域湖泊在减少。 表1 表1 统计数据显示，在天津市16个区中，10个区的湖泊面积有不同程度的减少，尤其是宁河区、东丽区、西青区、津南区、静海区、滨海新区，湖泊面积减少幅度很大，均在30 km 2 以上；宝坻区、武清区、红桥区面积减小幅度很小，其中红桥区历年来湖泊面积几乎为0；滨海新区湖泊面积减少最多，为79.53 km 2 ；湖泊面积未减少的6个区中，河北区、和平区、河东区、南开区一直以来湖泊面积就极少，几乎没有湖泊。蓟州区和河西区湖泊面积虽有增加，但是增加的幅度非常小。 图5 图5 显示了在所有减少的湖泊区域中，人为干扰使湖泊减少和湖泊自然减少的轨迹。其中，人为干扰主要包括耕地和建筑物侵占。 由 图5 图5 可知，东丽区、滨海新区、宁河区附近湖泊受人为干扰比较严重，西青区、静海区、津南区附近人为干扰和自然变化均比较大，大港区（原）附近的湖泊主要是自然减少，但部分减少的区域仍为湖泊范围，在降雨量丰富时，水面可能会复原。经计算，天津市2005年—2017年湖泊面积共减少332.48 km 2 ，人为干扰使湖泊减少的面积为221.65 km 2 ，湖泊自然减少的面积为110.83 km 2 ，可见人为因素是湖泊面积减少的主要原因。 4.2.2　湖泊变化动态度 3 表2 表2 为2005年—2017年湖泊面积占区面积比和湖泊变化动态度。由 表2 表2 可知，天津市湖泊面积在2005年和2017年占市总面积的比例都不超过10%，除2011年和2013年，其他年份均处于减小状态，由2005年的7.25%到2017年的4.37%，共减少了34.06%，减小幅度比较大，并且平均每年以4.21%的速度在减小。 蓟州区湖泊面积除2008年有较大幅度增加，在5%以上，其他年份在小范围内增减；宝坻区在2017年湖泊面积减小幅度较大；武清区在2009年和2011年湖泊面积动态度较大且为正值，在2007年和2017年也较大但为负值；宁河区湖泊在2006年、2010年、2013年、2015年—2017年有较大幅度增减；北辰区湖泊在2007年、2008年、2010年—2017年均有较大幅度增减；东丽区湖泊在2009年、2010年、2017年有较大幅度减少，2017年动态度最大，为-48.87%，较2016年减少了将近一半；滨海新区湖泊在2009年、2011年和2013年有不同程度增加，其余年份都处于减少趋势，2007年、2016年和2017年减少较多，均为10%以上；津南区湖泊在2007年、2009年、2013年、2017年变化幅度较大，且在2017年发生剧烈变化；静海区2009年、2013年、2017年湖泊面积变化比较大，2013年剧烈增长；红桥区、河北区、和平区、河东区、南开区、河西区由于本身面积就极少，其变化几乎可以忽略不计。综上，天津市大部分区的湖泊面积在最近几年减少幅度较大。 根据研究区湖泊变化特点，将平均变化度和总体变化度分别进行了分级，如 表3 表3 所示，以便显示出各区湖泊变化速度和幅度。 图6 图6 为2005年与2017年的湖泊面积占区面积比例的对比、各区湖泊面积平均动态度和总体动态度的分级显示。 4 平均动态度 3 总体动态度 范围% 2 趋势 范围% 2 趋势 2 0 — 5 2 缓慢增加 2 0 — 30 小幅增加 2 -5 — 0 2 缓慢减少 2 -30 — 0 小幅减少 2 -10 — -5 2 较快减少 2 -60 — -30 大幅减少 2 -100 — -10 2 快速减少 2 -100 — -60 剧烈减少 1;2;3; 如 图6 图6 所示，2005年西青区湖泊面积占区面积比最大，2017年面积占比最大的是滨海新区，河北区、和平区、河东区面积占比一直最小为0。其中，2005年到2017年宁河区、北辰区、东丽区、滨海新区、西青区、津南区、静海区湖泊面积占区面积比变化比较明显，西青区变化最多。湖泊减少速度最快的是东丽区和津南区；减少速度较快的是宁河区、北辰区、西青区；其他区域缓慢增减。湖泊面积剧烈减少的有北辰区、东丽区、津南区、西青区、红桥区。12年间，湖泊面积总体减少幅度均在60%以上；静海区、滨海新区、宁河区湖泊面积大幅减少，均在30%—60%之间；其他区域在30%范围内小幅增减。东丽区和津南区湖泊面积剧烈且快速地减小，宁河区湖泊大幅度且快速地减小。整体来看，湖泊变化的速度和幅度由中心城区向四周逐渐变慢，说明中心城区湖泊受影响更为严重。 4.3　湖泊—内涝区耦合分区分析 2 表4 表4 为各区的内涝点及内涝密度。由于区面积较大，内涝点数量相对较少。 图7 图7 为内涝—湖泊图， 图8 图8 为内涝—湖泊占比图。由 表4 表4 可知，天津市2016-07-20发生内涝的区有11个，其中，河东区内涝密度最大，为2.43个/10 km 2 ，红桥区、河西区、河北区、和平区、南开区、东丽区等内涝密度依次减小，滨海新区内涝密度最小。由 图7 图7 可知，内涝点集中分布在天津市中心偏下方区域，而此区域湖泊稀少，说明湖泊分布较少的区域比湖泊分布较多的区域更容易发生内涝。由 图8 图8 可知，市内6区的湖泊占区面积比例明显低于其他区，而市内6区的内涝密度值普遍高于其他区，说明在发生内涝的区内，湖泊面积占区面积的比例越小，内涝密度值越大，相反在除市内6区的其他发生内涝的区，内涝密度明显较小。 内涝区 内涝点数量/个 内涝点密度/（个/10 km 2 ） 北辰区 2 0.04 红桥区 3 1.43 河北区 4 1.07 和平区 1 0.91 河东区 10 2.43 东丽区 15 0.3 滨海新区 6 0.03 西青区 4 0.07 南开区 1 0.37 河西区 4 1.11 津南区 2 0.05 低洼地是降雨时最容易汇集雨水的区域，是产生内涝的一个关键因素。以天津市DEM数据为背景，对内涝区附近低洼地进行提取，与湖泊流域分割并和内涝点叠加，如 图9 图9 所示。低洼地普遍分布在地势较低的区域如西青区、津南区、滨海新区等，北辰区、西青区、滨海新区有局部内涝点紧邻低洼地，如图中实线框内所示，可推断此种内涝点主要由地势低洼影响，并且其附近湖泊也相对较少，所以也是今后最大可能再次发生内涝的区域。其他内涝点距离低洼地较远，可忽略地势低洼的影响，而湖泊遍布丰富的地方，几乎没有内涝点，从而说明湖泊的滞蓄作用。 图10 图10 为内涝点—湖泊质心移动图。由 图10 图10 可知，天津市发生内涝的区中，北辰区、东丽区、滨海新区、西青区、津南区有湖泊，且2005年和2016年这6个区的湖泊质心分布均与内涝点保持较远距离，在一定程度上说明与湖泊质心相近的地方不容易出现内涝点。北辰区湖泊质心向西北方向移动；东丽区湖泊质心向东北方向移动；滨海新区湖泊质心向南方移动；津南区和西青区湖泊质心向东南方向移动。5个方向都是从市中心向四周扩散的，说明天津市中心的湖泊群整体上有从市中心向外侧转移的趋势，且5个区的湖泊质心移动方向几乎都是朝着内涝点的反方向移动，说明湖泊质心移动的反方向，在暴雨发生时，较容易产生内涝。 图11 图11 为2005年—2016年天津市内涝区湖泊面积变化图，反映了11个内涝区内2005年—2016年湖泊面积的总量和变化趋势，结合 表2 表2 的数据可知，除了市内6区基本无湖泊外，其他区的湖泊均处于不同程度减少趋势，且这11个区都是有内涝点的区，进一步说明了湖泊面积越少或湖泊处于减少趋势的区域暴雨时越容易产生内涝。天津市未来在降雨量比较大的时候，这11个区将仍然是内涝的易发生地区，完善湖泊的保护措施迫在眉睫。同样，在某些未发生内涝但湖泊面积仍在减少的区，也有潜在的内涝风险。 4.4　湖泊—内涝耦合模型构建 2 根据本文湖泊和内涝的静态、动态相关数据以及统计、叠加分析结果，综合考虑了湖泊变化与内涝的种种可能的相互作用因素，坚持客观、可操作性的原则，选取了7个评价指标构建综合评价指标体系，如 表5 表5 所示，所建模型如 图12 图12 所示。 评价目标 系统模块 指标 单位 符号 7 湖泊变化与内涝耦合度评价 4 湖泊演变系统 湖泊面积占区面积比例 % a1 湖泊面积总体动态度 % a2 湖泊面积平均动态度 % a3 湖泊质心移动距离 km a4 3 内涝系统 内涝点数量 个 b1 内涝点密度 个/10km 2 b2 内涝点与湖泊质心距离 km b3 如 图12 图12 所示，此模型一共分为两个子系统，湖泊演变系统（4个评价指标，即：a1、a2、a3和a4）和内涝系统（3个评价指标，即：b1、b2和b3）。通过熵值法计算出各指标权重，根据指标权重，计算每个子系统的综合评价函数值，最后计算出耦合度值。计算结果如 表6 表6 所示。湖泊演变系统和内涝系统的耦合度值为0.682，根据耦合度类型判别标准（ 常玉苗，2018 常玉苗，2018 ），属于初级耦合协调。说明湖泊演变和内涝具有一定程度的耦合性，湖泊变化影响内涝的发生及发生的程度。 系统模块 指标 权重 综合评价函数值 耦合度 4 湖泊演变系统 a1 0.125 4 0.412 7 0.682 a2 0.223 a3 0.035 a4 0.198 3 内涝系统 b1 0.217 3 0.064 b2 0.138 b3 0.064 5　结　论 1 本文以Landsat系列数据为基础，对132景遥感影像进行解译，得到天津市1984年—2017年共33期湖泊空间分布图，通过计算得到湖泊面积等相关指数并结合暴雨期间内涝点数据，运用统计分析及叠加分析，探究了天津市湖泊空间演变与内涝之间的关系，并提出了两者之间的耦合模型。主要结论如下： （1）天津市湖泊面积整体上先增加后减少，湖泊数量变化也基本符合此规律，但在2005年—2013年，某些大的湖泊分散成许多小的湖泊，部分小的湖泊消失，以至于此期间湖泊数量变化不大。综合来看，2005年以后天津市湖泊在不断减少，主要是人为干预的程度比较严重，尤其是近些年城镇化的发展，大量自然资源被改造成耕地、建筑用地等。 （2）2005年—2017年，天津市绝大部分区的湖泊面积都在减少。湖泊面积减少的区中，多数年份处于小幅度增减，个别年份湖泊面积有大幅度增减。湖泊面积减少的速度由中心城区向四周逐渐变慢，湖泊面积减少的幅度由中心城区向四周逐渐变小，由远城区向中心城区，人为干扰使湖泊减少的程度越来越大。东丽区和津南区湖泊面积快速、大幅度减少，是未来尤其要重视湖泊保护的区。 （3）2016 年 7 月天津市发生内涝的区域主要分布在市内6区及附近区。地势低洼区域容易产生内涝，湖泊面积的减少，亦是内涝发生的重要原因。并且湖泊的有无、湖泊面积占区面积的比例大小，湖泊的质心分布及其移动方向，都对内涝的产生有着明显的影响，可以推断，湖泊的滞蓄功能对城市内涝的发生有着很大程度的逆向调节作用。发生内涝的区内湖泊仍然在持续减少，天津市未来发生强降雨天气时，这些区仍然有内涝风险，其他未发生内涝但湖泊处于减少态势的区，也存在着潜在的内涝风险。 （4）本文首次将耦合度模型应用到地物变化与环境灾害之间，研究发现其在此领域可应用性较好，评价结果具有参考价值，为遥感监测与环境灾害的综合研究提供了新方法。提出的耦合模型综合考虑了本研究内的湖泊时空演变特征、内涝分布特征。模型验证结果为初级耦合协调，可为后续研究者在湖泊演变与内涝关系的研究中提供参考。然而，模型仍需要完善和验证，如指标的选取是否完备广泛；不同区域有其自身的资源条件特点，指标权重的计算结果不一定相近，要用不同区域的数据进行验证对比。 湖泊的演变仅是内涝产生的一个因素，城市地面不透水率、土地利用类型、地下排水管网等也与内涝的发生息息相关；相反，湖泊的减少不仅引发城市内涝灾害，还会引起局部地区气候的变化、生物栖息环境的恶化等问题，所以可以考虑更多的环境要素来构建耦合度模型，可以使问题研究的视域变得开阔。 参考文献（References） Abbaspour Moghimi P . 2012 . 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