A discussion on river network vulnerability in Shanghai based on the PSR model
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摘要: 将脆弱性概念与河网系统结合，选取典型河网地区上海为研究区域，基于PSR模型构建了包含人为活动和河网环境13项指标的河网脆弱性评价方法，尝试探讨区域河网脆弱性特征及其驱动机制.研究结果显示：①城市化造成了上海不同区域间水系特征差别明显，浦东和青浦地区河网密布，中心城区河网稀疏；②上海河网总体脆弱性程度一般，极度和重度脆弱性区域集中在中心城区和郊区的主城区，面积共占全市面积的24.64%，中度和轻度脆弱区域面积分别占22.71%和31.93%；③河网脆弱性存在空间聚集现象，空间异质性明显，分布模式仅有"高高"和"低低"聚集；④4种土地利用方式与河网脆弱性变化都具有较显著的相关性，建设用地是导致河网脆弱性变化的主要驱动因素.Abstract: This paper combines the concept of vulnerability with a study of river network systems. Shanghai, a typical river network area, is selected as the research area. Based on the PSR model, river network vulnerability is evaluated using 13 indicators for human activity and the river network environment; the aim of this study was to explore vulnerability characteristics and driving mechanisms for regional river networks. The results show that:①Urbanization has caused distinct differences in water system characteristics between Shanghai's regions. The river networks in Pudong and Qingpu are densely distributed, but sparse in the central urban area. ②The overall river network vulnerability in Shanghai is intermediate. Extreme and severe vulnerability areas, accounting for 24.64% of the city's total area, are concentrated in the central urban area and the main urban areas of suburbs. The moderate and mild vulnerability areas account for 22.71% and 31.93%, respectively. ③River network vulnerability features spatial clustering with clear heterogeneity; distribution patterns typically show only "high" or "low" aggregation. ④There is significant correlation between the four land use patterns and river network vulnerability, and construction is the main driving factor driving changes in river network vulnerability.
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Key words:
- river network vulnerability /
- PSR model /
- AHP /
- Shanghai
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图 2 PSR模型的河网脆弱性评估框架
Fig. 2 Assessment framework of river network vulnerability based on the PSR model
图 3 河网密度、水面率和盒维数的空间分布
Fig. 3 Spatial distribution of river network density, water surface ratio, and box dimensions
图 4 压力、状态、响应和脆弱性空间分布结果
Fig. 4 Spatial distribution of pressure, state, response, and vulnerability
图 5 河网脆弱性局部空间自相关分析结果
Fig. 5 Local spatial autocorrelation analysis results for river network vulnerability
表 1 评价因子层次结构及其权重
Tab. 1 Structure and hierarchy of evaluation factors and their associated weights
目标层 维度层 指标层 权重 河网脆弱性 压力0.310 8 常住人口密度$P$1/(人$\cdot $km$^{-2})$ 0.339 7 万元工业产值工业废水排放量$P$2/(m$^{3}\cdot $万元$^{-1})$ 0.280 8 单位面积建筑业产值$P$3/(万元$\cdot $km$^{-2})$ 0.140 5 人均GDP $P$4/(万元$\cdot $人$^{-1})$ 0.230 9 状态0.493 4 河网密度$S$1/(km$\cdot $km$^{-2})$ 0.192 4 河湖水面率$S$2/% 0.254 0 水功能区水质达标率$S$3/% 0.203 0 河流100 m缓冲区内植被覆盖度$S$4/% 0.124 8 盒维数$S$5 0.225 8 响应0.195 8 生态用地比例$R$1/% 0.169 2 环保投入占GDP比重$R$2/% 0.287 9 城镇污水处理率$R$3/% 0.338 3 万元工业增加值用水量$R$4/(m$^{3}\cdot $万元$^{-1})$ 0.204 6 
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表 2 定量指标标准化体系
Tab. 2 Standardization system for quantitative indicators
指标 方向 $k$ =1 $k$ =2 $k$ =3 $k$ =4 $k$ =5 $k$ =6 $P$1 + [0, 1 100) [1 100, 1 500) [1 500, 2 000) [2 000, 2 500) [2 500, 3 000) $\ge 3\;000$ $P$2 + [0, 0.5) [0.5, 1) [1, 2) [2, 3) [3, 4) $\ge 4$ $P$3 + [0, 500) [500, 1 000) [1 000, 1 500) [1 500, 2 000) [2 000, 4 000) $\ge 400$ $P$4 + [0, 1) [1, 3) [3, 5) [5, 7) [7, 10) $\ge 10$ $S$1 - $\ge 5$ [2, 5) [1, 2) [0.5, 1) [0.1, 0.5) [0, 0.1) $S$2 - $\ge 18$ [10, 18) [8, 10) [6, 8) [4, 6) [0, 4) $S$3 - $\ge 80$ [60, 80) [40, 60) [20, 40) [5, 20) [0, 5) $S$4 - $\ge 1.6$ [1.5, 1.6) [1.4, 1.5) [1.3, 1.4) [1.2, 1.3) [0, 1.2) $R$1 - $\ge 70$ [60, 70) [50, 60) [40, 50) [20, 40) [0, 20) $R$2 - $\ge 4$ [3, 4) [2, 3) [1, 2) [0.5, 1) [0, 0.5) $R$3 - $\ge 90$ [80, 90) [60, 80) [40, 60) [20, 40) [0, 20) $R$4 + [0, 10) [10, 2) [20, 40) [40, 60) [60, 80) $\ge 80$
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表 4 河网压力、状态、响应和脆弱性等级划分标准
Tab. 4 Classification of river network pressure, state, response, and vulnerability
Ⅰ(微度脆弱) Ⅱ(轻度脆弱) Ⅲ(中度脆弱) Ⅳ(重度脆弱) Ⅴ(极度脆弱) 压力 0.420 6~0.518 1 0.518 1~0.624 4 0.624 4~0.714 4 0.714 4~0.783 9 0.783 9~0.810 3 状态 0.098 6~0.280 7 0.280 7~0.414 2 0.414 2~0.524 4 0.524 4~0.649 9 0.649 9~0.949 9 响应 0.100 3~0.202 0 0.202 0~0.258 7 0.258 7~0.317 6 0.317 6~0.378 8 0.378 8~0.465 3 脆弱性 0.269 7~0.387 0 0.387 0~0.452 3 0.452 3~0.512 4 0.512 4~0.590 7 0.590 7~0.728 3
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表 5 4种土地利用方式与河网脆弱性的相关性
Tab. 5 Correlation between four land use patterns and river network vulnerability
建设用地比重与河网脆弱性相关性 耕地比重与河网脆弱性相关性 草地比重与河网脆弱性相关性 林地比重与河网脆弱性相关性 脆弱性 耕地比重 脆弱性 建设用地比重 脆弱性 草地比重 脆弱性 林地比重 斯皮尔曼Rho 脆弱性 相关系数 1.000 0.393$^{\ast \ast }$ 脆弱性 相关系数 1.000 -0.307** 脆弱性 相关系数 1.000 0.195** 脆弱性 相关系数 1.000 -0.378** 显著性(双尾) 0.000 显著性(双尾) 0.000 显著性(双尾) 0.000 显著性(双尾) 0.000 个案数 905 905 个案数 905 905 个案数 905 905 个案数 905 905 建设用地比重 相关系数 0.393$^{\ast \ast }$ 1.000 耕地比重 相关系数 -0.307** 1.000 草地比重 相关系数 0.195** 1.000 林地比重 相关系数 -0.378** 1.000 显著性(双尾) 0.000 显著性(双尾) 0.000 显著性(双尾) 0.000 显著性(双尾) 0.000 个案数 905 905 个案数 905 905 个案数 905 905 个案数 905 905 注: **在0.01级别(双尾), 相关性显著
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表 6 4种土地利用方式与各河网脆弱性等级的相关性
Tab. 6 Correlation between four land use patterns and river network vulnerability grades
微度
0.269 7~0.387 0轻度
0.387 0~0.452 3中度
0.452 3~0.512 4重度
0.512 4~0.590 7极度
0.590 7~0.728 3建设用地比重 0.280** 0.047 0.149* 0.217** -0.189 耕地比重 0.308** 0.112 -0.009 -0.112 -0.004 草地比重 0.088 0.012 0.007 -0.028 -0.394** 林地比重 -0.116 -0.145* -0.170* -0.143* -0.104 注: **在0.01级别(双尾), 相关性显著; *在0.05级别(双尾), 相关性显著
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