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常德市海绵城市建设示范区雨洪适应性评价与分区

  • 陈哲夫 ,
  • 莫操湖 ,
  • 陈端吕 ,
  • 彭保发
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  • 湖南文理学院资源环境与旅游学院,常德 415000
彭保发(1963- ),男,湖南桃源人,博士,教授,硕士生导师,研究方向为资源利用与环境评价。E-mail:

陈哲夫(1990- ),男,湖南隆回人,博士研究生,讲师,研究方向为GIS与湿地遥感。E-mail:

收稿日期: 2021-08-16

  修回日期: 2021-12-16

  网络出版日期: 2022-10-28

基金资助

国家自然科学基金项目(42171213)

湖南省自然科学基金项目(2021JJ30471)

湖南省教育厅重点项目(19A334)

湖南省教育厅重点项目(19C1252)

Evaluation and zoning of rain-flood adaptability for construction demonstration area in a sponge city of Changde

  • CHEN Zhe-fu ,
  • MO Cao-hu ,
  • CHEN Duan-lyu ,
  • PENG Bao-fa
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  • College of Resource Environment and Tourism, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, Hunan, China

Received date: 2021-08-16

  Revised date: 2021-12-16

  Online published: 2022-10-28

摘要

雨洪适应性体现了海绵城市建设的底线约束与生态优先原则,是海绵城市规划中重要的评价标准。采用INVEST模型与GIS技术,进行了研究区的雨洪适应性评价、雨洪适应性的功能分区及安全水平分区。研究表明:(1)从水源涵养、土壤保持和水质净化三个方面进行雨洪适应性评价,并融合雨洪汇流路径与适应性等级,划分雨洪适应性功能分区,体现了雨洪适应系统的源间廊道与基本骨架视角。(2)雨洪安全格局是海绵设施空间形态上的表现,重构不同安全水平雨洪适应性空间,实现了“源—汇”平衡,形成城市雨洪安全系统。(3)雨洪适应性通过水文过程与空间格局耦合,体现了雨洪管控中从微观到宏观层面的协调,对提升城市应对不确定性冲击的自组织能力具有参考意义。

本文引用格式

陈哲夫 , 莫操湖 , 陈端吕 , 彭保发 . 常德市海绵城市建设示范区雨洪适应性评价与分区[J]. 自然资源学报, 2022 , 37(8) : 2195 -2208 . DOI: 10.31497/zrzyxb.20220818

Abstract

Rain flood adaptability is a significant evaluation criterion in design of a sponge city, which reflects the bottom line constraints and the priority principle of ecological space in the construction of a sponge city. INVEST model and GIS were used to evaluate the rain flood adaptability, and classify the function of rain flood adaptability and safety level of rain flood adaptability. The research in this paper shows that: (1) The evaluation of rain flood adaptability on the respect of water source conservation, soil conservation and water purification, mixture of rain flood routes and adaptation levels and function division of rain flood adaptability, reflected the inter source corridor and basic framework of rain flood adaptation system. (2) The safety pattern of rain flood is the spatial form of sponge facilities. We reconstructed different safety levels of rain flood adaptability space, which achieved the balance of "source sink" and formed an urban rain and flood safety system. (3) Rain flood adaptability can control the rain flood by unity and coordination from micro to macro level through coupling of hydrologic process and spatial pattern. It is also of important significance to the learning and transformation of rain flood in the sponge city and to the development of the self-organizing ability to deal with shocks of a city’s uncertainty.

随着高速城市化发展,传统刚性管控的工程思维方式已难以适应发展需求,城市雨洪管控受到了重大挑战[1,2]。为了解决城市发展中日趋严重的雨洪问题,国际上提出了BMPs、LID、WSUD、SUDS的雨洪管控理念。我国针对集中式、硬化式的雨洪管理方式,早期主要集中在市政设施、住宅小区,一般为单独地块;随着城市洪涝形势的严峻,对城市雨水管理的认识有了转变,形成了具有地方特色的仿自然开发模式[3],于2015年提出了海绵城市建设的多层次要求,关注海绵城市体系的多元化作用[4],已上升为国家战略管理层面,并在实践中得到更有力的推广。
海绵城市作为顺应自然与生态优先的建设模式,重点关注城市雨洪的利用和管理,其本质是城市在应对雨洪灾害等方面具备与雨洪和谐共存的缓冲、适应和反弹能力[5],形成良好的“适应性”[6]。适应性代表了人类通过对复杂系统进行弹性调控与管理,以应对受风险胁迫的系统变化[7]。雨洪适应性是一个空间在雨洪影响下所表现的抵御与应变能力[8],是按照雨洪自然规律,保证城市雨水自然积存、渗透与净化的最大化,使城市对雨洪变化和自然灾害更具弹性适应的一种雨洪管理与调控模式,以应对解决雨洪流速增加导致的土壤流失、洪峰水量增加导致的洪涝灾害、径流污染负荷增加导致的水质恶化等城市雨洪灾害性问题[9],其研究主要集中在水资源适应性、水适应性景观[10]、城市水系统弹性[11]、雨洪弹性景观适应模式[8]、城市适应性雨洪管理技术体系[12]、城水适应性规划与建设等方面[13]
雨洪适应性体现了城市海绵空间格局合理性与水文循环过程可持续性的耦合关系。科学地开展海绵城市建设的雨洪适应性评价,进行水资源合理利用与空间优化,以顺应自然为原则,维护水生态过程[14],是海绵城市规划建设与管理的重要前提和基础。雨洪适应性的相关评价选用较多的有压力—状态—响应模型与灰箱模型[15,16],评价方法主要包括熵值赋权、集对分析、主成分分析、层次分析等[17,18]。在城市空间约束的条件下,引入水适应性规划理念,在空间形态上构建了以“海绵设施”为载体的水适应性景观[19-22],提出了城水适应性规划的过程框架[23]与城市滨水街区适水性评价模型[24],探讨了传统城市的水适应性特征[25]。但是,由于我国城市发展绝大多数呈现高密度建设特征,城市生态用地碎片化严重,仅通过局部“海绵化”项目的建设,无法改善雨洪安全的根本问题[26];同时,管理理念上养成了片面性思维的惯性[27],阻碍了海绵城市建设多尺度的协同与优化[28],无法真正实现海绵系统建设的综合效益。因此,面对城市发展与土地资源利用的矛盾,基于资源环境约束下的发展逻辑[29],从雨洪适应性进行海绵城市空间规划与管理的研究有待于进一步深化。
空间规划管理的时空格局优化理论与方法研究较多[30-32],特别是景观安全格局理论,由景观中关键性要素与空间联系构成[33],用最少的景观元素配置最佳格局,对维护城市生态安全具有重要意义[34],构建的雨洪景观安全格局[35],可达到最有效的雨洪调控效果[36],为海绵城市规划的雨洪适宜性分区与优化调整提供方法基础。本文通过雨洪适应性评价,针对适应性功能与适应性安全水平,进行常德市海绵城市建设示范区的雨洪适应性功能分区、雨洪适应性安全水平分区,在城市宏观层面针对雨洪适应性进行科学调控,为海绵城市建设布局优化、空间规划编制与城市空间治理现代化提供一种新思路。这对探索城市水系统与雨洪安全的关系、综合解决城市生态问题、提供人水共存的适应性管理策略具有重要的实践价值。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

常德市位于湖南省西北部,为环洞庭湖生态经济区的核心城市,介于110°29′~112°18′E、28°24′~30°07′N;属于中亚热带过渡的湿润季风气候,雨季主要集中在4-6月,年均降水1365.5 mm,年均暴雨日数4.1天,最大日降水量为251.1 mm,2-11月份均有暴雨发生,其中6月占全年暴雨日数的26.7%。
常德市于2015年成功申报为我国首批海绵城市建设的示范城市之一。从2016年起,利用海绵城市建设的有利契机,针对城区黑臭水体分布广泛、内涝问题突出的现状,在海绵城市建设示范区开始重点启动了148个“海绵”项目;按照海绵城市的要求建设与改造,建立常德城区洪涝防御体系,实现雨水的资源化利用,形成了海绵城市建设的特色。海绵城市建设示范区处于江北城区(图1),东起常德大道,西达桃花源路,南抵沅江河堤与人民路,北至常德大道,示范区总面积为36.1 km2,其中老城区为6.6 km2,新城区为25.8 km2,拟建区为3.7 km2[37]。示范区内为平原地貌,地势低平,海拔绝大部分在50 m以下,坡度<5°的面积比为67.72%;水系发达,主要有白马湖、渐河、穿紫河、马家吉河、杨桥河等。
图1 常德市海绵城市建设示范区范围

Fig. 1 Location of the study area (Changde, Hunan province, China)

1.2 数据来源

以常德市城区遥感卫星影像图作为源数据,实地考察作为辅助纠正手段,运用ArcGIS对海绵城市建设示范区遥感影像参考土地利用现状图进行矢量化。参照国家土地分类系统与海绵城市建设要求,将矢量化图层归为三大类,分别为透水地表(耕地、林地、园地、绿地、河流、湖泊、沟渠、坑塘)、不透水地表(平房、高楼、内部道路、硬化铺装)、半透水地表(裸露土地、透水铺装、其他用地)。采用无人机航测影像生成5 m分辨率DEM数据。

1.3 研究方法

1.3.1 雨洪适应性评价方法

海绵城市建设的“海绵”特性是指城市应对雨洪管控的弹性适应[38]。雨洪适应性就是充分利用水系、植被、土壤等海绵要素,重塑适应性空间,顺应雨洪消纳,有效地控制雨水的净化、渗透、储蓄、排放及利用[39]。目前《海绵城市建设技术指南》[40]制订的径流控制指标,王虹等[41]分解为入渗指标和水质控制指标。由于海绵城市建设通过适应性景观影响水文过程,改变径流系数,立足低影响开发进行雨洪调蓄,因此,采用入渗控制、水质控制、水土侵蚀控制等三个指标[41],使用INVEST模型的水源涵养、土壤保持和水质净化三个模块,参照其他项目经验,确定各评价因子的评价等级,开展海绵城市建设的雨洪适应性评价。
(1)水源涵养能力的InVEST模型计算
水源涵养量是通过年降水量、植被可利用水量、植被蒸散系数、植被根系深度以及土壤深度等INVEST模型参数估算产水量的基础上,再根据土壤饱和导水率、地形指数、地表径流流速系数计算求得。其中多年降水量平均值为2018年的降水量空间栅格数据,土壤深度数据来源于常德市志,植被蒸散系数与植被根系深度通过查阅相关研究成果[42-44]获得。
① 产水量计算公式
Y i = 1 - A E T i P i
A E T i P i = 1 + w i R i 1 + w i R i + 1 R i
w i = Z A W C i P i
R i = K i × E T 0 P i
式中:Yi为栅格i年产水量(mm);Pi为下垫面栅格i的年降水量(mm);AETi为下垫面栅格i的年平均蒸散发量(mm);Ri为Bydyko干燥指数; wi为土壤非物理参数;Z为经验常数(ZHANG系数),取值为1[45];AWCi为栅格单元i的土壤有效含水量(mm);Ki为像元i中不同下垫面的植被蒸散系数;ET0为参考作物蒸散系数。
② 水源涵养量计算公式
W R = m i n 1 , 249 V e l o c i t y × m i n 1 , 0.9 × T I 3 × m i n 1 , K s o i l 300 × Y
式中:WR为水源涵养量(mm);Velocity为径流系数;TI为地形指数;Ksoil为土壤饱和导水率(cm/d);Y为总产水量(mm)。
(2)土壤保持能力的InVEST模型计算
应用InVEST模型以及ArcGIS 10.5平台对常德市海绵城市示范区的土壤保持进行了模拟,土壤保持为栅格单元土壤潜在侵蚀减去实际侵蚀。土壤潜在侵蚀为裸地的土壤侵蚀量RKLS,其计算公式为:
R K L S = R × K × L S
土壤实际侵蚀为自然状态下的侵蚀量USLE,其计算公式为:
U S L E = R × K × L S × P × C
S R = R K L S - U S L E
式中:R为降雨侵蚀力因子,[MJ·mm/(hm2·h)];K为土壤可蚀性因子,[t·h/(MJ·mm)];LS为地形因子;C为植被覆盖因子;P为水土保持措施因子;SR为土壤保持量(t/hm2)。其中,降水侵蚀力因子采用Wischmeier等[46]经验公式计算获得;土壤可蚀性因子通过Williams等[47]方法计算;坡度坡长因子通过DEM分析获取;植被覆盖与水土保持因子根据模型说明和相似地区研究成果[48-51]获得。
(3)水质净化能力的InVEST模型计算
利用InVEST的水质净化(nutrient retention: water purification)模块进行示范区水质净化功能评估。模型数据包括DEM、土地类型、产水量、范围边界、N及P输出系数;其中,产水量是利用Budyko曲线和年平均降雨量计算获取,范围边界通过DEM提取。由于示范区尚无N和P输出系数的数据,依据自然环境的相似性原则,参照文献[52,53]确定研究区N、P输出系数;去除效率则主要参见文献 [54,55]。计算公式为:
W i = 1 / ( A i , N + A i , P )
A i = H i × p o l i
H i = λ i / λ j
λ i = l o g Y u
式中:Wi为水质N与P净化值;Ai为栅格i中N或P的污染负荷值;poli为N或P的输出系数;Hi为水文敏感分值;λi为径流系数;λj为平均径流系数; Y u为栅格i及流向栅格i的所有栅格产水量之和。
(4)雨洪适应性等级评价
雨洪适应性评价是针对海绵城市建设所面临的水生态问题的评价,各个适应因子具有一定的影响作用。首先,基于INVEST模型计算的示范区水源涵养、土壤保持、水质净化指标值,利用ArcGIS软件进行归一化处理;然后通过叠加分析,得到区内雨洪适应性综合等级值,并按自然间断点分级法进行适应性等级分区。由于INVEST三个模块估算的雨洪适应性评价指标存在相互嵌套关系[36],因此,采用相同权重计算。雨洪适应性模型为:
T A V = W R n + S R n + W i n 3
式中:WRn为归一化水源涵养量;SRn为归一化土壤保持量;Win归一化水质净化值;TAV为雨洪适应性综合值。

1.3.2 雨洪径流路径提取与雨洪适应性功能分区方法

雨洪适应性功能主要是以适应性为目标进行雨洪调控与响应,其功能的发挥决定于水文过程的空间规律,因此,在雨洪适应性空间分异的基础上,通过径流廊道网络的系统性与完整性,能更合理地进行雨洪功能分区。采用数字高程模型(DEM)与ArcGIS软件的水文分析模块进行雨洪汇流路径提取,模拟出潜在径流。利用径流路径与下垫面类型进行叠置分析,将径流汇集方式分为透水地表汇流路径、不透水地表汇流路径、半透水地表汇流路径三种类型;根据高程、下垫面不透水地表,结合潜在径流主要流向路径进行源、汇、流的重分类与划分,源区为产流区,汇区即汇流区,流区为径流区。

1.3.3 雨洪适应性安全水平分析与分区方法

雨洪安全格局强调以最低限度空间来保障城市建设的水安全[56],判别综合的雨洪安全水平,使宏观格局落实到海绵城市规划建设中。借助ArcGIS空间统计工具中Getis-Ord Gi工具,对海绵城市示范区雨洪适应性进行冷热点分析,重构综合雨洪适应性空间,分别提取置信度为0.99、0.95、0.90的热点区域作为低、中、高三个安全水平等级,构建综合水安全格局的“最低保障格局”“中等满意保障格局”与“最优化保障格局”。

2 结果分析

2.1 雨洪适应性评价及其空间分布

经water yield模块计算,常德市海绵城市建设示范区平均栅格水源涵养均在15 mm。由于植被类型与潜在蒸散发量空间分布不同,水源涵养功能存在空间差异,总体上呈现城镇化集中区域低、其他区域偏高的趋势(图2)。经SDR Sediment Delivery Ratio模块分析,示范区内土壤侵蚀以微度和轻度为主,其中林地和草地提供的土壤保持量较高,且土壤保持量随着坡度的增加呈增加趋势(图3)。由NDR Nutrient Delivery Ratio模块分析得知,N、P保持量较高的区域主要集中在水系和林地,通常植被覆盖度较高;N、P平均保持量较低的区域主要集中在人口密集区,且植被覆盖度较低,主要为建设用地或不透水面(图4)。
图2 研究区水源涵养分布

Fig. 2 Distribution of water source conservation in the study area

图3 研究区土壤保持分布

Fig. 3 Distribution of soil conservation in the study area

图4 研究区水质净化分布

Fig. 4 Distribution of water purification in the study area

海绵城市建设应对的是洪涝自然灾害,通过识别适应性水平的空间分异特征,或为海绵城市适应性能力提升制定改善策略。通过雨洪适应性的三个指标图层叠加统计,雨洪适应性评价值在0.12~0.67之间,根据自然间断点分级法将其划分为低适应区(0.12~0.29)、中适应区(0.29~0.37)、高适应区(0.37~0.67),并得到海绵城市示范区综合雨洪适应性综合等级空间分布图(图5)。整个示范区内低适应区面积为1520.59 hm2,占整个示范区面积的43.38%,中适应区面积为1638.55 hm2,占46.76%,高适应区面积为345.77 hm2,占9.86%。在雨洪适应性空间分布中,高适应区主要集中在水域周边,呈现带状特征,而低适应区一般分布在高程较高且建筑硬化下垫面较多的区域,高、中、低三类适应区都呈聚集性分布,与微地形存在一定的相关性。
图5 雨洪适应性综合等级空间分布

Fig. 5 Spatial distribution of rain and flood adaptability

2.2 基于雨洪径流路径的雨洪适应性功能分区

2.2.1 雨洪径流路径提取

雨洪径流路径是雨洪适应性景观的源间廊道,是形成雨洪适应系统的基本骨架。将径流汇集路径分为不透水地表汇流路径、透水地表汇流路径、半透水地表汇流路径三种类型,如图6表1所示。对于示范区得到潜在汇流路径,从表1可以看出,不透水地表、透水地表、半透水地表三种类型中,不透水地表的汇流路径长度占整个长度的64.48%,透水地表汇流路径长度占23.40%,半透水地表占12.12%,表明了不透水地表上的潜在汇流路径长度占的比例较高,为构建合理雨洪适应性景观的源间廊道奠定基础。三类径流廊道的长度变异程度较大,需要综合考虑道路、排水管网,合理布局海绵廊道,并补充市政雨水管网,以优化海绵要素布局。
图6 雨水径流路径与类型分布

Fig. 6 Distribution of rainwater runoff path and type

表1 不同地表类型的汇流路径统计

Table 1 Statistics of confluence paths of different underlying surface types

汇流路径类型 数量/个 总长度/m 最大值/m 最小值/m 平均值/m 标准差
透水地表 2490 46799.04 791.58 0.04 18.80 32.24
不透水地表 5567 128981.71 419.337 0.01 23.17 41.86
半透水地表 729 24253.46 350.54 0.09 33.27 50.77

2.2.2 雨洪适应性功能分区

适应性体现了顺应自然、因地制宜地实施空间优化的整体观。雨洪适应性主要反映在雨洪管控的能力上,径流汇集方式、景观构成与空间分异是适应性功能分区的的关键因素。根据高程、下垫面不透水地表,结合潜在径流主要流向路径进行源、汇、流的重分类与划分,分别为产流区、汇源区与径流区,具体见图7
图7 海绵城市规划的雨洪适应性功能分区

Fig. 7 Functional zoning of rain flood adaptability in sponge city planning

(1)雨洪产流区
雨洪产流区主要是由于适应性景观分布较少,或者产流点与外界连通不畅的问题,在降雨过程中容易产生径流的区域。图7显示,雨洪产流区较少,为288.66 hm2,约占整个示范区面积的8.00%。从表2可知,在雨洪产流区中,低适应面积为50.07 hm2,占该区面积的17.35%;中适应面积为161.37 hm2,占55.90%;高适应面积为77.22 hm2,占26.75%。雨洪产流区与下垫面及微地形有着相关性,多位于本区域的高程较高点,距离主要水体较远,较明显的就是场地内的小山丘,此外市内涝积的雨水难以被天然海绵体吸收。且环境中水资源受大规模设施建设的影响较低。
表2 不同雨洪适应性功能按适应性等级划分

Table 2 Classification of different rain flood adaptability functions according to adaptability level (hm2)

雨洪适应性等级 低适应区 中适应区 高适应区
雨洪产流区 50.07 161.37 77.22 288.66
雨洪汇流区 66.52 650.78 841.75 1559.05
雨洪径流区 181.89 979.79 600.61 1762.29
总计 298.49 1791.93 1519.58 3610
(2)雨洪汇流区
雨洪汇流区主要功能是汇集周边汇水径流与雨水资源利用,多为透水性最高的天然海绵体,主要分布在地势低洼的易涝区域或城市小流域出口。图7显示,雨洪汇流区面积为1559.051 hm2,约占整个示范区面积的43.19%。从表2可知,在雨洪汇流区中,低适应面积为66.52 hm2,占该区面积的4.27%;中适应面积为650.78 hm2,占41.74%;高适应面积为841.75 hm2,占53.99%。雨洪汇流区以原有自然条件来实现水资源的调蓄,同时通过下凹式绿地,提高土壤渗透率,使湖泊周边的雨水更易下渗,将雨水与非海绵体区的雨水汇至此集中储存,发挥其外排和储蓄的功能。
(3)雨洪路径区
雨洪路径区是海绵斑块源向外连接其他雨洪适应性景观的低阻力通道,具有一定的透水性,同时可利用就地下渗的海绵设施进行生态廊道设置,发挥更大的调蓄优势。根据图7显示,雨洪路径区为1762.29 hm2,约占整个示范区面积的48.81%。在雨洪路径区中,低适应面积为181.89 hm2,占该区面积的10.32%;中适应面积为979.79 hm2,占55.60%;高适应面积为600.61 hm2,占34.08%。按照下垫面特性的不同分为两种类型,即雨洪调蓄路径区与雨洪排放路径区。雨洪路径区主要位于雨水汇流路径,包括潜在路径的周边,在城市区域一般根据城市功能的需要,与城市雨水管渠系统及地表水体衔接,优化雨洪下渗与径流调蓄过程,以削减地表雨洪流量,提升径流调蓄能力。

2.3 基于不同安全水平的雨洪适应性分区

2.3.1 不同安全水平的雨洪适应性安全格局

“景观安全格局”是以尽可能少的用地,成为发挥最大化作用的最低保障格局,用来综合地、系统地、可持续地解决水问题[21],规避雨洪灾害,改善水环境、涵养水资源、保护水生态、保障水安全,这也是最为高效和集约的途径[57]。对于海绵城市雨洪安全格局构建步骤,参考俞孔坚等[58]提出的生态安全格局构建方法,即通过雨洪适应性进行海绵体的识别,初步布局大海绵体,宏观控制城市地表的不透水率;根据雨洪适应性与雨洪径流控制分区,进行雨水径流路径规划,合理布局海绵廊道;完善水生态基础设施从而构建海绵系统;综合构建以水为核心的常德市海绵城市建设安全格局。
通过海绵城市示范区雨洪适应性的冷热点分析,重构雨洪适应性空间,分别提取置信度为0.99、0.95、0.90的热点区域作为低、中、高三个安全水平等级,构建雨洪安全的“最低保障格局”“中等保障格局”与“最优化保障格局”(图8)。低安全水平下是保障雨洪安全的最基本格局,也是严格控制与保障的关键性格局,低安全水平面积为1051.66 hm2,占整个示范区面积的29.13%;中等安全水平面积为1144.25 hm2,占31.70%,与低安全水平相比,面积增加了92.59 hm2;最优化的高安全水平面积为1199.68 hm2,占33.23%,与中、低安全水平相比,面积分别增加55.43 hm2、148.02 hm2,围绕示范区水体区域,海绵斑块增加,形成雨洪安全重点保护的区域范围。从图8可以看出,随着安全水平的提高,弹性缓冲空间增加,拓展了核心海绵要素源地与径流廊道的全面融合,强化了雨洪源头到末端控制的廊道效应,形成的雨洪适应性网络更具稳定性,使整体适应性进一步提升。
图8 海绵城市的雨洪安全格局

Fig. 8 Rain flood safety pattern of sponge city

2.3.2 不同安全水平下适应性功能区的空间构成

雨洪适应性体现了解决城市雨洪灾害、实现雨洪灾害管理协调与优化的能力。雨洪适应性与景观格局优化的耦合,使雨洪适应性景观的“源—汇”要素在不同空间尺度下有着不同的表现形式和作用,不同安全水平下雨洪径流廊道的产流区、汇流区、径流区构成,体现了相应的雨洪安全特征。将低、中、高三个安全水平等级与产流区、汇流区、径流区进行叠加,生成三个不同安全水平等级的产流区、汇流区与径流区面积(表3)。从表3可以看出,低安全水平的产流区、汇流区与径流区面积分别占该水平面积的5.64%、60.66%与33.70%;中安全水平的产流区、汇流区与径流区面积分别占占该水平面积的5.45%、59.67%与34.88%;高安全水平的产流区、汇流区与径流区面积分别占占该水平面积5.42%、58.83%、35.75%。三种安全水平下都为“源<汇”的空间格局,从水文过程来看,实现了“源—汇”平衡,维护了城市水文过程与雨洪安全,而雨洪安全最低水平下的产流区、汇流区与径流区分布,成为维护城市“源—汇”平衡的关键性空间格局,是城市水资源利用与开发的刚性限制。
表3 不同水平安全格局按雨洪控制功能分区的划分

Table 3 Division of safety pattern of different levels according to rain and flood control function (hm2)

生态安全格局水平 低水平(最低保障) 中等水平 高水平(最优化)
雨洪产流区 59.27 62.36 65.04
雨洪汇流区 637.99 682.79 705.78
雨洪径流区 354.40 399.11 428.86
总计 1051.66 1144.25 1199.68

2.3.3 不同雨洪适应性安全水平的下垫面构成

下垫面构成包含了现代城市建设对建设用地的刚性要求与城市发展建设中不可逾越的生态底线之间的矛盾,体现了城市土地利用开发模式在雨洪安全格局的重要性。不透水地面在海绵城市规划中主要是存在负向影响,导致地表径流量增加,水面和透水面表现为在自然状态下的地表水文过程,在雨洪景观安全格局的构建中,下垫面构成显得特别关键。因此,针对综合水安全格局的低、中、高三个安全水平等级与示范区的透水地表、不透水地表、半透水地表三类下垫面类型进行GIS叠置分析,得到不同水安全格局水平的下垫面类型面积统计(表4)。从表4可以看出,低安全水平的下垫面类型构成为透水地表、不透水地表、半透水地表分别占43.15%、40.87%、15.98%;中安全水平的下垫面类型构成为透水地表、不透水地表、半透水地表分别占41.62%、42.47%、15.91%;高安全水平的下垫面类型构成为透水地表、不透水地表、半透水地表分别占40.91%、43.32%、15.77%。从下垫面构成来看,三种安全水平的透水地表与不透水地表所占比例大致相当。在雨洪景观安全格局的构建中,下垫面构成在一定程度上影响雨洪适应性。通过雨洪安全格局的城市下垫面规划控制与空间途径,加强各类海绵体分布之间的要素衔接与水体循环,基于不同的生态海绵体自身特性,建立不同海绵体群,从而加强水面整体连通性,提高雨洪渗滞能力,形成更稳定的海绵体城市格局。
表4 不同水安全格局水平的下垫面类型面积统计

Table 4 Area statistics of underlying surface types with different water security pattern levels

下垫面类型 低安全水平 中安全水平 高安全水平
面积/hm2 百分比/% 面积/hm2 百分比/% 面积/hm2 百分比/%
透水地表 453.78 43.15 476.19 41.62 490.74 40.91
不透水地表 429.80 40.87 485.99 42.47 519.74 43.32
半透水地表 168.07 15.98 182.08 15.91 189.20 15.77
总计 1051.66 100.00 1144.25 100.00 1199.68 100.00

3 结论与讨论

雨洪适应性体现了海绵城市建设的底线约束与生态优先原则,是人类活动在自然水环境中寻求一种智慧性的平衡,既能顺应自然规律又能满足人们基本的水资源利用需求,是海绵城市规划中雨洪安全的重要评价标准。基于雨洪适应性评价进行雨洪适应性功能分区、雨洪适应性安全分区,或为探索空间上与自然相互协调的海绵系统提供参考。
(1)通过雨洪适应性评价重塑适应性空间,实现海绵城市建设适宜性管控的量化表达。基于海绵城市建设规划中的生态优先和因地制宜两大重要原则,通过海绵城市雨洪适应性视角,利用INVEST模型,从水源涵养、土壤保持、水质净化三个方面得到海绵城市示范区综合雨洪适应性等级空间分布,并根据自然间断点分级法划分为低适应区、中适应区与高适应区。三类雨洪适应区呈现聚集性分布特征,与微地形存在一定的相关性。
(2)通过可持续性自然水文过程的基本骨架进行雨洪适应性功能分区,为海绵城市规划建设中雨洪管理提供基础。对于雨洪适应性功能分区研究,将径流汇集方式分为不透水地表汇流路径、透水地表汇流路径、半透水地表汇流路径三种类型。根据高程、下垫面不透水地表,结合潜在径流主要流向路径进行源、汇、流的重分类与划分,基于雨洪适应性的综合评价,对海绵城市示范区进行雨洪适应性功能分区,分为产流区、汇流区、径流区三类。融合适应性功能区划与适应性综合等级,体现了雨洪适应性在海绵城市规划建设中的多功能性视角。
(3)基于海绵城市建设中雨洪生态安全底线,探讨雨洪适应性安全水平分区,体现了雨洪弹性适应过程中城市资源约束与空间优化之间的发展逻辑。雨洪安全格局是海绵设施空间形态上的表现,以最低限度空间来保障城市建设的水安全。通过综合雨洪适应性空间重构,划分为低、中、高三个安全水平等级,构建综合水安全格局的“最低保障格局”“中等保障格局”与“最优化保障格局”。三种安全水平下都为“源<汇”的空间格局,从水文过程来看,实现了“源—汇”平衡,形成城市雨洪安全系统,而低水平安全格局是城市水资源利用与开发的刚性限制。同时,不同安全水平下的下垫面构成,在一定程度上使海绵城市雨洪安全与城市土地开发的关系更加明晰。
(4)雨洪适应性通过水文过程与空间格局的耦合,体现了雨洪管控中从微观到宏观层面的统一协调。然而,如何将雨洪适应性过程视为空间格局与功能的变化或优化过程,在新时期国土空间规划体系中实现海绵城市的适应性学习与转型,是我们需要思考的问题。后续研究将主要基于景观生态安全与雨洪适应性理论,着眼于宏观、中观、微观多层面的海绵要素完整与功能弹性匹配,形成适合海绵城市建设的综合性雨洪适应性管理体系,构建国土安全背景下海绵城市适应性规划的认知框架,探索多尺度规划和多层级实施的系统性城市雨洪管理途径。
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