生態城市規劃方法啟示下的海綿城市規劃工具建立
——基于敏感性和適宜度分析的海綿型場地選址模型*

趙宏宇 解文龍 趙建軍 王浩鋒 ZHAO Hongyu, XIE Wenlong, ZHAO Jianjun, WANG Haofeng

0 引言

快速的城市化進程給城市生態系統帶來一定的傷害，并產生了一系列生態環境問題，水生態問題就是其中重要的一部分。2013年以來我國已逐步確定在30座城市開展海綿城市試點工作，重點解決城市建設中的水生態安全問題。然而2016年7月特大暴雨給武漢、南京等城市帶來的巨大損失揭示了海綿城市建設體系的病灶，即海綿城市規劃決策的無證可循、無據可依，導致城市管理者在進行海綿城市建設時仍舊過度依賴傳統的雨水管網建設。如武漢市近3年投入近200億進行城市排水系統的改造卻收效甚微。這也與“堅持規劃引領”的海綿城市建設基本原則相違背。借助大數據和智慧手段，依據已有的科學模擬方法，研究城市內澇的時空變化特征和海綿體的適宜建設場地，輔助制定相關規劃政策，緩解現在無據可依的尷尬局面，將成為今后一段時間內有關海綿城市與生態城市研究的熱點。

從目前已有的研究來看，海綿型場地選址問題由于受地形地貌、場地水文狀況、人口分布、建造成本、可達性等多種因素影響，復雜程度較高。我國海綿城市的研究和建設處于初期階段，有關海綿型場地的選址研究也處在起步階段；若直接借鑒國外SUSTAIN、SWMM等復雜模型，時間和金錢成本較高。

因此，本文在基于敏感性和適宜度分析的量化分析研究方法的啟示下，通過借鑒災害威脅下建設用地規劃基于危險性和適宜度分析的研究方法，探索生成適用于中國本土的海綿型場地①海綿型場地是對應海綿城市而提的，是指能夠將70%的降雨就地消納和利用的場地。選址模型研究框架，并從多層篩選的思維視角下構建了一種基于敏感性和適宜度分析的海綿型場地選址研究方法。本文選取長春市區作為研究對象，基于TOPMODEL模型進行水文敏感性分析，基于GIS的多因子加權分析法進行海綿型場地的適宜度評價，通過疊加敏感性與適宜度分析來確定海綿型場地的建設選址，構建一個可視化的海綿型場地選址模型。

1 基于敏感性和適宜度分析的海綿型場地選址研究框架構建

海綿城市建設的重點是強化規劃的引領作用，本文基于城市規劃、生態城市學、災害學的相關理論，以交叉研究的方法出發，從多層篩選的思維視角嘗試建立基于敏感性和適宜度分析的海綿型場地選址研究框架。

1.1 基于生態敏感性和生態適宜度分析的生態城市規劃研究框架提煉

基于已有海綿城市理論的研究[1-2]，海綿城市的目標是以生態基礎設施、灰色基礎設施等為核心，解決干旱、洪澇、水污染等災害問題。同時作為海綿型場地核心組成的生態基礎設施，屬于生態城市領域的研究范疇。因此，本文嘗試對生態城市規劃領域中較為成熟的基于生態敏感性和生態適宜度分析的量化分析研究框架進行解析，為海綿型場地選址研究框架的生成提供參考。

敏感性和適宜度分析的研究方法是生態城市規劃中用地評定的核心內容，作為生態城市規劃的基礎分析和重要規劃依據已被廣泛應用于實踐。針對生態城市規劃的敏感性分析，需要通過探討生態敏感性分析因子、分析方法和指標體系的構建等，劃定城市發展中的最敏感區、次敏感區、弱敏感區和不敏感區。該分析可反映區域發生生態環境問題的難易程度，即敏感性高的地域在進行開發時需提升保護力度，降低開發強度。用地適宜度分析是在敏感性分析的基礎上進行的，其分析評議區域為敏感性分析結果中的次敏感區及弱敏感區[3-4]，并針對某類特定用途劃分適宜度等級（圖1）。

1.2 基于災害危險性和用地適宜度分析的建設用地規劃研究框架提煉

由于海綿型場地致力于解決的城市干旱、洪澇問題屬于自然災害學領域的研究范疇。本文借鑒災害威脅下，建設用地規劃中基于災害危險性和用地適宜度分析的研究框架；以此增強海綿型場地選址研究方法的科學性。

在災害威脅下的建設用地規劃方法研究中，最為普遍的是基于災害危險性區劃與用地適宜度評定的工作方法。由于自然災害的種類繁多，本文以地質災害中基于危險性區劃和適宜度分析的研究方法為例進行研究方法與工作程序的提煉。地質災害危險性區劃著重從自然災害角度出發，基于危險性指標劃定高危險區、較高危險區、中等危險區、較低危險區和低危險區，而用地適宜度分析是在危險性分析的基礎上進行，其分析評議區域為城鄉建設用地的低危險區及較低危險區。在此基礎上，為尋求最佳的可行用地布局方案，對土地利用的適宜度大小進行評議，生成城鄉建設用地的適宜度分布圖（圖1）[5-6]。

1.3 多層篩選視角下的海綿型場地選址研究框架構建

從多層篩選的視角來看生態城市規劃中的敏感性、適宜度分析，基于災害威脅下建設用地規劃中的危險性區劃和適宜度來分析研究框架。首先是第一級別的危險性或敏感性分析篩選工作，包括：危險性或敏感性分析評價因子的選擇，評價因子權重的確定，分析模型的構建，不同程度危險區或敏感區的劃分。其次是基于危險性或敏感性分析結果進行第二級別的用地適宜度分析篩選工作，包括：適宜度分析評價因子的選擇，評價因子權重的確定，適宜度分析模型的構建，針對特定功能劃定適宜度等級。最后是進行危險性或敏感性和適宜度分析的篩選結果疊加，對相應的規劃目標和對策進行研究。

針對海綿型場地的選址研究，首先需要對問題區域進行識別，即根據水文敏感性分析及水文敏感區的劃定標準，找到潛在的水文威脅區，然后基于篩選出的問題區域進行適宜度分析評價得到不同海綿型場地的適宜度等級，選取具有最高敏感性和最高、較高適宜度的區域為海綿型場地選址區域，最終構建了基于敏感性和適宜度分析的海綿型場地選址研究框架（圖1）。

2 模型操作方法的選擇和研究范圍的選定

2.1 敏感性分析模型的選取： TOPMODEL水文模型

目前，國內外涌現出大量有關城市水文模擬分析的研究模型，如SWMM、LISFLOODFP、TOPMODEL、HSPF、CREAMS、GLEAMS、ANSWERS等。這些研究模型主要集中在關注水量問題和水質問題上，但適用領域、優劣勢、特點等各有不同[7-11]。通過對比可以發現，基于地形指數的TOPMODEL模型相較于其他模型的優勢為：（1）將分析結果指數化，符合水文敏感性分析按照敏感程度進行排序的需要；（2）基于徑流產生的變動產流面積理論，符合海綿城市的源頭控制原則；（3）地形指數的含義同時包含產生徑流量和污染的潛力；（4）模型結構簡單，優選參數少，可操作性強。因此本文選取TOPMODEL水文模型來計算地形指數（地形指數的計算是TOPMODEL模型的核心②在同一研究區域內，具有相同地形指數值的點對降雨具有相同的水文響應，且具有較大地形指數值的點，將首先趨于飽和，暗示著潛在的產流面積。），以此得到研究區域的水文敏感性分析，繼而劃定水文敏感區（HSAs）[12-13]。

針對地形指數（λ）的計算方法，目前常用的計算公式有λ=ln（a/tanβ）與λ=ln（a/tanβ）－ln（KsD）兩種，本文采用高度簡化的地形指數計算公式，即λ=ln（a/tanβ）[12]。其中a為通過單位等高線長度的進入柵格單元的匯水面積（km2），tanβ為柵格單元的坡度，Ks為土壤的滲透系數（m/D），D為土壤不透水層深度（cm）。主要基于（1）長春市不同土壤類型的土壤滲透系數（Ks）與不透水層深度（D）差別極小，其土壤分布構成極為單一，主要為暗棕壤和黑土，且其主要的土壤類型黑土、草甸土、草甸黑土的土壤滲透系數相差不大，對地形指數的差異性影響小（表1）；（2）土壤參數ln（KsD）與地形指數ln（a/tanβ）的數量級差距巨大，黑土、草甸土等均屬黏質土壤，土壤滲透率低，將土壤滲透系數與不透水層深度參與地形指數的計算中，發現ln（KsD）值僅為ln（a/tanβ）值的千分之一，土壤性能參數對地形指數的影響可以忽略不計。

圖1 基于敏感性和適宜度分析的海綿型場地選址研究框架

圖2 國內外雨洪管理體系的內涵與目標發展邏輯圖

表1 長春市區不同土壤類型的滲透系數

2.2 海綿型場地適宜度評價方法的構建：因子加權圖層疊加

疊加分析方法是生態城市規劃中最常用的進行適宜度分析的方法，具體分為直接疊加法、因子加權評分法和因子組合法3種類型，本文選擇基于GIS的因子加權圖層疊加法作為海綿型場地的適宜度分析方法。主要原因是因子加權分析法克服了直接疊加法中等權相加的缺點，充分考慮各種因子對土地特定利用方式的影響程度之間的差異，計算結果更加準確；同時，與因子組合法相比，加權求和法在保證較高結果準確性的同時，可操作性較強。

2.2.1 海綿型場地建設目標的確定與評價因子的選擇

針對城市洪澇、干旱、水污染等問題，國外很早就開始探索相應的解決途徑，其中最具代表性的包括起源于北美的最佳管理實踐（BMPs）、美國在BMPs基礎上推行的低影響開發（LID）、英國的可持續城市排水系統（SUDS）等。這些理念雖然稱謂、側重點與發展階段不同，但其內涵與目標的過程發展邏輯具有內在的一致性：初期關注水質、水量等直接危害人類生命和財產安全的問題，中期關注解決水質、水量問題過程中所帶來的經濟和社會價值的提升，現階段大多以生物多樣性的保護和提升作為建設成功與否的標準（圖2）[14-16]。

從國內外雨洪管理體系內涵與目標的過程發展邏輯來審視海綿城市的建設與發展，海綿型場地建設的首要目標應是解決城市中突出的水質、水量問題，從而消除造成巨大人民生命、社會經濟財產損失的水安全問題。其次需重視海綿型場地建設所帶來的周圍地區社會、經濟價值的提升。最后需重視海綿型場地建設對生態多樣性價值的保護和提升作用（圖3）。根據海綿型場地建設安全保障與價值提升目標層的要求，將其分別用可操作的城市空間要素進行體現，并最終選擇人口密度、空間整合度、藍綠系統3個評價因子進行海綿型場地的適宜度評價（圖4）。

（1）人口密度評價因子的選定

人口密度因子被用來表征“人的生命安全”這一價值目標。人的生命安全始終是城市規劃建設首先需要考慮的要素，通常來說人口越稠密的地區發生災難時受到的生命損失也越多，同時人口密度高的區域受到災害影響時容易產生連鎖反應從而影響更加廣泛的區域。這就意味著在海綿城市的建設過程中，人口越稠密的地區越需要進行海綿化的提升與改造，能最大程度、最高效率地減少損失。

（2）空間整合度評價因子的選定

空間整合度因子作為“社會經濟價值提升” “社會經濟財產的安全”等目標的綜合表征，并且空間整合度越高的地區越需要進行海綿型場地的建設。在目前已有的空間整合度研究中，整合度高的區域表征著城市中的高價值潛力區、城市的商業與商務中心或人流車流高度聚集區域等[17-18]。而這3類城市空間的海綿型場地建設對于實現社會經濟價值的提升、社會經濟財產安全的保障以及人生命安全的保障具有關鍵性的作用。

①高價值潛力區

部分學者利用空間句法的整合度計算來挖掘城市中具有成為社會經濟高價值區潛力的區域，來輔助實現老城區、棚戶區等城市更新項目的規劃決策，并獲得了成功。我國的海綿城市建設需要結合老城區、棚戶區、老舊小區有機更新等進行，充分發揮海綿型場地建設對于城市生態活力和人氣吸引力的注入過程中的重要作用。

②城市的商業商務中心

城市的商業商務中心一般都是其社會經濟價值最高的地區，對安全性的要求也最高。如2012年10月29日襲擊紐約曼哈頓的桑迪颶風，導致紐約證券交易所連續兩天關閉休市，直接導致美國國內的股票和期權交易的停止交易，直接和間接損失高達50億美元。對中國來說亦是如此，在高社會經濟價值區和高人流車流運動密度區建設海綿型場地來保障其水安全至關重要。

③人流車流高度聚集區域

人流車流越稠密的地區發生災難時受到的生命損失也就越高，同時由于高密度地區往往是城市的中心區域，災害發生會直接破壞城市中心人流車流通過性最高的路徑，大量的人流車流將會難以進行逃生，從而產生巨大損失與災害的連鎖反應。如2015年12月至2016年1月的英國洪澇事件后，英國政府開啟了基于空間句法的倫敦防洪研究，其主要目的即是分析倫敦的街道網絡受災后的運轉情況，并用于災害管理和重建規劃。

而從空間整合度分析在應對洪澇災害的應用來看，英國的吉爾（Gil），斯坦巴赫（Steinbach）等人在2008年即利用空間句法對洪澇造成的城市街道網絡影響進行可視化分析和研究[19]。2015年12月至2016年1月的英國洪澇事件使得空間句法公司再次開啟倫敦的防洪研究，分析表明當空間網絡中的一個或多個連接性道路因遭遇洪水而造成損失時，這些損失帶來的影響與這些連接性道路在整個空間網絡結構層次中的重要程度成正比，并且該模型被證明適用于災害管理和重建規劃。因此，本文選擇將基于空間句法的空間整合度指標作為海綿型場地選址適宜度評價的影響因子之一。

（3）藍綠系統評價因子的選定

圖3 海綿型場地建設的目標層級圖

圖4 海綿型場地適宜度評價因子的選擇圖

表2 專家問卷

表3 影響因子相對權重值

依托城市現有藍綠系統來建設海綿型場地有利于快速實現“生態價值提升”的目標。藍綠系統作為城市中現有最大的生態系統要素，是海綿城市建設的重要載體，同時海綿城市的規劃目標和建設目的又對城市的藍綠系統提出了更加復合、多元、全面的要求[20]。藍綠系統與海綿城市雖在空間功能結構布局上存在差異，但兩者在規劃與建設過程中可以進行相互反饋與指導，城市藍綠系統在海綿城市體系中擔任主力角色。

2.2.2 評價因子權重的確定

本文選取層次分析法進行評價因子權重的計算，邀請15名專家在互不知情、各自獨立的情況下對各個因素進行兩兩比較（表2），并通過綜合比較得到最終比較結果。將影響因子間兩兩比較的數據輸入軟件Yaahp中，得到各個因子的相對權重值，作為后續計算依據（表3），同時驗證其一致性，經計算其整合度（C.I.值）為0.037，滿足小于0.1的基本標準。

2.3 研究范圍的選定

本文以長春市區繞城高速為邊界作為研究對象范圍（圖5），面積約523 km2，研究區域包含幾乎全部的建成區，占建成區總面積的80%以上，其中建成區的綠化覆蓋率達41.5%（2014年長春市園林綠化局統計）。

3 以長春為例的模型模擬結果分析

3.1 水文敏感性分析及其結果的有效性驗證

3.1.1 地形指數計算

地形指數ln（a/tanβ）的計算主要包括匯水面積a和坡度tanβ的計算。采用30 m 分辨率的DEM單流向法算法對研究區域的徑流路徑進行計算，結合GIS水文工具包對DEM高程數據進行處理，得到a的計算結果（圖6）[12]。坡度的計算受到徑流路徑算法的影響，根據匯水面積中單向流法的計算結果，通過水文工具包對DEM高程數據再次處理，得到tanβ的計算結果（圖7）。根據a和tanβ的計算結果，利用地形指數的計算公式得到地形指數的計算結果（圖8）。將網格單元的地形指數看作隨機變量，經統計分析可得地形指數的分布。研究區的地形指數最高值為16.93，最低值為3.54，平均值為7.61。

圖5 研究對象范圍

圖6 匯水面積圖

圖7 坡度圖

圖8 地形指數分布圖

3.1.2 水文敏感區劃定

本文主要關注水文敏感區的分布情況，即具有最高地形指數值的單元集。為了確定可操作數量的水文敏感區域，本文參考切爾西（Chelsea）、柯爾斯頓（Kirsten）等人劃定水文敏感區的地形指數取值劃分方法，選取研究區內具有最高地形指數值（即大于等于1.5倍平均值）的單元作為水文敏感區，即取值在11.42—16.93的單元集，共計12 868個柵格單元，約占研究區域的2.21%；具有較低地形指數值（即小于1.5倍平均值）的單元作為水文低敏感區，即取值在3.54—11.42的單元集，共計567 157個柵格單元，約占研究區域的97.79%。經劃分不同地形指數區間，將長春市區劃分為水文敏感區和水文低敏感區2類（圖9）。

3.1.3 分析結果災害擬合度檢驗

為了驗證長春市區水文敏感性分析的準確性，本文將2016年6月召開的長春市城區防汛工作會議上公布的66處暴雨天氣易澇點數據與水文敏感性分析結果進行匹配。其中59個易澇點與水文敏感性的分析結果相吻合，7個易澇點與分析結果不吻合，分析結果的災害擬合度高達89.4%（圖10）。由此證明，水文敏感性分析能夠在很大程度上準確模擬城市的內澇產生與形成機制，從而判別出水文敏感區的分布區域，有效指導長春海綿城市建設。

3.2 海綿型場地適宜度評價及其結果分析

根據上文確定的適宜度評價因子，針對各個因子的原始信息進行等級化、數量化評價。本次適宜度評價以最適宜建設海綿型場地為目標，將等級確定為最適宜、較適宜、適宜、較不適宜、不適宜5個等級，對應數值由高到低分別為4，3，2，1，0，最適宜建設海綿型場地為4分，最不適宜建設海綿型場地的為0分。依據單因子評級，運用GIS軟件繪制單因子分析圖，建立基礎空間數據庫，為權重計算及劃分適宜度等級提供數據基礎[21-22]。

3.2.1 人口密度因子評價圖的繪制

本文的研究區域為以長春市區繞城高速為邊界，包括5個城區和4個開發區，共下轄276個街道社區和44個村（鄉）鎮。以2012年長春市區范圍內開展的街道社區、鎮（鄉）村為單元的人口數據調查與統計工作作為基礎，結合各單元的界限，借助GIS技術對長春市區的人口密度指標進行定量分析，其中各單元的人口數據大致可分為20個級別。將20個級別的人口密度數據分布圖按照涵蓋等量街道社區個數的方式劃分成5類：選取人口密度值在322—4 108人/hm2范圍內的區域為最適宜區域，包含67個街道社區；人口密度值在165—321人/hm2范圍內的區域為較適宜區域，包含62個街道社區；人口密度值在73—164人/hm2范圍內的區域為適宜區域，包含60個街道社區；人口密度值在12—72人/hm2范圍內的區域為較不適宜區域，包含57個街道社區；人口密度值在0—11人/hm2范圍內的區域為不適宜區域，包含64個街道社區。運用GIS技術按照分類標準進行重分類處理，得到人口密度因子評價圖（圖11）。

圖10 擬合度檢驗圖

圖11 長春市區人口密度因子評價圖

表4 整合度分析圖重分類標準

3.2.2 空間整合度因子評價圖的繪制

空間句法模型對于不同尺度的整合度分析，可以判斷出不同尺度空間潛力值的分布狀況，尤其可以識別出高發展潛力的地區。因此本文運用Depthmap軟件對長春市區的軸線模型進行1 000 m（代表社區級別的高價值區域）、5 000 m（代表區域級別的高價值區域）、10 000 m（代表城市級別的高價值區域）3個不同半徑大小的整合度分析[23-24]。基于GIS分別對不同半徑的軸線模型整合度分析結果進行柵格轉點的處理，再執行克里金指令即可得到呈現連續性分布的整合度分析結果，然后對其分別進行相等間隔的重分類（表4）。

對重分類后的半徑為1 000 m、5 000 m、10 000 m的整合度分析圖直接進行柵格疊加計算，并對計算后的結果進行綜合性的重分類處理。其中將計算結果數值為444、344、224、114等包含的數字最大值為4的區域劃分為最適宜區域；將計算結果為333、231、113等包含的數字最大值為3的區域劃分為較適宜區域；將計算結果為222、122、12等包含的數字最大值為2的區域劃分為適宜區域；將計算結果為111、100、1等包含的數字最大值為1的區域劃分為較不適宜區域；將計算結果數值為0的區域劃分為不適宜區域。運用GIS重分類后，即可得到長春市區整合度因子評價圖（圖12）。

3.2.3 藍綠系統因子評價圖的繪制

藍綠系統作為城市最大的生態系統要素，是海綿城市建設的重要載體。本文以2012年的長春市總體規劃用地現狀為基礎，提取長春市區綠地系統和水體系統的矢量圖層。同時考慮到河湖濱岸緩沖帶對于防止面源污染、防洪排澇、改善河湖生境方面的重要作用，在GIS中對水體系統進行賦予其兩側各30 m緩沖區的操作，將水體系統及其緩沖區都納入考慮范圍之內[25]。最后將綠地系統圖層和水體系統及其緩沖區圖層進行合并，并對其賦值。其中將藍綠系統范圍內的區域定義為最適宜區域，將藍綠系統范圍之外的區域定義為不適宜區域，重分類之后生成長春市區藍綠系統因子評價圖（圖13）。

3.2.4 多因子加權疊加的適宜度評價及適宜等級的劃定

基于上文確定的各評價因子權重值，運用GIS對上述單因子評價圖進行多因子加權疊加的適宜度評價分析后得出：研究區海綿型場地的適宜度評價值（SL）在0.00—4.00之間變化，用自然間斷點分級法取0.00—0.38—1.29—2.04—2.76—4.00區段作為適宜度分級評價標準，即最適宜用地的評價值區間為2.76＜SL≤4.00，較適宜用地的評價值區間為2.04＜SL≤2.76，適宜用地的評價值區間為1.29＜SL≤2.04，較不適宜用地的評價值區間為0.38＜SL≤1.29，不適宜用地的評價值區間為0.00＜SL≤0.38。經劃分不同評價值區間，將海綿型場地建設適宜區域分為5類，其適宜度評價結果如圖14所示。

圖12 長春市區空間整合度因子評價圖

圖13 長春市區藍綠系統因子評價圖

圖14 海綿型場地適宜度評價圖

圖15 長春市區海綿型場地選址圖

3.3 敏感性與適宜度分析的疊加與海綿型場地選址的確定

3.3.1 敏感性與適宜度分析的疊加

對水文敏感性分析評價圖與海綿型場地適宜度評價圖分別進行重分類并賦值。將水文敏感區賦值為2，水文低敏感區賦值為1；將最適宜用地賦值為50，較適宜用地賦值為40，適宜用地賦值為30，較不適宜用地賦值為20，不適宜用地賦值為10。將重分類之后的敏感性與適宜度分析圖直接進行疊加，其評價結果如表4所示。

3.3.2 海綿型場地選址的確定

從基于敏感性和適宜度分析的研究方法出發，選擇海綿型場地建設最適宜區域與較適宜區域中的潛在高水文敏感區作為長春市區海綿型場地的選址區域，對應到海綿型場地選址綜合評價圖上，即為綜合評價值為52和42的研究區域。其中綜合評價值為52的柵格單元有425個，綜合評價值為42的柵格單元有1 250個，共計1 675個30 m×30 m的柵格單元（表5），約占研究區域的0.31%。這些區域具有最高的水文敏感性和最適宜的海綿型場地建設條件，是長春市區進行海綿型場地建設的選址區域（圖15）。

4 結語

海綿城市的建設能夠快速實現生態城市建設目標中的水生態安全問題，而海綿城市建設的關鍵原則是堅持規劃的引領作用，作為海綿城市建設先行軍的30個國家級試點城市在規劃決策過程中亟需科學的量化分析技術進行支撐。本文以長春市區為例，從多層篩選的思維視角提出了基于敏感性與適宜度分析進行海綿型場地選址的研究方法，并對水文敏感性分析進行了災害擬合度驗證，證明其本土化應用的可行性和有效性。可視化的海綿型場地選址模型的構建，是運用智慧城市的定量分析手段從規劃引領的角度為海綿城市規劃決策提供科學而有效依據的創新性嘗試，為海綿城市在城市規劃層面的實現提供了新思維和新視角，極大地拓展了生態城市規劃研究方法的應用范疇。

表5 綜合評價值得分表