GIS在城市水土保持規劃中的應用

李朋魯，王 童，朱 文，馬士龍

(中水北方勘測設計研究有限責任公司， 天津 300222)

隨著城鎮化進程的加快，城市水土流失問題日益突出：城市水源污染、土壤肥力下降、洪澇災害多發、公路及輸電通信線路等受到不同程度的危害，給人們生產生活帶來不便，嚴重影響城市生態環境建設，制約城市可持續發展[1]。在新的背景下，急需開展城市水土保持規劃，以適應生態發展對城市水土保持的新要求，確保城市功能的發揮，優化城市生態環境系統，為城市化進展和經濟發展提供保障。文章以天津市西青區為例，從確定規劃目標、借助ArcGIS軟件進行水土保持區劃，并依據區劃成果有針對性地布設水土保持措施三個方面論述如何開展城市水土保持規劃工作。

1 城市水土保持規劃指標的確定

西青區屬于津中部城市群人居環境維護區。其主要需求包括改善城市生態環境質量，綜合優化生態、社會、經濟功能，保障生態安全，完善城市周邊水土保持監測系統建設，強化城鎮周邊生產建設項目棄渣綜合利用和集中管理，城鎮綠地系統建設；開展濱河湖植被保護帶建設，加強生產建設項目的監管，建設良好宜居環境。結合這一需求，確定強制性和約束性兩類控制性指標。將水保部門能單獨、直接監管落實情況的指標定為強制性指標，主要包括：水土流失面積治理率、水保方案審批率和生產建設項目棄土棄渣處置率、生產建設項目裸露地表苫蓋率等；將水行政主管部門需要與城市其他管理部門協調，聯合對城市水土流失治理的指標定為約束性指標，主要包括：再生水利用率、年徑流總量控制率達標比例、西青區河道堤防兩側裸地整治率、城市綠地率等[2- 3]。具體規劃指標見表1。

表1 西青區水土保持規劃主要指標表

2 利用GIS工具分析西青區土地利用和植被覆蓋率情況

由于城市地面硬化程度高，且西青區地勢平坦，分析下墊面和坡度的意義不大，因此將城市水土保持規劃中最基礎、最重要的分析處理對象確定為土地利用現狀和城市植被覆蓋度。通過ArcGIS對現有衛星影像與地圖圖像的分析，建立城市水土保持圖形和空間屬性數據庫，用數值定量分析水土保持狀態和空間分布[4- 6]。以數據庫作為信息源，對西青區影響水土流失的各類因子信息進行提取，利用空間分析功能重新整合土地資源數據和植被覆蓋度，為水土保持規劃提供科學依據。

2.1 土地利用數據處理

借助奧維地圖、衛星影像、現場勘查所繪制的土地利用現狀圖及原有土地利用現狀圖件等，利用ArcGIS軟件對地形圖、原有土地利用現狀圖進行矢量化，對照調查結果修正地塊信息，獲得最新(2018年數據)的土地利用現狀圖、現狀表，如圖1所示，數據詳見表2。

圖1 西青區2018年土地利用現狀圖

表2 西青區土地利用現狀表

根據土地利用現狀圖和現狀表，西青區總面積為56536.25hm2，其中建設用地占比最大，占總面積的37.38%；其次為林地，占總面積的22.09%，耕地面積占總面積的14.07%。

2.2 歸一化植被指數數據處理

標準化植被指數NDVI，是指近紅外波段的反射值與紅光波段反射值之差與上兩者之和的比值，是反映植物長勢及植被空間分布密度的重要參數之一。植被覆蓋度與NDVI 的關系公式：

f=NDVI-NDVImin/ NDVImax-NDVImin

(1)

式中，NDVImin—無植被覆蓋區域NDVI 數值，取像元累積5%處NDVI值；NDVImax—植被覆蓋區域NDVI 數值，取像元累積95%處的NDVI值。

計算時考慮地面反射作用造成的NDVI為負值、植被覆蓋密度大造成的NDVI大于0等情況，而導致統計出的NDVI中的像元累積百分比與公式(1)定義中的不符，需要剔除負值后重新計算。使用重新計算的結果代入公式(1)中得到地表植被覆蓋度。具體步驟如圖2所示。

圖2 地表植被覆蓋度的計算過程

通過以上步驟計算出西青區植被覆蓋圖，如圖3所示，計算結果詳見表3。

表3 西青區2018年各級植被覆蓋度面積統計及百分比

圖3 西青區2018年植被覆蓋度圖

分析處理后顯示，西青區低度(≤30%)植被覆蓋占比為43.10%，主要分布在城區，人居密集區域；中度(30%～60%)植被覆蓋度占比為28.90%，主要分布在公園綠地、城市郊區耕地區域；高度(>60%)植被覆蓋占比為28.00%，主要分布在河道兩側和公共綠地區域。

2.3 西青區水土保持區劃成果

在土地利用現狀分析評價及植被覆蓋度的基礎上，根據西青區的地貌特點，將整個西青水土保持區劃分為人居環境維護區和生態維護區，如圖4所示。

圖4 西青區水土保持區劃圖

3 各防治區措施布設情況

根據水土保持區劃有側重地分別布設措施。

(1)人居環境維護區

本區位于西青區中東部，結合圖3可知，該區植被覆蓋度總體較低，再根據圖1的數據，該區域土地類型主要以城鄉建設用地為主。通過實地調查，居民區內尤其是老舊小區，硬化路面多且未采用透水磚，綠化率低；該區域內的交通道路兩側建有排水收集系統和綠化帶，但景觀帶多為高臺式綠化，路面匯水很難流入綠化帶中；區域內公園綠地旅游區的綠化及灌溉和雨水排水系統較為完善，地表徑流控制較好[7- 8]。

所以該區域應以治理水土流失、提高人居環境質量為主，增加居民區綠化指標、改善交通道路區集水現狀，具體如下：

①居民生活區：解決居住區樓宇落水管排水的問題：一是在落水管出口處鋪設透水磚，并與小區內的地下排水管道相連，減少地表徑流；二是利用小區微地形，改造小區內綠地，建成集雨式、下沉式綠地；三是配合天津市級相關建設要求，在新建房屋、舊城改造等區域，建設雨水調蓄水池，收集屋頂及硬化區域雨水，并經處理后，中水利用，減少水資源浪費；四是在小區露天停車場改造成植草磚、透水磚鋪裝建設成生態停車場；五是分類收集生活垃圾和生活污水；六是西青區有條件的改造小區或新建小區內，注重建筑屋頂改造建成具有集水蓄水功能的綠色屋頂；七是有條件的小區附近可以建設口袋公園。

②交通道路區：結合海綿城市建設條件，非機動車道、人行道雨水控制與利用形式以入滲為主，下凹式立體交叉道路、市區路段道路、郊區公路雨水控制與利用形式以調蓄排放為主，獨立的市政工程場站雨水控制與利用形式以收集回用為主，廣場應消納自身雨水，有條件的作為區域雨水調蓄設施。人行道均采用透水性鋪裝、非機車車道結合道路目標控制需求及目標可實現程度，選擇性采用透水性鋪裝建設。機非隔離帶采用下沉式綠地的形式，道牙采用豁口或間隔式道牙的布置形式，孔口長度宜為1m，溢流雨水口布局在下沉式綠地中，溢流雨水口頂部標高應高于綠地50～100mm(如圖5所示)。結合中分帶設置雨水花園，提高道路景觀功能。生物滯留設施的綠地寬度、下凹深度、結構層設置等應綜合考慮道路結構、土壤滲透性、植物耐淹性能等因素確定。生物滯留帶下沉深度不小于20cm。對人行道栽植的喬木進行樹盤的整地工程，樹盤采用塊石，在樹盤內植草或堆置碎石子，以防止水土流失和沙塵暴的發生。

圖5 生態樹池設置

③其他：該區商業、公共服務辦公區布置分散，區內以硬化為主，規劃在其不改變原有功能屬性的基礎上，盡可能地增加綠化措施，改善下墊面，如將商業區周邊的露天停車場改造成植草磚、透水磚鋪裝建設成生態停車場等措施。

(2)生態維護區

本區位于西青區西部和東北部，結合圖3可知，該區植被覆蓋度總體較高，再根據圖3的數據，該區域土地類型主要以耕地、草地和水域及水利用地為主。通過實地調查，該區域近年來生產建設項目集中開發，主要包括房地產、工業園區、郊野公園等，是造成城市水土流失的主要因素，其關注點主要包括三個方面：一是臨時堆土、堆料的防護；二是新建項目產生的棄土棄渣處理情況；三是項目建成后排水和植被綠化完成情況。

所以該區域應以預防水土流失為主，重點關注生產建設項目和河道湖泊區的綠化、棄土的處置等問題，具體如下：

①新增生產建設項目：結合西青區新建項目實施情況，加強對新建項目的監督。施工期間完成水土保持措施，尤其是對棄土棄渣去向落實情況進行監督，避免違法亂棄現象的發生，有條件的區域可以設置土方中轉站，在小范圍內，進行土石方的調配和綜合利用。針對工程的臨時堆土、堆料問題，可與環境保護部門聯合督查防治情況，并制定相應的獎懲措施，確保施工期間臨時堆土、堆料的水土流失得到防治。針對以開挖回填為主的管道類項目，伴有土方外棄，如穿越建成區的管道，需綜合各部門的規劃，將管道工程與基礎設施同步設施，盡量采用頂管、拉管等方式施工，減少地表擾動，開挖土方的堆放與外棄應滿足相關部門的要求。工程施工期間，需硬化的區域，盡量采用透水磚或植草磚的材質(如在施工營地、人行過道和停車場處)，裸露時間較長的區域采取簡易撒播草籽的綠化措施。工程施工經過汛期的，應結合渡汛方案，設置集雨設施，防治雨水對工程的沖刷。

②河道湖泊區：西青區內的主河道和湖泊綠化帶結合市級部門規劃要求，根據調蓄水位變化選擇適應的水生及濕生植物，在綠地內適當增加調蓄、凈化徑流雨水的設施，如建設濕塘、雨水濕地等，并與城市雨水管渠的水系入口、經過或穿越水系的城市道路的路面排水口相銜接。結合內河景觀打造，加強親水空間打造，增強游憩功能，河道中設置水生植物浮島等，提高水體凈化能力，增強環境景觀功能[9- 11]。

4 結語

結合西青區水土保持規劃和實際工作經驗，筆者認為城市水土保持主要關注控制地表徑流、監督生產建設項目和改善生態環境三個方面問題。控制地表徑流主要指對下墊面植被覆蓋控制；生產建設項目“天地一體化”監管示范工作，可借助GIS平臺，將項目擾動狀況遙感調查數據進行入庫管理，對生產建設項目的空間信息和屬性信息進行全面管理[12]；改善生態環境可結合“海綿城市”開展水土保持工作。

總之，科學合理的城市水土保持規劃，是開展城市水土保持工作的重要抓手，為城市可持續發展、改善居住環境提供有力保障[13]。希望該研究對其他城市的水土流失治理與預防監督工作有一定指導和借鑒作用。