長三角地區(qū)海綿城市功能區(qū)劃分方法研究

摘要：文章運(yùn)用層次分析法、地理信息系統(tǒng)軟件空間分析法，分析海綿功能適用區(qū)空間分布情況;提取區(qū)域內(nèi)的子流域單元，運(yùn)用分區(qū)統(tǒng)計(jì)工具將海綿功能適用區(qū)分布結(jié)果賦予子流域單元，按照劃分原則初步識(shí)別邊界;根據(jù)空間自相關(guān)性進(jìn)一步劃分邊界，將長三角地區(qū)劃分為海綿滲用功能區(qū)、海綿滯蓄功能區(qū)、海綿涵養(yǎng)功能區(qū)，以規(guī)避傳統(tǒng)海綿城市以行政邊界建設(shè)的弊端，從生態(tài)要素完整性的角度推動(dòng)長三角區(qū)域一體化高質(zhì)量發(fā)展，探討更大空間尺度的海綿城市建設(shè)模式。

關(guān)鍵詞：海綿城市;功能區(qū);長三角地區(qū)

中圖分類號(hào)：TU992 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2022）06-0-05

0 引言

長三角地區(qū)的經(jīng)濟(jì)因水而興，但隨著中國工業(yè)化、現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，該區(qū)域遭遇先破壞、后整治，環(huán)境空間被嚴(yán)重破壞，生態(tài)環(huán)境日趨惡劣，洪澇災(zāi)害、水生態(tài)損害、水資源不均衡、水環(huán)境污染、水管理能力不協(xié)調(diào)等問題也愈發(fā)突顯，嚴(yán)重制約著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。

建設(shè)海綿城市是保護(hù)水資源安全、恢復(fù)城市水資源生態(tài)、提升城市水資源承載能力、改善水資源環(huán)境的有效途徑[1]。隨著長江三角洲區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展的深入，各領(lǐng)域從宏觀角度出發(fā)，在突破行政邊界的層面積極探索[2-3]，使跨區(qū)域、跨流域海綿城市建設(shè)不再局限于行政邊界或小尺度范圍內(nèi)的研究。

文章針對(duì)目前的海綿城市建設(shè)常以行政區(qū)縣為研究對(duì)象，忽略自然水文條件的完整性且海綿城市建設(shè)呈現(xiàn)出片段化或碎片化傾向的問題，在長三角區(qū)域推進(jìn)生態(tài)環(huán)境一體化共同保護(hù)的訴求下，借鑒生態(tài)功能區(qū)劃的研究思路，根據(jù)長三角地區(qū)的地質(zhì)條件、建設(shè)條件、自然雨水排放通道的特征，基于高程數(shù)據(jù)和地理信息系統(tǒng)軟件空間分析法，分析海綿城市建設(shè)的各基礎(chǔ)條件在流域單元中的空間分布規(guī)律，使用層次分析法確定權(quán)重，將基礎(chǔ)條件疊加分析，使流域內(nèi)滿足“滲、滯、蓄、凈、用、排”的影響因素落位功能空間;了解區(qū)域內(nèi)水文運(yùn)動(dòng)情況，將流域定為區(qū)域邊界，以此形成長三角區(qū)域的海綿城市功能區(qū)?？茖W(xué)合理劃分海綿城市功能區(qū)，構(gòu)建海綿城市研究新格局，研究路線（見圖1）如下。

1 長三角區(qū)域概況和海綿城市建設(shè)基礎(chǔ)條件

1.1 區(qū)域概況

文章的研究范圍是《長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》中的長三角地區(qū)，涵蓋上海市、江蘇省、浙江省、安徽省全域，共41個(gè)地級(jí)市。長三角地區(qū)為典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和濕潤，受梅雨和臺(tái)風(fēng)影響較大，降雨較多。長三角地區(qū)有大片城市群，是我國城市密度最高的地區(qū)，城市覆蓋面積從20世紀(jì)80年代的2.29×103 km2迅速發(fā)展至2005年的4.19×103 km2和2016年的6.11×103 km2[4]，快速的城市化建設(shè)改變了自然雨水排放通道的位置、方式、形態(tài)。長三角城市地區(qū)的夏季極端降雨增加顯著，分析傳統(tǒng)降雨指標(biāo)得出：長三角的降雨量在過去57年中呈現(xiàn)集中分布趨勢(shì)，降雨周期在變短[5-6]。

1.2 數(shù)據(jù)的來源與處理

第一，高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云下載。

第二，降水?dāng)?shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心的降水資料，主要包括72個(gè)氣象站點(diǎn)在2011—2020年間的逐日降水量。

第三，土壤資料來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫的土壤質(zhì)地屬性數(shù)據(jù)。

第四，地下水位數(shù)據(jù)，一部分來源于各省地下水監(jiān)測(cè)年報(bào)，一部分根據(jù)知網(wǎng)相關(guān)論文總結(jié)而來。

第五，下墊面數(shù)據(jù)是全球30 m地表覆蓋下載的2020年全球地表覆蓋數(shù)據(jù)。

第六，建成區(qū)根據(jù)2020年夜間燈光數(shù)據(jù)提取。

文章主要借助地理空間信息系統(tǒng)的空間分析和層次分析軟件進(jìn)行計(jì)算分析。

1.3 生態(tài)本底條件

1.3.1 降水

根據(jù)中國氣象局的降水資料，基于長三角區(qū)域的高程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析長三角地區(qū)72個(gè)氣象站點(diǎn)在2000—2020年的逐日降水量，顯示，長三角區(qū)域平均降雨量在1 350 mm，枯水年份最少達(dá)730 mm，豐水年份最多達(dá)1 526 mm，降水量分布呈現(xiàn)南高北低的特點(diǎn)（見圖2）。

1.3.2 土壤

利用地理信息系統(tǒng)軟件，分析世界土壤數(shù)據(jù)庫的土壤質(zhì)地屬性的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，長三角區(qū)域的土壤質(zhì)地由南到北依次以黏土、粉沙壤土、壤土為主（見圖3）。根據(jù)毛昶熙《堤防工程手冊(cè)》土壤滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值所提供的數(shù)據(jù)，滲透系數(shù)為粉沙壤土（1×10-3 cm/s

-1×10-4cm/s）>壤土（1×10-4 cm/s-1×10-6cm/s）>黏土

（1×10-6 cm/s-1×10-7cm/s）[7]。

1.3.3 地下水位

統(tǒng)計(jì)分析各省地下水監(jiān)測(cè)年報(bào)數(shù)據(jù)和各省市的年鑒數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，江蘇淺層地下水水位平均埋深在北部地區(qū)為2～3 m，而在中部地區(qū)、南部地區(qū)則為0.5～1 m;安徽省黃淮以北地區(qū)的淺層地下水水位埋深為2～6 m、南部地區(qū)埋深小于2 m;浙江省淺層地下水水位埋深為0.5～3 m;上海市地下水位埋深總體呈現(xiàn)明顯的、由西向東逐漸增加的趨勢(shì)，埋深介于0.4～3.1 m之間[8]。由此可見，長三角地區(qū)地下水位總體的分布趨勢(shì)為由南向北遞增。

1.3.4 坡度

長三角區(qū)域的地貌以平原和丘陵為主，根據(jù)地理空間數(shù)據(jù)云下載的高程數(shù)據(jù)，利用地理信息系統(tǒng)軟件提取并分析長三角區(qū)域的高程數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：長江以北地區(qū)以平原為主，地勢(shì)平坦;長江以南及其河流兩岸多為丘陵，地勢(shì)相對(duì)較高（見圖4），85.5%的區(qū)域高程在200 m以下;西南、南部地區(qū)以山地為主，最高海拔達(dá)1 635 m。

1.4 建設(shè)條件

1.4.1 下墊面

建設(shè)海綿城市時(shí)，下墊面類型的解析是海綿技術(shù)設(shè)施選擇的基礎(chǔ)，根據(jù)2020年全球地表覆蓋數(shù)據(jù)，借助地理信息系統(tǒng)軟件分析長三角區(qū)域下墊面類型，揭示山、水、林、田、湖的空間分布情況，發(fā)現(xiàn)：耕地集中分布在中部、北部，森林分布在西南部，水體主要分布在中、北部（見圖5）。

1.4.2 建成區(qū)

分析夜間燈光數(shù)據(jù)是大尺度的城市研究的一種獨(dú)特的數(shù)據(jù)獲取手段[9]，已有許多學(xué)者在夜間燈光數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，完成對(duì)城市建成區(qū)夜間燈光數(shù)據(jù)的提取。根據(jù)2020年夜間燈光數(shù)據(jù)，借助地理信息系統(tǒng)軟件提取并分析長三角區(qū)域建設(shè)用地的燈光密度指數(shù)，以此反映建成區(qū)空間分布特征，即城市建成區(qū)主要分布在長三角中東部地區(qū)，北部是較為均勻的點(diǎn)狀分布（見圖6）。

2 海綿功能適用區(qū)

2.1 條件篩選和功能要素適用范圍

長三角區(qū)域的海綿城市建設(shè)要從宏觀區(qū)域尺度出發(fā)，選取降水、土壤、下墊面、坡度四大核心要素條件，綜合分析滿足“滲、滯、蓄、凈、用、排”功能要素的基礎(chǔ)條件分布特征。

海綿城市建設(shè)的主要技術(shù)設(shè)施以“滲、滯、蓄、凈、用、排”六大功能要素實(shí)現(xiàn)，功能要素對(duì)應(yīng)的適用范圍各有差異（見表1）。

2.2 海綿功能適用空間落位

層次分析法是將定性和定量分析技術(shù)相結(jié)合的多指標(biāo)決策分析技術(shù)，通過構(gòu)建判斷矩陣，兩兩對(duì)比各評(píng)價(jià)因子的重要程度，從而得到各影響因子權(quán)重[11]，為適用性的分析提供依據(jù)。

利用層次分析軟件，構(gòu)建海綿功能層次結(jié)構(gòu)指標(biāo)體系（見圖7），基于降水、土壤、下墊面、坡度基礎(chǔ)要素條件特征，采用1～9的比例標(biāo)度法[12]，構(gòu)建比較判斷矩陣;邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者打分，最后計(jì)算出各影響要素的權(quán)重值（見表2）。

運(yùn)用地理空間信息系統(tǒng)疊加分析基礎(chǔ)條件權(quán)重值，合并參與疊加的數(shù)據(jù)集，在所示分區(qū)內(nèi)根據(jù)下墊面類型、土壤屬性面積占比、降水平均值來確定“滲、滯、蓄、凈、用、排”海綿功能適用區(qū)域的分布情況（見圖8）。

3 流域范圍內(nèi)海綿功能區(qū)的劃分

3.1 劃分原則

改善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是我國城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的核心內(nèi)容和要點(diǎn)[13]，也是“海綿城市”建設(shè)的目標(biāo)，要做到生態(tài)型，必須保證自然排水通道具有整體性的特征。從宏觀角度出發(fā)，基于對(duì)海綿城市建設(shè)中基礎(chǔ)條件的特征分析，海綿城市功能區(qū)劃分的基本原則主要包括以下幾個(gè)方面。

3.1.1 維護(hù)生態(tài)要素的完整性

海綿城市的實(shí)質(zhì)是通過科學(xué)合理的方式考慮城市水循環(huán)要求，從而改變城市的水循環(huán)過程，使水在城市的移動(dòng)、變化和交換等活動(dòng)中更加自由[14]。由于降水、地貌、地形、土質(zhì)、下墊面等環(huán)境條件的差異，顯示出與之相互聯(lián)系的海綿功能分布的不同，因此強(qiáng)調(diào)“統(tǒng)籌山水林田湖草生態(tài)系統(tǒng)治理”所考慮的范圍必須是滿足環(huán)境要素完整性的有效邊界——流域，并將流域作為海綿城市功能區(qū)的劃分邊界。

3.1.2 尊重排水分區(qū)的自然屬性

排水分區(qū)是指通過地形地貌或排水管渠界定的地面徑流集水或匯水范圍[15]，地形地貌與江河水系的格局是影響自然水文過程的主要因素，而城市建設(shè)在一定程度上也會(huì)改變?cè)械淖匀坏牡匦蔚孛埠退敌螒B(tài)。自然界水文過程從降雨產(chǎn)生到降雨徑流形成、積累，可分為填挖入滲、產(chǎn)流匯流、入滲蒸發(fā)三個(gè)階段[16]，在海綿城市建設(shè)的實(shí)踐中，各項(xiàng)工作都是基于自然雨水徑流路線，并以排水分區(qū)為基礎(chǔ)而開展的[17]，在宏觀區(qū)域尺度內(nèi)劃分排水分區(qū)，應(yīng)當(dāng)尊重其水文過程的自然屬性。

3.1.3 滿足集水區(qū)海綿協(xié)調(diào)管理

功能區(qū)的劃分需要從滿足區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)保護(hù)工作、行政管理的需要出發(fā)，劃分流域尺度范圍。海綿城市功能區(qū)與所在區(qū)域的水文、氣象、土地利用條件、工程建設(shè)條件等內(nèi)容密切相關(guān)，因此，選擇海綿設(shè)施系統(tǒng)時(shí)，需要分析和比較各項(xiàng)功能，選取最優(yōu)功能組合。海綿城市功能區(qū)還應(yīng)當(dāng)引領(lǐng)子區(qū)域海綿城市建設(shè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以子流域?yàn)閱卧?，分析單元?nèi)山、水、林、田、湖、草生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的有機(jī)聯(lián)系，并在此基礎(chǔ)上因地制宜，選擇相應(yīng)的海綿技術(shù)設(shè)施建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 邊界識(shí)別

借鑒生態(tài)學(xué)的方法和原理，考慮生態(tài)要素完整性，以流域?yàn)閯澐诌吔?，借助地理信息系統(tǒng)軟件分析長三角區(qū)域水文運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)而確定子流域單元的范圍，利用分區(qū)統(tǒng)計(jì)工具，將初步得到的海綿功能適用區(qū)空間分布結(jié)果賦予子流域單元，并通過空間自相關(guān)性分析，進(jìn)一步合并相關(guān)子流域，最終形成長三角地區(qū)海綿城市功能區(qū)劃分結(jié)果，分別為海綿滲用功能區(qū)、海綿滯蓄功能區(qū)、海綿涵養(yǎng)功能區(qū)（見圖9）。

4 結(jié)語

水生態(tài)建設(shè)是海綿城市建設(shè)的主要問題，要突破原有界限的限制，并探索突破行政邊界，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的相互聯(lián)系。生態(tài)功能區(qū)劃為海綿城市功能區(qū)的劃分提供了可行的方法。

第一，長三角地區(qū)的海綿城市建設(shè)按照水文模式可以分為三類功能區(qū)，分別為海綿滲用功能區(qū)，面積為109 753.8km2，海綿功能特征以滲透、回用為主;海綿滯蓄功能區(qū)，面積為114 726.2km2，海綿功能特征以滯水、蓄水為主;海綿涵養(yǎng)功能區(qū)，面積為133 520km2，海綿功能特征以凈化、涵養(yǎng)為主。

第二，長三角地區(qū)從宏觀層面切入海綿城市建設(shè)過程中劃定范圍的問題，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)針對(duì)行政邊界研究向區(qū)域尺度研究的尺度轉(zhuǎn)換。結(jié)合水文學(xué)、生態(tài)學(xué)、地理學(xué)的理論和方法，考慮生態(tài)系統(tǒng)完整性，劃分海綿城市功能區(qū)，為區(qū)域尺度海綿城市建設(shè)提供依據(jù)和參考。

第三，海綿城市是新型的城市化發(fā)展思想，包含環(huán)境優(yōu)先、綠色發(fā)展理念，海綿城市工程的實(shí)施涉及城市規(guī)劃建設(shè)中的多領(lǐng)域、多部門。在落實(shí)海綿城市相關(guān)工程的建設(shè)時(shí)，海綿技術(shù)設(shè)施類型的選擇需要結(jié)合海綿城市功能區(qū)功能要素類型，選擇合適的海綿設(shè)施和技術(shù)。希望通過長三角地區(qū)的海綿城市研究，為海綿城市建設(shè)工程提供新的思路與方法。

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作者簡介：楊衛(wèi)妮（1996—），女，江蘇鹽城人，碩士在讀，研究方向：海綿城市。