基于GIS技術(shù)規(guī)劃城市節(jié)水型綠地系統(tǒng)的研究

劉慧民，宮思羽，鄒鐵安，裴盈欣，浦 杰，姜 珊，王雪娜，符興源

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基于GIS技術(shù)規(guī)劃城市節(jié)水型綠地系統(tǒng)的研究

劉慧民1，宮思羽1，鄒鐵安2，裴盈欣3，浦 杰1，姜 珊1，王雪娜1，符興源1※

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，哈爾濱 150030；2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；3. 大連至誠(chéng)專利代理事務(wù)所，大連 116000）

為實(shí)踐海綿城市理念，充分利用雨水資源，為哈爾濱市松北區(qū)核心區(qū)規(guī)劃具節(jié)水功能的綠地系統(tǒng)，該文利用GIS技術(shù)，結(jié)合彭曼公式，計(jì)算研究區(qū)可收集雨水資源量和綠地植物需水量，并定位節(jié)水綠地位置和規(guī)劃節(jié)水綠地系統(tǒng)。研究區(qū)降水量在485～671 mm間，6—8月降雨量占全年降水量的66.4%；研究區(qū)年可利用雨水量512.68萬(wàn)m3，雨水資源潛力巨大；5—10月研究區(qū)綠地植物需水總量639.71萬(wàn)m3，同期可收集雨水總量456.17萬(wàn)m3，滿足植物需水量的71.31%。建立研究區(qū)DEM模型，將坡度3°～15°間的綠地確定為滲透綠地，坡度3°以下的綠地確定為集水綠地，確定了研究區(qū)節(jié)水綠地分布圖，可建節(jié)水綠地面積1 664.19 hm2，占研究區(qū)總面積的37.10%；以節(jié)水綠地為主體，結(jié)合了水利科學(xué)和地理信息科學(xué)理論知識(shí)，優(yōu)先規(guī)劃了能利用城市雨水資源的節(jié)水綠地系統(tǒng)，使遠(yuǎn)期綠地率達(dá)43%。

降雨；需水量；GIS；綠地；雨水資源；哈爾濱；規(guī)劃；節(jié)水

0 引 言

中國(guó)城市綠地耗水量巨大，導(dǎo)致淡水資源消耗加劇，因此有必要開展城市綠地節(jié)水研究。城市節(jié)水綠地建設(shè)已在許多國(guó)家展開，北歐國(guó)家已率先建設(shè)10萬(wàn)處雨水回收設(shè)施[1-2]，北京、上海、大連、西安等城市也展開了雨水利用實(shí)踐以解決水資源缺乏[3-8]。宋云等[9]以威海市為實(shí)踐對(duì)象，提出雨水利用可持續(xù)發(fā)展的可行措施。劉若愚[10]建立昭山地區(qū)數(shù)字地形模型（digital terrain model，DTM），并計(jì)算不同下墊面雨水收集量。張建新等[11]計(jì)算內(nèi)蒙古西營(yíng)子鎮(zhèn)3種年型下可收集的雨水量。宋進(jìn)喜等[12]定量西安市繞城高速公路內(nèi)年收集雨水總量。彭曼—蒙特斯模型被廣泛應(yīng)用于作物需水量計(jì)算[13-15]，該公式綜合各種氣候條件和不同作物的生長(zhǎng)系數(shù)，確定作物實(shí)際需水量，進(jìn)而計(jì)算某作物在生長(zhǎng)季內(nèi)真實(shí)需水量。

哈爾濱市地處中國(guó)半干旱地區(qū)，水資源匱乏，降雨和綠地需水均集中在夏季，如利用夏季降水灌溉綠地，則能體現(xiàn)建設(shè)海綿城市的理念。城市綠地系統(tǒng)具有集雨功能，若規(guī)劃的綠地能利用雨水，則可實(shí)現(xiàn)其節(jié)水生態(tài)功能。確定綠地可收集雨水量和綠地位置是規(guī)劃節(jié)水綠地的前提。本文以哈市新建松北核心區(qū)為研究區(qū)域，利用彭曼公式計(jì)算綠地植物需水量；借助GIS技術(shù)確定節(jié)水綠地位置和定量雨水資源量，在定量雨水和定位集雨位置的基礎(chǔ)上優(yōu)先規(guī)劃節(jié)水綠地系統(tǒng)，為踐行海綿城市理念和規(guī)劃具生態(tài)功能的節(jié)水綠地系統(tǒng)提供理論參考和實(shí)踐示范。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為黑龍江省哈爾濱市新建松北區(qū)的核心區(qū)，是由松花江流域、濱州鐵路和繞城高速圍成的三角形區(qū)域，地處126°28′ ～126°36′E、45°46′～45°51′N，面積達(dá)4 485.67 hm2，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均溫2.5～4.3 ℃，年均降水量578 mm，其中60%～70%降雨集中于7—8月份，年均蒸發(fā)量1 326 mm，半干旱氣候特征明顯。該區(qū)地勢(shì)起伏平緩，平均海拔115～120 m，為內(nèi)陸河川平原地貌類型，區(qū)域內(nèi)保留大量自然地形地貌，為本案實(shí)施提供了基礎(chǔ)條件。目前松北區(qū)城市規(guī)劃工作已經(jīng)完成，政務(wù)網(wǎng)上先后發(fā)布了松北區(qū)城市規(guī)劃圖和綠地規(guī)劃圖，但松北區(qū)地域遼闊，遠(yuǎn)離市區(qū)，城市建設(shè)工作遲緩，現(xiàn)狀綠地零散且不成系統(tǒng)，僅在核心區(qū)局部分布，建成綠地面積（1 560.13 hm2）遠(yuǎn)沒達(dá)到規(guī)劃面積（1 928.84 hm2），現(xiàn)有綠地更沒有規(guī)劃收集雨水的功能，本文擬從收集雨水的角度，探討該新建區(qū)綠地系統(tǒng)的規(guī)劃，使規(guī)劃的綠地系統(tǒng)具備利用雨水的功能。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 研究資料

1）Quickbird遙感影像，2009年6月9日由地理空間數(shù)據(jù)提供；

2）研究區(qū)1∶10 000地形圖，由當(dāng)?shù)販y(cè)繪局提供；

3）研究區(qū)1971—2000年降水資料，由哈爾濱市氣象局提供；

4）不同下墊面徑流系數(shù)，計(jì)算公式參數(shù)、系數(shù)等資料來(lái)源于相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。

2.2 研究思路及技術(shù)路線

利用GIS技術(shù)分類解譯和提取可集雨下墊面，分析該區(qū)域30 a的降雨量，計(jì)算該區(qū)域雨水資源總量；利用彭曼—蒙特斯公式計(jì)算綠地植物需水量，分析該區(qū)域收集雨水量與綠地需水量間關(guān)系；利用GIS技術(shù)生成DEM圖形并分析該區(qū)域地形地貌特征，確定節(jié)水綠地位置，并規(guī)劃節(jié)水綠地系統(tǒng)。本文的技術(shù)路線分2個(gè)方向分別展開，如圖1所示：1）定位節(jié)水綠地布局和確定雨水資源規(guī)模，包括解譯研究區(qū)下墊面類型與面積、利用彭曼公式計(jì)算雨水量等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)；2）在建立節(jié)水綠地布局的基礎(chǔ)上，規(guī)劃研究區(qū)節(jié)水綠地系統(tǒng)。

圖1 研究技術(shù)路線圖

2.3 研究方法

2.3.1 地理信息數(shù)字化

將該區(qū)域1∶10 000地形圖上的等高線、居民區(qū)、道路廣場(chǎng)、各類邊界等信息進(jìn)行數(shù)字化處理，生成標(biāo)準(zhǔn)GIS格式的地理信息數(shù)據(jù)集；基于矢量化的等高線、高程點(diǎn)等數(shù)據(jù)，建立DEM模型，再利用Citystar軟件生成該區(qū)域高程、坡度、坡向、徑流圖等。

2.3.2 遙感圖像解譯

對(duì)獲取的衛(wèi)星遙感圖像進(jìn)行幾何校正，結(jié)合實(shí)地調(diào)查建議解譯標(biāo)志，采用目視解譯法解譯影像圖，分別解譯為自然林地、城市綠地、農(nóng)田、建筑、裸地、道路和水系7個(gè)類型，并分別計(jì)算各類圖斑面積及總面積。研究區(qū)節(jié)水綠地面積僅達(dá)研究區(qū)面積的37.10%，未達(dá)到哈爾濱市綠地規(guī)劃遠(yuǎn)期目標(biāo)（綠地率43%），計(jì)算各類集雨下墊面面積時(shí)，將研究區(qū)現(xiàn)有全部裸地（6 813 621.1 m2）、少量農(nóng)田（1 312 097.5 m2）規(guī)劃成綠地，以達(dá)到綠地規(guī)劃指標(biāo)要求。

2.3.3 彭曼—蒙特斯公式計(jì)算綠地植物需水量

計(jì)算綠地植物需水量為利用雨水提供量化依據(jù)，修正的彭曼—蒙特斯公式被廣泛應(yīng)用于作物需水量計(jì)算[16-17]。文中結(jié)合哈爾濱市歷年氣象資料，應(yīng)用修正的彭曼—蒙特斯公式和園林系數(shù)法計(jì)算研究區(qū)綠地植物需水量：

式中ET0為小時(shí)內(nèi)參考作物騰發(fā)量，mm/d；Δ為飽和水氣壓—溫度曲線斜率，kPa/℃；R為冠層表面凈輻射，MJ/(m·d)；為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃；2為2 m高處的風(fēng)速，m/s；e為飽和水汽壓，kPa；e為實(shí)際水汽壓，kPa；為平均溫度，℃。

利用彭曼—蒙特斯公式計(jì)算的植物需水量（ET0）為參考作物騰發(fā)量[18]，園林植物實(shí)際需水量（ET）用園林系數(shù)法求得

式中K是作物系數(shù)，與農(nóng)作物單一種類栽植不同，選取園林植物系數(shù)要考慮植物的種類、種植密度、形成的小氣候因子等，K的計(jì)算公式[19]為

式中K為園林植物種類因子；K為園林植物種植密度，mc為園林植物形成的小氣候因子[20]。K取值與喬木、灌木、地被植物間的配合類型有關(guān)；K取值受植物間的種植密度及植物形成的空間冠幅等影響；Kmc取值與植物所處環(huán)境的光照、風(fēng)速、濕度、遮蔭等有關(guān)。文中規(guī)劃的綠地以喬木、灌木和地被植物的混合形式為主，K取均值0.5，mc取均值1.0，K取均值1.0[21]。經(jīng)計(jì)算K值為0.5。

2.3.4 可收集雨水總量計(jì)算

收集降雨量受氣候、降雨特性、水質(zhì)、下墊面性質(zhì)等自然因素及建筑物布局和結(jié)構(gòu)等因素影響，大多數(shù)地區(qū)計(jì)算可利用雨水量公式為[22]

式中為年均可利用雨水量，m3；為季節(jié)折減系數(shù)，=汛期平均降雨量/年均降雨量[23]，松北區(qū)為0.85；為初期棄流系數(shù)，=1-初期雨量×年均降雨次數(shù)/年均降雨量[23]，松北區(qū)為0.63 ；為年降雨量，mm；δ為不同下墊面徑流系數(shù)[23]，A為不同下墊面集雨面積，m2。

3 哈爾濱市松北核心區(qū)節(jié)水綠地規(guī)劃

3.1 研究區(qū)降雨分布特征與雨水資源潛力

3.1.1 降雨分布特征

從平均降雨量來(lái)看（圖2a），研究區(qū)（松北區(qū)）近30 a平均降水量524.5 mm，降水量最大年份在1994年，達(dá)826.3 mm；最小年份在1989年，僅345.5 mm，降水量最大值與最小值間相差2倍之多，說(shuō)明降水量年際變化顯著。對(duì)1971—2000年降水量頻率統(tǒng)計(jì)可知，降雨量集中在485～671 mm間的累計(jì)頻率達(dá)到50%（豐水年降雨量大于671 mm，枯水年降雨量小于485 mm，平水年降雨量介于485～671 mm間）[24]，年降雨量低于485 mm的年份達(dá)40%?？梢?，研究區(qū)降雨呈規(guī)律性變化，為該區(qū)域雨水收集利用提供依據(jù)[25]。

圖2 研究區(qū)1971—2000年間降雨量及蒸發(fā)量

由圖2b分析，研究區(qū)（松北區(qū)）近30 a各月間降雨量差別較大，降雨量主要集中在6—8月，這3個(gè)月的降雨量占全年降雨量的66.4%，11月至次年2月這4個(gè)月的降雨量?jī)H占全年降雨量的10%。方差分析表明多數(shù)月份間降雨量差異顯著，尤其汛期6—8月的降雨量與其他月份間差異均顯著。降雨量月分布的不均衡使城市發(fā)生洪澇和干旱的可能性增加；松北區(qū)地勢(shì)偏低，在雨量充沛年份更易發(fā)生城市洪澇災(zāi)害，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域雨水，尤其是汛期6—8月雨水的集中利用。

據(jù)研究區(qū)（松北區(qū)）2003—2005年（平水年）和2010—2011年（平水年）5 a間的日降雨資料，將24 h降雨量分為微雨、小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨6個(gè)等級(jí)[24]，對(duì)這5 a的降雨資料統(tǒng)計(jì)分析表明（表1）：日降雨以小雨和中雨為主，其降雨量占總降雨量的69.3%；小雨降雨量占總量的30.6%，降中雨天數(shù)僅占總降雨天數(shù)的12.4%，但其降雨量卻占總量的38.7%，降微雨天數(shù)雖占總降雨天數(shù)的57.7%，由于在雨水收集時(shí)需棄流3 mm的初期徑流以保證水質(zhì)[25]，這部分雨水達(dá)不到一定收集量，在雨水收集中擬將該區(qū)降落的小雨和中雨作為收集對(duì)象。

表1 研究區(qū)5 a間不同等級(jí)降雨的降雨量及降雨天數(shù)百分比

3.1.2降水量與蒸發(fā)量的分布特征

降水是研究區(qū)地表水的主要來(lái)源，蒸發(fā)是水分散失的主要途徑，降雨量和蒸發(fā)量的關(guān)系影響雨水利用模式的建立。研究區(qū)降雨主要集中在6—8月，降雨量為348.2 mm，占全年降雨總量的66.4%，非汛期降雨量?jī)H占33.59%，降水分布不均。夏季7—8月降雨量大于蒸發(fā)量（圖2b），大量雨水流失造成淡水資源浪費(fèi)。如能集中收集汛期的降雨，經(jīng)凈化儲(chǔ)存用作城市綠化用水，在減少洪澇災(zāi)害的同時(shí)節(jié)約了水資源。

3.1.3 可收集雨水總量

據(jù)雨水在不同下墊面的地表徑流特點(diǎn)將研究區(qū)下墊面分為7個(gè)類別（表2），利用GIS技術(shù)，采用目視解譯法將研究區(qū)下墊面影像圖解譯為自然林地、城市綠地、農(nóng)田、建筑、裸地、道路和水系7個(gè)類型并分別提取面積[26]。據(jù)此分別進(jìn)行雨水收集量計(jì)算與利用實(shí)踐。根據(jù)不同水平年松北區(qū)降雨資料，計(jì)算出研究區(qū)可利用雨水量為512.68萬(wàn)m3，占降雨總量的21.84%，雨水資源利用潛力巨大，為規(guī)劃研究區(qū)節(jié)水綠地提供了水源保證（表2）。

表2 研究區(qū)不同下墊面類型、面積、徑流系數(shù)及不同水平年雨水資源可利用量

注：P代表雨水資源保證率。

Note: Pis guarantee rate of rainwater.

3.2 研究區(qū)綠地需水量與可收集雨水量比較

采用式（2）～式（4）計(jì)算哈爾濱1971—2000年5—10月綠地植物生長(zhǎng)季需水量（表3），結(jié)果表明，研究區(qū)綠地植物總需水量相差較大，10月植物需水量最小僅為50.82萬(wàn)m3，6月植物需水量最大為138.88萬(wàn)m3，5—10 月植物需水總量為639.71萬(wàn)m3。研究區(qū)5—10月間雨水收集量相差很大，7月雨水收集量最大為146.73萬(wàn)m3，10月量最少僅為23.91萬(wàn)m3，5—10月研究區(qū)可收集雨水總量為456.17萬(wàn)m3，達(dá)植物需水量的71.31%。

表3 研究區(qū)綠地5—10月植物需水量

研究區(qū)雨水月收集量呈規(guī)律性變化，5—7月雨水收集量逐漸升高，7月雨水收集量最大，之后雨水收集量下降；植物月需水量也呈先升后降的趨勢(shì)，與雨水月收集量變化趨勢(shì)一致；植物月需水量最大值出現(xiàn)在6月而不是溫度最高的7月，植物經(jīng)過(guò)冬季休眠在6月進(jìn)入旺盛生長(zhǎng)期，形成冠展和葉幕區(qū)，因此需水量最大。

7、8月研究區(qū)雨水月收集量充分滿足植物該月需水量，其他各月雨水收集量均顯著少于植物需水量，不能滿足植物生長(zhǎng)所需水分。差異最大為5月，雨水收集量為38.99萬(wàn)m3，植物需水量為137.53萬(wàn)m3，只能滿足植物需水量的28.35%；7、8月收集雨水量分別是植物該月需水量的116.30%和103.06%，充分滿足植物生長(zhǎng)所需水分。若利用收集的雨水灌溉研究區(qū)綠地，可節(jié)省灌溉用水71.31%，可設(shè)計(jì)研究區(qū)雨水收集利用系統(tǒng)。

3.3 研究區(qū)地形地貌分析

雨水在不同坡度滲透與匯流能力不同，坡度3°～15°之間綠地為滲透綠地，坡度3°以下綠地為集水綠地[27]，可規(guī)劃節(jié)水綠地面積達(dá)1 664.19 hm2。基于此，研究區(qū)可建節(jié)水綠地面積占研究區(qū)總面積的37.10%。

由DEM數(shù)據(jù)顯示研究區(qū)高程在114.5～191.9 m之間（圖3a），高程從西北向東南方向逐漸遞減，西部和東北部地勢(shì)較高，中部平緩；高程變化較小，北部最高高程與東南部只相差77.4 m，地形平坦。平緩的地勢(shì)與平坦的地形可減少雨水徑流損失，利于雨水充分收集與滲透。

利用DEM數(shù)據(jù)和ArcGIS軟件生成河域流向圖和不同流量河流的流域圖（圖 3a）。研究區(qū)內(nèi)水量較豐富，水網(wǎng)分布較密集均勻，無(wú)顯著的主導(dǎo)流向，地表徑流循環(huán)過(guò)程在局部區(qū)域內(nèi)部完成，這利于在局部區(qū)域內(nèi)收集利用地表徑流，規(guī)劃雨水收集系統(tǒng)時(shí)以此為基礎(chǔ)劃分不同區(qū)域收集，以科學(xué)地制定雨水收集策略和方式。

利用ArcGIS軟件生成坡度圖（圖3b），研究區(qū)坡度多在0～15°間，地勢(shì)較平坦。雨水收集利用可充分利用自然地形的坡度變化，并考慮地表徑流收集量及污染物去除量[28-30]，文中將3°以下地勢(shì)平坦區(qū)域作為集水區(qū)，對(duì)收集的雨水進(jìn)行初步去污凈化；3°～15°坡度較緩，土壤滲透系數(shù)較大，作為雨水滲透區(qū)以大量補(bǔ)充地下水；15°以上區(qū)域，滲透系數(shù)顯著減少而徑流系數(shù)增大，作為雨水收集區(qū)。

不同坡向的坡地接受太陽(yáng)輻射的時(shí)間、面積及輻射量有所不同，故地表氣溫的差異而造成不同坡向蒸發(fā)量的不同[31]。在ArcGIS生成的坡向圖，將研究區(qū)坡向分為8個(gè)主要坡向（圖3c）。因南、東南、西南等偏南朝向的坡地陽(yáng)光照射強(qiáng)烈，其蒸發(fā)量是平地的1.5～4倍，不利于雨水收集；偏北朝向的坡地因受山體遮陰，地表氣溫低，蒸發(fā)量只有平地的70%～80%[32-33]。將研究區(qū)坡向分為平坡、陽(yáng)坡（南、東南、西南）和陰坡（北、東北、東、西北、西）3類（圖3d）。為保證雨水有效利用和蓄水池充分蓄水，蓄水池的位置應(yīng)設(shè)置于陰坡。

圖3 研究區(qū)地形地貌

3.4 研究區(qū)節(jié)水綠地系統(tǒng)規(guī)劃

在分析研究區(qū)潛在水網(wǎng)因子、高程和坡度等地形地貌因子的基礎(chǔ)上，定位研究區(qū)節(jié)水綠地的位置；在對(duì)坡向分析的基礎(chǔ)上，確定蓄水池設(shè)置的位置，據(jù)此形成了研究區(qū)節(jié)水綠地布局方案（圖4）。

圖4 研究區(qū)節(jié)水綠地布局方法

定位節(jié)水綠地具體位置，形成研究區(qū)節(jié)水型綠地布局（圖5a）。據(jù)雨水在不同高程、坡度、坡向滲透與匯流能力不同，將節(jié)水綠地分為滲透型綠地和集水型綠地。坡度3°～15°間的坡地土壤滲透系數(shù)較大[34]，作為滲透性綠地，面積約382.63 hm2；坡度3°以下的區(qū)域地勢(shì)平坦，可收集周邊及坡度3°以上的地表徑流、凈化儲(chǔ)存雨水，作為集水型綠地，面積約1 281.56 hm2。節(jié)水型綠地總面積占研究區(qū)面積的37.10%，未達(dá)到哈爾濱市綠地系統(tǒng)規(guī)劃遠(yuǎn)期目標(biāo)（綠地率43%以上），在定位節(jié)水綠地分布位置的基礎(chǔ)上，以節(jié)水綠地為依據(jù)規(guī)劃研究區(qū)節(jié)水綠地系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綠地系統(tǒng)的節(jié)水生態(tài)功能。將節(jié)水綠地布局圖與研究區(qū)現(xiàn)狀綠地圖疊加（圖 5c），計(jì)算重疊的綠地面積只有178.56 hm2，僅占節(jié)水綠地面積的10.73%，說(shuō)明現(xiàn)狀綠地基本不能發(fā)揮節(jié)水功能，應(yīng)在確定的上述節(jié)水綠地的基礎(chǔ)上（圖5a），為研究區(qū)規(guī)劃節(jié)水綠地系統(tǒng)。將節(jié)水綠地布局圖與研究區(qū)綠地規(guī)劃圖相疊加，計(jì)算重疊的綠地面積只有431.51 hm2，僅占節(jié)水綠地面積的25.93%（圖 5d），說(shuō)明已規(guī)劃的綠地系統(tǒng)不能充分發(fā)揮節(jié)水功能，應(yīng)在上述節(jié)水綠地布局的基礎(chǔ)上（圖 5a），為研究區(qū)規(guī)劃遠(yuǎn)期節(jié)水綠地系統(tǒng)。

在完成節(jié)水綠地分布圖基礎(chǔ)上，在實(shí)現(xiàn)綠地節(jié)水生態(tài)功能前提下，尊重原有地形地貌、水網(wǎng)路網(wǎng)、植被設(shè)施和城市總體規(guī)劃，依據(jù)綠地系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)的18項(xiàng)指導(dǎo)文件[35]，按生態(tài)園林城標(biāo)準(zhǔn)完善綠地分布與類型，規(guī)劃具有綜合功能和突出雨水利用功能的遠(yuǎn)期節(jié)水型綠地系統(tǒng)。規(guī)劃時(shí)將與節(jié)水綠地完全重合的現(xiàn)狀綠地和已規(guī)劃綠地全部保留為遠(yuǎn)期綠地，并按原規(guī)劃定義其綠地類型；文中節(jié)水綠地分布圖上確定的綠地，但尚未被規(guī)劃為綠地，并具備將該綠地納入某類用地的附屬用地（主要是工業(yè)與商業(yè)、教育與醫(yī)療、行政與居住用地），可直接將這些綠地規(guī)劃為附屬綠地（圖 5d）。上述綠地面積約占研究區(qū)總面積的36%。規(guī)劃時(shí)因節(jié)水綠地規(guī)模尚未達(dá)到遠(yuǎn)期規(guī)劃目標(biāo)，將市政已規(guī)劃的綠地系統(tǒng)，除去上述綠地后余留的綠地，作為拓展與補(bǔ)充綠地保留其規(guī)模與綠地類型，但這些綠地不具備節(jié)水功能（圖5d）；這部分綠地約占研究區(qū)總面積的10%。至此規(guī)劃的遠(yuǎn)期綠地面積約占研究區(qū)總面積的46%，已達(dá)到哈爾濱市綠地系統(tǒng)規(guī)劃遠(yuǎn)期綠地率43%以上的目標(biāo)。

綠地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局：節(jié)水綠地系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局呈“一環(huán)、三帶、三縱、三橫、一隔離、一核、一區(qū)、兩片、多點(diǎn)”的平面格局（圖6a）。

“一環(huán)”：沿哈市繞城高速和濱洲鐵路設(shè)置的防護(hù)隔離帶及沿松花江沿岸的防洪隔離帶形成的連續(xù)環(huán)形綠廊?！叭龓А保貉厝龡l河流流域沿岸布置的30 m寬綠色濱水生態(tài)廊道?！叭v”、“三橫”：沿世茂大道、中源大道、萬(wàn)寶大道、松北大道、祥安北大街和丁香大道等主干道設(shè)置不小于30 m寬的道路綠化景觀帶?！耙桓綦x”：北側(cè)工業(yè)組團(tuán)與南部居住組團(tuán)間的綠化安全隔離帶?！耙缓恕保河墒姓V場(chǎng)、規(guī)劃的市級(jí)公園及周圍居住區(qū)級(jí)公園、游園組成的綠核?！耙粎^(qū)”：東部原有的東北虎林園風(fēng)景區(qū)?！皟善保河删G色濱水生態(tài)廊道和道路綠化景觀帶串連居住區(qū)綠地形成的塊狀綠地。“多點(diǎn)”：按服務(wù)半徑規(guī)劃的各級(jí)公園、街頭綠地、廣場(chǎng)綠地等。

綠地系統(tǒng)規(guī)劃：為研究區(qū)規(guī)劃公共綠地（公園綠地19%）、生產(chǎn)綠地（2%）、防護(hù)綠地（8%）、附屬綠地（道路綠地、居住區(qū)綠地10%）和其他綠地（風(fēng)景區(qū)綠地4%）5個(gè)基本綠地類型（圖6b），使遠(yuǎn)期綠地率達(dá)43%、綠化覆蓋率達(dá)48%、公園覆蓋率達(dá)85%以上。形成“林城環(huán)繞、林在城內(nèi)、城在林中”的節(jié)水綠地系統(tǒng)景觀。

c. 節(jié)水綠地與現(xiàn)狀綠地重疊圖c. Overlay diagram of water-saving and current green spaced.節(jié)水綠地與現(xiàn)規(guī)劃綠地重疊圖d. Overlay diagram of water-saving and current planning green space

a. 綠地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)a. Green space system structureb. 最終綠地系統(tǒng)規(guī)劃b. Final green space system planning

4 結(jié) 論

1）研究區(qū)降水年際變化顯著，降水量集中在485～671 mm間，累計(jì)頻率達(dá)50%；各月間降水量差異顯著，6—8月降雨量占全年降水量的66.4%；日降雨以小雨和中雨為主，降雨量占總降雨量的69.3%。年可利用雨水量為512.68萬(wàn)m3，為節(jié)水綠地系統(tǒng)規(guī)劃提供水源保證。

2）綠地5—10月植物需水總量為639.71萬(wàn)m3，同期可收集雨水總量為456.17萬(wàn)m3，滿足綠地植物需水量的71.31%；綠地植物需水量與雨水收集量變化趨勢(shì)一致。各月雨水收集量與植物需水量差異較大，7—8月雨水收集量充分滿足植物生長(zhǎng)需要，其余各月均不能滿足植物生長(zhǎng)用水，5月差異最大，雨水收集量只占植物需水量的28.35%。

3）利用GIS技術(shù)建立研究區(qū)DEM模型，確定坡度3°～15°的綠地為滲透綠地，3°以下的綠地為集水綠地，可規(guī)劃節(jié)水綠地面積達(dá)1 664.19 hm2，占研究區(qū)總面積的37.10%。定位研究區(qū)節(jié)水綠地分布并規(guī)劃節(jié)水綠地系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綠地節(jié)水生態(tài)功能。

4）為研究區(qū)規(guī)劃節(jié)水綠地系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)布局呈“一環(huán)、三帶、三縱、三橫、一隔離、一核、一區(qū)、兩片、多點(diǎn)”的平面格局，為研究區(qū)規(guī)劃公共綠地（公園綠地19%）、生產(chǎn)綠地（2%）、防護(hù)綠地（8%）、附屬綠地（道路綠地、居住區(qū)綠地10%）和其他綠地（風(fēng)景區(qū)綠地4%）5個(gè)基本綠地類型，使遠(yuǎn)期綠地率達(dá)43%、綠化覆蓋率達(dá)48%、公園覆蓋率達(dá)85%以上。

[1] Edgar L V, Andrew D. Analysis of a rainwater collection system for domestic water supply in Ringdansen, Norrk?ping, Sweden[J]. Building and Environment, 2005, 40(9): 1174－1184.

[2] Lu Xiaofeng, Sun Yi, Li Bo, et al. Research on utilization of urban rainwater resources[J]. Energy Procedia, 2011, 3(5): 2410－2415.

[3] Zeng Bing, Tan Haiqiao, Wu Lijuan. A new approach to urban rainwater management[J]. Journal of China University of Mining and Technology, 2007, 17(1): 82－84.

[4] 張彪，謝高地，薛康，等. 北京城市綠地調(diào)蓄雨水徑流功能及其價(jià)值評(píng)估[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，31(13)：3839－3845. Zhang Biao, Xie Gaodi, Xue Kang, et al. Evaluation of rainwater runoff storage by urban green spaces in Beijing[J]. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(13): 3839－3845. (in Chinese with English abstract)

[5] 周維，張凱，張麗娟. 基于海綿城市視角下的城市綠地系統(tǒng)雨水管理研究[J]. 綠色科技，2017，8(4)：121－122. Zhou Wei, Zhang Kai, Zhang Lijuan. Study on rainwater utilization of urban green land system based on the sponge city perspective[J]. Journal of Green Science and Technology, 2017, 8(4): 121－122. (in Chinese with English abstract)

[6] 何丹. 北京地區(qū)公園綠地雨水利用設(shè)計(jì)研究[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué)，2014. He Dan. Research on the Rainwater Utilization Design in Large Parks in Beijing on Area[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[7] 王凱平. 城市園林景觀設(shè)計(jì)中雨水收集的利用方式的思考[J]. 工程技術(shù)研究，2018，31(7)：243－244. Wang Kaiping. Thoughts on rainwater collection and utilization in urban landscape design[J]. Engineering and Technological Research, 2018, 31(7): 243-244. (in Chinese with English abstract)

[8] 趙西寧，吳普特，馮浩. 小流域雨水資源化潛力及其可持續(xù)利用分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(7)：38－41. Zhao Xining, Wu Pute, Feng Hao, et al. Analysis of potential and sustainable utilization of rainwater resources in small watershed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE). 2005, 21(7): 38－41. (in Chinese with English abstract)

[9] 宋云，俞孔堅(jiān). 構(gòu)建城市雨洪管理系統(tǒng)的景觀規(guī)劃途徑：以威海市為例[J]. 城市問(wèn)題，2007，26(8)：64－70.Song Yun, Yu Kongjian. The landscape planning approach to construct administration system of city storm water: a case study of Weihai city[J]. Urban Problems, 2007, 26(8): 64－70. (in Chinese with English abstract)

[10] 劉若愚. 基于GIS上的長(zhǎng)株潭結(jié)合部雨水利用系統(tǒng)規(guī)劃研究：以昭山鄉(xiāng)為例[D]. 長(zhǎng)沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.Liu Ruoyu. The Rainwater Utilization System Planning Research about the Junction of Changsha—Zhuzhou—Xiangtan City Based on GIS: The Case Study of Zhaoshan Township[D]. Changsha: Hunan Agricultural University, 2010. (in Chinese with English abstract)

[11] 張建新，鄭大瑋，武永利. 基于3S技術(shù)的可收集雨水資源潛力的計(jì)算與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(10)：40－44.Zhang Jianxin, Zheng Dawei, Wu Yongli. Calculation and analysis of the collectable rainwater resource potential based on GIS, GPS and RS[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(10): 40－44. (in Chinese with English abstract)

[12] 宋進(jìn)喜，宋令勇，何艷芬，等. 基于GIS的西安市雨水收集潛力估算[J]. 干旱區(qū)地理，2009，32(6)：874－879. Song Jinxi, Song Lingyong, He Yanfen, et al.GIS-based estimation of potential amount of rainwater for utilization in Xi’an city[J]. Arid Land Geography. 2009, 32(6): 874－879. (in Chinese with English abstract)

[13] 宰松梅，馮雪芳，仵峰，等.時(shí)間尺度對(duì)農(nóng)田灌溉設(shè)計(jì)保證率的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(16)：96－102. Zai Songmei, Feng Xuefang, Wu Feng, et al. Effect of time scales on probability of irrigation water requirement of farmland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(16): 96－102. (in Chinese with English abstract)

[14] John D. Valiantzas Simplified forms for the standardized FAO-56 Penman－Monteith reference evapotranspiration using limited weather data[J]. Journal of Hydrology, 2013, 505: 13－23.

[15] 茍思，劉超，賀宇欣，等. 植物水分來(lái)源季節(jié)性變化對(duì)區(qū)域蒸散發(fā)模擬的影響[J]. 工程科學(xué)與技術(shù)，2018，62(4)：63－70. Gou Si, Liu Chao, He Yuxin, et al.Impacts of shift of plant water sources on regional evapotranspiration simulation[J]. Advanced Engineering Sciences, 2018, 62(4): 63－70. (in Chinese with English abstract)

[16] 劉鈺，Pereira L S. 對(duì)FAO推薦的作物系數(shù)計(jì)算方法的驗(yàn)證[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2000，16(5)：26－30Liu Yu, Pereira L S. Validation of FAO methods for estimating crop coefficients[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2000, 16(5): 26－30. (in Chinese with English abstract)

[17] 劉鈺，蔡林根. 參照騰發(fā)量的新定義及計(jì)算方法對(duì)比[J]. 水利學(xué)報(bào)，1997，42(6)：28－34.Liu Yu, Cai Lingen. Update definition and computation of reference evapotranspiration comparison with former method[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1997, 42(6): 28－34. (in Chinese with English abstract)

[18] Allen R G, Smith M, Perrier A, et al. An update for the definition of reference evapotranspiration[J]. ICID Bulletin, 1994, 143(2): 31－34.

[19] Tzoulas K. Promoting ecosystem and urban health in urban areas using Green Infrastructure: A literature review[J]. Landscape and Urban Planning, 2007(7): 167－178.

[20] 邱振存，管健. 園林綠化植物灌溉需水量估算[J]. 節(jié)水灌溉，2011(4)：48－50. Qiu Zhencun, Guan Jian. The water requirement estimation of landscape plants irrigation[J]. Water Saving Irrigation, 2011(4): 48－50. (in Chinese with English abstract)

[21] 張龍曦. 談園林綠化設(shè)計(jì)中的節(jié)水措施[J]. 低碳世界，2017，7(2)：282－284. Zhang Longxi. Discussion on water saving measures in landscape greening design[J]. Low Carbon World, 2017, 7(2): 282－284. (in Chinese with English abstract)

[22] 趙西寧，吳普特，馮浩，等. 基于GIS的區(qū)域雨水資源化潛力評(píng)價(jià)模型研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(2)：6－10. Zhao Xining, Wu Pute, Feng Hao, et al. Regional rainwater harvesting potential assessment model based on GIS[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(2): 6－10. (in Chinese with English abstract)

[23] 陶望雄. 雨水利用理論與技術(shù)方案研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2016.Tao Wangxiong. Research on Theory and Technical Program of Rainwater Utilization[D]. Xi’an: Chang’an University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[24] 溫川，殷戰(zhàn)陽(yáng). 格爾木河格爾木站年徑流特征及豐平枯水年劃分[J]. 科技信息，2011, 28(13)：447－450. Wen Chuan, Yin Zhanyang. Annual runoffcharacteristics and the divided years with rich, normal and dry precipitation of GolmudStation in Golmud River[J].Science & Technology Information, 2011, 28(13): 447－450. (in Chinese with English abstract)

[25] 曹傳生，劉慧民，王南. 屋頂花園雨水利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(9)：76－85. Cao Chuansheng, Liu Huimin, Wang Nan. Design and practice of rainwater utilization system for roof garden[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(9): 76－85. (in Chinese with English abstract)

[26] 吳愛華，袁帥. 海綿城市建設(shè)在舊城區(qū)改造工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 建筑節(jié)能，2017，25(7)：47－51. Wu Aihua, Yuan Shuai. Application of sponge city construction in old city reconstruction project[J]. Building Energy Efficiency, 2017, 25(7): 47－51. (in Chinese with English abstract)

[27] 陳奇靈. 海綿城市理論在公共綠地設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 中外建筑，2018，24(7)：182－185. Chen Qiling. Application of sponge city theory in public green space design[J]. Chinese & Overseas Architecture, 2018, 24(7): 165－170.(in Chinese with English abstract)

[28] Carson M A, Kirkby M J. Hillslope Form and Process[D]. Cambridge: Cambridge University Press, 1972.

[29] Zhang Mulan, Chen Hao, Wang J Z, et al. Rainwater utilization and storm pollution control based on urban runoff characterization[J]. Journal of Environmental Sciences, 2010, 22(1): 40－46.

[30] 張靜，周玉文，劉春，等. 降雨地表徑流水質(zhì)模擬中SWMM模型水質(zhì)參數(shù)確定[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2017，40(5)：165－170. Zhang Jing, Zhou Yuwen, Liu Chun, et al. Determination of water quality parameters of SWMM model for water quality simulation of rainfall-runoff[J]. Environmental Science & Technology, 2017, 40(5): 165－170. (in Chinese with English abstract)

[31] 劉冠成，黃雅曦，王慶貴，等. 環(huán)境因子對(duì)植物物種多樣性的影響研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2018，34(13)：83－89. Liu Guancheng, Huang Yaxi, Wang Qinggui, et al. Effects of environmental factors on plants species diversity: Research progress[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2018, 34(13): 83—89. (in Chinese with English abstract)

[32] 付興濤，姚璟. 降雨條件下坡長(zhǎng)對(duì)陡坡產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程影響的模擬試驗(yàn)研究[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2015，29(5)：20－24. Fu Xingtao, Yaojing. Simulation experiment on the impact of slope length on steep slope runoff and sediment process under rainfall conditions[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(5): 20－24. (in Chinese with English abstract)

[33] 金志鳳，黃敬峰，李波，等. 基于GIS及氣候—土壤—地形因子的浙江省茶樹栽培適宜性評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(3)：231－236.Jin Zhifeng, Huang Jingfeng, Li Bo, et al.Suitability evaluation of tea trees cultivation based on GIS in Zhejiang Province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(3): 231－236. (in Chinese with English abstract)

[34] 孫貞婷，胡霞，李宗超，等. 土壤理化性質(zhì)與土壤濺蝕速率的相關(guān)性研究[J]. 水土保持研究，2017，32(3)：53－58. Sun Zhenting, Hu Xia, Li Zhongchao, et al. Correlations between soil physical-chemical proprieties and soil splash erosion rate[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2017, 32(3): 53－58. (in Chinese with English abstract)

[35] 曹傳生. 基于SPAC理論的哈爾濱松北區(qū)節(jié)水綠地規(guī)劃設(shè)計(jì)研究[D]. 哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013. Cao Chuansheng. Research on Water-saving Green Space Planning and Design in Songbei District of Harbin Based on SPAC Theory[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2013. (in Chinese with English abstract)

City water-saving green space system planning based on GIS technology

Liu Huimin1, Gong Siyu1, Zou Tiean2, Pei Yingxin3, Pu Jie1, Jiang Shan1, Wang Xuena1, Fu Xingyuan1※

(1.,,150030, China;2.,,150030, China; 3.,116000, China)

In city green space planning, plant evapotranspiration (ET) and rainwater supply haven’t considered. In this study, city water-saving green space system was planned based on GIS technology by considering the plant ET and rainwater supply. We would take full advantage of rainwater resources and plan ecological green space system with water-saving function for the core area of Songbei in Harbin. The GIS technology was used for extraction of underlying subsurface of collectable rainwater for calculation of utilizable rainwater. Plant ET was calculated by Penman-Monteith formula. The results showed that the rainfall in the study area was concentrated in a range of 485-671 mm. The average rainfall of 30 years was 524.5 mm. The rainfall maximized in the year of 1994 (524.5 mm) and minimized in the year of 1989(345.5 mm). The rainfall from June to August accounted for 66.4% of the annual rainfall. Among 5 levels, light and moderate rain were the main levels of rainfall and total of them accounted for 69.3% of the total rainfall. Rainwater resources utilization was annually 5 126 800 m3. The total of the plant ET was annually 6 397 100 m3from May to October while in the same time the total amount of rainwater could be collected 4 561 700 m3. The rainwater resource could reach 71.31% of plant ET. Water demand of plants was mostly consistent with rainfall period. The rainwater harvesting amount in July and August could fully meet the requirement of water by plants, however, the rainwater was less than the required water by plants in the other months especially in May. The rainwater harvested in May only accounted for 28.35% of plant ET. The distribution map of water-saving green space of study area was built up. The green space with the slope between 3° and 15° was designed as the infiltration type greenbelt, and the slope less than 3° was as the water-collecting green space, and by the DEM model, the area of potential water-saving green space could reach 1 664.19 hm2, which was 37.10% of the research area. By using the theory of hydraulic engineering and geographic information science, and taking the water-saving green space as the main body, the water-saving green space system with using rainwater resource was planned for the study area. The system structure was one green ring, three green belts, three vertical and three horizontal green belts, one green isolation belt, one green core, one green region, two green spaces and multiple green points. Five basic types of green space were planned for the study area with park green space (19%), production green space (2%), protective green space (8%), affiliated green space (10%) and the other green space (4%). So the green coverage rate could reach 48% and park coverage rate would reach more than 85%, and the long-term green space rate would reach 43%. This paper showed a method for planning urban green space system with water-saving ecological function so that the water resources in urban could be fully utilized.

rainfall; evapotranspiration; GIS; green space; rainwater resources; Harbin; planning; water-saving

2018-11-30

2019-02-25

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（E2018009）

劉慧民，博士，教授，主要從事園林景觀生態(tài)與園林規(guī)劃設(shè)計(jì)和園林植物逆境生理生態(tài)研究。Email：liuhm0423@163.com。

符興源，博士，副教授，主要從事園林景觀規(guī)劃與設(shè)計(jì)及景觀環(huán)境心理學(xué)研究。Email：1292676240@qq.com。

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.034

S731.2

A

1002-6819(2019)-06-0279-9

劉慧民，宮思羽，鄒鐵安，裴盈欣，浦 杰，姜 珊，王雪娜，符興源. 基于GIS技術(shù)規(guī)劃城市節(jié)水型綠地系統(tǒng)的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(6)：279－287. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.034 http://www.tcsae.org

Liu Huimin, Gong Siyu, Zou Tiean, Pei Yingxin, Pu Jie, Jiang Shan,Wang Xuena, Fu Xingyuan. City water-saving green space system planning based on GIS technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(6): 279－287. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.034 http://www.tcsae.org