城市雨水花園選址與土地適宜性評(píng)價(jià)
——以河南省滎陽(yáng)市為例

吳奇原， 王鑫宇， 崔文妍， 曹釗豪， 田國(guó)行

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院，鄭州 450002； 2.華北水利水電大學(xué)建筑學(xué)院，鄭州 450002）

隨著城市化的快速發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷推進(jìn)，城市旱澇同期越來(lái)越常態(tài)化. 面對(duì)日益頻發(fā)的城市水環(huán)境問(wèn)題，海綿城市建設(shè)應(yīng)運(yùn)而生. 2013年，中央城鎮(zhèn)化會(huì)議上，提出了建設(shè)海綿城市的要求. 2014年中國(guó)住建部發(fā)布了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》，而后各級(jí)政府部門相繼出臺(tái)了一系列海綿城市建設(shè)的相關(guān)文件［1］.雨水花園作為海綿城市建設(shè)的重要應(yīng)用形式，是一種生態(tài)可持續(xù)的雨洪控制與雨水利用設(shè)施［2］. 雨水花園是海綿城市建設(shè)的重要形式. 在雨水花園的實(shí)際建設(shè)中，重點(diǎn)主要集中在雨水源頭控制、雨水處理、技術(shù)措施等具體的工程措施. 然而城市水環(huán)境問(wèn)題是區(qū)域性的、大尺度的城市問(wèn)題. 需要在城市整體系統(tǒng)建立綜合的空間布局，從市域范圍的角度去考慮建設(shè)的適宜性，需要充分考慮到雨水花園建設(shè)選址的合理性和科學(xué)性.

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始建立城市雨洪管理體系，發(fā)展“用納滯蓄”的雨洪資源收集與利用［3］. 國(guó)內(nèi)雨洪管理思想發(fā)展較晚，從20世紀(jì)90年代開(kāi)始關(guān)注雨洪利用技術(shù)［4］. 1993年，美國(guó)馬里蘭州雨洪專家首次在《雨洪管理中的生物滯留區(qū)設(shè)計(jì)手冊(cè)（Design Manual for Use of Bioretention in Stormwater Management）》中提出了雨水花園的概念［5］. 雨水花園是基于天然地形或景觀工程構(gòu)建的下沉綠地，可以儲(chǔ)存多降雨季節(jié)時(shí)的雨水，并通過(guò)一系列的過(guò)濾與下滲，轉(zhuǎn)換成中水，一方面可以補(bǔ)充城市日常用水，另一方面也可以涵養(yǎng)地下水，補(bǔ)充水資源［6］. 雨水花園的建設(shè)適宜性主要是通過(guò)生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)方法實(shí)現(xiàn).

生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)方法最早是由美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)麥克哈格提出［7］. 融合了生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等多種學(xué)科，是一種綜合性的研究方法. 目前比較常見(jiàn)的生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)方法，源于麥克哈格提出的“千層餅”模式［8］. 伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和GIS的出現(xiàn)，豐富了生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)的方法，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué). 土地適宜性評(píng)價(jià)逐漸應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，例如景觀生態(tài)評(píng)價(jià)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、區(qū)域規(guī)劃和建設(shè)適宜性等［9］. 國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)的研究主要強(qiáng)調(diào)適宜性是土地對(duì)某種特定利用方式的適宜程度. 國(guó)內(nèi)早期是通過(guò)模糊數(shù)學(xué)方法、多指標(biāo)決策模型的結(jié)合對(duì)土地適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)［10］. 后來(lái)采用了GIS多因素疊加的方法，充分考慮到土地利用現(xiàn)狀和自然因素，通過(guò)將不同的評(píng)價(jià)因子進(jìn)行疊加分析，評(píng)價(jià)其適宜程度，并劃分適宜程度等級(jí)［11］. 隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者的深入研究，土地適宜性評(píng)價(jià)方法更加具有科學(xué)性和合理性.

在海綿城市建設(shè)和研究的推進(jìn)下，雨水花園的建設(shè)得到了眾多學(xué)者和專家的重視，但是在實(shí)際的建設(shè)中，往往考慮的都是工程技術(shù)層面的問(wèn)題，缺乏科學(xué)合理的選址布局規(guī)劃. 合理的選址一方面可以降低雨水花園建設(shè)的難度、減少建設(shè)的成本；另外一方面，除了工程措施，優(yōu)化選址也可以充分利用場(chǎng)地的地形因素，通過(guò)場(chǎng)地原有地形的調(diào)整也可以達(dá)到雨水花園的效果. 雨水花園建設(shè)的選址重點(diǎn)在于適宜性、效益型和經(jīng)濟(jì)型，通過(guò)優(yōu)化選址可以有助于雨水花園的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、合理的海綿城市建設(shè).

1 研究區(qū)域概況

滎陽(yáng)市（34°36′05″～34°58′01″N，113°09′36″～113°28′48″E）地處黃河中下游，東鄰鄭州約15 km，西接鞏義，南與新密交接，北濱黃河，東西約30 km，南北約40 km. 市域面積約為943.2 km2.

2019年度鄭州水資源公報(bào)中統(tǒng)計(jì)到滎陽(yáng)市年降水量3.489 4億m3，多年均值降水量5.347 0億m3，地表水資源0.399 7億m3. 根據(jù)多年水資源公報(bào)可以看出，滎陽(yáng)市雨水流失、旱澇同期嚴(yán)重，海綿城市建設(shè)迫在眉睫.

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究的數(shù)據(jù)包括從地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gsclou.cn）獲取的滎陽(yáng)市2020 年Landsat 8 OLI_TIRS 30 m精度的遙感影像數(shù)據(jù)、ASTER GDEM 30 m數(shù)字高程數(shù)據(jù).

通過(guò)RSD輻射校正對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理后，進(jìn)行全色波段融合至15 m精度. 利用ENVI5.3對(duì)影像進(jìn)行監(jiān)督分類得到土地利用類型，包括林地、草地、耕地、建設(shè)用地、水系，將監(jiān)督分類的結(jié)果與用地類型歸并，最后進(jìn)行Kappa驗(yàn)證，驗(yàn)證土地分類的結(jié)果，驗(yàn)證系數(shù)為0.931 1；通過(guò)影像拼接和裁剪得到研究區(qū)DEM數(shù)據(jù).

2.2 雨水花園建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

遵循海綿城市理念，利用谷地崗腹建立低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)，蓄住過(guò)境水和自然降水，解決季節(jié)性、區(qū)域性缺水問(wèn)題［12］. 在本研究中，對(duì)海綿城市建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)主要通過(guò)建設(shè)可行性進(jìn)行評(píng)估，包括水文模擬、地形分析、用地類型分析［13］.

2.2.1 建設(shè)適宜性指標(biāo)因子 影響海綿城市建設(shè)的因素有很多，在本研究中選取土地利用、高程、坡度、坡向、與建筑物距離等要素進(jìn)行建設(shè)可行性評(píng)估.

1）用地類型分析

土地利用類型：參考北京市《城市雨水利用工程技術(shù)規(guī)程》（DB11/T 685—2009）中的規(guī)定“雨水花園宜設(shè)置在面積大于100 m2的塊狀綠地內(nèi)”，面積和設(shè)施深度是影響儲(chǔ)水體積的重要因素，面積越大，設(shè)施深度越深，則儲(chǔ)水體積越大，對(duì)徑流量的削減能力越強(qiáng)［14］. 因此在土地利用類型中選擇占地面積較大的林地、草地以及廣場(chǎng)等作為海綿城市建設(shè)適宜用地.

與建筑物距離：《城市雨水利用工程技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定：下滲型雨水花園距離建筑物邊緣應(yīng)不小于3 m以防浸泡地基，以此條件建立緩沖區(qū)進(jìn)行分析.

2）地形因子分析

本文通過(guò)綜合分析，選取高程、坡度和坡向作為研究的地形因子.

高程：地勢(shì)較低的區(qū)域可以降低建設(shè)成本，減小建設(shè)難度［15］.

坡度：坡度的選取直接影響到建設(shè)的成本和難度，因此選取合適的坡度因子至關(guān)重要. 坡度越小，地表徑流流速越低，流經(jīng)緩沖區(qū)的時(shí)間越長(zhǎng)，污染物截留和降解效率也越高［16］，同時(shí)坡度越低越有利于雨水下滲，另外地勢(shì)較平坦便于施工和維護(hù).

坡向：不同的坡向會(huì)有不同的光照條件，不同的光照條件會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生不同的影響. 合適的太陽(yáng)光照、日照時(shí)間和溫度等條件有利于植物的生長(zhǎng)，因此光照充足的南、東南、西南、東、西方向是建設(shè)的適宜性區(qū)域［17］.

2.2.2 建設(shè)適宜性指標(biāo)的權(quán)重 選取土地利用類型、與建筑物距離、高程、坡度和坡向作為建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)，依據(jù)專家打分結(jié)果構(gòu)建層次分析法的判別矩陣，并通過(guò)一致性檢驗(yàn)［18］. 其中土地利用類型因素的權(quán)重占16.29%，與建筑物距離因素的權(quán)重占16.67%，高程因素的權(quán)重占11.97%，坡度因素的權(quán)重占48.45%，坡向因素的權(quán)重占6.63%（如表1）.

表1 層次分析法判別矩陣Tab.1 AHP discriminant matrix

2.2.3 指標(biāo)因子等級(jí)劃分與賦值 通過(guò)使用ArcGIS中的分析工具，將所選的土地利用、高程、坡度、坡向、與建筑物的間距進(jìn)行分級(jí)，然后通過(guò)重分類來(lái)對(duì)分級(jí)后的阻力因子進(jìn)行賦值，利用AHP層次分析法對(duì)所選的阻力因子進(jìn)行權(quán)重劃定［19］（如表2）.

表2 建設(shè)適宜性因子權(quán)重、分級(jí)與賦值表Tab.2 The weight，grading and assignment table of the suitability factor

3 結(jié)果與分析

3.1 建設(shè)適宜性指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果分析

對(duì)土地利用類型、高程、坡度、坡向、與建筑物的距離這5個(gè)可行性指標(biāo)的賦值分?jǐn)?shù)進(jìn)行重分類，可以得到各指標(biāo)建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果［20］.

對(duì)各指標(biāo)建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分級(jí)，極適宜區(qū)域?yàn)橐患?jí)建設(shè)區(qū)域，高適宜性區(qū)域?yàn)槎?jí)建設(shè)區(qū)域，中適宜性區(qū)域?yàn)槿?jí)建設(shè)區(qū)域，低適宜區(qū)域?yàn)樗募?jí)建設(shè)區(qū)域［21］.

地形因子包括高程、坡度和坡向. 在高程方面，研究區(qū)域位于豫西丘陵向豫東平原過(guò)渡地帶，整體地勢(shì)自西南向東北逐漸傾斜至西部及北部邙山黃土丘陵，最適宜建設(shè)區(qū)域主要分布在主城區(qū)，屬于半平原半丘陵地帶. 在坡度方面，坡度越緩，雨水流速越慢，因此選取0～4°坡度為一級(jí)建設(shè)區(qū)域，4°～8°坡度為二級(jí)區(qū)域，8°～16°坡度為三級(jí)建設(shè)區(qū)域，16°坡度以上為四級(jí)建設(shè)區(qū)域. 在坡向方面，不同的方向有不同的日照條件，南、東南、西南坡向日照充足，有利于雨水花園內(nèi)的植物生長(zhǎng)，可以作為一級(jí)建設(shè)區(qū)域，東、西坡向?yàn)槎?jí)建設(shè)區(qū)域，東北、西北坡向?yàn)槿?jí)建設(shè)區(qū)域，北坡向?yàn)樗募?jí)建設(shè)區(qū)域. 用地類型因子包括土地利用類型和與建筑物距離. 在土地利用類型方面，林地和草地對(duì)雨水有較好的吸收和消納作用，作為一級(jí)建設(shè)區(qū)域，裸地是二級(jí)建設(shè)區(qū)域，水域、建設(shè)用地是四級(jí)建設(shè)區(qū)域. 與建筑物距離方面，與建筑物距離較近會(huì)侵蝕到建筑物地基，因此與建筑物距離在3 m之內(nèi)是四級(jí)建設(shè)區(qū)域，大于3 m是一級(jí)建設(shè)區(qū)域［22］（圖1）.

圖1 建設(shè)適宜性指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.1 Evaluation result of construction suitability index

3.2 雨水花園建設(shè)適宜性綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)使用ArcGIS中的加權(quán)疊加工具，對(duì)土地利用類型、高程、坡度、坡向和與建筑物的間距這五個(gè)建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行疊加，得出綜合建設(shè)適宜性值，形成綜合建設(shè)適宜性面（如圖2）.

本文選取一級(jí)建設(shè)區(qū)域作為可建設(shè)區(qū)域. 從圖2 中的綜合適宜性圖中可以得出，可建設(shè)區(qū)域面積為249.03 km2，占研究區(qū)域總面積的26.4%，主要分布在北部黃河灘地向丘陵過(guò)渡地區(qū)、中部沖積扇平原地區(qū)以及各級(jí)河道沿線區(qū)域. 北部黃河灘地向丘陵過(guò)渡地區(qū)的地形地貌基本以平原為主，地面起伏平緩，水域遼闊，灘涂廣布，濕地類型多樣；中部沖積扇平原地區(qū)內(nèi)水資源類型多樣，包括河流、湖泊、干渠、水庫(kù)與各類公園內(nèi)的水等，其中主要河流有索河萬(wàn)山湖以北段（含滎陽(yáng)境內(nèi)索須河）、枯河、須水河等（圖3）.

圖2 綜合建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.2 Results of suitability evaluation for comprehensive construction

圖3 可建設(shè)區(qū)域Fig.3 Constructable area

3.3 雨水花園可建設(shè)用地分布分析

雨水花園可建設(shè)區(qū)域主要分布在研究區(qū)的中部和北部區(qū)域. 主要包括中部平原地區(qū)內(nèi)各單位的附屬綠地，城市道路周邊區(qū)域、北部未利用地以及河流兩岸帶狀綠地. 在中部平原地區(qū)，可建設(shè)區(qū)域主要位于居民區(qū)、政府單位、商業(yè)區(qū)的內(nèi)部附屬綠地，可以直接將原有綠地改建雨水花園. 在城市道路周邊的區(qū)域，可以通過(guò)改造建成小面積嵌入式雨水花園. 在北部大面積未利用地中，可以建成大型雨水花園［23］.

可用于雨水花園建設(shè)用地的區(qū)域整體上在各個(gè)村鎮(zhèn)均有分布. 在崔廟鎮(zhèn)中，一級(jí)建設(shè)區(qū)面積為15.54 km2，二級(jí)建設(shè)區(qū)面積為42.01 km2；賈峪鎮(zhèn)范圍內(nèi)，一級(jí)建設(shè)區(qū)面積為13.50 km2，二級(jí)建設(shè)區(qū)面積為38.45 km2；劉河鎮(zhèn)范圍內(nèi)，一級(jí)建設(shè)區(qū)面積為6.30 km2，二級(jí)建設(shè)區(qū)為24.70 km2；城關(guān)鄉(xiāng)范圍內(nèi)，一級(jí)建設(shè)區(qū)面積為3.84 km2，二級(jí)建設(shè)區(qū)為4.36 km2；金寨回族鄉(xiāng)范圍內(nèi)，一級(jí)建設(shè)區(qū)面積為1.16 km2，二級(jí)建設(shè)區(qū)為1.84 km2；喬樓鎮(zhèn)范圍內(nèi)，一級(jí)建設(shè)區(qū)面積為39.92 km2，二級(jí)建設(shè)區(qū)為68.08 km2；高山鎮(zhèn)范圍內(nèi)，一級(jí)建設(shè)區(qū)面積為23.75 km2，二級(jí)建設(shè)區(qū)為50.35 km2；汜水鎮(zhèn)范圍內(nèi)，一級(jí)建設(shè)區(qū)面積為14.71 km2，二級(jí)建設(shè)區(qū)為34.50 km2；王村鎮(zhèn)范圍內(nèi)，一級(jí)建設(shè)區(qū)面積為36.38 km2，二級(jí)建設(shè)區(qū)為46.04 km2；高村鄉(xiāng)范圍內(nèi)，一級(jí)建設(shè)區(qū)面積為32.71 km2，二級(jí)建設(shè)區(qū)為46.16 km2；廣武鎮(zhèn)范圍內(nèi)，一級(jí)建設(shè)區(qū)面積為51.68 km2，二級(jí)建設(shè)區(qū)為70.06 km2［24］（圖4 和表3）. 廣武鎮(zhèn)的一級(jí)建設(shè)區(qū)域最大，王村鎮(zhèn)一級(jí)建設(shè)區(qū)的面積所占比例最大. 從全域的角度來(lái)看，可以優(yōu)先選擇在廣武鎮(zhèn)和王村鎮(zhèn)進(jìn)行建設(shè).

表3 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)可建設(shè)區(qū)域面積Tab.3 Area available for construction in each township

4 結(jié)論與展望

本文通過(guò)ArcGIS加權(quán)疊加的方法，對(duì)土地利用類型、與建筑物距離、地形、坡度、坡向因子根據(jù)不同的權(quán)重進(jìn)行疊加，考慮各因子對(duì)雨水花園建設(shè)用地不同的影響程度，使海綿城市建設(shè)更加科學(xué). 結(jié)合滎陽(yáng)市現(xiàn)狀和研究結(jié)果分析，可以得到以下結(jié)論：

可建設(shè)區(qū)域的總面積為239.49 km2，占研究區(qū)域總面積的25.39%. 可建設(shè)區(qū)域占村鎮(zhèn)總面積比例最大的是王村鎮(zhèn)，位于滎陽(yáng)市西北方向；其次是廣武鎮(zhèn)，位于滎陽(yáng)市東北方向；高村鄉(xiāng)可建設(shè)面積占比為30.48%，可建設(shè)區(qū)域面積占比僅次于廣武鎮(zhèn)；緊接著是位于中部城區(qū)的喬樓村；接下來(lái)依次是金寨回族鄉(xiāng)、城關(guān)鄉(xiāng)、氾水鎮(zhèn)、高山鎮(zhèn)、崔廟鎮(zhèn)、賈峪鎮(zhèn)和劉河鎮(zhèn). 其中面積占比前三的王村鎮(zhèn)、廣武鎮(zhèn)和高村鄉(xiāng)均位于滎陽(yáng)市北部，三個(gè)村可建設(shè)區(qū)域面積之和為120.77 km2，占總可建設(shè)面積的50.43%，由于北部林地和草地較多，有較多適宜的雨水花園建設(shè)的用地類型，并且地形較緩，建設(shè)難度低；喬樓村、金寨回族鄉(xiāng)和城關(guān)鄉(xiāng)位于滎陽(yáng)市中部主城區(qū)，地形平坦，坡度較緩，有適宜的雨水花園建設(shè)高程和坡度條件，但由于建筑物較多，與建筑物距離限制了一定的建設(shè)，因此可建設(shè)的面積小于北部的王村鎮(zhèn)、廣武鎮(zhèn)和高村鄉(xiāng)；崔廟鎮(zhèn)、賈峪鎮(zhèn)和劉河鎮(zhèn)位于滎陽(yáng)市南部，受黃土溝壑地形的影響，建設(shè)難度較大，建設(shè)適宜性較低，因此可建設(shè)的面積較少.

在北部地區(qū)，人口密度低，土地面積大，可以利用大面積的未利用地建設(shè)大型雨水花園，以及利用枯河河岸兩側(cè)綠地建設(shè)雨水花園. 在中部平原地區(qū)，利用主城區(qū)的政府單位和居住區(qū)附屬綠地建設(shè)小型雨水花園，可以利用索河以及三仙廟水庫(kù)、丁店水庫(kù)、楚樓水庫(kù)和河王水庫(kù)構(gòu)建城市海綿體. 在南部區(qū)域，受地形限制，在可建設(shè)區(qū)域零散的小型雨水花園.

雨水花園的選址除了要滿足適宜性和科學(xué)性的原則，還應(yīng)該考慮到社會(huì)、文化和經(jīng)濟(jì)因素. 研究的結(jié)果只是明確了適宜建設(shè)用地的空間分布和面積，但沒(méi)有更進(jìn)一步區(qū)分具體的土地用途，這將作為下一步研究的方向. 2021年7月20日，河南省鄭州市遭遇了特大暴雨，日降水量達(dá)到650.7 mm，由暴雨引發(fā)的洪澇災(zāi)害在全球范圍內(nèi)成為新常態(tài). 雨水花園的建設(shè)在局部地區(qū)的雨水調(diào)節(jié)將起到重要的作用，雨水花園建設(shè)的選址布局在市域地區(qū)的雨水調(diào)控不容忽視. 優(yōu)化雨水花園建設(shè)的選址有助于提高雨水花園防洪防澇效果.