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)域內的子流域單元，運用分區(qū)統(tǒng)計工具將海綿功能適用區(qū)分布結果賦予子流域單元，按照劃分原則初步識別邊界;根據空間自相關性進一步劃分邊界，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的弊端，從生態(tài)要素完整性的角度推動長三角區(qū)域一體化高質量發(fā)展，探討更大空間尺度的海綿城市建設模式。

關鍵詞：海綿城市;功能區(qū);長三角地區(qū)

中圖分類號：TU992 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2022）06-0-05

0 引言

長三角地區(qū)的經濟因水而興，但隨著中國工業(yè)化、現代化建設的飛速發(fā)展，該區(qū)域遭遇先破壞、后整治，環(huán)境空間被嚴重破壞，生態(tài)環(huán)境日趨惡劣，洪澇災害、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)調等問題也愈發(fā)突顯，嚴重制約著社會經濟的進一步發(fā)展。

建設海綿城市是保護水資源安全、恢復城市水資源生態(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)域經濟一體化發(fā)展的深入，各領域從宏觀角度出發(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不再局限于行政邊界或小尺度范圍內的研究。

文章針對目前的海綿城市建設常以行政區(qū)縣為研究對象，忽略自然水文條件的完整性且海綿城市建設呈現出片段化或碎片化傾向的問題，在長三角區(qū)域推進生態(tài)環(huán)境一體化共同保護的訴求下，借鑒生態(tài)功能區(qū)劃的研究思路，根據長三角地區(qū)的地質條件、建設條件、自然雨水排放通道的特征，基于高程數據和地理信息系統(tǒng)軟件空間分析法，分析海綿城市建設的各基礎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重，將基礎條件疊加分析，使流域內滿足“滲、滯、蓄、凈、用、排”的影響因素落位功能空間;了解區(qū)域內水文運動情況，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合理劃分海綿城市功能區(qū)，構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基礎條件

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個地級市。長三角地區(qū)為典型的亞熱帶季風氣候，氣候溫和濕潤，受梅雨和臺風影響較大，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)降雨指標得出：長三角的降雨量在過去57年中呈現集中分布趨勢，降雨周期在變短[5-6]。

1.2 數據的來源與處理

第一，高程數據來源于地理空間數據云下載。

第二，降水數據來源于中國氣象科學數據中心的降水資料，主要包括72個氣象站點在2011—2020年間的逐日降水量。

第三，土壤資料來源于世界土壤數據庫的土壤質地屬性數據。

第四，地下水位數據，一部分來源于各省地下水監(jiān)測年報，一部分根據知網相關論文總結而來。

第五，下墊面數據是全球30 m地表覆蓋下載的2020年全球地表覆蓋數據。

第六，建成區(qū)根據2020年夜間燈光數據提取。

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行計算分析。

1.3 生態(tài)本底條件

1.3.1 降水

根據中國氣象局的降水資料，基于長三角區(qū)域的高程數據統(tǒng)計分析長三角地區(qū)72個氣象站點在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730 mm，豐水年份最多達1 526 mm，降水量分布呈現南高北低的特點（見圖2）。

1.3.2 土壤

利用地理信息系統(tǒng)軟件，分析世界土壤數據庫的土壤質地屬性的相關數據可知，長三角區(qū)域的土壤質地由南到北依次以黏土、粉沙壤土、壤土為主（見圖3）。根據毛昶熙《堤防工程手冊》土壤滲透系數經驗值所提供的數據，滲透系數為粉沙壤土（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)計分析各省地下水監(jiān)測年報數據和各省市的年鑒數據可發(fā)現，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明顯的、由西向東逐漸增加的趨勢，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，根據地理空間數據云下載的高程數據，利用地理信息系統(tǒng)軟件提取并分析長三角區(qū)域的高程數據，結果顯示：長江以北地區(qū)以平原為主，地勢平坦;長江以南及其河流兩岸多為丘陵，地勢相對較高（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1 635 m。

1.4 建設條件

1.4.1 下墊面

建設海綿城市時，下墊面類型的解析是海綿技術設施選擇的基礎，根據2020年全球地表覆蓋數據，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：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)

分析夜間燈光數據是大尺度的城市研究的一種獨特的數據獲取手段[9]，已有許多學者在夜間燈光數據的基礎上，完成對城市建成區(qū)夜間燈光數據的提取。根據2020年夜間燈光數據，借助地理信息系統(tǒng)軟件提取并分析長三角區(qū)域建設用地的燈光密度指數，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”功能要素的基礎條件分布特征。

海綿城市建設的主要技術設施以“滲、滯、蓄、凈、用、排”六大功能要素實現，功能要素對應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相結合的多指標決策分析技術，通過構建判斷矩陣，兩兩對比各評價因子的重要程度，從而得到各影響因子權重[11]，為適用性的分析提供依據。

利用層次分析軟件，構建海綿功能層次結構指標體系（見圖7），基于降水、土壤、下墊面、坡度基礎要素條件特征，采用1～9的比例標度法[12]，構建比較判斷矩陣;邀請相關領域專家學者打分，最后計算出各影響要素的權重值（見表2）。

運用地理空間信息系統(tǒng)疊加分析基礎條件權重值，合并參與疊加的數據集，在所示分區(qū)內根據下墊面類型、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)服務是我國城市生態(tài)基礎設施建設的核心內容和要點[13]，也是“海綿城市”建設的目標，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)，基于對海綿城市建設中基礎條件的特征分析，海綿城市功能區(qū)劃分的基本原則主要包括以下幾個方面。

3.1.1 維護生態(tài)要素的完整性

海綿城市的實質是通過科學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、變化和交換等活動中更加自由[14]。由于降水、地貌、地形、土質、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，因此強調“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，而城市建設在一定程度上也會改變原有的自然的地形地貌和水系形態(tài)。自然界水文過程從降雨產生到降雨徑流形成、積累，可分為填挖入滲、產流匯流、入滲蒸發(fā)三個階段[16]，在海綿城市建設的實踐中，各項工作都是基于自然雨水徑流路線，并以排水分區(qū)為基礎而開展的[17]，在宏觀區(qū)域尺度內劃分排水分區(qū)，應當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)調管理

功能區(qū)的劃分需要從滿足區(qū)域社會經濟發(fā)展、生態(tài)保護工作、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、工程建設條件等內容密切相關，因此，選擇海綿設施系統(tǒng)時，需要分析和比較各項功能，選取最優(yōu)功能組合。海綿城市功能區(qū)還應當引領子區(qū)域海綿城市建設的技術標準，以子流域為單元，分析單元內山、水、林、田、湖、草生態(tài)系統(tǒng)內部的有機聯(lián)系，并在此基礎上因地制宜，選擇相應的海綿技術設施建立技術標準。

3.2 邊界識別

借鑒生態(tài)學的方法和原理，考慮生態(tài)要素完整性，以流域為劃分邊界，借助地理信息系統(tǒng)軟件分析長三角區(qū)域水文運動情況，進而確定子流域單元的范圍，利用分區(qū)統(tǒng)計工具，將初步得到的海綿功能適用區(qū)空間分布結果賦予子流域單元，并通過空間自相關性分析，進一步合并相關子流域，最終形成長三角地區(qū)海綿城市功能區(qū)劃分結果，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 結語

水生態(tài)建設是海綿城市建設的主要問題，要突破原有界限的限制，并探索突破行政邊界，實現跨區(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過程中劃定范圍的問題，實現由傳統(tǒng)針對行政邊界研究向區(qū)域尺度研究的尺度轉換。結合水文學、生態(tài)學、地理學的理論和方法，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提供依據和參考。

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，海綿城市工程的實施涉及城市規(guī)劃建設中的多領域、多部門。在落實海綿城市相關工程的建設時，海綿技術設施類型的選擇需要結合海綿城市功能區(qū)功能要素類型，選擇合適的海綿設施和技術。希望通過長三角地區(qū)的海綿城市研究，為海綿城市建設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。