基于層次分析法的城市用地水安全評(píng)價(jià)

林 彬，曾萃林，向美洲

（浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州310014）

在快速的城市化進(jìn)程中，由不合理的土地利用方式引發(fā)的城市水污染問題、城市水災(zāi)害問題、城市沉降問題和城市氣候微循環(huán)問題等城市水安全問題日趨嚴(yán)重［1-3］。對(duì)此，各國(guó)政府及專家學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究。但從已有的研究來看，其研究或側(cè)重于自然科學(xué)的定量計(jì)算，或側(cè)重于人文科學(xué)的定性描述，均缺乏兩者的有機(jī)結(jié)合與整體認(rèn)識(shí)，也缺乏全面定量的深入研究。本文將從城市土地利用方式的人文科學(xué)角度出發(fā)，借助層次分析法對(duì)城市水安全問題與城市土地利用之間的關(guān)系進(jìn)行定量分析。

1 城市用地變化對(duì)水安全影響分析

城市化進(jìn)程中對(duì)水安全問題的影響主要體現(xiàn)在城市土地覆蓋的變化，它不僅包括建城區(qū)面積的擴(kuò)大，還包括城鎮(zhèn)建筑物、道路及其他基礎(chǔ)設(shè)施向周邊鄉(xiāng)村擴(kuò)散的過程。隨著建城區(qū)面積的擴(kuò)大，原本的用地平衡被打破，綠色植被被大量的瀝青、水泥等建筑物和城市基礎(chǔ)設(shè)施所代替，水域、濕地面積被侵蝕（圖1）。根據(jù)土地覆蓋類型，將現(xiàn)行GB／T 21010—2007《土地利用現(xiàn)狀分類》12個(gè)一級(jí)類別適當(dāng)簡(jiǎn)化，合并成水域、濕地、綠地及硬鋪地4類與城市水安全問題直接相關(guān)的用地方式（表1）。

圖1 城市化導(dǎo)致水安全問題分析Fig.1 Analysis of water safety caused by urbanization

表1 城市水安全分析采用的用地分類及其含義表Table 1 Land use classes and meanings for water safety analysis

1.1 水域、濕地對(duì)水安全的影響

城市發(fā)展過程中，其區(qū)域內(nèi)水域、濕地經(jīng)過千百年的自然演化，必然和本地的水文、生態(tài)等系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致，任何人為的改變必然會(huì)引起水系統(tǒng)破壞，造成水安全問題。水域具有蓄洪、泄洪功能，設(shè)計(jì)合理的水域還可以緩解部分水質(zhì)問題；濕地以其特有的地形儲(chǔ)存暴雨產(chǎn)生的徑流，其中豐富的動(dòng)植物與微生物可以滯留、吸附并凈化水中的污染物。城市水域、濕地面積比重的下降，將直接導(dǎo)致城市調(diào)蓄能力下降。特別是在較大的暴雨發(fā)生時(shí)，城市的市政排水管網(wǎng)往往難以承擔(dān)量少峰高的城市短時(shí)暴雨產(chǎn)生的內(nèi)澇，造成城市短時(shí)間大面積嚴(yán)重積水。此外，水域、濕地面積比重的下降也加劇了城市的熱島效應(yīng)，同時(shí)使城市水生動(dòng)植物失去棲息之地，破壞城市生物的多樣性，使城市水系統(tǒng)的自凈能力與安全性降低。

1.2 硬鋪地對(duì)水安全的影響

城市中如屋面、街道、人行道和停車場(chǎng)等硬鋪地滯水性極差，直接導(dǎo)致城市徑流速度增大和徑流量增加，使已有排水明溝、陰溝及橋涵過水能力不足，造成城市水災(zāi)害，如交通中斷、地下通道淹沒、房屋和財(cái)產(chǎn)遭受破壞等。由于硬鋪地的透水性極差，城市用水大量開采地下水后，不能及時(shí)有效地得到補(bǔ)充，導(dǎo)致地面沉降加劇，進(jìn)一步加大城市防洪除澇壓力。由于硬鋪地的熱力狀況，硬鋪率的增加破壞了城市氣候微循環(huán)，加劇了城市的熱島效應(yīng)，促進(jìn)城市降水，進(jìn)而增加雨水徑流量。此外，硬鋪地上的塵土、雜質(zhì)、渣滓及各類污染物在降雨期被徑流無阻攔、無處理地沖洗進(jìn)入河道，使城市地區(qū)河道中污染物濃度增加。

1.3 綠地對(duì)水安全的影響

城市綠地的滯水性與滲透性，可以降低城市的徑流速度、減少?gòu)搅髁?，并推遲徑流峰值的出現(xiàn)、減少峰量，形成對(duì)雨水進(jìn)行地下滲透回歸與儲(chǔ)存利用的防洪排水系統(tǒng)，極大地減輕城市的防洪排澇壓力，補(bǔ)充地下水，改善城市水文系統(tǒng)。城市綠地植物對(duì)污染物有截留、固化、凈化作用，使得徑流進(jìn)入河道時(shí)的污染物濃度降低，防止污染物濃度超過污水處理設(shè)施負(fù)荷導(dǎo)致的污染物溢出，污染受納水體。此外，綠地特有的蒸騰作用，可以促進(jìn)城市氣候微循環(huán)，緩解熱島效應(yīng)，進(jìn)而緩解雨洪壓力。

2 層次分析法確定城市用地水安全影響強(qiáng)度

2.1 層次分析法簡(jiǎn)介

層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是美國(guó)數(shù)學(xué)家Satty.T.L.在20世紀(jì)80年代提出的。它綜合整理人們的主觀判斷，把定量與定性相結(jié)合，是一種有效處理難以用定量方法來分析問題的手段［4］。

層次分析法就方法本身來說都是比較成熟的。首先將所要分析的問題層次化，根據(jù)問題的性質(zhì)和要達(dá)到的總目標(biāo)，將問題分解成不同的組成因素，按照因素間的相互關(guān)系及隸屬關(guān)系，將因素按不同層次聚集結(jié)合，形成一個(gè)多層分析結(jié)構(gòu)模型，最終形成指標(biāo)層相對(duì)于總目標(biāo)的重要程度的權(quán)重問題。運(yùn)用層次分析法作系統(tǒng)分析，大致經(jīng)過結(jié)構(gòu)模型建立、判斷矩陣構(gòu)造、指標(biāo)權(quán)重確定和綜合評(píng)價(jià)4個(gè)步驟。

2.2 建立層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)城市水安全問題的特征，將城市水安全作為目標(biāo)層（A）；將城市水安全中城市水污染問題、城市水災(zāi)害問題、城市沉降問題和城市氣候微循環(huán)問題作為準(zhǔn)則層（B）；將城市用地方式作為因素層（C），由于城市土地利用方式與水安全之間存在的關(guān)系受到土地利用類型及其空間分布的影響［5-6］，因此，因素層包括4類用地的比重與空間分布和城市總用地規(guī)模9個(gè)因素。以此建立層次結(jié)構(gòu)模型（圖2）。

2.3 構(gòu)造判斷矩陣并求各要素權(quán)重

2.3.1 構(gòu)造判斷矩陣

同一層次中各因素對(duì)上一層次中某一準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行兩兩比較，寫成如下矩陣形式：

A＝（bij）n×n

式中，A—判斷矩陣；n—兩兩比較的因素?cái)?shù)目；bij—因素Ui比Uj相對(duì)于某一準(zhǔn)則重要性的比例度，可按1～9比例標(biāo)度對(duì)重要性程度賦值（表2）。

先根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［1，3，7-8］掌握各個(gè)水安全問題的嚴(yán)重性，再根據(jù)城市規(guī)劃、水處理和水文環(huán)境等50多名專家學(xué)者的打分求其算數(shù)平均（表3），最后得到B1～B4數(shù)據(jù)。按照各層因素指標(biāo)相對(duì)應(yīng)上一層準(zhǔn)則層指標(biāo)影響程度大小建立判斷矩陣。

圖2 城市用地水安全參數(shù)層次結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Hierarchical structure model of urban water safety parameters

表2 相對(duì)重要程度對(duì)照表Table 2 Important degree contrast

表3 各土地利用方式對(duì)水環(huán)境影響打分平均值Table 3 Expert scoring on effects of urban land use

2.3.2 計(jì)算判斷矩陣的特征向量

計(jì)算判斷矩陣的特征向量，然后經(jīng)正規(guī)化的特征向量即為相對(duì)權(quán)重向量。

2.3.3 一致性檢驗(yàn)

一致性檢驗(yàn)指標(biāo)定義為：

式中：（AW）i—AW 的第i個(gè)分量，W＝ （W1，W2，…，Wn）；λmax—判斷矩陣的最大特征根；n—判斷矩陣的階數(shù)；Wi—因素i的特征向量，即相對(duì)權(quán)重。

然后，從表4中查取隨機(jī)性指標(biāo)RI，計(jì)算隨機(jī)一致性指標(biāo)CR，CR＝CI／RI

階數(shù)＞2時(shí)，當(dāng)CR＜0.1時(shí)，可認(rèn)為判斷矩陣的一致性符合要求，否則，應(yīng)重新進(jìn)行判斷，構(gòu)建新的判斷矩陣，使其最終滿足一致性檢驗(yàn)要求。

表4 隨機(jī)性指標(biāo)RI數(shù)值Table 4 Values of randomness index RI

經(jīng)過驗(yàn)證，判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)合格。其計(jì)算結(jié)果見表5～8。

表5 準(zhǔn)則層C指標(biāo)對(duì)目標(biāo)B1的計(jì)算表Table 5 Calculation for Cto B1

表6 準(zhǔn)則層C指標(biāo)對(duì)目標(biāo)B2的計(jì)算表Table 6 Calculation for Cto B2

表7 準(zhǔn)則層C指標(biāo)對(duì)目標(biāo)B3的計(jì)算表Table 7 Calculation for Cto B3

表8 準(zhǔn)則層C指標(biāo)對(duì)目標(biāo)B4的計(jì)算表Table 8 Calculation for Cto B4

2.4 綜合評(píng)價(jià)

采用加權(quán)法計(jì)算城市土地利用各指標(biāo)對(duì)城市水安全的影響程度，如表9所示；對(duì)這9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行排序，結(jié)果如下。城市建設(shè)硬鋪率C7＞城市綠化面積比重C1＞城市濕地面積比重C3＞城市水域面積比重C5＞城市硬鋪空間分布C8＞城市濕地空間分布C4＞城市綠化空間分布C2＞城市水域空間分布C6＞城市用地規(guī)模C9。

表9 權(quán)重總排序Table 9 Total sequencing of weights

按照指標(biāo)類型分，土地覆蓋類型占總影響的54.7%，各土地覆蓋類型分布方式占總影響的40.3%。按照每類土地覆蓋類型面積比重和分布方式的總和分，硬鋪地對(duì)城市水安全影響最大，占27.0%，其次為濕地，占24.8%，再次為綠地，占22.7%，最后為水域，占20.5%，其中硬鋪地與城市水安全為負(fù)相關(guān)，濕地、綠地和水域?yàn)檎嚓P(guān)。而城市用地規(guī)模所占比例最少，僅為5.0%。

3 結(jié) 語

通過運(yùn)用層次分析法定量地得到了土地利用參數(shù)對(duì)城市水安全的影響程度。由前文可見，影響較大的幾個(gè)指標(biāo)是建設(shè)用地硬鋪率、綠化面積比重、濕地面積比重；各類土地覆蓋類型的分布方式對(duì)城市水安全問題的影響略小于其面積比重，但也是不可忽視的；在控制建設(shè)硬鋪率，保證綠化、濕地、水域面積比重，合理分布各土地覆蓋類型的前提下，城市用地規(guī)模對(duì)城市水安全影響不大。

因此，水安全在城市化過程中需要合理的土地利用方式加以保證：一是嚴(yán)格控制硬鋪率，通過聚集式開發(fā)的途徑，增大開發(fā)強(qiáng)度，提高容積率，以此獲得更多的可滲透地面；二是防止建設(shè)用地連成一體，使城市在很大范圍內(nèi)缺少透水區(qū)域，阻斷地下水的補(bǔ)給；三是保持開發(fā)土地和開放空間的平衡，并在道路、停車場(chǎng)、廣場(chǎng)的設(shè)計(jì)建設(shè)中盡可能地選擇一些透水性建筑材料；四是城市中加強(qiáng)綠地與濕地的建設(shè)，不僅要考慮綠地、濕地的面積，更要注重其分布方式。在保持相同面積濕地或綠地的前提下，合理的斑塊化程度比集中建設(shè)有更好的水安全效果。

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