城區(qū)水域保護(hù)劃界研究
——以南京市秦淮區(qū)為例

周志才， 張其成， 李冰瑤， 王衛(wèi)平

(河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院， 江蘇 南京 210098)

1 研究背景

城區(qū)水域作為城市重要的基礎(chǔ)性資源和戰(zhàn)略性資源，可在城區(qū)防洪排澇、供水保障、環(huán)境美化、水生態(tài)景觀提升、水文化傳承等方面發(fā)揮多重效益。隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城區(qū)土地資源緊缺，建設(shè)空間和水域空間的矛盾加劇，進(jìn)而導(dǎo)致城區(qū)水域及其保護(hù)空間受到擠壓和侵占。

近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者從多個(gè)角度對(duì)水域保護(hù)進(jìn)行了相關(guān)研究。國(guó)外將水域空間規(guī)劃作為城市景觀規(guī)劃的重要內(nèi)容，現(xiàn)代水域空間規(guī)劃注重流域治理理念，以生態(tài)理論作為指導(dǎo)思想，將影響水域生態(tài)的湖泊、集水區(qū)、濱岸帶、濕地、植被等綜合納入考慮，以制定科學(xué)的規(guī)劃方案，有效恢復(fù)水域生態(tài)穩(wěn)定性[1-2]。Lee等[3]通過人工模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了不同寬度的復(fù)合綠化緩沖帶對(duì)泥沙、總氮、總磷等具有明顯的過濾和消減作用；Zandbergen[4]通過不同的透水面積、污染負(fù)荷、生物、水質(zhì)及公眾健康等指標(biāo)評(píng)估，對(duì)城市化建設(shè)引起的河流水體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響進(jìn)行探討，認(rèn)為不同的透水面積、水質(zhì)、生物指標(biāo)等是影響河流水體生態(tài)功能的主要因素；馬立珊等[5]將土地利用規(guī)劃與水域環(huán)境保護(hù)相結(jié)合，分析了面源污染對(duì)水域環(huán)境的影響及流域范圍內(nèi)水域管理與土地利用關(guān)系的協(xié)調(diào)問題；錢進(jìn)等[6]利用層次分析法從生態(tài)穩(wěn)定性、環(huán)境有效性、經(jīng)濟(jì)可行性以及社會(huì)價(jià)值性4個(gè)方面構(gòu)建了河、湖濱岸緩沖帶適宜寬度的評(píng)價(jià)體系。

藍(lán)線規(guī)劃是城市規(guī)劃七線之一，是城區(qū)各級(jí)河、渠道用地規(guī)劃控制線，規(guī)劃范圍即為城區(qū)水域保護(hù)區(qū)，又稱河道藍(lán)線，具體包括河道水體的寬度、兩側(cè)綠化帶等，但城區(qū)水域由于受影響因素多，區(qū)域差異性大，而水域保護(hù)藍(lán)線劃定標(biāo)準(zhǔn)較為單一，未與水域周邊區(qū)域匯水特性相結(jié)合，其保護(hù)空間與水域管控實(shí)際需求難以匹配。針對(duì)此類實(shí)際問題，本文擬在前人研究基礎(chǔ)上，選取影響城區(qū)水域保護(hù)的主要因子，結(jié)合GIS空間疊加分析技術(shù)[7-9]，構(gòu)建城區(qū)水域保護(hù)評(píng)價(jià)體系，研判水域保護(hù)現(xiàn)狀，并進(jìn)一步確定滿足實(shí)際需求的管控邊界。

2 城區(qū)水域保護(hù)劃界方法

城區(qū)水域的保護(hù)范圍劃定一方面是為降低人類活動(dòng)和城市建設(shè)對(duì)水域空間的干擾，保障水域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性，另一方面是保障河湖水體適宜寬度的濱岸緩沖帶，增強(qiáng)對(duì)入河污染物的過濾和吸附功能，提高濱水空間利用效率。

城區(qū)水域受多因素相互作用，本文主要研究?jī)深愑绊懸蜃?，一類為自然屬性因子，主要考慮水域等級(jí)與功能、水域?yàn)I岸緩沖帶和區(qū)域水面率需求等因素的影響；另一類為社會(huì)屬性因子，主要有水域匯水區(qū)功能分布和區(qū)域人口密度。城區(qū)水域保護(hù)劃界需統(tǒng)籌考慮此類影響因子的綜合效應(yīng)，建立科學(xué)的評(píng)價(jià)體系并分別確定各因子的賦值與權(quán)重，利用GIS空間疊加分析，評(píng)價(jià)城區(qū)水域保護(hù)現(xiàn)狀，并依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果和因子權(quán)重系數(shù)，合理調(diào)整既有水域保護(hù)邊界。

2.1 城區(qū)水域保護(hù)劃界影響因子及賦值

2.1.1 水域等級(jí)與功能 水域重要性分級(jí)是水域重要的本底屬性，也是規(guī)劃河道藍(lán)線首要考慮因素，城區(qū)水域按重要性等級(jí)劃分為重要水域和一般水域。城區(qū)水域按功能屬性對(duì)水域保護(hù)的要求共劃分為4個(gè)等級(jí)，其中，提供水源功能對(duì)水質(zhì)和水量要求最高，然后依次為景觀、生態(tài)功能、防洪功能和排澇功能。結(jié)合評(píng)價(jià)區(qū)域水域?qū)嶋H，按照河道等級(jí)屬性與功能特質(zhì)對(duì)其進(jìn)行水域保護(hù)評(píng)級(jí)賦分，分值最高為10分，分值越高，河道對(duì)應(yīng)的水域保護(hù)需求越高，對(duì)應(yīng)的保護(hù)力度越大。其中，多重功能復(fù)合型河道以最高要求功能進(jìn)行賦值評(píng)價(jià)。

2.1.2 區(qū)域水面率差值比 區(qū)域水面率差值比是水域狀態(tài)研判的重要指標(biāo)[10]，水面率差值比越大，表明分區(qū)水域功能負(fù)荷越重，因而水域保護(hù)需求越高。本文將現(xiàn)狀總水面率R總、現(xiàn)狀分區(qū)水面率Ri分別與區(qū)域綜合需求水面率R需作比較，考慮整體的同時(shí)分片區(qū)細(xì)化研究其與城區(qū)需求水面率間的差距，把握整體、突出重點(diǎn)地判讀水域現(xiàn)狀，作為水域劃界及水域管控要求制定的重要依據(jù)。

城區(qū)發(fā)展需求水面率R需由式(1)計(jì)算：

R需=max(R1,R2,R3,R4)

(1)

式中： R1、R2、R3、R4分別為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、行洪除澇、水景觀建設(shè)和水域生態(tài)維護(hù)的需求水面率。

(2)

式中： W為區(qū)域發(fā)展水資源需求總量，m3； H為區(qū)域平均水深，m； S為區(qū)域面積，m2。

H=a1H1+a2H2+a3H3

(3)

式中： a1、a2、a3分別為研究區(qū)水庫(kù)、河道和塘堰供取水系數(shù)， a1+a2+a3=1；H1、H2、H3分別為對(duì)應(yīng)平均水深，m。

(4)

水景觀建設(shè)、水域生態(tài)維護(hù)需求水面率R3、R4采用研究區(qū)域相關(guān)規(guī)劃數(shù)值進(jìn)行整理估算的方法。

在分別計(jì)算R總、R需、Ri的基礎(chǔ)上，由公式(5)計(jì)算水面率差值比ri:

ri=(R需-Ri)/(R需-R總)

(5)

按照水面率差值比計(jì)算結(jié)果，對(duì)區(qū)域進(jìn)行0～10分的評(píng)價(jià)賦分。ri<0時(shí)，現(xiàn)狀水面率高于需求水面率，水域滿足城區(qū)建設(shè)需求，受需求影響較弱，參照區(qū)域?qū)嶋H賦0～3分；0≤ri≤1時(shí)，區(qū)域水面率低于需求水面率，水域受一定需求壓力，賦4～6分；ri>1時(shí)，現(xiàn)狀水面率難以滿足城區(qū)建設(shè)需求，水域承載壓力大，參照區(qū)域?qū)嶋H賦予7～10分。

2.1.3 匯水區(qū)域功能分布 區(qū)域用地類型和功能分布一定程度上決定匯入河道的污染物質(zhì)及其對(duì)水域的威脅行為，是影響水域水質(zhì)健康和生態(tài)完整的重要因素。以區(qū)域功能對(duì)水質(zhì)的要求和水域的影響為判分依據(jù)，將其對(duì)水域保護(hù)的要求由高至低劃分為4個(gè)等級(jí)，依次為商業(yè)區(qū)與旅游風(fēng)景區(qū)、住宅區(qū)、文教區(qū)和公共綠地。分值最高為10分，分值越高，說明區(qū)域功能對(duì)水域健康威脅越大，需求的保護(hù)管理力度越大。

2.1.4 水域?yàn)I岸緩沖帶建設(shè) 水域?yàn)I岸緩沖帶對(duì)水域保護(hù)具有重要作用，主要為以下3個(gè)方面：(1)降低地表徑流速度并對(duì)其中的顆粒態(tài)污染物起過濾和攔截作用；(2)植物吸收、土壤吸附溶解態(tài)的污染物；(3)促進(jìn)氮的反硝化作用。參照國(guó)內(nèi)外濱岸緩沖帶研究成果，5m寬復(fù)合植被緩沖帶平均截留地表75%的輸入泥沙、55%的輸入氮、60%的輸入磷；10m寬復(fù)合植被緩沖帶平均截留地表85%的輸入泥沙、75%的輸入氮、80%的輸入磷；15m寬復(fù)合植被緩沖帶平均截留地表95%的輸入泥沙、94%的輸入氮、91%的輸入磷[6]。據(jù)此，對(duì)研究區(qū)域?yàn)I岸緩沖帶建設(shè)進(jìn)行賦分評(píng)價(jià)，以單側(cè)復(fù)合緩沖帶>15m為最優(yōu)，能有效過濾和消減地表輸入水體的污染物質(zhì)，極大程度降低地表輸入對(duì)水域的威脅，結(jié)合實(shí)際賦0～3分；濱岸無緩沖帶，水體受地表污染物威脅最大，賦10分。

2.1.5 人口密度(需水量、生活污水量) 參照《城市建設(shè)規(guī)劃用地標(biāo)準(zhǔn)》，我國(guó)城市人口合理密度為0.952×104～1.175×104人/km2，故本文設(shè)定研究區(qū)域合理人口密度上限為1.2×104人/km2。人口密度超出合理上限值，區(qū)域需水量增加，灰塵、生活垃圾、生活污水等同步增加，人群需求與自然生態(tài)資源的平衡逐步被打破，城區(qū)水域空間承載密集人口帶來的壓力逐步增大。因此按區(qū)域人口密度進(jìn)行影響因子賦分評(píng)價(jià)，人口密度>6.0×104人/km2時(shí)，對(duì)水域影響達(dá)到最大，賦10分。

依據(jù)影響因子不同特性和對(duì)水域不同影響程度，利用單因子分級(jí)評(píng)價(jià)法劃分各因子影響等級(jí)，并進(jìn)行賦值，聯(lián)合層次分析法與專家打分法判定各因子權(quán)重，利用GIS工具對(duì)影響因子疊加分析，構(gòu)建水域保護(hù)賦分評(píng)價(jià)體系。

2.2 影響因子權(quán)重

本文通過專家打分法與層次分析法確定各個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重系數(shù)[11-12]。

城區(qū)水域保護(hù)劃界影響因子(a、b、c、d、e)判斷矩陣為矩陣A：

采用幾何平均法公式(6)計(jì)算權(quán)重向量 ：

(6)

(7)

(8)

式中：CI(consistencyindex)為一致性指標(biāo)； λmax為判斷矩陣最大特征值； RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)； CR(consistencyratio)為一致性比例。

利用公式(7)、(8)對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)計(jì)算，n=5，查表可知RI=1.12，計(jì)算得λmax=5.237，CI=0.059，CR=0.053<0.10，因而判斷矩陣的一致性可以接受。

計(jì)算獲得各影響因子權(quán)重系數(shù)如下：Wa=0.1296，Wb=0.0330，Wc=0.2638，Wd=0.5100，We=0.0636。

2.3 影響因子評(píng)價(jià)體系

將水域兩類影響因子及其對(duì)應(yīng)的影響權(quán)重導(dǎo)入GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合GIS空間疊加分析工具，構(gòu)建水域保護(hù)影響因子評(píng)價(jià)體系，對(duì)水域保護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行綜合評(píng)分，見表1。綜合評(píng)分0～4分，表明水域保護(hù)現(xiàn)狀較好，受區(qū)域輕度威脅；4～7分表明水域保護(hù)現(xiàn)狀一般，受區(qū)域中度威脅；7～10分表明水域保護(hù)現(xiàn)狀較差，受區(qū)域重度威脅。依據(jù)綜合評(píng)分對(duì)區(qū)域既有水域保護(hù)范圍進(jìn)行調(diào)整，生成新的水域保護(hù)緩沖區(qū)，并與規(guī)劃藍(lán)線進(jìn)行比對(duì)與融合，明確多因子綜合影響下的水域合理保護(hù)范圍。

3 案例研究

3.1 研究區(qū)概況

秦淮區(qū)位于南京市主城核心地帶南部，地理坐標(biāo)為北緯32.02°，東經(jīng)118.80°。區(qū)域面積為49.11km2，下設(shè)12個(gè)街道行政區(qū)劃。研究區(qū)現(xiàn)有水域面積292.70hm2，水面率5.96%。主要分布有外秦淮河、內(nèi)秦淮河等20余條河道，河道總長(zhǎng)度97.94km，河道密度1.30條/km2。

3.2 研究區(qū)水域賦分評(píng)價(jià)

研究區(qū)水域現(xiàn)狀的識(shí)別和統(tǒng)計(jì)是進(jìn)行賦分評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。本文綜合水域自然屬性與社會(huì)屬性，結(jié)合水域空間與匯水區(qū)域進(jìn)行細(xì)化識(shí)別，將19條重點(diǎn)河道劃分成35個(gè)河段，分別進(jìn)行資料的收集和統(tǒng)計(jì)分析，輸入GIS軟件中，依據(jù)各影響因子賦分規(guī)則逐段評(píng)價(jià)賦分。

參考2014-2016年南京市水資源公報(bào)，秦淮區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求水資源總量W約為0.3×108m3，區(qū)域面積S為49.11km2，秦淮區(qū)水域平均水深H為5.03m，利用公式(2)計(jì)算獲得秦淮區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求水面率R1=12.14%；參考秦淮區(qū)水務(wù)局提供的2000-2015年多次洪水資料，結(jié)合區(qū)域現(xiàn)狀防洪排澇能力，R2計(jì)算中Q值取1 000m3/s，由公式(4)計(jì)算獲得秦淮區(qū)行洪排澇需求水面率R2=8.71%；參照《水生態(tài)文明指標(biāo)體系》、《南京市生態(tài)文明建設(shè)規(guī)劃2013-2020》、《秦淮區(qū)水系綜合整治規(guī)劃2017-2030》等文獻(xiàn)中指標(biāo)要求，本文分別設(shè)定水景觀功能[13-15]、水生態(tài)功能[16-17]需求水面率R3=9.0%、R4=8.5%。

表1 城區(qū)水域保護(hù)影響因子評(píng)價(jià)體系表

利用公式(1)計(jì)算獲得秦淮區(qū)水域綜合功能需求水面率為R需=12.14%，進(jìn)而計(jì)算秦淮區(qū)各街道片區(qū)水面率差值比。秦淮區(qū)各街道片區(qū)水面率、人口密度統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果見表2。

根據(jù)城區(qū)水域影響因子評(píng)價(jià)體系，利用GIS空間疊加分析，獲得秦淮區(qū)水域現(xiàn)狀保護(hù)評(píng)價(jià)結(jié)果，見表3、圖2。

表2 秦淮區(qū)各街道片區(qū)水面率、人口密度計(jì)算成果表

數(shù)據(jù)來源：秦淮區(qū)2015年統(tǒng)計(jì)年鑒。

從水域評(píng)價(jià)結(jié)果的圖2和表3中可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)大部分水域保護(hù)現(xiàn)狀不佳，普遍存在片區(qū)水面率不足、人口超負(fù)荷、濱岸緩沖帶建設(shè)與水域需求不匹配等現(xiàn)象，使水質(zhì)遭受污染威脅，水域生態(tài)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性遭到破壞，城區(qū)整體水域保護(hù)空間有待優(yōu)化。研究區(qū)有6條河段受到區(qū)域多影響因子綜合輕度威脅，22條河段受到中度威脅，7條河段受到重度威脅。

位于城區(qū)中心的水域受威脅程度普遍較重，如內(nèi)秦淮河中段、南段等，其水域保護(hù)空間小，濱岸緩沖空間帶寬僅為0～3m，過濾消減污染物質(zhì)效果不明顯，水域周邊人口密度大，達(dá)到5×104～6×104人/km2，為城區(qū)合理人口密度的4～5倍，用地類型復(fù)雜，商業(yè)、居住、景區(qū)用地混雜；位于城區(qū)邊緣的水域受威脅程度相對(duì)較輕，如外秦淮河、運(yùn)糧河等，其重要性級(jí)別高，保護(hù)工作到位，濱岸緩沖空間帶寬大于20m，且植被覆蓋完善，能充分發(fā)揮濱岸帶的緩沖作用，水域周邊人口密度相對(duì)較低，平均為2.13×104人/km2，用地類型以公共綠地為主，兼有部分居住用地。

基于GIS空間疊加分析的因子評(píng)價(jià)體系較好地反映了秦淮區(qū)水域現(xiàn)狀健康程度，為科學(xué)合理地劃定水域保護(hù)空間奠定了基礎(chǔ)。

3.3 評(píng)價(jià)成果應(yīng)用

利用影響因子評(píng)價(jià)體系對(duì)秦淮區(qū)水域保護(hù)現(xiàn)狀作出判讀和評(píng)價(jià)后，本文逐一分析了各因子影響權(quán)重及調(diào)整的現(xiàn)實(shí)可行性，最終選擇優(yōu)化水域?yàn)I岸緩沖帶空間以提升城區(qū)水域保護(hù)工作。依據(jù)水域影響因子綜合評(píng)價(jià)體系評(píng)分結(jié)果和濱岸緩沖帶因子權(quán)重形成公式(9)，將公式(9)和水域現(xiàn)狀信息輸入GIS軟件，利用GIS緩沖區(qū)功能生成濱岸緩沖帶，同時(shí)考慮水域管理與緩沖帶施工的空間需求，利用GIS疊加和擦除功能，對(duì)軟件生成的緩沖區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，形成了更為合理切實(shí)的水域保護(hù)濱岸緩沖帶建

設(shè)寬度，見圖3。基于此，對(duì)秦淮區(qū)水域藍(lán)線規(guī)劃進(jìn)行調(diào)整，劃定出滿足區(qū)域水域保護(hù)需求且濱水空間得以高效利用的水域保護(hù)邊界，見表4。

圖1 研究區(qū)概況圖

表3 秦淮區(qū)水域保護(hù)影響因子評(píng)價(jià)體系綜合評(píng)分表

圖2 秦淮區(qū)水域現(xiàn)狀多因子空間疊加評(píng)分圖

B評(píng)價(jià)=B現(xiàn)狀·(ai·Wd/10+1)

(9)

式中：B評(píng)價(jià)為評(píng)價(jià)體系建議緩沖帶建設(shè)寬度，m；

圖3 秦淮區(qū)水域?yàn)I岸緩沖區(qū)劃定成果圖

B現(xiàn)狀為水域現(xiàn)狀緩沖帶建設(shè)寬度，m； ai為水域綜合評(píng)分； Wd=0.5100。

表4 秦淮區(qū)水域保護(hù)邊界劃定成果表 m

從圖3與表4中可以看出，同一水域不同河段由于其周邊因子的影響程度不一，進(jìn)而依據(jù)因子評(píng)價(jià)體系生成的濱岸緩沖寬度不一，反映了區(qū)段的實(shí)際條件和功能需求。對(duì)現(xiàn)狀沒有明確藍(lán)線寬度的水域，評(píng)價(jià)體系提出了明確的保護(hù)劃界寬度，如內(nèi)秦淮河南段保護(hù)邊界劃定為10～12m；受綜合影響強(qiáng)烈的水域，水域保護(hù)空間得到了較大的拓寬，如內(nèi)秦淮河中段由5m提升至12m；受綜合影響較弱、現(xiàn)狀保護(hù)比較到位的水域，水域保護(hù)劃界寬度有小幅的調(diào)整；部分河段藍(lán)線寬度超出水域保護(hù)需求，評(píng)價(jià)體系提出了縮小藍(lán)線范圍的建議，更為合理、高效地利用城區(qū)土地和空間資源，如響水河保護(hù)邊界由20m收縮至12m。

綜合來看，水域影響因子綜合評(píng)價(jià)體系能夠較為全面地反映水域保護(hù)現(xiàn)狀，契合區(qū)域?qū)嶋H與需求，劃定合理切實(shí)的水域保護(hù)邊界，提升水域保護(hù)效能，同時(shí)提高城區(qū)土地和空間的利用效率。

4 結(jié)論與展望

(1) 以秦淮區(qū)為例的城區(qū)水域保護(hù)劃界研究，按水陸區(qū)域的差異性將19條河道劃分為35個(gè)河段，選取綜合影響水域健康的自然屬性和社會(huì)屬性因子，采用層次分析法確定權(quán)重，借助GIS空間疊加分析，構(gòu)建水域影響因子評(píng)價(jià)體系，較為準(zhǔn)確、客觀地判讀了秦淮區(qū)水域現(xiàn)狀。

(2) 基于水域影響因子評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合秦淮區(qū)水域藍(lán)線規(guī)劃，劃定了更為合理、切實(shí)的水域保護(hù)邊界，具有一定的針對(duì)性和科學(xué)性，能有效減少外界因素對(duì)水域健康和生態(tài)穩(wěn)定的干擾，強(qiáng)化水域的保護(hù)與管理，劃定方法可推廣至中、大尺度水域。

(3) 本文選取了共5大水域影響因子進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和分析，隨著城市化進(jìn)程的加快，城區(qū)水域面臨的威脅因子數(shù)量同步增加，且各影響因子間的相互作用將日趨復(fù)雜，下一步研究可以擴(kuò)充評(píng)價(jià)體系的因子數(shù)量，并融入因子間的相互關(guān)系，完善和優(yōu)化水域影響因子評(píng)價(jià)體系。

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