生態(tài)城市規(guī)劃方法啟示下的海綿城市規(guī)劃工具建立
——基于敏感性和適宜度分析的海綿型場(chǎng)地選址模型*

趙宏宇 解文龍 趙建軍 王浩鋒 ZHAO Hongyu, XIE Wenlong, ZHAO Jianjun, WANG Haofeng

0 引言

快速的城市化進(jìn)程給城市生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)一定的傷害，并產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，水生態(tài)問(wèn)題就是其中重要的一部分。2013年以來(lái)我國(guó)已逐步確定在30座城市開(kāi)展海綿城市試點(diǎn)工作，重點(diǎn)解決城市建設(shè)中的水生態(tài)安全問(wèn)題。然而2016年7月特大暴雨給武漢、南京等城市帶來(lái)的巨大損失揭示了海綿城市建設(shè)體系的病灶，即海綿城市規(guī)劃決策的無(wú)證可循、無(wú)據(jù)可依，導(dǎo)致城市管理者在進(jìn)行海綿城市建設(shè)時(shí)仍舊過(guò)度依賴(lài)傳統(tǒng)的雨水管網(wǎng)建設(shè)。如武漢市近3年投入近200億進(jìn)行城市排水系統(tǒng)的改造卻收效甚微。這也與“堅(jiān)持規(guī)劃引領(lǐng)”的海綿城市建設(shè)基本原則相違背。借助大數(shù)據(jù)和智慧手段，依據(jù)已有的科學(xué)模擬方法，研究城市內(nèi)澇的時(shí)空變化特征和海綿體的適宜建設(shè)場(chǎng)地，輔助制定相關(guān)規(guī)劃政策，緩解現(xiàn)在無(wú)據(jù)可依的尷尬局面，將成為今后一段時(shí)間內(nèi)有關(guān)海綿城市與生態(tài)城市研究的熱點(diǎn)。

從目前已有的研究來(lái)看，海綿型場(chǎng)地選址問(wèn)題由于受地形地貌、場(chǎng)地水文狀況、人口分布、建造成本、可達(dá)性等多種因素影響，復(fù)雜程度較高。我國(guó)海綿城市的研究和建設(shè)處于初期階段，有關(guān)海綿型場(chǎng)地的選址研究也處在起步階段；若直接借鑒國(guó)外SUSTAIN、SWMM等復(fù)雜模型，時(shí)間和金錢(qián)成本較高。

因此，本文在基于敏感性和適宜度分析的量化分析研究方法的啟示下，通過(guò)借鑒災(zāi)害威脅下建設(shè)用地規(guī)劃基于危險(xiǎn)性和適宜度分析的研究方法，探索生成適用于中國(guó)本土的海綿型場(chǎng)地①海綿型場(chǎng)地是對(duì)應(yīng)海綿城市而提的，是指能夠?qū)?0%的降雨就地消納和利用的場(chǎng)地。選址模型研究框架，并從多層篩選的思維視角下構(gòu)建了一種基于敏感性和適宜度分析的海綿型場(chǎng)地選址研究方法。本文選取長(zhǎng)春市區(qū)作為研究對(duì)象，基于TOPMODEL模型進(jìn)行水文敏感性分析，基于GIS的多因子加權(quán)分析法進(jìn)行海綿型場(chǎng)地的適宜度評(píng)價(jià)，通過(guò)疊加敏感性與適宜度分析來(lái)確定海綿型場(chǎng)地的建設(shè)選址，構(gòu)建一個(gè)可視化的海綿型場(chǎng)地選址模型。

1 基于敏感性和適宜度分析的海綿型場(chǎng)地選址研究框架構(gòu)建

海綿城市建設(shè)的重點(diǎn)是強(qiáng)化規(guī)劃的引領(lǐng)作用，本文基于城市規(guī)劃、生態(tài)城市學(xué)、災(zāi)害學(xué)的相關(guān)理論，以交叉研究的方法出發(fā)，從多層篩選的思維視角嘗試建立基于敏感性和適宜度分析的海綿型場(chǎng)地選址研究框架。

1.1 基于生態(tài)敏感性和生態(tài)適宜度分析的生態(tài)城市規(guī)劃研究框架提煉

基于已有海綿城市理論的研究[1-2]，海綿城市的目標(biāo)是以生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施、灰色基礎(chǔ)設(shè)施等為核心，解決干旱、洪澇、水污染等災(zāi)害問(wèn)題。同時(shí)作為海綿型場(chǎng)地核心組成的生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，屬于生態(tài)城市領(lǐng)域的研究范疇。因此，本文嘗試對(duì)生態(tài)城市規(guī)劃領(lǐng)域中較為成熟的基于生態(tài)敏感性和生態(tài)適宜度分析的量化分析研究框架進(jìn)行解析，為海綿型場(chǎng)地選址研究框架的生成提供參考。

敏感性和適宜度分析的研究方法是生態(tài)城市規(guī)劃中用地評(píng)定的核心內(nèi)容，作為生態(tài)城市規(guī)劃的基礎(chǔ)分析和重要規(guī)劃依據(jù)已被廣泛應(yīng)用于實(shí)踐。針對(duì)生態(tài)城市規(guī)劃的敏感性分析，需要通過(guò)探討生態(tài)敏感性分析因子、分析方法和指標(biāo)體系的構(gòu)建等，劃定城市發(fā)展中的最敏感區(qū)、次敏感區(qū)、弱敏感區(qū)和不敏感區(qū)。該分析可反映區(qū)域發(fā)生生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的難易程度，即敏感性高的地域在進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)需提升保護(hù)力度，降低開(kāi)發(fā)強(qiáng)度。用地適宜度分析是在敏感性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其分析評(píng)議區(qū)域?yàn)槊舾行苑治鼋Y(jié)果中的次敏感區(qū)及弱敏感區(qū)[3-4]，并針對(duì)某類(lèi)特定用途劃分適宜度等級(jí)（圖1）。

1.2 基于災(zāi)害危險(xiǎn)性和用地適宜度分析的建設(shè)用地規(guī)劃研究框架提煉

由于海綿型場(chǎng)地致力于解決的城市干旱、洪澇問(wèn)題屬于自然災(zāi)害學(xué)領(lǐng)域的研究范疇。本文借鑒災(zāi)害威脅下，建設(shè)用地規(guī)劃中基于災(zāi)害危險(xiǎn)性和用地適宜度分析的研究框架；以此增強(qiáng)海綿型場(chǎng)地選址研究方法的科學(xué)性。

在災(zāi)害威脅下的建設(shè)用地規(guī)劃方法研究中，最為普遍的是基于災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃與用地適宜度評(píng)定的工作方法。由于自然災(zāi)害的種類(lèi)繁多，本文以地質(zhì)災(zāi)害中基于危險(xiǎn)性區(qū)劃和適宜度分析的研究方法為例進(jìn)行研究方法與工作程序的提煉。地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃著重從自然災(zāi)害角度出發(fā)，基于危險(xiǎn)性指標(biāo)劃定高危險(xiǎn)區(qū)、較高危險(xiǎn)區(qū)、中等危險(xiǎn)區(qū)、較低危險(xiǎn)區(qū)和低危險(xiǎn)區(qū)，而用地適宜度分析是在危險(xiǎn)性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行，其分析評(píng)議區(qū)域?yàn)槌青l(xiāng)建設(shè)用地的低危險(xiǎn)區(qū)及較低危險(xiǎn)區(qū)。在此基礎(chǔ)上，為尋求最佳的可行用地布局方案，對(duì)土地利用的適宜度大小進(jìn)行評(píng)議，生成城鄉(xiāng)建設(shè)用地的適宜度分布圖（圖1）[5-6]。

1.3 多層篩選視角下的海綿型場(chǎng)地選址研究框架構(gòu)建

從多層篩選的視角來(lái)看生態(tài)城市規(guī)劃中的敏感性、適宜度分析，基于災(zāi)害威脅下建設(shè)用地規(guī)劃中的危險(xiǎn)性區(qū)劃和適宜度來(lái)分析研究框架。首先是第一級(jí)別的危險(xiǎn)性或敏感性分析篩選工作，包括：危險(xiǎn)性或敏感性分析評(píng)價(jià)因子的選擇，評(píng)價(jià)因子權(quán)重的確定，分析模型的構(gòu)建，不同程度危險(xiǎn)區(qū)或敏感區(qū)的劃分。其次是基于危險(xiǎn)性或敏感性分析結(jié)果進(jìn)行第二級(jí)別的用地適宜度分析篩選工作，包括：適宜度分析評(píng)價(jià)因子的選擇，評(píng)價(jià)因子權(quán)重的確定，適宜度分析模型的構(gòu)建，針對(duì)特定功能劃定適宜度等級(jí)。最后是進(jìn)行危險(xiǎn)性或敏感性和適宜度分析的篩選結(jié)果疊加，對(duì)相應(yīng)的規(guī)劃目標(biāo)和對(duì)策進(jìn)行研究。

針對(duì)海綿型場(chǎng)地的選址研究，首先需要對(duì)問(wèn)題區(qū)域進(jìn)行識(shí)別，即根據(jù)水文敏感性分析及水文敏感區(qū)的劃定標(biāo)準(zhǔn)，找到潛在的水文威脅區(qū)，然后基于篩選出的問(wèn)題區(qū)域進(jìn)行適宜度分析評(píng)價(jià)得到不同海綿型場(chǎng)地的適宜度等級(jí)，選取具有最高敏感性和最高、較高適宜度的區(qū)域?yàn)楹＞d型場(chǎng)地選址區(qū)域，最終構(gòu)建了基于敏感性和適宜度分析的海綿型場(chǎng)地選址研究框架（圖1）。

2 模型操作方法的選擇和研究范圍的選定

2.1 敏感性分析模型的選?。?TOPMODEL水文模型

目前，國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出大量有關(guān)城市水文模擬分析的研究模型，如SWMM、LISFLOODFP、TOPMODEL、HSPF、CREAMS、GLEAMS、ANSWERS等。這些研究模型主要集中在關(guān)注水量問(wèn)題和水質(zhì)問(wèn)題上，但適用領(lǐng)域、優(yōu)劣勢(shì)、特點(diǎn)等各有不同[7-11]。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，基于地形指數(shù)的TOPMODEL模型相較于其他模型的優(yōu)勢(shì)為：（1）將分析結(jié)果指數(shù)化，符合水文敏感性分析按照敏感程度進(jìn)行排序的需要；（2）基于徑流產(chǎn)生的變動(dòng)產(chǎn)流面積理論，符合海綿城市的源頭控制原則；（3）地形指數(shù)的含義同時(shí)包含產(chǎn)生徑流量和污染的潛力；（4）模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，優(yōu)選參數(shù)少，可操作性強(qiáng)。因此本文選取TOPMODEL水文模型來(lái)計(jì)算地形指數(shù)（地形指數(shù)的計(jì)算是TOPMODEL模型的核心②在同一研究區(qū)域內(nèi)，具有相同地形指數(shù)值的點(diǎn)對(duì)降雨具有相同的水文響應(yīng)，且具有較大地形指數(shù)值的點(diǎn)，將首先趨于飽和，暗示著潛在的產(chǎn)流面積。），以此得到研究區(qū)域的水文敏感性分析，繼而劃定水文敏感區(qū)（HSAs）[12-13]。

針對(duì)地形指數(shù)（λ）的計(jì)算方法，目前常用的計(jì)算公式有λ=ln（a/tanβ）與λ=ln（a/tanβ）－ln（KsD）兩種，本文采用高度簡(jiǎn)化的地形指數(shù)計(jì)算公式，即λ=ln（a/tanβ）[12]。其中a為通過(guò)單位等高線(xiàn)長(zhǎng)度的進(jìn)入柵格單元的匯水面積（km2），tanβ為柵格單元的坡度，Ks為土壤的滲透系數(shù)（m/D），D為土壤不透水層深度（cm）。主要基于（1）長(zhǎng)春市不同土壤類(lèi)型的土壤滲透系數(shù)（Ks）與不透水層深度（D）差別極小，其土壤分布構(gòu)成極為單一，主要為暗棕壤和黑土，且其主要的土壤類(lèi)型黑土、草甸土、草甸黑土的土壤滲透系數(shù)相差不大，對(duì)地形指數(shù)的差異性影響?。ū?）；（2）土壤參數(shù)ln（KsD）與地形指數(shù)ln（a/tanβ）的數(shù)量級(jí)差距巨大，黑土、草甸土等均屬黏質(zhì)土壤，土壤滲透率低，將土壤滲透系數(shù)與不透水層深度參與地形指數(shù)的計(jì)算中，發(fā)現(xiàn)ln（KsD）值僅為ln（a/tanβ）值的千分之一，土壤性能參數(shù)對(duì)地形指數(shù)的影響可以忽略不計(jì)。

圖1 基于敏感性和適宜度分析的海綿型場(chǎng)地選址研究框架

圖2 國(guó)內(nèi)外雨洪管理體系的內(nèi)涵與目標(biāo)發(fā)展邏輯圖

表1 長(zhǎng)春市區(qū)不同土壤類(lèi)型的滲透系數(shù)

2.2 海綿型場(chǎng)地適宜度評(píng)價(jià)方法的構(gòu)建：因子加權(quán)圖層疊加

疊加分析方法是生態(tài)城市規(guī)劃中最常用的進(jìn)行適宜度分析的方法，具體分為直接疊加法、因子加權(quán)評(píng)分法和因子組合法3種類(lèi)型，本文選擇基于GIS的因子加權(quán)圖層疊加法作為海綿型場(chǎng)地的適宜度分析方法。主要原因是因子加權(quán)分析法克服了直接疊加法中等權(quán)相加的缺點(diǎn)，充分考慮各種因子對(duì)土地特定利用方式的影響程度之間的差異，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確；同時(shí)，與因子組合法相比，加權(quán)求和法在保證較高結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)，可操作性較強(qiáng)。

2.2.1 海綿型場(chǎng)地建設(shè)目標(biāo)的確定與評(píng)價(jià)因子的選擇

針對(duì)城市洪澇、干旱、水污染等問(wèn)題，國(guó)外很早就開(kāi)始探索相應(yīng)的解決途徑，其中最具代表性的包括起源于北美的最佳管理實(shí)踐（BMPs）、美國(guó)在BMPs基礎(chǔ)上推行的低影響開(kāi)發(fā)（LID）、英國(guó)的可持續(xù)城市排水系統(tǒng)（SUDS）等。這些理念雖然稱(chēng)謂、側(cè)重點(diǎn)與發(fā)展階段不同，但其內(nèi)涵與目標(biāo)的過(guò)程發(fā)展邏輯具有內(nèi)在的一致性：初期關(guān)注水質(zhì)、水量等直接危害人類(lèi)生命和財(cái)產(chǎn)安全的問(wèn)題，中期關(guān)注解決水質(zhì)、水量問(wèn)題過(guò)程中所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值的提升，現(xiàn)階段大多以生物多樣性的保護(hù)和提升作為建設(shè)成功與否的標(biāo)準(zhǔn)（圖2）[14-16]。

從國(guó)內(nèi)外雨洪管理體系內(nèi)涵與目標(biāo)的過(guò)程發(fā)展邏輯來(lái)審視海綿城市的建設(shè)與發(fā)展，海綿型場(chǎng)地建設(shè)的首要目標(biāo)應(yīng)是解決城市中突出的水質(zhì)、水量問(wèn)題，從而消除造成巨大人民生命、社會(huì)經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失的水安全問(wèn)題。其次需重視海綿型場(chǎng)地建設(shè)所帶來(lái)的周?chē)貐^(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值的提升。最后需重視海綿型場(chǎng)地建設(shè)對(duì)生態(tài)多樣性?xún)r(jià)值的保護(hù)和提升作用（圖3）。根據(jù)海綿型場(chǎng)地建設(shè)安全保障與價(jià)值提升目標(biāo)層的要求，將其分別用可操作的城市空間要素進(jìn)行體現(xiàn)，并最終選擇人口密度、空間整合度、藍(lán)綠系統(tǒng)3個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行海綿型場(chǎng)地的適宜度評(píng)價(jià)（圖4）。

（1）人口密度評(píng)價(jià)因子的選定

人口密度因子被用來(lái)表征“人的生命安全”這一價(jià)值目標(biāo)。人的生命安全始終是城市規(guī)劃建設(shè)首先需要考慮的要素，通常來(lái)說(shuō)人口越稠密的地區(qū)發(fā)生災(zāi)難時(shí)受到的生命損失也越多，同時(shí)人口密度高的區(qū)域受到災(zāi)害影響時(shí)容易產(chǎn)生連鎖反應(yīng)從而影響更加廣泛的區(qū)域。這就意味著在海綿城市的建設(shè)過(guò)程中，人口越稠密的地區(qū)越需要進(jìn)行海綿化的提升與改造，能最大程度、最高效率地減少損失。

（2）空間整合度評(píng)價(jià)因子的選定

空間整合度因子作為“社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值提升” “社會(huì)經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)的安全”等目標(biāo)的綜合表征，并且空間整合度越高的地區(qū)越需要進(jìn)行海綿型場(chǎng)地的建設(shè)。在目前已有的空間整合度研究中，整合度高的區(qū)域表征著城市中的高價(jià)值潛力區(qū)、城市的商業(yè)與商務(wù)中心或人流車(chē)流高度聚集區(qū)域等[17-18]。而這3類(lèi)城市空間的海綿型場(chǎng)地建設(shè)對(duì)于實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的提升、社會(huì)經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)安全的保障以及人生命安全的保障具有關(guān)鍵性的作用。

①高價(jià)值潛力區(qū)

部分學(xué)者利用空間句法的整合度計(jì)算來(lái)挖掘城市中具有成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)高價(jià)值區(qū)潛力的區(qū)域，來(lái)輔助實(shí)現(xiàn)老城區(qū)、棚戶(hù)區(qū)等城市更新項(xiàng)目的規(guī)劃決策，并獲得了成功。我國(guó)的海綿城市建設(shè)需要結(jié)合老城區(qū)、棚戶(hù)區(qū)、老舊小區(qū)有機(jī)更新等進(jìn)行，充分發(fā)揮海綿型場(chǎng)地建設(shè)對(duì)于城市生態(tài)活力和人氣吸引力的注入過(guò)程中的重要作用。

②城市的商業(yè)商務(wù)中心

城市的商業(yè)商務(wù)中心一般都是其社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高的地區(qū)，對(duì)安全性的要求也最高。如2012年10月29日襲擊紐約曼哈頓的桑迪颶風(fēng)，導(dǎo)致紐約證券交易所連續(xù)兩天關(guān)閉休市，直接導(dǎo)致美國(guó)國(guó)內(nèi)的股票和期權(quán)交易的停止交易，直接和間接損失高達(dá)50億美元。對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)亦是如此，在高社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值區(qū)和高人流車(chē)流運(yùn)動(dòng)密度區(qū)建設(shè)海綿型場(chǎng)地來(lái)保障其水安全至關(guān)重要。

③人流車(chē)流高度聚集區(qū)域

人流車(chē)流越稠密的地區(qū)發(fā)生災(zāi)難時(shí)受到的生命損失也就越高，同時(shí)由于高密度地區(qū)往往是城市的中心區(qū)域，災(zāi)害發(fā)生會(huì)直接破壞城市中心人流車(chē)流通過(guò)性最高的路徑，大量的人流車(chē)流將會(huì)難以進(jìn)行逃生，從而產(chǎn)生巨大損失與災(zāi)害的連鎖反應(yīng)。如2015年12月至2016年1月的英國(guó)洪澇事件后，英國(guó)政府開(kāi)啟了基于空間句法的倫敦防洪研究，其主要目的即是分析倫敦的街道網(wǎng)絡(luò)受災(zāi)后的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，并用于災(zāi)害管理和重建規(guī)劃。

而從空間整合度分析在應(yīng)對(duì)洪澇災(zāi)害的應(yīng)用來(lái)看，英國(guó)的吉爾（Gil），斯坦巴赫（Steinbach）等人在2008年即利用空間句法對(duì)洪澇造成的城市街道網(wǎng)絡(luò)影響進(jìn)行可視化分析和研究[19]。2015年12月至2016年1月的英國(guó)洪澇事件使得空間句法公司再次開(kāi)啟倫敦的防洪研究，分析表明當(dāng)空間網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)或多個(gè)連接性道路因遭遇洪水而造成損失時(shí)，這些損失帶來(lái)的影響與這些連接性道路在整個(gè)空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次中的重要程度成正比，并且該模型被證明適用于災(zāi)害管理和重建規(guī)劃。因此，本文選擇將基于空間句法的空間整合度指標(biāo)作為海綿型場(chǎng)地選址適宜度評(píng)價(jià)的影響因子之一。

（3）藍(lán)綠系統(tǒng)評(píng)價(jià)因子的選定

圖3 海綿型場(chǎng)地建設(shè)的目標(biāo)層級(jí)圖

圖4 海綿型場(chǎng)地適宜度評(píng)價(jià)因子的選擇圖

表2 專(zhuān)家問(wèn)卷

表3 影響因子相對(duì)權(quán)重值

依托城市現(xiàn)有藍(lán)綠系統(tǒng)來(lái)建設(shè)海綿型場(chǎng)地有利于快速實(shí)現(xiàn)“生態(tài)價(jià)值提升”的目標(biāo)。藍(lán)綠系統(tǒng)作為城市中現(xiàn)有最大的生態(tài)系統(tǒng)要素，是海綿城市建設(shè)的重要載體，同時(shí)海綿城市的規(guī)劃目標(biāo)和建設(shè)目的又對(duì)城市的藍(lán)綠系統(tǒng)提出了更加復(fù)合、多元、全面的要求[20]。藍(lán)綠系統(tǒng)與海綿城市雖在空間功能結(jié)構(gòu)布局上存在差異，但兩者在規(guī)劃與建設(shè)過(guò)程中可以進(jìn)行相互反饋與指導(dǎo)，城市藍(lán)綠系統(tǒng)在海綿城市體系中擔(dān)任主力角色。

2.2.2 評(píng)價(jià)因子權(quán)重的確定

本文選取層次分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)因子權(quán)重的計(jì)算，邀請(qǐng)15名專(zhuān)家在互不知情、各自獨(dú)立的情況下對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行兩兩比較（表2），并通過(guò)綜合比較得到最終比較結(jié)果。將影響因子間兩兩比較的數(shù)據(jù)輸入軟件Yaahp中，得到各個(gè)因子的相對(duì)權(quán)重值，作為后續(xù)計(jì)算依據(jù)（表3），同時(shí)驗(yàn)證其一致性，經(jīng)計(jì)算其整合度（C.I.值）為0.037，滿(mǎn)足小于0.1的基本標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 研究范圍的選定

本文以長(zhǎng)春市區(qū)繞城高速為邊界作為研究對(duì)象范圍（圖5），面積約523 km2，研究區(qū)域包含幾乎全部的建成區(qū)，占建成區(qū)總面積的80%以上，其中建成區(qū)的綠化覆蓋率達(dá)41.5%（2014年長(zhǎng)春市園林綠化局統(tǒng)計(jì)）。

3 以長(zhǎng)春為例的模型模擬結(jié)果分析

3.1 水文敏感性分析及其結(jié)果的有效性驗(yàn)證

3.1.1 地形指數(shù)計(jì)算

地形指數(shù)ln（a/tanβ）的計(jì)算主要包括匯水面積a和坡度tanβ的計(jì)算。采用30 m 分辨率的DEM單流向法算法對(duì)研究區(qū)域的徑流路徑進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合GIS水文工具包對(duì)DEM高程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到a的計(jì)算結(jié)果（圖6）[12]。坡度的計(jì)算受到徑流路徑算法的影響，根據(jù)匯水面積中單向流法的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)水文工具包對(duì)DEM高程數(shù)據(jù)再次處理，得到tanβ的計(jì)算結(jié)果（圖7）。根據(jù)a和tanβ的計(jì)算結(jié)果，利用地形指數(shù)的計(jì)算公式得到地形指數(shù)的計(jì)算結(jié)果（圖8）。將網(wǎng)格單元的地形指數(shù)看作隨機(jī)變量，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可得地形指數(shù)的分布。研究區(qū)的地形指數(shù)最高值為16.93，最低值為3.54，平均值為7.61。

圖5 研究對(duì)象范圍

圖6 匯水面積圖

圖7 坡度圖

圖8 地形指數(shù)分布圖

3.1.2 水文敏感區(qū)劃定

本文主要關(guān)注水文敏感區(qū)的分布情況，即具有最高地形指數(shù)值的單元集。為了確定可操作數(shù)量的水文敏感區(qū)域，本文參考切爾西（Chelsea）、柯?tīng)査诡D（Kirsten）等人劃定水文敏感區(qū)的地形指數(shù)取值劃分方法，選取研究區(qū)內(nèi)具有最高地形指數(shù)值（即大于等于1.5倍平均值）的單元作為水文敏感區(qū)，即取值在11.42—16.93的單元集，共計(jì)12 868個(gè)柵格單元，約占研究區(qū)域的2.21%；具有較低地形指數(shù)值（即小于1.5倍平均值）的單元作為水文低敏感區(qū)，即取值在3.54—11.42的單元集，共計(jì)567 157個(gè)柵格單元，約占研究區(qū)域的97.79%。經(jīng)劃分不同地形指數(shù)區(qū)間，將長(zhǎng)春市區(qū)劃分為水文敏感區(qū)和水文低敏感區(qū)2類(lèi)（圖9）。

3.1.3 分析結(jié)果災(zāi)害擬合度檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證長(zhǎng)春市區(qū)水文敏感性分析的準(zhǔn)確性，本文將2016年6月召開(kāi)的長(zhǎng)春市城區(qū)防汛工作會(huì)議上公布的66處暴雨天氣易澇點(diǎn)數(shù)據(jù)與水文敏感性分析結(jié)果進(jìn)行匹配。其中59個(gè)易澇點(diǎn)與水文敏感性的分析結(jié)果相吻合，7個(gè)易澇點(diǎn)與分析結(jié)果不吻合，分析結(jié)果的災(zāi)害擬合度高達(dá)89.4%（圖10）。由此證明，水文敏感性分析能夠在很大程度上準(zhǔn)確模擬城市的內(nèi)澇產(chǎn)生與形成機(jī)制，從而判別出水文敏感區(qū)的分布區(qū)域，有效指導(dǎo)長(zhǎng)春海綿城市建設(shè)。

3.2 海綿型場(chǎng)地適宜度評(píng)價(jià)及其結(jié)果分析

根據(jù)上文確定的適宜度評(píng)價(jià)因子，針對(duì)各個(gè)因子的原始信息進(jìn)行等級(jí)化、數(shù)量化評(píng)價(jià)。本次適宜度評(píng)價(jià)以最適宜建設(shè)海綿型場(chǎng)地為目標(biāo)，將等級(jí)確定為最適宜、較適宜、適宜、較不適宜、不適宜5個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)數(shù)值由高到低分別為4，3，2，1，0，最適宜建設(shè)海綿型場(chǎng)地為4分，最不適宜建設(shè)海綿型場(chǎng)地的為0分。依據(jù)單因子評(píng)級(jí)，運(yùn)用GIS軟件繪制單因子分析圖，建立基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)，為權(quán)重計(jì)算及劃分適宜度等級(jí)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[21-22]。

3.2.1 人口密度因子評(píng)價(jià)圖的繪制

本文的研究區(qū)域?yàn)橐蚤L(zhǎng)春市區(qū)繞城高速為邊界，包括5個(gè)城區(qū)和4個(gè)開(kāi)發(fā)區(qū)，共下轄276個(gè)街道社區(qū)和44個(gè)村（鄉(xiāng)）鎮(zhèn)。以2012年長(zhǎng)春市區(qū)范圍內(nèi)開(kāi)展的街道社區(qū)、鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）村為單元的人口數(shù)據(jù)調(diào)查與統(tǒng)計(jì)工作作為基礎(chǔ)，結(jié)合各單元的界限，借助GIS技術(shù)對(duì)長(zhǎng)春市區(qū)的人口密度指標(biāo)進(jìn)行定量分析，其中各單元的人口數(shù)據(jù)大致可分為20個(gè)級(jí)別。將20個(gè)級(jí)別的人口密度數(shù)據(jù)分布圖按照涵蓋等量街道社區(qū)個(gè)數(shù)的方式劃分成5類(lèi)：選取人口密度值在322—4 108人/hm2范圍內(nèi)的區(qū)域?yàn)樽钸m宜區(qū)域，包含67個(gè)街道社區(qū)；人口密度值在165—321人/hm2范圍內(nèi)的區(qū)域?yàn)檩^適宜區(qū)域，包含62個(gè)街道社區(qū)；人口密度值在73—164人/hm2范圍內(nèi)的區(qū)域?yàn)檫m宜區(qū)域，包含60個(gè)街道社區(qū)；人口密度值在12—72人/hm2范圍內(nèi)的區(qū)域?yàn)檩^不適宜區(qū)域，包含57個(gè)街道社區(qū)；人口密度值在0—11人/hm2范圍內(nèi)的區(qū)域?yàn)椴贿m宜區(qū)域，包含64個(gè)街道社區(qū)。運(yùn)用GIS技術(shù)按照分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重分類(lèi)處理，得到人口密度因子評(píng)價(jià)圖（圖11）。

圖10 擬合度檢驗(yàn)圖

圖11 長(zhǎng)春市區(qū)人口密度因子評(píng)價(jià)圖

表4 整合度分析圖重分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)

3.2.2 空間整合度因子評(píng)價(jià)圖的繪制

空間句法模型對(duì)于不同尺度的整合度分析，可以判斷出不同尺度空間潛力值的分布狀況，尤其可以識(shí)別出高發(fā)展?jié)摿Φ牡貐^(qū)。因此本文運(yùn)用Depthmap軟件對(duì)長(zhǎng)春市區(qū)的軸線(xiàn)模型進(jìn)行1 000 m（代表社區(qū)級(jí)別的高價(jià)值區(qū)域）、5 000 m（代表區(qū)域級(jí)別的高價(jià)值區(qū)域）、10 000 m（代表城市級(jí)別的高價(jià)值區(qū)域）3個(gè)不同半徑大小的整合度分析[23-24]?；贕IS分別對(duì)不同半徑的軸線(xiàn)模型整合度分析結(jié)果進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)點(diǎn)的處理，再執(zhí)行克里金指令即可得到呈現(xiàn)連續(xù)性分布的整合度分析結(jié)果，然后對(duì)其分別進(jìn)行相等間隔的重分類(lèi)（表4）。

對(duì)重分類(lèi)后的半徑為1 000 m、5 000 m、10 000 m的整合度分析圖直接進(jìn)行柵格疊加計(jì)算，并對(duì)計(jì)算后的結(jié)果進(jìn)行綜合性的重分類(lèi)處理。其中將計(jì)算結(jié)果數(shù)值為444、344、224、114等包含的數(shù)字最大值為4的區(qū)域劃分為最適宜區(qū)域；將計(jì)算結(jié)果為333、231、113等包含的數(shù)字最大值為3的區(qū)域劃分為較適宜區(qū)域；將計(jì)算結(jié)果為222、122、12等包含的數(shù)字最大值為2的區(qū)域劃分為適宜區(qū)域；將計(jì)算結(jié)果為111、100、1等包含的數(shù)字最大值為1的區(qū)域劃分為較不適宜區(qū)域；將計(jì)算結(jié)果數(shù)值為0的區(qū)域劃分為不適宜區(qū)域。運(yùn)用GIS重分類(lèi)后，即可得到長(zhǎng)春市區(qū)整合度因子評(píng)價(jià)圖（圖12）。

3.2.3 藍(lán)綠系統(tǒng)因子評(píng)價(jià)圖的繪制

藍(lán)綠系統(tǒng)作為城市最大的生態(tài)系統(tǒng)要素，是海綿城市建設(shè)的重要載體。本文以2012年的長(zhǎng)春市總體規(guī)劃用地現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，提取長(zhǎng)春市區(qū)綠地系統(tǒng)和水體系統(tǒng)的矢量圖層。同時(shí)考慮到河湖濱岸緩沖帶對(duì)于防止面源污染、防洪排澇、改善河湖生境方面的重要作用，在GIS中對(duì)水體系統(tǒng)進(jìn)行賦予其兩側(cè)各30 m緩沖區(qū)的操作，將水體系統(tǒng)及其緩沖區(qū)都納入考慮范圍之內(nèi)[25]。最后將綠地系統(tǒng)圖層和水體系統(tǒng)及其緩沖區(qū)圖層進(jìn)行合并，并對(duì)其賦值。其中將藍(lán)綠系統(tǒng)范圍內(nèi)的區(qū)域定義為最適宜區(qū)域，將藍(lán)綠系統(tǒng)范圍之外的區(qū)域定義為不適宜區(qū)域，重分類(lèi)之后生成長(zhǎng)春市區(qū)藍(lán)綠系統(tǒng)因子評(píng)價(jià)圖（圖13）。

3.2.4 多因子加權(quán)疊加的適宜度評(píng)價(jià)及適宜等級(jí)的劃定

基于上文確定的各評(píng)價(jià)因子權(quán)重值，運(yùn)用GIS對(duì)上述單因子評(píng)價(jià)圖進(jìn)行多因子加權(quán)疊加的適宜度評(píng)價(jià)分析后得出：研究區(qū)海綿型場(chǎng)地的適宜度評(píng)價(jià)值（SL）在0.00—4.00之間變化，用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法取0.00—0.38—1.29—2.04—2.76—4.00區(qū)段作為適宜度分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即最適宜用地的評(píng)價(jià)值區(qū)間為2.76＜SL≤4.00，較適宜用地的評(píng)價(jià)值區(qū)間為2.04＜SL≤2.76，適宜用地的評(píng)價(jià)值區(qū)間為1.29＜SL≤2.04，較不適宜用地的評(píng)價(jià)值區(qū)間為0.38＜SL≤1.29，不適宜用地的評(píng)價(jià)值區(qū)間為0.00＜SL≤0.38。經(jīng)劃分不同評(píng)價(jià)值區(qū)間，將海綿型場(chǎng)地建設(shè)適宜區(qū)域分為5類(lèi)，其適宜度評(píng)價(jià)結(jié)果如圖14所示。

圖12 長(zhǎng)春市區(qū)空間整合度因子評(píng)價(jià)圖

圖13 長(zhǎng)春市區(qū)藍(lán)綠系統(tǒng)因子評(píng)價(jià)圖

圖14 海綿型場(chǎng)地適宜度評(píng)價(jià)圖

圖15 長(zhǎng)春市區(qū)海綿型場(chǎng)地選址圖

3.3 敏感性與適宜度分析的疊加與海綿型場(chǎng)地選址的確定

3.3.1 敏感性與適宜度分析的疊加

對(duì)水文敏感性分析評(píng)價(jià)圖與海綿型場(chǎng)地適宜度評(píng)價(jià)圖分別進(jìn)行重分類(lèi)并賦值。將水文敏感區(qū)賦值為2，水文低敏感區(qū)賦值為1；將最適宜用地賦值為50，較適宜用地賦值為40，適宜用地賦值為30，較不適宜用地賦值為20，不適宜用地賦值為10。將重分類(lèi)之后的敏感性與適宜度分析圖直接進(jìn)行疊加，其評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示。

3.3.2 海綿型場(chǎng)地選址的確定

從基于敏感性和適宜度分析的研究方法出發(fā)，選擇海綿型場(chǎng)地建設(shè)最適宜區(qū)域與較適宜區(qū)域中的潛在高水文敏感區(qū)作為長(zhǎng)春市區(qū)海綿型場(chǎng)地的選址區(qū)域，對(duì)應(yīng)到海綿型場(chǎng)地選址綜合評(píng)價(jià)圖上，即為綜合評(píng)價(jià)值為52和42的研究區(qū)域。其中綜合評(píng)價(jià)值為52的柵格單元有425個(gè)，綜合評(píng)價(jià)值為42的柵格單元有1 250個(gè)，共計(jì)1 675個(gè)30 m×30 m的柵格單元（表5），約占研究區(qū)域的0.31%。這些區(qū)域具有最高的水文敏感性和最適宜的海綿型場(chǎng)地建設(shè)條件，是長(zhǎng)春市區(qū)進(jìn)行海綿型場(chǎng)地建設(shè)的選址區(qū)域（圖15）。

4 結(jié)語(yǔ)

海綿城市的建設(shè)能夠快速實(shí)現(xiàn)生態(tài)城市建設(shè)目標(biāo)中的水生態(tài)安全問(wèn)題，而海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵原則是堅(jiān)持規(guī)劃的引領(lǐng)作用，作為海綿城市建設(shè)先行軍的30個(gè)國(guó)家級(jí)試點(diǎn)城市在規(guī)劃決策過(guò)程中亟需科學(xué)的量化分析技術(shù)進(jìn)行支撐。本文以長(zhǎng)春市區(qū)為例，從多層篩選的思維視角提出了基于敏感性與適宜度分析進(jìn)行海綿型場(chǎng)地選址的研究方法，并對(duì)水文敏感性分析進(jìn)行了災(zāi)害擬合度驗(yàn)證，證明其本土化應(yīng)用的可行性和有效性?？梢暬暮＞d型場(chǎng)地選址模型的構(gòu)建，是運(yùn)用智慧城市的定量分析手段從規(guī)劃引領(lǐng)的角度為海綿城市規(guī)劃決策提供科學(xué)而有效依據(jù)的創(chuàng)新性嘗試，為海綿城市在城市規(guī)劃層面的實(shí)現(xiàn)提供了新思維和新視角，極大地拓展了生態(tài)城市規(guī)劃研究方法的應(yīng)用范疇。

表5 綜合評(píng)價(jià)值得分表