城市建設(shè)用地海綿化程度對地表徑流水質(zhì)的影響
——以浙江省嘉興市為例

陳前虎, 李玉蓮, 黃初冬, 王賢萍

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 浙江 杭州 310023; 2.嘉興市規(guī)劃設(shè)計研究院, 浙江 嘉興 314000)

為解決城市化進程中因地表硬鋪率[1](impervious surface ratio，ISR)增加帶來的徑流水質(zhì)惡化問題，我國提出了基于“滲、滯、蓄、凈、用、排”為導(dǎo)向的海綿城市建設(shè)策略，出臺了一系列有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與技術(shù)導(dǎo)則[2-6]。這些文件均強調(diào)利用海綿設(shè)施對雨水徑流的截留作用來控制徑流污染負(fù)荷，并將年徑流總量控制率作為控制徑流污染物的重要指標(biāo)，而年徑流總量控制與地塊的海綿化程度——海綿設(shè)施的類型、數(shù)量與布局等息息相關(guān)[7-10]。為此，在海綿城市的規(guī)劃設(shè)計實踐中，需要探究的兩大科學(xué)問題主要是哪些因素對徑流污染削減起關(guān)鍵性作用；為達(dá)到一定的水質(zhì)控制目標(biāo)，該如何處理這些因素間的量化結(jié)構(gòu)關(guān)系。在各地加快實施海綿城市建設(shè)的背景下，有關(guān)建設(shè)用地海綿化程度與地表徑流水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系的研究迫在眉睫。圍繞上述問題，國內(nèi)外學(xué)者從時間和空間兩維視角出發(fā)，采用多元統(tǒng)計方法或借助雨洪管理模型，分析和模擬不同用地類型和降雨強度下典型海綿設(shè)施對徑流污染的影響[11-16]。劉文等[17-18]研究提出，海綿設(shè)施對污染物濃度的控制具有長期顯著性，不同類型的設(shè)施對污染物濃度的削減程度差異明顯；胡愛兵等[19-20]研究表明，優(yōu)化海綿設(shè)施的布局結(jié)構(gòu)有利于改善用地徑流水質(zhì)；Roy等[21-22]發(fā)現(xiàn)，低影響開發(fā)主要通過改變總不透水下墊面(total impervious area， TIA)與排水收集系統(tǒng)的連通性來控制對雨水徑流及污染負(fù)荷的攔截程度，且TIA分為有效不透水下墊面(effective impervious area， EIA，指與排水管渠直接連接的不透水下墊面)和無效不透水下墊面(ineffective impervious area， IIA，指與排水管渠斷接的不透水下墊面)，其中EIA是導(dǎo)致雨水中污染負(fù)荷增加的主要因素；Sohn等[23-25]研究認(rèn)為，EIA是評價LID設(shè)施截留雨水徑流能力的重要參考指標(biāo)。這些研究表明海綿化程度對徑流水質(zhì)有重要影響，為從土地利用視角控制徑流污染提供了理論基礎(chǔ)和新的視角與方法。但如何量化、揭示并管控海綿化程度與徑流水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系，在理論和實踐中均具有重大意義，值得進一步探索?；诖?，本文以首批海綿城市試點——嘉興市的20個海綿化改造不同程度的項目為研究單元，依托定點測量的數(shù)據(jù)，建立海綿化與地表徑流水質(zhì)兩套指標(biāo)；采用冗余分析、偏最小二乘法及Origin擬合方程，研究海綿化程度對徑流水質(zhì)的影響，明確對徑流水質(zhì)顯著作用的海綿化指標(biāo)，并嘗試探究在水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅳ類及污水排放二級標(biāo)準(zhǔn)時，改造程度不同的用地需要管控的指標(biāo)閾值，為海綿城市建設(shè)的控制性詳細(xì)規(guī)劃提供技術(shù)指導(dǎo)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

嘉興市地處長三角沖積平原地帶，地勢平坦且水系豐富，是典型的水質(zhì)型缺水城市。隨著嘉興市污水治理力度的推進，點源污染問題逐步解決，以徑流污染為主的非點源污染對河道水質(zhì)的影響日益增大。研究選取嘉興市10個已海綿化改造半年以上(多位于海綿城市改造示范區(qū)內(nèi))和10個未海綿化改造(多位于示范區(qū)外)共20個單一性質(zhì)的建設(shè)用地為樣本(圖1)。為保證各樣本排水管網(wǎng)系統(tǒng)的獨立性以及用地面積的均等性，將府南三期小區(qū)以戚家村浜為界分為東區(qū)和西區(qū)，中央公園和植物園分別以由拳路、戚家浜為界分為南區(qū)和北區(qū)。樣本用地類型有居住小區(qū)(10個)、公共建筑(6個)和公園(4個)3類，各用地容積率均在1.5及以下。

圖1 研究區(qū)建設(shè)用地樣本點分布示意圖

2 數(shù)據(jù)獲取與研究方法

2.1 海綿化指標(biāo)的獲取

結(jié)合用地改造現(xiàn)狀，所有研究區(qū)地面(含屋面)的類型可用EIA、IIA、綠地(含各種LID設(shè)施)以及弱透水面(透水路面及水體)4種類型來涵蓋。依據(jù)下墊面的透水性強度、不透水下墊面與排水管網(wǎng)的斷接或連接程度，選取EIA比例、IIA比例、綠地比例以及弱透水比例作為衡量海綿化程度的指標(biāo)。利用Excel軟件及Sutherland經(jīng)驗公式[26]計算出各樣本用地具體數(shù)值，其中Sutherland經(jīng)驗公式主要用于計算EIA比例，該公式解決了美國地質(zhì)勘探局提出的僅適用于小流域(8～28 hm2)內(nèi)EIA值計算方法的局限性問題，具體方式參考表1。結(jié)合各研究區(qū)海綿設(shè)施的建設(shè)施工現(xiàn)狀及表1可知，研究樣本中已改造居住小區(qū)和公共建筑的不透水區(qū)域與排水收集系統(tǒng)部分?jǐn)嘟?，公園用地的不透水區(qū)域與排水收集系統(tǒng)高度斷接；未改造用地的不透水區(qū)域與排水收集系統(tǒng)完全連接。

表1 依據(jù)Sutherland方程式求得的EIA[23,26]

2.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集

水質(zhì)數(shù)據(jù)采用人工時間間隔(每隔10 min)采樣法，選取2017年3—8月10場平均降雨強度等級為中雨的有效降雨，并在每塊建設(shè)用地選取2～3個連接河道的地下管網(wǎng)雨水排出口作為水質(zhì)采樣點(共45個)，由此獲取1391份徑流水質(zhì)數(shù)據(jù)。研究選擇懸浮物(SS)、生化需氧量(BOD5)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)為水質(zhì)指標(biāo)，并利用Grubbs檢驗法[27]篩選數(shù)據(jù)并剔除離群值，最終求得多場降雨徑流中各指標(biāo)的平均濃度[28]。

2.3 研究方法

采用冗余分析定性判斷海綿化程度與徑流水質(zhì)的相關(guān)性以及海綿化指標(biāo)對水質(zhì)指標(biāo)的控制作用方向，運用偏最小二乘法定量分析海綿化指標(biāo)對徑流水質(zhì)的影響權(quán)重、篩選出影響水質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)，利用Origin擬合方程預(yù)測改造程度不同的用地徑流水質(zhì)達(dá)到目標(biāo)要求時，海綿化指標(biāo)的響應(yīng)閾值。

2.3.1 冗余分析 借助Canoco 5.0軟件對各樣本點不同水質(zhì)指標(biāo)進行降趨勢對應(yīng)分析可知，水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)第一軸的梯度值為0.171，遠(yuǎn)小于3，故選擇冗余分析[29]。冗余分析是一種基于排序技術(shù)的線性分析方法，通過樣本點在象限的分布形態(tài)等方式來揭示研究區(qū)域的特點。

2.3.2 偏最小二乘法 偏最小二乘法是一種多因變量對多自變量的回歸建模方法，通過提取自變量和因變量的主成分，篩選出對兩變量解釋性最強的綜合變量，并解決了變量間的多重共線性問題[30]。

2.3.3 Origin擬合方程 Origin軟件[31]自帶多種非線性擬合函數(shù)，能方便、準(zhǔn)確地擬合出兩組變量數(shù)據(jù)間的最佳關(guān)系曲線，并可直觀地了解變量的變化趨勢及偏差。

3 結(jié)果與分析

3.1 海綿化指標(biāo)特征

研究表明，樣本用地的下墊面類型以EIA為主(公園用地除外)，已改造建設(shè)用地的下墊面類型較未改造建設(shè)用地豐富(圖2)。已改造樣本R01—R06的下墊面類型以EIA和綠地為主，R07—R10的下墊面類型以綠地為主；未改造樣本U01—U10的下墊面類型主要為EIA，綠地次之。不同用地類型的綠地比例和透水比例(綠地和弱透水比例之和)差異明顯，其中綠地比例由高到低依次為：公園(超過70%)>居住小區(qū)(超過30%)>公共建筑(除市政府U05外均低于25%)；透水比例由高到低依次為：公園(超過95%)>居住小區(qū)(超過52%)>公共建筑(低于45%)。公共建筑中汽車站的兩項指標(biāo)值最低(均為11%)。當(dāng)綠地比例相同時，已改造建設(shè)用地EIA比例(低于45%)均低于未改造建設(shè)用地(超過60%)。

3.2 水質(zhì)指標(biāo)特征

由圖3可知，樣本中部分已改造用地各水質(zhì)指標(biāo)的平均濃度未滿足地表水Ⅳ類及污水二級排放標(biāo)準(zhǔn)，所有未改造用地各水質(zhì)指標(biāo)的平均濃度均未達(dá)到水質(zhì)要求。三種用地類型中公園的水質(zhì)最好，居住小區(qū)次之，公共建筑的水質(zhì)明顯劣于前兩者。公園的綠地比例和透水比例較高、EIA比例較低，海綿設(shè)施布局較好；而公共建筑的綠地和透水比例較低、EIA比例較高，海綿設(shè)施布局較差。20個樣本中，嘉興汽車北站(U10)的水質(zhì)最差，SS，BOD5等五項指標(biāo)的平均濃度明顯高于其他樣本。對比樣本R01—R06與U01—U06并結(jié)合圖2發(fā)現(xiàn)，在相同的綠地比例下，已改造建設(shè)用地的EIA比例低于未改造建設(shè)用地，而水質(zhì)則前者更優(yōu)；隨著綠地比例的上升，建設(shè)用地各項水質(zhì)指標(biāo)的平均濃度逐漸下降(R06與U06除外)。

圖2 研究區(qū)各樣本用地不同海綿化指標(biāo)的比例

3.3 海綿化程度與徑流水質(zhì)響應(yīng)分析

3.3.1 海綿化指標(biāo)與水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系 借助Canoc 5.0軟件對樣本數(shù)據(jù)進行冗余分析，得出海綿化程度與水質(zhì)的關(guān)系圖(圖4)。圖中，箭頭長度及箭頭間的夾角表示水質(zhì)指標(biāo)對各海綿化指標(biāo)的響應(yīng)程度，長度越長、夾角(銳角表示海綿化指標(biāo)與水質(zhì)指標(biāo)呈正相關(guān)，鈍角表示負(fù)相關(guān))的余弦絕對值越大，說明二者相關(guān)性越大，反之越小。

由圖4可知，影響各樣本徑流水質(zhì)的海綿化指標(biāo)類型差異顯著。已改造公共建筑類樣本(R01—R06)主要受IIA比例影響，公園類(R08，R09)和(R07，R10)分別受綠地和弱透水比例影響明顯；未改造樣本(U01—U10)則主要受綠地和EIA比例影響。EIA比例與各水質(zhì)指標(biāo)呈顯著正相關(guān)，表明建設(shè)用地內(nèi)EIA是導(dǎo)致徑流污染負(fù)荷增加的主要因素；綠地、弱透水和IIA三者比例與各項水質(zhì)指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且綠地比例與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性最大，表明綠地對徑流污染負(fù)荷的截留程度高于另外兩者。SS，BOD5，COD和NH3-N這4項水質(zhì)指標(biāo)受海綿化程度影響明顯，TP受海綿化程度影響不顯著。對比EIA比例、IIA比例與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性后發(fā)現(xiàn)，二者對各水質(zhì)指標(biāo)的作用方向互為相反，且EIA比例與各水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性較IIA比例高。

圖3 研究區(qū)不同建設(shè)用地水質(zhì)指標(biāo)空間變化

圖4 海綿化指標(biāo)與水質(zhì)指標(biāo)的冗余分析

3.3.2 海綿化與水質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)的選取 本文運用SIMCA-P軟件構(gòu)建偏最小二乘回歸模型，并在Analysis中點擊Autofit功能對模型進行自動擬合。利用軟件的交叉有效性原則提取出2個PLS成分，模型對X的信息利用率為R2X(cum)=0.942，對Y的解釋能力為R2Y(cum)=0.828，且求得的交叉有效性值Q2(cum)=0.781 9(大于0.5)，表示模型的精度較高。最終，得到經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化的偏最小二乘回歸方程為：

(1)

式中：f(x)——水質(zhì)指標(biāo)濃度(mg/L)；αρ——第p種海綿化指標(biāo)對水質(zhì)指標(biāo)的影響常數(shù)項；μρ——第p種海綿化指標(biāo)的影響系數(shù)；βρ——第p種海綿化指標(biāo)(%)。

不同海綿化指標(biāo)對水質(zhì)指標(biāo)的影響系數(shù)如表2所示，影響大小順序為：綠地比例>EIA比例>IIA比例>弱透水比例。其中，SS受四項海綿化指標(biāo)影響明顯；BOD5和COD主要受綠地和EIA比例影響；海綿化指標(biāo)對NH3-N的影響不如其他水質(zhì)指標(biāo)顯著，說明其不是導(dǎo)致NH3-N平均濃度變化的最重要因素。綜合來看，EIA比例越大，各污染物的平均濃度越高，水質(zhì)越差；綠地、IIA和弱透水比例越大，各污染物的平均濃度越低，水質(zhì)越好。降雨時，綠地及透水路面等透水區(qū)域的雨水經(jīng)過滲透進入地下，不易形成地表徑流，污染物負(fù)荷較難通過排水管網(wǎng)進入河道；IIA雖為不透水區(qū)域，但與排水管道斷接，其地表徑流主要流向附近的海綿設(shè)施，未能直接進入排水管道。因此，提高建設(shè)用地內(nèi)綠地及透水路面比例或?qū)⒉煌杆访娴膹搅饕刖G地等海綿設(shè)施、降低EIA比例，都將有利于控制用地內(nèi)徑流污染從而改善河道水質(zhì)。

表2 海綿化指標(biāo)對水質(zhì)指標(biāo)的影響系數(shù)

海綿化指標(biāo)對水質(zhì)指標(biāo)影響的重要程度，可通過變量投影重要性指標(biāo)[32](variable importance in the projection， VIP)表示(圖5)。根據(jù)VIP排序圖可知，綠地和EIA比例的VIP值大于1，IIA比例的VIP值介于0.8，1之間，而弱透水比例的VIP值小于0.8，表明綠地和EIA比例對水質(zhì)指標(biāo)具有顯著解釋意義，二者為影響水質(zhì)的關(guān)鍵性指標(biāo)。

圖5 影響水質(zhì)的海綿化指標(biāo)VIP值排序

為了驗證模型建立的優(yōu)劣度和可靠性，需對模型進行預(yù)測分析。利用偏最小二乘回歸方程求得各水質(zhì)指標(biāo)的預(yù)測值，結(jié)合實測值繪制的散點趨勢圖分析可知，擬合度較好(R2>0.8)的水質(zhì)指標(biāo)為SS，BOD5和COD，樣本點多數(shù)均勻分布在對角線附近，表明SS，BOD5和COD是受海綿化程度影響的主要指標(biāo)。

3.3.3 海綿化指標(biāo)的閾值探討 綜上分析，以EIA比例為x軸，以SS，BOD5及COD三項指標(biāo)的平均濃度為y軸，根據(jù)樣本中不透水區(qū)域與排水管網(wǎng)系統(tǒng)斷接或連接程度的不同，利用Origin 2017軟件建立9個擬合方程；再以綠地比例為x軸，與其他三項水質(zhì)指標(biāo)建立3個擬合方程。根據(jù)研究獲取的樣本數(shù)據(jù)，可預(yù)測中度降水下，不同改造程度的用地徑流水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅳ類及污水排放二級標(biāo)準(zhǔn)時，需要管控的海綿化指標(biāo)的范圍。

(1) 當(dāng)EIA≈0時，即針對不透水區(qū)域與排水收集系統(tǒng)高度或完全斷接的建設(shè)用地，隨著綠地比例的上升，各水質(zhì)指標(biāo)的平均濃度均相應(yīng)下降。由表3方程可知，若使建設(shè)用地的水質(zhì)滿足標(biāo)準(zhǔn)，綠地比例應(yīng)不低于31%。

(2) 當(dāng)EIA=0.04(TIA)1.7時，即針對不透水區(qū)域與排水收集系統(tǒng)部分?jǐn)嘟拥慕ㄔO(shè)用地，各項水質(zhì)指標(biāo)的平均濃度隨著綠地比例的上升而降低，且斜率逐漸減小，其中COD對綠地比例變化的敏感性最高。由圖6可知，綠地比例超過38.5%時，建設(shè)用地的水質(zhì)可滿足標(biāo)準(zhǔn)。由此可見，目前嘉興市已改造居住小區(qū)和公共建筑的綠地比例均有待提高。

(3) 當(dāng)EIA=TIA時，即針對未經(jīng)過海綿化改造的建設(shè)用地，隨著綠地比例的上升，各水質(zhì)指標(biāo)的平均濃度均下降，且SS的下降斜率逐漸增大，說明SS對綠地比例變化的敏感性更高。由圖7可知，若使建設(shè)用地的徑流水質(zhì)滿足要求，綠地比例應(yīng)不低于47%。目前看來，嘉興市未改造居住小區(qū)和公共建筑的綠地比例均未超過47%，徑流污染較為嚴(yán)重。

(4) 在常規(guī)綠地比例建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)(綠地比例≈35%)下，隨著EIA比例的上升，各水質(zhì)指標(biāo)的平均濃度均上升，且斜率由低變高。由圖8可知，EIA比例低于9%時，水質(zhì)可滿足目標(biāo)要求。然而，目前嘉興市除公園用地外其他類型建設(shè)用地的EIA比例均超過9%。

圖8 常規(guī)綠地比例下，SS，BOD5和COD與EIA比例的回歸預(yù)測

由分析結(jié)果可知，在特定的海綿化程度下，當(dāng)改變綠地和EIA比例使COD滿足水質(zhì)要求時，其余水質(zhì)指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。因此，COD是評價研究樣本用地徑流水質(zhì)的關(guān)鍵性指標(biāo)。

4 結(jié) 論

(1) 基于冗余分析，定性地揭示了海綿化程度與徑流水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系。影響各樣本用地徑流水質(zhì)的海綿化指標(biāo)不同；綠地、IIA、弱透水比例與水質(zhì)指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，EIA比例與水質(zhì)指標(biāo)呈正相關(guān)；SS，BOD5，COD和NH3-N與海綿化指標(biāo)相關(guān)性較大。

(2) 基于偏最小二乘回歸分析，定量地探究出不同海綿化指標(biāo)對各項水質(zhì)指標(biāo)的影響權(quán)重，篩選得到影響水質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)為綠地比例和EIA比例，受海綿化程度影響的主要水質(zhì)指標(biāo)為SS，BOD5和COD。

(3) 基于關(guān)鍵指標(biāo)的Origin擬合分析，得出用地徑流水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類及污水排放二級標(biāo)準(zhǔn)時綠地或EIA比例的響應(yīng)閾值： ①當(dāng)EIA≈0時，綠地比例的閾值為31%； ②當(dāng)EIA=0.04(TIA)1.7時，綠地比例的閾值為38.5%； ③當(dāng)EIA=TIA時，綠地比例的閾值為47%； ④在常規(guī)綠地比例(約為35%)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)下，EIA比例的閾值為9%。

當(dāng)前，《城市綠化規(guī)劃建設(shè)指標(biāo)的規(guī)定》中規(guī)定城市建設(shè)用地綠地比例應(yīng)不低于35%，其中，居住小區(qū)和公共建筑的綠地比例標(biāo)準(zhǔn)分別為40%(新小區(qū))、35%(舊小區(qū)和公共建筑)。由此可知，當(dāng)EIA≈0時，則無需改變城市建設(shè)用地內(nèi)綠地比例標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)EIA=0.04(TIA)1.7時，建議已改造的居住小區(qū)和公共建筑的綠地比例標(biāo)準(zhǔn)均提高3.5%；當(dāng)EIA=TIA時，建議未改造建設(shè)用地中居住小區(qū)和公共建筑的綠地比例分別提高7%(新小區(qū))和12%(舊小區(qū)和公共建筑)；在常規(guī)綠地比例(約為35%)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)下，可通過增加透水路面面積或?qū)⑵胀ňG地改為下凹式綠地、雨水花園及雨落管等方式降低EIA比例。

致謝：嘉興市規(guī)劃設(shè)計研究院為本研究提供了詳細(xì)的海綿城市建設(shè)施工圖和降雨數(shù)據(jù)資料，特此致謝。