基于GIS分析法識別城區(qū)水安全敏感區(qū)研究

熊凡軼 吳星杰

(西南林業(yè)大學(xué)(昆明)研究生院,云南昆明 650224)

0 引言

我國在2015年正式啟動了海綿城市的試點(diǎn)建設(shè)，已經(jīng)過去了五年，隨著我國學(xué)者對海綿城市研究日益加深，海綿城市建筑中出現(xiàn)的問題也日益凸顯，據(jù)新聞報(bào)道，2016年全國30個試點(diǎn)海綿城市中有19個發(fā)生了淹水[1-2]。目前我國對大范圍海綿城市的建設(shè)研究還是流于形式[3]，由于受到電腦運(yùn)算能力以及數(shù)據(jù)需求量大等因素的影響，國內(nèi)對海綿城市大范圍分析目前主要是通過ArcGIS進(jìn)行。目前國內(nèi)應(yīng)用ArcGIS對大范圍場地進(jìn)行分析主要是對其自然條件等進(jìn)行生態(tài)敏感性分析[4]，另一方面則是對城市地形進(jìn)行分析找出積水點(diǎn)[5-9]。兩種方法對城市用地都考慮的較少，對于城區(qū)水文敏感性區(qū)域的識別并不準(zhǔn)確。因此，如何輕松、方便、準(zhǔn)確地對城區(qū)范圍內(nèi)的水文情況進(jìn)行模擬以及評估是現(xiàn)階段的首要任務(wù)。

宜良縣位于云南省中部，屬于昆明市下轄縣城，是昆明的后花園。宜良縣是典型的云南山地的壩子地形，區(qū)域地形地貌以及環(huán)境十分典型，對宜良縣通過ArcGIS進(jìn)行基于地形指數(shù)的水文模型研究具有重要意義。

1 研究區(qū)域概況

宜良縣位于云南省中部，東經(jīng)102°～103°，北緯24°～25°。距省會昆明54 km，東鄰陸良縣、石林縣；北與馬龍縣、嵩明縣接壤；西連呈貢區(qū)、澄江縣和官渡區(qū)；南接彌勒市、華寧縣，自古就有“省會鎖鑰，澄曲咽喉”之說。宜良縣屬于現(xiàn)代新昆明城市規(guī)劃布局的衛(wèi)星城和次級市，交通便利、地理位置優(yōu)越。全縣地形為云南省典型的壩子地形，中間高兩邊低，最高海拔為2730 m，最低海拔為1270 m，全縣平均海拔在1500～1800 m之間。

2 理論與方法

2.1 理論基礎(chǔ)

本研究通過借鑒生態(tài)敏感性評價(jià)以及生態(tài)適宜性分析的方法[4]，基于層次分析法對于相關(guān)影響因素給定權(quán)重，最終通過ArcGIS加權(quán)分析得出區(qū)域水文敏感性評價(jià)圖。水文模型TOPMODEL 模型中的地形指數(shù) ln(α/tanβ) 常用處理較大范圍自然流域的地形，基于地形指數(shù)的水文模型TOPMODEL 模型具有可以將分析數(shù)據(jù)化、所需參數(shù)少、操作較為簡單等特點(diǎn)[10]。

2.2 研究方法

2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究數(shù)據(jù)采用30 m×30 m開源DEM高程圖(下載自地理信息數(shù)據(jù)網(wǎng))、對宜良縣進(jìn)行實(shí)地調(diào)查得到的建筑以及用地分布圖、宜良縣2014—2030年土地利用總體規(guī)劃圖、宜良縣高清正射影像圖、2002年以來宜良縣逐年歷史衛(wèi)星影像等。利用ArcGIS10.1對于宜良縣用地、建筑、道路、水系等進(jìn)行矢量化，所有矢量化數(shù)據(jù)均采用WGS_1984_Web_Mercator投影坐標(biāo)系。此外，用地分類圖根據(jù)歷史衛(wèi)星影像圖區(qū)分了建筑年限與類型。本研究參照生態(tài)敏感性分析的方法，利用ArcGIS軟件強(qiáng)大的功能處理DEM數(shù)據(jù)，對用地類型等矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量轉(zhuǎn)柵格，利用緩沖分析、地形指數(shù)分析、疊加分析、密度分析等方法，最終得出綜合水文敏感性分析圖。研究過程中，在進(jìn)行成對比較矩陣法計(jì)算權(quán)重時(shí)，主要采用專家觀點(diǎn)評分，將得到的數(shù)據(jù)利用yaahp軟件計(jì)算權(quán)重。

2.2.2 評價(jià)因子選取

本研究通過對昆明市積水嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行實(shí)際調(diào)查情況以及查閱相關(guān)文獻(xiàn)[11-13]，選取水文敏感性評價(jià)因子。對城市水文環(huán)境造成重大影響的相關(guān)因素主要有高程、坡度、綠地率與不透水率、建筑密度、管網(wǎng)情況、周邊水體情況、用地類型等。根據(jù)實(shí)地特征以及資料收集情況，本研究對相關(guān)因素進(jìn)行歸納，綜合選取了建筑條件、用地類型、地形條件、地表水系4個因素進(jìn)行水文敏感性分析。

2.2.3 地形指數(shù)的提取

地形是城市水文環(huán)境的重要指標(biāo)，它對城市水文環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在高程、坡度和坡向三個方面。地形指數(shù)作為一種對水文情況進(jìn)行模擬的計(jì)算方法，綜合了高程、坡度與坡向三個因素。可以比較明確地表示出在只有地形的情況下流域中任意一點(diǎn)的徑流累積趨勢和產(chǎn)生污染運(yùn)動趨勢的潛力[14]。

地形指數(shù)的計(jì)算公式[15]為：

λ=ln(α/tanβ)

(1)

包含了匯水面積α和坡度正切tanβ兩個計(jì)算參數(shù)。

匯水面積的計(jì)算公式為：

α=(N+1)A

(2)

式中：N為流入一個網(wǎng)格單元的上坡匯流柵格數(shù)；A為柵格分辨率；參數(shù)坡度tanβ的計(jì)算分析則可以利用ArcGIS的地形處理工具通過對DEM數(shù)字高程的表面分析得出。

本研究對地形指數(shù)的提取是通過ArcGIS10.1中水文分析工具中的內(nèi)部單流向算法D8算法來實(shí)現(xiàn)的。通過對原始DEM進(jìn)行填挖、流向、流量、坡度等處理得到水流流向、總水流積累量、坡度等圖。

通過柵格計(jì)算實(shí)現(xiàn)：地形指數(shù)=ln(水流積累量/單元坡度)。最終得出地形指數(shù)圖(見圖1)。參考解文龍等人劃定水文敏感區(qū)的地形指數(shù)取值劃分方法[16]，將地形指數(shù)分為三級：地形指數(shù)在3～10范圍為不敏感區(qū)域、10～14為中敏感區(qū)域、14～20.3為高敏感區(qū)域。

圖1 地形指數(shù)

2.2.4 用地類型

用地類型涉及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況，綠地率、建筑質(zhì)量等很多因素對城市水文環(huán)境有著巨大的影響。研究通過采用宜良縣高清地圖、谷歌地圖2002年以來的多年歷史影像，以及百度地圖、阿里地圖等多幅網(wǎng)絡(luò)地圖，結(jié)合宜良縣總體規(guī)劃圖對宜良縣建成區(qū)按時(shí)間、用地類型等因素進(jìn)行矢量化，最終劃分為棚戶區(qū)、道路、荒地、綠地與廣場、建設(shè)滿10年公共設(shè)施用地、建設(shè)滿10年非公共設(shè)施用地、新建建筑用地共七種用地類型(見圖2)。其中棚戶區(qū)大部分為老舊建筑，建筑質(zhì)量與基礎(chǔ)設(shè)施較差，不透水面較多，總面積約為156.35公頃。建設(shè)滿10年以上非公共設(shè)施用地包括建設(shè)滿10年以上的居住、商業(yè)、工業(yè)用地等，總面積為172.06公頃。建筑質(zhì)量與公共設(shè)施相對棚戶區(qū)較好。建設(shè)滿10年以上公共設(shè)施用地綠地率、建筑質(zhì)量略高于非公共設(shè)施用地，總用地面積為155.90公頃。新建小區(qū)為2014年后建成用地共計(jì)171.26公頃。城區(qū)共有公園廣場等綠地約120公頃，荒地133公頃。

圖2 宜良縣城用地分類

2.2.5 建筑密度因素分析

本研究通過對0.5 m分辨率的高清正射航片進(jìn)行人工解譯，在國際主流的分類體系基礎(chǔ)上參考《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》[17]。根據(jù)研究區(qū)的特點(diǎn)，將宜良縣城的土地利用類型劃分為：公共管理與公共服務(wù)用地(A)、商業(yè)用地(B)、居民用地(R)、工業(yè)用地(M)、綠地與廣場用地(G)以及未利用地(D)。通過對矢量化后建筑與用地疊加分析得出用地建筑密度。

2.2.6 地表水系

水系對城市水文環(huán)境有一定的影響。距離水源越近，暴雨所產(chǎn)生的徑流速度就越快，越能就近排出，水文敏感性也就越低，反之亦然。宜良縣城區(qū)域被兩條自然河流貫穿，另外縣城內(nèi)存在多條暗河以及人工河流湖泊等。對水系緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)按0～30 m、30～50 m、50～100 m、100～1000 m來設(shè)定，其中在水系緩沖區(qū)30 m之內(nèi)雨水徑流經(jīng)過稍加處理就能快速排入水體中，而水系緩沖區(qū)100 m以上時(shí)雨水徑流很難排入水體。

2.3 評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

通過對與城市水文敏感性有關(guān)的高程、坡度、綠地率與不透水率、建筑密度、管網(wǎng)情況、周邊水體情況、用地類型七種影響因素進(jìn)行篩選與整理。將高程和坡度等DEM因素綜合為地形指數(shù)，綠地率及不透水率以及管網(wǎng)情況，并入用地類型因素。最終七種因素綜合為用地指數(shù)、用地類型、距水體距離、建筑密度等四種因素。

按照AHP(層次分析法)確定指標(biāo)權(quán)重[18]，在GIS技術(shù)支持下，通過加權(quán)疊加法獲得水文敏感性綜合評價(jià)圖。具體步驟為：

(1)建立由所選取的四個影響因子組成水文敏感性評價(jià)指標(biāo)體系，根據(jù)每個因子對水文環(huán)境的影響，對每個因子的分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行賦值。按照不敏感(1)、輕度敏感(3)、中度敏感(5)、高度敏感(7)、極敏感(9)[19]的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行賦值(見表1)。

表1 各項(xiàng)評價(jià)因子分級標(biāo)準(zhǔn)

(2)確定權(quán)重。使用成對比較法，根據(jù)兩兩相比所得的值建立表格，根據(jù)專家打分結(jié)果，得出水文敏感度成對比較矩陣，計(jì)算各評價(jià)因子的權(quán)重(見表2)，計(jì)算公式如下：

(3)

式中：ωi為第i個評價(jià)因子權(quán)重，即第i行指標(biāo)因子的特征向量；Wi為第i行的幾何平均值；n為指標(biāo)因子數(shù)。

表2 水文敏感性評價(jià)因子權(quán)重表

2.4 技術(shù)路線

首先，根據(jù)對積水區(qū)域的實(shí)地調(diào)查以及對相關(guān)文獻(xiàn)的查閱，選取重要的生態(tài)因子，對選取的因子進(jìn)行分級標(biāo)準(zhǔn)的劃分；然后，采用專家評分法確定各因子的權(quán)重值，利用ArcGIS加權(quán)疊加得出水文敏感度分析結(jié)論。

3 結(jié)果與分析

3.1 地形指數(shù)分析

參考解文龍等[11]劃定水文敏感區(qū)的方法，將地形指數(shù)分為三個等級，將地形指數(shù)14以上(地形指數(shù)的平均值9的1.5倍)的區(qū)域劃為極敏感區(qū)域，共有568個柵格為極敏感區(qū)域，面積約為51.1公頃；地形指數(shù)在10～14之間的區(qū)域劃為中敏感區(qū)域，共有3847個柵格，面積約為346.2公頃；地形指數(shù)小于10的區(qū)域劃為不敏感區(qū)域，共有6154個柵格，面積約為553.9公頃?？傮w來看宜良縣城地形指數(shù)極敏感區(qū)域較少，大約占總面積的5%，地形指數(shù)分布較為均勻，如圖3所示。

圖3 地形因子水文敏感性評價(jià)圖

3.2 水系分析

水系緩沖區(qū)水文敏感性評價(jià)結(jié)果如圖4所示，宜良縣城區(qū)域共有兩條自然河流，除兩條自然河流以外，城中還有大小不一的人工河流與湖泊。水系的水文敏感性劃分以地面徑流長度為依據(jù)，劃定距離水系緩沖區(qū)越大，徑流也就越難匯入水系中，對水文敏感性的影響也就更大。

圖4 水系緩沖區(qū)水文敏感性評價(jià)圖

3.3 用地分類分析

根據(jù)宜良縣城區(qū)用地的年限類型將用地分為五個等級，如圖5所示。宜良縣老城區(qū)用地水文敏感性較高，即：這部分區(qū)域的評價(jià)因子分值最高，宜良縣老城區(qū)外圍水文敏感性較低，有較大片的公園綠地以及自然綠地。

圖5 用地類型水文敏感性評價(jià)圖

3.4 建筑密度分析

建筑密度與用地類型有著一定的聯(lián)系，用地類型水文敏感性高的區(qū)域建筑密度也較高，用地類型敏感度與建筑密度水文敏感度之間在一定程度上呈正向關(guān)系(見圖6)。

圖6 建筑密度水文敏感性分析圖

3.5 綜合水文敏感性分析

借助ArcGIS軟件下的疊加分析工具中加權(quán)疊加分析功能，構(gòu)建綜合水文敏感性評價(jià)模型，公式如下：

(4)

式中：S為綜合敏感度評價(jià)值；Wi為第i個指標(biāo)的權(quán)重；Si為第i個指標(biāo)的評價(jià)值；n為指標(biāo)個數(shù)。

通過對地形指數(shù)分析、水系分析、用地分類分析、建筑密度分析進(jìn)行加權(quán)疊加分析，得到綜合水文敏感分析圖(見圖7)后，對分析圖按數(shù)值進(jìn)行分類，將綜合水文敏感指數(shù)小于2的區(qū)域劃為水文輕度敏感區(qū)或低敏感區(qū)；將水文敏感指數(shù)在5～7的區(qū)域劃分為中等敏感區(qū)域；將水文敏感指數(shù)大于7的區(qū)域劃分為高敏感區(qū)。通過對綜合水文敏感分析圖的分析可以看出，宜良縣城老城區(qū)水文敏感指數(shù)相對較高，尤其是棚戶區(qū)區(qū)域出現(xiàn)多處高敏感區(qū)域，中敏感區(qū)域也大多集中在老城區(qū)，對整個老城區(qū)會形成非常大的水文環(huán)境壓力，低敏感度區(qū)域主要集中在老城區(qū)周邊新建建筑用地或者城區(qū)周邊自然綠地，很好地緩解了來自城區(qū)外部的水文環(huán)境壓力，不會加重城區(qū)中心水文環(huán)境的壓力。

圖7 宜良縣城綜合水文敏感性分析圖

4 結(jié)論

本文在使用地形指數(shù)的基礎(chǔ)上，借鑒生態(tài)敏感性分析的方法，通過對昆明市周邊積水區(qū)域的調(diào)查分析，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)以及實(shí)際情況，選取用地類型、建筑密度、水系緩沖區(qū)、地形指數(shù)等四個影響因子對宜良縣縣城進(jìn)行水文敏感性分析，最終得出宜良縣綜合水文敏感性分析圖。通過研究，得出以下結(jié)論：

(1)選取用地類型、建筑密度、水系緩沖區(qū)、地形指數(shù)等四個因子對城區(qū)進(jìn)行水文敏感性分析，相對于常用的雨洪管理模型如MIKE URBAN、SUSTAIN、SWMM來說，所需要的數(shù)據(jù)量以及相關(guān)的電腦運(yùn)算量都大幅度減少，能更快速地得出結(jié)果，省時(shí)省力。

(2)就水文敏感性分析的結(jié)果來看，水文敏感性分析能較為清楚地反應(yīng)城市的水文環(huán)境，對城市易遭到積水以及水污染地區(qū)的提取能清晰地反映出城市水文環(huán)境較差的區(qū)域分布情況，為區(qū)域?qū)用嬉约靶^(qū)層面的海綿城市規(guī)劃提供了一定的借鑒與指導(dǎo)。

(3)本研究選取的4個指標(biāo)因子，在很大程度上是與城市積水以及水污染聯(lián)系較為緊密的影響因子，能快速地對其水文環(huán)境做出評價(jià)。但該項(xiàng)研究仍存在許多考慮不全面的地方，如指標(biāo)因子選取過程中，受到專業(yè)的限制等有很多相關(guān)的影響因子未考慮到。在進(jìn)行成對比較法時(shí)權(quán)重計(jì)算主要靠專家主觀看法打分，這些主、客觀因素對權(quán)重的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。