基于生态海绵体评价的海绵城市规划研究——以信阳市为例

翟慧敏 ,谢文全 ,杨先武 ,刘 冰 ,何静敏 ,夏 佩

(信阳师范学院 地理科学学院，河南 信阳 464000)

0 引言

近年来，城市化的迅猛发展和气候的逐渐变化，给城市发展带来一系列新的现实问题.据统计，近年来，我国300多个城市均发生过不同程度的内涝灾害[1]，这些内涝灾害不仅仅对城市的发展造成了较大影响，也对市民的生命财产安全造成了严重威胁，还导致了城市水污染、城市水资源浪费、城市生态环境破坏和城市防洪的压力增大等问题的产生，这些问题日益突出，逐渐成为资源节约型和环境友好型城市建设的短板.从源头节约水资源、缓解城市内涝，改善城市生态环境在城市发展过程中已经呈现出迫在眉睫的态势.针对此问题，我国借鉴国外的先进经验而提出构建海绵城市的设想.海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用，提升城市生态系统功能和减少城市洪涝灾害的发生[2].海绵城市以低影响开发为开发理念，着力追求开发前后水文特征不变，力求对原有生态环境的破坏降到最低.这就要求海绵城市建设的过程中，既要充分利用生态的“弹性”的措施，又要与人工的“刚性”工程设施进行有效衔接.从而建海绵城市建设可以最大限度地减少城市开发建设对生态环境的影响，将70%的降雨就地消纳和利用.

预计到2020年，城市建成区20%以上的面积达到目标要求；到2030年，城市建成区80%以上的面积达到目标要求[3].因此，“海绵城市”可以缓解水资源短缺、洪涝灾害、城市热岛、雾霾等多方面的城市化带来的生态环境问题，是传统开发模式的转变，从粗放的建设模式向生态文明发展模式的转变[4].本文以信阳市为例，探讨基于生态海绵体评价的海绵城市规划，为中小城市的海绵城市建设提供参考.

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

信阳市位于河南省南部，东与安徽为邻，南与湖北接壤，左扼两淮，右控江汉，承东启西，屏蔽中原，素有“三省通衢”之称[5].信阳市处于中国南北分界线—秦岭淮河线上，是亚热带和温带的过渡地带，具有亚热带气候向暖温带气候过渡的双重特点.夏季炎热、冬季寒冷，年均降水量1000～1300 mm，降雨量主要集中于夏季[6]，水资源相对中原其他地区较为丰富.

海绵城市研究的内容大多集中在城市，故本文的研究范围界定为信阳市中心城区，根据信阳市城市总体规划(2013—2030)，结合信阳市行政边界、自然山体边界、城市发展方向和趋势、城市远景用地需求等因素，中心城区范围大体控制在北至沪陕高速以北彭家湾乡、洋河镇以南，东至五里店办事处东侧行政边界，南至上天梯行政边界、震雷山风景保护区外围及东双河镇和十三里桥乡北部地区，西至南湾湖风景区名胜区边界和107国道，总面积590 km2.信阳市中心城区坐落于浉河沿岸冲积平原的盆地之中，其地势西部和南部较高，中部和东部较低.

1.2 研究方法

本文研究的生态海绵体评价和生态适宜性评价类似，生态适宜性评价方法最早由美国宾夕法尼亚大学麦克哈格(McHarg )教授提出，将其定义为由土地具有的水文、地理、地形、地质、生物、人文等特征所决定的、对特定、持续性用途的固有适宜性程度[7],生态适宜性评价融合了生态学、经济学、地学及其他相关学科的原理和方法,是一种综合性的研究方法[8].主要是根据土地系统固有的生态条件分析并结合考虑社会经济因素,评价其对某类用途的适宜程度和限制性大小,划分其适宜程度等级[9].生态适宜性评价可以为城市规划的用地发展策略、功能布局和生态功能分区等提供科学依据[10].因此，本文借助生态适宜性评价的相关方法对生态海绵体进行评价.

2 信阳市生态海绵体评价

建设海绵城市必须要有海绵体，海绵体又称海绵要素，海绵体又可以分为生态海绵体和人工海绵体.生态海绵体是城市建设之前就存在的自然要素，例如林地、河流、湖泊、湿地、坑塘等.这些生态海绵体可以调节城市气候，具有吸水、净水、蓄水等功能.它们的调洪蓄水能力以及自我修复能力强于人工海绵体[11].

2.1 海绵体现状分布

本文以2016年信阳市土地利用现状为底图，利用遥感影像对信阳市中心城区生态海绵体要素进行提取，再利用ArcGIS对照和纠正，识别出信阳市的河流、林地、湿地、坑塘等重要的生态海绵体(见图1).结果发现信阳市的林地主要分布在信阳市的南部和西部地区，湿地主要分布在浉河的两岸，水系主要分布在信阳市中部的浉河和北部的几条小河流，坑塘主要分布在浉河支流的附近以及北部几条河流的附近.

图1 生态海绵体分布现状Fig. 1 Ecological cavernous distribution

2.2 评价因子选取

生态海绵体评价就是对生态海绵体功能高低的评价，生态海绵体的主要功能体现在水土保持，截留净化，蓄水能力，生态排水等方面.本文根据各要素对海绵体功能影响的不同，选取不同的因子，其中最主要的主要有地形因子、水因子、植被因子和用地状况(见表1).地形因子对水土保持能力的影响比较大，一般高程和坡度直接影响土地的侵蚀程度和用地的稳定性；水因子影响着海绵体的蓄水能力和生态排水能力，水因子的容纳能力与海绵体的容纳能力成正相关；植被因子不仅影响着生态海绵体的水土保持能力还影响着生态海绵体的截留净化能力，在一定的程度上还影响着生态海绵城市的蓄水能力，植被是土地的防护衣，可以起到保持水土的作用，同时植被根部的一些菌类可以对水体中的污染物进行分解，在一定的程度上起到净化的作用.

表1 生态适宜性评价因子Tab. 1 Evaluation factors of ecological suitability

2.3 海绵体单因子评价等级划分

依据信阳市的具体情况和各个因子对海绵性的影响不同，对海绵体的各个要素进行等级划分，采用赋分法如“1、3、5”代表海绵体海绵性能的高低，结果见表2.

表2 生态海绵要素单因子评价等级划分Tab. 2 The classification of single factor of ecological sponge

2.4 海绵要素的权重确定

权重是用来衡量海绵要素的各个单因子对海绵体功能发挥的影响程度，权重值越大，表示其影响越大.确定权重是生态海绵体分析的重要一步.其权重的精确度影响最终的结果，为了提高精确度减少主观因素的过度干扰，本文采用层次分析法来确定因子的权重.具体步骤如下：

(1)建立成对比较矩阵

A对B时相比较时，赋予各个因子比较值1、3、5；B对A相比较时，赋予各比较值1、1/3、1/5.

5．对道德的排除。由于科学技术的非政治化，使其将旧意识形态所关注的道德实践问题剔除出去，“技术统治的意识所反映的不是道德联系的颠倒和解体，而是作为生活联系的范畴——全部道德的排除。所以技术统治意识形态的核心是实践和技术的差别的消失。”［10］(P70)

(2)计算因子权重

将每个要素因子按照表2中的性能高低进行打分，计算出每一行中的几何平均值，再对所有的几何平均值进行求和.然后单行的几何平均值除以所有几何平均值之和，即可得到因子的权重，结果见表3.

表3 因子权重值 Tab. 3 Factor weight

对权重值进行检验，计算出其权重的整合度(C.I.)值(见表4)，结合海绵要素的整体情况，其权重的整合度允许值在0～0.1，对于小于0.1的权重值比较合理，对于大于0.1的权重值需要重新比较确定.经计算其整合度(C.I.)=(合计得分的算术平均-项目数)/(项目数-1)，其值为：[(7.4490+6.1392+5.8209+5.6382+5.3851+5.4208)/6-6]/(6-1)=-0.0049<0.1，其值小于0.1.权重值合理.

表4 限制型模式C.I.值计算表Tab. 4 Calculation of restricted mode C.L. value

2.5 生态海绵要素评价结果分析

运用ArcGIS软件对选取的因子的数据进行处理，然后结合生态海绵体的海绵性等级划分的标准进行处理，得到选取因子的评价图(见图2).

图2 选取因子评价图Fig. 2 Analysis o f the gray scale of the sponge

3 信阳市海绵城市建设分区研究

图3 生态海绵体分析灰度图Fig. 3 The grayscale analysis of ecological sponge

对各因子的评价图进行加权叠加分析，将各个单因子图层和各自的权重相乘，利用ArcGIS9.2中Spatial analysis的Map Calculator工具进行叠合，得到结果图层，即得到生态海绵体的海绵性分析灰度图(见图3).在灰度图中，颜色越深代表此区域生态敏感性越强，越需要加强保护，必须限制建设开发；颜色浅，则反之.根据生态海绵体的海绵性分析灰度图的评价值，在结合信阳市的实际情况，将信阳市的海绵城市建设分3 个区(见图4).第一是低影响开发区，基本为城市建成区，主要是中心城区，此区域建设用地的开发强度大，开发方式粗放，造成可用于建设生态海绵体的面积较小.但是可以在此建设具有“蓄、排、渗”为主要功能的工程.第二是生态保护区，此区域位于信阳市的西部，中部和北部的片区，主要是密林和河流水系所在地.由生态海绵城市分布现状图(图1)可知，西部的林地资源较为丰富，可以在这部分设置“蓄、渗、滞、净”为主要功能的工程，例如水土保持工程.第三是生态修复区，此区域分布地势低洼，在河流的附近分布有许多湿地和坑塘.随着城市的建设，部分生态环境遭受破坏.对于此区域可以建设具有“排、蓄”功能为重点的工程.

图4 海绵城市规划分区图Fig. 4 The division of sponge city design

3.1 低影响开发区措施

低影响开发区主要是在城市建成区，尤其是中心城区.在中心城区中，此区域的地面硬化程度高、范围广，因为主客观条件的限制，在短时期内很难实现全面地改建，这就要求我们进行合理有序的低影响开发与更新.因此，要秉承对生态环境最低影响的原则，对开发强度加以合理的控制，以保障对城市原有生态环境最小的破坏.在此区域内开展以“排、渗、滞”为主要功能的工程措施.

(1)可渗透路面

可渗透路面将部分水下渗到土壤中，不仅可以减轻排水管道的压力，还可以及时补充地下水，在一定的程度上对促进城市水有序循环具有重要的意义.水体下渗，可以避免道板在水体中长时间的浸泡，同时也可以延长道路的使用寿命.对信阳市建成区的道路进行有序的改造，使得道路成为承接“排、渗、滞”等功能的主要场所.

绿色屋顶是利用建筑屋面的空间种植花草树木，改善生态环境，营造绿化空间的屋面.首先，绿色屋顶可以通过绿色植物吸收空气中的二氧化碳放出氧气以及吸附尘埃固体颗粒等，在一定程度上可以起到净化空气、美化环境的作用.其次，植物的叶子在夏季通过蒸腾作用和蒸发作用，起到增湿降温的作用；在冬季又像保温层起着保温作用.再次，绿色植物的根系吸收和储存雨水，可以增加屋顶储水和减少屋面排水的作用.最后，绿色屋顶对建筑物还具有保护的作用，在夏季降温和冬季保温的同时，降低了屋顶的温差，同时也阻挡了阳光对屋面的直接照射，也就减轻屋顶膨胀和收缩，使得建筑物出现裂缝的概率减小，也延长了屋顶的使用寿命.

(3)生态草沟

生态草沟是海绵体的重要组成部分，生态草沟可以减少地面径流的排放，将雨水储存于植物根系和土壤中，一方面，生态草沟可以起到储存雨水，增加空气的湿度，调节局部小气候的作用，另一方面，生态草沟还可以保持水土的作用，同时对维持生态多样性具有重要作用.

3.2 生态保护区措施

海绵城市生态保护区内拥有丰富的林地和水体等天然的生态海绵要素，拥有宝贵的生态资源，此区域的“蓄、净、渗、滞”的功能相对较强.在海绵城市建设中，我们要充分发挥和利用这个区域要素的优势，开展一些水土保持工程，水体净化工程等，可以有效地削减城市径流、节约水资源、保护和改善城市生态环境.为建立完善的具有自然积存、自然渗透、自然净化功能的海绵城市系统作铺垫.具体措施如下：

(1)在城市总体规划中划出城市蓝线对水生态敏感区进行保护.并在对水生敏感性区进行保护的过程中，要注意优化水域、岸线、滨水区、周边绿地布局，明确保护和开发的空间.尤其是对浉河和南湾湖的保护.划出城市蓝线，确定地表水体保护和控制的地域.

(2)在城市总体规划中合理的确定城市绿地系统开发规模和布局，确定保护范围.把信阳市的贤山和震雷山纳入保护的范围，保护贤山和震雷山以及城市中原有的天然林地，草地，并将其划入非建设区，划定城市绿线进行保护.并充分地发挥绿地系统的渗透、调蓄和净化的功能.

3.3 生态修复区措施

由于生态海绵体受到一定的条件限制，所以，我们需要调节和改善这些限制条件，以便于恢复和修复生态海绵体原有的功能，提高生态海绵体的适宜性.

(1)在城市中保留足够的生态用地，为城市的生态环境建立绿色的保障系统.与此同时，也为恢复建设以前的生态环境提供可能.例如，要维护浉河两岸的重要湿地，保持原有的生态功能.

(2)改变城市的建设模式.将城市原有的粗犷的发展模式改变成低影响的开发建设的模式.同时，需要对粗放经济下受到破坏的自然环境，进行合理有序的生态恢复和修复.

(3)合理设置预处理设施.对未进入浉河和北部小河流的雨水或废水进行预处理，既可以采用生态预处理的方式，也可以将雨水和废水进行人工预处理.生态预处理即在雨水未进入河流之前，就流经河岸边的绿地系统，绿地中的微生物在一定的程度上具有净化水体的作用，同时还可以对哦雨水进行截留和蓄渗；人工预处理就是将雨水输入处理厂，进行处理后再排入水体.水体的预处理设施可以减轻水体的污染，在一定的程度上可以起到保护水体的生态环境作用.

(4)生态海绵体的各个要素之间要有效衔接.除了在水体进入河流湖泊之前进行预处理、加强水体和绿地系统的联系之外，还可以通过改良土壤、平缓地形等方式，将低影响开发措施融入绿地规划设计中，尽量满足周边雨水汇入绿地进行调蓄的要求.

4 结论

通过生态海绵体分析，对信阳市的海绵体建设现状进行调查，获取信阳市生态海绵体分布现状.借鉴生态适宜性的评价方法对信阳市生态海绵体进行评价，根据评价结果，将信阳市的海绵城市规划分为3个区：生态保护区、低影响开发区、生态修复区，并针对各个区域提出相应的措施，为信阳市的海绵城市规划提供一定的依据.由于生态海绵体的等级标准无法精确的确定以及主观因素的干扰，导致其生态海绵体的权重可能存在一定的误差.以后会继续对此问题进行研究，以求探索出精确的结果.