长三角地区海绵城市功能区划分方法研究

摘要：文章运用层次分析法、地理信息系统软件空间分析法，分析海绵功能适用区空间分布情况;提取区域内的子流域单元，运用分区统计工具将海绵功能适用区分布结果赋予子流域单元，按照划分原则初步识别边界;根据空间自相关性进一步划分边界，将长三角地区划分为海绵渗用功能区、海绵滞蓄功能区、海绵涵养功能区，以规避传统海绵城市以行政边界建设的弊端，从生态要素完整性的角度推动长三角区域一体化高质量发展，探讨更大空间尺度的海绵城市建设模式。

关键词：海绵城市;功能区;长三角地区

中图分类号：TU992 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2022）06-0-05

0 引言

长三角地区的经济因水而兴，但随着中国工业化、现代化建设的飞速发展，该区域遭遇先破坏、后整治，环境空间被严重破坏，生态环境日趋恶劣，洪涝灾害、水生态损害、水资源不均衡、水环境污染、水管理能力不协调等问题也愈发突显，严重制约着社会经济的进一步发展。

建设海绵城市是保护水资源安全、恢复城市水资源生态、提升城市水资源承载能力、改善水资源环境的有效途径[1]。随着长江三角洲区域经济一体化发展的深入，各领域从宏观角度出发，在突破行政边界的层面积极探索[2-3]，使跨区域、跨流域海绵城市建设不再局限于行政边界或小尺度范围内的研究。

文章针对目前的海绵城市建设常以行政区县为研究对象，忽略自然水文条件的完整性且海绵城市建设呈现出片段化或碎片化倾向的问题，在长三角区域推进生态环境一体化共同保护的诉求下，借鉴生态功能区划的研究思路，根据长三角地区的地质条件、建设条件、自然雨水排放通道的特征，基于高程数据和地理信息系统软件空间分析法，分析海绵城市建设的各基础条件在流域单元中的空间分布规律，使用层次分析法确定权重，将基础条件叠加分析，使流域内满足“渗、滞、蓄、净、用、排”的影响因素落位功能空间;了解区域内水文运动情况，将流域定为区域边界，以此形成长三角区域的海绵城市功能区。科学合理划分海绵城市功能区，构建海绵城市研究新格局，研究路线（见图1）如下。

1 长三角区域概况和海绵城市建设基础条件

1.1 区域概况

文章的研究范圍是《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》中的长三角地区，涵盖上海市、江苏省、浙江省、安徽省全域，共41个地级市。长三角地区为典型的亚热带季风气候，气候温和湿润，受梅雨和台风影响较大，降雨较多。长三角地区有大片城市群，是我国城市密度最高的地区，城市覆盖面积从20世纪80年代的2.29×103 km2迅速发展至2005年的4.19×103 km2和2016年的6.11×103 km2[4]，快速的城市化建设改变了自然雨水排放通道的位置、方式、形态。长三角城市地区的夏季极端降雨增加显著，分析传统降雨指标得出：长三角的降雨量在过去57年中呈现集中分布趋势，降雨周期在变短[5-6]。

1.2 数据的来源与处理

第一，高程数据来源于地理空间数据云下载。

第二，降水数据来源于中国气象科学数据中心的降水资料，主要包括72个气象站点在2011—2020年间的逐日降水量。

第三，土壤资料来源于世界土壤数据库的土壤质地属性数据。

第四，地下水位数据，一部分来源于各省地下水监测年报，一部分根据知网相关论文总结而来。

第五，下垫面数据是全球30 m地表覆盖下载的2020年全球地表覆盖数据。

第六，建成区根据2020年夜间灯光数据提取。

文章主要借助地理空间信息系统的空间分析和层次分析软件进行计算分析。

1.3 生态本底条件

1.3.1 降水

根据中国气象局的降水资料，基于长三角区域的高程数据统计分析长三角地区72个气象站点在2000—2020年的逐日降水量，显示，长三角区域平均降雨量在1 350 mm，枯水年份最少达730 mm，丰水年份最多达1 526 mm，降水量分布呈现南高北低的特点（见图2）。

1.3.2 土壤

利用地理信息系统软件，分析世界土壤数据库的土壤质地属性的相关数据可知，长三角区域的土壤质地由南到北依次以黏土、粉沙壤土、壤土为主（见图3）。根据毛昶熙《堤防工程手册》土壤渗透系数经验值所提供的数据，渗透系数为粉沙壤土（1×10-3 cm/s

-1×10-4cm/s）>壤土（1×10-4 cm/s-1×10-6cm/s）>黏土

（1×10-6 cm/s-1×10-7cm/s）[7]。

1.3.3 地下水位

统计分析各省地下水监测年报数据和各省市的年鉴数据可发现，江苏浅层地下水水位平均埋深在北部地区为2～3 m，而在中部地区、南部地区则为0.5～1 m;安徽省黄淮以北地区的浅层地下水水位埋深为2～6 m、南部地区埋深小于2 m;浙江省浅层地下水水位埋深为0.5～3 m;上海市地下水位埋深总体呈现明显的、由西向东逐渐增加的趋势，埋深介于0.4～3.1 m之间[8]。由此可见，长三角地区地下水位总体的分布趋势为由南向北递增。

1.3.4 坡度

长三角区域的地貌以平原和丘陵为主，根据地理空间数据云下载的高程数据，利用地理信息系统软件提取并分析长三角区域的高程数据，结果显示：长江以北地区以平原为主，地势平坦;长江以南及其河流两岸多为丘陵，地势相对较高（见图4），85.5%的区域高程在200 m以下;西南、南部地区以山地为主，最高海拔达1 635 m。

1.4 建设条件

1.4.1 下垫面

建设海绵城市时，下垫面类型的解析是海绵技术设施选择的基础，根据2020年全球地表覆盖数据，借助地理信息系统软件分析长三角区域下垫面类型，揭示山、水、林、田、湖的空间分布情况，发现：耕地集中分布在中部、北部，森林分布在西南部，水体主要分布在中、北部（见图5）。

1.4.2 建成区

分析夜间灯光数据是大尺度的城市研究的一种独特的数据获取手段[9]，已有许多学者在夜间灯光数据的基础上，完成对城市建成区夜间灯光数据的提取。根据2020年夜间灯光数据，借助地理信息系统软件提取并分析长三角区域建设用地的灯光密度指数，以此反映建成区空间分布特征，即城市建成区主要分布在长三角中东部地区，北部是较为均匀的点状分布（见图6）。

2 海绵功能适用区

2.1 条件筛选和功能要素适用范围

长三角区域的海绵城市建设要从宏观区域尺度出发，选取降水、土壤、下垫面、坡度四大核心要素条件，综合分析满足“渗、滞、蓄、净、用、排”功能要素的基础条件分布特征。

海绵城市建设的主要技术设施以“渗、滞、蓄、净、用、排”六大功能要素实现，功能要素对应的适用范围各有差异（见表1）。

2.2 海绵功能适用空间落位

层次分析法是将定性和定量分析技术相结合的多指标决策分析技术，通过构建判断矩阵，两两对比各评价因子的重要程度，从而得到各影响因子权重[11]，为适用性的分析提供依据。

利用层次分析软件，构建海绵功能层次结构指标体系（见图7），基于降水、土壤、下垫面、坡度基础要素条件特征，采用1～9的比例标度法[12]，构建比较判断矩阵;邀请相关领域专家学者打分，最后计算出各影响要素的权重值（见表2）。

运用地理空间信息系统叠加分析基础条件权重值，合并参与叠加的数据集，在所示分区内根据下垫面类型、土壤属性面积占比、降水平均值来确定“渗、滞、蓄、净、用、排”海绵功能适用区域的分布情况（见图8）。

3 流域范围内海绵功能区的划分

3.1 划分原则

改善生态系统服务是我国城市生态基础设施建设的核心内容和要点[13]，也是“海绵城市”建设的目标，要做到生态型，必须保证自然排水通道具有整体性的特征。从宏观角度出发，基于对海绵城市建设中基础条件的特征分析，海绵城市功能区划分的基本原则主要包括以下几个方面。

3.1.1 维护生态要素的完整性

海绵城市的实质是通过科学合理的方式考虑城市水循环要求，从而改变城市的水循环过程，使水在城市的移动、变化和交换等活动中更加自由[14]。由于降水、地貌、地形、土质、下垫面等环境条件的差异，显示出与之相互联系的海绵功能分布的不同，因此强调“统筹山水林田湖草生态系统治理”所考虑的范围必须是满足环境要素完整性的有效边界——流域，并将流域作为海绵城市功能区的划分边界。

3.1.2 尊重排水分区的自然属性

排水分区是指通过地形地貌或排水管渠界定的地面径流集水或汇水范围[15]，地形地貌与江河水系的格局是影响自然水文过程的主要因素，而城市建设在一定程度上也会改变原有的自然的地形地貌和水系形态。自然界水文过程从降雨产生到降雨径流形成、积累，可分为填挖入渗、产流汇流、入渗蒸发三个阶段[16]，在海绵城市建设的实践中，各项工作都是基于自然雨水径流路线，并以排水分区为基础而开展的[17]，在宏观区域尺度内划分排水分区，应当尊重其水文过程的自然属性。

3.1.3 满足集水区海绵协调管理

功能区的划分需要从满足区域社会经济发展、生态保护工作、行政管理的需要出发，划分流域尺度范围。海绵城市功能区与所在区域的水文、气象、土地利用条件、工程建设条件等内容密切相关，因此，选择海绵设施系统时，需要分析和比较各项功能，选取最优功能组合。海绵城市功能区还应当引领子区域海绵城市建设的技术标准，以子流域为单元，分析单元内山、水、林、田、湖、草生态系统内部的有机联系，并在此基础上因地制宜，选择相应的海绵技术设施建立技术标准。

3.2 边界识别

借鉴生态学的方法和原理，考虑生态要素完整性，以流域为划分边界，借助地理信息系统软件分析长三角区域水文运动情况，进而确定子流域单元的范围，利用分区统计工具，将初步得到的海绵功能适用区空间分布结果赋予子流域单元，并通过空间自相关性分析，进一步合并相关子流域，最终形成长三角地区海绵城市功能区划分结果，分别为海绵渗用功能区、海绵滞蓄功能区、海绵涵养功能区（见图9）。

4 结语

水生態建设是海绵城市建设的主要问题，要突破原有界限的限制，并探索突破行政边界，实现跨区域的相互联系。生态功能区划为海绵城市功能区的划分提供了可行的方法。

第一，长三角地区的海绵城市建设按照水文模式可以分为三类功能区，分别为海绵渗用功能区，面积为109 753.8km2，海绵功能特征以渗透、回用为主;海绵滞蓄功能区，面积为114 726.2km2，海绵功能特征以滞水、蓄水为主;海绵涵养功能区，面积为133 520km2，海绵功能特征以净化、涵养为主。

第二，长三角地区从宏观层面切入海绵城市建设过程中划定范围的问题，实现由传统针对行政边界研究向区域尺度研究的尺度转换。结合水文学、生态学、地理学的理论和方法，考虑生态系统完整性，划分海绵城市功能区，为区域尺度海绵城市建设提供依据和参考。

第三，海绵城市是新型的城市化发展思想，包含环境优先、绿色发展理念，海绵城市工程的实施涉及城市规划建设中的多领域、多部门。在落实海绵城市相关工程的建设时，海绵技术设施类型的选择需要结合海绵城市功能区功能要素类型，选择合适的海绵设施和技术。希望通过长三角地区的海绵城市研究，为海绵城市建设工程提供新的思路与方法。

参考文献：

[1] 马洪涛，周丹，康彩霞，等.海绵城市专项规划编制思路与珠海实践[J].规划师，2016，32（5）：29-34.

[2] 吴志强，陆天赞.引力和网络：长三角创新城市群落的空间组织特征分析[J].城市规划学刊，2015（2）：31-39.

[3] 吴志强.“和板理论”提升长三角一体化协同创新[J].世界科学，2020（S2）：18-21.

[4] 许礼华.基于NPP-VIIR数据长三角城市群城市扩张时空演变研究[D].上海：上海师范大学，2019.

[5] 陈华鑫，陆沈钧，何建兵，等.长三角一体化示范区水资源保护协作机制创新研究[J].水资源保护，2021，37（5）：56-61.

[6] 张丽娜，季亮，方舟，等.长三角夏热冬冷气候下的被动式绿色设计策略及其量化效果分析[J].建筑技艺，2020（7）：102-105.

[7] 毛昶熙.堤防工程手册[M].北京：中国水利水电出版社，2009：9-17.

[8] 朱飞.平原河网地区地下水污染风险评价[D].上海：华东理工大学，2020.5.

[9] 舒松，余柏蒗，吴健平，等.基于夜间灯光数据的城市建成区提取方法评价与应用[J].遥感技术与应用，2011，26（2）：169-176.

[10] 韩玉龙.海绵城市背景下南方多雨地区层级式全过程雨水系统构建研究[D].南昌：南昌大学，2017.

[11] 郭金玉，张忠彬，孙庆云.层次分析法的研究与应用[J].中国安全科学学报，2008（5）：148-153.

[12] 駱正清，杨善林.层次分析法中几种标度的比较[J].系统工程理论与实践，2004（9）：51-60.

[13] 束方勇.基于水文视角的重庆市海绵城市规划建设研究[D].重庆：重庆大学，2016.

[14] 仇保兴.海绵城市（LID）的内涵、途径与展望[J].建设科技，2015（1）：11-18.

[15] 杨正，李俊奇，王文亮，等.对海绵城市建设中排水分区相关问题的思考 [J].中国给水排水，2018，34（22）：1-7.

[16] 李兰，李锋.“海绵城市”建设的关键科学问题与思考[J].生态学报，2018，38（7）：2599-2606.

[17] 赵冬泉，陈吉宁，佟庆远，等.基于GIS构建SWMM城市排水管网模型[J].中国给水排水，2008，24（7）：88-91.

作者简介：杨卫妮（1996—），女，江苏盐城人，硕士在读，研究方向：海绵城市。