林 彬，曾萃林，向美洲

（浙江工業(yè)大學 建筑工程學院，杭州310014）

在快速的城市化進程中，由不合理的土地利用方式引發(fā)的城市水污染問題、城市水災害問題、城市沉降問題和城市氣候微循環(huán)問題等城市水安全問題日趨嚴重［1-3］。對此，各國政府及專家學者進行了廣泛的研究。但從已有的研究來看，其研究或側重于自然科學的定量計算，或側重于人文科學的定性描述，均缺乏兩者的有機結合與整體認識，也缺乏全面定量的深入研究。本文將從城市土地利用方式的人文科學角度出發(fā)，借助層次分析法對城市水安全問題與城市土地利用之間的關系進行定量分析。

1 城市用地變化對水安全影響分析

城市化進程中對水安全問題的影響主要體現(xiàn)在城市土地覆蓋的變化，它不僅包括建城區(qū)面積的擴大，還包括城鎮(zhèn)建筑物、道路及其他基礎設施向周邊鄉(xiāng)村擴散的過程。隨著建城區(qū)面積的擴大，原本的用地平衡被打破，綠色植被被大量的瀝青、水泥等建筑物和城市基礎設施所代替，水域、濕地面積被侵蝕（圖1）。根據(jù)土地覆蓋類型，將現(xiàn)行GB／T 21010—2007《土地利用現(xiàn)狀分類》12個一級類別適當簡化，合并成水域、濕地、綠地及硬鋪地4類與城市水安全問題直接相關的用地方式（表1）。

圖1 城市化導致水安全問題分析Fig.1 Analysis of water safety caused by urbanization

表1 城市水安全分析采用的用地分類及其含義表Table 1 Land use classes and meanings for water safety analysis

1.1 水域、濕地對水安全的影響

城市發(fā)展過程中，其區(qū)域內水域、濕地經(jīng)過千百年的自然演化，必然和本地的水文、生態(tài)等系統(tǒng)協(xié)調一致，任何人為的改變必然會引起水系統(tǒng)破壞，造成水安全問題。水域具有蓄洪、泄洪功能，設計合理的水域還可以緩解部分水質問題；濕地以其特有的地形儲存暴雨產(chǎn)生的徑流，其中豐富的動植物與微生物可以滯留、吸附并凈化水中的污染物。城市水域、濕地面積比重的下降，將直接導致城市調蓄能力下降。特別是在較大的暴雨發(fā)生時，城市的市政排水管網(wǎng)往往難以承擔量少峰高的城市短時暴雨產(chǎn)生的內澇，造成城市短時間大面積嚴重積水。此外，水域、濕地面積比重的下降也加劇了城市的熱島效應，同時使城市水生動植物失去棲息之地，破壞城市生物的多樣性，使城市水系統(tǒng)的自凈能力與安全性降低。

1.2 硬鋪地對水安全的影響

城市中如屋面、街道、人行道和停車場等硬鋪地滯水性極差，直接導致城市徑流速度增大和徑流量增加，使已有排水明溝、陰溝及橋涵過水能力不足，造成城市水災害，如交通中斷、地下通道淹沒、房屋和財產(chǎn)遭受破壞等。由于硬鋪地的透水性極差，城市用水大量開采地下水后，不能及時有效地得到補充，導致地面沉降加劇，進一步加大城市防洪除澇壓力。由于硬鋪地的熱力狀況，硬鋪率的增加破壞了城市氣候微循環(huán)，加劇了城市的熱島效應，促進城市降水，進而增加雨水徑流量。此外，硬鋪地上的塵土、雜質、渣滓及各類污染物在降雨期被徑流無阻攔、無處理地沖洗進入河道，使城市地區(qū)河道中污染物濃度增加。

1.3 綠地對水安全的影響

城市綠地的滯水性與滲透性，可以降低城市的徑流速度、減少徑流量，并推遲徑流峰值的出現(xiàn)、減少峰量，形成對雨水進行地下滲透回歸與儲存利用的防洪排水系統(tǒng)，極大地減輕城市的防洪排澇壓力，補充地下水，改善城市水文系統(tǒng)。城市綠地植物對污染物有截留、固化、凈化作用，使得徑流進入河道時的污染物濃度降低，防止污染物濃度超過污水處理設施負荷導致的污染物溢出，污染受納水體。此外，綠地特有的蒸騰作用，可以促進城市氣候微循環(huán)，緩解熱島效應，進而緩解雨洪壓力。

2 層次分析法確定城市用地水安全影響強度

2.1 層次分析法簡介

層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是美國數(shù)學家Satty.T.L.在20世紀80年代提出的。它綜合整理人們的主觀判斷，把定量與定性相結合，是一種有效處理難以用定量方法來分析問題的手段［4］。

層次分析法就方法本身來說都是比較成熟的。首先將所要分析的問題層次化，根據(jù)問題的性質和要達到的總目標，將問題分解成不同的組成因素，按照因素間的相互關系及隸屬關系，將因素按不同層次聚集結合，形成一個多層分析結構模型，最終形成指標層相對于總目標的重要程度的權重問題。運用層次分析法作系統(tǒng)分析，大致經(jīng)過結構模型建立、判斷矩陣構造、指標權重確定和綜合評價4個步驟。

2.2 建立層次結構模型

根據(jù)城市水安全問題的特征，將城市水安全作為目標層（A）；將城市水安全中城市水污染問題、城市水災害問題、城市沉降問題和城市氣候微循環(huán)問題作為準則層（B）；將城市用地方式作為因素層（C），由于城市土地利用方式與水安全之間存在的關系受到土地利用類型及其空間分布的影響［5-6］，因此，因素層包括4類用地的比重與空間分布和城市總用地規(guī)模9個因素。以此建立層次結構模型（圖2）。

2.3 構造判斷矩陣并求各要素權重

2.3.1 構造判斷矩陣

同一層次中各因素對上一層次中某一準則的重要性進行兩兩比較，寫成如下矩陣形式：

A＝（bij）n×n

式中，A—判斷矩陣；n—兩兩比較的因素數(shù)目；bij—因素Ui比Uj相對于某一準則重要性的比例度，可按1～9比例標度對重要性程度賦值（表2）。

先根據(jù)相關文獻［1，3，7-8］掌握各個水安全問題的嚴重性，再根據(jù)城市規(guī)劃、水處理和水文環(huán)境等50多名專家學者的打分求其算數(shù)平均（表3），最后得到B1～B4數(shù)據(jù)。按照各層因素指標相對應上一層準則層指標影響程度大小建立判斷矩陣。

圖2 城市用地水安全參數(shù)層次結構模型Fig.2 Hierarchical structure model of urban water safety parameters

表2 相對重要程度對照表Table 2 Important degree contrast

表3 各土地利用方式對水環(huán)境影響打分平均值Table 3 Expert scoring on effects of urban land use

2.3.2 計算判斷矩陣的特征向量

計算判斷矩陣的特征向量，然后經(jīng)正規(guī)化的特征向量即為相對權重向量。

2.3.3 一致性檢驗

一致性檢驗指標定義為：

式中：（AW）i—AW 的第i個分量，W＝ （W1，W2，…，Wn）；λmax—判斷矩陣的最大特征根；n—判斷矩陣的階數(shù)；Wi—因素i的特征向量，即相對權重。

然后，從表4中查取隨機性指標RI，計算隨機一致性指標CR，CR＝CI／RI

階數(shù)＞2時，當CR＜0.1時，可認為判斷矩陣的一致性符合要求，否則，應重新進行判斷，構建新的判斷矩陣，使其最終滿足一致性檢驗要求。

表4 隨機性指標RI數(shù)值Table 4 Values of randomness index RI

經(jīng)過驗證，判斷矩陣的一致性檢驗合格。其計算結果見表5～8。

表5 準則層C指標對目標B1的計算表Table 5 Calculation for Cto B1

表6 準則層C指標對目標B2的計算表Table 6 Calculation for Cto B2

表7 準則層C指標對目標B3的計算表Table 7 Calculation for Cto B3

表8 準則層C指標對目標B4的計算表Table 8 Calculation for Cto B4

2.4 綜合評價

采用加權法計算城市土地利用各指標對城市水安全的影響程度，如表9所示；對這9個指標進行排序，結果如下。城市建設硬鋪率C7＞城市綠化面積比重C1＞城市濕地面積比重C3＞城市水域面積比重C5＞城市硬鋪空間分布C8＞城市濕地空間分布C4＞城市綠化空間分布C2＞城市水域空間分布C6＞城市用地規(guī)模C9。

表9 權重總排序Table 9 Total sequencing of weights

按照指標類型分，土地覆蓋類型占總影響的54.7%，各土地覆蓋類型分布方式占總影響的40.3%。按照每類土地覆蓋類型面積比重和分布方式的總和分，硬鋪地對城市水安全影響最大，占27.0%，其次為濕地，占24.8%，再次為綠地，占22.7%，最后為水域，占20.5%，其中硬鋪地與城市水安全為負相關，濕地、綠地和水域為正相關。而城市用地規(guī)模所占比例最少，僅為5.0%。

3 結 語

通過運用層次分析法定量地得到了土地利用參數(shù)對城市水安全的影響程度。由前文可見，影響較大的幾個指標是建設用地硬鋪率、綠化面積比重、濕地面積比重；各類土地覆蓋類型的分布方式對城市水安全問題的影響略小于其面積比重，但也是不可忽視的；在控制建設硬鋪率，保證綠化、濕地、水域面積比重，合理分布各土地覆蓋類型的前提下，城市用地規(guī)模對城市水安全影響不大。

因此，水安全在城市化過程中需要合理的土地利用方式加以保證：一是嚴格控制硬鋪率，通過聚集式開發(fā)的途徑，增大開發(fā)強度，提高容積率，以此獲得更多的可滲透地面；二是防止建設用地連成一體，使城市在很大范圍內缺少透水區(qū)域，阻斷地下水的補給；三是保持開發(fā)土地和開放空間的平衡，并在道路、停車場、廣場的設計建設中盡可能地選擇一些透水性建筑材料；四是城市中加強綠地與濕地的建設，不僅要考慮綠地、濕地的面積，更要注重其分布方式。在保持相同面積濕地或綠地的前提下，合理的斑塊化程度比集中建設有更好的水安全效果。

［1］ 史正濤，劉新有.城市水安全的概念、內涵與特征辨析［J］.水文，2008，28（5）：24-27.

［2］ 夏軍，左其亭.國際水文科學研究的新進展［J］.地球科學進展，2006，21（3）：256-261.

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［4］ Satty T L.The analytic hierarchy process［M］.New York：MC-Craw-Hill，1980.

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［7］ 李川.秦淮河流域江寧區(qū)水環(huán)境承載力評價及可持續(xù)利用研究［D］.南京：河海大學，2008：15-18.

［8］ 張翔，夏軍，賈紹鳳.水安全定義及其評價指數(shù)的應用［J］.資源科學，2005（3）：145-149.