武靜 李夢婷

21世紀以來，隨著中國城鎮(zhèn)化率不斷提高，各大城市內(nèi)澇災害日益頻發(fā)[1]。2008—2017年間，中國已有320個城市面臨不同程度的城市內(nèi)澇問題[2]。如何研究與緩解城市內(nèi)澇問題已成為當下實現(xiàn)中國新型城鎮(zhèn)化和城市可持續(xù)發(fā)展的重大議題。2013年，國務(wù)院和住建部等部門相繼出臺《關(guān)于做好城市排水防澇設(shè)施建設(shè)工作通知》（國辦發(fā)〔2013〕23號）、《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于引發(fā)城市排水防澇綜合規(guī)劃編制大綱》（建成〔2013〕98號）、《國務(wù)院關(guān)于加強城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的意見》（國發(fā)〔2013〕36）等，要求將城市防澇中排水防澇能力、內(nèi)澇風險評估、雨水徑流控制融入城市建設(shè)與開發(fā)中綜合規(guī)劃，以更好地解決經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護之間的矛盾。2014年10月，住建部正式出臺《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》首次提出城市建設(shè)應(yīng)防治城市內(nèi)澇風險，實施集約開發(fā)模式，保障城市生態(tài)空間有序發(fā)展[3-5]?？梢姡瑖覍用娴姆罎巢呗砸呀?jīng)從傳統(tǒng)的城市給排水工程視角逐漸轉(zhuǎn)向城市生態(tài)調(diào)控綜合規(guī)劃視角尺度下的生態(tài)雨洪調(diào)控。生態(tài)雨洪調(diào)控在城市防澇中發(fā)揮著越來越重要的作用。相較國內(nèi)，國外相關(guān)研究理論與實踐開展較早，自20世紀末開始，美國、英國、澳大利亞等國相繼從社會、經(jīng)濟、環(huán)境等角度提出一系列雨洪管理理論，且效果顯著。具體包括美國最佳管理措施（best management practices，簡稱BMPs）、美國低影響開發(fā)體系（low impact development，簡稱LID）、英國可持續(xù)排水系統(tǒng)（sustainable drainage system，簡稱SUDS）、美國綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施（green rainwater infrastructure,，簡稱GSI）等。但以上理論大多聚焦在工程視角對小尺度的雨水治理方法上。針對區(qū)域開發(fā)尺度整合城市開發(fā)和水資源管理手段實現(xiàn)雨水綜合利用的研究較少[6]。

地形作為風景園林的四大要素之一，在城市景觀規(guī)劃中起到至關(guān)重要的作用。近年來，在城市尺度下的景觀空間形態(tài)與結(jié)構(gòu)組織上得到廣泛應(yīng)用。城市中低洼地形是城市內(nèi)澇積水的重要原因之一，合理利用地形構(gòu)建地表排水系統(tǒng)，合理引導區(qū)域水流與匯水方向，將有效緩解城市內(nèi)澇的發(fā)生[7-9]。小流域單元作為一個具有相對完整自然生態(tài)過程的區(qū)域單元。近年來，在水土保持、水環(huán)境規(guī)劃、流域綜合治理等生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域開展了豐富的研究[10]。隨著城市內(nèi)澇的頻繁發(fā)生，國內(nèi)外學者逐漸開始關(guān)注小流域單元在城市內(nèi)澇中的應(yīng)用研究，特別是應(yīng)用水利模型計算小流域單元的降雨與徑流過程，界定臨界降雨量，能夠有效確定洪澇風險指標[11-12]。但基于小流域單元對城市內(nèi)澇風險進行評價的研究基本未見文獻報道。綜上，筆者以小流域單元為基本研究單位，通過調(diào)控其內(nèi)部景觀地形要素（地表高程、地表起伏度、地表粗糙度）以期緩解城市開發(fā)尺度下的城市內(nèi)澇問題。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

武漢市地處東經(jīng) 113°41′～115°05′，北緯29°58′～31°22′，總面積 8 569.15 km2；屬亞熱帶濕潤季風性氣候，暴雨主要發(fā)生在5—9月，該時間段降雨占全年總降雨量的35%～45%。

武漢市江湖格局豐富，水網(wǎng)密布，素有“百湖之市”之稱。其地形以丘陵和平原相間的起伏地形為主，建成區(qū)地面高程大部分在20.0～24.0 m（黃海高程）之間，地表高度大多低于外江常年處在的洪水位高度（23.9 m），在區(qū)域性暴雨條件下，武漢市極易引發(fā)內(nèi)澇災害[13]（表1）。

1.2 研究方法

選取2016年7月6日武漢市特大暴雨事件積水數(shù)據(jù)，分別提取2016年6月5日02∶56與2016年7月23日02∶56的遙感影像數(shù)據(jù)，量算出武漢市內(nèi)澇積水分布情況。從城市內(nèi)澇發(fā)生機理出發(fā)，選用小流域單元作為內(nèi)澇風險區(qū)劃的基本單元，利用DEM（Digital Elevation Model）完成單元的劃分。分析景觀地形要素（地表高程、地表起伏度、地表粗糙度）對內(nèi)澇的影響程度，最后，基于小流域單元提出減災地形調(diào)控評價。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

本研究基于2016年7月6日武漢市特大暴雨事件，采用Landsat 8 OLI_TIRS衛(wèi)星資料，運用ArcGIS 10.5分別提取2016年6月5日02∶56（暴雨前）與2016年7月23日02∶56（暴雨后）的2組積水邊界遙感影像數(shù)據(jù)，對積水邊界進行幾何校正與邊緣增強圖像處理，并將兩組數(shù)據(jù)進行疊加，生成武漢市暴雨積水區(qū)域分布圖（圖1）。在ArcGIS中加載30 m精度的DEM高程數(shù)據(jù)，通過屬性設(shè)置調(diào)整需要顯示的顏色色帶，提取出武漢市高程、坡度以及地表粗糙度分布圖。

表1 武漢市暴雨及漬水情況（2010—2016年）[14]Tab. 1 Rainstorms and waterlogging in Wuhan City(2010—2016)[14]

1.2.2 提取與劃定小流域單元

1）河網(wǎng)提取與分級。在ArcMaps中加載30 m精度的DEM高程數(shù)據(jù)，使用Spatial Analyst Tools—Hydrology—Fill對原始DEM數(shù)據(jù)進行洼地填充，得到無洼地的DEM。利用D8算法量算ArcGIS中的水流方向，即通過計算中心柵格與鄰域柵格的最大距離權(quán)落差（中心柵格與鄰域柵格的高程差除以兩柵格間的距離）來確定。針對每一個柵格，將高程與周圍8個柵格進行比較，流域單元上的水流總是流向最低的地方，以此得到水流方向，最終生成河網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（所得到的河網(wǎng)線實質(zhì)上也是匯水線）。河網(wǎng)是基于原始地形數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀城市水系以及連續(xù)地表低洼區(qū)域。

2）小流域單元劃定?；贏rcGIS水文分析功能自動劃分流域。通過模擬水流方向、流域匯流能力、水網(wǎng)的自動生成、流域出水口的確定、子集水區(qū)邊界，提取小流域單元。在提取武漢市小流域單元時，將武漢市周邊面積小于10 km2的小流域合并到周邊最大面積的圖斑內(nèi)處理，最終劃定武漢市84個小流域單元，并進行劃定生成小流域單元分區(qū)編碼和特征值計算。

3）研究對象界定。將武漢市積水分布圖與小流域分區(qū)圖進行疊加，生成小流域單元與積水信息的相關(guān)性分析圖。以小流域單元為計算單元，量算每個單元內(nèi)澇面積，測度內(nèi)澇密度。在已劃定的84個小流域單元中，提取出60個占總積水面積≥1%的小流域單元，本研究將這60個具有內(nèi)澇特征的小流域單元作為研究對象（圖2）。

1.2.3 相關(guān)性分析

運用ArcGIS對DEM地形數(shù)據(jù)進行量算，得出每個小流域單元內(nèi)的景觀地形要素（地表高程、地表起伏度、地表粗糙度）平均值。運用統(tǒng)計學方法將武漢市內(nèi)澇密度與3個景觀地形要素（地表高程、地表起伏度、地表粗糙度）平均數(shù)值分別進行相關(guān)性統(tǒng)計分析，得出與武漢市內(nèi)澇相關(guān)性最顯著的小流域單元，從而進行相應(yīng)的調(diào)控評價。

2 景觀地形要素與內(nèi)澇程度的相關(guān)性分析

將平均地表高程分為20～30 m、30～40 m和＞40 m共3類；平均地表起伏度分為0～1°1～2°和＞2，共3類；平均地表粗糙度分為1.000～1.001、1.001～1.002和＞1.002，共3類。分別統(tǒng)計每類高程、起伏度、地表粗糙度區(qū)間內(nèi)不同積水密度下的小流域單元的個數(shù)（表2～4）。

表2 內(nèi)澇密度與平均地表高程相關(guān)性分析Tab. 2 Analysis of correlation between waterlogging density and average surface elevation

表3 內(nèi)澇密度與平均地表起伏度相關(guān)性分析Tab. 3 Analysis of correlation between waterlogging density and average surface relief

表4 內(nèi)澇密度與平均地表粗糙度相關(guān)性分析Tab. 4 Analysis of correlation between waterlogging density and average surface roughness

2.1 平均地表高程與內(nèi)澇積水密度相關(guān)性分析

共有35個小流域單元在20～40 m的地表高程區(qū)間，且平均內(nèi)澇密度在0.088，占總小流域單元個數(shù)的58%。另外，內(nèi)澇密度為0.041，且地表高程在40 m以上的小流域單元僅有5個，占總小流域單元數(shù)量的8%。由此發(fā)現(xiàn)，平均地表高程越高，小流域單元內(nèi)發(fā)生內(nèi)澇積水的風險越低。城市中存在很多低洼小區(qū)、低洼道路、下凹式地塊等，由于相對高程較低，周邊地勢高的區(qū)域水流量匯入，汛期極易發(fā)生內(nèi)澇。因此，在傳統(tǒng)的城市規(guī)劃中應(yīng)注重豎向城市規(guī)劃，避免和減少低洼區(qū)和積水點，降低內(nèi)澇風險[15]。甚至將城市低洼區(qū)轉(zhuǎn)為公園和綠地，在必要時可以儲蓄雨水。

2.2 平均地表起伏度與內(nèi)澇積水密度相關(guān)性分析

共有34個小流域單元在0°～1°的地表起伏度區(qū)間，且內(nèi)澇密度在0.089，占總小流域單元個數(shù)的58%。內(nèi)澇密度在0.042，且地表起伏度在2°以上的小流域單元僅為3個，占總小流域單元數(shù)量的5%。由此發(fā)現(xiàn)，平均地表起伏度越大，小流域單元內(nèi)發(fā)生內(nèi)澇積水的風險越低。地表起伏度，也稱地勢起伏度、相對地勢或相對高度，是單位面積內(nèi)最大相對高程差，可反映地面相對高差，是描述地貌形態(tài)的定量指標。地表起伏度在土地利用評價、土壤侵蝕敏感性評價、生態(tài)環(huán)境評價、人居環(huán)境適宜性評價、地貌制圖、地質(zhì)環(huán)境評價等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。使用不同尺度的地表起伏度會影響雨水徑流方式[16]。

2.3 平均地表粗糙度與內(nèi)澇積水密度相關(guān)性分析

統(tǒng)計結(jié)果表明，武漢市內(nèi)澇密度較高，且地表粗糙度較低的小流域單元發(fā)生城市內(nèi)澇風險較高。主要發(fā)生在地表粗糙度在1.000～1.001的區(qū)間內(nèi)。這一區(qū)間內(nèi)共計49個小流域單元，平均內(nèi)澇密度0.076，占小流域單元總數(shù)的81%。可見地表粗糙度越高，小流域單元內(nèi)發(fā)生內(nèi)澇積水的風險越低。地表粗糙度是指在一個特定的區(qū)域內(nèi)，表面積與其投影面積之比，可作為反映地表形態(tài)的一個指標。已有研究表明小流域單元內(nèi)的地表粗糙度對降雨徑流過程存在重要影響[17]。

通過對3組景觀地形要素與內(nèi)澇密度的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)武漢市內(nèi)澇與景觀地形有著密切相關(guān)性。同時，景觀地形高程越低，起伏度越小，粗糙度越低，越容易發(fā)生內(nèi)澇災害。

3 基于小流域單元的武漢市內(nèi)澇風險評價

3.1 景觀地形要素對城市內(nèi)澇的風險影響

根據(jù)3組相關(guān)性分析結(jié)果，選擇相關(guān)性顯著的因子進一步分類測算，選取平均地表高程、平均地表起伏度和平均地表粗糙度3類景觀地形要素與武漢市內(nèi)澇積水密度顯著性較高的小流域單元進行研究[18]。具體分類為：1）A，平均地表高程20～30 m的35個小流域單元設(shè)定為風險小流域單元A；2）B，平均地表起伏度0～1的34個小流域單元設(shè)定為風險小流域單元B；3）C，平均地表粗糙度1.000～1.001的49個小流域單元設(shè)定為風險小流域單元C。

將以上小流域單元分別進行3類疊加、2類疊加、1類分析，測度高風險小流域單元與高程、起伏度和粗糙度之間的關(guān)聯(lián)度（表5）。在3類疊加數(shù)據(jù)中，發(fā)生內(nèi)澇風險且滿足ABC的小流域單元數(shù)量共29個，占研究小流域單元總數(shù)的48%，接近50%。在2類疊加數(shù)據(jù)中，BC與AC組合各有5個小流域單元，各占小流域單元總數(shù)的8%，顯著性不強，但2組數(shù)據(jù)具有地表粗糙度C的小流域單元，占2類疊加小流域單元總數(shù)的100%，具有較強顯著性。在單類數(shù)據(jù)中，A類高程風險小流域單元僅有1個，B類起伏度小流域單元為0，C類風險小流域單元為10個，占總小流域單元數(shù)的16%，占1類風險小流域單元數(shù)的90%，顯著性強。通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，在單類景觀地形要素中，C類地表粗糙度對小流域單元內(nèi)澇影響程度最高，且風險度最高；而起伏度對武漢市內(nèi)澇產(chǎn)生的影響程度最低，其風險度不高。

在此基礎(chǔ)上，按照內(nèi)澇程度將內(nèi)澇密度分為＞0.1，0.05～0.10和＜0.05，共3類。并將已知疊加數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計量算（表6）。結(jié)果表明，內(nèi)澇密度＞0.1的小流域單元共計11個，滿足ABC三類疊加類型小流域單元占比73%，具有高風險。而滿足一類景觀地形要素，且內(nèi)澇密度＞0.1的小流域單元為0，表明1類景觀地形要素對城市內(nèi)澇的產(chǎn)生不具有典型性影響。內(nèi)澇密度在0.05～0.10之間的小流域單元共計17個，占小流域單元總數(shù)的28%，占ABC三類疊加類型小流域單元的53%，具有較高風險。而共有53%的小流域單元在＜0.05的內(nèi)澇密度區(qū)間，表明半數(shù)以上的小流域單元處在較低內(nèi)澇風險等級。

1 武漢市內(nèi)澇積水分布情況（2016-07-23 02:56）Distribution of waterlogging and water accumulation in Wuhan City（2016-07-23 02:56）

2 武漢市小流域單元劃分Partition of small watershed units in Wuhan City

3.2 武漢市內(nèi)澇風險等級評價

以滿足ABC三類景觀地形要素指標覆蓋的29個小流域單元作為風險最高子單元，根據(jù)內(nèi)澇密度的高低對小流域單元的內(nèi)澇風險程度進行評估，并劃定不同風險等級的小流域單元，生成武漢市內(nèi)澇風險等級分布圖（圖3，表5～6）。

3 武漢市內(nèi)澇風險等級分布Distribution of waterlogging risk grades in Wuhan Cit y

4 不同內(nèi)澇風險等級下的調(diào)控評價

根據(jù)已生成的武漢市小流域單元內(nèi)澇風險等級分布圖，綜合考慮對應(yīng)場地的圖底關(guān)系，將景觀地形條件作為城市內(nèi)澇產(chǎn)生的重要基底條件，提出基于小流域單元的武漢市內(nèi)澇減災評價。滿足3類景觀地形影響要素，且內(nèi)澇密度＞0.1的小流域單元共8個，定為一級內(nèi)澇風險單元；滿足3類景觀地形影響要素，且內(nèi)澇密度＞0.05的小流域單元共9個，定為二級內(nèi)澇風險單元；滿足3類景觀地形影響要素，且內(nèi)澇密度＜0.05的小流域單元共12個，定為三級風險單元（圖3）?；谛×饔騿卧治?，從修復、優(yōu)化和控制的角度對其分別提出相關(guān)調(diào)控建議。

4.1 一級內(nèi)澇風險單元調(diào)控評價

一級風險小流域單元主要分布于武漢市內(nèi)長江與各主要湖泊周邊，所處行政區(qū)域位于城市近郊三環(huán)線以外，尚處于待開發(fā)階段。由于傳統(tǒng)的防洪防澇思想，武漢市進行大量堤防建設(shè)，缺乏對整體水生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)注，以至于出現(xiàn)江湖分隔、湖湖分隔、湖內(nèi)分隔。湖泊水生態(tài)逐步孤立和退化，系統(tǒng)穩(wěn)定性嚴重下降，暴雨之后湖泊周邊出現(xiàn)嚴重內(nèi)澇情況。

根據(jù)以上分析，對該級小流域單元提出的調(diào)控策略包括：1）連通小流域單元之間水系。提高與周邊長江與湖泊的連通性，在保護自然景觀地形的基礎(chǔ)上，打開自然網(wǎng)絡(luò)，建立湖湖連通、江湖連通的水網(wǎng)。水系連通有利于實現(xiàn)不同水系的水資源調(diào)度，從而達到均衡降雨空間分布的目的。2）連通小流域單元內(nèi)水系。在小流域單元內(nèi)，將水系與其他開敞空間（綠廊、交通通廊、公共綠地等）相協(xié)調(diào)，增加單元的內(nèi)部蓄洪能力以及提高內(nèi)部生態(tài)交換的效率。

4.2 二級內(nèi)澇風險單元調(diào)控評價

與一級風險單元相比，二級內(nèi)澇風險單元與水系的關(guān)聯(lián)度降低。同時9個中風險小流域單元全部集中在主城區(qū)以外，但較一級風險單元與城市中心更近。用地類型上依然與一級風險單元類似，以農(nóng)田、魚塘和道路為主，但建筑用地比例較一級風險單元有顯著增加。

根據(jù)以上分析，對該級小流域單元提出的調(diào)控策略包括：1）增加建成區(qū)內(nèi)建筑用地邊緣區(qū)的綠量，并以增加地表粗糙度為前提，提出基于小流域單元的建筑用地風險控制線；2）優(yōu)化農(nóng)田、魚塘和道路的配比關(guān)系，根據(jù)匯流條件，提高小流域單元與周邊長江、湖泊的連通性，提出基于小流域單元的農(nóng)田、魚塘和道路的優(yōu)化調(diào)蓄控制線。

4.3 三級內(nèi)澇風險單元調(diào)控評價

該等級小流域單元占小流域單元總數(shù)的41%，是三級風險單元中占比最多的類型。該風險單元中有3個與主城區(qū)接壤，3個在主城區(qū)內(nèi)，6個在主城區(qū)外。較之上2類流域單元，該風險單元呈現(xiàn)與城市中心區(qū)的密切耦合關(guān)系。同時，其用地類型也出現(xiàn)以道路交通、居住區(qū)等建設(shè)用地為主，農(nóng)田、魚塘、工業(yè)為輔的格局。

根據(jù)以上分析，對該級小流域單元提出的調(diào)控策略包括：1）基于匯流條件與匯流方向，密切關(guān)注與城市中心區(qū)的融合度，提出內(nèi)澇風險高程控制線與起伏度控制區(qū)，其中長江是排澇的最終匯集地，是流域性水網(wǎng)的核心。因此，在長江及與長江相連的小流域單元中設(shè)置風險控制區(qū)與控制線。2）基于流速流向以及匯流單元，針對道路與居住區(qū)等硬質(zhì)建成區(qū)，提出內(nèi)澇禁建區(qū)與控制區(qū)。

表5 高風險小流域單元與景觀地形要素關(guān)聯(lián)度分析Tab. 5 Analysis of correlation between high risk small watershed units and landscape topography elements

表6 高風險小流域單元內(nèi)澇密度與景觀地形要素關(guān)聯(lián)度分析Tab. 6 Analysis of correlation between waterlogging density and landscape topographic elements in high risk small watershed units

5 結(jié)論與展望

城市突發(fā)性特大暴雨事件與隨后的城市內(nèi)澇漬水問題不僅嚴重影響城市居民的生產(chǎn)生活，也嚴重阻礙了城市交通、環(huán)境、衛(wèi)生、經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。事實上，城市內(nèi)澇問題已經(jīng)成為制約城市開發(fā)建設(shè)的一個重要問題。因此，針對城市景觀地形與城市內(nèi)澇的相關(guān)性與影響程度進行研究。研究結(jié)果表明場地高程越低，起伏度變化越小，粗糙度越低，越容易發(fā)生城市內(nèi)澇災害。結(jié)合武漢市內(nèi)澇密度與高風險小流域單元對武漢市進行內(nèi)澇風險分級、定級。發(fā)現(xiàn)一級風險小流域單元主要分布于武漢市長江與各主要湖泊周邊，所處行政區(qū)域位于城市近郊三環(huán)線以外，屬于城市發(fā)展區(qū)；二級風險小流域單元較一級風險單元與水系關(guān)聯(lián)度較低，與城市中心更近，建筑用地比例顯著增加，屬于城市中心區(qū)；三級風險小流域單元較之前2類與城市中心呈現(xiàn)密切的耦合關(guān)系，屬于城市核心區(qū)與城市發(fā)展區(qū)的交叉區(qū)。

由于城市內(nèi)澇的發(fā)生是由多種因素共同影響產(chǎn)生的，景觀破碎化高、景觀連通性差都可能會增加城市內(nèi)澇風險，很多研究學者已經(jīng)提出通過建立綠色基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)以連接不同的城市區(qū)域，或?qū)⒕G地與其他土地用途連接以改善景觀連通性和多樣性[19]。本研究將內(nèi)澇密度結(jié)合城市的本底關(guān)系，提出具有針對性與可操作性的武漢市內(nèi)澇減災調(diào)控策略。本研究結(jié)果對未來武漢市開發(fā)建設(shè)具有現(xiàn)實意義，為武漢市內(nèi)澇問題的緩解提供具體解決路徑。未來的研究將繼續(xù)關(guān)注如何通過生態(tài)措施減緩城市負面影響，為創(chuàng)造更加適宜的人居環(huán)境提供依據(jù)。

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

圖1～3由作者自繪，底圖來自武漢市規(guī)劃局，審圖號：武漢市s（2019）007號。表1為作者根據(jù)參考文獻[14]繪制；表2～6為作者自繪。