曹曉妍

陳潤卿

石鐵矛*

王 曦

黃 娜

城市化的快速進(jìn)程引起了劇烈的城市水文效應(yīng)，城市建設(shè)改變了水文過程，下墊面的雨水滯蓄功能被削弱，導(dǎo)致雨水匯流特征改變，地表徑流加大，匯流時(shí)間縮短[1-3]。雖然城市地下鋪設(shè)了大量的排水管網(wǎng)設(shè)施，但低重現(xiàn)期的管網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致其并不能承受20年一遇，甚至50年一遇的暴雨，最終的局面便是城市面臨嚴(yán)重的城市內(nèi)澇，給市民的出行和人身安全帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)[4-6]。

降雨過程一般分為雨頭、雨核、雨尾3個(gè)階段，其中植物的截留和水體蒸發(fā)自始至終存在于降雨的3個(gè)階段，而土壤下滲則在降雨后的一段時(shí)間內(nèi)完成[7]。因此綠地對于雨水的滯蓄由土壤和植被共同完成。對于土壤滯蓄規(guī)律的研究主要有20世紀(jì)30年代的霍頓下滲曲線和50年代的菲利普下滲曲線[8]。在雨量較小的情況下，土壤下滲的雨水優(yōu)先被土壤滯留，雨量較大時(shí)，土壤由滲潤變成滲透，下滲率逐步達(dá)到穩(wěn)定水流，通過重力自然下滲且下滲量逐步穩(wěn)定[9]。不同的綠地結(jié)構(gòu)與環(huán)境具有不同滯蓄能力。美國有關(guān)研究顯示，森林對雨水的截留量因植被種類、葉面積、結(jié)構(gòu)和氣象條件而異；但在連續(xù)降雨的情況下，林冠截留將趨近于一個(gè)飽和值而不再增加[10]。

城市綠地的滯蓄功能和調(diào)節(jié)雨洪作用逐漸被重視。通過綠地的土壤蓄水和植被林冠截留調(diào)蓄降雨徑流，對于減少雨水徑流的排放、緩解城市內(nèi)澇具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。對此，國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。Roo[11]提出利用葉面積指數(shù)(LAI)推算林冠截留的概念模型，該模型適用與宏觀中觀尺度的綠地林冠截留量估算；馬寧等[12]利用i-tree模型，對樹木截留雨水效應(yīng)進(jìn)行評估；王承書等[13]分析了黃土丘陵地區(qū)土壤滯蓄能力在極端暴雨下的變化規(guī)律；王永超等[14]將土壤進(jìn)行分類計(jì)算蓄水能力，評價(jià)了濕地不同土壤水分的盈虧狀況。

但綠地的滯蓄能力與城市內(nèi)澇關(guān)系還有待深入研究[15]，城市綠地最大滯蓄能力是多少？綠地滯蓄效能和潛力的空間分布特征是什么？本文通過計(jì)算綠地的滯蓄能力，評價(jià)了綠地在特定降雨下滯蓄能力的發(fā)揮程度，分析滯蓄效能的空間分布特征和滯蓄潛力的空間集聚特征，從而為城市雨洪管理和內(nèi)澇防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)劃定為沈陽市三環(huán)內(nèi)的建成區(qū)，東北部靠近丘陵地帶，向西南逐漸平坦。截至2018年，沈陽市中心城區(qū)常住人口近831.6萬，根據(jù)城市規(guī)模劃分標(biāo)準(zhǔn)，已屬于特大城市。2016年7月25日、2018年8月6日、2019年8月10—17日沈陽市均出現(xiàn)了罕見強(qiáng)降雨。

1.2 數(shù)據(jù)來源

綠地中的植被和土壤數(shù)據(jù)以實(shí)測與遙感相結(jié)合的方法獲取，樣本數(shù)據(jù)通過網(wǎng)格法實(shí)測獲取(圖1)。一般而言0～20cm的土層屬于對降雨最為敏感、含水量變化較為活躍的活躍層[16-17]。對降雨最為敏感的20cm土層進(jìn)行取樣，對其進(jìn)行高溫烘干稱重，可獲得土壤容重?cái)?shù)據(jù)；結(jié)合沈陽市海綿城市規(guī)劃文本提供的土壤質(zhì)地空間分布的基礎(chǔ)資料進(jìn)行細(xì)節(jié)優(yōu)化。將數(shù)據(jù)對應(yīng)到空間位置，運(yùn)用預(yù)測效果最佳的空間克里金插值法[18]即可獲取研究區(qū)的土壤容重和土壤質(zhì)地情況。

綠地植被組成數(shù)據(jù)首先通過NDVI進(jìn)行綠地斑塊的提取并進(jìn)行邊界修正，再將樣本綠地的植被組成與影像進(jìn)行對比，最后將喬、灌、草的影像特征對其他綠地進(jìn)行目視解譯，便可得出綠地的植被群落組成。沈陽市暴雨事件多集中在8月，且在此期間綠地的植被覆蓋度最佳，便于解譯和反演計(jì)算等工作，因此本研究中選取沈陽市2017年8月下旬的清晰無云遙感影像。而降雨和葉面積指數(shù)(LAI)是影響林冠截留的重要因素，可用葉面積指數(shù)對最大林冠截留進(jìn)行估算[19]。遙感技術(shù)能對任意尺度LAI實(shí)現(xiàn)長期連續(xù)監(jiān)測，并且對植物的破壞最小。因此本研究通過遙感方法利用NDVI進(jìn)一步計(jì)算出沈陽市三環(huán)范圍的LAI[20]。

圖1 研究區(qū)取樣點(diǎn)空間位置

2 研究方法

2.1 滯蓄效能評估

滯蓄效能是一個(gè)相對綜合的概念，本文中指在一定降雨條件下，城市綠地滯蓄能力的發(fā)揮程度和實(shí)際效果。將整個(gè)城市滯蓄效能的大小及其分布格局稱為滯蓄效應(yīng)。滯蓄效能是多個(gè)要素按照一定權(quán)重進(jìn)行疊加的結(jié)果。在本部分研究中，城市中綠地的綜合滯蓄效能可以表示為：

式中，P為研究區(qū)的綜合滯蓄效能；i為滯蓄要素的數(shù)量；w為每個(gè)要素的權(quán)重，pi為每個(gè)滯蓄要素的滯蓄能力數(shù)值。而從式中可以看出，城市綠地滯蓄效能評估的3個(gè)關(guān)鍵步驟便是確定降雨前提、確定滯蓄要素、確定要素權(quán)重。

首先需要注意的便是降雨條件。相關(guān)的雨洪模型表明，降雨是影響各個(gè)水文過程的一個(gè)重要因素[21]。因此，科學(xué)合理地確定降雨條件有利于使評估結(jié)果更具備指導(dǎo)意義。在2016年國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布的《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014—2006)中，明確了沈陽市作為特大城市應(yīng)對的降雨重現(xiàn)期為50年一遇，對應(yīng)降雨量71.6mm。

其次是指標(biāo)的提取。滯蓄效能要素在識別和提取的過程中需要注意的3個(gè)重點(diǎn)為：1)各個(gè)要素取自雨頭至雨尾的水文過程；2)各個(gè)要素能體現(xiàn)滯蓄能力發(fā)揮程度；3)要素指標(biāo)簡潔凝練，避免過于復(fù)雜?；谝陨纤悸罚M(jìn)行要素的識別和提取的效能評估指標(biāo)見表1。

最后是確定指標(biāo)權(quán)重。本文為避免主觀性對權(quán)重合理性的影響采用了熵值法計(jì)算權(quán)重[22]。

2.2 綠地最大滯蓄量的計(jì)算

綠地最大滯蓄量(滯蓄能力)是衡量滯蓄效能的要素之一，也是計(jì)算滯蓄能力發(fā)揮程度和滯蓄潛力的基礎(chǔ)，因此這里討論綠地滯蓄量的計(jì)算方法。從單場暴雨歷時(shí)來看，綠地對雨水的滯蓄效應(yīng)主要體現(xiàn)在填洼、林冠截留和土壤入滲蓄水至飽和。其中，綠地中植被林冠截留隨著降雨量的增加會逐漸趨于飽和且不再增加[23]，土壤也會在孔隙全部填充水分后達(dá)到最大持水能力，即飽和含水量[24]。由于研究區(qū)域尺度較大，在進(jìn)行填洼處理時(shí)，單個(gè)綠地內(nèi)部小型洼地在該尺度下被忽略，因此，本研究中將綠地最大滯蓄能力限制為0～20cm土層飽和含水量與林冠截留量之和，計(jì)算公式為：

式中，S0為綠地最大滯蓄能力(mm)；SV為植被最大截留量(mm)；W0為20cm土壤飽和含水量(mm)。其中土壤飽和含水量計(jì)算公式為：

式中，H為土層厚度，200mm；V為土壤總孔隙度(%)；G為土壤容重(g/cm3)；ρ為土壤密度(通常取2.65g/cm3)。

本研究中林冠截留量采用文獻(xiàn)[11，19]中提出的LAI估算大尺度林冠截留量的計(jì)算公式：

2.3 單場降雨產(chǎn)流量模擬

水量平衡方程是描述各水文要素之間定量關(guān)系的基本公式[25]。沈陽市內(nèi)澇現(xiàn)象一般發(fā)生在短時(shí)強(qiáng)降雨后，故本文針對單場暴雨進(jìn)行研究，其水量平衡關(guān)系如式6：

式中，P為一次降雨的降水量；Ia為初損值，即徑流產(chǎn)生之前的截留、填洼、土壤下滲量；F為產(chǎn)流后的降雨損失(此時(shí)植被截留作用達(dá)到飽和，因此主要為蓄滲量)；Q為徑流量。因此，式7中，P-Q即為某一場降雨過程中的實(shí)際滯蓄量。為計(jì)算產(chǎn)流量，引入了由美國農(nóng)業(yè)部水土保持局研發(fā)的SCS-CN產(chǎn)流模型，并結(jié)合沈陽實(shí)際情況對其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，模型核心公式為：

式中，Ia近似等于0.2S；S指潛在滯留量。由于該值難以獲取，SCS模型引入了無綱量常數(shù)CN值進(jìn)行間接計(jì)算，公式為：

式中，CN為一個(gè)綜合反映降雨前流域土地利用類型、土壤類型、土壤前期濕潤狀況等因素的參數(shù)，不同類型土地均包含了植被、不透水面及裸土3種下墊面特征，因此對于30m×30m分辨率的柵格數(shù)據(jù)，可通過混合像元分解的方法可得到每個(gè)像元的綜合CN值[26-27]。

式中，A、B、C分別為不透水面、植被、土壤比重(%)，三者之和為1；CN為像元綜合CN值；CNi為不透水面CN值，為98；CNv為植被CN值；CNs為土壤CN值。

植被和土壤的CN值需要土壤類型和濕潤程度來確定。首先，中心城區(qū)渾河兩岸地質(zhì)為渾河高漫灘，土質(zhì)以砂土為主，滲透性較好，在SCS土壤分類中屬于A類土；其余基本為壤土和黏土，滲透性較差，分別對應(yīng)B、C和D類土。其次，將綠地類型與影像反演的植被覆蓋度相疊加便可得出不同植被的覆蓋情況。最后，參考Chunlin Li等在對沈陽市產(chǎn)流特征的研究中提出沈陽市的土壤濕潤程度為AMC1，具有5天內(nèi)降雨較少、土壤干燥等特點(diǎn)，且模擬結(jié)果符合沈陽實(shí)際情況[28]。因此本研究基于以上條件結(jié)合TR-55[29]表中確定了植被CN和土壤CN值如表2所示。

表1 綠地滯蓄效能評價(jià)要素指標(biāo)匯總

表2 AMC1等級CN值[16]

表3 不同城市化進(jìn)程區(qū)內(nèi)綠地滯蓄量統(tǒng)計(jì)

表4 不同城市化進(jìn)程區(qū)土壤數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 綠地滯蓄能力差異及空間分布特征

經(jīng)計(jì)算得到的綠地滯蓄能力范圍為73.20～127.75mm，占內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定降雨量的101%～160%。對沈陽市而言，滯蓄能力最弱的是喬灌組合和草地。喬木和灌草組合相對較強(qiáng)，實(shí)際的喬木林下均會有稀疏的雜草，完全為裸土的情況很少，這可能是由于喬木林滯蓄能力較強(qiáng)的原因；植被覆蓋類型為喬灌草的綠地滯蓄能力最強(qiáng)，這也是由于多年來沈陽市綠地的植被配置增加喬灌草覆蓋的原因，從歷史影像中可以看出，2006年夏季，渾河岸邊的綠地多以草坪為主，喬木覆蓋較少；而2019年夏季，明顯呈現(xiàn)出更加豐富的喬灌草植被群落，并且原有的喬木亦隨著生長，植被覆蓋更佳。

通過對綠地滯蓄能力的統(tǒng)計(jì)分析可以得出，土壤和植被能決定不同綠地的滯蓄能力的強(qiáng)弱，但綠地所處的空間位置同樣會通過影響土壤或植被覆蓋來間接對綠地產(chǎn)生影響。從空間分布來看(表3)，研究區(qū)綠地滯蓄總量具有以下特點(diǎn)。

1)總滯蓄量由一環(huán)向外遞增。

這種差異很大程度是由城市建成度決定的，城市開發(fā)建設(shè)強(qiáng)度由一環(huán)向三環(huán)逐漸遞減，因此，三環(huán)內(nèi)的大型綠地的數(shù)量要遠(yuǎn)大于一環(huán)內(nèi)，內(nèi)部的喬木較多，植被覆蓋程度更佳；并且一環(huán)內(nèi)的人口聚集程度較高，頻繁的踩踏會導(dǎo)致土壤出現(xiàn)一定程度的壓實(shí)、降低土壤蓄滲性能的情況。

2)平均滯蓄量二環(huán)內(nèi)最佳。

但從研究區(qū)綠地的平均最大滯蓄能力來看，最外圍的三環(huán)反而處在最低的水平。研究分別按照不同城市化進(jìn)程的區(qū)域范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明，雖然二環(huán)以外綠地的植被覆蓋較好，葉面積指數(shù)較高，但土壤平均容重較低。從各區(qū)域不同質(zhì)地土壤比重統(tǒng)計(jì)中得出，一環(huán)和二環(huán)的土壤類型以沙土為主，且沙土與黏土占比相當(dāng)接近，而三環(huán)內(nèi)43%黏土占比則是導(dǎo)致其平均容重高于二環(huán)以內(nèi)的主要原因(表4)。因此，可以看出一環(huán)內(nèi)綠地平均滯蓄能力較弱是由于城市建成度高、綠地植被覆蓋度低，以及人類使用導(dǎo)致進(jìn)而土壤容重較高造成的；而二環(huán)外綠地平均滯蓄能力低于二環(huán)內(nèi)是由于不同類型土壤占比發(fā)生變化導(dǎo)致滲透性差的黏土占據(jù)主導(dǎo)造成的。

3.2 綠地滯蓄效能空間分布特征

將林冠截留量和土壤下滲量疊加后分類，在50年一遇降雨下，滯蓄效能極差區(qū)和微弱區(qū)基本完全由建設(shè)用地及其硬化覆蓋構(gòu)成，總面積達(dá)265.56km2。其中極差區(qū)域內(nèi)包含綠地面積9.34km2；微弱區(qū)域包含綠地面積19.38km2。在目前的情況下，這些區(qū)域幾乎不具備雨水蓄積的能力。這類區(qū)域在產(chǎn)生巨大地表徑流的同時(shí)快速地傳遞著地表徑流。使其在很短的時(shí)間內(nèi)匯集到積水中心形成內(nèi)澇。其次，滯蓄效能中等區(qū)則有53%(33.85km2)的灌草地為主導(dǎo)，并夾雜裸地和少量林地，周邊區(qū)域存在內(nèi)澇的情況仍很多見。最后，滯蓄效能良好和顯著的區(qū)域則由其余的灌草地和研究區(qū)內(nèi)為數(shù)不多的密林和森林公園構(gòu)成，進(jìn)而對于整個(gè)集水區(qū)的防洪防澇都能起到顯著的效果，總面積為42.19km2。這說明在該重現(xiàn)期下，城市中大多數(shù)綠地的滯蓄效能處在中等以上的水平，有約28%的綠地效能較差。

將效能評價(jià)結(jié)果與綠地最大滯蓄能力進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明兩者具有顯著的線性相關(guān)性，也就是說，一般而言滯蓄能力越強(qiáng)的綠地，滯蓄效能越好。這也說明，要想提高綠地對暴雨的滯蓄效能，首先需要明確綠地是否具備滯蓄能力，只有自身的滯蓄能力足夠強(qiáng)，才能夠保證降低自身產(chǎn)流、容納更多的外部地表徑流，在內(nèi)澇防治中發(fā)揮顯著的作用。

3.3 沈陽市滯蓄潛力空間聚類與異常值分析

基于建設(shè)用地邊界對研究區(qū)整體進(jìn)行滯蓄潛力的分析。結(jié)果表明滯蓄潛力的數(shù)值具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)性(Moran I=0.37，P=0.000)，由前述可知沈陽市滯蓄潛力主要對應(yīng)內(nèi)部的綠地空間。同時(shí)，滯蓄潛力具有低值聚類的空間分布特征(Z=280，P=0)。在此基礎(chǔ)上，對研究進(jìn)行了聚類與異常值分析。結(jié)果如圖2所示，HH值區(qū)域主要集中在城市外圍，基本對應(yīng)了城市外圍成片的農(nóng)田、林地等區(qū)域綠地；LL值區(qū)域主要集中在二環(huán)以內(nèi)硬化覆蓋；LH值區(qū)域?yàn)樽陨頊顫摿^弱但周邊區(qū)域滯蓄能力較強(qiáng)的用地；相反，HL值區(qū)域?yàn)镠L區(qū)域則代表了城市內(nèi)部離散的綠地。由于HH值區(qū)域與LL值區(qū)域有明顯的空間距離，HL值區(qū)域往往對降低LL值區(qū)域的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)發(fā)揮著重要作用，即使周邊的產(chǎn)流量可能會超過自身的負(fù)荷。因此，若選擇增加城市內(nèi)部綠地，降低城市內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)，則可以通過道路水體，構(gòu)建綠化廊道，銜接HH與HL區(qū)域，完善城市的綠化網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)應(yīng)避免LL與LH區(qū)域的銜接，將城市地表徑流引入外圍，發(fā)揮外圍綠地的滯蓄作用，尤其是西南片區(qū)的公園綠地和區(qū)域綠地由于地勢較低可作為重點(diǎn)的雨洪滯蓄區(qū)域。

4 城市綠地優(yōu)化建議

由3.3～3.4的分析可知，城市綠地的布局與優(yōu)化應(yīng)從2個(gè)方面出發(fā)。一是以降低產(chǎn)流為目的優(yōu)化措施，主要是通過增加綠地在城市比重降低區(qū)域的產(chǎn)流量，同時(shí)需要注意沈陽市大多數(shù)綠地為塊狀，新增綠地應(yīng)當(dāng)是以帶狀、分散式的綠地為主，這樣有利于保證每個(gè)匯水區(qū)綠地率的提升。根據(jù)沈陽市總體滯蓄潛力的空間聚類與異常值的分析結(jié)果，提出充分利用綠帶二環(huán)以外的區(qū)域綠地與城市綠地銜接，根據(jù)綠地的空間分布形態(tài)可規(guī)劃4個(gè)方向的綠楔或綠帶，形成以基于源頭減排的網(wǎng)狀綠地系統(tǒng)：1)西北向以丁香湖公園為節(jié)點(diǎn)；2)西南向以渾河下游兩岸綠地構(gòu)成的綠帶向內(nèi)延伸；3)東南向以渾河上游及東南部農(nóng)田向內(nèi)延伸；4)東北向以東北部林地為節(jié)點(diǎn)，向內(nèi)延伸至北運(yùn)河，向外銜接棋盤山。該綠地結(jié)構(gòu)與沈陽市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃中的“四楔”框架基本一致。

二是以能力提升的綠地優(yōu)化措施，主要包括以下幾方面。1)改善內(nèi)澇點(diǎn)周邊綠地的植物配置，將沈陽市內(nèi)目前綠地植被組成為“喬草”的大型綠地植被調(diào)整為“喬灌草”；將以草地為主的小型綠地調(diào)整為“灌草”組合，在因地制宜選擇植物的基礎(chǔ)上盡可能選擇葉面積較大的樹種，既能增加單位面積土地的葉面積，增強(qiáng)林冠截留能力，又有利于改善城市土壤板結(jié)壓實(shí)的現(xiàn)象。2)定期更換土壤以便增強(qiáng)蓄水能力，由SCS產(chǎn)流模型可知，沙質(zhì)土壤的蓄水能力要明顯優(yōu)于黏土，因此對于0～20cm的表層土壤可以通過覆蓋沙質(zhì)土來保證其良好的滲透性能，保證雨水能夠快速吸收儲存，為植物生長提供水分和養(yǎng)分。3)將現(xiàn)狀便于改造的綠地調(diào)整為下凹式綠地或雨水花園，增加綠地額外的蓄水量；內(nèi)澇點(diǎn)周邊及其他地勢低洼的區(qū)域設(shè)置綠地，通過自然匯流將徑流引入綠地內(nèi)部，保證土壤的充分浸潤，發(fā)揮最大的滯蓄能力，提升綠地滯蓄效能。

圖2 沈陽市滯蓄潛力空間聚類與異常值分析

研究基于實(shí)測與遙感相結(jié)合的技術(shù)方法估算了沈陽市三環(huán)內(nèi)綠地的滯蓄量為73.20～127.75mm。其數(shù)值的大小與綠地的植被覆蓋和土壤類型有關(guān)，這也將影響著不同綠地在單場降雨下發(fā)揮的實(shí)際效能。71.6mm降雨量下不僅所有綠地的滯蓄能力未達(dá)到最大，其中25%的綠地還能做到不產(chǎn)生徑流。若現(xiàn)狀綠地的滯蓄能力可以發(fā)揮到最大，則可以削減研究區(qū)28%的徑流量，能夠有效緩解城市的排水壓力，降低城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。由于城市建成區(qū)內(nèi)可用于布置綠地的空間有限，因此新增的綠地應(yīng)以帶狀為主，銜接城市外圍的區(qū)域綠地與城市內(nèi)部塊狀綠地形成網(wǎng)絡(luò)，最后深入內(nèi)澇點(diǎn)附近緩解內(nèi)澇。同時(shí)可采用更換表層土壤、豐富喬灌草植物群落、設(shè)計(jì)下沉式綠地等措施來降低對新增綠地面積的需求，提升現(xiàn)狀綠地的滯蓄能力，保證其發(fā)揮更佳的效能。

本項(xiàng)研究從總量分析了綠地滯蓄對徑流削減的作用，提出優(yōu)化城市綠地滯蓄效應(yīng)的一些思路。而滯蓄是一個(gè)復(fù)雜的水文過程，由于研究區(qū)域尺度較大，沒有結(jié)合排水管網(wǎng)和樹種等詳細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行從徑流與積水的動態(tài)變化去分析積水的形成過程，后續(xù)研究將考慮根據(jù)不同樹種的滯蓄能力及樹齡增長的林冠截留變化進(jìn)行森林滯蓄能力研究。

注：文中圖片均由作者繪制。