基于雨洪调蓄的城市新区湿地适宜性评价及保护区划定

刘 迪 / LIU Di   2016-05-08 16:07:49


刘 迪 / LIU Di

摘 要:快速城市化背景下,城市的河道、湖泊、水库、塘堰、水田等湿地面积急剧减少,湿地雨洪调蓄能力减弱,城市弹性降低,城市安全受到威胁。为构建韧性城市,需保护城市生态底板。以重庆两江新区为例,根据湿地发育条件,选取地形坡度、土壤类型、地表径流等7项指标为影响湿地保护的主要因子,构建湿地适宜性评价层次结构模型,得到研究区湿地空间适宜性分布格局,即湿地保护重要性梯度空间分布。通过构建SWAT模型,根据重庆年径流总量控制率对应的设计日降雨量,得到不同控制率下的两江新区设计湿地率及其空间分布,与现状湿地叠加耦合,得到需要保护的湿地范围。该研究对湿地保护与编制雨洪管理规划具有指导意义。

关 键 词:风景园林;湿地保护;雨洪调蓄;GIS;湿地适宜性;设计湿地率;耦合湿地率

文章编号:1000-6664(2016)04-0085-06

中图分类号:TU 986 文献标志码:A

收稿日期:2015-08-25; 修回日期:2015-12-05

基金项目:水体污染控制与治理科技重大专项“重庆两江新区城市水系统构建技术研究与示范”(编号2012ZX07307001-03)资助

Abstract: Under the background of rapid urbanization, the river, lake, reservoir, ponds, paddy fields and other wetland have been decreasing. The ability of rainwater storage has been diminishing. Elastic City is hard to be constructed. Furthermore, city safety is threatened. To construct the resilient city, wetland protection is imminent. Taking Chongqing Liangjiang New District as an example, according to the wetland development conditions, the main factors which are affecting the protection of wetland are selected as topographic slope, agrotype, surface runoff and so on. Suitability distribution pattern of wetland, in other words, the importance of the gradient of wetland protection is realized by constructing the wetland suitability evaluation hierarchy model. The design of wetland rate which is theoretical is bringing about by SWAT model and Chongqing annual total amount of run off rate to the design of daily rainfall. The theoretical space overlain the status of the real wetland, the range of wetlandwhich is needed to be protected is coming out. This study is useful. It provides theoretical guidance for wetland protection and stormwater management planning.

Key words: landscape architecture; wetland protection; rainwater storage; GIS; wetland suitability; design wetland rate; coupling wetland rate

过去数十年,中国城市化快速发展导致城市建设中存在大量历史欠账。气候变化,极端天气与气候事件频发,脆弱的城市防灾能力,导致风险叠加与放大效应。为应对洪涝等极端事件,发达国家城市决策者意识到应对气候风险灾害的重要性,并先后制定城市适应规划,推进韧性城市的行动指南。所谓韧性城市是指关注城市如何通过灾害管理和科学规划以适应未来不确定的气候变化风险[1]。

而湿地具有许多自然调节功能[2],是构建韧性城市[3]的重要生态基础。但城市化导致湿地面积不断减少,诸如湖滩围垦、泥沙淤积、垃圾堆填、交通建设与城市建筑对湿地的占用、填埋和改造[4-5]。各国学者开展了一系列研究,揭示了湿地受城市化影响的动态演变规律[6],为地区湿地生态保护[7]、规划管理工作提供重要的决策依据。湿地评价与保护[8]已经成为国外许多国家的重要生态策略,例如美国就出台了一系列湿地保护法规,要求保护面积较大的湿地,湿地整体面积不宜减少,即使必须进行建设,也要就近建设一处新的同等大小及规模的湿地,法规上称之为湿地缓解银行(wetland mitigation banking)。

利用自然或者人工湿地调蓄雨洪是几年来各国的研究重点。20世纪80年代,美国学者制定P S W S M R P计划,旨在利用湿地处理城市暴雨径流[9]。美国很多地区修建了雨洪调蓄景观工程,如雨水湿地[10-12]。英国于2 0世纪7 0年代发展了S U D S,把对雨洪的管理转至对自然水生态的保护[13]。德国采用下凹绿地、雨水湿地、雨水池、景观水体等方式来调蓄雨水。日本的雨洪管理把雨水渗沟、渗塘和透水地面当作城市总体规划的一部分[14]。1992年Schueler提出的面向雨洪管理的%CDAW(Percent of Contributing Drainage Area as Wetland Cover)指的是湿地基于某种功能与其所服务的汇水区面积之比,该指标已经开始指导不少地域的规划[15]。2005年龚清宇在研究海河下游流域的雨水湿地滞蓄能力时,也给出小流域尺度特定水量管理目标的%CDAW[16]。近年来国内雨洪调蓄的方向主要集中在大量调蓄设施的规划设计与实践,缺少城市或区域尺度内各类调蓄设施的系统性规划设计[17]。本研究从多流域城市尺度提出基于雨洪调蓄功能的设计湿地率概念,融合景观生态学适宜性分析的方法论与空间分析软件,为城市尺度的湿地保护提供理论参考与实践指导。


图1 雨洪过程中冬囤水田作为水库、塘堰蓄水功能的延伸;用水过程中形成“冬囤水田-塘堰-水库”3道防线


图2 层次结构模型


1 快速城市化对湿地景观格局及雨洪调蓄的负面影响

重庆江河纵横,降雨较多,本地暴雨是其发生洪涝灾害的主要原因。根据当地农业社会经验,湿地如水田和数以万计的中小水库等是第一道防洪线。城市化在促进区域经济与社会发展的同时,不断侵占湿地,导致一系列城市雨洪安全问题出现,严重威胁区域可持续发展[18]。城市化对湿地景观格局及雨洪调蓄带来的负面效应显著。

1.1 土地利用变化与湿地景观格局变迁

1.1.1 土地利用变化

1988、2000、2010年土地利用图是以马里兰大学和国际科学数据平台提供的遥感数据为基础经解译等数字化过程而来。从1988—2010年,水田、塘堰等湿地面积锐减,建设用地剧增。水田面积减少了62.01%,建设用地增加了884.61%。

1.1.2 湿地景观格局变迁

本研究涉及的湿地范畴包括河流、水库(湖泊)、塘堰、水田等。随着城市化的日益推进,两江新区范围内的部分河道已被填平,河流的完整性被破坏,影响了城市自然生态景观,一旦遇到强降雨或过境洪水,河道的泄洪能力降低,城市内涝风险加剧。现状水库基本保留完整,2003年新修胜天水库,2011年因园博会新增龙景湖水库。水库的功能正在转移,由灌溉功能逐渐向城市景观功能转变,但水库的防洪调蓄功能仍是最显著的。

塘为古老的蓄水灌溉工程。据清道光卯年(1843年)纂修的《重庆府志》记载:合州,《州志》,明洪武时(1368—1398年)修筑塘堰,旧有150处,今多开垦为田,无考。《巴县志》,巴之旧塘,为数587,新增1 719。民国时期,灌溉工程仍以塘堰为主。据专署统计,自民国25—27年(1936—1938年),全专区各县3年共完成塘11 746口。至1949年底,重庆市现境域内实有新塘17 800口,蓄水5 428万m3,有效灌溉面积17.28万亩(11 520hm2)。新中国成立后,掀起了轰轰烈烈整修塘堰的群众运动。群众修塘热情高涨,除整治旧塘外,也不断增添新塘。到1952年底,重庆全境有塘22 700口。在此之前修的塘,多为平地下挖成塘,称为平塘。一般蓄水少,灌面小。1954年初,选择葛兰场附近一处三面环丘、一面开口、居高临下的地方,群众称为锁口坵,用筑土埂的办法,修了一处山湾塘,群众取名“模范塘”。这是丘陵区水利建设的一项重大发展,改变历来平地掘塘模式为筑坝成塘。1954年以来新修的塘都是山湾塘,并逐步发展到修建小型水库。1985年,全市实有山坪塘67 618口,蓄水量38 007万m3,有效灌溉面积107.5万亩(71 666.7hm2)[19]。

相对河流与水库,塘堰消失迹象明显。由1988年的6 000多个减少到2000年的4 000多个,到2010年,仅剩不到3 000个,而且仍在日益减少,塘堰用地主要转化为建设用地。近年来,塘堰库容减少近1 000万m3,相当于一座中型水库的蓄水能力。这些消失的塘堰源自当地农民宝贵的生产生活经验,往往处于蓄滞地表径流的关键位置,是基于地方知识的结晶,也是重庆塘堰-冲冲田系统[20]的重要组成部分。江北区的石马河乡、观音桥乡、寸滩乡、唐家沱乡在没有开发之前场地上有很多山湾塘,后面陆续开发建设已经不存在了,被填平转移为建设用地。

重庆的农田不同于平原地带,是以冲冲田的形式存在。冲冲田特指丘陵地区,沿山麓(山脚)拗谷、冲沟顺势开垦而成的梯田。由于地形的原因,雨水对场地进行冲刷,不同的坡面位置会有不同程度的冲刷,当地农民根据场地特点,发挥自身的智慧,在正冲即坳谷、冲沟正中较易汇水的位子,开垦为水田。而在侧冲,即正冲两侧具有一定坡度、不易汇水的位子开垦为旱地。

水田的雨洪调蓄功能自古有之,根据重庆独特的场地特点,形成了特有的“水库-塘堰-冬囤水田”用水过程(图1)。冬囤水田保栽插,山坪塘、堰、提灌站保渗灌,水库作后盾抗伏旱的“三道防线”。冬囤水田,是农家自古以来根据丘陵区的地理特点[21],蓄水保来年水稻栽插的重要手段[22]。

两江新区的水田面积锐减,由1988年的602.4km 2减少到2000年的448.8km 2,到2010年,水田面积仅为228.9km2,比1988年减少了62.01%,水田用地主要转化为建设用地。研究表明,水田的年蓄水量一般为200mm[23],是能量巨大的潜在蓄水池和滞洪库。水田的减少降低了两江新区湿地雨洪调蓄的能力。

1.2 地表净流量增大与湿地蓄水量减小

研究采用SWAT模型对1988、2000、2010年的降水地表径流进行模拟,得到两江新区地表径流量1988年为27 150.75万m3,2000年为28 968.48万m3,2010年为32 028.01万m3;水库、塘堰、水田等湿地蓄洪量1 9 8 8年为20 208.78万m3,2000年为16 602.48万m3,2010年为12 670.02万m3。地表净流量与湿地蓄水量差值递增,地表径流洪峰出现的时间提前,汇入河流的洪峰流量增大,汇流时间缩短,对区域的雨洪安全产生威胁。


图3 湿地空间适宜性分布格局(GIS导出)


2 湿地适宜性评价过程

2.1 湿地适宜性因子的选择与层次结构模型的构建

基于当地农民的生产生活经验及软件分析,得出当地人建设湿地时的一般规律:1)水库塘堰的位置一般选在流域出水口;2 )水田多分布在地表径流大、有机质含量高的区域。农民的智慧提高了生产,同时对地表径流进行了源头控制。(美)格莱格里·赫斯特总结发展城市暴雨径流湿地需注意以下几点:1)对土地面积的要求;2)有连续的水流进入湿地;3)泥沙控制;4)能维持水位的土壤类型等
[24]。结合其他研究[25],把坡度、土壤类型、地表径流、泥沙量、土壤流失量、有机氮含量、硝酸盐含量等因素作为湿地适宜性的评价因子,各评价因子数据来源包括现场测验、软件模拟、资料查阅等。不同的评价因子对湿地的影响程度是不同的,采用层次分析法对不同评价因子量化分析,层次结构模型见图2。

2.2 评价因子的分级与权重确定

根据层次结构模型建立判断矩阵,采用专家打分法,由重庆研究水文、土壤、生态学的9位专家,确定判断矩阵各元素的相对重要程度(表1)。判断矩阵的最大特征根λmax为7.138 7,一致性比例CR=0.017 0<0.1。因此,该特征矩阵具有较好的一致性,求得的权重可用于指导湿地空间适宜性分析的计算。

坡度缓的地方更有利于降雨的积蓄,不易下渗的黏土更能维持一定的水深,地表径流大的地方可以有效补给水源[24]。将湿地适宜性评价因子分别划分成不同等级,运用层次分析法得到每个评价因子不同等级对目标层的权重(表2)。

2.3 基于GIS的湿地适宜性空间分布实现

利用GIS栅格计算器提取每个评价因子的各个分级图层,赋予每个分级因子相应的权重,再利用栅格计算器叠加图层,得到湿地适宜性空间分布图(图3)。颜色越深,湿地越适宜发育,越应当加以重视和保护。



图4 不同设计湿地率下的湿地空间分布图 图5 不同耦合湿地率下的湿地空间分布图


3 湿地保护区的识别与划定

3.1 设计湿地率及空间分布

设计湿地率是指假设设计湿地蓄水平均深度为1m时,湿地与其所服务的汇水区面积之比。根据《海绵城市建设技术指南》,得到重庆年径流总量控制率对应的设计日降雨量[26],连续降雨4天算出地表径流如表3所示。重庆年径流总量控制率属于4区,控制率要求为75%~85%。当年径流总量控制率为75%时,设计湿地率为2.68%;当年径流总量控制率为80%时,设计湿地率为3.27%;当年径流总量控制率为85%时,设计湿地率为4.10%(图4)。

3.2 耦合湿地率及空间分布

设计湿地率下的空间分布是理想化的,并非真实,进一步提出耦合湿地率的概念。耦合湿地率是指现状湿地与设计湿地率下的湿地空间重叠的湿地面积与其所服务的汇水区面积之比。不同设计湿地率下的湿地与现状湿地叠加耦合,得到如表4、图5所示的耦合湿地率。

水田设计蓄水深200mm,塘堰平均蓄水深1.5m,水库总兴利库容2.699×107m3,御临河河口流量66.1m3/s,不同控制率下的湿地蓄水能力评价如表5所示。

关键位置上的水田在城市化过程中可发展成城市暴雨径流湿地,需重点保护的水库及其兴利库容如表6所示,关键节点上的塘堰可结合植物种植,发展成雨水公园、洼地或水塘,此外,应重点保护御临河河道的完整性与通畅性。

4 对雨洪管理规划的启示

4.1 充分发挥湿地功能,编制雨洪规划

城市总体规划中对预防并缓解暴雨造成内涝的专项规划相对薄弱,亟须加强雨洪全面统筹规划,把交通、环保、绿地、水系、基础设施、城市给排水、综合防灾等各专项规划加以整合控制,编制雨洪规划。由规划部门控制源头,建设部门主管中间环节,环保部门监督末端质量,一起做好雨洪管理工作,为解决城市暴雨内涝危害提供科学的管理依据。

城市雨洪基础设施包括雨水设施和防洪设施,属于给排水、城市防灾、环保安全系统的交叉区域[27]。在城市给排水管网的设计中,考虑城市规模与人口规模,尽量缩小基础设施与城市发展速度的差距。强调构建城市绿色基础设施,充分发挥湿地以及各种类型的水体吸纳暴雨径流的功能,调节城市雨洪,缓解城市洪涝灾害[28]。

4.2 保护关键位置上的湿地资源

原农村状态时充足的湿地资源非常宝贵,在雨洪调蓄方面的潜力巨大。城市开发建设中,应优先保护处于雨洪安全格局关键位置的湿地资源,确保城市雨洪安全,同时也是节省城市雨洪基础设施再建设的成本,我们不应该再走先破坏再建设的老路。首先保护中小型水库的正常运行,保证中小型水库的占地面积不缩小,确保库容不萎缩。其次保护山湾塘,山湾塘是丘陵区水利建设的一项重大发展,依地形而建,是尊重场地精神的水利工程设施。现山湾塘已消失很多,我们应尽最大努力保护处于关键位置的山湾塘,避免出现山湾塘完全消失的悲剧。再者就是保护冬囤水田。冬囤水田本身处于地势比较低洼的坳谷或冲口,农村时代用来蓄水来年好种植水稻,尽量保护原冬囤水田所在的位置和原地形,充分发挥其蓄水的能力,减少城市地表径流负荷。保护农村时代“冬囤水田-塘堰-水库”蓄水防洪3道防线系统的完整性。

4.3 建设城市暴雨径流湿地

湿地具有滞蓄洪水和净化水体的作用,在城市区域中建设暴雨径流湿地十分重要,其主要的措施包括建立人工湿地、积水池、地区性池塘、沉淀池、过滤盆地等设施,辅以绿地缓冲带,减少紧密相连的不渗水区域。这些设施一般容积较大,占地面积广,暴雨在流经这些区域之后,水量得以控制,污染物得以沉淀,这是暴雨径流流入江河湖泊的关键一步。同时,由于其与农村时期大面积的水田类似,因此可以较浅区域(150mm左右、约占总湿地面积的35%)种植水稻,既能防洪蓄水又可进行农作物生产。然而对于正在处于高速开发建设中的两江新区,无法大面积修建城市暴雨径流湿地,因此建议先修建沉淀池,待施工结束后将沉淀池改建成永久性湿地,与原有关键区域的湿地共同组成预防、抵抗,并缓解城市雨洪灾害的湿地系统。



4.4 量化雨洪调蓄湿地用地指标及布局

随着城市化进程不断加快,城市雨洪安全问题威胁着城市的可持续发展。针对城市面临的雨洪安全问题,应发挥湿地生态效能,将城市湿地系统纳入雨洪安全保障体系中。在一定规模的城市区域范围,如何合理布局具有滞洪功能的湿地,才能有效弥补城市排水管网的不足。基于现行城市排水系统条件及当前快速城市化造成的城市降雨量以及暴雨发生频率,对雨水排除和湿地蓄洪能力进行量化分析,得到城市环境中利用湿地蓄滞雨洪的量化关系模型及合理布局建议[29]。只有量化了用于雨洪调蓄的湿地用地指标及布局,才能切实有效地落实湿地保护工作的开展。

注:文中图片均由作者绘制。

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作者简介:

刘 迪/1989年生/女/山东人/华夏幸福基业股份有限公司助理规划师/研究方向为地理学(景观设计)(北京 100016)

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