城市道路和绿地布局对雨水污染状况的影响——以杭州城市中心区为例

陈前虎，寿建伟，吴松杰，武前波

(1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014； 2.浙江大学 城乡规划设计研究院有限公司，浙江 杭州 310007；3.浙江华展工程研究设计院有限公司，浙江 宁波 315000)

城市道路和绿地布局对雨水污染状况的影响
——以杭州城市中心区为例

陈前虎1，寿建伟2，吴松杰3，武前波1

(1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014； 2.浙江大学 城乡规划设计研究院有限公司，浙江 杭州 310007；3.浙江华展工程研究设计院有限公司，浙江 宁波 315000)

文章以杭州城市中心区5条内河为研究对象，选取内河两侧300米范围内与水质关系最为密切的城市道路与绿地两类用地，建立表征数量结构和布局结构的土地利用格局指数以及相关的水质指数，运用SPSS分析土地利用指标与水质指标之间的相关关系并建立回归分析模型，揭示城市土地利用对内河水质的影响机理与关键机制。结论为：城市道路和绿地两种土地利用类型对内河水质产生了截然不同的影响，多项绿地指标的改善能有效削减道路指标所产生的消极影响；有必要在城市规划编制和管控中，通过完善道路交通结构、改进雨水排放模式、合理设置绿带宽度等综合措施，控制和管理面源污染，改善城市内河水质。

城市土地利用；内河水质；道路径流；绿化布局；杭州

自土地利用/土地覆盖变化(LUCC)成为全球变化领域的核心研究计划以来，国内外学者通过实例对土地利用/土地覆盖变化的环境效应已进行了广泛的探讨[1-6]。其中，土地利用/土地覆盖变化对流域水质的影响也得到重视。比如，大量的研究表明，城市化速度越快，城市水环境退化越严重，城市土地利用面积与流域水质退化呈现出明显的正相关关系[7-9]；土地利用类型与流域水质污染指标之间有着强烈的相关性[10]。近十多年来，中国城市化的快速推进导致了城市景观格局的剧烈变迁，加剧了城市水土环境的恶化，从而引起了国内学界对这一问题的极大关注。目前这一领域的相关研究工作大致从两个层面展开：一是在宏观层面，按照国土用地分类标准，从大尺度空间视角出发，借助RS和GIS技术获取土地利用格局指数，分析其与水质之间的相关关系[11-15]；二是在微观层面，对不同类型下垫面(屋面、道路、绿地等)上雨水径流污染状况进行研究，侧重于小区域的水质情况调查[16-17]。综观已有的研究成果，由于在研究的尺度和指标选取上与现行的城市用地分类方法存在差异，也与现实可操作的城市规划、设计与管控需求之间存在较大差距，使得研究成果难以直接指导城市规划与建设。为此，基于城市用地分类方法与标准，将城市土地利用的田野调查数据(空间格局指数)与水环境的实验室数据(水质指数)进行关联分析，深入探讨城市土地利用格局对水环境影响的作用机制，对于改进城市规划编制和管控的技术方法与手段，控制和管理面源污染，改善城市内河水质，愈益显得迫切和重要。

已有研究表明，土地利用格局与水体水质之间的相关关系主要受土地利用类型及其空间分布的影响[18]，其中两类用地所产生的影响尤为关键：第一，城市道路上富含交通活动所产生的大量石油类、悬浮固体和重金属等污染物，这些污染物会以雨水径流形式进入周边水体，城市道路因此成为内河面源污染的关键源区[19-20]，其对水质产生的污染较其他用地更为严重；第二，城市绿地具有“绿篱”和“海绵”的生态功能，可以对降雨径流起到净化作用[21]，其对水质的改善作用较其他用地更为有效。基于此，本文以杭州为例，选取以上两种与水质关系最为密切的城市用地类型作为研究对象，着眼于土地利用特征与城市内河水质，建立相应的空间格局指数与水质指数，分析土地利用对水质的影响及作用机制，提出面向水环境优化的城市土地利用相关策略与建议。

一、研究区域概况

杭州地处中国东南沿海，浙江省北部，钱塘江下游，京杭大运河南端。城内土地利用类型多样，河网密集，汇水区域一般在河流两侧300米到500米之间，内河主要汇入京杭大运河水系。为尽可能减少上游水质干扰，更好体现河流两侧300米范围内土地利用差异性对内河水质产生的影响，本文选取杭州城市中心区内流速相对缓慢且无支流汇入的5条内河河段作为研究对象。从研究对象两侧300米范围内的城市道路和绿地分布情况(表1)来看，中河和古新河两侧道路网密度和道路面积比例都较高，胜利河和上塘河两侧道路网密度和道路面积比例都较低，而西溪河两侧道路网密度较低，道路面积比例较高，说明西溪河两侧道路较少，但道路相对较宽；上塘河两侧绿地分布较多，其余河流两侧绿地分布相对较少。

表1 内河两侧300米范围内土地利用特征分析

二、数据概况

杭州城市中心区内河道已完成沿河截污工程，水体污染主要由面源污染引起。在五条内河河段上按500米间距布设取水点，胜利河和上塘河各设置3个取水点，中河、古新河和西溪河各设置4个取水点，编号1至18共计18个取水点；确定相邻两个取水点之间的河段及其两侧各300米范围内的区域为一个研究段，胜利河和上塘河各设2个研究段，中河、古新河和西溪各设3个研究段，编号A至M共计13个研究段(详见图1)。

(一)土地利用指标选择和获取

土地利用指标的选取从规模和空间两方面考虑，以建立一套能综合反映城市绿地和道路用地布局结构的指标体系。利用杭州市规划局网站地形资料查询板块提供的1：2000地形图，结合场地调查修正，在湘源控规6.0的支持下获取城市道路和城市绿地相关指标数据(表2)。

城市绿地指标选取绿地率、公园绿地率、防护绿地率、绿地网络连通度、滨水绿地覆盖率、滨水绿地平均宽度6项指标，其中：(1)绿地网络连通度：测度地块内绿地的连通程度，表征绿地的空间布局质量，算式：绿地相交节点的连通方向总数/绿地斑块总数；(2)滨水绿地覆盖率：测度地块内滨水绿地覆盖的比例，表征滨水岸线土地利用特征，算式：滨水绿地覆盖长度/滨水岸线长度；(3)滨水绿地平均宽度：测度地块内滨水绿地的平均宽度，表征滨水绿地的规模特征和滨水绿线控制程度，算式：滨水绿地面积/滨水岸线长度。

图1 杭州城市中心区五条河流区位、取水点和研究段

表2 城市绿地与城市道路指标数据

城市绿地指标城市道路指标研究段绿地率(%)公园绿地率(%)防护绿地率(%)绿地网络连通度滨水绿地的覆盖率(%)滨水绿地平均宽度(m)交通性道路网密度(km/km2)交通性道路面积比例(%)生活性道路网密度(km/km2)生活性道路面积比例(%)A11．052．590．541．065．880．931．999．935．484．7B20．533．020．061．1440．384．23007．555．88C19．362．020．630．9662．413．583．9111．732．362．36D29．05001．9577．6917．140．130．544．997．14E14．4400．220．5167．157．755．1920．5910．847．35F13．920．560．460．6542．135．025．1318．36．73．99G12．300．990．5516．377．983．6413．194．963．47H18．075．380．740．3371．959．162．869．853．651．22I13．016．353．540．5375．8318．762．6430．160．691．68J10．535．611．480．7478．9612．297．9412．490．54．63K12．504．750．9578．37．553．5313．910．850．56L15．9401．340．950．24．984．0911．631．720．99M12．5400．791．1579．547．123．529．840．21．21

城市道路选取交通性道路网密度、交通性道路面积比例、生活性道路网密度和生活性道路面积比例4项指标，其中：交通性道路是以机动交通为主的通过性道路，包括快速路、主干路和次干路，红线宽度不小于20米；生活性道路是以生活服务为主的联系性道路，包括支路和地块内部主要道路，红线宽度4-20米不等。分析发现，城市道路面积主要由交通性道路面积决定，其所占比例为78.2%；城市道路网密度主要由生活性道路网密度决定，其所占比例为58.1%。

(二)水质指标选择和获取

1．水质指标选择。据《地表水环境质量标准(GB 3838-2002)》，水质指标一般选取高锰酸盐指数(CODMn)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)等4项，考虑城市道路污染特征，增加重金属铅(Pb)指标，确定本次研究的5项水质指标。

2．水质指标数据的获取。雨水特别是初期雨水是水体面源污染的主要来源，而雨水由于降雨强度和降雨间隔的不同会产生不同程度的污染。研究表明，一般雨水径流2天内进入水体[22]。为了有效过滤因雨水污染的短时差异带来的干扰，全面地体现水体与周边环境的作用过程，本文选取降雨3天以后的内河河水作为水质监测对象(丰水期控制在3天以上，枯水期控制在5天以上)。计算2012年9月至2013年9月期间(取样和检测周期为2个月)各检测点污染物平均浓度，从而得到各河段主要污染物的平均浓度。从检测结果来看，研究河段水质都为劣V类，主要原因是总氮和氨氮的超标(见表3)。

表3 各河段主要污染物平均浓度

三、研究方法

(一)相关分析

相关分析(correlation analysis)是描述客观事物相互间关系的密切程度并用适当的统计指标表示出来的过程，是研究随机变量之间的相关关系的一种统计方法。表4为水质指标与城市土地利用指标之间的相关性分析结果。

从表中分析来看：总氮与滨水绿地平均宽度呈显著负相关；氨氮与滨水绿地的覆盖率、滨水绿地平均宽度呈显著负相关；总磷与公园绿地率、滨水绿地平均宽度呈显著负相关；高锰酸盐指数与绿地网络连通度呈显著负相关；重金属铅与绿地率呈显著负相关。这些结论表明，表征绿地数量结构和布局结构的多项指标都与水质改善有关。

表4 水质指标与土地利用指标Pearson相关性分析

通过植物吸收、土壤滞留、微生物降解等综合作用，绿地能有效吸收和截留部分污染物，起到缓冲区和自然过滤器功能。其中，表征布局结构特征的绿地网络连通度和滨水绿地平均宽度对水质的改善作用尤为明显，分析其主要原因在于：绿地网络的构建和宽度的增加，能有效截留并延长污染物质在绿地中的行程，使部分污染物质在其入沟或入河之前被充分吸收和降解，从而发挥最佳生态效用。由此可见，提高绿地对水环境的改善作用，除了关注绿地率等数量结构指标外，更应重视宽度和连通度等布局性结构指标，它们是绿地产生生态效用的关键。

高锰酸盐指数与公园绿地率、交通性道路面积比例呈显著正相关；重金属铅与防护绿地率、交通性道路网密度、交通性道路面积比例呈显著正相关。这些结论的可能推论是：(1)交通性道路向水体输出大量重金属铅和有机物等污染物质。交通性道路面积比例和密度越高，道路宽度越宽，路面沥青和机动车尾气产生的污染物质也越多；(2)公园绿地向水体输出有机物。公园是公共场所，人类和其他动物在其中的频繁活动提高了环境中的有机物含量，从而对水质造成一定的影响；(3)防护绿地率较高的区域重金属含量较高。分析其中的原因在于，城市非交通性道路一般都不设置防护绿地，设置防护绿地的都为车流量大而密集的交通性主干道，但由于目前的防护绿地宽度较窄且一般都为“高绿地”——主要防噪音和粉尘，无法起到对水质净化的作用。

水质指标与生活性道路网密度和生活性道路面积比例之间不存在明显相关性。这一结论的可能推论是，生活性道路作为步行和非机动交通为主的出行方式选择，产生的污染物质较少；并且，生活性道路一般与绿地结合布局，对环境的影响较小。

(二)回归分析

1．多元回归模型

回归分析(regression analysis)是确定两种或两种以上变量间相互依赖的定量关系的一种统计分析方法，它通过规定因变量和自变量，建立回归模型，并根据实测数据来求解模型的各个参数，然后评价回归模型是否能够很好地拟合实测数据；如果拟合误差较小，则可以根据自变量作进一步预测。根据上述水质指标与城市土地利用指标之间的相关性分析结果，确定因变量和自变量，并建立两者之间的多元回归模型，据此进行土地利用优化的定量讨论。

2．水质指标与土地利用指标回归模型建立

(1)高锰酸盐指标回归模型建立。高锰酸盐指数在各项水质指标中最具代表性。本文首先以高锰酸盐为例，结合其与土地利用指标之间的相关性分析，采用多元线性回归分析建立高锰酸盐指数与公园绿地率、绿地连通度及交通性道路网面积比例之间的关系y=a*X1+b*X2+c*X3+d，式中因变量y为高锰酸盐指数，自变量X1=公园绿地率，自变量X2=绿地连通度，自变量X3=交通性道路网面积比例，运用SPSS工具进行多元回归分析，确立高锰酸盐指数与公园绿地率、绿地连通度及交通性道路网面积比例的回归模型：

y=0.151*X1-1.783*X2+0.011*X3+5.882(1)

(2)模型确定与检验。利用预测模型估算各研究段的高锰酸盐指数，并与实际值相比较，可知高锰酸盐指数估算结果与实际值较接近，准确率(1-|(W估-W实)/W实|)多数达到80%以上(仅在B、D水质较好的两段，即高锰酸盐指数小于4时，估算误差相对较大)，认定模型可靠适用(表5)。

表5 高锰酸盐指数实际值与估算值的比较

(3)其他指标回归模型建立。根据高锰酸盐指标回归模型建立和确定的方法，分别建立其他水质指标的回归模型：

总氮与滨水绿地平均宽度呈显著相关性，确立总氮(y)与滨水绿地平均宽度(x)的回归模型：

y= -0.148*X+5.86 (2)

氨氮与滨水绿地平均宽度和滨水绿地覆盖率呈显著相关性，确立氨氮(y)与滨水绿地平均宽度(X1)和滨水绿地覆盖率(X2)的回归模型：

y= -0.126*X1+0.003X2+3.869 (3)

总磷与公园绿地率和滨水绿地平均宽度呈显著相关性，确立总磷(y)与公园绿地率(X1)和滨水绿地平均宽度(X2)的回归模型：

y= -0.019*X1-0.004X2+0.254 (4)

重金属铅与绿地率、交通性道路网面积比例、交通性道路网密度呈显著相关。由于交通性道路网密度指标与交通性道路网面积比例指标之间存在严重的共线性，回归分析中剔除相关性相对较低的交通性道路网密度指标，建立重金属铅(y)与绿地率(X1)、交通性道路网面积比例(X2)之间的回归模型：

y= -0.0026 X1+0.0042X2+0.0159 (5)

(三)模型讨论

高锰酸盐指数可以通过公园绿地率、绿地连通度和交通性道路网面积比例三项指标控制。若控制高锰酸盐指数保持稳定，根据式(1)可以发现，绿地连通度与公园绿地率、交通性道路网面积比例存在1:11.8和1:162.1的比例关系，即提高0.1的绿地连通度可以有效抵消因提高1.18%公园绿地率或16.2%交通性道路网面积比例所带来的负面影响。换言之，提高绿地连通度是一种高效削减高锰酸盐指数，或者抵消其他土地利用指标变化所产生的负面影响的有效途径。

由式(2)、式(3)和式(4)可知，氨氮、总氮和总磷指数都可以通过滨水绿地平均宽度来控制。在保持滨水绿地覆盖率和公园绿地率不变情况下，计算三个式子可以发现：当滨水绿地宽度为10米时，总氮和氨氮超标，总磷达到IV类水标准；当滨水绿地宽度达到20米时，总氮超标，氨氮达到IV类水标准，总磷达到III类水标准(见表6)。这一结论表明，传统的绿地布局模式—高覆盖率与窄绿地，难以有效改善水质，只有当滨水绿地平均宽度达到20米时，才能有效发挥绿地系统的水生态服务功能。如果通过生物和化学等手段对水体中的总氮作进一步处理，则有条件使水体达到IV类水标准。况且，滨水绿地平均宽度增加的同时， 也提高了滨水绿地覆盖率和公园绿地率，三者协同作用对水质改善的综合效果会更好。

重金属铅受绿地率和交通性道路网面积影响。虽然本次研究实测的河道重金属浓度低于III类水标准，但从目前城市人口和机动化迅速发展的态势来看，河道的重金属污染正呈现出不断升高的趋势。式(5)表明，若要重金属铅保持稳定，交通性道路网面积比例和绿地率需要满足1：1.62的比例关系，即交通性道路网面积比例增加1%，在其周边区域需同时考虑增加1.62%的绿地率。这表明，目前各地城市化进程中普遍推行的“大街坊、宽马路”的新城开发模式不可持续。

表6 滨水绿地宽度与氨氮、总氮和总磷计算结果汇总

四、结论与建议

综上所述，城市道路和绿地两种土地利用类型对内河水质产生了截然不同的影响，多项绿地指标的改善能有效削减道路指标所产生的消极影响。城市道路对水体的负面影响主要体现在交通性道路网面积比例指标与重金属铅、高锰酸盐指数之间的正相关系；而城市绿地对水质的正面影响主要体现在绿地率对重金属铅、绿地连通度对高锰酸盐指数，以及滨水绿地平均宽度对氨氮、总氮和总磷的削减作用；提高绿地连通度能综合高效降低各项污染物质，绿地布局优化对水质的改善作用远大于绿地数量的简单增加；滨水绿地平均宽度的增加能有效降低水体中总氮、氨氮和总磷的含量，当宽度达到20米时，能使水质多项指标达到IV类水标准。

基于以上研究结论，为了有效缓解杭州以及我国特大城市水环境恶化的趋势，城市规划编制和管控中需要：(1)完善道路交通结构，管制机动交通需求。通过加密生活性道路网络，降低交通性道路网面积比例，改善非机动车出行环境，让“公交化跑赢机动化”，引导优化居民出行方式，遏制小汽车快速增长，从源头上控制水环境面源污染持续恶化的趋势。(2)改进雨水排放模式，改善交通性道路布局方式。改变现行的雨水管网直排体制及“高”绿地、硬质驳岸等滨河土地利用模式，尽量创造干井、洼地等生态滞留设施(bioretention)，实行“红(道路)、绿(绿地)、蓝(河道)”一体规划与综合设计，使交通性道路两边的防护绿地起到有效的净化水质、涵养水源的生态功能，真正构筑起从路到河的水生态保护廊道。(3)提高绿地连通度，构建城市绿廊系统。规划管理不应简单地局限于绿地率控制，而应关注绿地布局模式，强化城市绿廊体系建设，让“每滴径流雨水都过绿篱”，以发挥绿地系统对水生态改善的网络效应。(4)合理设置绿带宽度，科学划定滨水绿线。合理的宽度是滨水绿地发挥生态功能的基本前提，只有增加初期雨水径流在绿地中的行程，使其达到门槛宽度(本文研究的初步结论为20米左右)，才能真正有效吸附和去除水体中的污染物质。

值得指出的是，尽管本研究表明相关土地利用变量与水质之间存在明显的相关性，但土地利用对水质的影响是一个极其复杂的过程，受到样本数量的限制，目前的土地利用变量尚不足以全面刻画城区环境对水质的实际影响；更何况，不同城市不同区域存在排水体制、土地利用技术标准上的差异。因此，本次回归分析模型可能存有偏差，并使研究结论不具一般意义。这些有待进一步地研究细化、修正与完善。

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(责任编辑：金一超)

The Impact of Urban Land-use Spatial Patterns on Inland River Water Quality: A Case Study of Hangzhou City Center

CHEN Qianhu1, SHOU Jianwei2, WU Songjie3,WU Qianbo1

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2.Urban-Rural Planning and Design Institute, Zhejiang University, Hangzhou 310007, China;3.Ningbo Mechanical Electric Design and Research Institute, Ningbo 315000, China)

Taking the five inland rivers in the Hangzhou city center as the research object and choosing urban roads and green space closely related to the water quality within the range of 300 meters on both sides of the inland rivers, this paper establishes land-use pattern index characterizing the quantity structure and the layout structure, and the related water quality index, analyzes the relationship between land-use index and water quality index by SPSS and establishes the regression analysis model and reveals the influential theory and key mechanism of urban land-use on inland rivers water quality. It concludes that the two kinds of land use types, urban road and green space, have distinct influence on the water quality of inland river, and the improvement of a number of green index can effectively reduce negative effects produced by the road index. It is necessary to control and manage non-point source pollution, and improve urban inland river water quality through some comprehensive measures of perfecting road traffic structure, improving drainage patterns, enhancing the green space connectivity, and setting reasonably green belt width and so on in the urban planning organization and management.

urban land-use; inland river water quality; road runoff; green layout; Hangzhou

2015-03-18

浙江省自然科学基金资助项目(LY15D010004)；国家自然科学基金资助项目(41201165)

陈前虎(1971-)，男，浙江浦江人，教授，博士，从事城市土地利用研究；寿建伟(1986-)，男，浙江诸暨人，硕士，从事土地利用与水环境研究；吴松杰(1988-)，男，河南鹿邑人，硕士，从事土地利用与水环境研究；武前波(1979-)，男，河南滑县人，副教授，博士，从事城市土地利用研究。

TU984

A

1006-4303(2015)03-0254-07