基于GIS分析法识别城区水安全敏感区研究

熊凡轶 吴星杰

(西南林业大学(昆明)研究生院,云南昆明 650224)

0 引言

我国在2015年正式启动了海绵城市的试点建设，已经过去了五年，随着我国学者对海绵城市研究日益加深，海绵城市建筑中出现的问题也日益凸显，据新闻报道，2016年全国30个试点海绵城市中有19个发生了淹水[1-2]。目前我国对大范围海绵城市的建设研究还是流于形式[3]，由于受到电脑运算能力以及数据需求量大等因素的影响，国内对海绵城市大范围分析目前主要是通过ArcGIS进行。目前国内应用ArcGIS对大范围场地进行分析主要是对其自然条件等进行生态敏感性分析[4]，另一方面则是对城市地形进行分析找出积水点[5-9]。两种方法对城市用地都考虑的较少，对于城区水文敏感性区域的识别并不准确。因此，如何轻松、方便、准确地对城区范围内的水文情况进行模拟以及评估是现阶段的首要任务。

宜良县位于云南省中部，属于昆明市下辖县城，是昆明的后花园。宜良县是典型的云南山地的坝子地形，区域地形地貌以及环境十分典型，对宜良县通过ArcGIS进行基于地形指数的水文模型研究具有重要意义。

1 研究区域概况

宜良县位于云南省中部，东经102°～103°，北纬24°～25°。距省会昆明54 km，东邻陆良县、石林县；北与马龙县、嵩明县接壤；西连呈贡区、澄江县和官渡区；南接弥勒市、华宁县，自古就有“省会锁钥，澄曲咽喉”之说。宜良县属于现代新昆明城市规划布局的卫星城和次级市，交通便利、地理位置优越。全县地形为云南省典型的坝子地形，中间高两边低，最高海拔为2730 m，最低海拔为1270 m，全县平均海拔在1500～1800 m之间。

2 理论与方法

2.1 理论基础

本研究通过借鉴生态敏感性评价以及生态适宜性分析的方法[4]，基于层次分析法对于相关影响因素给定权重，最终通过ArcGIS加权分析得出区域水文敏感性评价图。水文模型TOPMODEL 模型中的地形指数 ln(α/tanβ) 常用处理较大范围自然流域的地形，基于地形指数的水文模型TOPMODEL 模型具有可以将分析数据化、所需参数少、操作较为简单等特点[10]。

2.2 研究方法

2.2.1 数据预处理

本研究数据采用30 m×30 m开源DEM高程图(下载自地理信息数据网)、对宜良县进行实地调查得到的建筑以及用地分布图、宜良县2014—2030年土地利用总体规划图、宜良县高清正射影像图、2002年以来宜良县逐年历史卫星影像等。利用ArcGIS10.1对于宜良县用地、建筑、道路、水系等进行矢量化，所有矢量化数据均采用WGS_1984_Web_Mercator投影坐标系。此外，用地分类图根据历史卫星影像图区分了建筑年限与类型。本研究参照生态敏感性分析的方法，利用ArcGIS软件强大的功能处理DEM数据，对用地类型等矢量数据进行矢量转栅格，利用缓冲分析、地形指数分析、叠加分析、密度分析等方法，最终得出综合水文敏感性分析图。研究过程中，在进行成对比较矩阵法计算权重时，主要采用专家观点评分，将得到的数据利用yaahp软件计算权重。

2.2.2 评价因子选取

本研究通过对昆明市积水严重区域进行实际调查情况以及查阅相关文献[11-13]，选取水文敏感性评价因子。对城市水文环境造成重大影响的相关因素主要有高程、坡度、绿地率与不透水率、建筑密度、管网情况、周边水体情况、用地类型等。根据实地特征以及资料收集情况，本研究对相关因素进行归纳，综合选取了建筑条件、用地类型、地形条件、地表水系4个因素进行水文敏感性分析。

2.2.3 地形指数的提取

地形是城市水文环境的重要指标，它对城市水文环境的影响主要体现在高程、坡度和坡向三个方面。地形指数作为一种对水文情况进行模拟的计算方法，综合了高程、坡度与坡向三个因素。可以比较明确地表示出在只有地形的情况下流域中任意一点的径流累积趋势和产生污染运动趋势的潜力[14]。

地形指数的计算公式[15]为：

λ=ln(α/tanβ)

(1)

包含了汇水面积α和坡度正切tanβ两个计算参数。

汇水面积的计算公式为：

α=(N+1)A

(2)

式中：N为流入一个网格单元的上坡汇流栅格数；A为栅格分辨率；参数坡度tanβ的计算分析则可以利用ArcGIS的地形处理工具通过对DEM数字高程的表面分析得出。

本研究对地形指数的提取是通过ArcGIS10.1中水文分析工具中的内部单流向算法D8算法来实现的。通过对原始DEM进行填挖、流向、流量、坡度等处理得到水流流向、总水流积累量、坡度等图。

通过栅格计算实现：地形指数=ln(水流积累量/单元坡度)。最终得出地形指数图(见图1)。参考解文龙等人划定水文敏感区的地形指数取值划分方法[16]，将地形指数分为三级：地形指数在3～10范围为不敏感区域、10～14为中敏感区域、14～20.3为高敏感区域。

图1 地形指数

2.2.4 用地类型

用地类型涉及基础设施建设情况，绿地率、建筑质量等很多因素对城市水文环境有着巨大的影响。研究通过采用宜良县高清地图、谷歌地图2002年以来的多年历史影像，以及百度地图、阿里地图等多幅网络地图，结合宜良县总体规划图对宜良县建成区按时间、用地类型等因素进行矢量化，最终划分为棚户区、道路、荒地、绿地与广场、建设满10年公共设施用地、建设满10年非公共设施用地、新建建筑用地共七种用地类型(见图2)。其中棚户区大部分为老旧建筑，建筑质量与基础设施较差，不透水面较多，总面积约为156.35公顷。建设满10年以上非公共设施用地包括建设满10年以上的居住、商业、工业用地等，总面积为172.06公顷。建筑质量与公共设施相对棚户区较好。建设满10年以上公共设施用地绿地率、建筑质量略高于非公共设施用地，总用地面积为155.90公顷。新建小区为2014年后建成用地共计171.26公顷。城区共有公园广场等绿地约120公顷，荒地133公顷。

图2 宜良县城用地分类

2.2.5 建筑密度因素分析

本研究通过对0.5 m分辨率的高清正射航片进行人工解译，在国际主流的分类体系基础上参考《城市用地分类与规划建设用地标准》[17]。根据研究区的特点，将宜良县城的土地利用类型划分为：公共管理与公共服务用地(A)、商业用地(B)、居民用地(R)、工业用地(M)、绿地与广场用地(G)以及未利用地(D)。通过对矢量化后建筑与用地叠加分析得出用地建筑密度。

2.2.6 地表水系

水系对城市水文环境有一定的影响。距离水源越近，暴雨所产生的径流速度就越快，越能就近排出，水文敏感性也就越低，反之亦然。宜良县城区域被两条自然河流贯穿，另外县城内存在多条暗河以及人工河流湖泊等。对水系缓冲区的设计按0～30 m、30～50 m、50～100 m、100～1000 m来设定，其中在水系缓冲区30 m之内雨水径流经过稍加处理就能快速排入水体中，而水系缓冲区100 m以上时雨水径流很难排入水体。

2.3 评价指标体系的构建

通过对与城市水文敏感性有关的高程、坡度、绿地率与不透水率、建筑密度、管网情况、周边水体情况、用地类型七种影响因素进行筛选与整理。将高程和坡度等DEM因素综合为地形指数，绿地率及不透水率以及管网情况，并入用地类型因素。最终七种因素综合为用地指数、用地类型、距水体距离、建筑密度等四种因素。

按照AHP(层次分析法)确定指标权重[18]，在GIS技术支持下，通过加权叠加法获得水文敏感性综合评价图。具体步骤为：

(1)建立由所选取的四个影响因子组成水文敏感性评价指标体系，根据每个因子对水文环境的影响，对每个因子的分级标准进行赋值。按照不敏感(1)、轻度敏感(3)、中度敏感(5)、高度敏感(7)、极敏感(9)[19]的标准进行赋值(见表1)。

表1 各项评价因子分级标准

(2)确定权重。使用成对比较法，根据两两相比所得的值建立表格，根据专家打分结果，得出水文敏感度成对比较矩阵，计算各评价因子的权重(见表2)，计算公式如下：

(3)

式中：ωi为第i个评价因子权重，即第i行指标因子的特征向量；Wi为第i行的几何平均值；n为指标因子数。

表2 水文敏感性评价因子权重表

2.4 技术路线

首先，根据对积水区域的实地调查以及对相关文献的查阅，选取重要的生态因子，对选取的因子进行分级标准的划分；然后，采用专家评分法确定各因子的权重值，利用ArcGIS加权叠加得出水文敏感度分析结论。

3 结果与分析

3.1 地形指数分析

参考解文龙等[11]划定水文敏感区的方法，将地形指数分为三个等级，将地形指数14以上(地形指数的平均值9的1.5倍)的区域划为极敏感区域，共有568个栅格为极敏感区域，面积约为51.1公顷；地形指数在10～14之间的区域划为中敏感区域，共有3847个栅格，面积约为346.2公顷；地形指数小于10的区域划为不敏感区域，共有6154个栅格，面积约为553.9公顷。总体来看宜良县城地形指数极敏感区域较少，大约占总面积的5%，地形指数分布较为均匀，如图3所示。

图3 地形因子水文敏感性评价图

3.2 水系分析

水系缓冲区水文敏感性评价结果如图4所示，宜良县城区域共有两条自然河流，除两条自然河流以外，城中还有大小不一的人工河流与湖泊。水系的水文敏感性划分以地面径流长度为依据，划定距离水系缓冲区越大，径流也就越难汇入水系中，对水文敏感性的影响也就更大。

图4 水系缓冲区水文敏感性评价图

3.3 用地分类分析

根据宜良县城区用地的年限类型将用地分为五个等级，如图5所示。宜良县老城区用地水文敏感性较高，即：这部分区域的评价因子分值最高，宜良县老城区外围水文敏感性较低，有较大片的公园绿地以及自然绿地。

图5 用地类型水文敏感性评价图

3.4 建筑密度分析

建筑密度与用地类型有着一定的联系，用地类型水文敏感性高的区域建筑密度也较高，用地类型敏感度与建筑密度水文敏感度之间在一定程度上呈正向关系(见图6)。

图6 建筑密度水文敏感性分析图

3.5 综合水文敏感性分析

借助ArcGIS软件下的叠加分析工具中加权叠加分析功能，构建综合水文敏感性评价模型，公式如下：

(4)

式中：S为综合敏感度评价值；Wi为第i个指标的权重；Si为第i个指标的评价值；n为指标个数。

通过对地形指数分析、水系分析、用地分类分析、建筑密度分析进行加权叠加分析，得到综合水文敏感分析图(见图7)后，对分析图按数值进行分类，将综合水文敏感指数小于2的区域划为水文轻度敏感区或低敏感区；将水文敏感指数在5～7的区域划分为中等敏感区域；将水文敏感指数大于7的区域划分为高敏感区。通过对综合水文敏感分析图的分析可以看出，宜良县城老城区水文敏感指数相对较高，尤其是棚户区区域出现多处高敏感区域，中敏感区域也大多集中在老城区，对整个老城区会形成非常大的水文环境压力，低敏感度区域主要集中在老城区周边新建建筑用地或者城区周边自然绿地，很好地缓解了来自城区外部的水文环境压力，不会加重城区中心水文环境的压力。

图7 宜良县城综合水文敏感性分析图

4 结论

本文在使用地形指数的基础上，借鉴生态敏感性分析的方法，通过对昆明市周边积水区域的调查分析，结合相关文献以及实际情况，选取用地类型、建筑密度、水系缓冲区、地形指数等四个影响因子对宜良县县城进行水文敏感性分析，最终得出宜良县综合水文敏感性分析图。通过研究，得出以下结论：

(1)选取用地类型、建筑密度、水系缓冲区、地形指数等四个因子对城区进行水文敏感性分析，相对于常用的雨洪管理模型如MIKE URBAN、SUSTAIN、SWMM来说，所需要的数据量以及相关的电脑运算量都大幅度减少，能更快速地得出结果，省时省力。

(2)就水文敏感性分析的结果来看，水文敏感性分析能较为清楚地反应城市的水文环境，对城市易遭到积水以及水污染地区的提取能清晰地反映出城市水文环境较差的区域分布情况，为区域层面以及小区层面的海绵城市规划提供了一定的借鉴与指导。

(3)本研究选取的4个指标因子，在很大程度上是与城市积水以及水污染联系较为紧密的影响因子，能快速地对其水文环境做出评价。但该项研究仍存在许多考虑不全面的地方，如指标因子选取过程中，受到专业的限制等有很多相关的影响因子未考虑到。在进行成对比较法时权重计算主要靠专家主观看法打分，这些主、客观因素对权重的计算结果产生一定的影响。