城市雨水花园选址与土地适宜性评价——以河南省荥阳市为例

吴奇原， 王鑫宇， 崔文妍， 曹钊豪， 田国行

（1.河南农业大学风景园林与艺术学院，郑州 450002； 2.华北水利水电大学建筑学院，郑州 450002）

随着城市化的快速发展和社会经济的不断推进，城市旱涝同期越来越常态化. 面对日益频发的城市水环境问题，海绵城市建设应运而生. 2013年，中央城镇化会议上，提出了建设海绵城市的要求. 2014年中国住建部发布了《海绵城市建设技术指南》，而后各级政府部门相继出台了一系列海绵城市建设的相关文件［1］.雨水花园作为海绵城市建设的重要应用形式，是一种生态可持续的雨洪控制与雨水利用设施［2］. 雨水花园是海绵城市建设的重要形式. 在雨水花园的实际建设中，重点主要集中在雨水源头控制、雨水处理、技术措施等具体的工程措施. 然而城市水环境问题是区域性的、大尺度的城市问题. 需要在城市整体系统建立综合的空间布局，从市域范围的角度去考虑建设的适宜性，需要充分考虑到雨水花园建设选址的合理性和科学性.

从20世纪70年代开始，美国、德国、英国等发达国家开始建立城市雨洪管理体系，发展“用纳滞蓄”的雨洪资源收集与利用［3］. 国内雨洪管理思想发展较晚，从20世纪90年代开始关注雨洪利用技术［4］. 1993年，美国马里兰州雨洪专家首次在《雨洪管理中的生物滞留区设计手册（Design Manual for Use of Bioretention in Stormwater Management）》中提出了雨水花园的概念［5］. 雨水花园是基于天然地形或景观工程构建的下沉绿地，可以储存多降雨季节时的雨水，并通过一系列的过滤与下渗，转换成中水，一方面可以补充城市日常用水，另一方面也可以涵养地下水，补充水资源［6］. 雨水花园的建设适宜性主要是通过生态适宜性评价方法实现.

生态适宜性评价方法最早是由美国宾夕法尼亚大学麦克哈格提出［7］. 融合了生态学、经济学等多种学科，是一种综合性的研究方法. 目前比较常见的生态适宜性评价方法，源于麦克哈格提出的“千层饼”模式［8］. 伴随着科学技术的发展和GIS的出现，丰富了生态适宜性评价的方法，使评价结果更加科学. 土地适宜性评价逐渐应用在各个领域，例如景观生态评价、环境影响评价、区域规划和建设适宜性等［9］. 国内学者对生态适宜性评价的研究主要强调适宜性是土地对某种特定利用方式的适宜程度. 国内早期是通过模糊数学方法、多指标决策模型的结合对土地适宜性进行评价［10］. 后来采用了GIS多因素叠加的方法，充分考虑到土地利用现状和自然因素，通过将不同的评价因子进行叠加分析，评价其适宜程度，并划分适宜程度等级［11］. 随着国内外学者的深入研究，土地适宜性评价方法更加具有科学性和合理性.

在海绵城市建设和研究的推进下，雨水花园的建设得到了众多学者和专家的重视，但是在实际的建设中，往往考虑的都是工程技术层面的问题，缺乏科学合理的选址布局规划. 合理的选址一方面可以降低雨水花园建设的难度、减少建设的成本；另外一方面，除了工程措施，优化选址也可以充分利用场地的地形因素，通过场地原有地形的调整也可以达到雨水花园的效果. 雨水花园建设的选址重点在于适宜性、效益型和经济型，通过优化选址可以有助于雨水花园的建设，实现科学、合理的海绵城市建设.

1 研究区域概况

荥阳市（34°36′05″～34°58′01″N，113°09′36″～113°28′48″E）地处黄河中下游，东邻郑州约15 km，西接巩义，南与新密交接，北滨黄河，东西约30 km，南北约40 km. 市域面积约为943.2 km2.

2019年度郑州水资源公报中统计到荥阳市年降水量3.489 4亿m3，多年均值降水量5.347 0亿m3，地表水资源0.399 7亿m3. 根据多年水资源公报可以看出，荥阳市雨水流失、旱涝同期严重，海绵城市建设迫在眉睫.

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

本研究的数据包括从地理空间数据云（http：//www.gsclou.cn）获取的荥阳市2020 年Landsat 8 OLI_TIRS 30 m精度的遥感影像数据、ASTER GDEM 30 m数字高程数据.

通过RSD辐射校正对影像进行预处理后，进行全色波段融合至15 m精度. 利用ENVI5.3对影像进行监督分类得到土地利用类型，包括林地、草地、耕地、建设用地、水系，将监督分类的结果与用地类型归并，最后进行Kappa验证，验证土地分类的结果，验证系数为0.931 1；通过影像拼接和裁剪得到研究区DEM数据.

2.2 雨水花园建设适宜性评价体系构建

遵循海绵城市理念，利用谷地岗腹建立低影响开发雨水系统，蓄住过境水和自然降水，解决季节性、区域性缺水问题［12］. 在本研究中，对海绵城市建设用地适宜性评价主要通过建设可行性进行评估，包括水文模拟、地形分析、用地类型分析［13］.

2.2.1 建设适宜性指标因子 影响海绵城市建设的因素有很多，在本研究中选取土地利用、高程、坡度、坡向、与建筑物距离等要素进行建设可行性评估.

1）用地类型分析

土地利用类型：参考北京市《城市雨水利用工程技术规程》（DB11/T 685—2009）中的规定“雨水花园宜设置在面积大于100 m2的块状绿地内”，面积和设施深度是影响储水体积的重要因素，面积越大，设施深度越深，则储水体积越大，对径流量的削减能力越强［14］. 因此在土地利用类型中选择占地面积较大的林地、草地以及广场等作为海绵城市建设适宜用地.

与建筑物距离：《城市雨水利用工程技术规程》中规定：下渗型雨水花园距离建筑物边缘应不小于3 m以防浸泡地基，以此条件建立缓冲区进行分析.

2）地形因子分析

本文通过综合分析，选取高程、坡度和坡向作为研究的地形因子.

高程：地势较低的区域可以降低建设成本，减小建设难度［15］.

坡度：坡度的选取直接影响到建设的成本和难度，因此选取合适的坡度因子至关重要. 坡度越小，地表径流流速越低，流经缓冲区的时间越长，污染物截留和降解效率也越高［16］，同时坡度越低越有利于雨水下渗，另外地势较平坦便于施工和维护.

坡向：不同的坡向会有不同的光照条件，不同的光照条件会对植物产生不同的影响. 合适的太阳光照、日照时间和温度等条件有利于植物的生长，因此光照充足的南、东南、西南、东、西方向是建设的适宜性区域［17］.

2.2.2 建设适宜性指标的权重 选取土地利用类型、与建筑物距离、高程、坡度和坡向作为建设适宜性评价指标，依据专家打分结果构建层次分析法的判别矩阵，并通过一致性检验［18］. 其中土地利用类型因素的权重占16.29%，与建筑物距离因素的权重占16.67%，高程因素的权重占11.97%，坡度因素的权重占48.45%，坡向因素的权重占6.63%（如表1）.

表1 层次分析法判别矩阵Tab.1 AHP discriminant matrix

2.2.3 指标因子等级划分与赋值 通过使用ArcGIS中的分析工具，将所选的土地利用、高程、坡度、坡向、与建筑物的间距进行分级，然后通过重分类来对分级后的阻力因子进行赋值，利用AHP层次分析法对所选的阻力因子进行权重划定［19］（如表2）.

表2 建设适宜性因子权重、分级与赋值表Tab.2 The weight，grading and assignment table of the suitability factor

3 结果与分析

3.1 建设适宜性指标评价结果分析

对土地利用类型、高程、坡度、坡向、与建筑物的距离这5个可行性指标的赋值分数进行重分类，可以得到各指标建设适宜性评价结果［20］.

对各指标建设适宜性评价结果进行分级，极适宜区域为一级建设区域，高适宜性区域为二级建设区域，中适宜性区域为三级建设区域，低适宜区域为四级建设区域［21］.

地形因子包括高程、坡度和坡向. 在高程方面，研究区域位于豫西丘陵向豫东平原过渡地带，整体地势自西南向东北逐渐倾斜至西部及北部邙山黄土丘陵，最适宜建设区域主要分布在主城区，属于半平原半丘陵地带. 在坡度方面，坡度越缓，雨水流速越慢，因此选取0～4°坡度为一级建设区域，4°～8°坡度为二级区域，8°～16°坡度为三级建设区域，16°坡度以上为四级建设区域. 在坡向方面，不同的方向有不同的日照条件，南、东南、西南坡向日照充足，有利于雨水花园内的植物生长，可以作为一级建设区域，东、西坡向为二级建设区域，东北、西北坡向为三级建设区域，北坡向为四级建设区域. 用地类型因子包括土地利用类型和与建筑物距离. 在土地利用类型方面，林地和草地对雨水有较好的吸收和消纳作用，作为一级建设区域，裸地是二级建设区域，水域、建设用地是四级建设区域. 与建筑物距离方面，与建筑物距离较近会侵蚀到建筑物地基，因此与建筑物距离在3 m之内是四级建设区域，大于3 m是一级建设区域［22］（图1）.

图1 建设适宜性指标评价结果Fig.1 Evaluation result of construction suitability index

3.2 雨水花园建设适宜性综合评价

通过使用ArcGIS中的加权叠加工具，对土地利用类型、高程、坡度、坡向和与建筑物的间距这五个建设适宜性评价指标进行叠加，得出综合建设适宜性值，形成综合建设适宜性面（如图2）.

本文选取一级建设区域作为可建设区域. 从图2 中的综合适宜性图中可以得出，可建设区域面积为249.03 km2，占研究区域总面积的26.4%，主要分布在北部黄河滩地向丘陵过渡地区、中部冲积扇平原地区以及各级河道沿线区域. 北部黄河滩地向丘陵过渡地区的地形地貌基本以平原为主，地面起伏平缓，水域辽阔，滩涂广布，湿地类型多样；中部冲积扇平原地区内水资源类型多样，包括河流、湖泊、干渠、水库与各类公园内的水等，其中主要河流有索河万山湖以北段（含荥阳境内索须河）、枯河、须水河等（图3）.

图2 综合建设适宜性评价结果Fig.2 Results of suitability evaluation for comprehensive construction

图3 可建设区域Fig.3 Constructable area

3.3 雨水花园可建设用地分布分析

雨水花园可建设区域主要分布在研究区的中部和北部区域. 主要包括中部平原地区内各单位的附属绿地，城市道路周边区域、北部未利用地以及河流两岸带状绿地. 在中部平原地区，可建设区域主要位于居民区、政府单位、商业区的内部附属绿地，可以直接将原有绿地改建雨水花园. 在城市道路周边的区域，可以通过改造建成小面积嵌入式雨水花园. 在北部大面积未利用地中，可以建成大型雨水花园［23］.

可用于雨水花园建设用地的区域整体上在各个村镇均有分布. 在崔庙镇中，一级建设区面积为15.54 km2，二级建设区面积为42.01 km2；贾峪镇范围内，一级建设区面积为13.50 km2，二级建设区面积为38.45 km2；刘河镇范围内，一级建设区面积为6.30 km2，二级建设区为24.70 km2；城关乡范围内，一级建设区面积为3.84 km2，二级建设区为4.36 km2；金寨回族乡范围内，一级建设区面积为1.16 km2，二级建设区为1.84 km2；乔楼镇范围内，一级建设区面积为39.92 km2，二级建设区为68.08 km2；高山镇范围内，一级建设区面积为23.75 km2，二级建设区为50.35 km2；汜水镇范围内，一级建设区面积为14.71 km2，二级建设区为34.50 km2；王村镇范围内，一级建设区面积为36.38 km2，二级建设区为46.04 km2；高村乡范围内，一级建设区面积为32.71 km2，二级建设区为46.16 km2；广武镇范围内，一级建设区面积为51.68 km2，二级建设区为70.06 km2［24］（图4 和表3）. 广武镇的一级建设区域最大，王村镇一级建设区的面积所占比例最大. 从全域的角度来看，可以优先选择在广武镇和王村镇进行建设.

表3 各乡镇可建设区域面积Tab.3 Area available for construction in each township

4 结论与展望

本文通过ArcGIS加权叠加的方法，对土地利用类型、与建筑物距离、地形、坡度、坡向因子根据不同的权重进行叠加，考虑各因子对雨水花园建设用地不同的影响程度，使海绵城市建设更加科学. 结合荥阳市现状和研究结果分析，可以得到以下结论：

可建设区域的总面积为239.49 km2，占研究区域总面积的25.39%. 可建设区域占村镇总面积比例最大的是王村镇，位于荥阳市西北方向；其次是广武镇，位于荥阳市东北方向；高村乡可建设面积占比为30.48%，可建设区域面积占比仅次于广武镇；紧接着是位于中部城区的乔楼村；接下来依次是金寨回族乡、城关乡、氾水镇、高山镇、崔庙镇、贾峪镇和刘河镇. 其中面积占比前三的王村镇、广武镇和高村乡均位于荥阳市北部，三个村可建设区域面积之和为120.77 km2，占总可建设面积的50.43%，由于北部林地和草地较多，有较多适宜的雨水花园建设的用地类型，并且地形较缓，建设难度低；乔楼村、金寨回族乡和城关乡位于荥阳市中部主城区，地形平坦，坡度较缓，有适宜的雨水花园建设高程和坡度条件，但由于建筑物较多，与建筑物距离限制了一定的建设，因此可建设的面积小于北部的王村镇、广武镇和高村乡；崔庙镇、贾峪镇和刘河镇位于荥阳市南部，受黄土沟壑地形的影响，建设难度较大，建设适宜性较低，因此可建设的面积较少.

在北部地区，人口密度低，土地面积大，可以利用大面积的未利用地建设大型雨水花园，以及利用枯河河岸两侧绿地建设雨水花园. 在中部平原地区，利用主城区的政府单位和居住区附属绿地建设小型雨水花园，可以利用索河以及三仙庙水库、丁店水库、楚楼水库和河王水库构建城市海绵体. 在南部区域，受地形限制，在可建设区域零散的小型雨水花园.

雨水花园的选址除了要满足适宜性和科学性的原则，还应该考虑到社会、文化和经济因素. 研究的结果只是明确了适宜建设用地的空间分布和面积，但没有更进一步区分具体的土地用途，这将作为下一步研究的方向. 2021年7月20日，河南省郑州市遭遇了特大暴雨，日降水量达到650.7 mm，由暴雨引发的洪涝灾害在全球范围内成为新常态. 雨水花园的建设在局部地区的雨水调节将起到重要的作用，雨水花园建设的选址布局在市域地区的雨水调控不容忽视. 优化雨水花园建设的选址有助于提高雨水花园防洪防涝效果.