面向城市新区水网构建的蓝绿灰空间布局评价体系初探

2022-12-08陈广宇冯中华粟一帆范子武

水利规划与设计 2022年11期

陈广宇，柳杨，冯中华，粟一帆，谢忱，范子武

(1.南京水利科学研究院，江苏南京 210029;2.水利部太湖流域水治理重点实验室，江苏南京 210029)

城市水系是城市发展进程中的生存之本、文明之源，在缓解城市热岛效应[1- 2]、提升城市碳“汇”能力[3]及彰显城市景观文化[4]方面作用巨大。如何以建设水灾害防控、水资源调配、水生态保护一体化的城市新区水网为核心，形成一套综合城市河湖水系、湿地等蓝色空间以及城市绿地、河道缓冲带等绿色空间与排水管网、泵站、净水厂、一体化设备等灰色基础设施协同的城市新区蓝绿灰水系统规划方案，受到学术界广泛关注。

通过构建城市蓝绿灰空间布局评价指标体系，评估城市发展过程中水系格局建设合理性，是维系城市化进程中“人水和谐”的重要抓手[5- 6]。国外针对城市蓝绿灰空间布局做了大量研究，得出一批显著成果[7- 8]。欧盟基于自然景观设计学，提出蓝绿系统方法(Blue Green Solutions，BGSs)，通过构建城市蓝色空间(水资源)与绿色空间(城市植被)综合评价体系，量化城市蓝绿布局的生态价值[9]。澳大利亚从社会、环境和经济效益出发，统筹城市蓝色空间(河道保护)与灰色空间(污水处理)，提出水敏感性城市设计的理念(Water Sensitive Urban Design，WSUD)[10]。美国通过综合考虑城市汇水能力、绿色植被覆盖及污水溢流等灰色空间，有力提升纽约市水安全保障能力[11]。国内学者在充分借鉴国外突出案例的基础上，针对我国城市化进程的突出问题，提出了针对性的城市蓝绿灰空间布局评价体系。李柳意等[12]从经济、社交、生态、美学和设施5个方面建立城市蓝绿空间健康评价体系，汪洁等[13]基于“城市双修”理念提出针对武汉长江主轴蓝绿空间的修补策略，成雅田等[14]基于城市局地气候的角度，提出城市蓝绿空间规划途径的相关措施。

综上所述，国内外针对城市发展过程中面临的水资源短缺、水安全防护、水生态修复、水环境治理等关键问题，从蓝绿灰空间布局角度出发，提出了相应的理论评价体系，但针对区域水系尚待建设的城市新区，如何合理布设蓝绿灰格局的研究较少，本文因此采用文献检索、非度量多维标度排序、模糊逻辑等方法构建了城市蓝、绿、灰空间3个准则层的评价指标体系，并选择上海市临港新城核心区作为典型新城区进行蓝绿灰空间布局评价，本文的研究成果可为城市水系规划及城市开发建设提供理论支撑。

1 研究方法

1.1 评价指标选取方法

1.1.1城市蓝绿灰空间布局内涵

城市发展是提升我国现代化水平，增强我国经济实力的重要抓手。上海临港新片区是中国面向世界、面向未来的桥头堡，将肩负支撑中国全方位高水平对外开放，提升国际影响力，参与全球经济新秩序的战略任务。新片区自批准成立以来，大力发展城市经济，取得了一定的成果。但区域水资源时空分布和量能输入往往与经济社会发展需求用水、城市居民生产生活景观用水不相适应，需要从“空间均衡”的角度，统筹城市水体等蓝色空间、绿地等绿色空间、水利设施等灰色空间，定义合理的准则层与指标层，构建面向城市新区水网构建的蓝绿灰空间布局评价体系，以期指导规划适宜的城市新区水网格局，实现水清岸绿、碧水绕城的美丽城市建设目标。

蓝色空间。城市蓝色空间指城市水体部分，既包含河网、湖泊、湿地、河漫滩、洼地等自然水域，又包括渠道、水库等人工水域，是“自然—人工”复合构成的保证城市供水、灌溉、景观、通航等多目标要求的系统。

绿色空间。城市绿色空间指城市绿地部分，包含城市滨水廊道、生态岸线、城市林园、绿地森林、亲水平台等涉水绿色空间，具有涵养水源、调节区域气候，缓解城市热岛效应、增强区域景观文化等复合功能。

灰色空间。城市灰色空间指城市水利基础设施部分，包含城市排水管网、闸门泵站、净水厂、海绵城市设施等水安全保障设施，是保证城市承受洪涝冲击，快速应对、恢复，保持城市功能正常运行，提升城市韧性的重要空间。

1.1.2评价指标选择与筛选

检索并分析Web of Science，CNKI等国内外权威数据库关于城市新区、城市水网、蓝绿灰空间等相关的期刊文献，本文采用的文献检索关键词法收集整理与城市新区水网重构、城市蓝绿灰空间分布相关的评价指标。

对每个评价指标在期刊论文中出现的频次计数，并进行非度量多维标度排序(Non-matric multidimensional scaling，NMDS)[15- 16]，识别不同评价指标的差异性并进行分类，通过独立性分析[17]进行指标显著分析。非度量多维标度排序的基本原理是基于相异矩阵或距离矩阵进行排序的间接梯度分析方法，将原始的距离矩阵转化为秩矩阵再进行降维分析，同时弱化距离矩阵中具体值的大小，更注重其排序关系。本文使用NMDS将城市蓝绿灰空间下的要素指标进行评价分析，适用于排序目的无需最大限度地保留对象间实际的距离，而只反映对象间的顺序关系，可以将研究区域内蓝绿灰的评价指标以点与点之间的距离形式表现出来。

1.2 评价指标权重分析方法

采用模糊逻辑法(Fuzzy logic model，FLM)[18- 19]计算各评价指标权重。模糊逻辑法的核心是通过构建模糊集和模糊规则，确定指标间隶属度。利用[0～1]之间的数值表示对象对于模糊集的隶属度，0表示对象完全不属于此模糊集，1表示对象完全属于此模糊集，0～1之间表示对象部分属于此模糊集。定义非常合理、合理、普通、不合理、无效的模糊准则，来建立各评价指标的模糊集。通过构建的模糊集、模糊规则，确定各评价指标权重，例如某一评价指标对城市蓝绿灰空间布局的合理性影响能力为普通，则权重为0.6。

1.3 评价赋分标准

利用四分法[20- 23]确定各指标对城市河流水网构建过程中的蓝绿灰空间布局合理性等级，四分法赋分标准见表1。四分法属于评价体系中的一种赋分法，基本原理是将赋分值区间[0，1]总分为5等分，分值从大到小依次分别代表空间布局合理等级为非常合理、合理、普通、不合理和无效。

表1 四分法赋分表

根据构建的赋分标准，采用累积加权法计算蓝绿灰空间布局合理性指数，指数计算方法如式(1)：

(1)

式中，E—蓝绿灰空间布局合理性指数；Wi—评价指标权重；Ii—评价指标赋分值。

2 城市蓝绿灰空间布局评价指标体系构建

2.1 评价指标选择

通过查阅国内外权威学术数据库的文献，将蓝、绿、灰各自对应的要素层指标按比例从大到小的顺序绘制饼状图，统计分析发现(如图1所示)，使用率超过1%的指标共有21个。

图1 评价指标统计分析

采用非度量多维标度排序识别不同指标间的差异性并进行指标分类，结果如图2所示。对城市蓝色空间影响较大的指标共有6个，分别为河湖水面率、生态生活岸线占比、河网密度、河湖连通率、河道渠化率、河岸硬质率。对城市绿色空间影响较大的指标共有8个，包含生态空间用地占比、森林覆盖率、骨干绿道长度、人均公园绿地面积、公园绿地连通度、小微湿地、口袋公园占比、人口绿地耦合度、公园开放度。对城市灰色空间影响较大的指标共有7个，包括主海塘防御标准、排水管网更新改造率、闸泵站建设合理率、排水管网与河网连通度、排水设施初期雨水收集率、净水厂建设改造率、净水厂处理能力达标率。

图2 评价指标分类

对21个评价指标进行独立性分析，利用Pearson分析和Spearman分析法分别对符合正态分布与不符合正态的指标施行相关性检验，设置相关系数|R|>0.75为检验阈值，检验结果见表2。

独立性检验结果显示，河道渠化率与河湖水面率、河岸硬质率与生态生活岸线占比、小微湿地、口袋公园占比与森林覆盖率、人口绿地耦合度，公园开放度与人均公园绿地面积、排水设施初期雨水收集率与排水管网更新改造率、净水厂处理能力达标率与净水厂建设改造率相关系数均大于0.75，指标间含义重复率较高。从指标数据可获得性、指标利用管理等角度出发，剔除L14、L15、L17、L18、L19、L20、L21这7个指标。城市蓝绿灰空间布局评价指标体系见表3。

表3 城市蓝绿灰空间布局评价指标体系

2.2 评价指标权重设置

采用模糊逻辑法计算各指标权重，权重计算结果见表4。针对城市新区水网构建的蓝绿灰空间布局合理性指标权重结果显示，蓝色空间>灰色空间>绿色空间，蓝色空间等涉水指标在评价过程中起主要限制性作用。

表4 评价指标权重

3 上海临港核心区蓝绿灰空间布局评价及重构建议

3.1 研究区域概况

上海临港新片区成立于2019年，位于上海东南，包含上海大治河以南、金汇港以东以及小洋山岛、浦东国际机场南侧区域。全域面积共873km2，主体部分为大治河以南、金汇港以东地区，面积约819km2。滴水湖核心区面积约72.09km2，位于新片区东南部(如图3(a)所示)，是新片区的中央活动区、国际创新协同区和生活居住区，具有重要的战略地位和生态屏障意义。本研究选择滴水湖核心区为研究对象，区域现状水系尚待建设，河网、湿地、自然洼地等蓝色空间与山体、绿地、公园等绿色空间以及排水管网、闸泵、净水厂等灰色空间格局尚待规划，亟待整合城市蓝绿灰空间，构建区域骨干水网，实现有河有水、有鱼有草、人水和谐的生态环境保护目标。

滴水湖核心片区已基本形成“一湖—四涟—七射”的水网格局，其中滴水湖为“一湖”，“四涟”为春涟河、夏涟河、秋涟河、冬涟河，“七射”包含赤风港、橙和港、黄日港、绿丽港、青祥港、蓝云港、紫飞港，主要河道位置及具体参数如图3(b)所示。滴水湖是南汇新城水系的核心，按照《临港十四五规划》，滴水湖基于城市功能布局和已有的水系格局，综合考虑防洪、排涝、调水等方面的要求构建水系格局。临港新片区现状处于海、河的水敏感区域，水生态环境脆弱，地势低平、骨干河网尚未建成，水系连通性较差，水动力与河道自净能力弱，水生态环境形势严峻，规划后的水系形成较为完整的骨干水系，提高了整体的水系连通性，有利于改善整体区域水生态的抗扰动弹性(如图3(c)所示)。

图3 临港新片区水系图

3.2 评价数据来源

本文评价临港核心区蓝绿灰空间布局评价指标所需数据主要来源于《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二○三五年远景目标的建议》《关于开展河道生态治理试点工作的实施意见(暂行)》《上海市河道生态治理设计指南(试行)》《河湖健康评价指南(试行)》《生态河道评价验收指标体系》《上海市河湖健康评估指南》和临港新片区水系监测断面的多年站点数据。

3.3 评价结果及分析

3.3.1评价结果

临港新片区核心区现状水网与规划水网状态下，城市蓝绿灰空间布局合理性评价结果如图4所示，图中的分值代表目标层的计算结果。该结果以区域内多个典型区蓝绿灰空间评价分值作为依据，通过对整个临港核心区域进行插值计算，合理性结果比例见表5。临港核心区现状水网格局状态下蓝绿灰空间布局评价结果如图4(a)所示，评分处于合理范围以上(E>0.6)的区域面积占总面积的63.7%，中部区域及滴水湖周边合理性评价结果较高，西部区域部分节点评分相对较低，越靠近东部，蓝绿灰空间布局合理性越差。核心区规划水网格局下的蓝绿灰空间布局评价结果如图4(b)所示，评分处于合理范围以上(E>0.6)的区域面积占总面积的71.5%，较构建前区域蓝绿灰空间布局合理性提升7.6%，西部与中部区域基本处于合理范围，东部区域合理性依旧较低。

表5 城市蓝绿灰空间布局合理性结果表

图4 城市蓝绿灰空间布局合理性评价结果

3.3.2结果分析

临港核心区城市蓝绿灰空间布局合理性评价结果显示，核心区空间布局合理性空间异质性较明显，西部及中部地区的合理性明显高于东部区域。临港新片区、东临长江口、南濒杭州湾，处在太湖流域蝶形洼地的边缘，地面高程3.5～4.5m(上海吴淞高程)，全区地势较为平坦，整体上西部高东南低，区域污水、涝水为西引东排之势。西部及中部水源为黄浦江来水，水质好水量足，是核心区主要的人类聚集区与商业区[24- 25]。依托于临港“海派文化”的发展格局，核心区西部与中部在发展进程中注重人—水和谐的发展理念，大力开展城市绿林建设[26- 27]、生态岸线建设[28]、再生水厂[29]建设等工程，极大增加了区域蓝绿灰空间布局合理性与城市水安全等级[30- 32]。区域东部地块尚处于开发建设过程中，因河道开挖、水系构建等工程的影响，河道断点卡扣较多，水体连通性较差；同时东部区域靠近东海、杭州湾区域，受海水倒灌影响，土壤盐度较高，不利于乔木、灌木等植物生长，绿色空间布局较差；此外该区域大多以永久农业区为主，农业种植及灌溉多依赖传统浇灌手段，排水管网、雨污分离设施、集中式污水处理措施等配套工程较缺乏，因此东部区域蓝绿灰空间布局合理性较差。临港核心区水系构建前后城市蓝绿灰空间布局合理性评价对比结果显示，通过疏通区域水网断点卡口，构建区域防洪排涝骨干水网，有利于提升区域蓝绿灰空间布局合理性。与水系构建前相比，通过构建东引河—西引河—北护城3级的引清廊道，有利于增加区域水面率，提升区域水系连通性，增大蓝色空间布局合理性；通过晚上核心区“四涟七射”水网格局，形成分时分区内循环模式，有利于增大区域骨干绿道长度，提升人均公园绿地面积占比，增大绿色空间布局合理性；通过改造与新增区域闸泵站数量与调控能力，依托海绵城市理念[32- 33]，提升区域雨污分流能力，增大灰色空间布局合理性。

3.4 水系重构建议

水系作为城市自然环境的重要因素之一，具有排涝减灾、调节气候、景观文化等众多作用，同时也是城市建设的骨架网络重要组成部分，影响着城市的性质、用地布局乃至发展方向。针对临港新片区面临的蓝绿灰空间布局问题，应以近自然工法为核心，恢复水系自然形态、增大区域水域面积，提升城市水安全保障能力，具体建议为：

(1)水体形态重塑。临港新片区在快速的城市化开发建设中，由于竖向管控不到位，片面追求场地平整，东引河、北护城河、七条射河等河流河道顺直、形态单一，致使河流生境均质化，生物多样性低，生态系统抗扰动弹性脆弱，水环境恶化风险严峻。因此在临港新片区水环境提升中，对于新挖河道或尚在规划的河道，通过适度调整河道蓝线，采用人工修复工程将顺直河道改变为有适度弯曲的连续河湾，增大河道结构的复杂度，使得河流形成主流、支流、河湾、沼泽、急流和浅滩等丰富多样的生境和水力条件，重塑河湖生境与生态空间。对于无法调整河道蓝线的顺直河道，通过对河流驳岸形态和底部构造进行重塑，恢复河流蜿蜒性。

(2)水系动脉重构。临港新片区受开发建设以及行政区划调整的影响，骨干河网格局尚未形成，南汇新城343m2范围内有39条河道涉及断堵点，未按规实施需新开河道39条。区域水系杂乱，连通性差，水体物质、能量、信息交换能力弱，水环境质量低。对区域杂乱无规水系格局进行合理重构，消除断头浜、增大水面率，提升水体交换能力，是提升临港新片区水环境质量的又一重要措施。通过填满难以打通的断头浜，修剪零星水网旁支；通过打通因开发建设造成的河道断堵点、开挖规划河道，形成骨干水系格局；最终通过开挖景观湖置换水面率，将区域杂乱水网、孤立湿地与湖泊进行整合，形成大水面水域的城市“水心脏”，缩短水体停留时间，提升水体置换能力与自净能力，起到向心脏一样的净化污水—释放源水的新型双重水环境治理模式。