海绵城市建设的三大途径即保护与修复、整治与改造及低影响开发^[1], 对于生态环境敏感性及脆弱性较强的城市, 尤其强调对城市自然生态本底的保护与修复。本规划将基于现状因素和规划因素, 既考虑城市自然生态系统本身的敏感性和其生态功能的差异, 也关注相关规划给海绵城市建设带来的机遇和挑战, 通过单因子和综合分析科学地判别适宜海绵城市建设的发展空间, 将城市划分为海绵保育区、缓冲区与建设区, 为生态与环境保护规划、海绵城市空间决策、土地利用规划和专项系统规划提供引导。

　　 海绵城市建设适宜性评价是指引海绵城市建设方式的重要依据。综合建设适宜指数 (CSI, Comprehensive Construction Suitability Index) 是融入海绵理念和生态要素的城市建设适宜性综合指标^[2,3], 评价结果可确定不可建设, 需要进行生态保护和修复的用地;不宜建设, 需要进行限制建设, 并进行一定生态、植被要素植入的用地;可开发建设, 需结合海绵设施, 采取低影响开发模式的用地。在此基础上合理选择海绵城市建设的方式, 同时为大型公共海绵设施包括湿地、水保涵养林、防护林带等绿色设施和截洪沟等灰色设施的布局提供重要依据, 有助于保育城市的自然生态本底, 规避自然灾害和工程灾害, 维持城市开发前的水文条件, 保护水生态、改善水环境、涵养水资源、保障水安全。

　　 宜昌市位于江汉平原向鄂西山区的过渡地带、长江中上游结合部的西陵峡畔, 三峡库区尾端, 素以“三峡门户、川鄂咽喉”著称;其地处亚热带北部, 气候温和、光照充足、雨量充沛, 全年湿度较高;地质构造上属江汉平原沉降带单斜凹陷的西缘, 地质构成复杂, 水土流失、滑坡、泥石流等地质灾害多发。

　　 本次研究区域为宜昌市中心城区, 总面积2 849 km², 区内地形复杂, 地势西北高, 东南低, 呈西北向东南梯级倾斜下降, 高度相差悬殊, 形成山地、丘陵、河谷等多种地貌。城区依山面水, 虽然生态本底优良、资源丰富, 但由于其特殊的地理位置、气候条件、地质构造和地形地貌造成其生态环境敏感性及脆弱性, 生态系统和水环境极易遭到破坏, 难以修复。对于该区域, 通过合理的分层次构建“大、中、小海绵体”, 对城市及外围生态本底进行保护与修复, 对敏感性及脆弱性较高的缓冲区进行限制开发是其海绵城市建设的主要途径。

　　 宜昌多年平均降水量1 136.6 mm, 降雨特征可总结为:四季分明、雨热同季、降水资源丰富、夏季暴雨集中、降水年内分布不均。其短历时降雨特征尤为明显, 设计暴雨雨型雨峰位置基本处于甚至超前整场降雨过程的1/3分位, 雨峰靠前, 短历时降雨雨型表现为“单峰形、速度快、高强度、持续久”, 短历时强降雨频发, 洪峰快, 强度大。

　　 宜昌市生态资源丰富, 城中绿化覆盖率极高, 中心城区以“山、水、林、田”4类自然要素为主要生态基底, “湖、湿地”两类为次要自然要素, 其中山体面积占比68.73%。森林覆盖率达到65.7%, 同时还分布有大量的自然保护区、水源涵养区、风景名胜区等10类生态红线功能区, 其面积占比达到中心城区总面积约43%。丰富的生态板块及廊道构建了大面积生态结构网络, 可对雨水进行吸存利用, 其优良的生态基质已经成为了宜昌市的“海绵骨架”。

　　 宜昌市的水系结构以江河沟渠和水库湖泊为主, 水系资源丰富, 中心城区水面率约3.93%。城区河流以长江干流为主脉, 分布有清江、黄柏河、运河、桥边河、柏临河、玛瑙河、善溪冲六大水系, 还形成大量中小河流和沟渠, 河流多、密度大、水量丰富, 河网密度达到0.24 km/km²。此外, 由于地形原因, 宜昌市湖库密布, 仅中心城区共有水库123座, 其中大型水库5座, 中型水库14座、小型水库104座, 闻名中外的“三峡”“葛洲坝”均位于宜昌市中心城区, 调蓄能力强, 对长江中下游都发挥巨大的防洪效益。

　　 宜昌市是我国生态中度脆弱向重度脆弱的过渡带, 生态环境敏感性及脆弱性特征突出, 自然灾害及地质灾害风险一直是全市防灾工作关注的重点。而近年来由于三峡工程蓄水后, 水位攀升导致流速减缓水体自净能力下降, 再者宜昌地形复杂, 水体连通性差, 生态敏感性高, 导致水生态恶化的风险加剧。

　　 生态系统和水系都是城市的天然“大海绵体”, 依托海绵城市建设, 利用天然的生态基底构建大海绵系统, 加强对大海绵体的保育工作, 是海绵城市生态系统建设的首要目标。不仅对雨洪控制发挥巨大作用, 同时可增加城市绿化覆盖率, 构建城市生态格局。

　　 宜昌是一座典型的山丘城市, 市内冲沟纵横。由于水系发达, 湖库密布, 水体调蓄能力大, 城市雨水排水和天然沟壑、湖塘共同形成雨水蓄排体系, 缓解了城区高强度雨洪排水的压力。但在城郊山体缓冲地带, 由于雨水产汇流程短, 汇流快, 雨峰靠前, 雨型急促, 降雨历时短, 短时形成暴雨或强降雨, 特别在宜昌东北部地区, 由于坡度较陡造成雨水高速下泄, 形成山洪。再加上近年来山体植被屡屡被破坏, 降低了植被对降雨的滞蓄作用, 雨水很快汇流到城区, 水量集中流速大、冲刷破坏力强, 水流中挟带泥沙甚至石块, 常造成局部性洪灾。

　　 依托海绵城市建设, 采用工程措施和非工程措施结合的方式, 在城郊和城中的山体缓冲区建设防护林带, 增加植被覆盖率, 减少裸露边坡和山体, 以增强植被对降雨和径流的滞蓄作用;同时在缓冲区布局截洪沟, 整治山洪沟, 拦截和疏导山洪, 是防治山洪最有效的工程措施。

　　 宜昌市大部分辖区依山面水, 建在山地与河流的交界地带, 其降雨充沛, 汛期多暴雨, 遇到较大降雨时水位涨落变化大, 对河段发生明显冲刷, 而除部分边坡硬化外, 其余大部分为土质边坡, 抗冲刷能力弱岸坡表面剥离, 岸线逐步后退引发水土侵蚀。再加上三峡水库蓄水后, 泄洪期间清水下泄, 更加大对岸坡的冲刷。根据2012年全市水利普查成果, 宜昌市中心城区水土流失总面积占土地总面积的29.8%, 水土流失类型大部分为水蚀。此外, 由于地质问题和裸露边坡的存在, 城郊山区的滑坡、泥石流等重力侵蚀现象也普遍存在。

　　 河流两岸和城郊山体往往是水土流失的重点防治区域, 通过海绵建设, 划定海绵缓冲区范围, 包括河流缓冲区、山体缓冲区和建设植被缓冲林带、水保涵养林, 增加城市绿化覆盖率, 在保持水土的同时, 增加城市的山水格局景观特色。

　　 为了切合“生态优先”这一规划策略, 研究采用GIS在宏观层面对整个规划范围的生态敏感性进行量化评估, 在适宜性评价中要非常重视技术方法的选择, 这样不仅能高效地得出评价结果, 还能确保评价结果更加科学、合理。海绵城市建设适宜性评价可以看作是一组变量按照一定规则组合后形成的新的评价等级, 根据变量组合规则可以分为:等级组合法、因子加权法、复合标准法、回归法、启发式逻辑规则组合法、逐步叠加评价法等手段。本研究以因子加权法为基本模型, 先后通过单因子研究和多因子综合研究揭示用地的建设适宜性格局。

　　 本次宜昌市海绵城市建设适宜性评价主要以ArcGIS为操作平台, 以海绵城市建设条件为基础, 并采用定性与定量相结合的适宜性分类法, 即根据评价单元的各属性, 分析其适应状况, 较为合理地评定原有用地在各个层面对开发海绵城市功能的适宜程度。海绵城市建设适宜性评价先对单因子分别赋值, 再通过复合评价划定建设适宜性分区;并根据海绵城市理念引入特定的单因子指标和评价方案 (选取高程、坡度、汇流量、低洼地、水域缓冲区、农林地、水源涵养、土壤侵蚀、保护区等9个因子) ^[4,5,6], 以此作为多因子复合评价的基础。复合评价采用适宜性指数法, 鉴于有些单因子区域对评价结论有特殊的决定作用, 将这类指标作为“刚性因子”^[7], 并设计综合适宜指数算法, 据此得出海绵城市建设适宜性及其分区。

　　 在单因子评价中, 为了消除由于指标单位和数量级的差异给评价工作带来的不便, 本研究对得出的单因子指标结果 (指标值) V做无量纲化, 得出归一化的指标值V_n, 归一化公式见式 (1) :

　　 $V{}_n=\frac{V-V{}_{\min }}{V{}_{\max }-V{}_{\min }}(1)$

　　 式中V_min——对相应评价目标适宜性最低的取值;

　　 V_max ——对相应评价目标适宜性最高的取值。

　　 在得出归一化的指标值V_n后, 将结果乘以10。由此对于每一个单因子而言, 最适宜情况得10分, 最不适宜情况得0分。

　　 在多因子复合评价中, 采用“适宜性指数法” (属于相对定量的综合分析法) 来分析、评定每一栅格单元的单因子和多因子指标值。为了从整体上对区域宜建地的适宜程度等级给出相对合理的综合评定, 本规划采取综合性评价指标——综合建设适宜指数 (f_CSI) , 其测算方法见式 (2) :

　　 f_CSI=max${\displaystyle \sum _{m=1}^{{\rm M}}[}i(0,10){}_m\cdot w{}_m],{\rm I}\{10\}{}_{j1},$

　　 I{10}_j2, …, I{10}_jn (2)

　　 式中 i——具有特定取值集合的弹性因子 (包含高程、坡度、汇流量、低洼地、水域缓冲区、农林地、土壤侵蚀、水源涵养、保护区九个因子的所有赋值区) ;

　　 I ——具有特定取值集合的刚性因子值 (包含低洼地、水域缓冲区、保护区的最有利区域) 。

　　 由于各评价指标对系统的影响程度不同, 因此在对系统进行综合评价时包括了指标权重值$w({\displaystyle \sum _{m=1}^{{\rm M}}w{}_m=1})$, 本规划采用层次分析法结合专家咨询来确定单因子间的权重系数^[7,8,9]。在对各因子进行加权分析后, 最终得到的f_CSI越高, 海绵城市建设适宜性越高;再根据相关实施经验来划定海绵城市建设适宜性分区。

　　 针对海绵城市理念, 根据研究区域基础条件、建设需求分析、目标与指标要求, 引入与水资源、水安全、水环境、水生态等保护目标有关的5大影响因素, 包括雨洪汇流量、淹没潜在风险、水体缓冲能力、水源涵养指标及水土流失与水系统相关的特定因子指标, 为传统的生态敏感性评价提供重要补充, 单评价因子及评价依据见表1, 赋值情况说明如下。

　　 海绵城市要求通过源头控制削减暴雨径流并净化初期雨水, 减轻地下系统负荷, 为此应在汇流量大处强化地上设施渗、净功能, 加强雨水的综合管控^[3]。本研究以地形的排水方向确定汇流量, 汇流量越大, 越适合布局海绵设施, 越要保留原始下垫面的关键过程, 海绵城市建设适宜性得分越高。

　　 海绵城市要求降低超标降雨时期的城市内涝风险, 地势越低洼, 淹没风险越高, 为此应避免开发建设集聚在地势低洼处。本研究以地形排水方向以及子流域最高水位确定低洼地;在溢满状态下集水盆地最高水位超过实际高程处潜在涝淹风险较大, 海绵城市建设适宜性得分较高;在排水流向确定的各子流域集水区域内, 海绵城市建设适宜性得分最高。

　　 海绵城市要求开发建设维护原有水环境和水生态系统。水体不仅是雨洪的行泄通道, 更是重要的调蓄体, 水体岸线亦是径流净化的重要场所。为识别重要水系周边潜在的生态安全格局, 将根据上位规划的蓝线范围^[11];距离现状水体距离越小, 基于环境功能的保护要求和敏感性越高, 评价得分越高;在规划蓝线范围之内, 海绵城市建设适宜性得分最高。

　　 海绵城市要求加强规划区水土保持, 防治土壤侵蚀。为定量化区域土壤侵蚀的敏感程度, 综合考虑大系统内部时空要素的互动过程和格局, 本研究参考了相关研究报告的部分成果, “极敏感”区域、“敏感”区域、“较敏感”区域、“不敏感”区域的土壤侵蚀潜力依次减小, 布局源头防护设施的意义依次减小, 海绵城市建设适宜性得分依次降低。

　　 海绵城市要求保障现有可用水源水质, 以维护现有的水资源和水环境。为定量化区域水源涵养的敏感程度, 本研究参考了相关研究报告《宜昌市环境总体规划 (2013-2030年) 》^[12]中的部分成果, “极敏感”区域、“敏感”区域、“较敏感”区域、“不敏感”区域的水源涵养需求依次减小, 布局源头净化功能的意义依次减小, 海绵城市建设适宜性得分依次降低。

　　 此外再根据研究区域生态本底情况以及生态系统实际情况和数据的可获取性, 选取与生态敏感性相关的传统评价因子, 包括高程、坡度、农林地、保护区, 评价因子及评价依据见表2, 具体赋值情况如下。

　　 本研究以像元的绝对高程值大小来进行单因子评分——如果某像元的绝度高程值越大, 表示其所处地区基于地理风险的建设难度和可行性越低, 人工建设条件越弱, 海绵城市建设适宜性得分越高。

　　 本研究以像元的坡度值大小来进行单因子评分——如果某像元的坡度值越大, 表示其所处地区基于地理风险的建设难度和可行性越低, 人工建设条件越弱, 海绵城市建设适宜性得分越高。

　　 本研究以像元的原始特性是否属于林地、园地、耕地和牧草地、其他用地来进行单因子评分, 林地、园地、耕地和牧草地、其他用地所在区域对海绵城市要素的重要性依次减小, 海绵城市建设适宜性得分依次降低。

　　 为定量化区域生态系统的敏感程度, 综合考虑大系统内部时空要素的互动过程和格局, 本研究参考了《宜昌市环境总体规划 (2013-2030年) 》中的部分成果, 根据饮用水源保护区、自然保护区、基本农田集中区等对于发挥海绵城市功能的意义和作用进行重要度区分, 得出饮用水源保护区、自然保护区、基本农田集中区、其余地区对海绵城市建设的重要性依次减小, 海绵城市建设适宜性得分依次降低。

　　 从定量化的角度, 适宜性评价可以看作是一组变量按照一定规则组合后形成的新的评价等级。考虑到所选的9大因子的某些分值对综合评价结论存在特殊的决定作用, 使综合评价结果独立于各因子叠加计算后的得分, 本研究在多因子综合评价阶段选取一些因子的部分分值定为刚性指标, 优先于各因子的叠加计算^[7];其中, 不论其他因子如何改变, 淹没潜在风险、水体缓冲能力、保护区的10分区域都将无条件地成为海绵城市最适宜建设区, 故将淹没潜在风险、水体缓冲能力、保护区的最有利区域作为综合评价的刚性因子, 其余因子的各得分作为弹性因子, 根据相加权重确定研究范围的CSI格局, 见图1。

　　 本研究在各因子叠加计算中, 通过组织专家对各因子权重进行赋值或打分, 并通过反馈概率估算结果后, 由专家对各因子权重进行第二轮、第三轮打分, 使分散的赋值逐渐收敛, 最后得到较为协调一致的各因子权重值, 如表3所示。

　　 根据上述刚性因子的选择和弹性因子的权重, 构建如下多因子综合评价体系, 见表4。

　　 根据权重叠加的结果, 连续性栅格数据显示了在研究范围内, 建设适宜性较高的区域呈现出“一区、两带、多轴线”的格局, 这种层次结构将作为引导海绵城市建设生态保护与修复空间结构总图。

　　 “一区”:主要分布在点军区西侧和北侧、土城乡、三斗坪和三峡坝区南侧, 以丘陵地貌为主, 绵延地占据了规划范围西北面, 约占规划范围总面积的25%, 是发展海绵城市的核心地区。

　　 在上述核心区的南面和东面, 另分布有“两带”:其中一带贯穿联棚乡、艾家镇、红花套等地, 以未开发的山岗丘陵为主, 另一带贯穿伍家岗区西侧、龙泉镇等地, 一些位于开发区边缘, 水网、植被普遍较为丰富。

　　 除了上述明显的区域和条带外, 还有一些零散的“多轴线”贯穿全域, 这些轴线多以河流、植被带等生态要素集聚条带为主。例如, 石板水库-官庄水库、柏临河沿岸、玛瑙河沿岸、蒋家冲-板门溪。

　　 为基于CSI的数值划定海绵城市建设适宜性分区, 本研究以空间拓补关系为基本原则 (根据海绵城市重点建设区必须空间上包含现状某重要海绵城市设施的准则, 选出满足该准则的最小区域) , 挑选出涵盖90%原始林地 (植被) 区域为海绵城市建设保育区, 涵盖90%现状建设的区域为海绵城市建设开发区, 剩余区域为海绵城市建设缓冲区, 见图2。根据划分结果, 海绵城市建设保育区、海绵城市建设缓冲区、海绵城市建设开发区分别占到规划范围面积的52.89%、22.39%、24.72%, 见表5。

　　 根据海绵保育区、海绵城缓冲区、海绵开发区的现状条件和规划目标, 本规划提出了各分区对应的建设方式和建设措施, 为规划范围内的海绵城市设施布局和实施提供前期引导。

　　 (1) 以三峡库区宜昌市中心城区为研究对象, 选取雨洪汇流量、淹没潜在风险等与水系统相关的特定因子指标及高程、坡度等常规因子共9个因子建立建设适宜性评价指标体系, 基于GIS的栅格数据模型, 采用因子加权法先后通过单因子研究和多因子综合研究开展海绵城市建设适宜性评价, 确定研究范围的CSI格局。结果表明研究范围内建设适宜性较高的区域呈现出“一区、两带、多轴线”的总体格局。

　　 (2) 在评价指标体系建立过程中, 本研究主要是依据研究范围内海绵基础分析和建设需求分析结果选取评价因子, 其赋值需考虑原有用地在各个层面对海绵功能和生态功能的适宜程度, 最适宜情况得10分, 最不适宜情况得0分。多因子综合评价过程中选取一些因子的部分分值定为刚性指标, 优先于各因子的叠加计算, 包括低洼地、水域缓冲区、保护区3个刚性因子, 其余因子得分作为弹性因子进行综合评价。

　　 (3) 基于CSI数值, 以空间拓补关系为基本原则划定海绵城市建设适宜性分区, 将研究区域划分为海绵保育区、海绵缓冲区和海绵开发区, 其规划面积占比分别为52.89%、22.39%、24.72%。本研究根据宜昌生态保护与修复的需求、海绵城市建设目标, 提出了各分区对应的建设方式和建设措施, 为规划范围内的海绵城市设施的布局和实施提供前期引导。