城市綠地的滯蓄效應及其空間分布特征
——以沈陽為例

曹曉妍

陳潤卿

石鐵矛*

王 曦

黃 娜

城市化的快速進程引起了劇烈的城市水文效應，城市建設改變了水文過程，下墊面的雨水滯蓄功能被削弱，導致雨水匯流特征改變，地表徑流加大，匯流時間縮短[1-3]。雖然城市地下鋪設了大量的排水管網設施，但低重現期的管網建設標準導致其并不能承受20年一遇，甚至50年一遇的暴雨，最終的局面便是城市面臨嚴重的城市內澇，給市民的出行和人身安全帶來巨大風險[4-6]。

降雨過程一般分為雨頭、雨核、雨尾3個階段，其中植物的截留和水體蒸發自始至終存在于降雨的3個階段，而土壤下滲則在降雨后的一段時間內完成[7]。因此綠地對于雨水的滯蓄由土壤和植被共同完成。對于土壤滯蓄規律的研究主要有20世紀30年代的霍頓下滲曲線和50年代的菲利普下滲曲線[8]。在雨量較小的情況下，土壤下滲的雨水優先被土壤滯留，雨量較大時，土壤由滲潤變成滲透，下滲率逐步達到穩定水流，通過重力自然下滲且下滲量逐步穩定[9]。不同的綠地結構與環境具有不同滯蓄能力。美國有關研究顯示，森林對雨水的截留量因植被種類、葉面積、結構和氣象條件而異；但在連續降雨的情況下，林冠截留將趨近于一個飽和值而不再增加[10]。

城市綠地的滯蓄功能和調節雨洪作用逐漸被重視。通過綠地的土壤蓄水和植被林冠截留調蓄降雨徑流，對于減少雨水徑流的排放、緩解城市內澇具有重要的現實意義。對此，國內外已經進行了大量的研究。Roo[11]提出利用葉面積指數(LAI)推算林冠截留的概念模型，該模型適用與宏觀中觀尺度的綠地林冠截留量估算；馬寧等[12]利用i-tree模型，對樹木截留雨水效應進行評估；王承書等[13]分析了黃土丘陵地區土壤滯蓄能力在極端暴雨下的變化規律；王永超等[14]將土壤進行分類計算蓄水能力，評價了濕地不同土壤水分的盈虧狀況。

但綠地的滯蓄能力與城市內澇關系還有待深入研究[15]，城市綠地最大滯蓄能力是多少？綠地滯蓄效能和潛力的空間分布特征是什么？本文通過計算綠地的滯蓄能力，評價了綠地在特定降雨下滯蓄能力的發揮程度，分析滯蓄效能的空間分布特征和滯蓄潛力的空間集聚特征，從而為城市雨洪管理和內澇防治提供科學依據。

1 研究區域與數據

1.1 研究區概況

研究區劃定為沈陽市三環內的建成區，東北部靠近丘陵地帶，向西南逐漸平坦。截至2018年，沈陽市中心城區常住人口近831.6萬，根據城市規模劃分標準，已屬于特大城市。2016年7月25日、2018年8月6日、2019年8月10—17日沈陽市均出現了罕見強降雨。

1.2 數據來源

綠地中的植被和土壤數據以實測與遙感相結合的方法獲取，樣本數據通過網格法實測獲取(圖1)。一般而言0～20cm的土層屬于對降雨最為敏感、含水量變化較為活躍的活躍層[16-17]。對降雨最為敏感的20cm土層進行取樣，對其進行高溫烘干稱重，可獲得土壤容重數據；結合沈陽市海綿城市規劃文本提供的土壤質地空間分布的基礎資料進行細節優化。將數據對應到空間位置，運用預測效果最佳的空間克里金插值法[18]即可獲取研究區的土壤容重和土壤質地情況。

綠地植被組成數據首先通過NDVI進行綠地斑塊的提取并進行邊界修正，再將樣本綠地的植被組成與影像進行對比，最后將喬、灌、草的影像特征對其他綠地進行目視解譯，便可得出綠地的植被群落組成。沈陽市暴雨事件多集中在8月，且在此期間綠地的植被覆蓋度最佳，便于解譯和反演計算等工作，因此本研究中選取沈陽市2017年8月下旬的清晰無云遙感影像。而降雨和葉面積指數(LAI)是影響林冠截留的重要因素，可用葉面積指數對最大林冠截留進行估算[19]。遙感技術能對任意尺度LAI實現長期連續監測，并且對植物的破壞最小。因此本研究通過遙感方法利用NDVI進一步計算出沈陽市三環范圍的LAI[20]。

圖1 研究區取樣點空間位置

2 研究方法

2.1 滯蓄效能評估

滯蓄效能是一個相對綜合的概念，本文中指在一定降雨條件下，城市綠地滯蓄能力的發揮程度和實際效果。將整個城市滯蓄效能的大小及其分布格局稱為滯蓄效應。滯蓄效能是多個要素按照一定權重進行疊加的結果。在本部分研究中，城市中綠地的綜合滯蓄效能可以表示為：

式中，P為研究區的綜合滯蓄效能；i為滯蓄要素的數量；w為每個要素的權重，pi為每個滯蓄要素的滯蓄能力數值。而從式中可以看出，城市綠地滯蓄效能評估的3個關鍵步驟便是確定降雨前提、確定滯蓄要素、確定要素權重。

首先需要注意的便是降雨條件。相關的雨洪模型表明，降雨是影響各個水文過程的一個重要因素[21]。因此，科學合理地確定降雨條件有利于使評估結果更具備指導意義。在2016年國家住房和城鄉建設部頒布的《室外排水設計規范》(GB 50014—2006)中，明確了沈陽市作為特大城市應對的降雨重現期為50年一遇，對應降雨量71.6mm。

其次是指標的提取。滯蓄效能要素在識別和提取的過程中需要注意的3個重點為：1)各個要素取自雨頭至雨尾的水文過程；2)各個要素能體現滯蓄能力發揮程度；3)要素指標簡潔凝練，避免過于復雜?；谝陨纤悸?，進行要素的識別和提取的效能評估指標見表1。

最后是確定指標權重。本文為避免主觀性對權重合理性的影響采用了熵值法計算權重[22]。

2.2 綠地最大滯蓄量的計算

綠地最大滯蓄量(滯蓄能力)是衡量滯蓄效能的要素之一，也是計算滯蓄能力發揮程度和滯蓄潛力的基礎，因此這里討論綠地滯蓄量的計算方法。從單場暴雨歷時來看，綠地對雨水的滯蓄效應主要體現在填洼、林冠截留和土壤入滲蓄水至飽和。其中，綠地中植被林冠截留隨著降雨量的增加會逐漸趨于飽和且不再增加[23]，土壤也會在孔隙全部填充水分后達到最大持水能力，即飽和含水量[24]。由于研究區域尺度較大，在進行填洼處理時，單個綠地內部小型洼地在該尺度下被忽略，因此，本研究中將綠地最大滯蓄能力限制為0～20cm土層飽和含水量與林冠截留量之和，計算公式為：

式中，S0為綠地最大滯蓄能力(mm)；SV為植被最大截留量(mm)；W0為20cm土壤飽和含水量(mm)。其中土壤飽和含水量計算公式為：

式中，H為土層厚度，200mm；V為土壤總孔隙度(%)；G為土壤容重(g/cm3)；ρ為土壤密度(通常取2.65g/cm3)。

本研究中林冠截留量采用文獻[11，19]中提出的LAI估算大尺度林冠截留量的計算公式：

2.3 單場降雨產流量模擬

水量平衡方程是描述各水文要素之間定量關系的基本公式[25]。沈陽市內澇現象一般發生在短時強降雨后，故本文針對單場暴雨進行研究，其水量平衡關系如式6：

式中，P為一次降雨的降水量；Ia為初損值，即徑流產生之前的截留、填洼、土壤下滲量；F為產流后的降雨損失(此時植被截留作用達到飽和，因此主要為蓄滲量)；Q為徑流量。因此，式7中，P-Q即為某一場降雨過程中的實際滯蓄量。為計算產流量，引入了由美國農業部水土保持局研發的SCS-CN產流模型，并結合沈陽實際情況對其相關參數進行調整優化，模型核心公式為：

式中，Ia近似等于0.2S；S指潛在滯留量。由于該值難以獲取，SCS模型引入了無綱量常數CN值進行間接計算，公式為：

式中，CN為一個綜合反映降雨前流域土地利用類型、土壤類型、土壤前期濕潤狀況等因素的參數，不同類型土地均包含了植被、不透水面及裸土3種下墊面特征，因此對于30m×30m分辨率的柵格數據，可通過混合像元分解的方法可得到每個像元的綜合CN值[26-27]。

式中，A、B、C分別為不透水面、植被、土壤比重(%)，三者之和為1；CN為像元綜合CN值；CNi為不透水面CN值，為98；CNv為植被CN值；CNs為土壤CN值。

植被和土壤的CN值需要土壤類型和濕潤程度來確定。首先，中心城區渾河兩岸地質為渾河高漫灘，土質以砂土為主，滲透性較好，在SCS土壤分類中屬于A類土；其余基本為壤土和黏土，滲透性較差，分別對應B、C和D類土。其次，將綠地類型與影像反演的植被覆蓋度相疊加便可得出不同植被的覆蓋情況。最后，參考Chunlin Li等在對沈陽市產流特征的研究中提出沈陽市的土壤濕潤程度為AMC1，具有5天內降雨較少、土壤干燥等特點，且模擬結果符合沈陽實際情況[28]。因此本研究基于以上條件結合TR-55[29]表中確定了植被CN和土壤CN值如表2所示。

表1 綠地滯蓄效能評價要素指標匯總

表2 AMC1等級CN值[16]

表3 不同城市化進程區內綠地滯蓄量統計

表4 不同城市化進程區土壤數據統計

3 計算結果與分析

3.1 綠地滯蓄能力差異及空間分布特征

經計算得到的綠地滯蓄能力范圍為73.20～127.75mm，占內澇防治標準規定降雨量的101%～160%。對沈陽市而言，滯蓄能力最弱的是喬灌組合和草地。喬木和灌草組合相對較強，實際的喬木林下均會有稀疏的雜草，完全為裸土的情況很少，這可能是由于喬木林滯蓄能力較強的原因；植被覆蓋類型為喬灌草的綠地滯蓄能力最強，這也是由于多年來沈陽市綠地的植被配置增加喬灌草覆蓋的原因，從歷史影像中可以看出，2006年夏季，渾河岸邊的綠地多以草坪為主，喬木覆蓋較少；而2019年夏季，明顯呈現出更加豐富的喬灌草植被群落，并且原有的喬木亦隨著生長，植被覆蓋更佳。

通過對綠地滯蓄能力的統計分析可以得出，土壤和植被能決定不同綠地的滯蓄能力的強弱，但綠地所處的空間位置同樣會通過影響土壤或植被覆蓋來間接對綠地產生影響。從空間分布來看(表3)，研究區綠地滯蓄總量具有以下特點。

1)總滯蓄量由一環向外遞增。

這種差異很大程度是由城市建成度決定的，城市開發建設強度由一環向三環逐漸遞減，因此，三環內的大型綠地的數量要遠大于一環內，內部的喬木較多，植被覆蓋程度更佳；并且一環內的人口聚集程度較高，頻繁的踩踏會導致土壤出現一定程度的壓實、降低土壤蓄滲性能的情況。

2)平均滯蓄量二環內最佳。

但從研究區綠地的平均最大滯蓄能力來看，最外圍的三環反而處在最低的水平。研究分別按照不同城市化進程的區域范圍進行統計。結果表明，雖然二環以外綠地的植被覆蓋較好，葉面積指數較高，但土壤平均容重較低。從各區域不同質地土壤比重統計中得出，一環和二環的土壤類型以沙土為主，且沙土與黏土占比相當接近，而三環內43%黏土占比則是導致其平均容重高于二環以內的主要原因(表4)。因此，可以看出一環內綠地平均滯蓄能力較弱是由于城市建成度高、綠地植被覆蓋度低，以及人類使用導致進而土壤容重較高造成的；而二環外綠地平均滯蓄能力低于二環內是由于不同類型土壤占比發生變化導致滲透性差的黏土占據主導造成的。

3.2 綠地滯蓄效能空間分布特征

將林冠截留量和土壤下滲量疊加后分類，在50年一遇降雨下，滯蓄效能極差區和微弱區基本完全由建設用地及其硬化覆蓋構成，總面積達265.56km2。其中極差區域內包含綠地面積9.34km2；微弱區域包含綠地面積19.38km2。在目前的情況下，這些區域幾乎不具備雨水蓄積的能力。這類區域在產生巨大地表徑流的同時快速地傳遞著地表徑流。使其在很短的時間內匯集到積水中心形成內澇。其次，滯蓄效能中等區則有53%(33.85km2)的灌草地為主導，并夾雜裸地和少量林地，周邊區域存在內澇的情況仍很多見。最后，滯蓄效能良好和顯著的區域則由其余的灌草地和研究區內為數不多的密林和森林公園構成，進而對于整個集水區的防洪防澇都能起到顯著的效果，總面積為42.19km2。這說明在該重現期下，城市中大多數綠地的滯蓄效能處在中等以上的水平，有約28%的綠地效能較差。

將效能評價結果與綠地最大滯蓄能力進行相關性分析，結果表明兩者具有顯著的線性相關性，也就是說，一般而言滯蓄能力越強的綠地，滯蓄效能越好。這也說明，要想提高綠地對暴雨的滯蓄效能，首先需要明確綠地是否具備滯蓄能力，只有自身的滯蓄能力足夠強，才能夠保證降低自身產流、容納更多的外部地表徑流，在內澇防治中發揮顯著的作用。

3.3 沈陽市滯蓄潛力空間聚類與異常值分析

基于建設用地邊界對研究區整體進行滯蓄潛力的分析。結果表明滯蓄潛力的數值具有較強的空間自相關性(Moran I=0.37，P=0.000)，由前述可知沈陽市滯蓄潛力主要對應內部的綠地空間。同時，滯蓄潛力具有低值聚類的空間分布特征(Z=280，P=0)。在此基礎上，對研究進行了聚類與異常值分析。結果如圖2所示，HH值區域主要集中在城市外圍，基本對應了城市外圍成片的農田、林地等區域綠地；LL值區域主要集中在二環以內硬化覆蓋；LH值區域為自身滯蓄潛力較弱但周邊區域滯蓄能力較強的用地；相反，HL值區域為HL區域則代表了城市內部離散的綠地。由于HH值區域與LL值區域有明顯的空間距離，HL值區域往往對降低LL值區域的內澇風險發揮著重要作用，即使周邊的產流量可能會超過自身的負荷。因此，若選擇增加城市內部綠地，降低城市內澇的風險，則可以通過道路水體，構建綠化廊道，銜接HH與HL區域，完善城市的綠化網絡；同時應避免LL與LH區域的銜接，將城市地表徑流引入外圍，發揮外圍綠地的滯蓄作用，尤其是西南片區的公園綠地和區域綠地由于地勢較低可作為重點的雨洪滯蓄區域。

4 城市綠地優化建議

由3.3～3.4的分析可知，城市綠地的布局與優化應從2個方面出發。一是以降低產流為目的優化措施，主要是通過增加綠地在城市比重降低區域的產流量，同時需要注意沈陽市大多數綠地為塊狀，新增綠地應當是以帶狀、分散式的綠地為主，這樣有利于保證每個匯水區綠地率的提升。根據沈陽市總體滯蓄潛力的空間聚類與異常值的分析結果，提出充分利用綠帶二環以外的區域綠地與城市綠地銜接，根據綠地的空間分布形態可規劃4個方向的綠楔或綠帶，形成以基于源頭減排的網狀綠地系統：1)西北向以丁香湖公園為節點；2)西南向以渾河下游兩岸綠地構成的綠帶向內延伸；3)東南向以渾河上游及東南部農田向內延伸；4)東北向以東北部林地為節點，向內延伸至北運河，向外銜接棋盤山。該綠地結構與沈陽市海綿城市專項規劃中的“四楔”框架基本一致。

二是以能力提升的綠地優化措施，主要包括以下幾方面。1)改善內澇點周邊綠地的植物配置，將沈陽市內目前綠地植被組成為“喬草”的大型綠地植被調整為“喬灌草”；將以草地為主的小型綠地調整為“灌草”組合，在因地制宜選擇植物的基礎上盡可能選擇葉面積較大的樹種，既能增加單位面積土地的葉面積，增強林冠截留能力，又有利于改善城市土壤板結壓實的現象。2)定期更換土壤以便增強蓄水能力，由SCS產流模型可知，沙質土壤的蓄水能力要明顯優于黏土，因此對于0～20cm的表層土壤可以通過覆蓋沙質土來保證其良好的滲透性能，保證雨水能夠快速吸收儲存，為植物生長提供水分和養分。3)將現狀便于改造的綠地調整為下凹式綠地或雨水花園，增加綠地額外的蓄水量；內澇點周邊及其他地勢低洼的區域設置綠地，通過自然匯流將徑流引入綠地內部，保證土壤的充分浸潤，發揮最大的滯蓄能力，提升綠地滯蓄效能。

圖2 沈陽市滯蓄潛力空間聚類與異常值分析

研究基于實測與遙感相結合的技術方法估算了沈陽市三環內綠地的滯蓄量為73.20～127.75mm。其數值的大小與綠地的植被覆蓋和土壤類型有關，這也將影響著不同綠地在單場降雨下發揮的實際效能。71.6mm降雨量下不僅所有綠地的滯蓄能力未達到最大，其中25%的綠地還能做到不產生徑流。若現狀綠地的滯蓄能力可以發揮到最大，則可以削減研究區28%的徑流量，能夠有效緩解城市的排水壓力，降低城市內澇風險。由于城市建成區內可用于布置綠地的空間有限，因此新增的綠地應以帶狀為主，銜接城市外圍的區域綠地與城市內部塊狀綠地形成網絡，最后深入內澇點附近緩解內澇。同時可采用更換表層土壤、豐富喬灌草植物群落、設計下沉式綠地等措施來降低對新增綠地面積的需求，提升現狀綠地的滯蓄能力，保證其發揮更佳的效能。

本項研究從總量分析了綠地滯蓄對徑流削減的作用，提出優化城市綠地滯蓄效應的一些思路。而滯蓄是一個復雜的水文過程，由于研究區域尺度較大，沒有結合排水管網和樹種等詳細數據進行從徑流與積水的動態變化去分析積水的形成過程，后續研究將考慮根據不同樹種的滯蓄能力及樹齡增長的林冠截留變化進行森林滯蓄能力研究。

注：文中圖片均由作者繪制。