GIS在城市水土保持规划中的应用

李朋鲁，王 童，朱 文，马士龙

(中水北方勘测设计研究有限责任公司， 天津 300222)

随着城镇化进程的加快，城市水土流失问题日益突出：城市水源污染、土壤肥力下降、洪涝灾害多发、公路及输电通信线路等受到不同程度的危害，给人们生产生活带来不便，严重影响城市生态环境建设，制约城市可持续发展[1]。在新的背景下，急需开展城市水土保持规划，以适应生态发展对城市水土保持的新要求，确保城市功能的发挥，优化城市生态环境系统，为城市化进展和经济发展提供保障。文章以天津市西青区为例，从确定规划目标、借助ArcGIS软件进行水土保持区划，并依据区划成果有针对性地布设水土保持措施三个方面论述如何开展城市水土保持规划工作。

1 城市水土保持规划指标的确定

西青区属于津中部城市群人居环境维护区。其主要需求包括改善城市生态环境质量，综合优化生态、社会、经济功能，保障生态安全，完善城市周边水土保持监测系统建设，强化城镇周边生产建设项目弃渣综合利用和集中管理，城镇绿地系统建设；开展滨河湖植被保护带建设，加强生产建设项目的监管，建设良好宜居环境。结合这一需求，确定强制性和约束性两类控制性指标。将水保部门能单独、直接监管落实情况的指标定为强制性指标，主要包括：水土流失面积治理率、水保方案审批率和生产建设项目弃土弃渣处置率、生产建设项目裸露地表苫盖率等；将水行政主管部门需要与城市其他管理部门协调，联合对城市水土流失治理的指标定为约束性指标，主要包括：再生水利用率、年径流总量控制率达标比例、西青区河道堤防两侧裸地整治率、城市绿地率等[2- 3]。具体规划指标见表1。

表1 西青区水土保持规划主要指标表

2 利用GIS工具分析西青区土地利用和植被覆盖率情况

由于城市地面硬化程度高，且西青区地势平坦，分析下垫面和坡度的意义不大，因此将城市水土保持规划中最基础、最重要的分析处理对象确定为土地利用现状和城市植被覆盖度。通过ArcGIS对现有卫星影像与地图图像的分析，建立城市水土保持图形和空间属性数据库，用数值定量分析水土保持状态和空间分布[4- 6]。以数据库作为信息源，对西青区影响水土流失的各类因子信息进行提取，利用空间分析功能重新整合土地资源数据和植被覆盖度，为水土保持规划提供科学依据。

2.1 土地利用数据处理

借助奥维地图、卫星影像、现场勘查所绘制的土地利用现状图及原有土地利用现状图件等，利用ArcGIS软件对地形图、原有土地利用现状图进行矢量化，对照调查结果修正地块信息，获得最新(2018年数据)的土地利用现状图、现状表，如图1所示，数据详见表2。

图1 西青区2018年土地利用现状图

表2 西青区土地利用现状表

根据土地利用现状图和现状表，西青区总面积为56536.25hm2，其中建设用地占比最大，占总面积的37.38%；其次为林地，占总面积的22.09%，耕地面积占总面积的14.07%。

2.2 归一化植被指数数据处理

标准化植被指数NDVI，是指近红外波段的反射值与红光波段反射值之差与上两者之和的比值，是反映植物长势及植被空间分布密度的重要参数之一。植被覆盖度与NDVI 的关系公式：

f=NDVI-NDVImin/ NDVImax-NDVImin

(1)

式中，NDVImin—无植被覆盖区域NDVI 数值，取像元累积5%处NDVI值；NDVImax—植被覆盖区域NDVI 数值，取像元累积95%处的NDVI值。

计算时考虑地面反射作用造成的NDVI为负值、植被覆盖密度大造成的NDVI大于0等情况，而导致统计出的NDVI中的像元累积百分比与公式(1)定义中的不符，需要剔除负值后重新计算。使用重新计算的结果代入公式(1)中得到地表植被覆盖度。具体步骤如图2所示。

图2 地表植被覆盖度的计算过程

通过以上步骤计算出西青区植被覆盖图，如图3所示，计算结果详见表3。

表3 西青区2018年各级植被覆盖度面积统计及百分比

图3 西青区2018年植被覆盖度图

分析处理后显示，西青区低度(≤30%)植被覆盖占比为43.10%，主要分布在城区，人居密集区域；中度(30%～60%)植被覆盖度占比为28.90%，主要分布在公园绿地、城市郊区耕地区域；高度(>60%)植被覆盖占比为28.00%，主要分布在河道两侧和公共绿地区域。

2.3 西青区水土保持区划成果

在土地利用现状分析评价及植被覆盖度的基础上，根据西青区的地貌特点，将整个西青水土保持区划分为人居环境维护区和生态维护区，如图4所示。

图4 西青区水土保持区划图

3 各防治区措施布设情况

根据水土保持区划有侧重地分别布设措施。

(1)人居环境维护区

本区位于西青区中东部，结合图3可知，该区植被覆盖度总体较低，再根据图1的数据，该区域土地类型主要以城乡建设用地为主。通过实地调查，居民区内尤其是老旧小区，硬化路面多且未采用透水砖，绿化率低；该区域内的交通道路两侧建有排水收集系统和绿化带，但景观带多为高台式绿化，路面汇水很难流入绿化带中；区域内公园绿地旅游区的绿化及灌溉和雨水排水系统较为完善，地表径流控制较好[7- 8]。

所以该区域应以治理水土流失、提高人居环境质量为主，增加居民区绿化指标、改善交通道路区集水现状，具体如下：

①居民生活区：解决居住区楼宇落水管排水的问题：一是在落水管出口处铺设透水砖，并与小区内的地下排水管道相连，减少地表径流；二是利用小区微地形，改造小区内绿地，建成集雨式、下沉式绿地；三是配合天津市级相关建设要求，在新建房屋、旧城改造等区域，建设雨水调蓄水池，收集屋顶及硬化区域雨水，并经处理后，中水利用，减少水资源浪费；四是在小区露天停车场改造成植草砖、透水砖铺装建设成生态停车场；五是分类收集生活垃圾和生活污水；六是西青区有条件的改造小区或新建小区内，注重建筑屋顶改造建成具有集水蓄水功能的绿色屋顶；七是有条件的小区附近可以建设口袋公园。

②交通道路区：结合海绵城市建设条件，非机动车道、人行道雨水控制与利用形式以入渗为主，下凹式立体交叉道路、市区路段道路、郊区公路雨水控制与利用形式以调蓄排放为主，独立的市政工程场站雨水控制与利用形式以收集回用为主，广场应消纳自身雨水，有条件的作为区域雨水调蓄设施。人行道均采用透水性铺装、非机车车道结合道路目标控制需求及目标可实现程度，选择性采用透水性铺装建设。机非隔离带采用下沉式绿地的形式，道牙采用豁口或间隔式道牙的布置形式，孔口长度宜为1m，溢流雨水口布局在下沉式绿地中，溢流雨水口顶部标高应高于绿地50～100mm(如图5所示)。结合中分带设置雨水花园，提高道路景观功能。生物滞留设施的绿地宽度、下凹深度、结构层设置等应综合考虑道路结构、土壤渗透性、植物耐淹性能等因素确定。生物滞留带下沉深度不小于20cm。对人行道栽植的乔木进行树盘的整地工程，树盘采用块石，在树盘内植草或堆置碎石子，以防止水土流失和沙尘暴的发生。

图5 生态树池设置

③其他：该区商业、公共服务办公区布置分散，区内以硬化为主，规划在其不改变原有功能属性的基础上，尽可能地增加绿化措施，改善下垫面，如将商业区周边的露天停车场改造成植草砖、透水砖铺装建设成生态停车场等措施。

(2)生态维护区

本区位于西青区西部和东北部，结合图3可知，该区植被覆盖度总体较高，再根据图3的数据，该区域土地类型主要以耕地、草地和水域及水利用地为主。通过实地调查，该区域近年来生产建设项目集中开发，主要包括房地产、工业园区、郊野公园等，是造成城市水土流失的主要因素，其关注点主要包括三个方面：一是临时堆土、堆料的防护；二是新建项目产生的弃土弃渣处理情况；三是项目建成后排水和植被绿化完成情况。

所以该区域应以预防水土流失为主，重点关注生产建设项目和河道湖泊区的绿化、弃土的处置等问题，具体如下：

①新增生产建设项目：结合西青区新建项目实施情况，加强对新建项目的监督。施工期间完成水土保持措施，尤其是对弃土弃渣去向落实情况进行监督，避免违法乱弃现象的发生，有条件的区域可以设置土方中转站，在小范围内，进行土石方的调配和综合利用。针对工程的临时堆土、堆料问题，可与环境保护部门联合督查防治情况，并制定相应的奖惩措施，确保施工期间临时堆土、堆料的水土流失得到防治。针对以开挖回填为主的管道类项目，伴有土方外弃，如穿越建成区的管道，需综合各部门的规划，将管道工程与基础设施同步设施，尽量采用顶管、拉管等方式施工，减少地表扰动，开挖土方的堆放与外弃应满足相关部门的要求。工程施工期间，需硬化的区域，尽量采用透水砖或植草砖的材质(如在施工营地、人行过道和停车场处)，裸露时间较长的区域采取简易撒播草籽的绿化措施。工程施工经过汛期的，应结合渡汛方案，设置集雨设施，防治雨水对工程的冲刷。

②河道湖泊区：西青区内的主河道和湖泊绿化带结合市级部门规划要求，根据调蓄水位变化选择适应的水生及湿生植物，在绿地内适当增加调蓄、净化径流雨水的设施，如建设湿塘、雨水湿地等，并与城市雨水管渠的水系入口、经过或穿越水系的城市道路的路面排水口相衔接。结合内河景观打造，加强亲水空间打造，增强游憩功能，河道中设置水生植物浮岛等，提高水体净化能力，增强环境景观功能[9- 11]。

4 结语

结合西青区水土保持规划和实际工作经验，笔者认为城市水土保持主要关注控制地表径流、监督生产建设项目和改善生态环境三个方面问题。控制地表径流主要指对下垫面植被覆盖控制；生产建设项目“天地一体化”监管示范工作，可借助GIS平台，将项目扰动状况遥感调查数据进行入库管理，对生产建设项目的空间信息和属性信息进行全面管理[12]；改善生态环境可结合“海绵城市”开展水土保持工作。

总之，科学合理的城市水土保持规划，是开展城市水土保持工作的重要抓手，为城市可持续发展、改善居住环境提供有力保障[13]。希望该研究对其他城市的水土流失治理与预防监督工作有一定指导和借鉴作用。