閩三角城市群洪澇災害風險分區(qū)及規(guī)劃策略探討

王倩雯

曾 堅*

趙廣宇

近年來，中國經(jīng)濟和城市化水平穩(wěn)步提升，經(jīng)濟、人口、資源高度集聚，城市區(qū)域聯(lián)系緊密的城市群將成為帶動我國經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型的“增長極”和區(qū)域發(fā)展的戰(zhàn)略引擎[1]。但隨著全球經(jīng)濟一體化和我國城市化進程的提速換擋，城市群戰(zhàn)略地位大幅提升，其資源流動的強度導致國土開發(fā)壓力增大，區(qū)域生態(tài)服務(wù)能力下降，供給缺口驟增[2]，加上極端天氣事件頻發(fā)，為城市可持續(xù)發(fā)展帶來挑戰(zhàn)。因此，針對城市群城市化特征及災害風險格局的分區(qū)規(guī)劃治理，對實現(xiàn)區(qū)域穩(wěn)定、土地資源可持續(xù)和保障健康安全的人居環(huán)境具有重要意義。

災害風險分區(qū)研究是災害風險防控的決策基礎(chǔ)，2000年以來，我國福州[3]、重慶[4]、杭州[5]、廣州[6]、深圳[7]等地均陸續(xù)展開了洪澇災害綜合風險區(qū)劃工作，但目前針對洪澇災害分區(qū)研究大多基于風險等級評估或災害特性進行，在城市化進程對災害的影響方面存在特定的研究缺口，規(guī)劃防控手段缺乏對城市資源條件和區(qū)域系統(tǒng)性特征的考量。技術(shù)方法上，結(jié)合地理信息、遙感技術(shù)和計量學的地圖代數(shù)功能與綜合指數(shù)法，從氣象學、地理學、環(huán)境學和災害學領(lǐng)域?qū)︼L險進行計算評價，但部分方法數(shù)據(jù)要求苛刻，需要人工干預計算，導致主觀依賴性強[8]，嘗試使用多智能體或機器學習方法對流域洪澇災害風險進行評判和預測成為災害風險評估的新趨勢[9]。但研究尺度相對較小，研究結(jié)論大多停留在以風險得分為主導的風險評價分區(qū)層面，未進行更為深入的空間格局規(guī)律探討，在構(gòu)建地域性流域適災韌性策略時存在局限性。

鑒于此，以資源高度聚集、洪澇災害頻發(fā)、流域“自然-社會”二元水循環(huán)失衡、自然生態(tài)系統(tǒng)供需關(guān)系矛盾突出的閩三角城市群為研究對象，基于多源數(shù)據(jù)構(gòu)建BP(Back-Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對閩三角城市群洪澇災害風險空間格局進行精細化辨識，結(jié)合區(qū)域城市化特征分布，探討城市化與洪澇災害的系統(tǒng)耦合、空間作用和風險主控效應，根據(jù)城市化背景下災害風險的空間分異及內(nèi)在驅(qū)動力對閩三角城市群洪澇災害風險進行分區(qū)規(guī)劃策略探討，旨在擴展神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在自然災害風險防控和平衡生態(tài)系統(tǒng)供需關(guān)系領(lǐng)域的應用，并為保障閩三角地區(qū)國民生命財產(chǎn)及生態(tài)安全可持續(xù)提供科學依據(jù)。

1 區(qū)域概況與研究方法

1.1 區(qū)域概況

閩三角地區(qū)位于中國福建省東南海岸，由廈門市、泉州市和漳州市所轄區(qū)縣構(gòu)成，是中國沿海經(jīng)濟開放區(qū)和正崛起三大特色經(jīng)濟群落之一。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)處理

1)城市化數(shù)據(jù)。

社會經(jīng)濟城市化主要由人口、經(jīng)濟和服務(wù)3類14項代表性指標反映[10-11](表1)，整理閩三角各區(qū)縣2017年相關(guān)數(shù)據(jù)，通過主成分分析法，將各項指標進行降維處理。土地城市化采用通過衛(wèi)星圖像、開放街道地圖、夜間燈光、POI和騰訊社交大數(shù)據(jù)等輔助數(shù)據(jù)計算評估獲得的2010—2017年土地利用數(shù)據(jù)[12]。

表1 社會經(jīng)濟城市化評價指標體系

2)暴雨洪澇災害風險數(shù)據(jù)。

參考前人對洪澇災害風險評價的研究[9，13]及閩三角氣候與水文環(huán)境，構(gòu)建洪澇災害風險“3種關(guān)系-2類特征-20項指標”的評價體系[14]。3種關(guān)系指洪澇災害系統(tǒng)包含的致災因子、孕災環(huán)境和承災體，由于致災因子和孕災環(huán)境多由自然要素決定，而承災體多體現(xiàn)人為因素及災損效應，因此將20項指標分為自然和人為因素主導的風險特征分別進行處理。

1.2.2 主要研究方法

1)閩三角風險格局識別：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)風險識別模型。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法較成熟的一種，是應用于水文預測的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中最有效、最活躍的方法之一[15]，通過平行分散處理模式對源數(shù)據(jù)學習訓練，對誤差進行反向傳播修正，用于對閩三角洪澇災害風險各類特征值進行低誤差辨識[14]。首先，參考已有洪澇災害領(lǐng)域的專項研究、閩三角地域性指標要求、歷史受災事件統(tǒng)計，歸納適用于該地區(qū)的風險閾值區(qū)間作為設(shè)置風險等級初始值的標準之一；其次，“自然間斷點分級法”會在數(shù)據(jù)集差異相對較大的位置設(shè)置邊界，使各類之間的差異最大化[16]，結(jié)合文獻檢索閾值和自然間斷點分級法閾值劃分標準，將災害風險分為5級，Ⅰ～Ⅴ級分別代表風險等級為從安全至危險。以MATLAB軟件中提供的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱為基礎(chǔ)，編制網(wǎng)絡(luò)訓練、測試代碼。根據(jù)經(jīng)驗公式確定隱含層節(jié)點個數(shù)，建立一個隱含層的3層洪澇災害風險分類識別的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。通過誤差反向傳播、權(quán)值和閾值的調(diào)整，縮小網(wǎng)絡(luò)誤差，提升網(wǎng)絡(luò)性能。經(jīng)計算，總準確率為94%，辨識精度較高，網(wǎng)絡(luò)性能良好。

2)系統(tǒng)耦合效應：耦合度測量模型。

城市化過程與洪澇災害存在相互脅迫的耦合關(guān)系，因此參考已有研究成果[17-18]，構(gòu)建用于判斷城市化對洪澇災害風險影響深度和廣度的耦合度測量模型。

3)空間作用效應：空間自相關(guān)模型。

基于Moran'sI指數(shù)判斷閩三角洪澇災害風險的空間自相關(guān)格局，以探究流域風險的空間規(guī)律。

4)風險主控效應：熵權(quán)法。

熵權(quán)法通過評估每項指標的信息熵差異來描述變量的重要程度，用于識別各指標對風險的貢獻。提取綜合風險判斷結(jié)果中為Ⅴ級風險的柵格點，并根據(jù)柵格聚集的區(qū)位條件進行分組計算，以判斷不同區(qū)位條件下高風險區(qū)的主控驅(qū)動因素。

計算過程由于篇幅限制不再贅述。

2 閩三角城市化與洪澇災害風險空間格局分析

2.1 閩三角城市化空間格局

2.1.1 社會經(jīng)濟城市化

社會經(jīng)濟城市化水平用于體現(xiàn)人口和經(jīng)濟聚集情況及城市發(fā)展質(zhì)量。根據(jù)計算結(jié)果中各項主成分負荷較大的因子內(nèi)容，將社會經(jīng)濟城市化歸納為綜合水平、產(chǎn)業(yè)發(fā)展效率、公共服務(wù)能力和城市發(fā)展?jié)摿?個部分。市域尺度上，廈門和泉州社會經(jīng)濟城市化水平領(lǐng)先于漳州；區(qū)縣尺度上，由于城市發(fā)展基礎(chǔ)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展功能不同，中心城區(qū)和部分沿海縣級市的城市化綜合水平明顯高于西部山區(qū)，城市發(fā)展?jié)摿Φ貐^(qū)主要集中在廈門灣區(qū)附近。

2.1.2 土地城市化

土地城市化表達了城市化過程中土地條件和性質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程[19]。研究以2010—2017年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，引入土地利用擴張強度指數(shù)[20]來表征閩三角地區(qū)土地城市化特征。結(jié)果表明，近年用地擴張增量比較集中，主要分布在廈門灣區(qū)和北部沿海地區(qū)，但用地擴張強度分布較為分散，除了分布于晉江和九龍江中下游外，南部沿海部分地區(qū)也屬于擴張高強度區(qū)。

2.2 閩三角洪澇災害風險格局

將自然類和人為類風險結(jié)果進行疊加計算，生成綜合風險空間分布圖。同時，整理1950—2000年歷史文獻中該地區(qū)暴雨洪澇災害的相關(guān)記錄[21]，并隨機選取高風險集中的晉江下游地區(qū)作為驗證節(jié)點，爬取2017年政府網(wǎng)頁、新聞報道、微博文本等相關(guān)受災大數(shù)據(jù)位置信息，通過計算受災點核密度分布情況，驗證風險辨識結(jié)果可靠性(圖1)。結(jié)果顯示，歷史記載受災區(qū)域與本研究識別出的高風險區(qū)位基本一致；災害高頻分布和局部高風險區(qū)災害核密度空間分布情況與風險辨識結(jié)果基本吻合，證明基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風險辨識結(jié)果具有可靠性。綜合風險高值集中在流域中下游和城市濱海灣區(qū)附近，流域上游、山區(qū)和農(nóng)村等城市化水平低的地區(qū)風險較低。

圖1 綜合風險分布及結(jié)果驗證

3 城市化下閩三角洪澇災害風險特征

3.1 系統(tǒng)耦合效應

參考已有研究對耦合度的劃分標準[22]，將本研究系統(tǒng)耦合效應劃分為高耦合型、中高耦合型、中低耦合型和低耦合型。經(jīng)計算，閩三角高風險區(qū)城市化與災害系統(tǒng)耦合效應分別對應3種類型特性(表2)。

表2 災害與城市化系統(tǒng)耦合度類型劃分[22]

3.2 空間作用效應

3.2.1 社會經(jīng)濟城市化對災害空間影響效應

提取綜合城市化水平和城市化潛力結(jié)果，并根據(jù)各區(qū)縣計算得分進行象限分布；將洪澇災害的7個高風險點在象限分布圖中進行標注，發(fā)現(xiàn)高風險區(qū)在社會經(jīng)濟城市化水平上按照城市中心區(qū)-縣級市城區(qū)-縣城區(qū)3類級別規(guī)律分布(圖2)。

圖2 社會經(jīng)濟城市化水平與風險關(guān)系分類

第一類以廈門集美區(qū)和泉州鯉城區(qū)為代表，分布第一象限，城市化水平和城市化潛力均為高值，風險原因是資源高度聚集，城市脆弱性較強，對工程措施依賴；第二類以泉州晉江市、石獅市為代表，分布第二象限，城市化水平高，但城市化潛力為低值，城市化水平提高以犧牲潛力為代價，社會經(jīng)濟資源聚集，脆弱性強，適災力弱；第三類以漳州云霄縣、漳浦縣、詔安縣為代表，分布第、三四象限，城市化水平和城市化潛力均為中低值，高風險原因主要為極端氣候和孕災環(huán)境高風險性的作用，同時也存在空間資源使用粗放、基礎(chǔ)設(shè)施欠賬多的間接原因，導致適災能力弱。

3.2.2 土地城市化對災害空間影響效應

對土地擴張強度指數(shù)和風險值進行雙變量空間自相關(guān)分析，Moran'I為0.145，P值小于0.05，數(shù)據(jù)置信度較高，可見洪澇災害風險與土地擴展指數(shù)存在顯著的聚類和空間正相關(guān)趨勢(圖3)。高-高集聚區(qū)主要分布在晉江入?？?、廈門灣區(qū)、九龍江下游及南部沿海地區(qū)，這些地區(qū)大多為城市建成區(qū)、區(qū)域戰(zhàn)略發(fā)展核心區(qū)，因此，閩三角高度城市化、快速城市化地區(qū)與高風險地區(qū)具有一定重合性。城市化質(zhì)量的提高有助于推進氣候適應性設(shè)計和城市韌性能力提升，從而緩解洪澇災害風險[23]，但從結(jié)果看來，閩三角地區(qū)的城市擴張強度與城市化的質(zhì)量并不匹配。

圖3 土地城市化水平與風險空間自相關(guān)

3.3 風險主控效應

整體貢獻規(guī)律表明(圖4)，自然類指標貢獻率差異較大，降雨強度、地理環(huán)境決定的淹沒范圍和河流緩沖的總貢獻率具有壓倒性強度，其次為地形與地表相關(guān)因素。極端降雨情況貢獻率較小，結(jié)合對極端降雨強度的統(tǒng)計可以看出，極端降雨的強度和頻率雖是閩三角洪澇災害風險的主要來源之一，但在閩三角流域覆蓋范圍廣泛，由該因素決定的不同地區(qū)風險值差異較小。人為類指標貢獻率差異相對較小，貢獻率較為突出的為生態(tài)服務(wù)價值，形成該結(jié)果的原因是高風險點城市化水平均處于中高水平城鎮(zhèn)地區(qū)，災害帶來的風險差異多由城市生態(tài)服務(wù)供給條件決定，以城市非環(huán)境友好產(chǎn)業(yè)與基礎(chǔ)設(shè)施承接的區(qū)域為代表，潛在生態(tài)服務(wù)斑塊與供需網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)濟增長的過程中遭到侵擾破壞[24]，削弱區(qū)域災害韌性調(diào)控能力。

圖4 貢獻率計算結(jié)果

4 城市化下閩三角洪澇災害分區(qū)規(guī)劃應對策略

國際洪澇災害規(guī)劃管理應對策略可歸納為“源頭控制”和“下游控制”2項核心內(nèi)容[25]，將城市空間、防洪工程和綠色基礎(chǔ)設(shè)施等進行有機結(jié)合，在技術(shù)應用層面具有一定普適性和可操作性。但據(jù)前文研究顯示，洪澇災害形成機制復雜，城市化對洪澇災害的影響具有雙向性和空間異質(zhì)性，因此根據(jù)對城市化系統(tǒng)、洪澇災害系統(tǒng)的量化分析及影響效應特征判斷，構(gòu)建閩三角城市群洪澇災害分區(qū)規(guī)劃策略框架(圖5)。

圖5 閩三角城市群洪澇災害分區(qū)規(guī)劃策略框架

4.1 辨異識重：不同分區(qū)的差異化引導

根據(jù)城市化對洪澇災害的作用效應分析，可將閩三角災害高風險區(qū)分為3類，不同分區(qū)的特征決定了規(guī)劃管理措施的重點方向。

1)廈門市集美區(qū)為主的正向作用區(qū)。該區(qū)城市化水平較高，城市化與災害系統(tǒng)耦合特征較為顯著，風險點多為隨機點狀分布，沒有明顯的空間相關(guān)性。區(qū)域內(nèi)主要點狀風險斑塊的產(chǎn)生大多由于局部工程設(shè)施缺陷或經(jīng)濟人口水平高度密集形成的高脆弱性，但高度城市化水平帶來更完備的藍、綠、灰色設(shè)施聯(lián)動體系和精細化的城市布局，對抑制災害風險起到正向作用。由于資源聚集，應以提升城市韌性為重點，通過構(gòu)建完善的智慧監(jiān)測、預警網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的避災設(shè)施，提高城市對災害的適應能力和災害情境下城市運作效率，完成從防洪到洪澇風險管理的轉(zhuǎn)變。

2)漳州和泉州中心城區(qū)為主的雙向作用區(qū)。該區(qū)系統(tǒng)耦合特征水平高，風險空間分布呈現(xiàn)“局部隨機-鄰域集聚”的特征。城市化進程不僅對災害存在抑制性，同時該區(qū)域快速城市化潛在特征也存在加劇災害發(fā)生的風險，是災害防控與城市發(fā)展博弈的敏感區(qū)域。雙向作用區(qū)大多為城市戰(zhàn)略核心發(fā)展區(qū)，而這類區(qū)域往往為發(fā)展?jié)撃芘c災害高風險并存，因此對于此類區(qū)域，應以平衡城市化發(fā)展和風險矛盾為重點，評估災害治理與經(jīng)濟價值的投入成本，合理控制不同風險等級城市空間的容納能力，并將防災減災配套設(shè)施的規(guī)模預測與城市建設(shè)同步進行。

3)漳州泛東山灣的云霄、詔安、漳浦城鎮(zhèn)組團負向作用區(qū)。由于整體城市化水平相對較低，城市空間積聚資源強度與其發(fā)展質(zhì)量不成正比，除自然因素形成的災害外，城市建設(shè)粗放，不連貫的城市防洪減災工程措施和缺失的防洪管理干預不能滿足緩解災害的需求，因此應發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，完善防御工程，將風險管理和流域綜合治理作為城市發(fā)展的有機組成部分和緩解災害的關(guān)鍵工具。

4.2 協(xié)調(diào)銜接：搭建跨城市的綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)和災害風險管理體系

雖然不同城市化水平對災害影響效應存在差異，但是根據(jù)空間作用效應分析結(jié)果來看，災害并不完全由獨立的局部條件決定，而是由一定范圍內(nèi)系統(tǒng)性影響造成，而這種影響并非以剛性的行政邊界為界限。目前，大多洪澇災害防控規(guī)劃以行政界限為規(guī)劃單位進行組織，缺乏系統(tǒng)性思維和區(qū)域管理有機融合，制約災害防控規(guī)劃措施能效發(fā)揮。因此，合理的規(guī)劃單元制定和有效的合作機制意義重大。

根據(jù)災害風險特征和效應分析結(jié)果，災害防控規(guī)劃應進行“城市群(城市化維度)流域(洪澇災害維度)區(qū)級”調(diào)整，加強“交互式”治理，研究跨城市的適災韌性綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)和防災功能布局的協(xié)作分工模式。結(jié)合閩三角地區(qū)山海資源豐富、社會資源集中的特點，綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)應集成區(qū)域生態(tài)通道(生態(tài)因素)和潛在疏散通道(社會因素)進行搭建：使生態(tài)屬性和社會屬性的集成網(wǎng)絡(luò)作為兼顧防災和疏散的高效資源，并根據(jù)不同尺度的防災重點進行，使以行政區(qū)劃為防災單元的“局域網(wǎng)”轉(zhuǎn)型為以流域為單元的“萬維網(wǎng)”。

4.3 博弈權(quán)衡：強化主動與被動結(jié)合的“生態(tài)-社會”平衡機制

從風險主控效應計算結(jié)果來看，閩三角地區(qū)高風險主控因子主要分為3類：1)地理和氣候條件；2)地表覆蓋條件；3)經(jīng)濟發(fā)展水平。第一類和第二類反映了城市化過程的主動性選擇，即人類社會活動對抗自然力的能力；第三類反映了被動性選擇，即社會經(jīng)濟資源條件暴露在災害中的脆弱性。緩解城市洪澇災害風險從一定程度上是對這主動性和被動性的權(quán)衡決策?；诜治?，構(gòu)建災害和社會經(jīng)濟適應性類型體系，不同類型災害防控系統(tǒng)由自然條件和社會經(jīng)濟需求間的聯(lián)系來介導。

生態(tài)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)都有充足轉(zhuǎn)型機會的有2種類型：對于社會經(jīng)濟資源充足、災害風險體系相對完備的正向作用區(qū)，自然條件的干擾是城市韌性變革的機遇。在這種干擾下，應將生態(tài)系統(tǒng)作為城市韌性的實體，加強居民物質(zhì)需求和自然資源的互動融合，優(yōu)化城市空間形態(tài)，構(gòu)建適應未來氣候的城市-生態(tài)協(xié)調(diào)群落；對于社會系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施較弱、適應氣候變化能力缺乏、城市化進程后滯的負向作用區(qū)，應針對災害防控工作的痛點，采取“監(jiān)測、評估、標準、規(guī)劃”的工作鏈條，制定標準、系統(tǒng)規(guī)劃、分期實施，保證建成區(qū)的災害適應性能力，避免由于建設(shè)時序不同而導致城市災害適應力不均衡，以及因自然資源破碎、分配不均造成整體風險防控效率下降。在社會經(jīng)濟適應力弱、轉(zhuǎn)型條件不完備，且自然條件對城市發(fā)展具有高風險性(即“破壞性生態(tài)”)的類型，如雙向作用區(qū)，除了立足灣區(qū)戰(zhàn)略目標、完善基礎(chǔ)設(shè)施框架之外，還需要根據(jù)災害條件移動社區(qū)子集、評估城市擴張選址的經(jīng)濟效益，進行重大的主動性治理變更。

5 結(jié)語

城市化進程是引發(fā)災害的重要人為擾動之一，如何在滿足城市發(fā)展的需求下有效提高城市防災減災措施的效率，形成可持續(xù)的“城水共存”是城市規(guī)劃模式研究的重要議題[26]。研究通過識別區(qū)域城市化與災害風險空間分布格局及城市化進程中的災害響應，對閩三角地區(qū)洪澇災害風險特征進行系統(tǒng)辨異，根據(jù)分析框架指導區(qū)域及不同分區(qū)的災害風險規(guī)劃管理決策，保障區(qū)域災害風險治理效率及城市群穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展。但是，對于區(qū)域適災韌性的構(gòu)建不可缺少對城市維度、社區(qū)維度及基礎(chǔ)設(shè)施維度等工程或非工程舉措的考量，如何構(gòu)建“宏觀-中觀-微觀”全尺度的災害治理規(guī)劃響應機制，仍需要進一步探討。

注：文中圖片均由作者繪制。