基于生態系統服務空間流的洪澇調節服務需求制圖與生態空間優先級識別

申佳可

彭震偉

王云才*

1 研究背景

1.1 城市洪澇使生態空間的洪澇調節優先級識別成為必要

城市化和工業化進程擾亂了原有自然水文循環過程，為快速城市化地區帶來了嚴重的城市洪澇災害[1]。當前，洪澇問題已成為困擾中國城市生態安全的燃眉之急。充分了解來自城市建設空間的洪澇調節需求給生態空間帶來的壓力與要求，有助于識別快速城市化地區現有生態空間的保護優先級，明確調節洪澇風險的關鍵區，從而有效增強城市面對洪澇風險的韌性。

1.2 洪澇調節服務供需空間分離阻礙洪澇調節優先空間識別

在人口密集的建成區內部，藍綠基礎設施的服務供給能力與位于城市周邊的生態空間相比微乎其微[2]。這導致集中產生人類洪澇調節需求的建成區，與分布于建成區外圍提供大部分洪澇調節服務的生態空間存在空間的錯配。現有對于生態系統服務需求的評價與制圖，往往關注于需求在人口密集的建成區內的分布。但是僅在建成區內對生態系統服務需求進行制圖，無法直接生成對城市郊區的生態空間提供相應服務總量與布局的參考[3]。這也為識別快速城市化地區生態空間中應對人類需求的優先級與關鍵區帶來了技術困境。

1.3 生態系統服務空間流是向生態空間分配服務需求的關鍵

“生態系統服務交付鏈”理論認為，完整的生態系統服務傳輸與交付過程發生于服務供給區、服務需求區及連接2個區域的生態系統服務空間流(以下簡稱“空間流”)當中[4]。正是依賴于空間流，商品和服務才得以從供給區運送到與之不相鄰的需求區[5]。但目前仍缺乏對空間流具象與可視化的研究[6]，現有大多數對空間流的制圖和機制的表述通常停留在概念層面[7]。

為了將來自建設空間的洪澇調節服務需求反映在相應生態空間中，從而了解哪些生態空間因為被投射了較高服務需求而承受更大的生態壓力并需要承擔更多生態責任，并將這些生態空間識別為應對人類洪澇調節服務需求的優先空間進行保護與修復，本文提出一種對洪澇調節服務需求進行制圖的新技術：基于空間流多維指標集，解構并量化空間流傳輸洪澇調節服務的過程，從而將來自建設空間的服務需求以空間顯式方式分配并投射至生態空間中，揭示現有生態空間體系在總量和分布兩方面對洪澇調節服務需求的響應，并識別其中的高需求區為滿足洪澇調節服務需求的優先空間，以對其進行重點調控與保護。

2 研究邏輯與方法框架

本文將快速城市化地區的建設空間識別為服務需求直接產生并輸出的源(圖1-模塊A)；將發揮主導生態功能的生態空間識別為需求傳輸終點和通過提供服務使所有需求被滿足的匯(圖1-模塊B)。基于生態系統服務交付鏈理論(圖1-模塊C)，假設生態系統服務需求同樣可以依賴于空間流由產生需求的源(建設空間)向需求被滿足的匯(生態空間)的運動，被分配并投射至周邊相應生態空間中，并通過生態空間類型及生態空間內需求的總量和分布，反映人類社會的服務需求對現有生態空間體系的要求水平，并以此表征生態空間在防洪調蓄方面的優先級：投射的服務需求水平越高，生態空間的洪澇調節責任和面臨的洪澇風險越大，其保護與修復的優先級也應越高。

為了具象化描述并定量化評價服務需求借助空間流從模塊A到模塊B的機制與過程，本文構建了用以描述和表征空間流特征的多維指標集(圖1-模塊D)：流量、流邊界、流方向和分配原則與修正因子。流量是描述空間流最基礎的特征指標；一些依賴空間流的服務需求的滿足存在空間限制[3]，只有在特定區域內，來自受益區的服務需求才有可能被分配至供給區；方向性是空間流的重要特征，描述了空間流從某個服務受益區出發向特定的某個或多個服務供給區分配需求的過程；服務需求的總量在分配過程中表現出特定模式，如按面積比例分配或沿距離衰減[8]，且在此過程中受到相關因素的綜合影響。

圖1 研究邏輯與方法框架

本文認為，由以上4個多維指標形成的指標集對空間流傳輸與交付生態系統服務的過程有重要影響，也表征了空間流在不同維度上的特征和關鍵信息。為了實現借助空間流將服務需求從建設空間向生態空間進行空間分配和投射的復雜過程，需要將對空間流特征指標的量化分解為具體實施過程中的4個環節分步進行，并分別用每個環節表征一個維度上的特征指標，從而生成對服務需求進行分配和投射的技術路徑。

3 研究區域與數據來源

3.1 研究區域概況

研究區域蘇州、嘉興、湖州環太湖東岸分布(圖2)，研究范圍包括3座城市的中心城區、城市邊緣區和鄉村地區，總面積18 221km2，常住人口1 831萬。作為緊鄰大上海都市圈的快速城市化區域，3座城市在人口、經濟活動、生態完整性、交通基礎設施等方面聯系密切，形成了一個巨大的共城市化地區[9]，即蘇嘉湖地區。在2000—2015年的15年間，該地區建設用地總計增加2 174.8km2[10]。

圖2 研究區域區位地圖及土地利用類型劃分圖

伴隨高強度土地開發和不斷提高的城鎮化水平，蘇嘉湖地區建成區內的生態空間大量喪失；而現有生態空間大多位于建成區外部的城市邊緣區及鄉村地區，服務供給區與受益區的空間分離現象明顯。此外，蘇嘉湖地區所處太湖流域洪澇災害頻發，20世紀曾發生10余次重大洪水災害，洪水面積超過39 103km2[11]。盡管近年來太湖流域水系已得到改善，但生態空間的喪失和不透水地面的增加，以及其所處流域洪澇災害和極端天氣頻發的特征，使蘇嘉湖地區面臨愈發嚴重的洪澇風險。選擇這一區域對洪澇調節服務需求進行分配與制圖，有助于明確快速城市化背景下人類社會對洪澇調節服務的需求在現有生態空間體系中的分布特征，這關系到該地區人民最核心的安全與保障需求，也對于高效管理發展中國家大城市周邊共城市化地區的生態資源，并有效應對洪澇災害風險有重要意義。

3.2 數據來源與處理

利用6個數據集(表1)計算蘇嘉湖地區建設空間的洪澇調節服務需求，并向生態空間分配服務需求。所有空間數據均來自2015年，且采用ArcGIS 10.3按照15m×15m的精確度處理。參考由自然資源部組織修訂的國家標準《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2017)，并結合蘇嘉湖地區土地利用特點和遙感信息的可判性，識別研究區域建成區內的建設空間，包括城鎮用地、交通用地和工業用地3類。農村居民點用地由于數量多、規模大，且分布于廣闊的腹地，暫未在本文中考慮。識別研究區域的生態空間，將其細分為林地、草地、濕地、河流、湖塘和未利用地6類。將服務需求的計算結果在建設空間斑塊水平上匯總，將服務需求的分配結果在生態空間斑塊水平上匯總。

表1 用于對洪澇調節服務需求進行評估與分配的6個數據集

4 洪澇調節服務需求制圖與生態空間防洪優先級識別

4.1 流量：建設空間洪澇調節服務需求評價與空間分析

本文用建設空間產生的洪澇調節服務需求總量代表空間流傳輸的流量。以建設空間暴露于洪水風險之下的脆弱性作為對服務需求的代理，構建洪水脆弱性指數(Flood Vulnerability Index，FVI)：脆弱性越高，洪水帶來的潛在損害越大，該區域對服務的需求越高。將建設空間面積、高程、坡度、人口密度、城市水面率、排水設施密度和年平均降雨量作為評價該區域洪水脆弱性指數的綜合代替指標[12-13]。具體計算公式如下：

式中，j為建設空間j；FVI為建設空間的洪水脆弱性指數；S為建設空間面積，m2；ELE為高程(將ELE值歸一化至0～1)；SLO為坡度；POP為建設空間內人口數；WP為建設空間水面率(綠地和水體占建設空間面積比例)；SI為建設空間內排水設施的密度；AP為年平均降雨量，mm；m為城市m。

利用自然斷點法，對建設空間服務需求的評價結果進行需求等級劃分。不存在洪澇調節服務需求的建設空間被賦值為0，其他建設空間的服務需求被分為5個等級，并賦值1～5：1-低需求，2-較低需求，3-中等需求，4-較高需求，5-高需求。將等級值轉入ArcGIS，繪制洪澇調節服務需求在建設空間中的分布圖。由圖3可知，在蘇嘉湖地區，洪澇調節服務的高需求(5-高需求、4-較高需求)空間以點狀形式分散分布于各建成區內，出現于靠近太湖的蘇州主城區、長江南岸和蘇州東部的城郊地區，以及嘉興的桐鄉市等地。

圖3 蘇嘉湖地區建設空間洪澇調節服務需求等級的空間制圖

4.2 邊界：識別作為洪澇調節服務空間流邊界的集水區

空間流區域范圍的識別強調并代表了生態系統服務的特征，即該服務能夠通過在一定范圍內進行的生物物理過程(如水文及大氣過程)或物種遷移和擴散過程來支撐。基于專家經驗和知識、筆者共識及已有研究結論[5，14]，本文認為對于洪澇調節服務這一依賴于水文空間流的服務來說，服務供給區必須與服務受益區在物理上聯系起來才能實現服務的交付或投射[15]。已有很多研究以集水區作為自然地理單元，對與水相關的生態系統服務進行統計和分析[7，16]，因為一個集水區內的河道、蓄水空間、天然洪泛區和水庫等生態空間對依賴水文過程的服務交付具有重要影響。因此，本文將傳遞洪澇調節服務需求的空間流區域識別為發出服務需求的建設空間所在的集水區范圍。

基于從公共數據庫下載的數字高程模型，利用ArcGIS工具盒中的“水文分析工具”提取研究區流域，人工校正后形成23個集水區(圖4-1)。各集水區邊界為其中的空間流將服務需求從建設空間分配至相應生態空間提供了限定范圍。將來自建設空間的洪澇調節服務需求等級值在各集水區內匯總，得到各集水區需要向其中的生態空間分配與投射的服務需求總流量(圖4-2、4-3)。可以看出，覆蓋了湖州和嘉興大部分市域范圍且面積較大的17和23號集水區，以及覆蓋了蘇州市主城區的7號集水區具有最高的服務需求總流量。

圖4 作為流區域的23個集水區邊界識別

4.3 方向：確定洪澇調節服務流的目的地

流方向由流的起始地、目的地和方向效應等因素共同決定。其中，方向效應取決于服務供給區的空間類型，以及空間流是否遵循距離最近原則[6]。本文認為，洪澇調節服務的傳輸過程既不表現為明顯的隨距離衰減，也未表明具有地理最近距離的供給區與受益區之間的服務交付水平最高，因此假設該服務需求在傳輸過程中不受距離影響。并且認為，在一個集水區內，服務需求的滿足依賴于服務從具有洪澇調節能力的空間到對洪水脆弱區的傳遞[17]，即應將建設空間產生的服務需求分配至具有提供該服務能力的生態空間中使之消解。此外，洪澇調節服務的供給區與受益區間需存在高差，以支持水文空間流的存在。因此本文認為，除研究區域內未利用地(植被覆蓋率＜5%)外，與產生服務需求的建設空間處于同一集水區，且與該建設空間存在高差的其余5類生態空間，因其具有通過疏導洪峰水量、攔泥蓄水、減少徑流等方式提供洪澇調節服務的能力，可作為在該集水區內分配服務需求的目的空間。

在此基礎上，面積更大的生態空間被認為具有容納更多洪水的能力和傾向。將各集水區內匯總的服務需求總流量，按照生態空間在某一集水區內的面積占該集水區內生態空間總面積的比例，向同一集水區內的生態空間進行均質分配(圖5-1)，分配模型如下：

式中，i為生態空間i；BFRDi為按面積比例均質分配至生態空間i的基本洪澇調節服務需求；k為集水單元k；Nk為屬于集水單元k內的建設空間j構成的集合；Mk為屬于集水單元k內的生態空間i構成的集合；FVIj為建設空間j的洪水脆弱性指數(即服務需求)；Ai為生態空間i的面積，m2。在各生態空間斑塊水平上對投射至同一生態空間內的服務需求進行匯總，如圖5-2所示。與圖3中處理結果相似，利用自然斷點法將服務需求按面積比例分配的結果劃分為5個等級。由圖5-2可知，按面積比例向生態空間分配服務需求的結果與生態空間的面積高度相關。

圖5 各集水區內分配服務需求的目的地生態空間識別

4.4 分配原則及修正因子：生態空間中洪澇調節服務需求的分配與投射制圖

除生態空間面積這一服務需求的分配原則中首要的基本影響因素外，其他因素也會對洪澇調節服務在各集水區范圍內的分配過程產生影響，使服務需求并非按面積比例均質分配。因此，本文在基本分配原則的基礎上，加入了其他修正因子以代表多種可能的影響因素，從而以更接近空間流真實機制的方式分配服務需求(表2)。考慮到不同因素對服務需求的傳輸與分配過程所遵循的基本原則的影響程度有所不同，因此為各影響因素設置了權重，來表示在多種因素的綜合作用中，某一因素對于服務分配模式產生的影響所占的相對比例。通過對20位研究領域囊括風景園林生態規劃、城市生態規劃、區域水資源與水環境規劃、生態系統服務空間性及權衡、生態系統服務效能的本地專家進行問卷調查，獲得了基于專家經驗得到的這一影響程度(權重值)的平均值。

表2 生態系統服務距離分配機制及其修正因子的賦值與權重

高程高于建設空間(或位于其上游)的生態空間容納洪水的能力決定了下游建設空間受洪水損害的程度[17]，而高程低于建設空間(或位于其下游)的生態空間的存在則有助于通過地表徑流的排水緩解城市洪澇。此外，不同類型生態空間表現出不同的蓄水能力。水體作為水的天然容器，通過將過量的水儲存起來并緩慢釋放，從而將水在時間和空間上進行再分配，避免和減少洪水災害，因此認為水體生態系統具有比陸地生態系統更強的蓄水和洪水調節能力。綜上，在考慮生態空間面積對分配原則影響的基礎上，再將蓄水能力及生態空間與建設空間的高差作為分配機制中的修正因子。具體的修正分配模型如下：

式中，i為生態空間i；FRDi為修正后最終分配至生態空間i的洪澇調節服務需求；BFRDi為按面積比例均質分配至生態空間i的基本洪澇調節服務需求；C為生態空間相對規模對應賦值；ELE為生態空間與建設空間高程差對應賦值；P為生態空間蓄水能力對應賦值；0.40、0.35、0.25分別為生態空間相對規模、高程、蓄水能力等修正因子在服務需求分配中的權重值。

利用自然斷點法將反映在生態空間中的洪澇調節服務需求劃分為5個等級，以此作為生態空間在防洪與調蓄方面的優先級：需求等級越高，生態空間在提供洪澇調節服務方面的角色就越重要，就越應被優先識別為發揮防洪調蓄功能的關鍵空間。從圖6可知，洪澇調節服務的高需求(5-高需求、4-較高需求)反映在研究區域內的長江、陽澄湖北部圩區、太湖及太湖東南沿岸一系列濕地等水體空間中。研究區域南部湖州市內的大片林地及內部草地也反映出高需求水平。上述地區應被識別為進行生態保護與修復以保證并加強其調蓄能力的重點區域，是保障周邊建設空間免受洪澇災害的優先空間。

5 基于生態系統服務流的多維指標空間調控策略

生態空間防洪重要性區域識別的目的在于對其進行高效且有效的調控與管理。通過關注代表各環節的多維指標，能將對投射于生態空間的高服務需求的監測、控制與管理落實在相應環節。

5.1 控制流量

當需求不可避免時，人們可以在產生高需求的建設空間內投資技術和工程，通過控制流量的方式，從源頭減少服務需求總量。傳統的硬質工程防洪措施始終是最受歡迎的選擇，因為這對于減少在洪水風險中的暴露和增加韌性十分重要[18]。對于研究區域來說，對流量的制圖結果(圖3)顯示，洪澇調節服務的高需求空間以小規模的點狀形式分布于建成區內，尤其是蘇州和嘉興主城區的局部區域。因為上述地區的建設空間集中、規模較大、地勢較低，且人口密集度高，從而導致面對洪水風險時脆弱性高。基于這一結果識別的關鍵區域，利用場地尺度的工程技術手段，可以提高居民的防洪需求在當地被滿足的程度，從而緩解人類社會給生態系統帶來的壓力。

5.2 擴展流區域范圍

研究區域內被投射為高服務需求的水體(如太湖、陽澄湖)和其周邊的建設空間之間存在大量空間上彼此分離的小型湖泊，作為空間流在上述空間之間傳輸服務需求的連接空間[16]。雖然同樣是天然的儲水容器，但由于自身規模和布局的限制，由圖6可知，這些位于太湖東岸及陽澄湖外圍的零散小型湖泊在分散洪水方面的優先級很低。為提升這些作為連接空間的小型湖泊承載空間流并傳輸服務的能力，從而在空間流從蘇州主城區的建設空間向太湖及陽澄湖傳輸洪澇調節服務需求的過程中容納洪水、消解部分需求，以降低到達太湖和陽澄湖服務需求的水平，可通過增加上述湖泊之間的結構性連通空間，擴展空間流流動的區域范圍，以增加用于分配既定服務需求總量和分散生態壓力的生態空間數量和規模，從而有效調控現有大型水體內投射的高服務需求。

5.3 增加流方向

圖6中投射于研究區域南部大片山林地的高服務需求，是由于這片林地位于高程較高的山地，其蓄水能力對于下游的建設空間意義重大。其內部分配的較高服務需求反映了空間流遵循特定方向(下游建設空間-上游山林地)傳遞服務需求的綜合結果。當從建設空間出發的空間流僅能在特定且有限的方向上分配服務需求時，作為需求匯的生態空間必定會呈現較高的服務需求水平。在現有邊界限定的范圍內，通過在研究區域各個集水區內部上游位置選擇耕地進行適當退耕還林、還湖，增加對洪水進行再分配的生態空間；或是以研究區域內植被覆蓋率極低的未利用地為修復對象，通過提高植被覆蓋率，使其具備提供洪澇調節服務以滿足需求的能力，從而增加各個集水區內具有蓄水與儲水能力的生態空間作為洪澇調節服務需求的匯。

圖6 生態空間中分配的洪澇調節服務需求及其優先級的空間制圖

5.4 提升既定距離內生態空間的生態系統服務供應能力

生態空間自身的面積、形狀、植被覆蓋、吸引物等相關影響因子決定其服務供給的水平和滿足服務的能力[19]。通過參考分配原則及其修正因子的影響作用，可通過生態修復定向提升優先級高的生態空間服務供給能力，以應對其承受的洪澇調節壓力。對于研究區域北部投射為高服務需求的長江來說，增加其河岸植被的覆蓋面積或改善沿岸植被結構的復雜度，有助于提升河段整體的蓄水能力；對于研究區域南部及西部3片保護與修復優先級高的山林地來說，通過進行生態用地類型的轉換，如將其內部的未利用地和草地轉化為林地，或是將陸地生態系統轉化為蓄水能力更強的水體生態系統，如濕地，從而增強關鍵位置上生態空間提供洪澇調節服務的能力，以避免生態空間內洪澇調節服務供需失衡導致的洪澇風險。

6 結語

在洪水頻發的快速城市化地區，了解人類社會洪澇調節需求的總量與分布在生態空間中的反映，對于識別發揮防洪調蓄關鍵作用區，優先保護承受較高生態風險的現有生態空間，并針對性地提高其洪澇調節服務供給水平至關重要。但快速城市化地區的建設空間與提供服務的生態空間是分離和脫節的。這種情況下，只有依賴生態系統服務空間流的支持才能實現生態系統服務的交付及需求的滿足。通過考慮生態系統服務的空間流機制和多維指標集，本文提出了向生態空間分配并繪制來自建設空間的洪澇調節服務需求的新技術，包括以下4個核心環節：產生流量-生成邊界-確認方向-在一定的距離上分配并投射服務。通過這一方法，可以在生態空間中展示哪些區域因為承載了更多來自人類社會的洪澇調節需求、期望和壓力而需要受到重點關注并優先進行修復，并將其納入生態空間保護的優先級中。本文還指出，通過以下4種策略——控制流量、擴展流區域、增加流方向、提高既定距離上生態空間提供服務的能力，能夠有效調控出現于建設空間及生態空間內的高服務需求，緩解快速城市化地區面臨的洪澇風險。本文為土地管理者提供了基于快速城市化地區人類需求，管理并保護自然資源與生態空間的空間指導信息。

注：文中圖片均由申佳可繪制。