














收稿日期:2023-07-12;接受日期:2023-10-18
基金項目:國家自然科學基金項目(72174158,71774214);湖北省住建廳2022科技計劃項目(2022014);湖北省自然資源廳2024年度湖北省自然資源科技項目(ZRZY2024KJ26);中央高校基本科研業務費專項資金項目(2042023kf0222)
作者簡介:周燕,女,副教授,博士,主要從事城鄉生態規劃、綠色基礎設施研究。E-mail:joyeezhou@whu.edu.cn
通信作者:羅巧靈,女,教授,博士,主要從事國土空間規劃、生態系統服務、城鄉生態保護規劃與管理研究。E-mail:qiaolingluo@whu.edu.cn
EditorialOfficeofYangtzeRiver.ThisisanopenaccessarticleundertheCCBY-NC-ND4.0license.
文章編號:1001-4179(2024)03-0042-10
引用本文:周燕,祁夢園,邱孝高,等.供需視角下雨洪調節關鍵區識別及規劃策略研究[J].人民長江,2024,55(3):42-51.
摘要:
雨洪調節服務供需測度對識別易澇區域、合理配置自然資源、優化雨洪安全格局具有重要意義。目前的研究多從供給或需求單一角度聚焦中心城區雨洪調節能力,而全域尺度雨洪調節服務供需測度實證研究較少,雨洪調節服務供需空間分布特征和影響供需平衡的關鍵驅動因子有待探究。以湖北省通城縣為例,通過SCS-CN模型量化縣域生態空間雨洪調節服務供給能力,利用洪水脆弱性指數評估社會經濟對雨洪調節服務的需求水平,進而識別縣域雨洪調節服務供需空間分布特征及失衡關鍵區域;結合斯皮爾曼相關系數分析和冗余分析,探究影響供需失衡的關鍵因子,并考慮人口密度和建設用地面積對雨洪調節服務供需的影響,從“宏觀-中觀-微觀”3個尺度構建雨洪安全格局。研究結果表明:①縣域內雨洪調節服務供需空間存在顯著的分異情況,因此需要從整體角度構建和優化雨洪安全格局;②中心建成區是雨洪調節服務供需失衡最嚴重的區域,需要采取雨洪安全管控和修復措施;③縣域內雨洪調節服務供需失衡的關鍵影響因子是人口密度,與雨洪災害風險等級呈負相關。研究成果可為識別雨洪調節服務供需失衡區域以及優化國土空間規劃體系下多尺度雨洪安全格局提供量化支持和依據。
關鍵詞:
雨洪調節服務;供需測度;供需錯配;國土空間規劃;海綿城市
中圖法分類號:TU984
文獻標志碼:A" " " " nbsp; " " " " " " "DOI:10.16232j.cnki.1001-4179.2024.03.007
0引言
據統計,全球約70%的自然災害與氣象相關,其中洪澇和暴雨等災害形勢日益嚴峻[1]。中國更是頻繁遭受暴雨和洪澇災害,僅在2020年,洪澇災害造成的受災人口比例達到56.8%[2]。特別是2021年7月,河南省特大暴雨直接導致1478.6萬人受災、398人死亡或失蹤,經濟損失達到1200.6億元[3]。該事件再次凸顯了洪澇災害的嚴重性和對人類社會的巨大威脅。隨著氣候變化的加劇和社會的高速發展,洪澇災害的影響不斷擴大。因此,如何進行災害風險評估,識別不同區域潛在洪澇風險,并采取相應措施降低風險,保護人民生命和財產安全,提高城市的可持續發展能力,已經成為當前學術界和政府部門關注的重要議題之一。
雨洪安全格局構建對減少地表徑流、消除大量雨水匯集的負面影響,緩解城市洪澇問題具有重要意義[4-5]。傳統雨洪安全格局研究多側重于生態系統服務的供給能力[6],通過調查綠地特征并使用模擬評估工具如SWMM模型和SCS-CN模型,量化綠色基礎設施(greeninfrastructure,GI)調蓄徑流的能力,明確不同GI在雨洪調節方面發揮的供給效能,提高城市抗洪能力[7-9]。但其忽視了城市是一個復雜的“社會-生態”系統,人口增長、土地利用變化、城鎮化發展等社會經濟因素亦會對雨洪調節服務水平產生影響,導致結果存在局限性和不足[10]。許多學者逐漸將研究范圍擴展到雨洪調節服務的供給能力和需求水平[11-12],通過識別滿足高需求水平的雨洪調節生態空間,明確易發生洪澇災害的風險區域,制定優先保護空間等級[13-14]。而供給與需求之間存在權衡協同關系[15-16],供應減少與需求增加之間的不協調為生態系統服務帶來巨大挑戰。因此,綜合供需視角識別雨洪調節服務供給和需求關鍵區域、供需匹配失衡區域,明確洪澇災害脆弱性等級,基于問題導向制定科學有效的管理策略是解決洪澇災害的關鍵。
此外,雨洪安全格局構建須依托國土空間規劃體系,落實全域層面生態空間的保護策略與方法[17]。當前相關研究多探討雨洪安全格局融入規劃設計的路徑,對空間管控作用涉及較少[18]。而不同尺度下雨洪安全格局構建與國土資源要素配置密切相關[19],因此,制定多層級傳導下不同尺度的空間管控策略,對優化提升雨洪安全格局具有重要意義。
本文結合湖北省通城縣雨洪災害現狀,聚焦縣域尺度雨洪調節服務供給與需求平衡關系,探究雨洪調節服務供需失衡區域空間特征及影響供需平衡的關鍵驅動因子,構建國土空間規劃體系下多尺度的縣域雨洪安全格局,以期為縣域海綿城市建設及雨洪安全格局管控優化提供技術參考。
1研究區概況與數據來源
1.1研究區概況
通城縣位于湖北省東南部,幕阜山北麓,是長江一級支流雋水河發源地(見圖1)。自然環境層面,縣域內丘陵起伏,山地面積約占總面積的88.86%;水網密布,年均降雨量在1450~1600mm,主要集中在7~8月份;土壤類型以紅壤和水稻土為主,透水性較差;幕阜山脈終年降水充沛,持續強降雨期間通城縣泄洪壓力加劇,加之城鎮建設空間地勢較低,內澇發生頻率較高。社會層面,通城縣于2020年退出貧困縣,其經濟水平難以支撐防范內澇風險及相關防洪減災設施的修復,亟需系統優化雨洪安全格局以提升應對災害天氣的韌性。
1.2數據來源
所有數據均為2020年數據(見表1),并利用ArcGIS10.5按照30m×30m的精度進行預處理。參照自然資源部組織修訂的GB/T21010-2017《土地利用現狀分類》,將通城縣土地劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地(見圖2)。統計數據主要包含地均GDP、人口密度、兒童及老年人口數量。
2研究方法
2.1研究思路
城市洪澇風險的根源在于城市建成環境對雨洪調節能力的需求和綠色基礎設施所提供的雨洪調節供給能力之間的空間錯配與數量不均衡。雨洪調節服務供需視角為耦合自然-社會生態系統提供了重要途徑。本文從供需關系出發,基于內澇風險評估,構建城市雨洪調節服務的研究框架(見圖3)。主要分為4個步驟:①根據城市下墊面的地表徑流水平,評估雨洪調節服務供給能力;②基于引發洪澇災害的脆弱性因子,從社會和經濟脆弱性2個層面構建雨洪調節服務需求水平模型;③使用供需匹配和空間自相關性,識別供需失衡嚴重區域;④利用斯皮爾曼相關性分析、冗余分析評估影響供需平衡的關鍵因子;⑤基于國土空間規劃體系,結合供需空間分布特征和關鍵驅動因子,提出多尺度下雨洪安全格局優化策略。
2.2雨洪調節服務供給與需求關鍵區域識別
2.2.1雨洪調節服務供給能力
供給能力取決于區域生態空間格局及GI本底狀況,通過綠地特征量化評估GI削減雨水徑流、調蓄水文能力[7,20]。SCS(soilconservationservice)模型又稱徑流曲線數法模型,1954年由美國農業水土保持局開發。該模型結構簡單,僅用徑流曲線數(curvenumber,CN)就能衡量區域內地表徑流量。相較于其他水文模型的耦合應用,SCS模型綜合考慮區域下墊面因素和氣象因素,可評估不同土壤類型、不同土地利用類型對徑流形成的影響,在洪澇預警響應方面提供了更好的理論支撐[21]。此外,CN作為無量綱參數,與土壤類型、土地利用、坡度等因素有關,直接影響徑流產量的估算結果。由于土壤水文條件、土地利用方式等的差異,中國土地利用與美國土壤保持局提供的CN值存在差異。因此本文按照《國際制土壤質地分級標準》,結合土壤數據和土地利用類型,參考原有CN表(美國水土保持局)對不同土地利用類型賦值,并利用平均坡度修正CN值,提高模型的準確性和適用性,更好地評估區域內直接徑流量,進而量化雨洪調節服務供應量并識別地表徑流關鍵特征[22-23]。
具體計算公式如下:
式中:FRSSi為柵格i雨洪調節服務供給能力;Pi為下墊面柵格i的年均降水量,mm;Qi為下墊面柵格i的地表徑流深度,mm;Im為下墊面最大入滲深度,mm;CN為表征地表徑流能力的無量綱參數,CN(H)表示經過坡度修正公式修正后的CN值,取值均為[0,100][24];slp表示區域內的平均坡度;λ為土壤的下滲系數,取值為0.2。
2.2.2雨洪調節服務需求水平
雨洪調節服務需求水平指對雨水排放和洪水防控方面的服務需求程度,主要由區域社會經濟發展水平決定[25-26]。需求水平高的區域也意味著存在較高的洪澇風險等級[27]。本文采用風險評估方法,利用洪水脆弱性指數定量描述人類社會活動對雨洪調節服務需求影響,識別區域內易受雨洪災害影響的區域范圍及其風險等級[28]。其中,社會脆弱性與人口密度存在相關性,一般來說,人口密度越高,受洪澇災害影響程度越大,社會脆弱性等級越高。而經濟脆弱性則與GDP、土地利用程度密切相關,GDP、土地利用程度高的區域,一定程度上意味著可用于提供調節服務的空間資源有限,應對洪水災害的能力越弱,表征該區域經濟脆弱性等級較高。脆弱性等級越高,對雨洪調節服務的需求量越大。
具體計算公式如下:
式中:FRSDi為柵格i雨洪調節服務需求;SVIi為下墊面柵格i社會脆弱性;EVIi為柵格i經濟脆弱性;Pkid、Pold和Pall分別是兒童、老人和平均人口密度;α、β和γ為相應權重,設為1/3[29];GDP為國民生產總值;Eco為土地經濟脆弱性,按土地利用類型分為5個等級[30];δ和ε分別是GDP和Eco對應的權重,設為1/2[29]。
2.3雨洪調節服務供給與需求關鍵區域識別
雨洪調節服務供需測度評估耦合自然-社會雙重影響因素,從風險的角度對雨洪調節服務進行供需風險等級劃分,識別并重點關注風險等級高、失衡嚴重的區域,進而對該區域進行資源整合配置,為提升雨洪服務、優化管理措施提供嶄新的視角[31]。在雨洪調節服務供給與需求量化評估的基礎上,利用供需比(supply-demandratio,SDR)公式(8)分析研究區域內的雨洪服務供需平衡關系,SDR取值范圍為[-1,1],值越低,表明雨洪調節服務供需失衡越嚴重。
通過雙變量局部空間自相關模型,將研究區域雨洪調節服務供給與需求的空間集聚模式劃分為“高供給-高需求”“高供給-低需求”“低供給-高需求”“低供給-低需求”4類,結合SDR分析結果判斷某一空間是否需要通過增加供給或減少需求以達到供需平衡。
2.4雨洪調節服務供需關鍵驅動因子識別
為了探究自然和社會因素對雨洪調節服務的影響,基于可量化、可獲取的原則篩選影響雨洪調節服務平衡的關鍵影響因素,包括降水、海拔、坡度、土壤、水面率等5項自然因子,以及人口密度、道路距離、建設用地率等3項社會經濟因子。以雨洪調節服務供給和需求水平為自變量,自然社會因子為因變量,通過斯皮爾曼相關系數客觀衡量2個變量之間的相關性強度,并結合冗余分析確定每個自變量對于因變量的解釋能力[32],從而更好地理解變量之間的關系,揭示變量之間的相互依賴性、影響因素、模式和趨勢,為解決區域內雨洪調節服務供需失衡問題、制定雨洪安全優化管理策略提供支持。
3雨洪調節服務供給與需求關鍵區域識別結果與分析
根據上述研究路徑,將雨洪調節服務各單項供給指標按照各自的計算方法在ArcGIS中進行空間可視化制圖,得出CN、降水入滲深度、年均降水量和年均徑流量4個單項供給指標的空間分布。同樣,識別社會脆弱性和經濟脆弱性2個單項需求指標的空間分布。通過對供給和需求指標的空間加權疊加,得出通城縣雨洪調節服務的綜合供給水平(見圖4)和綜合需求水平(見圖5)的空間分布。綜合供給能力呈“中心城區低、邊緣區高”的特點,與建設用地和林地的空間分布相一致;供給量高、較高的區域主要分布在郁閉度較好的林地和草地,占縣域面積的61.78%。綜合需求水平表現為“中心城區高、邊緣區低”的分布特征,高需求、較高需求區域主要集中在建設用地和耕地,呈西北至東南的帶狀空間分布,占縣域面積的19.74%。
3.1雨洪調節服務供需匹配分析
利用ArcGIS分析后,發現通城縣雨洪調節服務供需匹配結果呈現明顯的空間分異,表現出中心高四周低的特征。其中,供給赤字的地塊面積占比35.76%,供需匹配的地塊面積占比28.57%,供需盈余的地塊面積占比35.67%。該結果表明,通城縣雨洪調節服務供給能力偏低,分布不平衡,面臨地域性的供不應求問題。具體來說,通城縣周邊地區多為藥姑山、黃龍山、黃袍山、錫山等自然保護地,擁有良好的自然條件和綠色基礎設施,具備較強的雨洪調節服務供給能力;人類干擾相對較小,自然系統保護相對完整,整體上呈現供給盈余的狀態。相反,中心地區為建設程度較高、社會經濟活動集中的城鎮建設發展空間,對雨洪調節服務的需求較大;地表入滲能力較弱,相對缺乏綠色基礎設施等雨洪調節措施,導致供給能力不足,無法滿足中心地區的需求。
利用莫蘭指數分析雨洪調節服務供需比的空間分布特征,Z得分是在1%顯著性水平下大于2.58的正值,說明具有統計學意義上的空間自相關性,進一步識別高低值集聚的空間分布特征。由圖6可知,通城縣雨洪調節能力低供給-低需求和高供給-高需求集聚區分布相對較少且散亂,多分布于低需求-高供給集聚區附近;低需求-高供給集聚區主要分布于研究區域的東北部、南部及西北部,以林地為主,對雨洪調節服務需求水平低,且具有較高的雨洪調節供給能力。高需求-低供給集聚區主要分布于研究區域的中部,以建設用地為主,對雨洪調節的需求水平較高。此外,藥姑山自然保護區表現出高供給和高需求的集聚特征。這是由于該地區的林地具備高水平的供給能力,而科技產業園興起導致社會經濟活動的增加,進而提高了對雨洪調節服務的需求水平。
綜上所述,通城縣雨洪調節能力整體分布不均衡。應更關注中心地區的需求,加強中心地區綠色基礎設施建設,改善地表的入滲能力,提高供給能力。同時,應保護和完善周邊地區的自然保護地和綠色基礎設施,保持較高的雨洪調節供給能力。
3.2雨洪調節服務供需驅動力分析
結合斯皮爾曼相關系數(見表2)與冗余分析(見圖7)結果發現,研究區域內對雨洪調節供需平衡狀態影響較高的是人口密度、海拔高度、坡度、建設用地面積4項指標。結果表明,人口密度越高、建設用地越密集、海拔越低的區域雨洪脆弱性越高。雨洪調節服務需求水平與人口密度、建設用地面積呈正相關。這是因為人口密度與社會脆弱性指數密切相關,即人口密度越高,社會脆弱性指數越高;建設用地面積、道路距離在一定程度上反映區域經濟發展水平,表征了經濟脆弱性指數,即建設用地越集中、與道路距離越近,經濟脆弱性指數越高。雨洪調節服務需求水平與海拔高度呈顯著負相關,考慮與研究區域地形特征有關。通城縣多為丘陵山地,建設用地和人類活動集中分布于
海拔較低的平畈山谷地帶,導致低海拔區域洪水脆弱性等級較高,需要更強的雨洪調節能力。雨洪調節服務供給能力與海拔高度、坡度均呈顯著正相關。這是
由于海拔較高的地區多為自然保護地,綠色基礎設施
豐富,CN值較小,雨水入滲能力強,可以提供較好的雨
洪調節供給能力。但坡度的顯著性略低于海拔高度,這是因為研究區域內海拔高的區域其坡度也大,即原始CN值一致,而坡度大的區域使用坡度修正公式后CN值略微增加,從而使雨洪調節服務供給能力減小。具體而言,在土壤質地與土地利用類型相同的情況下,坡度大的區域其雨洪調節服務供給能力相對較弱。雨洪調節服務供給能力與建設用地面積呈負相關,這是由于建設用地擠壓了綠色基礎設施空間,導致雨水難以下滲,形成了大量地表徑流,增加了洪水風險。
根據《通城縣國民經濟和社會發展統計公報》(2020~2023)以及《全縣主要經濟和社會發展指標完成情況》(2018),近年來通城縣特別是中心城區GDP持續增長,建設用地不斷擴張,且中心城區人口密度逐漸上升,這表明中心城區對雨洪調節服務的需求不斷提高。與此同時,建設用地擴張侵占綠色基礎設施空間,導致雨洪調節服務供給能力降低,中心城區雨洪調節服務供需失衡問題日益嚴重。
綜上所述,人口密度、海拔高度和建設用地面積是影響雨洪調節服務供需平衡的關鍵指標。了解和考慮這些因素對雨洪調節服務的影響,可以為改善雨洪調節服務供需失衡、區域規劃和管理提供重要依據,以降低洪澇風險,實現城市的可持續發展。
4基于雨洪安全格局的規劃管控策略
研究表明,通城縣的雨洪調節服務供需匹配存在空間失衡現象,并呈現顯著的空間分異特征。具體而言,中心城區的雨洪調節服務供給能力較低,而需求水平較高;相反,周邊地區的供給能力較高,但需求水平較低。為更好地將上述理論框架應用于實踐,并驗證其可行性,以通城縣為例,基于雨洪調節服務供需空間格局,考慮人口密度和建設用地面積對雨洪調節服務供需的影響,從“宏觀-中觀-微觀”3個尺度構建雨洪安全格局。制定國土空間規劃多層級傳導下不同尺度空間雨洪調控管理策略,以全面提升綠色基礎設施的雨洪調節服務供給能力。
4.1宏觀層面構建縣域生態空間雨洪安全格局
通城縣綠色基礎設施豐富,而雨洪調節服務供需失衡,其根本原因在于地形特征導致的空間布局不合理。為緩解縣域內供需失衡問題,對應總體規劃,依托自然保護地,基于“源-流-匯”景觀要素構建整體雨洪安全格局[33](見圖8)。立足“源”景觀,建立生態涵養區。加強對丘陵山地和農田的生態環境保護,維護土壤的吸水和保水功能,有效減少雨水徑流,提高雨水的自然滲透能力。聚焦“流”景觀,構建雨洪廊道。一、二級廊道保留8m寬度,三、四級廊道保留12m寬度,確保綠地、濕地、雨水花園等綠色基礎設施與建設用地之間有良好的連通性,有助于將雨水引導到綠色基礎設施中,減輕雨水對建設用地的沖擊。完善“匯”景觀,按照風險等級制定“重要控制區-次要控制區”雨洪安全優先保護順序,緩解雨洪調節服務供需失衡并減少洪澇災害風險。對重要控制區域,建設蓄水池、防洪設施,推廣雨水花園和雨水收集系統,增加植被覆蓋度;次要控制區域加強綠色基礎設施建設,維護河岸生態系統,確保水系河網連通性。此外,加強對雨洪戰略點管控,減少人為設施對水文過程的干擾。
4.2中觀層面構建中心城區雨洪安全網絡體系
中心城區雨洪調節服務呈“低供高需”特征,是洪澇災害易發高風險區域。為解決這一問題,應對接總體規劃和詳細規劃,延續宏觀雨洪安全格局,劃定藍綠線控制范圍,構建功能完善、結構清晰的雨洪安全網絡[34],以保障中心城區的防洪排澇安全。坑塘、濕地、水庫等可以有效減緩徑流,儲蓄雨水,增強水生態系統穩定性。因此結合雨洪風險脆弱強度與管控難度,將生態調控效果好且管控難度小的區域劃定為藍線控制范圍(見圖9(a)),充分發揮生態系統的水源涵養功能[35]。同時,綠線規劃與藍線控制范圍相協調,形成藍綠融合的生態空間網絡,提高區域內雨洪調節服務供給能力[36]。由于中心城區綠色基礎設施多呈點狀分布,結合“源-匯”景觀理論,利用河流、道路的廊道功能,將生態濕地、防護綠地等生態空間有機連接,引導和控制水流方向,實現雨水有序排放,防止建設用地地表雨水徑流積聚。根據洪澇風險等級和地表徑流量,將廊道劃分為不同等級(見圖9(b)),一級廊道是水量最大且風險最高的河流廊道,二級廊道是風險較高的城市道路,三級廊道是風險相對較低的農村道路,從而構建一個整體協調、逐級傳導的雨洪藍綠生態空間網絡(見圖9(c)),以增強區域應對洪澇災害的調節能力。
4.3微觀層面建設藍綠空間韌性海綿體
雨洪調節服務供需失衡是因為綠色基礎設施所提供的雨洪調節服務無法滿足社會經濟發展需求。結合場地詳細規劃,重點關注藍綠空間,特別是韌性河岸的設計引導,合理布局海綿設施,提升綠色基礎設施的雨洪調節服務供給能力。天然河道具有較強的雨洪調蓄能力,而中心城區河道兩旁為建設用地,且部分河道已經渠化。因此,本文依據地形特征和風險等級,以雋水河(秀水-銀山段)為例,將海綿城市理念與河道景觀設計相結合,打造具有高度滲透性和水源涵養功能的河道景觀,提高河流的雨洪調節韌性(見圖10)。通過多樣化的河道景觀元素,如濕地、植被、綠化帶、景觀小品等設施,發揮水質凈化、景觀蓄水等生態系統服務功能;設置雨水花園和蓄水池用于收集、儲存和調節水量;在河道的鋪裝和邊坡設計中,采用透水礫石、透水混凝土或透水鋪裝等高度滲透性的材料,以促進雨水的滲流,減少地表徑流;還可豐富河道兩側生態景觀帶,營造良好的生態棲息地環境,提升景觀的美觀性和可持續性。對尚未進行渠化的河道,采用基于自然的解決方案優化河岸景觀,并利用坑塘、滯留池等設施營造彈性防洪生態空間。此外,水系空間動態變化是應對雨洪災害的關鍵,可以通過增強下凹式綠地的規劃應用,形成平常為綠、暴雨洪澇時為藍的韌性生態調蓄空間。
5結語
協調國土空間雨洪調節服務供給與社會經濟發展需求是保障城市雨洪安全的關鍵。本研究基于雨洪安全格局構建理論,從雨洪調節服務供需平衡的角度出發,運用SCS-CN模型和洪水脆弱性指數對通城縣雨洪調節服務供給能力與需求水平進行定量評估,識別高風險洪澇災害區域,并探究主要驅動因子。結果表明:①區域內雨洪調節服務供需水平存在明顯的空間分異,呈現中心城區“低供高需”、邊緣區域“高供低需”的特點;供需匹配區域呈現需求中等、供給中等的“弱平衡性”。②人口密度、建設用地面積和海拔是影響雨洪安全供給與需求的主要驅動力。基于以上研究結論,結合國土空間規劃體系提出了“宏觀-中觀-微觀”系統性的雨洪安全解決方案。
生態空間的雨洪調節服務供需匹配具有空間和時間的異質性和差異性,且供需關系處于動態變化之中,不同城市發展階段和氣象變化均會導致需求水平和供給能力的變化。因此,未來研究可結合土地利用變化、氣象變化等情景,分析雨洪調節服務供需水平在時間和空間上的動態變化,根據其變化特點來優化調整資源配置和雨洪安全格局。
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(編輯:郭甜甜)