彭　建，趙會(huì)娟，劉焱序，杜悅悅

1 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，地表過(guò)程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100871 2 北京大學(xué)深圳研究生院城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)學(xué)院，城市人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳　518055

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區(qū)域水安全格局構(gòu)建：研究進(jìn)展及概念框架

彭建1,2,*，趙會(huì)娟2，劉焱序1，杜悅悅1

1 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，地表過(guò)程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100871 2 北京大學(xué)深圳研究生院城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)學(xué)院，城市人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳518055

摘要:隨著全球變化背景下生態(tài)安全問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，生態(tài)安全格局研究成為宏觀生態(tài)學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域；水作為重要的自然生態(tài)要素，其安全格局的構(gòu)建也是區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化的重要組成部分，但目前其基本內(nèi)涵、構(gòu)建理論與方法、指標(biāo)體系等尚未受到足夠重視，缺乏系統(tǒng)梳理。在對(duì)比分析資源、環(huán)境與災(zāi)害等多學(xué)科視角下水安全概念異同的基礎(chǔ)上，明晰了區(qū)域水安全格局的概念內(nèi)涵，將其定義為保障區(qū)域水安全目標(biāo)的土地利用空間格局；系統(tǒng)探討了水安全格局構(gòu)建歷程與方法研究進(jìn)展，指出水安全研究正由定量評(píng)價(jià)向空間管控轉(zhuǎn)型，水環(huán)境安全格局構(gòu)建嚴(yán)重滯后，缺乏水安全格局與自然生態(tài)過(guò)程、社會(huì)經(jīng)濟(jì)過(guò)程的耦合關(guān)聯(lián)分析；最后，基于景觀生態(tài)學(xué)格局-過(guò)程互饋理論和地理學(xué)區(qū)域綜合視角，以GIS空間分析、InVEST模型等為技術(shù)支撐，構(gòu)建了水資源安全、水環(huán)境安全和水災(zāi)害規(guī)避安全3個(gè)單一維度的水安全格局，并提出基于空間多準(zhǔn)則分析模型的區(qū)域綜合水安全格局構(gòu)建概念框架，以期有效提升中國(guó)城市化進(jìn)程的水安全格局保障。

關(guān)鍵詞：水安全格局；水資源安全；水環(huán)境安全；水災(zāi)害規(guī)避安全；概念框架；研究進(jìn)展

近幾十年來(lái)隨著全球環(huán)境變化速度與強(qiáng)度的益發(fā)增強(qiáng)，自然生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能遭到嚴(yán)重破壞，生態(tài)安全問(wèn)題日益突出，自20世紀(jì)90年代以來(lái)逐漸成為宏觀生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)[1- 3]。作為區(qū)域、國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)維系與可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，生態(tài)安全的思想萌芽最早發(fā)軔于20世紀(jì)40年代[2]；狹義的生態(tài)安全指生態(tài)系統(tǒng)的健康和完整狀況，而廣義的生態(tài)安全則指由自然生態(tài)安全、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生態(tài)安全三方面構(gòu)成的復(fù)合人工安全系統(tǒng)[3]。數(shù)量結(jié)構(gòu)和空間格局是影響其發(fā)展的兩個(gè)基本方面，這在學(xué)術(shù)界已達(dá)成普遍共識(shí)[4]。其中，生態(tài)安全格局的構(gòu)建通過(guò)對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)量結(jié)構(gòu)與空間格局優(yōu)化，已成為陸地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)屏障建設(shè)的有效途徑，已有學(xué)者具體針對(duì)生態(tài)安全格局概念及其構(gòu)建理論與方法開(kāi)展了深入探討[5]，并進(jìn)行了不同尺度的多類(lèi)型區(qū)域個(gè)案研究[6-7]。

水作為重要的戰(zhàn)略資源，與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展緊密相關(guān)，是維系人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的重要命脈。但在當(dāng)前快速城市化進(jìn)程中，水源涵養(yǎng)功能減弱、水質(zhì)污染、洪澇災(zāi)害頻發(fā)等一系列水安全問(wèn)題的出現(xiàn)，對(duì)區(qū)域生態(tài)安全、糧食安全甚至國(guó)家安全造成了重大影響[8]，水安全問(wèn)題越來(lái)越成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。我國(guó)水安全形勢(shì)更是不容樂(lè)觀：一方面，水資源嚴(yán)重短缺，人均水資源僅為世界平均水平的1/4，全國(guó)年平均缺水量近400億m3[9]；水環(huán)境保護(hù)形勢(shì)依舊嚴(yán)峻，水污染事件頻發(fā)，2014年蘭州“4.11”自來(lái)水苯含量超標(biāo)事件更是引發(fā)了對(duì)人們對(duì)水質(zhì)安全問(wèn)題的高度關(guān)注[10]；全國(guó)有超過(guò)100個(gè)大中城市處于洪水水位之下，洪災(zāi)潛在損失巨大[11]，1950—2008年全國(guó)年均洪澇受災(zāi)面積5418km2，死亡人口4661人[12]。另一方面，通過(guò)自然界的水循環(huán)，水資源短缺、水環(huán)境污染及水災(zāi)害規(guī)避之間又存在密切的相互關(guān)聯(lián)，因此尋求水安全問(wèn)題的綜合解決途徑迫在眉睫。水作為生態(tài)系統(tǒng)中的核心要素之一，其安全格局的構(gòu)建作為景觀生態(tài)安全格局的空間優(yōu)化途徑之一，通過(guò)對(duì)維護(hù)區(qū)域水安全具有關(guān)鍵意義的節(jié)點(diǎn)、斑塊與廊道的識(shí)別、重構(gòu)，為區(qū)域水安全問(wèn)題的解決提供了新的綜合視角。

但是，相對(duì)于景觀生態(tài)安全格局從理論探討到實(shí)踐應(yīng)用的普遍關(guān)注，目前水安全格局的研究尚未受到足夠重視，在水安全格局構(gòu)建的理論與方法方面仍有待深入探討。因此，本文在初步明晰區(qū)域水安全格局相關(guān)概念內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)梳理水安全格局構(gòu)建的近今進(jìn)展，并在水資源安全格局、水環(huán)境安全格局和水災(zāi)害規(guī)避安全格局構(gòu)建方法探討的基礎(chǔ)上，提出基于空間多準(zhǔn)則分析的區(qū)域綜合水安全格局構(gòu)建概念框架，以期整體推進(jìn)我國(guó)水安全格局研究的深入。

1水安全與水安全格局

“水安全”一詞在國(guó)際上最早出現(xiàn)于2000年斯德哥爾摩水論壇[13]。自水安全議題提出以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)圍繞水資源安全概念界定[14]、水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[15- 16]、水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)[17-18]以及洪澇安全管理與應(yīng)急預(yù)案[11,19]等方面開(kāi)展了大量理論方法及個(gè)案研究，從水資源、水環(huán)境及水災(zāi)害規(guī)避等方面有效提升了全社會(huì)對(duì)水安全問(wèn)題的關(guān)注。

近年來(lái)，不同學(xué)者基于多學(xué)科視角，對(duì)水安全及其關(guān)聯(lián)概念進(jìn)行了界定；根據(jù)關(guān)注點(diǎn)的不同，可將其歸納為水資源安全、水生態(tài)安全、水環(huán)境安全、水災(zāi)害規(guī)避安全及水安全5類(lèi)(表1)。其中，水資源安全涉及社會(huì)安全、經(jīng)濟(jì)安全和生態(tài)安全等多個(gè)維度，其實(shí)質(zhì)是對(duì)水資源能否滿(mǎn)足合理的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)用水需求的綜合評(píng)判，最終目標(biāo)在于解決水資源量的可持續(xù)供給問(wèn)題；而水生態(tài)安全概念所強(qiáng)調(diào)的生態(tài)用水安全是對(duì)維持生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展用水的度量，從供需的角度講，是水資源管理的重要內(nèi)容和水資源配置的依據(jù)之一[20]，因此可將其納入水資源安全范疇。相較而言，水環(huán)境安全重點(diǎn)關(guān)注水質(zhì)污染和水環(huán)境整體安全狀況，水災(zāi)害規(guī)避安全則主要涉及不同尺度、不同地域的洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的定性、定量評(píng)估及其綜合管理與防范。由于水生態(tài)系統(tǒng)本身的復(fù)雜性和不同研究方向側(cè)重點(diǎn)的差異，當(dāng)前對(duì)水安全概念的界定尚不統(tǒng)一，亟需耦合資源、環(huán)境、生態(tài)、災(zāi)害等多維度綜合定義水安全。整合水安全相關(guān)概念，可將水安全定義為區(qū)域水資源在特定水質(zhì)條件下保障自然生態(tài)系統(tǒng)及人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)正常運(yùn)行的生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水需求，并確保水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)最小化的一種可持續(xù)狀態(tài)。也可以說(shuō)，水安全是資源利用、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害規(guī)避多維綜合視角下，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)整體健康狀況的一種系統(tǒng)評(píng)判。目前，國(guó)際水安全研究重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)特定時(shí)空范圍水安全狀況的定量評(píng)價(jià)，區(qū)域水安全問(wèn)題的人為、自然影響因素及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制識(shí)別，但對(duì)水資源、環(huán)境、災(zāi)害規(guī)避等問(wèn)題的交互作用及區(qū)域整合策略關(guān)注不足，缺乏對(duì)研究結(jié)果的空間可視化表達(dá)，因而難以明晰區(qū)域水安全的空間格局保障。

表1　不同學(xué)科視角下的水安全相關(guān)概念對(duì)比

水安全格局是隨著生態(tài)安全格局研究的開(kāi)展而逐步受到重視的，其與生物多樣性安全格局、水土保持安全格局、糧食供給安全格局和地質(zhì)災(zāi)害安全格局等共同構(gòu)成區(qū)域生態(tài)安全格局。借鑒生態(tài)安全格局的研究視角和構(gòu)建思路，水安全格局構(gòu)建實(shí)質(zhì)代表了水安全研究由定量評(píng)價(jià)向空間管控和格局保障研究的轉(zhuǎn)型。但迄今為止，水安全格局都只是作為區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建框架中的一部分，專(zhuān)門(mén)研究水安全格局構(gòu)建的文獻(xiàn)尚較鮮見(jiàn)，仍缺乏普遍認(rèn)同的水安全格局概念。簡(jiǎn)單的說(shuō)，水安全格局就是保障區(qū)域水安全目標(biāo)的土地利用空間格局，而水安全格局構(gòu)建則可以界定為特定時(shí)空范圍內(nèi)，以解決區(qū)域水資源、水環(huán)境與水災(zāi)害等耦合交錯(cuò)的重點(diǎn)水安全問(wèn)題為導(dǎo)向，從區(qū)域景觀格局優(yōu)化與調(diào)控、土地資源優(yōu)化配置等途徑入手，基于多學(xué)科、多視角對(duì)維護(hù)區(qū)域水安全具有關(guān)鍵意義的空間單元及其要素屬性和組合特征進(jìn)行的土地利用或者景觀要素空間配置。區(qū)域水安全格局能夠最大程度地保障區(qū)域水資源供給、維持水環(huán)境質(zhì)量和規(guī)避水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，從而滿(mǎn)足不同使用者的多重水功能需求，切實(shí)提升區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性。因此，區(qū)域水安全格局強(qiáng)調(diào)土地利用空間格局及其動(dòng)態(tài)變化和特定生態(tài)功能的發(fā)揮，將地方或次區(qū)域的水安全問(wèn)題在區(qū)域集成，以空間化的整合視角識(shí)別維系區(qū)域水安全的關(guān)鍵要素和空間位置，建立起水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與區(qū)域空間規(guī)劃之間的連接橋梁，致力于促進(jìn)人類(lèi)社會(huì)與水資源、環(huán)境、災(zāi)害耦合系統(tǒng)的多要素優(yōu)化配置，是區(qū)域生態(tài)安全格局的重要組成部分。

2水安全格局構(gòu)建研究進(jìn)展

2.1水安全格局構(gòu)建研究歷程

水安全格局構(gòu)建作為水資源保護(hù)及其空間規(guī)劃的新途徑，其實(shí)質(zhì)是基于區(qū)域現(xiàn)狀基底分析的土地利用格局優(yōu)化，并建立面向區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)空間管制機(jī)制。盡管目前尚無(wú)體系化的理論框架和研究方法來(lái)支撐綜合水安全格局的研究，但以景觀要素空間配置和格局優(yōu)化為手段的生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施及與之相關(guān)的理念，如綠色通道、綠帶和生境網(wǎng)絡(luò)等，為水安全格局的構(gòu)建提供了一定的理論支持。生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的概念最早見(jiàn)于聯(lián)合國(guó)科教文組織“人與生物圈計(jì)劃”1984年發(fā)布的生態(tài)城市規(guī)劃報(bào)告中，2002年被我國(guó)學(xué)者引入國(guó)內(nèi)[22]；該概念強(qiáng)調(diào)優(yōu)先保護(hù)和建設(shè)重要的生態(tài)資源和維系生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵性格局[23]。水作為生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的核心要素之一，水安全格局的構(gòu)建被視為生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要途徑之一，即通過(guò)對(duì)匯水節(jié)點(diǎn)、河道、濕地和潛在洪水淹沒(méi)范圍等要素的空間規(guī)劃與優(yōu)化配置，構(gòu)建不同層次等級(jí)的生態(tài)節(jié)點(diǎn)、生態(tài)廊道和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)水景觀的連通和格局的優(yōu)化，發(fā)揮防洪和水源保護(hù)等多項(xiàng)服務(wù)功能，提升區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)健康與安全水平。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者基于生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施理念研究水安全格局的案例仍較為鮮見(jiàn)，僅有陳璐青等基于防洪標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)河流生態(tài)影響最小化原則進(jìn)行濱水地區(qū)岸線規(guī)劃，通過(guò)優(yōu)化水系結(jié)構(gòu)、連通河湖水系，增加蓄洪空間提高抗洪能力的途徑來(lái)保障濱水區(qū)域的水安全[24]；許宏福等從水系統(tǒng)整體出發(fā)，在對(duì)大冶湖生態(tài)新區(qū)流域特征及其生態(tài)敏感性分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建了耦合水功能區(qū)、匯水廊道、匯水節(jié)點(diǎn)和潛在洪水淹沒(méi)范圍的水安全格局[25]。

水安全格局構(gòu)建的目的在于維持區(qū)域生態(tài)格局與過(guò)程、提升生態(tài)恢復(fù)力，最終促進(jìn)人居環(huán)境改善等人類(lèi)福祉增益。區(qū)域生態(tài)安全格局的構(gòu)建則往往伴隨對(duì)具有某種重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的土地進(jìn)行保護(hù)，在我國(guó)各層次區(qū)域規(guī)劃實(shí)踐中，不同尺度、不同類(lèi)型的自然保護(hù)區(qū)、生態(tài)功能區(qū)、主體功能區(qū)和生態(tài)節(jié)點(diǎn)、軸線、廊道及其空間組合規(guī)劃，對(duì)于水安全格局的構(gòu)建也是一種有益探索。近年來(lái)在我國(guó)重點(diǎn)推進(jìn)的生態(tài)功能區(qū)劃與主體功能區(qū)規(guī)劃，水一直是被關(guān)注的核心生態(tài)要素[26]。并且，由于以反映生態(tài)系統(tǒng)綜合特征和功能為目的生態(tài)區(qū)劃和主體功能區(qū)規(guī)劃單元往往不能直接作為水資源管理的空間單元，國(guó)家在生態(tài)區(qū)劃的基礎(chǔ)上還進(jìn)一步開(kāi)展了流域水生態(tài)功能分區(qū)、水環(huán)境功能區(qū)劃、水生態(tài)區(qū)劃等研究，并在遼河[27]、太湖[28]等地進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。這些工作為開(kāi)展水安全格局的研究和實(shí)踐奠定了良好的基礎(chǔ)，也為我國(guó)水資源的科學(xué)管理積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)；但是，現(xiàn)有水生態(tài)區(qū)劃重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)水體的資源功能、環(huán)境質(zhì)量，忽視水文調(diào)節(jié)、洪水調(diào)蓄等非供給類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，且對(duì)非水體的水源涵養(yǎng)功能關(guān)注不足?？傮w來(lái)說(shuō)，生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和各類(lèi)功能區(qū)劃分等工作的開(kāi)展對(duì)區(qū)域水安全格局的構(gòu)建提供了一定的參考，但目前相對(duì)完整的水安全格局理論體系尚未真正建立，仍需深入探討。水安全格局構(gòu)建研究的深入開(kāi)展不僅可與生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施等相關(guān)理論互為補(bǔ)充，還可為區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建及自然區(qū)劃、生態(tài)功能區(qū)劃等工作提供服務(wù)，共同為我國(guó)城市化進(jìn)程的安全有序推進(jìn)提供空間保障。

2.2水安全格局構(gòu)建方法

目前，水安全格局研究尚處于探索階段，如何合理選擇和表征區(qū)域水安全格局的量化因子是當(dāng)前迫切需要突破的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。盡管水安全格局構(gòu)建尚無(wú)統(tǒng)一范式，但已有研究大多從水資源保有量與洪澇規(guī)避兩方面選取相關(guān)定量指標(biāo)并關(guān)注其空間可視化。例如，蘇泳嫻等在防洪安全格局構(gòu)建的基礎(chǔ)上疊加水源地保護(hù)區(qū)構(gòu)建水安全格局[29]；俞孔堅(jiān)等綜合疊加水源涵養(yǎng)區(qū)和冰川、濕地空間分布構(gòu)建了國(guó)土尺度上的水源涵養(yǎng)安全格局,進(jìn)而選取洪水淹沒(méi)范圍、湖泊、濕地和蓄滯洪區(qū)等指標(biāo)度量洪水調(diào)控安全格局[30]；在區(qū)域尺度上，綜合考量徑流、雨洪淹沒(méi)、歷史洪澇災(zāi)害和地下水補(bǔ)給適宜性構(gòu)建了北京市水安全格局[31]；李詠紅等綜合考慮水源涵養(yǎng)功能和城市水源、洪水調(diào)蓄、湖泊水庫(kù)水源集水區(qū)以及河岸帶等要素構(gòu)建成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)水安全格局[32]；曹艷群等則在河流、濕地、徑流和洪澇易發(fā)區(qū)等要素敏感性分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建了長(zhǎng)沙市蘇圫垸水安全格局[33]。

綜上可以看出，水資源安全格局構(gòu)建大多圍繞飲用水源地保護(hù)區(qū)、水源涵養(yǎng)功能及冰川、湖泊、濕地、河流等水體分布因素；水災(zāi)害規(guī)避安全格局構(gòu)建則主要考慮洪澇淹沒(méi)范圍、洪水源匯點(diǎn)與河湖緩沖區(qū)等因素；由于水環(huán)境系統(tǒng)以及水陸交互作用機(jī)理的復(fù)雜性，水環(huán)境安全格局的研究相對(duì)滯后，當(dāng)前主要開(kāi)展基于源匯景觀的水環(huán)境污染分析[34]與河湖重點(diǎn)敏感岸段識(shí)別[35]，如何基于河湖水環(huán)境敏感性構(gòu)建水環(huán)境安全格局成為未來(lái)研究的重點(diǎn)趨向之一。總體來(lái)看，為數(shù)不多的既有研究為水安全格局構(gòu)建提供了一定的思路借鑒，但按照綜合水安全格局的概念內(nèi)涵，水安全格局的度量應(yīng)當(dāng)包含水資源、水環(huán)境和水災(zāi)害規(guī)避3個(gè)單一維度的安全格局；然而，當(dāng)前已有研究多集中在水資源安全格局、水災(zāi)害規(guī)避安全格局等單一維度或兩者的整合上，對(duì)綜合水安全格局構(gòu)建指標(biāo)缺乏系統(tǒng)梳理，且忽視了水安全空間格局與其他生態(tài)過(guò)程的相互作用機(jī)制，缺乏與所在區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的耦合關(guān)聯(lián)分析。值得關(guān)注的是，武彤等綜合考慮了雨洪安全、水質(zhì)安全和水環(huán)境安全3個(gè)層面構(gòu)建了哈爾濱市阿城區(qū)綜合水安全格局，但不足的是，選取指標(biāo)相對(duì)單一，且水環(huán)境安全格局的構(gòu)建僅考慮了水源地保護(hù)和河流水系要素，未能將水質(zhì)指標(biāo)納入綜合水安全研究[36]。

對(duì)比分析相關(guān)研究案例，可以發(fā)現(xiàn)，盡管水安全格局構(gòu)建視角、方法各異，但均包含適宜性評(píng)價(jià)、過(guò)程分析與模擬、空間識(shí)別與可視化表達(dá)三個(gè)核心步驟。其中，適宜性評(píng)價(jià)是區(qū)域水安全格局構(gòu)建的基礎(chǔ)，主要基于區(qū)域環(huán)境本底，定量評(píng)價(jià)區(qū)域開(kāi)發(fā)利用的適宜性及制約因素等；過(guò)程分析與模擬是水安全格局構(gòu)建的核心環(huán)節(jié)，一般結(jié)合GIS技術(shù)手段對(duì)洪水淹沒(méi)、地表徑流等自然過(guò)程進(jìn)行定量分析和模擬；空間識(shí)別則主要識(shí)別保護(hù)的“源”和對(duì)保障生態(tài)過(guò)程具有重要意義的空間要素與格局，是水安全格局構(gòu)建過(guò)程中數(shù)據(jù)分析、結(jié)果表達(dá)等必不可少的步驟。

綜上所述，可以認(rèn)為當(dāng)前水安全格局構(gòu)建的理論和指標(biāo)體系尚不成熟，水安全格局對(duì)于水安全的保障機(jī)理還有待進(jìn)一步深入探討；并且，不同地區(qū)面臨的水安全問(wèn)題不同，生態(tài)安全基底條件與特征需求也不盡相同，其水安全格局的構(gòu)建方法、途徑亦會(huì)有所差異，如何建立具有區(qū)域特色的水安全格局空間直觀模型為區(qū)域水安全的動(dòng)態(tài)模擬和情景預(yù)測(cè)提供定量支持，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)方向。

3區(qū)域水安全格局構(gòu)建概念框架

基于景觀生態(tài)學(xué)格局-過(guò)程互饋理論和地理學(xué)區(qū)域綜合視角，以GIS空間分析為技術(shù)支撐，針對(duì)區(qū)域水安全問(wèn)題，通過(guò)從空間格局上定量刻畫(huà)水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)景觀要素特征，可以定量分析水生態(tài)過(guò)程與關(guān)聯(lián)景觀要素空間格局、區(qū)域地理背景的相互作用機(jī)理，判別維護(hù)上述過(guò)程安全的關(guān)鍵景觀要素及其空間格局，識(shí)別水資源利用、水環(huán)境保護(hù)和水災(zāi)害規(guī)避3個(gè)單一維度的安全格局，并在對(duì)單一安全格局進(jìn)行耦合關(guān)聯(lián)探討的基礎(chǔ)上，采用多準(zhǔn)則決策分析模型構(gòu)建區(qū)域綜合水安全格局。

3.1水資源安全格局

水資源安全格局是指土地利用格局中保障區(qū)域人類(lèi)社會(huì)合理的生產(chǎn)、生活用水，并維持自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和過(guò)程生態(tài)用水的特定景觀類(lèi)型或關(guān)鍵空間位置。水資源安全格局側(cè)重關(guān)注水資源量問(wèn)題，水資源匱乏和不合理分配都會(huì)導(dǎo)致一系列問(wèn)題的出現(xiàn)。水源涵養(yǎng)區(qū)是清潔水的來(lái)源，體現(xiàn)著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的增益過(guò)程，因而，水源涵養(yǎng)區(qū)和其他對(duì)水源涵養(yǎng)功能具有重要影響的要素或位置是水資源安全格局構(gòu)建不可或缺的因子。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中，城市雨水資源再利用不僅能夠緩解城市排水系統(tǒng)的壓力，同時(shí)也在一定程度上補(bǔ)充了社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量，在這一領(lǐng)域，德國(guó)、美國(guó)和日本等國(guó)的雨水資源收集、處理及再利用體系為我國(guó)提供了重要參考[37]；以供水為目的的雨水集流系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)和貯水系統(tǒng)等設(shè)施用地亦應(yīng)在小尺度水資源安全格局考慮范疇之內(nèi)。因此，水資源安全格局構(gòu)建可以綜合考慮水源涵養(yǎng)區(qū)、河湖濕地分布、雨水再利用設(shè)施空間布局和地表、地下水儲(chǔ)量等指標(biāo)，采用多要素加權(quán)疊置實(shí)現(xiàn)。

在水資源安全格局構(gòu)建中，水源涵養(yǎng)區(qū)的識(shí)別至關(guān)重要，一般通過(guò)多指標(biāo)定量評(píng)估區(qū)域水源涵養(yǎng)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，基于水量平衡原理的InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型水源涵養(yǎng)模塊為定量評(píng)估水源涵養(yǎng)功能提供了有益補(bǔ)充。InVEST模型目前在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，其中的水源涵養(yǎng)模塊在維拉米特河流域[38]、非洲西部加納和科特迪瓦[39]等地被用于模擬不同情景下的產(chǎn)水量，為自然資本管理提供依據(jù)。國(guó)內(nèi)近年來(lái)相繼有學(xué)者用其定量評(píng)估了瀾滄江流域[40]、北京山區(qū)[41]、都江堰市[42]等地水源涵養(yǎng)功能，研究表明InVEST模型在我國(guó)區(qū)域水源涵養(yǎng)功能評(píng)估方面具有良好的適用性。

3.2水環(huán)境安全格局

水環(huán)境安全格局構(gòu)建是指在明晰區(qū)域內(nèi)各片區(qū)、河段水環(huán)境問(wèn)題及其產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，識(shí)別有利于區(qū)域水質(zhì)水環(huán)境質(zhì)量維持或改善的關(guān)鍵空間位置及其土地利用/覆被配置，進(jìn)而構(gòu)筑由江河廊道、匯水點(diǎn)、濕地等共同組成的多層次水環(huán)境安全管控網(wǎng)絡(luò)，從空間布局上實(shí)現(xiàn)點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染分級(jí)調(diào)控。根據(jù)區(qū)域景觀格局特征合理規(guī)劃和配置景觀要素，保持一定的生態(tài)廊道維持景觀連接度的景觀優(yōu)化理論，目前被認(rèn)為在水污染防控和水環(huán)境治理方面有著廣闊的應(yīng)用前景[43]。例如，Sepplet應(yīng)用GIS和景觀空間分異模型嘗試解決美國(guó)南部Hunting creek小流域的水污染控制問(wèn)題[44]；在國(guó)內(nèi)，自然景觀與人工景觀此消彼長(zhǎng)的景觀格局演變對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)已得到證實(shí)[45]，但運(yùn)用景觀規(guī)劃手段改善河流水環(huán)境的研究仍很少見(jiàn)，只有周璟等根據(jù)流域水環(huán)境現(xiàn)狀對(duì)沁河流域進(jìn)行水環(huán)境約束分區(qū)并提出了相應(yīng)的景觀格局優(yōu)化方案，以有效阻止污染物空間擴(kuò)散、保障水環(huán)境安全[46]。

水環(huán)境安全格局的構(gòu)建是運(yùn)用可持續(xù)發(fā)展的流域綜合整治策略與生態(tài)規(guī)劃理念，結(jié)合流域水質(zhì)分析及水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)，識(shí)別水環(huán)境敏感區(qū)域、污染物源頭和輸污路徑，繼而劃定污染源重點(diǎn)控制區(qū)和重點(diǎn)輸污生態(tài)控制線來(lái)實(shí)現(xiàn)。污染源重點(diǎn)控制區(qū)管控，主要是對(duì)流域水環(huán)境污染有重要影響的地類(lèi)、岸段與支流河口進(jìn)行重點(diǎn)防治，控制污染源頭，防止污染物進(jìn)一步擴(kuò)散；同時(shí)，對(duì)維持生物多樣性與生態(tài)完整性有重要作用的支流、濕地、水庫(kù)等景觀類(lèi)型實(shí)施重點(diǎn)保護(hù)。對(duì)徑流污染物擴(kuò)散、遷移有重要意義的溝渠、水道等景觀單元，通過(guò)建立輸污生態(tài)控制線，實(shí)現(xiàn)污染物輸送路徑的有效管控以削減入河污染負(fù)荷。水環(huán)境安全格局的構(gòu)建將在區(qū)域內(nèi)形成包含廊道、節(jié)點(diǎn)和重點(diǎn)保護(hù)斑塊在內(nèi)的水網(wǎng)恢復(fù)體系，在改善流域水質(zhì)和水環(huán)境的同時(shí)發(fā)揮水源涵養(yǎng)、調(diào)節(jié)洪峰、生物多樣性維持和景觀連通作用，最終實(shí)現(xiàn)水環(huán)境要素在區(qū)域?qū)用娴慕y(tǒng)籌管理。

3.3水災(zāi)害規(guī)避安全格局

在全球各類(lèi)自然災(zāi)害造成的損失中，洪水占40%[11]。由于其發(fā)生頻數(shù)高、損失大、影響范圍廣和巨大的危害性，使得洪澇災(zāi)害具有極高的關(guān)注度，其合理規(guī)避也成為水安全研究的核心目標(biāo)之一。水災(zāi)害規(guī)避安全格局的構(gòu)建從整個(gè)區(qū)域出發(fā)，識(shí)別并控制對(duì)防洪排澇具有關(guān)鍵意義的區(qū)域和空間位置，建立流域水文管理與蓄滯洪系統(tǒng)，從而使洪水自然宣泄具備充足的空間，最大程度減少洪澇災(zāi)害造成的自然或社會(huì)損失。目前，國(guó)際上越來(lái)越認(rèn)識(shí)到單一工程措施防洪能力的有限性[47]，而通過(guò)合理規(guī)劃區(qū)域河湖水網(wǎng)，發(fā)揮自然生態(tài)系統(tǒng)泄、排、蓄、滯的水文調(diào)節(jié)功能，已成為當(dāng)前防洪減災(zāi)研究的重要趨向，海綿城市建設(shè)理念的提出就是雨洪利用理論的創(chuàng)新和發(fā)展[48]。洪水淹沒(méi)范圍作為洪水匯集區(qū)，是洪水水情、地形地貌、土壤性質(zhì)和防洪基礎(chǔ)設(shè)施綜合影響之下的結(jié)果。河流、湖泊、水庫(kù)、坑塘等濕地系統(tǒng)則在調(diào)洪蓄洪方面具有重要作用，是流域防洪系統(tǒng)的重要組成部分。區(qū)域水災(zāi)害規(guī)避安全格局的構(gòu)建，需要重點(diǎn)考慮上述兩方面因素。

目前，洪水淹沒(méi)范圍的模擬主要包括經(jīng)驗(yàn)水文模型和水動(dòng)力數(shù)值法，但前者難以模擬洪水動(dòng)態(tài)過(guò)程和空間分布，后者計(jì)算方法和過(guò)程復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理難度大，因此兩者的使用均受到了較大限制[11]。近年來(lái)，基于GIS的空間分析則為洪水模擬與風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別提供了一種新途徑，劉仁義等提出了有源淹沒(méi)、無(wú)源淹沒(méi)兩種情形下復(fù)雜地形洪水淹沒(méi)區(qū)的種子蔓延算法[49]，丁志雄等[50]、劉小生等[51]分別運(yùn)用GIS格網(wǎng)、不規(guī)則三角網(wǎng)模型模擬不同地區(qū)洪水淹沒(méi)范圍。因此，可采用GIS洪水模型模擬洪水溢出過(guò)程，確定積水深度和淹沒(méi)面積，并參照歷史洪澇災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行模型修正，綜合確定洪澇淹沒(méi)范圍；對(duì)于具有調(diào)蓄功能的湖泊濕地，設(shè)置一定寬度的河湖緩沖帶是規(guī)避洪澇災(zāi)害、減少損失的有效方法之一，而緩沖帶的長(zhǎng)度與寬度設(shè)置需要根據(jù)河湖大小級(jí)別、所處的地形等因素綜合確定。將洪水淹沒(méi)范圍、河湖緩沖區(qū)分析結(jié)果和蓄滯洪區(qū)空間圖層加權(quán)疊置，即可構(gòu)建區(qū)域水災(zāi)害規(guī)避安全格局。

3.4綜合水安全格局

區(qū)域綜合水安全格局的構(gòu)建是在社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)耦合作用下，根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)具體的生態(tài)環(huán)境特征，以水資源利用、水環(huán)境保護(hù)和水災(zāi)害規(guī)避三個(gè)單一的安全格局為基礎(chǔ)，綜合分析、交互權(quán)衡而成，是對(duì)維系區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)性具有關(guān)鍵意義的景觀斑塊與廊道的識(shí)別與優(yōu)化。目前，已有研究大多采用等權(quán)重法空間疊置來(lái)構(gòu)建綜合水安全格局[29- 32]，該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便易用，但不同區(qū)域面臨的水安全問(wèn)題不同，水安全格局構(gòu)建的指標(biāo)體系選取相應(yīng)存在差異；即使在同一個(gè)區(qū)域，不同類(lèi)型的水安全問(wèn)題也會(huì)有程度上的差異，因此等權(quán)重法無(wú)法體現(xiàn)出部分對(duì)于整體評(píng)價(jià)目標(biāo)的貢獻(xiàn)量值，且忽略了各指標(biāo)間相互聯(lián)系與影響，不盡合理。

多準(zhǔn)則決策分析(Multi-Criteria Decision Analysis, MCDA)則提供了綜合考慮多種因素、多重標(biāo)準(zhǔn)前提下進(jìn)行方案決策分析的有效方法，并能結(jié)合GIS靈活實(shí)現(xiàn)結(jié)果的空間可視化表達(dá)。MCDA的核心環(huán)節(jié)在于整合多個(gè)單一指標(biāo)形成一個(gè)綜合指標(biāo)，指標(biāo)權(quán)重確定仍是問(wèn)題的關(guān)鍵所在。目前，權(quán)重的賦予有主觀、客觀賦權(quán)法兩種，其中主觀賦權(quán)法能夠基本表征指標(biāo)的重要性差異，但其缺點(diǎn)是根據(jù)主觀經(jīng)驗(yàn)判斷、客觀性相對(duì)較差；客觀賦權(quán)法一般通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)原始值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析而得，權(quán)重的確定不受評(píng)價(jià)者主觀判斷影響、客觀性強(qiáng)，但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)模型結(jié)果與實(shí)際情況相反的情況[52]。因此，各類(lèi)權(quán)重賦予法各有優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)范圍，在選用時(shí)應(yīng)當(dāng)依據(jù)區(qū)域水安全問(wèn)題及研究目標(biāo)的不同合理選取。

圖1　區(qū)域綜合水安全格局構(gòu)建框架Fig.1　The conceptual framework of regional water security patterns

一般而言，區(qū)域綜合水安全格局構(gòu)建可歸納為以下四方面的主要環(huán)節(jié)(圖1)：(1)區(qū)域水安全問(wèn)題診斷與識(shí)別。從資源、環(huán)境和災(zāi)害的視角對(duì)區(qū)域水安全問(wèn)題進(jìn)行識(shí)別與分析，并相應(yīng)診斷其威脅來(lái)源；(2)單一過(guò)程水安全格局構(gòu)建。選擇有代表性、針對(duì)性的指標(biāo)，采用多要素加權(quán)疊置法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，構(gòu)建單一過(guò)程水安全格局；(3)區(qū)域綜合水安全格局構(gòu)建。在3個(gè)單一安全格局基礎(chǔ)上，采用多準(zhǔn)則決策分析模型與綜合交互權(quán)衡方法，結(jié)合GIS空間分析構(gòu)建區(qū)域綜合水安全格局；(4)分級(jí)分類(lèi)管理體系建立。按照一定的安全標(biāo)準(zhǔn)劃分水安全等級(jí)體系，實(shí)施有針對(duì)性的水安全管理策略，使不同等級(jí)、不同類(lèi)型的水安全格局組分在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)中的效益得到最大發(fā)揮，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域水安全格局的分級(jí)管理和分類(lèi)整合。

4結(jié)語(yǔ)

目前，水安全問(wèn)題的解決迫在眉睫，已成為國(guó)際學(xué)術(shù)界和公眾關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題之一；而單純的水安全問(wèn)題診斷、評(píng)價(jià)顯然不足以解決區(qū)域所面臨的復(fù)雜水安全問(wèn)題，尤其需要空間格局的水安全保障。構(gòu)建水安全格局是有效解決區(qū)域水安全問(wèn)題的重要途徑，也是未來(lái)區(qū)域生態(tài)安全研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，但目前其基礎(chǔ)理論和技術(shù)方法等尚不成熟。本文初步明晰了水安全格局的概念內(nèi)涵，并在系統(tǒng)梳理水安全格局相關(guān)研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，基于景觀生態(tài)學(xué)格局-過(guò)程互饋理論與地理學(xué)區(qū)域集成視角，提出基于資源利用、環(huán)境保護(hù)和災(zāi)害規(guī)避等多視角耦合的區(qū)域綜合水安全格局構(gòu)建概念框架。

為了更好地滿(mǎn)足適應(yīng)性水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理的需求、切實(shí)應(yīng)對(duì)區(qū)域水安全問(wèn)題，水安全格局研究有待重點(diǎn)推進(jìn)以下兩個(gè)方面的內(nèi)容：①理論與方法體系的深入探討。需要重點(diǎn)深化區(qū)域水安全格局的概念內(nèi)涵，明晰水安全格局構(gòu)建的指標(biāo)體系及其等級(jí)閾值，并根據(jù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)區(qū)域生態(tài)安全的新要求進(jìn)行水安全格局的動(dòng)態(tài)優(yōu)化；②多學(xué)科交叉與融合。區(qū)域水安全格局研究涉及生態(tài)、環(huán)境、資源、災(zāi)害、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等多學(xué)科領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科知識(shí)體系的融合與不同方法、技術(shù)手段的集成應(yīng)用是其客觀需要；而基于GIS技術(shù)綜合集成，依托多學(xué)科專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)充分發(fā)揮模型模擬在水安全格局研究中的預(yù)測(cè)、解釋功能，則是當(dāng)前區(qū)域水安全格局構(gòu)建的現(xiàn)時(shí)需要和發(fā)展趨勢(shì)。

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基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(41271195)

收稿日期:2015- 03- 26;

修訂日期:2015- 07- 29

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: jianpeng@urban.pku.edu.cn

DOI:10.5846/stxb201503260580

Progress and conceptual framework of regional water security pattern construction

PENG Jian1,2,*, ZHAO Huijuan2, LIU Yanxu1, DU Yueyue1

1LaboratoryforEarthSurfaceProcesses,MinistryofEducation,CollegeofUrbanandEnvironmentalSciences,PekingUniversity,Beijing100871,China2KeyLaboratoryforEnvironmentalandUrbanSciences,SchoolofUrbanPlanningandDesign,ShenzhenGraduateSchool,PekingUniversity,Shenzhen518055,China

Abstract：With the background of global change, ecological security has become an increasingly prominent issue and has been an important constraint to economic development and social stability. As serious problems in ecological security have increased, ecological security pattern is receiving widespread attention, particularly in the field of macroscopic ecology. Water security pattern is an important part of the ecological security pattern, and a complete understanding of the pattern would be useful in policymaking. It would also help in solving the problem of water security by providing spatial identification and protection. However, previous researches have not provided a clear definition of water security pattern, and this may be partly because of insufficient focus on it. Therefore, its theoretical basis, methodology, and assessment indicators are important factors that need to be explored further. A new approach is necessary to carry out an in-depth study that will be helpful for further enhancing the process of urbanization and protecting natural ecosystems in China. In this study, the similarities and differences between water security and related concepts such as water resource security, water environmental security, flood evasion security, and water ecological security were compared and analyzed. The results were then integrated with water security data from a multi-disciplinary perspective. Based on the comprehensive view, a fundamental concept of regional water security pattern was also defined. From a narrow point of view, it can be defined as the key landscape elements aiming to protect regional water security. From multidisciplinary and wide points of view, water security pattern construction can be defined as the regional landscape pattern optimization and optimal allocation of land resources. Regional water security pattern is concerned with ensuring a stable supply of regional water resources and maintaining the quality of the water environment, and at the same time, with avoiding disasters related to water to the greatest extent. The latest progress in development procedure and research methodology of water security pattern construction was systematically sorted, and the results indicated that the trend of research was changing from quantitative evaluation to spatial analysis. The focus on construction of water environmental security pattern was insufficient in previous studies. Moreover, there was an urgent requirement for analyzing relationships between water security pattern and social-economic-nature ecosystems. Therefore, supported by a spatial analysis and the InVEST model, a three-dimensional water security pattern, which included water resources security, water environmental security, and flood evasion security, was proposed. An integrated framework for regional water security pattern construction was also introduced on the basis of the three single dimensional water security patterns obtained from the multi-criteria decision analysis (MCDA) model. This new approach would be a great help to guarantee and promote China′s water security in the process of urbanization.

Key Words:water security patterns; water resource security; water environmental security; flood evasion security; conceptual framework; research progress

彭建，趙會(huì)娟，劉焱序，杜悅悅.區(qū)域水安全格局構(gòu)建：研究進(jìn)展及概念框架.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(11):3137- 3145.

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