基于情景模擬的閩三角城市群承洪適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及規(guī)劃響應(yīng)策略

2022-08-11 06:41:34王倩雯

水利學(xué)報(bào) 2022年7期

王倩雯，田健，曾堅(jiān)，2，王寧，3

(1.天津大學(xué) 建筑學(xué)院，天津 300072；2.中國城市科學(xué)研究會(huì)韌性城市專業(yè)委員會(huì)，天津 300072；3.廈門市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建廈門 361012)

1 研究背景

隨著全球氣候變暖和城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，強(qiáng)降雨及特大暴雨事件呈現(xiàn)增多趨勢，導(dǎo)致城市遭受極端暴雨洪澇災(zāi)害的可能性與不確定性增大。從既有研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，雖然工程防災(zāi)仍然是洪澇災(zāi)害基本且有效的防控措施，但工程手段的防御能力有其限度，在應(yīng)對小概率的極端氣象災(zāi)害時(shí)，過于依賴提高工程設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，不僅會(huì)導(dǎo)致投入與產(chǎn)出失衡，而且可能會(huì)加劇人與自然之間的矛盾。因此，在應(yīng)對超出工程設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的極端氣象災(zāi)害時(shí)，難以單純依靠工程手段消除風(fēng)險(xiǎn)，需要通過提升承災(zāi)系統(tǒng)自身韌性來尋求合理而可行的解決方案。在智慧技術(shù)的支持下，國內(nèi)外已從被動(dòng)地應(yīng)對洪澇災(zāi)害，逐步向主動(dòng)型“精細(xì)化+自適應(yīng)”的韌性承洪理念轉(zhuǎn)變[1]。提升城市的防災(zāi)韌性，探索有效應(yīng)對洪澇災(zāi)害的韌性承洪規(guī)劃方法，正成為當(dāng)前洪澇災(zāi)害防控的重要方向之一。

在應(yīng)對氣候變化的研究領(lǐng)域，韌性指“社會(huì)或生態(tài)系統(tǒng)在不改變基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)作方式的前提下，吸收干擾、自我恢復(fù)以及適應(yīng)壓力與變化的能力”[2]。韌性城市理念強(qiáng)調(diào)有機(jī)結(jié)合社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)，將其作為解決復(fù)雜城市問題的橋梁[3]，而韌性承洪理念則強(qiáng)調(diào)通過構(gòu)建承災(zāi)系統(tǒng)的多功能性、減災(zāi)設(shè)施的冗余性和生態(tài)海綿網(wǎng)絡(luò)的連通性，來實(shí)現(xiàn)城市對洪澇災(zāi)害的適應(yīng)和動(dòng)態(tài)平衡。既有研究表明，城市作為一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)，是由跨越多尺度的生態(tài)和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)組成[4]，從“生態(tài)適災(zāi)”的韌性視角出發(fā)，構(gòu)建動(dòng)態(tài)的城市適災(zāi)系統(tǒng)，并把網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為適災(zāi)系統(tǒng)“領(lǐng)域”和“要素”的重要載體[5-6]，在提高城市承洪韌性上具有重要意義。同時(shí)，在災(zāi)害過程中，生態(tài)和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越完整，能量、物質(zhì)、信息流在網(wǎng)絡(luò)中的循環(huán)越通暢，越容易提升城市御災(zāi)能力、實(shí)現(xiàn)改善人居環(huán)境的目標(biāo)[7]。部分學(xué)者嘗試應(yīng)用地理信息系統(tǒng)融合水文、水利等相關(guān)學(xué)科的技術(shù)方法，構(gòu)建并優(yōu)化多尺度洪澇災(zāi)害的預(yù)測模型[8-9]、網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)平臺(tái)[10]等，并將其應(yīng)用于確定不同尺度防洪工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或空間布局的實(shí)踐中[11-12]，為城市群承洪適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供依據(jù)或思路。

盡管韌性承洪研究已取得一定進(jìn)展，但仍然存在不足之處：(1)在研究尺度上，相較于其他獨(dú)立發(fā)展的中小城鎮(zhèn)，城市群作為城鎮(zhèn)化未來發(fā)展的主體形態(tài)，遭受洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)更高[13-14]，但已有研究大多關(guān)注城市、城市局部或特定功能區(qū)(如社區(qū)等)的適災(zāi)研究，因此構(gòu)建城市群尺度的適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)仍存在挖潛空間；(2)在研究內(nèi)容上，雖然“打破洪澇災(zāi)害防控的孤島式思維”已成為共識，但戰(zhàn)略、政策或咨詢類研究內(nèi)容偏多，仍未及時(shí)將相關(guān)學(xué)術(shù)成果轉(zhuǎn)化為指導(dǎo)城市規(guī)劃實(shí)踐的行動(dòng)指南[15]；(3)在實(shí)踐應(yīng)用上，各地對洪澇災(zāi)害防控非常重視，在長期的實(shí)踐中探索出以“以流域?yàn)閱卧薄皸l塊結(jié)合、以塊為主”的洪澇管理模式[16-17]，但在面對洪澇災(zāi)害的外溢、擴(kuò)散等問題，或大范圍極端災(zāi)害發(fā)生時(shí)，欠缺跨城市的洪澇災(zāi)害應(yīng)對思維。

鑒于此，本文基于韌性承洪理念，從閩三角城市群(以下簡稱“閩三角”)洪澇災(zāi)害系統(tǒng)構(gòu)成入手，剖析閩三角洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)格局，針對當(dāng)前洪澇災(zāi)害管理的不足和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)空間分布特征，構(gòu)建多層級“生態(tài)-社會(huì)”適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)理論框架，并提出應(yīng)對洪澇災(zāi)害的規(guī)劃響應(yīng)策略。其中，“生態(tài)適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)”旨在修復(fù)用于降低洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的“海綿城市群”生態(tài)本底；“社會(huì)適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)”旨在搭建災(zāi)害周期內(nèi)，用于人員疏散、物資輸送轉(zhuǎn)移的高效路徑，從而匹配水文-生態(tài)循環(huán)和資源流通廊道、增強(qiáng)“生態(tài)-城鎮(zhèn)”源地間和“高-低”風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)間的連接度，為緩解城市群經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和洪澇災(zāi)害的矛盾提供參考。

2 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)來源與研究思路

2.1 區(qū)域概況閩三角位于福建省東南海岸，由廈門、泉州、漳州三市及所轄區(qū)縣組成(研究范圍未包含泉州市金門縣)(圖1)。據(jù)統(tǒng)計(jì)[18]，該區(qū)域總面積占福建省總面積的20%，2020年三市常住人口、地區(qū)生產(chǎn)總值分別占福建省總量的45.74%、48.03%，即閩三角城市群社會(huì)經(jīng)濟(jì)資源高度聚集，城市群經(jīng)濟(jì)格局初具規(guī)模，是我國沿海正在崛起的三大特色經(jīng)濟(jì)群之一。但該區(qū)域地形多樣，暴雨出現(xiàn)季節(jié)跨度廣，暴雨量空間分布顯著不勻，同時(shí)位于臺(tái)風(fēng)登陸高發(fā)地，極端天氣引發(fā)的洪澇及次生、衍生災(zāi)害對城市安全構(gòu)成威脅。

注：地圖審圖號為GS(2019)1822號圖1 區(qū)位概況

2.2 數(shù)據(jù)來源研究數(shù)據(jù)主要包括氣象數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)和路網(wǎng)數(shù)據(jù)4類。氣象數(shù)據(jù)來源于中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)，采集了閩三角區(qū)域范圍內(nèi)及鄰域共14個(gè)地面氣象站1999—2017年的降水、氣溫等數(shù)據(jù)信息；土壤數(shù)據(jù)來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(Harmonized World Soil Database Version，HWSD)的中國土壤數(shù)據(jù)集(V1.1)；地形數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云GDEMDEM 30 m分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)；土地利用數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)發(fā)布的2010、2015、2017年3期30 m分辨率的土地覆蓋FROM-GLC數(shù)據(jù)集；路網(wǎng)數(shù)據(jù)來源于開源地圖OpenStreetMap。數(shù)據(jù)類型多樣導(dǎo)致柵格數(shù)據(jù)分辨率不統(tǒng)一，因此統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為適合大尺度區(qū)域分析、且數(shù)據(jù)信息保留較完整的30 m分辨率進(jìn)行計(jì)算。

2.3 生態(tài)-社會(huì)適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)理論框架洪澇災(zāi)害具有可調(diào)控性，以工程手段為主要方式的洪澇災(zāi)害防控實(shí)踐已取得積極成效。但工程手段發(fā)揮效能仍存在一定局限，在面對極端天氣事件引發(fā)超出設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的洪澇災(zāi)害時(shí)，通過構(gòu)建承洪適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)來應(yīng)對或緩解洪澇災(zāi)害災(zāi)情具有重要意義。

通過解構(gòu)洪澇災(zāi)害系統(tǒng)構(gòu)成，將區(qū)域承洪適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)分為生態(tài)-社會(huì)兩個(gè)層面。(1)在自然生態(tài)適災(zāi)系統(tǒng)層面，主要構(gòu)成要素包括生物環(huán)境要素、水文環(huán)境要素、氣候環(huán)境要素、生態(tài)生境質(zhì)量等內(nèi)容，從區(qū)域及建成區(qū)兩個(gè)空間尺度，考查生態(tài)系統(tǒng)水文調(diào)節(jié)的功能適應(yīng)度及適災(zāi)能力，修復(fù)河湖水系等生態(tài)水文循環(huán)系統(tǒng)，并結(jié)合土地利用布局，優(yōu)化綠色基礎(chǔ)設(shè)施空間結(jié)構(gòu)，增加城市內(nèi)部具有洪澇調(diào)蓄功能的生態(tài)節(jié)點(diǎn)。(2)在社會(huì)適災(zāi)應(yīng)急系統(tǒng)層面，主要構(gòu)成要素包括城鄉(xiāng)人群災(zāi)害適應(yīng)度、應(yīng)急通道流暢度、以及通道選擇冗余度等內(nèi)容，其承災(zāi)韌性能力的提升，主要涉及即時(shí)疏散密集人群、高效組織應(yīng)急疏散路線、有效縮短疏散歷時(shí)等，實(shí)現(xiàn)平災(zāi)結(jié)合的綠色防災(zāi)理念，減少災(zāi)害造成的損失，提高韌性承災(zāi)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。限于篇幅，本文僅討論耦合自然生態(tài)適災(zāi)系統(tǒng)與社會(huì)適災(zāi)應(yīng)急系統(tǒng)的構(gòu)建問題。理論架構(gòu)如圖2所示。

圖2 洪澇災(zāi)害情景下閩三角城市群生態(tài)-社會(huì)適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)理論框架

在研究的技術(shù)路線層面，具體流程如下：

(1)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的洪澇災(zāi)害情景推演。厘清構(gòu)建城市群海綿系統(tǒng)的生態(tài)本底，辨識區(qū)域洪澇風(fēng)險(xiǎn)格局，預(yù)測區(qū)域近期(2025年)和遠(yuǎn)期(2035年)各類用地轉(zhuǎn)換方向，劃分區(qū)域的生態(tài)源地、城鎮(zhèn)源地。同時(shí)，耦合生態(tài)源地的適災(zāi)能力，劃定城鎮(zhèn)承災(zāi)預(yù)警范圍，構(gòu)建國土空間適災(zāi)規(guī)劃體系。

(2)結(jié)合成本路徑計(jì)算的綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。識別流域及區(qū)域水系、濕地、城鄉(xiāng)綠色空間和城市開放空間的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，以氣象、水文、生物、生態(tài)服務(wù)等要素作為成本構(gòu)成，解析生態(tài)承洪的最小成本路徑，提煉海綿城市群生態(tài)基底，構(gòu)建區(qū)域-城市級的綠色基礎(chǔ)設(shè)施承洪體系。

(3)結(jié)合空間圖形分析的疏散通道網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建?？紤]潛在受災(zāi)人群時(shí)空分布特點(diǎn)，結(jié)合災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)格局、道路級別和疏散歷時(shí)、通道整合度和選擇度等因素，科學(xué)確定疏散起始節(jié)點(diǎn)，計(jì)算最短時(shí)間成本路徑，規(guī)劃應(yīng)對不同險(xiǎn)情、具有承洪適災(zāi)韌性的多尺度疏散通道。

(4)結(jié)合定性分析的適災(zāi)規(guī)劃，響應(yīng)策略構(gòu)建。通過圖層疊加，實(shí)現(xiàn)閩三角城市群綜合適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)多層級要素銜接，優(yōu)化區(qū)域不同屬性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的空間組合方式，整合各行政單元間分散的應(yīng)急救災(zāi)資源，提升災(zāi)區(qū)人員轉(zhuǎn)移、備災(zāi)資源集散能力，根據(jù)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)格局，有機(jī)耦合生態(tài)-社會(huì)適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2.4 基于適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的智慧技術(shù)體系該技術(shù)體系包括：處理風(fēng)險(xiǎn)辨識、分析土地利用格局演變和識別最佳網(wǎng)絡(luò)路徑的BP(Back Propagotion)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、PLUS(Patch-Generating Simulation)和MSPA(Morphalogical Spatial Pattern Analysis)模型、最小成本路徑模型和空間句法分析技術(shù)等內(nèi)容。

2.4.1 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的城市群洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)辨識技術(shù) BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是通過平行分散處理模式對源數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，對誤差進(jìn)行反向傳播修正，實(shí)現(xiàn)對洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)各類特征值的低誤差辨識。根據(jù)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)測度方法，將閩三角洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)劃分為5級，Ⅰ級代表風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級安全，Ⅴ級代表風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級為危險(xiǎn)。參考對洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)辨識的已有研究成果[18]，結(jié)合閩三角現(xiàn)實(shí)條件，提取適用于該地區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)和風(fēng)險(xiǎn)閾值，作為設(shè)置風(fēng)險(xiǎn)等級初始值的標(biāo)準(zhǔn)，并隨機(jī)選擇符合該特征值的樣本，以創(chuàng)建訓(xùn)練和測試數(shù)據(jù)集。在本研究中，以MATLAB軟件提供的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱為基礎(chǔ)，編制網(wǎng)絡(luò)建立、訓(xùn)練、測試代碼，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，確定隱含層的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，建立圖3所示的風(fēng)險(xiǎn)分類識別BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用sigmoid激活函數(shù)。運(yùn)行該網(wǎng)絡(luò)，人為類風(fēng)險(xiǎn)驗(yàn)證集總體準(zhǔn)確率為0.966，自然類風(fēng)險(xiǎn)驗(yàn)證集總體準(zhǔn)確率為0.940，表明該辨識精度較高，網(wǎng)絡(luò)性能良好。詳細(xì)運(yùn)算及驗(yàn)證過程見參考文獻(xiàn)[18]。

圖3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的閩三角城市群洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)辨識過程

2.4.2 基于PLUS模型的土地利用格局演變分析技術(shù) PLUS模型可用于預(yù)測土地利用格局演變，為識別韌性承洪的生態(tài)基底識別和矛盾斑塊的預(yù)警范圍提供技術(shù)支持。在本研究中，基于洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)辨識體系，分別設(shè)定并預(yù)測兩種極端的區(qū)域發(fā)展情景：一是以滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活質(zhì)量提升的城鎮(zhèn)發(fā)展優(yōu)先情景；二是以保障環(huán)境和維護(hù)城市安全的生態(tài)優(yōu)先情景?；谠詣?dòng)機(jī)原理改進(jìn)的PLUS模型進(jìn)行情景模擬，將兩種極端情景的模擬結(jié)果作為適災(zāi)基底和預(yù)警范圍劃定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該模型主要包括土地?cái)U(kuò)張分析策略的轉(zhuǎn)化規(guī)則挖掘框架(Land Expamsion Analysis Strategy，LEAS)，結(jié)合隨機(jī)斑塊種子機(jī)制的CA(Cellular Automata)模型，并利用隨機(jī)森林算法，推斷不同時(shí)期土地利用斑塊在用地變更驅(qū)動(dòng)因子影響下的發(fā)展概率；運(yùn)用Markov模型，計(jì)算不同情景下各類型用地需求量，模擬時(shí)空動(dòng)態(tài)下的土地利用斑塊變更結(jié)果[19-20]。其中，用地變更的驅(qū)動(dòng)因素參考文獻(xiàn)[21-22]，并結(jié)合閩三角自然資源和災(zāi)害影響因素進(jìn)行選取，主要為地形條件、土壤條件、極端降雨條件、距水源距離、距各等級道路距離、距行政機(jī)構(gòu)距離、洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布等。

2.4.3 基于MSPA模型的生態(tài)源地及城鎮(zhèn)用地分析技術(shù) MSPA模型可用于提取生態(tài)源地、城鎮(zhèn)用地和矛盾斑塊的空間要素構(gòu)成，以確定洪澇災(zāi)害防控的核心預(yù)警范圍。該方法將二進(jìn)制用地斑塊圖像分類為包含核心區(qū)、孤島、孔隙、邊緣等7種獨(dú)立的空間形態(tài)要素[23]?；贛SPA模型，提取出生態(tài)用地和城鎮(zhèn)用地要素。其中，核心區(qū)為較大的生態(tài)/城鎮(zhèn)用地斑塊，作為生態(tài)、人口、經(jīng)濟(jì)等資源流動(dòng)的“源”；邊緣為核心區(qū)和其它區(qū)域之間的過渡區(qū)域；孔隙為內(nèi)部斑塊的邊緣，起邊緣效應(yīng)；孤島為獨(dú)立、破碎的小型斑塊；環(huán)道、橋接和分支為資源流動(dòng)、聯(lián)通的主要廊道。計(jì)算過程依托Guidos Toolbox平臺(tái)進(jìn)行輔助。

2.4.4 基于空間句法的應(yīng)急疏散通道通達(dá)性分析技術(shù) 空間句法用于判斷閩三角潛在疏散通道的可達(dá)性和通達(dá)性?；诟咚?、國道、省道、縣道四級交通網(wǎng)絡(luò)作為區(qū)域潛在疏散通道的構(gòu)建要素，選擇能夠表達(dá)已有路網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中心和空間組構(gòu)變化的空間句法軸線模型，分別計(jì)算區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)的整合度和選擇度，并將其作為疏散通道網(wǎng)絡(luò)的核心參考要素之一?；贒epthmap平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算，對投影相交但實(shí)際不相交的疏散通道進(jìn)行Unlink處理。

2.4.5 基于最小成本路徑模型和改進(jìn)的引力模型分析方法最小成本路徑模型用于確定適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間所耗費(fèi)的最小累計(jì)成本值，改進(jìn)的引力模型用于對生成的成本路徑網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校正和簡化。

首先，基于綜合成本柵格，利用GIS空間分析工具Cost Distance分別計(jì)算閩三角全域和建成區(qū)多級節(jié)點(diǎn)間的最小成本路徑。其次，由于最小成本路徑生成的網(wǎng)絡(luò)數(shù)量較多、聯(lián)系復(fù)雜，且各節(jié)點(diǎn)間的適災(zāi)潛力和聯(lián)系程度有所差異，并非所有廊道均具有均質(zhì)的資源流動(dòng)、遷移能力，因此，參考由牛頓萬有引力定律引申變形的引力模型(又稱“相互作用模型”)在人文地理和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建領(lǐng)域的應(yīng)用[24]，結(jié)合適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成要素特征，判斷各節(jié)點(diǎn)間相互聯(lián)系強(qiáng)度，對各路徑的重要性進(jìn)行遴選，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。算法如下：

(1)

式中：Gab為a節(jié)點(diǎn)和b節(jié)點(diǎn)間的引力強(qiáng)度；K為引力常數(shù)，取值為1；i為距離間的摩擦系數(shù)，研究表明，i=2時(shí)可解釋城市體系空間聯(lián)系狀態(tài)[24]；Na和Nb分別為節(jié)點(diǎn)a和b的權(quán)重，即節(jié)點(diǎn)所在的班塊規(guī)模；Dab為節(jié)點(diǎn)a和b之間的相對空間距離，算法如下：

(2)

式中：Lab為節(jié)點(diǎn)a、b間的點(diǎn)距離；Lmax為研究范圍內(nèi)各節(jié)點(diǎn)間的最大距離，采用近鄰分析工具對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

其它輔助計(jì)算方法的原理可查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)，因篇幅限制不在此贅述。

3 閩三角的生態(tài)-社會(huì)適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)解析

3.1 閩三角“生態(tài)-社會(huì)”的適災(zāi)基底與預(yù)警范圍基于MSPA模型分別統(tǒng)計(jì)閩三角現(xiàn)狀(2017年)生態(tài)用地和城鎮(zhèn)用地各類空間形態(tài)結(jié)構(gòu)的占比，結(jié)果如圖4所示。生態(tài)用地各類型斑塊占區(qū)域總面積的69.26%，具有良好的生態(tài)基底。核心區(qū)占生態(tài)用地比例和完整性最高，該區(qū)代表具有穩(wěn)定生態(tài)供給價(jià)值和保障水文循環(huán)的綠色空間，是區(qū)域生態(tài)源地所在，占區(qū)域總面積的53.34%。生態(tài)源地空間特征表明閩三角具有構(gòu)建生態(tài)適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)的基底，但是生態(tài)資源分布不均，沿海生態(tài)斑塊規(guī)模小且分散，要素流通不暢。城鎮(zhèn)用地各類型斑塊占總面積的12.13%，以核心區(qū)為代表的城鎮(zhèn)源地分布散亂，斑塊間缺少連接型要素，邊緣和分支類型占比較重。城鎮(zhèn)用地斑塊破碎化導(dǎo)致城鎮(zhèn)空間和生態(tài)空間邊緣交接區(qū)域占比增大，容易對生態(tài)源地形成脅迫，導(dǎo)致局地氣候變化、生境質(zhì)量退化、水土流失、水循環(huán)失衡[25]，從而提高洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，邊緣交接區(qū)域不僅為城市集聚、擴(kuò)散的前沿地帶，也是基礎(chǔ)設(shè)施、管理服務(wù)的薄弱地帶[26]，增加了洪澇災(zāi)害防控資源投放的復(fù)雜度。

圖4 源地識別與土地利用演變預(yù)測

圖5 基于PLUS模型的多情景土地利用預(yù)測

由于城鎮(zhèn)邊緣區(qū)用地混雜，且大多位于行政管轄邊界，生態(tài)、城市、災(zāi)害系統(tǒng)間缺乏有效協(xié)調(diào)機(jī)制，城市災(zāi)害管理效能較低[27]，因此，以自然資源部制定的《市級國土空間總體規(guī)劃編制指南》(試行)(2020年9月)中界定的規(guī)劃年限為依據(jù)(即近期至2025年，遠(yuǎn)期至2035年)，應(yīng)用PLUS模型，對閩三角生態(tài)安全優(yōu)先和城鎮(zhèn)發(fā)展優(yōu)先情景的土地利用格局演變進(jìn)行預(yù)測(圖5)。兩種情景表征了犧牲生態(tài)保護(hù)或犧牲城鎮(zhèn)發(fā)展的極端情況。遵循我國總體安全觀，介于兩極端情景之間的統(tǒng)籌發(fā)展情景更具可持續(xù)性，因此，在兩種極端情景的同期發(fā)展格局中，斑塊屬性不一致的區(qū)域應(yīng)作為適災(zāi)調(diào)控的預(yù)警斑塊，即在發(fā)展決策過程中，對該類斑塊的屬性和用途需要進(jìn)行重點(diǎn)研判，通過對城鎮(zhèn)發(fā)展價(jià)值和生態(tài)防災(zāi)成本的評估，以降低城市源地和生態(tài)源地邊界的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

將兩種極端發(fā)展情景下的城鎮(zhèn)源地與生態(tài)源地?cái)?shù)據(jù)圖層進(jìn)行疊加分析，提取沖突斑塊。其中，同類源地的重疊區(qū)域代表處于穩(wěn)定狀態(tài)的城鎮(zhèn)源地或生態(tài)源地；未重疊區(qū)域?yàn)樵谖磥沓鞘杏玫亻_發(fā)過程中，源地屬性存在矛盾的斑塊，反映了閩三角城鎮(zhèn)開發(fā)建設(shè)(城鎮(zhèn)源地)與生態(tài)適災(zāi)資源(生態(tài)源地)具有潛在沖突的不穩(wěn)定區(qū)域，因此將其劃定為洪澇災(zāi)害防控的預(yù)警范圍(圖6)。疊加結(jié)果顯示(圖7)，沖突斑塊類型構(gòu)成中，核心區(qū)占總面積的57.26%，主要分布在“山-城”交界線附近，其次為橋接(5.09%)、孔隙(4.77%)等具有連接屬性的斑塊結(jié)構(gòu)，大多分布于城鎮(zhèn)源地和生態(tài)源地腹地。

圖6 源地與預(yù)警范圍

圖7 沖突斑塊構(gòu)成類型

3.2 基于閩三角綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生態(tài)適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)解析

3.2.1 綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的多層級節(jié)點(diǎn)識別根據(jù)洪澇災(zāi)害系統(tǒng)構(gòu)成、水文循環(huán)與綠色基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)系，將綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建成本歸納為生態(tài)要素、水源要素和生境質(zhì)量要素對應(yīng)的7項(xiàng)指標(biāo)(圖8)。生態(tài)要素主要為區(qū)域生態(tài)資源，以及區(qū)域交通干道中具有水文循環(huán)作用的緩沖綠帶；水源要素選擇通過水文分析提取的潛在澇水行泄通道，兼顧區(qū)域地形條件對地表徑流的影響；生境質(zhì)量基于InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型[28]計(jì)算，判斷生物多樣性的價(jià)值，選取受城鎮(zhèn)化脅迫較小、災(zāi)后恢復(fù)能力強(qiáng)的路徑。除上述正向影響外，將硬化地表、建筑物等要素對水文流動(dòng)的阻擋作用也考慮至成本路徑計(jì)算中。

根據(jù)研究范圍生態(tài)資源要素分布特點(diǎn)和災(zāi)害防控需求，劃分區(qū)域和城市建成區(qū)兩個(gè)尺度、三級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分別考慮，將節(jié)點(diǎn)作為災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后分配或接收資源的目標(biāo)源地。一級節(jié)點(diǎn)選擇生態(tài)供給能力密集點(diǎn)，應(yīng)用AHP(Analytic Hierarcy Process)層次分析法，計(jì)算7項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，并基于GIS進(jìn)行加權(quán)疊加，確定區(qū)域生態(tài)源地資源的空間分布特點(diǎn)，繼而甄別大于10 km2的生態(tài)源地核心區(qū)，將位于生態(tài)源地范圍的區(qū)域生態(tài)和生物資源的流動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為一級節(jié)點(diǎn)。二、三級節(jié)點(diǎn)在城市建成區(qū)范圍進(jìn)行篩選，二級節(jié)點(diǎn)為建成區(qū)內(nèi)規(guī)模大、密度大、連續(xù)性強(qiáng)的生態(tài)斑塊，如大型城市公園或水域面積較大的湖泊等；三級節(jié)點(diǎn)為生態(tài)斑塊相對較小，但仍具有規(guī)模生態(tài)效應(yīng)的點(diǎn)位(圖8)。

3.2.2 閩三角綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建基于多級節(jié)點(diǎn)識別結(jié)果，通過最小成本路徑算法生成全域綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，使所有節(jié)點(diǎn)間均建立有效連接。由于生成網(wǎng)絡(luò)數(shù)量較多，且并非所有廊道均具有資源流動(dòng)、遷移能力，因此引用改進(jìn)的引力模型判斷各節(jié)點(diǎn)間相互聯(lián)系強(qiáng)度，對各路徑的冗余性進(jìn)行遴選，以判斷網(wǎng)絡(luò)要素優(yōu)先級，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，形成高效的綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，用于搭建“海綿城市群”生態(tài)本底(圖9)。

圖8 綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)多級節(jié)點(diǎn)識別過程

圖9 閩三角綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

3.3 基于閩三角疏散通道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的社會(huì)適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)解析

3.3.1 閩三角交通通道整合度和選擇度分布交通通道的整合度反映了區(qū)域疏散系統(tǒng)中，單一疏散通道與其它空間的聚集和離散程度，也反映了該通道在潛在疏散系統(tǒng)的中心性和空間可達(dá)性[29-30]。整合度越高，疏散通道的可達(dá)性和滲透性越強(qiáng)、人流量越大，從而吸引的城市公共應(yīng)災(zāi)資源和基礎(chǔ)設(shè)施的集成度越高。分別計(jì)算全局和3個(gè)、7個(gè)、11個(gè)拓?fù)渚嚯x深度(即n值)的整合度分布。計(jì)算結(jié)果(圖10)顯示，全局整合度較高的范圍分布在漳州、泉州和廈門市中心城區(qū)，整體呈現(xiàn)“核心高、邊緣低、沿海高、內(nèi)陸低”的空間特征，貫穿三市的沈海高速和甬莞高速在區(qū)域范圍內(nèi)具有較高的中心性，連接度高、可達(dá)性強(qiáng)，疏散車輛行駛較為高效便利。

交通通道的可選擇度反映了某一通道至其它所有空間的被穿越的可能性，選擇度越高，越容易被疏散穿行[29-30]。全局選擇度結(jié)果(圖10)分布表明，貫穿三市的沿海沈海高速的選擇度較高，在沿海到內(nèi)陸通道中，沙廈高速、泉南高速、甬莞高速和漳武高速選擇度較高；沈海高速廈門和泉州路段不僅選擇度高，同時(shí)整合度也較高，這說明該路段雖然具有良好的可達(dá)性，但在災(zāi)情期間，極容易產(chǎn)生較大車流量，造成疏散效率降低。局部選擇度反映局部節(jié)點(diǎn)穿行效率，從城市群尺度出發(fā)，計(jì)算范圍(即r值)以3個(gè)疏散場景為參考：首先，采用最小鄰近距離法計(jì)算災(zāi)害過程中區(qū)域資源轉(zhuǎn)移的平均路徑距離；其次，參考已有文獻(xiàn)[31]對車輛在正常天氣和暴雨天氣的平均行駛車速、出行距離的經(jīng)驗(yàn)值統(tǒng)計(jì)，計(jì)算15 min和30 min車輛行駛距離，用于衡量局部高效疏散路徑。

圖10 區(qū)域交通通道整合度和選擇度分布

3.3.2 基于閩三角潛在疏散通道網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建潛在疏散通道網(wǎng)絡(luò)同樣由節(jié)點(diǎn)和通道共同構(gòu)成。疏散節(jié)點(diǎn)根據(jù)兩種情景進(jìn)行確定，(1)由于閩三角所轄區(qū)縣均存在洪澇災(zāi)害發(fā)生的歷史事件，且大多數(shù)災(zāi)情在局部范圍產(chǎn)生嚴(yán)重災(zāi)損，因此疏散節(jié)點(diǎn)和疏散路徑的全覆蓋模式具有必要性，以便在發(fā)生災(zāi)情時(shí)，及時(shí)疏通與非災(zāi)區(qū)的資源調(diào)度路徑；(2)結(jié)合災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)辨識結(jié)果和歷史災(zāi)情統(tǒng)計(jì)，重點(diǎn)強(qiáng)化高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)之間的聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)，打通沿海至內(nèi)陸的潛在疏散通道。根據(jù)上述兩種情景，分別進(jìn)行最短時(shí)間成本疏散路徑的計(jì)算(圖11)。由可選擇度確定一級通道，形成貫穿區(qū)域南北、由沿海至內(nèi)陸的疏散網(wǎng)絡(luò)骨架，并以最小時(shí)間成本確定二級疏散通道；三級網(wǎng)絡(luò)以節(jié)點(diǎn)全覆蓋模式對潛在疏散網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行彈性補(bǔ)充，以此搭建閩三角綜合疏散通道網(wǎng)絡(luò)(表1)。

4 基于適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的規(guī)劃響應(yīng)策略

將閩三角生態(tài)、社會(huì)適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疊加，構(gòu)建融合源地、廊道、節(jié)點(diǎn)的綜合適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)。疊加后的綜合適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)，局部段位同時(shí)承載了多種功能或多個(gè)層級的屬性。因此，除前文具有明確屬性的要素外，分別將局部特殊段位作為綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)局部強(qiáng)化段、疏散通道局部強(qiáng)化段、復(fù)合功能局部強(qiáng)化段(圖12)。

圖11 適應(yīng)洪澇災(zāi)害閩三角城市群潛在疏散通道網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

表1 綜合疏散通道網(wǎng)絡(luò)路徑分布

圖12 閩三角城市群綜合適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)多層級要素銜接

在適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上，將適災(zāi)基底和預(yù)警范圍的提取、綜合適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建結(jié)果作為洪澇災(zāi)害防控規(guī)劃的數(shù)據(jù)圖層，納入?yún)^(qū)域相關(guān)規(guī)劃的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中，并提出實(shí)現(xiàn)多層級適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)要素有效銜接的“網(wǎng)絡(luò)治理”規(guī)劃響應(yīng)策略。如宏觀(城市群)以國土空間規(guī)劃為載體，中觀(建成區(qū))以國土空間規(guī)劃城市設(shè)計(jì)指南、城市設(shè)計(jì)導(dǎo)則等為載體，微觀(工程技術(shù)手段)以海綿城市建設(shè)技術(shù)指南、綜合防災(zāi)規(guī)劃技術(shù)規(guī)范等為載體，在城市規(guī)劃管理體系中遵循洪澇災(zāi)害防控要求，明確適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)各層級要素的規(guī)劃目標(biāo)、策略體系、策略落實(shí)主要方向和規(guī)劃落實(shí)路徑(表2)，加強(qiáng)適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的功能匹配性和生態(tài)水系的網(wǎng)絡(luò)傳輸性，使災(zāi)時(shí)起到延緩洪峰時(shí)間、縮短積水歷時(shí)、加速人員物資集散的作用。此外，通過區(qū)域空間規(guī)劃與洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)辨識結(jié)果疊加，重點(diǎn)強(qiáng)化高風(fēng)險(xiǎn)范圍的御災(zāi)能力，在規(guī)劃中側(cè)重徑流峰值控制、適宜水面率等指標(biāo)，提升高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的雨水消解能力和生態(tài)-社會(huì)適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)承受風(fēng)險(xiǎn)的韌性，實(shí)現(xiàn)全局統(tǒng)籌、局部優(yōu)化。

表2 閩三角適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)要素銜接策略矩陣

在此基礎(chǔ)上，建立區(qū)域智慧技術(shù)支持的災(zāi)害管控平臺(tái)，解決跨區(qū)域?yàn)?zāi)情溝通屏障問題，對災(zāi)害全過程進(jìn)行統(tǒng)一管理。在聯(lián)防機(jī)制實(shí)施主體上，參考治理整合模型，結(jié)合公共平臺(tái)建設(shè)[32]，將閩三角城市群聯(lián)動(dòng)防災(zāi)機(jī)制分為三個(gè)維度，一是多層級整合，各層級包括各級政府的災(zāi)害應(yīng)急組織指揮機(jī)構(gòu)，共管資源共享平臺(tái)，統(tǒng)籌災(zāi)害規(guī)劃響應(yīng)；二是各級政府其它部門組織間的功能整合；三是公私整合，如公共部門、私人營利組織和非盈利志愿組織等公共服務(wù)機(jī)構(gòu)，在各層級組織指揮機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)下的統(tǒng)一調(diào)度，打破災(zāi)害信息在上下級、公私營機(jī)構(gòu)的流通壁壘，實(shí)現(xiàn)橫向信息溝通共享，實(shí)現(xiàn)從“屬地管理”到“跨區(qū)域聯(lián)動(dòng)治理”。

5 研究結(jié)論

以閩三角城市群為例，探討了區(qū)域承洪適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及規(guī)劃響應(yīng)路徑，提出結(jié)合國土空間規(guī)劃要求，劃定預(yù)警范圍，強(qiáng)化生態(tài)和社會(huì)適災(zāi)的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，迅速構(gòu)建有序、互補(bǔ)、循環(huán)的“面(源地)-線(廊道)-點(diǎn)(節(jié)點(diǎn))”多元適災(zāi)系統(tǒng)，并在適災(zāi)基底與預(yù)警范圍識別、適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的基礎(chǔ)上，探討了多層級網(wǎng)絡(luò)要素銜接的“網(wǎng)絡(luò)治理”規(guī)劃策略。一方面，豐富了應(yīng)對洪澇災(zāi)害的城市群尺度適災(zāi)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，探索并細(xì)化了從城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)科的技術(shù)語言出發(fā)來緩解洪澇災(zāi)害的實(shí)踐路徑，拓展了城鄉(xiāng)規(guī)劃在洪澇災(zāi)害防控領(lǐng)域的視野和交叉學(xué)科融合的思路；另一方面，為配合“條塊結(jié)合、以塊為主”的洪澇災(zāi)害屬地管理模式、實(shí)現(xiàn)跨城市的洪澇災(zāi)害防控規(guī)劃提供借鑒，為我國其它濱海地區(qū)的城市安全保障提供理論參考和實(shí)踐借鑒。