張曉祥 ，晏王波 ，張長寬 ，丁賢榮

（1. 河海大學(xué)地理信息科學(xué)與工程研究所，江蘇 南京 210098；2. 河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；3. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098）

1 入海河口治導(dǎo)線規(guī)劃概述

規(guī)劃一般是指對未來進行整體性、長期性、基礎(chǔ)性問題的思考[1]。規(guī)劃過程本身并不是決策，而是一種支持決策的過程[2]，涉及的問題通常具有綜合性和復(fù)雜性等特點。規(guī)劃過程往往涉及到各方利益的平衡與協(xié)調(diào)，人與自然的協(xié)調(diào)越來越成為規(guī)劃設(shè)計的核心理念。早在 1969 年，著名規(guī)劃設(shè)計專家 Ian McHarg 就提出“設(shè)計結(jié)合自然（design with nature）”的思想，即規(guī)劃本身需要綜合考慮與自然和社會系統(tǒng)的協(xié)調(diào)[3]。這種尊重自然的規(guī)劃設(shè)計理念逐步得到重視，如在景觀規(guī)劃中，需要綜合考慮地形、土壤、水文、氣候、植被和棲息地等因素；在土地利用規(guī)劃中，需要綜合考慮地形、地貌、氣候、土壤、植被、河道水系、土地利用、城鎮(zhèn)交通、鄉(xiāng)土文化等因素[4]；在區(qū)域規(guī)劃中，需要考慮基礎(chǔ)地理信息、土地利用、社會經(jīng)濟等數(shù)據(jù)進行綜合分析[5]；在水利規(guī)劃中，同樣需要綜合涉水相關(guān)數(shù)據(jù)用于水利規(guī)劃與設(shè)計[6]。規(guī)劃對空間數(shù)據(jù)的需求正在大大增加，要求也不斷提高?？臻g數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施（Spatial Data Infrastruture, SDI）能保證地理空間數(shù)據(jù)的一致性、兼容性或可轉(zhuǎn)換性，實現(xiàn)一次生產(chǎn)、多次使用。空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施分廣義和狹義 2 種概念，廣義的 SDI 是指地理空間數(shù)據(jù)獲取、處理、存儲、分發(fā)、利用等過程所必需的各種技術(shù)，政策，標準和人力資源的總稱，狹義的 SDI 則是指滿足一定質(zhì)量要求的空間和專題數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫和信息庫[7]。

入海河口治導(dǎo)線規(guī)劃作為水利規(guī)劃的一種，擔負著明確河口開發(fā)與保護范圍，確保入海河口地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的責任[8]。作為一類特殊的規(guī)劃，治導(dǎo)線規(guī)劃實際上是一種約束性規(guī)劃，某種意義上可以認為是一種典型的“反規(guī)劃”[4]，即這類規(guī)劃重點不在于規(guī)劃要做什么，而在于規(guī)劃不能做什么。同時，入海河口治導(dǎo)線規(guī)劃的制訂是一個涉及多個部門及眾多自然本底和地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展要素的過程?？偟膩碚f，江蘇入海河口治導(dǎo)線規(guī)劃作為一項空間覆蓋范圍大、涉及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)多、數(shù)據(jù)處理任務(wù)重的工作，規(guī)劃過程中涉及的數(shù)據(jù)獲取、處理、分析、設(shè)計等技術(shù)流程存在工作程序繁瑣、工作效率不高等弊病，因而迫切需要能夠融合各項技術(shù)流程的技術(shù)方法。地理設(shè)計（Geodesign）正是這樣一種方法，能夠有機融合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與規(guī)劃設(shè)計過程，便于進行多種方案的比較和優(yōu)選。地理設(shè)計思想源于1969 年McHarg 提出的“設(shè)計結(jié)合自然”的規(guī)劃理念[3]，后來 Steinitz 在 McHarg 的這種理念基礎(chǔ)上，結(jié)合新興的地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，系統(tǒng)地提出一整套GIS 支持下的地理設(shè)計方法，為各類地理設(shè)計問題的解決奠定了方法論基礎(chǔ)[9]。

地理設(shè)計過程涉及分析和支撐模型運行的大量數(shù)據(jù)，很多時候規(guī)劃設(shè)計需要建立在龐大的數(shù)據(jù)獲取和實時/準實時的數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)上，因而地理設(shè)計過程本身也迫切需要空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的支撐。在海岸帶數(shù)據(jù)管理方面，海岸帶集成管理（Integrated Cosatal Zone Management，ICZM）早在 1992 年已提出，主要作用是實現(xiàn)海陸交匯地帶時空信息一體化管理[8]，這可以看作是形成了海岸帶 SDI 的雛形，然而 ICZM 對數(shù)據(jù)的管理還只是初步的，當時的技術(shù)條件也難以管理海量多源異質(zhì)空間數(shù)據(jù)[10-12]。SDI作為一項基礎(chǔ)設(shè)施，已經(jīng)成為國家信息化建設(shè)的重要組成部分，近年來從全球、洲際、國家和省市到區(qū)域?qū)用娑冀⒘硕鄬哟蔚?SDI[11]，海岸帶 SDI 也獲得了飛速的發(fā)展，并成功地應(yīng)用于海洋生物棲息地評價、海岸帶侵蝕、突發(fā)性水污染等具體研究和實踐中[13-15]。對于大的研究區(qū)來說，隨著計算的復(fù)雜程度不斷加大，不論是地圖數(shù)據(jù)還是遙感數(shù)據(jù)的整合共享需求不斷增強，傳統(tǒng) GIS 建設(shè)需要昂貴的數(shù)據(jù)、平臺、硬件等投入的模式將逐漸瓦解，類似SDI 快速聚合數(shù)據(jù)服務(wù)、直接客戶化定制應(yīng)用將很快實現(xiàn)[16]。

選擇江蘇海岸帶為研究區(qū)，在區(qū)域空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的支持下，利用地理設(shè)計方法，把規(guī)劃設(shè)計過程與空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合，依次剖析入海河口治導(dǎo)線規(guī)劃的表達、過程、評價、變化、影響、決策等 6 個模型以輔助進行規(guī)劃設(shè)計，綜合利用空間數(shù)據(jù)、地理信息和領(lǐng)域知識，科學(xué)合理劃定江蘇入海河口治導(dǎo)線。

2 研究區(qū)概況

以江蘇沿海地區(qū)為研究區(qū)。江蘇沿海地區(qū)位于我國東部沿海中心區(qū)，介于東經(jīng) 119°21′～121°55′，北緯 31°33′～35°07′ 之間，東鄰黃海，西與徐州、淮陰、揚州、泰州 4 市相鄰，南起長江北堤，北至蘇魯邊界，包括連云港、鹽城和南通 3 市所轄全部行政區(qū)域。研究區(qū)東西寬約 60～150 km，南北長約 450 km，陸域總面積 3.25 萬 km2，大陸海岸線長達 954 km。江蘇沿海地區(qū)多為沿海沖擊平原，海岸帶沿線的 90% 以上是淤泥質(zhì)平原海岸，灘涂資源豐富，海岸帶地貌獨特。圖1 為研究區(qū)的區(qū)位圖。本次江蘇入海河口治導(dǎo)線規(guī)劃的規(guī)劃對象為江蘇沿海30 個主要河口，其中包括 13 個重點河口和 17 個主要河口，具體如表1 江蘇入海河口列表所示，順序是按江蘇沿海地理位置自北向南依次排列。?

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖

3 空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施

江蘇入海河口治導(dǎo)線規(guī)劃是一項涉及多個部門的工作，需要水利部門與海洋、港口、圍墾、自然保護區(qū)等部門進行協(xié)同。同時，研究所涉及的數(shù)據(jù)種類眾多、來源各異、標準不一，非常容易引起海岸帶數(shù)據(jù)管理的混亂，因而建立比較統(tǒng)一的 SDI 顯得極為必要。SDI 的基本數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理信息和專題數(shù)據(jù)?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)主要包含研究區(qū)數(shù)字線劃圖（DLG）、數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字柵格圖（DRG）、數(shù)字高程模型（DEM）等；專題數(shù)據(jù)則包括與入海河口治導(dǎo)線相關(guān)的地貌、堤防、土地利用、濕地、自然保護區(qū)等信息，由于很多數(shù)據(jù)不全，需要通過遙感影像判讀進行專題信息的提取，本研究主要利用研究區(qū) 1970 年以來的 7 期 Landsat MSS/TM 遙感影像來獲得專題和變化信息。

在參考已有海岸帶 SDI 研究的基礎(chǔ)上，初步設(shè)計構(gòu)建符合江蘇入海河口治導(dǎo)線規(guī)劃的海岸帶空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施[17]，具體如圖2 所示。區(qū)域 SDI 實際上主要分為標準規(guī)范、架構(gòu)實現(xiàn)、技術(shù)支持等 3 個層次，其中以架構(gòu)實現(xiàn)最為核心，覆蓋數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)建模等整個流程，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)共享，并能夠根據(jù)行業(yè)需求和專業(yè)知識進行相應(yīng)的空間分析和知識挖掘以獲得衍生的數(shù)據(jù)、信息和知識，最后應(yīng)用于具體的應(yīng)用研究中。另外，標準規(guī)范和技術(shù)支持也是區(qū)域 SDI 的重要組成部分。

表1 江蘇入海河口列表

圖2 區(qū)域空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計與實現(xiàn)

4 SDI 支持的河口治導(dǎo)線規(guī)劃

4.1 地理設(shè)計

地理設(shè)計可以將分析建模過程引入設(shè)計流程，并利用 GIS 和區(qū)域 SDI 的強大數(shù)據(jù)管理功能進行數(shù)據(jù)的合成與必選。地理設(shè)計這種新型的方法論可以融合園林景觀、環(huán)境設(shè)計、地理學(xué)、土地規(guī)劃學(xué)等諸多領(lǐng)域的研究成果，在規(guī)劃設(shè)計過程中，全面考慮影響因素。Steinitz 建立的地理設(shè)計流程圖[9]，結(jié)合新興的 GIS 技術(shù)，依次考慮規(guī)劃設(shè)計過程中 6 個方面的問題：描述空間對象、對象動力機制、運行狀態(tài)、對象變化機理、變化影響、合理評估，并相應(yīng)地建立地理設(shè)計的表達、過程、評價、變化、影響和決策等 6 個模型，最終在綜合考慮空間數(shù)據(jù)、地理信息和領(lǐng)域知識的基礎(chǔ)上完成地理設(shè)計。

具體來說，6 個模型是地理設(shè)計的關(guān)鍵，各個模型的具體含義如下：

1）表達模型。如何描述空間對象的各種狀態(tài)。

2）過程模型。描述對象的功能和動力機制，對象各要素之間的功能關(guān)系和結(jié)構(gòu)關(guān)系如何。

3）評價模型。目前空間對象的運行狀態(tài)如何，需根據(jù)各個相關(guān)因素建立評價模型。

4）變化模型。空間對象如何變化，對于變化的發(fā)展如何進行預(yù)測，并同時有目的的進行干預(yù)未來發(fā)展。

5）影響模型。空間對象變化會帶來何種影響，與變化的過程模型密切相關(guān)。

6）決策模型?？臻g對象的改變有多種方向，如何評估不同情境的差異和影響，做出合理的決策，解決規(guī)劃最根本的問題。決策模型與評價模型密切相關(guān)，都涉及各類因素的綜合評估。

4.2 空間數(shù)據(jù)支撐

在地理設(shè)計方法論的指導(dǎo)下，對江蘇沿海 30 個入海河口進行河口治導(dǎo)線劃定。為說明研究思想，選取重點河口：埒子口進行研究。埒子口位于連云港市，位于江蘇北部沿海，河口地區(qū)基本沖淤平衡。埒子口作為沂北地區(qū)防洪排澇的主要入海河口，具體如圖3 所示，埒子口上游集中了燒香支河、古泊善后河、五圖河、車軸河和牛墩界圩河等 5 條河道，該河口具有一定的典型性及復(fù)雜性。

圖3 埒子口河口示意圖

空間數(shù)據(jù)支撐是地理設(shè)計的重要前提，在地理設(shè)計工作正式開始之前，需要明確入海河口治導(dǎo)線規(guī)劃的起始點、控制范圍、限制條件，同時還需要根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲得研究所必備的衍生數(shù)據(jù)。在研究中，空間數(shù)據(jù)支撐主要體現(xiàn)在以下 4 個方面：

1）明確治導(dǎo)線的上游起始點。根據(jù)規(guī)劃要求，擋潮閘是治導(dǎo)線的起始點，埒子口河口擋潮閘包括車軸河上的車軸河閘和圖河上的五圖河閘、圖西閘，故埒子口治導(dǎo)線劃定的起點有 2 個。

2）明確入海河道的兩側(cè)的初始治導(dǎo)線控制范圍。按照有關(guān)水利規(guī)程要求，一般河道兩側(cè) 1 km 緩沖區(qū)設(shè)置初始治導(dǎo)線控制范圍。同時，還需要考慮對接上位規(guī)劃以及與同級規(guī)劃相協(xié)調(diào)，并考慮當?shù)貙嶋H情況，特別是要尊重河口既有圍墾事實。

3）考慮河口治導(dǎo)線的限制條件。如江蘇沿海分布有大面積的法定的自然保護區(qū)，治導(dǎo)線劃定應(yīng)注意避讓自然保護區(qū)。

4）獲取河口流域有關(guān)特征點線等衍生數(shù)據(jù)。由超位數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型（DEM）及歷史遙感圖像確定各類河口流域特征線，包含納潮匯水區(qū)歷史外邊線、平均高潮線等。

4.3 基于地理設(shè)計的河口治導(dǎo)線劃定

河口治導(dǎo)線的劃定，除滿足水利部門維持閘下港道穩(wěn)定、保持港道排水能力、加強水利管理的需求以外，還需綜合考慮各種影響因素，對接上位規(guī)劃，并與相關(guān)部門規(guī)劃進行協(xié)調(diào)。河口治導(dǎo)線規(guī)劃地理設(shè)計框架圖在地理設(shè)計框架下，分別用 6 個模型來描述整個治導(dǎo)線劃定過程，具體如圖4 所示，左側(cè)是通用地理設(shè)計的流程圖，右側(cè)是針對江蘇入海河口治導(dǎo)線規(guī)劃進行的具體地理設(shè)計的流程圖。

圖4 入海河口治導(dǎo)線規(guī)劃地理設(shè)計框架圖

對于江蘇入海河口治導(dǎo)線研究來說，表達、過程、評價、變化、影響和決策等 6 個模型包含更為詳細和更有針對性的工作：

1）表達模型。通過對江蘇沿海進行調(diào)查等基礎(chǔ)工作，建立數(shù)據(jù)庫描述對象，包含基礎(chǔ)地理信息和海岸帶數(shù)據(jù)。

2）過程模型。對已有數(shù)據(jù)進行空間分析，分別需要考慮居民地的分布、入海河道等因素影響。

3）評價模型。對河閘淤積、行洪泄洪等過程進行功能分析，評價過程對入海河道的影響。

4）變化模型。海岸線的變化及河道的擺動、變化的灘涂圍墾，新修的水利工程等都作為剝離出的信息進行決策的支撐，對不同因素的影響產(chǎn)生的不同的治導(dǎo)線規(guī)劃方案疊加到底圖上。

5）影響模型。不同的劃定方案會產(chǎn)生不同的影響，如河口周邊的自然保護區(qū)及沿河道的圍堤（道路），同時對其他方面領(lǐng)域規(guī)劃也有不同程度的影響，因此需要上下規(guī)劃進行合適對接。

6）決策模型。由于各個河口的物理條件不同，所以需要因地制宜，對每個方案進行比較，滾動調(diào)整選出最優(yōu)方案。

其中前 3 個模型是對現(xiàn)實世界的分析和表達，后 3 個模型逐漸由人為介入并改變設(shè)計，這種加入設(shè)計和建模規(guī)則的方法能使得地理設(shè)計變成一個動態(tài)的過程，正如對于治導(dǎo)線劃定，需要綜合考慮各部門之間的協(xié)調(diào)，通常上述 6 個層次的框架流程都必須至少反復(fù)迭代 3 次：1）自上而下（順序）明確項目的背景和范圍，即明確問題所在；2）自下而上（逆序）明確提出項目的方法論，即如何解決問題；3）自上而下（順序）進行整個項目直至給出結(jié)論為止，即回答問題[14]，這樣一個不斷迭代優(yōu)化的過程才能綜合考慮規(guī)劃相關(guān)問題，才能較為合理的劃定河口治導(dǎo)線。

圖5 為江蘇北部入海河口埒子口的河口治導(dǎo)線主要的數(shù)據(jù)圖層及最終的規(guī)劃成果圖。

圖5 治導(dǎo)線成果圖

5 結(jié)語

以江蘇海岸帶為研究區(qū)，結(jié)合區(qū)域空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施和地理設(shè)計方法論開展江蘇入海河口治導(dǎo)線規(guī)劃研究，研究主要得到以下結(jié)論：

1）地理設(shè)計作為一種有效的空間輔助設(shè)計與規(guī)劃方法，能夠綜合考慮各類影響因素，依次建立江蘇入海河口治導(dǎo)線規(guī)劃過程的表達、過程、評價、變化、影響和決策模型，把較為抽象的規(guī)劃設(shè)計的流程轉(zhuǎn)化為易于計算機分析與建模的過程。

2）區(qū)域空間基礎(chǔ)設(shè)施有助于快速整合多尺度、多源空間數(shù)據(jù)資源，建立融空間數(shù)據(jù)、地理信息與領(lǐng)域知識的一體化數(shù)據(jù)管理，為地理設(shè)計過程提供堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實現(xiàn)一次生產(chǎn)、多次應(yīng)用。

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