彭　建，趙會娟，劉焱序，杜悅悅

1 北京大學城市與環(huán)境學院，地表過程分析與模擬教育部重點實驗室，北京　100871 2 北京大學深圳研究生院城市規(guī)劃與設計學院，城市人居環(huán)境科學與技術重點實驗室，深圳　518055

?

區(qū)域水安全格局構建：研究進展及概念框架

彭建1,2,*，趙會娟2，劉焱序1，杜悅悅1

1 北京大學城市與環(huán)境學院，地表過程分析與模擬教育部重點實驗室，北京100871 2 北京大學深圳研究生院城市規(guī)劃與設計學院，城市人居環(huán)境科學與技術重點實驗室，深圳518055

摘要:隨著全球變化背景下生態(tài)安全問題的日益嚴峻，生態(tài)安全格局研究成為宏觀生態(tài)學關注的熱點領域；水作為重要的自然生態(tài)要素，其安全格局的構建也是區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化的重要組成部分，但目前其基本內涵、構建理論與方法、指標體系等尚未受到足夠重視，缺乏系統(tǒng)梳理。在對比分析資源、環(huán)境與災害等多學科視角下水安全概念異同的基礎上，明晰了區(qū)域水安全格局的概念內涵，將其定義為保障區(qū)域水安全目標的土地利用空間格局；系統(tǒng)探討了水安全格局構建歷程與方法研究進展，指出水安全研究正由定量評價向空間管控轉型，水環(huán)境安全格局構建嚴重滯后，缺乏水安全格局與自然生態(tài)過程、社會經(jīng)濟過程的耦合關聯(lián)分析；最后，基于景觀生態(tài)學格局-過程互饋理論和地理學區(qū)域綜合視角，以GIS空間分析、InVEST模型等為技術支撐，構建了水資源安全、水環(huán)境安全和水災害規(guī)避安全3個單一維度的水安全格局，并提出基于空間多準則分析模型的區(qū)域綜合水安全格局構建概念框架，以期有效提升中國城市化進程的水安全格局保障。

關鍵詞：水安全格局；水資源安全；水環(huán)境安全；水災害規(guī)避安全；概念框架；研究進展

近幾十年來隨著全球環(huán)境變化速度與強度的益發(fā)增強，自然生態(tài)系統(tǒng)的結構與功能遭到嚴重破壞，生態(tài)安全問題日益突出，自20世紀90年代以來逐漸成為宏觀生態(tài)學的研究熱點[1- 3]。作為區(qū)域、國家社會經(jīng)濟維系與可持續(xù)發(fā)展的基礎，生態(tài)安全的思想萌芽最早發(fā)軔于20世紀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)濟和社會生態(tài)安全三方面構成的復合人工安全系統(tǒng)[3]。數(shù)量結構和空間格局是影響其發(fā)展的兩個基本方面，這在學術界已達成普遍共識[4]。其中，生態(tài)安全格局的構建通過對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)量結構與空間格局優(yōu)化，已成為陸地生態(tài)系統(tǒng)保護屏障建設的有效途徑，已有學者具體針對生態(tài)安全格局概念及其構建理論與方法開展了深入探討[5]，并進行了不同尺度的多類型區(qū)域個案研究[6-7]。

水作為重要的戰(zhàn)略資源，與社會經(jīng)濟發(fā)展緊密相關，是維系人類可持續(xù)發(fā)展的重要命脈。但在當前快速城市化進程中，水源涵養(yǎng)功能減弱、水質污染、洪澇災害頻發(fā)等一系列水安全問題的出現(xiàn)，對區(qū)域生態(tài)安全、糧食安全甚至國家安全造成了重大影響[8]，水安全問題越來越成為全世界關注的焦點。我國水安全形勢更是不容樂觀：一方面，水資源嚴重短缺，人均水資源僅為世界平均水平的1/4，全國年平均缺水量近400億m3[9]；水環(huán)境保護形勢依舊嚴峻，水污染事件頻發(fā)，2014年蘭州“4.11”自來水苯含量超標事件更是引發(fā)了對人們對水質安全問題的高度關注[10]；全國有超過100個大中城市處于洪水水位之下，洪災潛在損失巨大[11]，1950—2008年全國年均洪澇受災面積5418km2，死亡人口4661人[12]。另一方面，通過自然界的水循環(huán)，水資源短缺、水環(huán)境污染及水災害規(guī)避之間又存在密切的相互關聯(lián)，因此尋求水安全問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，其安全格局的構建作為景觀生態(tài)安全格局的空間優(yōu)化途徑之一，通過對維護區(qū)域水安全具有關鍵意義的節(jié)點、斑塊與廊道的識別、重構，為區(qū)域水安全問題的解決提供了新的綜合視角。

但是，相對于景觀生態(tài)安全格局從理論探討到實踐應用的普遍關注，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)域水安全格局相關概念內涵的基礎上，系統(tǒng)梳理水安全格局構建的近今進展，并在水資源安全格局、水環(huán)境安全格局和水災害規(guī)避安全格局構建方法探討的基礎上，提出基于空間多準則分析的區(qū)域綜合水安全格局構建概念框架，以期整體推進我國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，國內外學者重點圍繞水資源安全概念界定[14]、水資源安全評價指標體系[15- 16]、水環(huán)境質量評價[17-18]以及洪澇安全管理與應急預案[11,19]等方面開展了大量理論方法及個案研究，從水資源、水環(huán)境及水災害規(guī)避等方面有效提升了全社會對水安全問題的關注。

近年來，不同學者基于多學科視角，對水安全及其關聯(lián)概念進行了界定；根據(jù)關注點的不同，可將其歸納為水資源安全、水生態(tài)安全、水環(huán)境安全、水災害規(guī)避安全及水安全5類(表1)。其中，水資源安全涉及社會安全、經(jīng)濟安全和生態(tài)安全等多個維度，其實質是對水資源能否滿足合理的社會、經(jīng)濟及生態(tài)用水需求的綜合評判，最終目標在于解決水資源量的可持續(xù)供給問題；而水生態(tài)安全概念所強調的生態(tài)用水安全是對維持生態(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)境安全重點關注水質污染和水環(huán)境整體安全狀況，水災害規(guī)避安全則主要涉及不同尺度、不同地域的洪澇災害風險的定性、定量評估及其綜合管理與防范。由于水生態(tài)系統(tǒng)本身的復雜性和不同研究方向側重點的差異，當前對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)、災害等多維度綜合定義水安全。整合水安全相關概念，可將水安全定義為區(qū)域水資源在特定水質條件下保障自然生態(tài)系統(tǒng)及人類社會經(jīng)濟系統(tǒng)正常運行的生產、生活和生態(tài)用水需求，并確保水災害風險最小化的一種可持續(xù)狀態(tài)。也可以說，水安全是資源利用、環(huán)境保護、災害規(guī)避多維綜合視角下，對水生態(tài)系統(tǒng)整體健康狀況的一種系統(tǒng)評判。目前，國際水安全研究重點強調特定時空范圍水安全狀況的定量評價，區(qū)域水安全問題的人為、自然影響因素及其驅動機制識別，但對水資源、環(huán)境、災害規(guī)避等問題的交互作用及區(qū)域整合策略關注不足，缺乏對研究結果的空間可視化表達，因而難以明晰區(qū)域水安全的空間格局保障。

表1　不同學科視角下的水安全相關概念對比

水安全格局是隨著生態(tài)安全格局研究的開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災害安全格局等共同構成區(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建思路，水安全格局構建實質代表了水安全研究由定量評價向空間管控和格局保障研究的轉型。但迄今為止，水安全格局都只是作為區(qū)域生態(tài)安全格局構建框架中的一部分，專門研究水安全格局構建的文獻尚較鮮見，仍缺乏普遍認同的水安全格局概念。簡單的說，水安全格局就是保障區(qū)域水安全目標的土地利用空間格局，而水安全格局構建則可以界定為特定時空范圍內，以解決區(qū)域水資源、水環(huán)境與水災害等耦合交錯的重點水安全問題為導向，從區(qū)域景觀格局優(yōu)化與調控、土地資源優(yōu)化配置等途徑入手，基于多學科、多視角對維護區(qū)域水安全具有關鍵意義的空間單元及其要素屬性和組合特征進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)境質量和規(guī)避水災害風險，從而滿足不同使用者的多重水功能需求，切實提升區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性。因此，區(qū)域水安全格局強調土地利用空間格局及其動態(tài)變化和特定生態(tài)功能的發(fā)揮，將地方或次區(qū)域的水安全問題在區(qū)域集成，以空間化的整合視角識別維系區(qū)域水安全的關鍵要素和空間位置，建立起水生態(tài)系統(tǒng)服務與區(qū)域空間規(guī)劃之間的連接橋梁，致力于促進人類社會與水資源、環(huán)境、災害耦合系統(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水安全格局構建研究進展

2.1水安全格局構建研究歷程

水安全格局構建作為水資源保護及其空間規(guī)劃的新途徑，其實質是基于區(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)空間管制機制。盡管目前尚無體系化的理論框架和研究方法來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)基礎設施及與之相關的理念，如綠色通道、綠帶和生境網(wǎng)絡等，為水安全格局的構建提供了一定的理論支持。生態(tài)基礎設施的概念最早見于聯(lián)合國科教文組織“人與生物圈計劃”1984年發(fā)布的生態(tài)城市規(guī)劃報告中，2002年被我國學者引入國內[22]；該概念強調優(yōu)先保護和建設重要的生態(tài)資源和維系生態(tài)系統(tǒng)的關鍵性格局[23]。水作為生態(tài)基礎設施的核心要素之一，水安全格局的構建被視為生態(tài)基礎設施建設和生態(tài)網(wǎng)絡建設的重要途徑之一，即通過對匯水節(jié)點、河道、濕地和潛在洪水淹沒范圍等要素的空間規(guī)劃與優(yōu)化配置，構建不同層次等級的生態(tài)節(jié)點、生態(tài)廊道和生態(tài)網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)水景觀的連通和格局的優(yōu)化，發(fā)揮防洪和水源保護等多項服務功能，提升區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)健康與安全水平。目前，國內學者基于生態(tài)基礎設施理念研究水安全格局的案例仍較為鮮見，僅有陳璐青等基于防洪標準和對河流生態(tài)影響最小化原則進行濱水地區(qū)岸線規(guī)劃，通過優(yōu)化水系結構、連通河湖水系，增加蓄洪空間提高抗洪能力的途徑來保障濱水區(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)敏感性分析的基礎上構建了耦合水功能區(qū)、匯水廊道、匯水節(jié)點和潛在洪水淹沒范圍的水安全格局[25]。

水安全格局構建的目的在于維持區(qū)域生態(tài)格局與過程、提升生態(tài)恢復力，最終促進人居環(huán)境改善等人類福祉增益。區(qū)域生態(tài)安全格局的構建則往往伴隨對具有某種重要生態(tài)系統(tǒng)服務的土地進行保護，在我國各層次區(qū)域規(guī)劃實踐中，不同尺度、不同類型的自然保護區(qū)、生態(tài)功能區(qū)、主體功能區(qū)和生態(tài)節(jié)點、軸線、廊道及其空間組合規(guī)劃，對于水安全格局的構建也是一種有益探索。近年來在我國重點推進的生態(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，國家在生態(tài)區(qū)劃的基礎上還進一步開展了流域水生態(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]等地進行了實踐應用。這些工作為開展水安全格局的研究和實踐奠定了良好的基礎，也為我國水資源的科學管理積累了寶貴經(jīng)驗；但是，現(xiàn)有水生態(tài)區(qū)劃重點強調水體的資源功能、環(huán)境質量，忽視水文調節(jié)、洪水調蓄等非供給類生態(tài)系統(tǒng)服務，且對非水體的水源涵養(yǎng)功能關注不足。總體來說，生態(tài)基礎設施建設和各類功能區(qū)劃分等工作的開展對區(qū)域水安全格局的構建提供了一定的參考，但目前相對完整的水安全格局理論體系尚未真正建立，仍需深入探討。水安全格局構建研究的深入開展不僅可與生態(tài)基礎設施等相關理論互為補充，還可為區(qū)域生態(tài)安全格局構建及自然區(qū)劃、生態(tài)功能區(qū)劃等工作提供服務，共同為我國城市化進程的安全有序推進提供空間保障。

2.2水安全格局構建方法

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前迫切需要突破的關鍵環(huán)節(jié)。盡管水安全格局構建尚無統(tǒng)一范式，但已有研究大多從水資源保有量與洪澇規(guī)避兩方面選取相關定量指標并關注其空間可視化。例如，蘇泳嫻等在防洪安全格局構建的基礎上疊加水源地保護區(qū)構建水安全格局[29]；俞孔堅等綜合疊加水源涵養(yǎng)區(qū)和冰川、濕地空間分布構建了國土尺度上的水源涵養(yǎng)安全格局,進而選取洪水淹沒范圍、湖泊、濕地和蓄滯洪區(qū)等指標度量洪水調控安全格局[30]；在區(qū)域尺度上，綜合考量徑流、雨洪淹沒、歷史洪澇災害和地下水補給適宜性構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、洪水調蓄、湖泊水庫水源集水區(qū)以及河岸帶等要素構建成渝經(jīng)濟區(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上構建了長沙市蘇圫垸水安全格局[33]。

綜上可以看出，水資源安全格局構建大多圍繞飲用水源地保護區(qū)、水源涵養(yǎng)功能及冰川、湖泊、濕地、河流等水體分布因素；水災害規(guī)避安全格局構建則主要考慮洪澇淹沒范圍、洪水源匯點與河湖緩沖區(qū)等因素；由于水環(huán)境系統(tǒng)以及水陸交互作用機理的復雜性，水環(huán)境安全格局的研究相對滯后，當前主要開展基于源匯景觀的水環(huán)境污染分析[34]與河湖重點敏感岸段識別[35]，如何基于河湖水環(huán)境敏感性構建水環(huán)境安全格局成為未來研究的重點趨向之一。總體來看，為數(shù)不多的既有研究為水安全格局構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涵，水安全格局的度量應當包含水資源、水環(huán)境和水災害規(guī)避3個單一維度的安全格局；然而，當前已有研究多集中在水資源安全格局、水災害規(guī)避安全格局等單一維度或兩者的整合上，對綜合水安全格局構建指標缺乏系統(tǒng)梳理，且忽視了水安全空間格局與其他生態(tài)過程的相互作用機制，缺乏與所在區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的耦合關聯(lián)分析。值得關注的是，武彤等綜合考慮了雨洪安全、水質安全和水環(huán)境安全3個層面構建了哈爾濱市阿城區(qū)綜合水安全格局，但不足的是，選取指標相對單一，且水環(huán)境安全格局的構建僅考慮了水源地保護和河流水系要素，未能將水質指標納入綜合水安全研究[36]。

對比分析相關研究案例，可以發(fā)現(xiàn)，盡管水安全格局構建視角、方法各異，但均包含適宜性評價、過程分析與模擬、空間識別與可視化表達三個核心步驟。其中，適宜性評價是區(qū)域水安全格局構建的基礎，主要基于區(qū)域環(huán)境本底，定量評價區(qū)域開發(fā)利用的適宜性及制約因素等；過程分析與模擬是水安全格局構建的核心環(huán)節(jié)，一般結合GIS技術手段對洪水淹沒、地表徑流等自然過程進行定量分析和模擬；空間識別則主要識別保護的“源”和對保障生態(tài)過程具有重要意義的空間要素與格局，是水安全格局構建過程中數(shù)據(jù)分析、結果表達等必不可少的步驟。

綜上所述，可以認為當前水安全格局構建的理論和指標體系尚不成熟，水安全格局對于水安全的保障機理還有待進一步深入探討；并且，不同地區(qū)面臨的水安全問題不同，生態(tài)安全基底條件與特征需求也不盡相同，其水安全格局的構建方法、途徑亦會有所差異，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)域水安全的動態(tài)模擬和情景預測提供定量支持，成為當前研究的熱點方向。

3區(qū)域水安全格局構建概念框架

基于景觀生態(tài)學格局-過程互饋理論和地理學區(qū)域綜合視角，以GIS空間分析為技術支撐，針對區(qū)域水安全問題，通過從空間格局上定量刻畫水生態(tài)系統(tǒng)服務相關景觀要素特征，可以定量分析水生態(tài)過程與關聯(lián)景觀要素空間格局、區(qū)域地理背景的相互作用機理，判別維護上述過程安全的關鍵景觀要素及其空間格局，識別水資源利用、水環(huán)境保護和水災害規(guī)避3個單一維度的安全格局，并在對單一安全格局進行耦合關聯(lián)探討的基礎上，采用多準則決策分析模型構建區(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)域人類社會合理的生產、生活用水，并維持自然生態(tài)系統(tǒng)結構、功能和過程生態(tài)用水的特定景觀類型或關鍵空間位置。水資源安全格局側重關注水資源量問題，水資源匱乏和不合理分配都會導致一系列問題的出現(xiàn)。水源涵養(yǎng)區(qū)是清潔水的來源，體現(xiàn)著生態(tài)系統(tǒng)服務對人類社會發(fā)展的增益過程，因而，水源涵養(yǎng)區(qū)和其他對水源涵養(yǎng)功能具有重要影響的要素或位置是水資源安全格局構建不可或缺的因子。在社會經(jīng)濟系統(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，同時也在一定程度上補充了社會經(jīng)濟需水量，在這一領域，德國、美國和日本等國的雨水資源收集、處理及再利用體系為我國提供了重要參考[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)等設施用地亦應在小尺度水資源安全格局考慮范疇之內。因此，水資源安全格局構建可以綜合考慮水源涵養(yǎng)區(qū)、河湖濕地分布、雨水再利用設施空間布局和地表、地下水儲量等指標，采用多要素加權疊置實現(xiàn)。

在水資源安全格局構建中，水源涵養(yǎng)區(qū)的識別至關重要，一般通過多指標定量評估區(qū)域水源涵養(yǎng)功能來實現(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)模塊為定量評估水源涵養(yǎng)功能提供了有益補充。InVEST模型目前在國內外得到了廣泛應用，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水量，為自然資本管理提供依據(jù)。國內近年來相繼有學者用其定量評估了瀾滄江流域[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模型在我國區(qū)域水源涵養(yǎng)功能評估方面具有良好的適用性。

3.2水環(huán)境安全格局

水環(huán)境安全格局構建是指在明晰區(qū)域內各片區(qū)、河段水環(huán)境問題及其產生原因的基礎上，識別有利于區(qū)域水質水環(huán)境質量維持或改善的關鍵空間位置及其土地利用/覆被配置，進而構筑由江河廊道、匯水點、濕地等共同組成的多層次水環(huán)境安全管控網(wǎng)絡，從空間布局上實現(xiàn)點源、非點源污染分級調控。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，目前被認為在水污染防控和水環(huán)境治理方面有著廣闊的應用前景[43]。例如，Sepplet應用GIS和景觀空間分異模型嘗試解決美國南部Hunting creek小流域的水污染控制問題[44]；在國內，自然景觀與人工景觀此消彼長的景觀格局演變對水環(huán)境產生的負效應已得到證實[45]，但運用景觀規(guī)劃手段改善河流水環(huán)境的研究仍很少見，只有周璟等根據(jù)流域水環(huán)境現(xiàn)狀對沁河流域進行水環(huán)境約束分區(qū)并提出了相應的景觀格局優(yōu)化方案，以有效阻止污染物空間擴散、保障水環(huán)境安全[46]。

水環(huán)境安全格局的構建是運用可持續(xù)發(fā)展的流域綜合整治策略與生態(tài)規(guī)劃理念，結合流域水質分析及水環(huán)境承載力評價，識別水環(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控制區(qū)和重點輸污生態(tài)控制線來實現(xiàn)。污染源重點控制區(qū)管控，主要是對流域水環(huán)境污染有重要影響的地類、岸段與支流河口進行重點防治，控制污染源頭，防止污染物進一步擴散；同時，對維持生物多樣性與生態(tài)完整性有重要作用的支流、濕地、水庫等景觀類型實施重點保護。對徑流污染物擴散、遷移有重要意義的溝渠、水道等景觀單元，通過建立輸污生態(tài)控制線，實現(xiàn)污染物輸送路徑的有效管控以削減入河污染負荷。水環(huán)境安全格局的構建將在區(qū)域內形成包含廊道、節(jié)點和重點保護斑塊在內的水網(wǎng)恢復體系，在改善流域水質和水環(huán)境的同時發(fā)揮水源涵養(yǎng)、調節(jié)洪峰、生物多樣性維持和景觀連通作用，最終實現(xiàn)水環(huán)境要素在區(qū)域層面的統(tǒng)籌管理。

3.3水災害規(guī)避安全格局

在全球各類自然災害造成的損失中，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，使得洪澇災害具有極高的關注度，其合理規(guī)避也成為水安全研究的核心目標之一。水災害規(guī)避安全格局的構建從整個區(qū)域出發(fā)，識別并控制對防洪排澇具有關鍵意義的區(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害造成的自然或社會損失。目前，國際上越來越認識到單一工程措施防洪能力的有限性[47]，而通過合理規(guī)劃區(qū)域河湖水網(wǎng)，發(fā)揮自然生態(tài)系統(tǒng)泄、排、蓄、滯的水文調節(jié)功能，已成為當前防洪減災研究的重要趨向，海綿城市建設理念的提出就是雨洪利用理論的創(chuàng)新和發(fā)展[48]。洪水淹沒范圍作為洪水匯集區(qū)，是洪水水情、地形地貌、土壤性質和防洪基礎設施綜合影響之下的結果。河流、湖泊、水庫、坑塘等濕地系統(tǒng)則在調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)域水災害規(guī)避安全格局的構建，需要重點考慮上述兩方面因素。

目前，洪水淹沒范圍的模擬主要包括經(jīng)驗水文模型和水動力數(shù)值法，但前者難以模擬洪水動態(tài)過程和空間分布，后者計算方法和過程復雜、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，基于GIS的空間分析則為洪水模擬與風險識別提供了一種新途徑，劉仁義等提出了有源淹沒、無源淹沒兩種情形下復雜地形洪水淹沒區(qū)的種子蔓延算法[49]，丁志雄等[50]、劉小生等[51]分別運用GIS格網(wǎng)、不規(guī)則三角網(wǎng)模型模擬不同地區(qū)洪水淹沒范圍。因此，可采用GIS洪水模型模擬洪水溢出過程，確定積水深度和淹沒面積，并參照歷史洪澇災害數(shù)據(jù)進行模型修正，綜合確定洪澇淹沒范圍；對于具有調蓄功能的湖泊濕地，設置一定寬度的河湖緩沖帶是規(guī)避洪澇災害、減少損失的有效方法之一，而緩沖帶的長度與寬度設置需要根據(jù)河湖大小級別、所處的地形等因素綜合確定。將洪水淹沒范圍、河湖緩沖區(qū)分析結果和蓄滯洪區(qū)空間圖層加權疊置，即可構建區(qū)域水災害規(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建是在社會經(jīng)濟系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)耦合作用下，根據(jù)研究區(qū)域內具體的生態(tài)環(huán)境特征，以水資源利用、水環(huán)境保護和水災害規(guī)避三個單一的安全格局為基礎，綜合分析、交互權衡而成，是對維系區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)服務可持續(xù)性具有關鍵意義的景觀斑塊與廊道的識別與優(yōu)化。目前，已有研究大多采用等權重法空間疊置來構建綜合水安全格局[29- 32]，該方法的優(yōu)點是簡便易用，但不同區(qū)域面臨的水安全問題不同，水安全格局構建的指標體系選取相應存在差異；即使在同一個區(qū)域，不同類型的水安全問題也會有程度上的差異，因此等權重法無法體現(xiàn)出部分對于整體評價目標的貢獻量值，且忽略了各指標間相互聯(lián)系與影響，不盡合理。

多準則決策分析(Multi-Criteria Decision Analysis, MCDA)則提供了綜合考慮多種因素、多重標準前提下進行方案決策分析的有效方法，并能結合GIS靈活實現(xiàn)結果的空間可視化表達。MCDA的核心環(huán)節(jié)在于整合多個單一指標形成一個綜合指標，指標權重確定仍是問題的關鍵所在。目前，權重的賦予有主觀、客觀賦權法兩種，其中主觀賦權法能夠基本表征指標的重要性差異，但其缺點是根據(jù)主觀經(jīng)驗判斷、客觀性相對較差；客觀賦權法一般通過對評價指標原始值進行統(tǒng)計分析而得，權重的確定不受評價者主觀判斷影響、客觀性強，但有時會出現(xiàn)模型結果與實際情況相反的情況[52]。因此，各類權重賦予法各有優(yōu)缺點和適應范圍，在選用時應當依據(jù)區(qū)域水安全問題及研究目標的不同合理選取。

圖1　區(qū)域綜合水安全格局構建框架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)域水安全問題診斷與識別。從資源、環(huán)境和災害的視角對區(qū)域水安全問題進行識別與分析，并相應診斷其威脅來源；(2)單一過程水安全格局構建。選擇有代表性、針對性的指標，采用多要素加權疊置法對各指標進行綜合分析，構建單一過程水安全格局；(3)區(qū)域綜合水安全格局構建。在3個單一安全格局基礎上，采用多準則決策分析模型與綜合交互權衡方法，結合GIS空間分析構建區(qū)域綜合水安全格局；(4)分級分類管理體系建立。按照一定的安全標準劃分水安全等級體系，實施有針對性的水安全管理策略，使不同等級、不同類型的水安全格局組分在經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護中的效益得到最大發(fā)揮，從而實現(xiàn)區(qū)域水安全格局的分級管理和分類整合。

4結語

目前，水安全問題的解決迫在眉睫，已成為國際學術界和公眾關注的焦點問題之一；而單純的水安全問題診斷、評價顯然不足以解決區(qū)域所面臨的復雜水安全問題，尤其需要空間格局的水安全保障。構建水安全格局是有效解決區(qū)域水安全問題的重要途徑，也是未來區(qū)域生態(tài)安全研究的熱點領域之一，但目前其基礎理論和技術方法等尚不成熟。本文初步明晰了水安全格局的概念內涵，并在系統(tǒng)梳理水安全格局相關研究進展的基礎上，基于景觀生態(tài)學格局-過程互饋理論與地理學區(qū)域集成視角，提出基于資源利用、環(huán)境保護和災害規(guī)避等多視角耦合的區(qū)域綜合水安全格局構建概念框架。

為了更好地滿足適應性水生態(tài)系統(tǒng)服務管理的需求、切實應對區(qū)域水安全問題，水安全格局研究有待重點推進以下兩個方面的內容：①理論與方法體系的深入探討。需要重點深化區(qū)域水安全格局的概念內涵，明晰水安全格局構建的指標體系及其等級閾值，并根據(jù)社會經(jīng)濟發(fā)展對區(qū)域生態(tài)安全的新要求進行水安全格局的動態(tài)優(yōu)化；②多學科交叉與融合。區(qū)域水安全格局研究涉及生態(tài)、環(huán)境、資源、災害、社會、經(jīng)濟等多學科領域，實現(xiàn)多學科知識體系的融合與不同方法、技術手段的集成應用是其客觀需要；而基于GIS技術綜合集成，依托多學科專家知識庫充分發(fā)揮模型模擬在水安全格局研究中的預測、解釋功能，則是當前區(qū)域水安全格局構建的現(xiàn)時需要和發(fā)展趨勢。

參考文獻(References):

[1]馬克明, 傅伯杰, 黎曉亞, 關文彬. 區(qū)域生態(tài)安全格局: 概念與理論基礎. 生態(tài)學報, 2004, 24(4): 761- 768.

[2]Whitford W G, Rapport D J, DeSoyza A G. Using resistance and resilience measurements for ‘fitness’ tests in ecosystem health. Journal of Environmental Management, 1999, 57(1): 21- 29.

[3]Dobson A P, Bradshaw A D, Baker A J M. Hopes for the future: restoration ecology and conservation biology. Science, 1997, 277(5325): 515- 522.

[4]劉洋, 蒙吉軍, 朱利凱. 區(qū)域生態(tài)安全格局研究進展. 生態(tài)學報, 2010, 30(24): 6980- 6989.

[5]肖篤寧, 陳文波, 郭福良. 論生態(tài)安全的基本概念和研究內容. 應用生態(tài)學報, 2002, 13(3): 354- 358.

[6]方淑波, 肖篤寧, 安樹青. 基于土地利用分析的蘭州市城市區(qū)域生態(tài)安全格局研究. 應用生態(tài)學報, 2005, 16(12): 2284- 2290.

[7]陳利頂, 呂一河, 田惠穎, 施茜. 重大工程建設中生態(tài)安全格局構建基本原則和方法. 應用生態(tài)學報, 2007, 18(3): 674- 680.

[8]Sinyolo S, Mudhara M, Wale E. Water security and rural household food security: empirical evidence from the Mzinyathi district in South Africa. Food Security, 2014, 6(4): 483- 499.

[9]夏軍, 翟金良, 占車生. 我國水資源研究與發(fā)展的若干思考. 地球科學進展, 2011, 26(9): 905- 915.

[10]Dou M, Wang Y Y, Li C Y. Oil leak contaminates tap water: a view of drinking water security crisis in China. Environmental Earth Sciences, 2014, 72(10): 4219- 4221.

[11]Yin Z E, Yin J, Xu S Y, Wen J H. Community-based scenario modelling and disaster risk assessment of urban rainstorm waterlogging. Journal of Geographical Sciences, 2011, 21(2): 274- 284.

[12]左海洋, 閻永軍, 張素平, 陳月華, 陳敏, 孫波, 張怡. 新中國重大洪澇災害抗災紀實. 中國防汛抗旱, 2009, 19(A01): 20- 38.

[13]方子云. 提供水安全是21世紀現(xiàn)代水利的主要目標——兼介斯德哥爾摩千年國際水會議及海牙部長級會議宣言. 水利水電科技進展, 2001, 21(1): 9- 10.

[14]賈紹鳳, 張軍巖, 張士鋒. 區(qū)域水資源壓力指數(shù)與水資源安全評價指標體系. 地理科學進展, 2002, 21(6): 538- 545.

[15]Ohlsson L. Water conflicts and social resource scarcity. Physics and Chemistry of the Earth, Part B: Hydrology, Oceans and Atmosphere, 2000, 25(3): 213- 220.

[16]程國棟, 趙傳燕. 西北干旱區(qū)生態(tài)需水研究. 地球科學進展, 2006, 21(11): 1101- 1108.

[17]Ferrier R C, Edwards A C, Hirst D, Littlewood I G, Watts C D, Morris R. Water quality of Scottish rivers: spatial and temporal trends. Science of the Total Environment, 2001, 265(1/3): 327- 342.

[18]張小斌, 李新. 我國水環(huán)境安全研究進展. 安全與環(huán)境工程, 2013, 20(1): 122- 125.

[19]廖永豐, 聶承靜, 楊林生, 李海蓉. 洪澇災害風險監(jiān)測預警評估綜述. 地理科學進展, 2012, 31(3): 361- 367.

[20]苗鴻, 魏彥昌, 姜立軍, 歐陽志云, 史俊通, 王效科, 趙景柱. 生態(tài)用水及其核算方法. 生態(tài)學報, 2003, 23(6): 1156- 1164.

[21]張翔, 夏軍, 賈紹鳳. 水安全定義及其評價指數(shù)的應用. 資源科學, 2005, 27(3): 145- 149.

[22]劉海龍, 李迪華, 韓西麗. 生態(tài)基礎設施概念及其研究進展綜述. 城市規(guī)劃, 2005, 29(9): 70- 75.

[23]Benedict M A, McMahon E T. Green infrastructure: smart conservation for the 21st century. Renewable Resources Journal, 2002, 20(3): 12- 17.

[24]陳璐青, 林晨薇, 程維軍. “一江兩岸”濱水地區(qū)空間活化策略研究. 城市建筑, 2014, (10): 73- 77.

[25]許宏福, 霍子文. 基于水安全格局的湖泊型生態(tài)新區(qū)規(guī)劃方法芻議——以湖北省黃石市大冶湖生態(tài)新區(qū)為例 // 城鄉(xiāng)治理與規(guī)劃改革——2014中國城市規(guī)劃年會論文集. 北京: 中國城市規(guī)劃學會, 2014.

[26]樊杰. 我國主體功能區(qū)劃的科學基礎. 地理學報, 2007, 62(4): 339- 350.

[27]孟偉, 張遠, 鄭丙輝. 遼河流域水生態(tài)分區(qū)研究. 環(huán)境科學學報, 2007, 27(6): 911- 918.

[28]高永年, 高俊峰. 太湖流域水生態(tài)功能分區(qū). 地理研究, 2010, 29(1): 111- 117.

[29]蘇泳嫻, 張虹鷗, 陳修治, 黃光慶, 葉玉瑤, 吳旗韜, 黃寧生, 匡耀求. 佛山市高明區(qū)生態(tài)安全格局和建設用地擴展預案. 生態(tài)學報, 2013, 33(5): 1524- 1534.

[30]俞孔堅, 李海龍, 李迪華, 喬青, 奚雪松. 國土尺度生態(tài)安全格局. 生態(tài)學報, 2009, 29(10): 5163- 5175.

[31]俞孔堅, 王思思, 李迪華, 李春波. 北京市生態(tài)安全格局及城市增長預景. 生態(tài)學報, 2009, 29(3): 1189- 1204.

[32]李詠紅, 香寶, 袁興中, 劉孝富. 區(qū)域尺度景觀生態(tài)安全格局構建——以成渝經(jīng)濟區(qū)為例. 草地學報, 2013, 21(1): 18- 24.

[33]曹艷群, 俞露. 生態(tài)導向的城市空間規(guī)劃及其生態(tài)效益評價——以湖南省長沙市蘇圫垸為例 // 城市時代, 協(xié)同規(guī)劃——2013中國城市規(guī)劃年會論文集. 北京: 中國城市規(guī)劃學會, 2013.

[34]陳利頂, 傅伯杰, 徐建英, 鞏杰. 基于“源-匯”生態(tài)過程的景觀格局識別方法——景觀空間負荷對比指數(shù). 生態(tài)學報, 2003, 23(11): 2406- 2413.

[35]尹海偉, 徐建剛, 陳昌勇, 孔繁華. 基于GIS的吳江東部地區(qū)生態(tài)敏感性分析. 地理科學, 2006, 26(1): 64- 69.

[36]武彤, 劉曉光, 吳冰. 哈爾濱市阿城區(qū)綜合水安全評價與格局構建研究 // 中國風景園林學會2014年會論文集(上冊). 北京: 中國風景園林學會, 2014.

[37]劉小勇, 吳普特. 雨水資源集蓄利用研究綜述. 自然資源學報, 2000, 15(2): 189- 193.

[38]Nelson E, Mendoza G, Regetz J, Polasky S, Tallis H, Cameron D, Chan K, Daily G C, Goldstein J, Kareiva P M, Lonsdorf E, Naidoo R, Ricketts T H, Shaw M. Modeling multiple ecosystem services, biodiversity conservation, commodity production, and tradeoffs at landscape scales. Frontiers in Ecology and the Environment, 2009, 7(1): 4- 11.

[39]Leh M D K, Matlock M D, Cummings E C, Nalley L L. Quantifying and mapping multiple ecosystem services change in West Africa. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2013, 165: 6- 18.

[40]Chen L, Xie G D, Zhang C S, Pei S, Fan N, Ge L Q, Zhang C X. Modelling ecosystem water supply services across the Lancang river basin. Journal of Resources and Ecology, 2011, 2(4): 322- 327.

[41]余新曉, 周彬, 呂錫芝, 楊之歌. 基于InVEST模型的北京山區(qū)森林水源涵養(yǎng)功能評估. 林業(yè)科學, 2013, 48(10): 1- 5.

[42]傅斌, 徐佩, 王玉寬, 彭怡, 任靜. 都江堰市水源涵養(yǎng)功能空間格局. 生態(tài)學報, 2013, 33(3): 789- 797.

[43]岳雋, 王仰麟, 李貴才, 吳健生. 基于水環(huán)境保護的流域景觀格局優(yōu)化理念初探. 地理科學進展, 2007, 26(3): 38- 46.

[44]Seppelt R, Voinov A. Optimization methodology for land use patterns using spatially explicit landscape models. Ecological Modeling, 2002, 151(2/3): 125- 142.

[45]黃碩, 郭青海. 城市景觀格局演變的水環(huán)境效應研究綜述. 生態(tài)學報, 2014, 34(12): 3142- 3150.

[46]周璟, 劉永, 郭懷成, 趙海生, 顏小品, 張禎禎. 沁河流域水環(huán)境約束分區(qū)與景觀格局優(yōu)化. 環(huán)境科學研究, 2012, 25(5): 481- 488.

[47]Penning-Rowsell E C. Flood-hazard response in Argentina. The Geographical Review, 1996, 86(1): 72- 90.

[48]莫琳, 俞孔堅. 構建城市綠色海綿——生態(tài)雨洪調蓄系統(tǒng)規(guī)劃研究. 城市發(fā)展研究, 2012, 19(5): 中彩頁4-中彩頁8.

[49]劉仁義, 劉南. 基于GIS的復雜地形洪水淹沒區(qū)計算方法. 地理學報, 200l, 56(1): l- 6.

[50]丁志雄, 李紀人, 李琳. 基于GIS格網(wǎng)模型的洪水淹沒分析方法. 水利學報, 2004, (6): 56- 60, 67- 67.

[51]劉小生, 陳英俊, 黃玉生. 基于GIS技術的洪水淹沒區(qū)確定. 測繪科學, 2007, 32(5): 136- 137.

[52]彭建, 吳健生, 潘雅婧, 韓憶楠. 基于PSR模型的區(qū)域生態(tài)持續(xù)性評價概念框架. 地理科學進展, 2012, 31(7): 933- 940.

基金項目:國家自然科學基金面上資助項目(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，趙會娟，劉焱序，杜悅悅.區(qū)域水安全格局構建：研究進展及概念框架.生態(tài)學報,2016,36(11):3137- 3145.

Peng J, Zhao H J, Liu Y X, Du Y Y.Progress and conceptual framework of regional water security pattern construction.Acta Ecologica Sinica,2016,36(11):3137- 3145.