程麗穎，曾 堅

(成都市規(guī)劃設(shè)計研究院，成都 610041)

引 言

近年來，隨著全球氣候變化加劇，暴雨極端天氣事件發(fā)生頻率增加，其中突發(fā)性降雨引發(fā)的雨澇災(zāi)害日趨嚴重，給人們生命財產(chǎn)構(gòu)成了極大威脅[1]。城市雨澇災(zāi)害是由于強降水或連續(xù)性降水，使得地表徑流量超過城市排水能力從而產(chǎn)生的災(zāi)害。因而地表徑流的增大，會加重城市雨水排放系統(tǒng)的流量負荷，增加城市對地表徑流的調(diào)控難度，加大暴雨內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險。

目前研究已充分證明土地利用變化對地表徑流存在較大影響，但較少深入分析不同土地類型對地表產(chǎn)流的貢獻，同時大多研究集中在水文學(xué)領(lǐng)域，較少從城鄉(xiāng)規(guī)劃視角切入進行分析研究，從而難以形成有效指導(dǎo)城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展的響應(yīng)決策。本文以廈門市為研究對象，以地表徑流為雨澇災(zāi)害切入點，結(jié)合GIS與SCS-CN模型分析快速城鎮(zhèn)化過程中土地利用變化對地表徑流的影響，探索各類土地利用性質(zhì)與地表徑流的關(guān)系，從而從城鄉(xiāng)用地格局、城市基礎(chǔ)設(shè)施以及行政管理等方面提出徑流控制對策，為日后城市雨澇防控規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)和理論支持。

1 研究地點

由于全國年均降雨量空間分布的總趨勢是從東南沿海向西北內(nèi)陸遞減(圖1)，以廈門為代表的東南沿海地區(qū)年降水量為2 000～3 150mm，其迎接暴雨、大暴雨以及特大暴雨的頻次較大，面臨城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害的風(fēng)險也最突出。

其次廈門是我國改革開放和兩岸合作的窗口，在“一帶一路”和“金磚”合作中都具有舉足輕重的重要地位，城鎮(zhèn)化率從1984年的36.97%徑直增長為2017年的89%，增速遠高于全國平均水平(圖2)，是全國具有代表性的快速城鎮(zhèn)化城市之一。

隨著廈門城鎮(zhèn)化的高速發(fā)展，廈門城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害也越發(fā)頻繁。過去30年間廈門共遭遇暴雨119次暴雨，平均每年城市要面臨4次暴雨內(nèi)澇考驗(表1)，造成較大經(jīng)濟損失。

因而本文以廈門市為研究區(qū)域。對其進行土地利用變化與暴雨地表徑流的研究具有一定必要性、代表性和典型性。

圖1 2018年全國降水量實況圖Fig.1 National Precipitation in 2018

圖2 1984～2017年廈門與全國城鎮(zhèn)化率增長Fig.2 The increase of urbanization rate of Xiamen and China from 1984

表1 廈門市1998～2018年暴雨情況統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of rainstorm in Xiamen City from 1998 to 2018

2 數(shù)據(jù)來源與模擬

2.1 土地利用數(shù)據(jù)

選取1990、2000、2010以及2017年植被旺盛且含云量少于10%的Landsat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)(表2)。

表2 廈門市1998～2018年暴雨情況統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of rainstorm in Xiamen City from 1998 to 2018 (m)

土地利用數(shù)據(jù)的獲取通過ArcGIS軟件操作完成，依據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》國家標準和研究需要，將研究區(qū)內(nèi)用地劃分為建設(shè)用地、農(nóng)村居民點、耕地、林地、草地、水域、濕地7大類。

2.2 地表徑流模擬

2.2.1 SCS-CN模型

本文選用美國SCS-CN流域水文數(shù)字模型進行地表徑流模擬，SCS模型的最終表達式為[2]：

其中，Q代表地表徑流量(mm)，P代表一次降雨的總降雨量(mm)，徑流產(chǎn)生前潛在最大滯留量(S)受土壤、地表植被覆蓋等因素影響，為計算S引入?yún)?shù)CN，即[2]：

CN是一個無量綱參數(shù)，是綜合反應(yīng)土壤類型、土地利用現(xiàn)狀、土壤前期濕度的指標值，理論取值范圍在0～100之間。為便于計算依據(jù)經(jīng)驗，按照土壤滲水率將土壤分為A、B、C、D 4類，可通過表3獲取CN值[3～5]。

表3 廈門市SCS模型CN值(AMCII)Tab.3 CN value of Xiamen SCS model (AMCII)

2.2.2 地表徑流模擬

運用GIS工具對來自中國科學(xué)院南京土壤研究所的《土壤類型圖》按照不同透水率分為ABCD四類，并進行整合；再將已整理好的土地利用類型矢量圖與土壤類型矢量圖在GIS中進行疊加分析，參照表4得到每種土地利用類型的CN值并將其賦值給每個柵格；最后利用SCS-CN公式，求出每個柵格對應(yīng)地表流量，生成地表徑流量分布圖，各柵格數(shù)據(jù)匯總可得地表徑流量總數(shù)據(jù)。

本次模擬對4種土地利用情況(1990，2000，2010和2017年)和3種降雨情景共12種組合情況進行了模擬，其中降雨情景數(shù)據(jù)來自廈門氣象局不同重現(xiàn)期的極端降雨量(表4)。

表4 廈門市24h極端降雨量統(tǒng)計表Tab.4 Statistical table of 24-hour extreme rainfall in Xiamen City (mm)

3 數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

3.1 廈門市土地利用演變情況分析

3.1.1 城市建設(shè)用地大幅增長

由圖3可看出，廈門市1990～2017年間隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市建設(shè)用地經(jīng)歷了較為明顯的增長過程，擴張基本可以分為1990～2000年“本島發(fā)展”、2000～2010年“島外拓展”，2010～至今“海灣轉(zhuǎn)型”3大階段。

“本島發(fā)展”階段，年均以6.2km2的面積進行擴張，廈門本島內(nèi)城市擴張最為明顯；“島外拓展”階段，廈門年均建設(shè)用地增長17.4km2，廈門島內(nèi)對僅存的未開發(fā)用地展開了填充式建設(shè)，至此廈門本島內(nèi)建設(shè)已基本處于飽和狀態(tài)；“海灣轉(zhuǎn)型”階段，年均城市建設(shè)用地增長12.8km2，廈門快速城鎮(zhèn)化建設(shè)重點轉(zhuǎn)向島外。

圖3 1990～2017廈門市土地利用圖Fig.3 Land use map of Xiamen City from 1990 to 2017

3.1.2 耕地及生態(tài)用地面積大幅減少

土地利用變化上，廈門自1990年起年均向外擴張15.8km2，對城市周圍耕地、林地、草地、水域等用地占用明顯(圖4,表5)。其中耕地面積劇烈減少從663.2km2減少至439.2 km2，總共減少了33.7%，林地和水域面積也受到較大影響，分別減少了41.1 km2、61.33 km2。

“本島發(fā)展”階段，城市擴張對耕地和林地占用明顯，耕地面積減少最為突出達51.9 km2；“島外拓展”時期耕地面積減少達到歷史高峰113.2 km2，濱海濕地面積減少率最高達49.2%；“海灣轉(zhuǎn)型”階段耕地面積減少呈現(xiàn)緩和趨勢，僅為67 km2，而濱海濕地減少率達到歷史頂峰為84.6%[6]。

圖4 1990～2017年土地利用變化情況Fig.4 Land use change from 1990 to 2017

表5 1990～2017年廈門市土地利用動態(tài)變化Tab.5 Dynamic change of land use in Xiamen City from 1990 to 2017

3.2 廈門雨澇地表徑流變化情況分析

3.2.1 地表徑流總量增加

1990～2017年隨著廈門快速城鎮(zhèn)化土地利用變化過程，廈門在兩年一遇、五年一遇和五十年一遇降雨強度下，地表徑流總量均呈現(xiàn)增長趨勢，且隨著時間推移增長越發(fā)明顯(表6)。以5年一遇情景為例，1990～2017年總地表徑流量增長量為7.64mm，是1990～2010年增長量的1.6倍，是1990～2000年增長量的5.16倍。地表徑流總量的增大，反映出廈門市當下快速城鎮(zhèn)化建設(shè)過程土地利用的改變加大了城市排水壓力和內(nèi)澇危險，給城市安全帶來不可忽視的威脅。

表6 1990～2017年廈門市地表徑流總量Tab.6 Total surface runoff in Xiamen from 1990 to 2017 (mm)

3.2.2 產(chǎn)流高值區(qū)與建設(shè)用地分布呈現(xiàn)一致性

如圖5所示，為方便分析比較選取P=50a情景下的地表產(chǎn)流情況為分析對象，并對其進行了歸一化處理，并分為5類。

由圖5可知，從1990～2017年廈門市地表產(chǎn)流量變化明顯，產(chǎn)流高值區(qū)整體呈現(xiàn)擴散趨勢：1990年集中在廈門島西南部、思明區(qū)附近和島外杏林灣附近；2000年產(chǎn)流高值區(qū)在廈門島內(nèi)明顯增多，尤其是廈門島北部地區(qū)變化顯著；2010年產(chǎn)流高值區(qū)基本覆蓋廈門本島，并沿海灣呈現(xiàn)蔓延趨勢；2017年廈門本島全域呈現(xiàn)為徑流高值區(qū)，島外部分海滄區(qū)和集美區(qū)南部及濱海地段高值區(qū)增加明顯[7-9]。

圖5 廈門市P=50a 情景下地表產(chǎn)流分布圖Fig.5 P=50a distribution map of surface runoff in Xiamen City

整體看來，廈門市產(chǎn)流高值區(qū)分布及蔓延情況與城市建設(shè)用地在空間和時間上保持一致，反映出土地利用類型中城市建設(shè)用地是地表徑流高值區(qū)，由于城市建設(shè)用地是城市人口、城市經(jīng)濟財產(chǎn)和城市重要生命線系統(tǒng)的承載地，城市建設(shè)用地地表徑流的高值分部給城市排水、城市防災(zāi)帶來了巨大壓力。

3.3 廈門土地利用與地表徑流耦合分析

為分析廈門市不同土地利用類型對地表徑流產(chǎn)流的貢獻程度，對1990～2017年各降雨情景下土地產(chǎn)流貢獻率(不同土地產(chǎn)流量占年總徑流量之比)進行了統(tǒng)計(表7)，得出結(jié)論如下。

表7 廈門市1990～2017年不同情景下各類用地產(chǎn)流貢獻率Tab.7 The contribution rate of runoff yield of various lands in Xiamen City from 1990 to 2017 under different scenarios (%)

3.3.1 建設(shè)用地面積與產(chǎn)流貢獻率成正比

1990～2017年建設(shè)用地的產(chǎn)流貢獻率隨時間變化趨勢與所占面積比隨時間變化趨勢基本一致(圖5)。以P=5a情景為例，1990～2017年建設(shè)用地面積占比增加22.3%，其地表產(chǎn)流貢獻率相繼增加31.7%，在各類用地中增加比例最為顯著。為進一步驗證建設(shè)用地面積與產(chǎn)流關(guān)系，對建設(shè)用地面積與其進行回歸分析。由表8可知，線性系數(shù)R為0.997a，方程顯著性為0.03b，表明建設(shè)用地面積與產(chǎn)流量之間存在正相關(guān)性，即建設(shè)用地產(chǎn)流量隨面積增大而增加。因而可知，有效調(diào)控城市建設(shè)用地面積是控制城市地表徑流、控制暴雨內(nèi)澇風(fēng)險的有效途徑之一[10]。

表8 建設(shè)用地面積與其產(chǎn)流量回歸分析結(jié)果Tab.8 Regression analysis of construction land area and construction flow model summary

注：a.建設(shè)用地面積;b. 預(yù)測變量：(恒定), 建設(shè)用地面積

3.3.2 林地、草地、水體生態(tài)調(diào)蓄能力突出，單位面積地表產(chǎn)流較少

橫向比較各類型土地面積所占比例與其產(chǎn)流貢獻率所占比例，可知除建設(shè)用地與農(nóng)村居民點外，其他各類用地對地表雨水都有一定損耗能力，即產(chǎn)流貢獻率小于土地面積比。其中，林地、草地、水體產(chǎn)流貢獻率自1990年起均小于土地面積所占比例，反映出其具有較為穩(wěn)定且突出的生態(tài)調(diào)蓄能力，即此類用地單位面積的地表產(chǎn)流量較小。以2010年P(guān)=2a情景為例，林地所占面積比與產(chǎn)流貢獻率差值為2.7%；其次是草地消耗1.8%，耕地僅消耗雨水僅為1.5%(圖6)。因而可知，土地利用類型中林地、草地和水體對消耗城市地表雨水，減少地表徑流，減緩城市暴雨內(nèi)澇壓力有較為明顯的作用。

圖6 2010年P(guān)=2a情景 各類用地產(chǎn)流貢獻率與用地面積比對比Fig.6 P=2a scenario in 2010,contrast of runoff contribution rate of various land use and land area

3.3.3 生態(tài)用地雨水調(diào)蓄能力有限，產(chǎn)流貢獻率隨降雨量增大而增大

從不同降雨情景角度看，隨著降雨量的增大，耕地、林地產(chǎn)流貢獻率增多。以2010年為例，林地產(chǎn)流貢獻率從兩年一遇的24.9%增長至五十年一遇的27.1%，耕地產(chǎn)流貢獻率從兩年一遇的29.3%增長至五十年一遇的31.5%。反映出在降雨量為兩年一遇及以下的情景下，廈門市耕地、林地吸收和下滲地表水的能力較為突出；當降雨量增大至五年一遇和五十年一遇情景時，自然調(diào)蓄能力逐漸達到飽和，無法對新增雨水進行消耗和吸收，故產(chǎn)流貢獻率增加。因而可知，生態(tài)用地盡管對地表徑流具有自然調(diào)蓄作用，但由于其能力具有一定飽和值，在極端強降雨情況下調(diào)蓄效果尚不理想，故生態(tài)用地雨水調(diào)蓄能力僅能作為城市排水輔助和優(yōu)化系統(tǒng)進行考慮，不能滿足城市極端暴雨情況下的雨水調(diào)蓄需求。

4 規(guī)劃防控啟示

從廈門土地利用演變與地表徑流關(guān)系分析可知，土地面積、性質(zhì)與地表徑流有密切關(guān)系。因而在快速城鎮(zhèn)化階段，通過規(guī)劃手段控制城市地表徑流，是減少城市雨澇風(fēng)險的重要途徑。

4.1 用地格局控制徑流

由于土地產(chǎn)流貢獻量與土地面積成正比，在快速城鎮(zhèn)化階段通過合理城市用地規(guī)劃，保障產(chǎn)流貢獻率較小的生態(tài)用地面積，控制產(chǎn)流貢獻率較高的城市建設(shè)用地面積增長，可從宏觀上控制地表徑流總量，達到減災(zāi)目的。具體策略如下。

4.1.1 生態(tài)用地保護修復(fù)

生態(tài)用地保護修復(fù)要求規(guī)劃者以生態(tài)學(xué)角度統(tǒng)籌城市系統(tǒng)與自然系統(tǒng)，從而減少和減緩災(zāi)害對城市的影響，達到人與自然和諧相處的可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)。建議廈門針對北部水源涵養(yǎng)林區(qū)、中部沿海經(jīng)濟林區(qū)和南部沿海防護林區(qū)，制定生態(tài)保護規(guī)劃從而保障城市整體生態(tài)調(diào)蓄能力，控制地表徑流；另一方面，針對城鎮(zhèn)化過程大幅減少的生態(tài)濕地，建議廈門在“海灣型”發(fā)展階段，盡可能采取生態(tài)海岸線，修復(fù)濱海濕地，恢復(fù)自然系統(tǒng)的土壤維持、雨水調(diào)蓄等生態(tài)服務(wù)功能，從而在雨澇與城市系統(tǒng)中起到緩沖作用，減少內(nèi)澇災(zāi)害的破壞力。

4.1.2 建設(shè)用地緊湊發(fā)展

城市建設(shè)用地緊湊發(fā)展要求規(guī)劃者通過多樣化和混合化的功能區(qū)塊靈活使用，提高土地利用價值，實現(xiàn)城市土地進行集約化利用。建議廈門在翔安區(qū)、同安區(qū)、集美區(qū)和海滄區(qū)的快速城鎮(zhèn)化建設(shè)時，將城市居住用地與公共服務(wù)用地、商業(yè)用地、工業(yè)用地結(jié)合規(guī)劃，形成高密度復(fù)合城市片區(qū)，從而最大限度挖掘城市土地資源的供給潛力，從而降低快速城鎮(zhèn)化建設(shè)對新增土地需求，控制城市建設(shè)用地的增長，實現(xiàn)控制城市地表徑流的增加，減緩防災(zāi)壓力的目的。

4.2 基礎(chǔ)設(shè)施疏散徑流

排水基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃應(yīng)充分考慮生態(tài)用地的雨水自然調(diào)蓄特征，因而在降雨量較小時，應(yīng)借鑒自然元素構(gòu)建城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施；在降雨量較為極端時，應(yīng)通過加高標準的城市工程排水設(shè)施應(yīng)對。具體策略如下：

4.2.1 應(yīng)用生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施

生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施是由于生態(tài)用地如林地、草地具有突出的雨水調(diào)蓄功能，而在在城市規(guī)劃中大量增加林地、草地等生態(tài)綠地的比例具有一定難度，而提出的以自然水文系統(tǒng)為模板，在城市修建具有類似自然吸收、滲透、過濾、滯留等功能的軟性雨水管理設(shè)施。建議廈門在城市道路系統(tǒng)中，按照道路級別和城市需求，綜合使用下凹綠地、植草溝和透水性鋪裝等設(shè)施；在綠地系統(tǒng)中，針對已建成的城市公園和城市居住區(qū)，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進行滲透性鋪裝、植草溝/池、下凹綠地的增設(shè)和改建。針對集美區(qū)、同安區(qū)、海滄區(qū)，建議在進行綠地設(shè)計時，考慮生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施與景觀系統(tǒng)的結(jié)合，從而使廈門充分發(fā)揮雨水調(diào)蓄能力，最大限度減少快速城鎮(zhèn)化進程中不良水文效應(yīng)，達到防災(zāi)優(yōu)化作用[11]。

4.2.2 提高城市排水設(shè)計標準

由于林地、草地、耕地等生態(tài)用地在降雨量超過極限值的情況下無法對地表徑流進行有效控制，因而城市暴雨內(nèi)澇的應(yīng)對還需以城市排水工程為主要防控手段。目前廈門市普遍以1～2年一遇重現(xiàn)期為雨水管設(shè)計標準，在快速城鎮(zhèn)化和全球氣候急劇變化的當下，此標準已不足以輕松應(yīng)對城市突發(fā)暴雨的緊急情況，因此提高城市雨水管道設(shè)計標準是提高城市暴雨抵抗能力的關(guān)鍵。建議廈門參照美國和澳大利亞昆士蘭雨水管道設(shè)計標準[12]，將商業(yè)區(qū)和重要道路雨水標準提升至10年一遇及以上，將居住區(qū)標準提升為2年一遇及以上，從而提高城市整體排水能力，從而增強城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害應(yīng)對力。

4.3 完善雨澇管理體制

城市地表徑流的控制需要城市氣象部門、城市規(guī)劃建設(shè)部門、城市水利部門等多方面協(xié)作完成。目前我國極端氣候事件的應(yīng)對處理缺乏專業(yè)統(tǒng)一且具有足夠行政級別的應(yīng)急管理單位綜合統(tǒng)籌，存在溝通不便、資料混亂、只能短時應(yīng)對無法深入研究等問題。以廈門暴雨內(nèi)澇為例，負責(zé)廈門暴雨內(nèi)澇應(yīng)急統(tǒng)籌的單位為廈門水利局防汛抗旱指揮部，而負責(zé)預(yù)防預(yù)警的單位為廈門氣象局，負責(zé)災(zāi)情統(tǒng)計的單位又為廈門園林局，具體救災(zāi)應(yīng)災(zāi)的單位又涉及廈門交通部、衛(wèi)生部等，存在部分職能交叉，容易形成相互推脫的現(xiàn)象，給城市地表徑流疏散、暴雨應(yīng)急協(xié)調(diào)帶來較大困難。因而建議廈門在未來完善其雨澇管理體制，成立具有針對性的統(tǒng)籌單位，明確各部門職責(zé)，從而整體上提高城市應(yīng)對雨澇災(zāi)害的能力[13]。

5 結(jié) 語

本文運用遙感圖像，結(jié)合GIS平臺與SCS-CN水文模型，分析了1990、2000、2010和2017年的城市土地利用變化對地表徑流的影響，并結(jié)合各類土地產(chǎn)流特征得出主要結(jié)論如下：

5.1 隨著廈門城鎮(zhèn)化率的提升，廈門城市建設(shè)用地大幅增長，城市耕地、林地、草地等生態(tài)用地面積大幅減少，在相同降雨量情況下城市地表徑流總量增加，加大了城市暴雨內(nèi)澇風(fēng)險。

5.2 在廈門各類城市建設(shè)用地種，城市建設(shè)用地產(chǎn)流貢獻率高；林地、草地等生態(tài)用地具有突出的雨水調(diào)蓄能力，但具有一定限度，在極端暴雨情況下調(diào)蓄能力有限。

5.3 在快速城鎮(zhèn)化建設(shè)時，可通過生態(tài)用地保護、城市緊湊發(fā)展來控制地表徑流總量，城市防災(zāi)方面可通過生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用和提高城市排水標準來加強地表徑流疏散。

廈門為例，對各類土地利用變化與徑流關(guān)系進行分析，最后得出普適性結(jié)論——生態(tài)用地調(diào)蓄能力突出，但在極端暴雨情況下調(diào)蓄能力有限。并在此基礎(chǔ)上提出了普適性規(guī)劃防控啟示，為城市暴雨內(nèi)澇防災(zāi)規(guī)劃提供參考和理論支撐。但由資料獲取難度和篇幅限制，文章僅以地表徑流量反應(yīng)雨澇災(zāi)害風(fēng)險，且未考慮土地利用對城市微氣候等方面的影響，有待相關(guān)研究的進一步深化。