辛儒鴻,曾 堅,李 凱,王倩雯,丁鍶湲

1 天津大學(xué)建筑學(xué)院,天津 300072 2 哥本哈根大學(xué)地理科學(xué)與自然資源管理系,哥本哈根 1958

在全球氣候變化和城市化背景下,城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險逐年加劇,可持續(xù)發(fā)展面臨嚴峻挑戰(zhàn)[1]。在中國,截至2020年,常住人口城市化率已超過60%[2],隨著城市高密度化和集約化發(fā)展,城市生態(tài)空間大幅減少,生態(tài)系統(tǒng)的雨洪調(diào)節(jié)能力不斷退化[3- 4],導(dǎo)致城市雨洪生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需失衡[5],城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)[6],嚴重危及城市居民的人身安全、財產(chǎn)安全及公共安全[7]。新時期,“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要中強調(diào),要完善城市化戰(zhàn)略,把人民生命安全和身體健康作為城市發(fā)展的基礎(chǔ)目標,推進以人為核心的新型城鎮(zhèn)化。因此,從全新視角審視城市內(nèi)澇調(diào)節(jié)防控已成為社會各界廣泛關(guān)注的重要問題[8]。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是連接自然資本和人類福祉的關(guān)鍵橋梁,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的產(chǎn)生和使用對應(yīng)生態(tài)供給和社會需求[9]。內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)作為與城市發(fā)展關(guān)系最緊密的服務(wù)類型之一,對緩解城市內(nèi)澇災(zāi)害具有重要作用[10- 12]。目前,關(guān)于城市內(nèi)澇的國內(nèi)外理論研究主要聚焦于城市內(nèi)澇的災(zāi)情模擬與風(fēng)險評估[13- 15],成因機理與防治措施[8,16- 17],監(jiān)測預(yù)警與應(yīng)急管理[18- 19],及防澇設(shè)計標準與技術(shù)導(dǎo)則制定[20-21]等方面。隨著城市內(nèi)澇災(zāi)害的綜合性、復(fù)雜性和多樣性等問題日益突出[17,22],越來越多的學(xué)者開始從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)視角探索城市內(nèi)澇的解決方案[23- 24]。主要歸納為兩個方面：一是強調(diào)控制城市擴張和優(yōu)化土地利用以減少人類對城市內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)的消耗和需求。如BenDor等[25]論證了將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)納入城市總體規(guī)劃的必要性；Yu等[26]探討了優(yōu)化不透水地表布局對預(yù)防城市內(nèi)澇的積極作用；匡文慧等[27]研究了城市建成區(qū)土地利用/覆蓋變化對內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)的影響。二是試圖通過優(yōu)化綠色基礎(chǔ)設(shè)施等生態(tài)途徑來提升城市內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)的供給能力。如Merrow等[28]探討了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與綠色基礎(chǔ)設(shè)施空間規(guī)劃的內(nèi)生關(guān)系；Maragno等[29]提出了以緩解城市內(nèi)澇為導(dǎo)向的綠色基礎(chǔ)設(shè)施精細化管理方法；李鋒[30]、肖華斌[31]、顧康康[32]、許超[33]等論述了綠色基礎(chǔ)設(shè)施對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,并提出了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)導(dǎo)向下的綠色基礎(chǔ)設(shè)施布局與管理策略。已有研究拓寬了對城市內(nèi)澇防控的認知范圍,但總體上側(cè)重于內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)的供給量化,關(guān)于受災(zāi)體對內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)的需求量化研究不足。同時,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需存在明顯的空間異質(zhì)性和空間錯位特征[34],已有研究尚未對內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)的供需關(guān)系進行體系探討,導(dǎo)致無法明確哪些區(qū)域需要重點關(guān)注并優(yōu)先干預(yù),進而無法改善當前城市內(nèi)澇防控布局不精準[35],內(nèi)澇調(diào)節(jié)效率低下[36]等現(xiàn)實問題。

因此,本文系統(tǒng)梳理城市內(nèi)澇研究脈絡(luò)及內(nèi)澇災(zāi)害特點,以內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)為切入點,重點關(guān)注城市發(fā)展需求和生態(tài)系統(tǒng)供給之間的關(guān)系,構(gòu)建了城市內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)供需關(guān)鍵區(qū)識別與優(yōu)先級劃分的研究框架與指標體系。并基于廈門島的城市發(fā)展現(xiàn)狀及凸出環(huán)境問題，進行了城市內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)量化評估與空間制圖。研究結(jié)果對提升城市內(nèi)澇調(diào)節(jié)與防控能力,促進以人為本的新型城鎮(zhèn)化發(fā)展目標具有重要應(yīng)用價值。

1 研究區(qū)概況

廈門島位于閩三角城市群核心地帶,是廈門市的政治、經(jīng)濟、文化、商業(yè)中心。國土面積157.76km2,整體地勢南高北低,最高海拔312m,四周環(huán)海,是典型的島嶼型城市(圖1)。由于廈門島處于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,近15年(2003—2017年)的降雨數(shù)據(jù)顯示,年降雨量和降雨天數(shù)總體呈上升趨勢(圖2)。全年降雨高峰期間(5—9月),強降雨和風(fēng)暴潮事件頻發(fā),所產(chǎn)生的城市內(nèi)澇災(zāi)害嚴重到影響城市居民的生命財產(chǎn)健康安全[37- 38]。因此,加強城市防澇基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),提升城市內(nèi)澇災(zāi)害防治水平,是當前迫切需要解決的現(xiàn)實問題。

圖1 廈門島DEM及匯水分區(qū)Fig.1 DEM and catchment zone of Xiamen Island

圖2 廈門島近15年降雨趨勢Fig.2 Rainfall trends in Xiamen Island in the past 15 years

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

研究選取2017年8月15日晴空Landsat- 8 OLI遙感影像,使用ENVI5.3平臺對遙感影像進行校正、裁剪和目視解譯,將研究區(qū)用地分為：林地、草地、耕地、水體、建設(shè)用地和裸地六大類型；同時期30m分辨率DEM數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)均源于中科院地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站。建筑密度,建筑普查數(shù)據(jù)源于中科院地理科學(xué)與資源研究所。居住小區(qū)及人口空間分布數(shù)據(jù)通過Python從安居客網(wǎng)站爬取獲得。道路數(shù)據(jù)源于Open Street Map。其它基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源于《廈門市城市總體規(guī)劃(2011—2020)》及廈門市官方網(wǎng)站。分析過程基于ArcMap10.8、ENVI5.3和GeoDA平臺完成。

2.2 指標選取及技術(shù)路線

城市內(nèi)澇災(zāi)害涉及生態(tài)環(huán)境、人口安全及社會經(jīng)濟等多個方面[39]。生態(tài)空間具有調(diào)節(jié)城市內(nèi)澇的功效[16,40],受災(zāi)體的生命財產(chǎn)安全是城市內(nèi)澇防控所關(guān)注的關(guān)鍵要素[40- 41]。因此,本研究將綠地系統(tǒng)的供給水平(城市生態(tài)主體)和人的需求水平(城市社會主體)統(tǒng)籌到一個研究框架內(nèi),明確了供需指標體系,構(gòu)建了研究技術(shù)路線(圖3)。主要包括4個步驟：(1)模擬城市降雨強度和地表徑流量,具體指標包括：降雨量,降雨歷時,土地利用覆蓋度；(2)評估城市內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)供給能力,具體指標為：徑流調(diào)節(jié)率。(3)評估城市內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)需求水平,主要指標包括：脅迫性指數(shù)(淹沒深度),暴露性指數(shù)(人口暴露性、建筑暴露性)和脆弱性指數(shù)(生命脆弱性、結(jié)構(gòu)脆弱性、財產(chǎn)脆弱性)。(4)城市內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)供需匹配及干預(yù)優(yōu)先級劃分,主要指標為：Z-score標準化結(jié)果和優(yōu)先級指數(shù)。

2.3 方法

2.3.1城市降雨強度與地表徑流量模擬

降雨強度是城市內(nèi)澇災(zāi)害評估模型中的核心驅(qū)動變量。根據(jù)《廈門市暴雨強度公式》(福建省氣候中心修訂,2016),結(jié)合城市內(nèi)澇危害最大化特征,采用短歷時暴雨強度公式計算不同重現(xiàn)期內(nèi)的暴雨強度,公式如下[38]：

(1)

式中,q是降雨強度(L s-1hm-2)；R是降雨重現(xiàn)期(R=1,20,50,100,200,500a)；t是降雨歷時(t=120min)。

本研究采用美國農(nóng)業(yè)部研發(fā)的SCS-CN水文模型模擬地表徑流量,綜合考慮土壤類型、土壤濕度、下墊面占比等因素對對徑流的影響[42]。計算公式如下[27]:

(2)

(3)

式中,Q是地表徑流量(mm)；P是降雨量(mm)；S是最大可能滯留量(mm)[43]；Ia是降水的初始下滲量,Ia=λ×S,λ是土壤的下滲系數(shù),一般取值為0.2[44]；CN表征地表產(chǎn)流能力,本研究參考Fan等提出的方法進行計算[45],即利用城市地表覆蓋比例及其各自CN值進行加權(quán)計算得到,計算公式如下:

CN=f1×CN1+f2×CN2+f3×CN3

(4)

式中,f1,f2和f3分別代表不透水面、植被和裸土在像元內(nèi)的百分比,CN,CN1,CN2,CN3分別代表計算得到的綜合CN值及不透水面、植被和裸土的CN值,不透水面和裸土的初始CN值分別為98和91,植被的初始CN值的計算方法見參考文獻[45]。土壤濕度設(shè)置為中等情景。

2.3.2城市內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)供給評估

城市綠色空間通過促進地表水下滲和冠層節(jié)流等方式有效減少地表徑流量和流速[46]。本研究使用徑流調(diào)節(jié)率[27,29]來表征綠地調(diào)節(jié)地表徑流的能力,以刻畫城市內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)的供給能力。計算公式如下:

Cr=Δv×(0.001×P×A)-1×100%

(5)

(6)

式中,Cr是各研究單元的地表徑流調(diào)節(jié)率(%)；Δv是像元內(nèi)綠地空間的地表徑流調(diào)蓄量(mm)；P是降雨量(mm)；A是各研究單元的面積(m2)。Qi是占比為100%的不透水面產(chǎn)生的地表徑流量(mm)；Qa是各綠地覆蓋類型實際產(chǎn)生的地表徑流量(mm)；Ai是每個像元的面積(m2)。徑流調(diào)節(jié)率越高,表明綠地空間的內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)供給水平越高。

2.3.3城市內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)需求評估

在內(nèi)澇災(zāi)害情景下,脅迫性(Hazard)、暴露性(Exposure)和脆弱性(Vulnerability)之間的相互作用反映受災(zāi)風(fēng)險程度[47-50]。其中脅迫性指與自然災(zāi)害有關(guān)的物理事件及其影響；暴露性指在不同災(zāi)害級別中存在的人、建筑、基礎(chǔ)設(shè)施等經(jīng)濟、社會和文化資產(chǎn)；脆弱性指受災(zāi)體承受災(zāi)害的能力[47,51]。本研究將三者的綜合影響定義為城市內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)的綜合需求。

脅迫性評估。脅迫性分析需要同時考慮暴雨自然[52]徑流量和城市排水系統(tǒng)的排水能力兩大關(guān)鍵因素[53]。根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范GB50014—2006(2016版)》和實際情況,設(shè)定廈門島城市排水管網(wǎng)的實際排澇能力為一年一遇(35.14mm/h)[38],地表徑流量減去排水量后的雨量得到內(nèi)澇積水量[53]。本研究基于DEM數(shù)據(jù),運用GIS水文分析模塊中的D8算法[52,54—55],識別分水嶺、匯流河網(wǎng)和積澇點,劃分匯水分區(qū),并求出各匯水區(qū)內(nèi)的內(nèi)澇積水量。計算公式如下[56]：

W=(Q-V)×S′

(7)

式中,W是內(nèi)澇積水量(mm),Q是地表徑流量(mm),V是排水量(35.14mm/h),S′是匯水區(qū)面積(m2)。采用“等體積法”模擬內(nèi)澇淹沒范圍和淹沒高度,以匯水區(qū)內(nèi)澇積水量W為參照,在GIS平臺的3D表面體積模塊中設(shè)定模擬淹沒高度H,計算得到3D淹沒體積V,當V=W時,H即為該匯水區(qū)的淹沒高度。提取淹沒高度以下的DEM數(shù)據(jù),得到淹沒區(qū)；淹沒高度減去修正后的地形高程,得到實際淹沒深度[56]。各淹沒深度范圍內(nèi)的受災(zāi)面積占整個研究區(qū)淹沒深度范圍內(nèi)的受災(zāi)面積的比例之和,乘以權(quán)重系數(shù),即為該研究單元內(nèi)的內(nèi)澇淹沒脅迫性指數(shù)H。計算過程參照公式(8—9)。

暴露性評估。本研究在石勇等提出的內(nèi)澇暴露性指數(shù)[41]的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了受災(zāi)體暴露性評價體系,重點考慮城市空間中的人及其生活、生產(chǎn)空間的受災(zāi)數(shù)量和受災(zāi)強度。根據(jù)《GB51222—2017城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》[57],積水深度超過15cm視為發(fā)生內(nèi)澇?；诖?本文結(jié)合已有內(nèi)澇等級劃分研究[38],將淹沒深度劃分為4個等級：15—30cm,30—45cm,45—60cm,60cm以上；利用GIS統(tǒng)計分析每種淹沒等級中,各街道單元內(nèi)的受災(zāi)建筑面積和受災(zāi)人口數(shù)量占整個研究區(qū)內(nèi)受災(zāi)建筑面積和受災(zāi)人口數(shù)量的比例。其次,考慮不同淹沒等級對受災(zāi)體的影響程度,給Ⅰ—Ⅳ級的內(nèi)澇等級分別賦予權(quán)重：0.2,0.4,0.6,0.8[41]。最終,各淹沒等級內(nèi)受災(zāi)體占比的加權(quán)和為該研究單元的暴露性指數(shù)。計算公式如下[41]：

(8)

(9)

式中,Ej是研究單元j的暴露性指數(shù),t是內(nèi)澇等級的權(quán)重；gi(uj)是研究單元j中暴露等級i的建筑面積在整個研究區(qū)該暴露等級的總建筑面積中所占的比例；fi(uj)是各研究單元中每種暴露水平的受災(zāi)建筑面積,Ci是整個研究區(qū)中每種暴露水平的總建筑面積。其中m=4,n=873。人口暴露性與建筑暴露性的計算過程相同,兩項指數(shù)的平均值為綜合暴露性指數(shù)E。

脆弱性評估。內(nèi)澇災(zāi)害所引發(fā)的脆弱性包括建筑結(jié)構(gòu)損失[58]、財產(chǎn)損失[40]以及人口安全損失[9]。由于缺少老年人、兒童等人口組成數(shù)據(jù),本研究主要探討建筑結(jié)構(gòu)損失和財產(chǎn)損失兩項指標。同時,內(nèi)澇損失主要與積水深度有關(guān),受水流沖擊和淹沒歷時等因素的影響較小[58],因此,以積水深度作為脆弱性評估的控制性指標。選取已被廣泛應(yīng)用的澳大利亞ANUFLOOD建筑結(jié)構(gòu)水深-損失率曲線[59],根據(jù)國內(nèi)學(xué)者的修正經(jīng)驗[40]及本研究區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)調(diào)研結(jié)果,對其進行本地化擬合修正,構(gòu)建了適用于本地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)脆弱性模型和室內(nèi)財產(chǎn)脆弱性模型,計算公式如下：

v1=0.041+0.165x-0.033x2+0.006x3

(10)

v2=0.041+0.893x+0.005x2-0.121x3

(11)

式中,v1為建筑結(jié)構(gòu)災(zāi)損率(%)；v2為住宅建筑的室內(nèi)財產(chǎn)災(zāi)損率(%)；x為內(nèi)澇積水深度(m)。相關(guān)研究表明,內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生時,老舊建筑的結(jié)構(gòu)脆弱性更強[41],同時,商業(yè)建筑及倉儲建筑的財產(chǎn)脆弱性明顯強于住宅建筑[40],因此,該類建筑的災(zāi)損率需乘以權(quán)重系數(shù)1.2。不同淹沒等級中的建筑類型占比及權(quán)重參照暴露性評估過程。建筑結(jié)構(gòu)脆弱性和室內(nèi)財產(chǎn)脆弱性的平均值為綜合脆弱性指數(shù)V。

城市內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)綜合需求評估。根據(jù)災(zāi)害系統(tǒng)理論,脅迫性是災(zāi)害產(chǎn)生的先決條件,表征致災(zāi)程度；暴露性是災(zāi)害產(chǎn)生的直接原因,反映受災(zāi)體的受災(zāi)狀態(tài)；脅迫性是災(zāi)害損失的重要條件,衡量受災(zāi)體的損失程度。三項指標共同決定了災(zāi)害風(fēng)險,即反映了內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)的綜合需求。計算公式如下：

R=H×E×V

(12)

式中,R為內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)綜合需求；H為脅迫性；E為暴露性；V為脆弱性。

2.3.4城市內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)供需匹配

使用Z-score標準化方法進行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需分異,能夠簡潔直觀的識別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的匹配類型[60-61]?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果,對每個研究單元內(nèi)的供需水平進行Z-score標準化和象限劃分。x軸表示標準化后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給水平,y軸表示標準化后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求水平,劃分出四個象限。第一象限為高供給高需求,第二象限為低供給高需求,第三象限為低供給低需求,第四象限為高供給低需求。Z-score標準化公式參考文獻[60]進行。

2.3.5規(guī)劃干預(yù)優(yōu)先級劃分

為了進一步指導(dǎo)城市規(guī)劃和景觀設(shè)計,引入優(yōu)先級指數(shù)Priority Index(PRI)[29]對需要進行干預(yù)的關(guān)鍵區(qū)域進行優(yōu)先級排序。計算公式如下：

(13)

式中,H是脅迫性指數(shù),E是暴露性指數(shù),V是脆弱性指數(shù),Cr是地表徑流調(diào)節(jié)率。當脅迫性、暴露性和脆弱性越大,地表徑流調(diào)節(jié)率越小時,PRI越大,該地區(qū)越需要優(yōu)先干預(yù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)供給能力及空間特征

模擬預(yù)測結(jié)果顯示(圖4),高覆蓋度的植被類型的地表徑流調(diào)節(jié)率較高,表明城市綠地空間能夠有效提供內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù),且林地調(diào)節(jié)能力強于草地。伴隨降雨重現(xiàn)期變化,降雨量增大,徑流深度增多,植被的徑流調(diào)節(jié)率逐漸降低,與1年重現(xiàn)期相比,20年,50年,100年,200年,500年一遇情景下的平均內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)分別下降了15.59%、19.58%、23.32%、24.84%、27.81%,表明城市綠地所提供的內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)受降雨量的制約。

空間分布結(jié)果表明(圖5),內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)供給能力呈現(xiàn)“南高北低”的空間分布格局。高值區(qū)(Cr>44.2%)主要集中在御屏山、狐尾山、仙岳山等高植被覆蓋區(qū)。低值區(qū)(Cr<7.14%)主要集中在空港物流園、象嶼保稅區(qū)及城市中心等高不透水面覆蓋區(qū)。同時,LISA結(jié)果顯示(圖5),在95%的置信區(qū)間內(nèi),供給量的Moran′sI指數(shù)為0.525,表明在街道尺度的內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)供給水平具有明顯的空間集聚特征。高-高熱點區(qū)集中于南部和西部片區(qū),低-低冷點區(qū)集中于西北部和中部片區(qū)。

圖5 內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)供給能力空間分布圖及LISA分布Fig.5 Spatial distribution and LISA distribution of the supply capacity of waterlogging regulation services

圖6 內(nèi)澇災(zāi)害淹沒范圍及淹沒深度Fig.6 Inundation range and depth of waterlogging disaster

3.2 內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)需求水平及空間特征

基于分水嶺、匯流河網(wǎng)和積澇點,將研究區(qū)劃分為28個匯水區(qū)(圖1)。根據(jù)徑流量和城市排水管網(wǎng)的排澇能力,采用“等體積法”模擬出內(nèi)澇淹沒范圍和淹沒等級(圖6)。經(jīng)驗證,研究結(jié)果符合城市內(nèi)澇歷史規(guī)律并與已有研究結(jié)果相契合[38,62]。以此為基礎(chǔ),通過分析內(nèi)澇災(zāi)害的脅迫性、受災(zāi)體的暴露性和脆弱性,得到內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)的需求水平。

內(nèi)澇調(diào)節(jié)需求結(jié)果表明(圖7),廈門島內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)需求水平呈現(xiàn)“周邊高中部低”且“北高南低”的空間格局。高需求區(qū)(R>0.55%)主要集中在象嶼保稅區(qū)片區(qū)、筼筜湖片區(qū)、五緣灣片區(qū)、湖邊水庫片區(qū)和會展中心片區(qū)，最大需求指數(shù)達：14.94%。同時,LISA結(jié)果顯示(圖7),在95%的置信區(qū)間內(nèi),內(nèi)澇調(diào)節(jié)需求的Moran′sI指數(shù)為0.384,表明在街道尺度的內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)需求水平具有明顯的空間集聚特征,高-高熱點區(qū)主要分布于北部沿海地區(qū),低-低冷點區(qū)主要分布于中部和南部地區(qū)。

圖7 內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)需求空間分布及LISA分布圖Fig.7 Spatial distribution and LISA distribution of the demand capacity of waterlogging regulation services

圖8 內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)供需匹配及空間分布Fig.8 Quadrant division and spatial distribution of waterlogging regulation service supply and demand matching

3.3 內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)供需空間匹配

基于Z-score標準化后的城市內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)供需象限分布結(jié)果表明(圖8),有114個研究單元處于低供-高需狀態(tài),29個研究單元處于高供-高需狀態(tài)。同時,城市內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)供需空間匹配結(jié)果顯示(圖8),處于低供-高需狀態(tài)的關(guān)鍵區(qū)主要分布于象嶼保稅區(qū)、空港物流園、五緣灣片區(qū)、湖邊水庫片區(qū)、筼筜湖片區(qū)和會展中心片區(qū)。處于高供-低需狀態(tài)的研究單元主要分布于御屏山、狐尾山、仙岳山片區(qū)。

3.4 規(guī)劃干預(yù)優(yōu)先級劃分

圖9 規(guī)劃干預(yù)優(yōu)先級劃分Fig.9 Prioritize planning interventions

使用優(yōu)先級指數(shù)(PRI)在供需象限劃分的基礎(chǔ)上進一步揭示供需失衡的程度,從而準確劃分優(yōu)先干預(yù)的次序[29]。根據(jù)優(yōu)先級指數(shù),將優(yōu)先干預(yù)區(qū)劃分為5個等級,級別越高,越需要優(yōu)先干預(yù)。結(jié)果表明(圖9),廈門島的內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)優(yōu)先干預(yù)區(qū)空間分布差異明顯。優(yōu)先級為Ⅴ級的區(qū)域主要集中于空港物流園和象嶼保稅區(qū)的沿海地區(qū)；優(yōu)先級為Ⅳ級的區(qū)域主要集中于筼筜湖下游片區(qū)、五緣灣片區(qū)、湖邊水庫片區(qū)和會展中心片區(qū)；優(yōu)先級為Ⅲ—Ⅱ級的區(qū)域主要集中于筼筜湖上游和五緣灣東、西部片區(qū)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文以廈門島為研究區(qū)域,基于遙感數(shù)據(jù)和人口、社會、經(jīng)濟數(shù)據(jù),著眼于城市街區(qū)尺度,模擬了降雨強度和地表徑流,評估了城市內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)的供需水平和空間分布特征,通過供需匹配識別了供需失衡關(guān)鍵區(qū),并劃分了規(guī)劃干預(yù)優(yōu)先級。研究表明：(1)城市綠地能夠有效提供內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù),且林地調(diào)節(jié)能力強于草地；服務(wù)供給能力呈現(xiàn)“南高北低”的分布特點,且空間集聚特征明顯。高供給區(qū)主要集中于御屏山、狐尾山和仙岳山片區(qū)。(2)淹沒范圍與淹沒深度,人口數(shù)量與建筑數(shù)量,建筑質(zhì)量與建筑功能共同決定內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)需求；服務(wù)需求水平呈現(xiàn)“周邊低中部低”且“北高南低”的分布特點,同樣具有明顯的空間集聚特征。高值區(qū)主要集中在象嶼保稅區(qū)片區(qū)、筼筜湖片區(qū)、五緣灣片區(qū)、湖邊水庫片區(qū)和會展中心片區(qū)。(3)各研究單元的供需匹配差異明顯,其中有114個研究單元處于低供-高需失衡狀態(tài),主要集中于中北部片區(qū)。(4)規(guī)劃干預(yù)優(yōu)先級較高的區(qū)域主要集中于空港物流園、象嶼保稅區(qū)和五緣灣片區(qū)。以上關(guān)鍵區(qū)及優(yōu)先干預(yù)區(qū)是需要未來城市規(guī)劃和景觀設(shè)計過程重點優(yōu)化的對象。

4.2 討論

研究從供需視角探討解決城市內(nèi)澇風(fēng)險問題,為促進以人為核心的城市發(fā)展目標提供了新的視角和啟示：

(1)脅迫性、暴露性和脆弱性對于評估內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)需求的現(xiàn)實意義。在同樣的淹沒深度下,部分地區(qū)的人口分布廣、建筑密度大,建筑結(jié)構(gòu)脆弱,生命財產(chǎn)損失極大；而部分地區(qū)則以公園綠地為主,生命財產(chǎn)損失極小。因此,內(nèi)澇淹沒范圍和淹沒深度僅能表征內(nèi)澇災(zāi)害的客觀脅迫性要素,而暴露性和脆弱性則進一步考慮了人口、社會、經(jīng)濟等方面的城市發(fā)展要素,三項指標共同反映了城市居民對內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)的實際需求。

(2)供需匹配對于識別關(guān)鍵區(qū)的關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn),城市內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)供給和需求存在明顯的空間異質(zhì)性和空間錯位特征,因此,單方面考慮城市內(nèi)澇的供給能力或需求水平,在城市內(nèi)澇災(zāi)害防控過程中均存在局限性。通過供需匹配可以更加精準、全面地認知研究單元的生態(tài)安全狀態(tài),從而為制定具有針對性的規(guī)劃策略提供科學(xué)依據(jù)。例如對于高供-低需失衡關(guān)鍵區(qū),要應(yīng)在保護生態(tài)本底的基礎(chǔ)上合理利用,以提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益。對于低供-高需失衡關(guān)鍵區(qū),應(yīng)加強綠色基礎(chǔ)設(shè)施布局與生態(tài)補償,以提高內(nèi)澇調(diào)節(jié)的供給能力；同時要優(yōu)化市政排水設(shè)施布局,控制人口分布與開發(fā)強度,調(diào)整產(chǎn)業(yè)功能布局,以降低內(nèi)澇調(diào)節(jié)的需求水平,從而減少內(nèi)澇災(zāi)害造成的人身安全及社會經(jīng)濟損失。

(3)劃分規(guī)劃干預(yù)優(yōu)先級的實踐價值。解決城市問題需要系統(tǒng)規(guī)劃,突出重點,分期實施,尤其在土地資源非常緊缺的中心城市。相較于現(xiàn)有規(guī)劃[63],本文所劃分的規(guī)劃干預(yù)優(yōu)先級在內(nèi)澇積水風(fēng)險識別的基礎(chǔ)上做出了進一步探索,在優(yōu)化重點、建設(shè)時序及資金投入等方面提供了有力支持,從而有助于保障城市內(nèi)澇安全和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。

(4)降低城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險的重要途徑。提高城市韌性,降低城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險,應(yīng)重點關(guān)注供需失衡關(guān)鍵區(qū)及規(guī)劃干預(yù)優(yōu)先級。一方面要控制需求端的指標因子,如人口數(shù)量,建筑量,不透水面比例,另一方面要優(yōu)化供給端的指標因子,如綠地數(shù)量、質(zhì)量和分布格局。同時,還要關(guān)注積澇區(qū)上游的內(nèi)澇徑流狀態(tài),增加生態(tài)用地面積,優(yōu)化綠地景觀配置,減緩上游徑流量和徑流速度,從而構(gòu)建從源頭、過程到匯點的城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

需要說明的是,本文深度剖析內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)的供需關(guān)系,旨在降低城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險。后續(xù)研究可以進一步探索景觀數(shù)量、結(jié)構(gòu)及格局對城市內(nèi)澇調(diào)節(jié)服務(wù)的驅(qū)動機制,從而為落實優(yōu)化方案提供更加具體的理論依據(jù)。