朱瑩瑩 陳 耀 馬玉紅 徐恩凱,3 張淑梅 張藝?guó)?田國(guó)行*

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院,鄭州450002;2.中原環(huán)保鄭州設(shè)備工程科技有限公司,鄭州 450002;3.河南省風(fēng)景園林國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,鄭州 450002)

近年來(lái)全球氣候異常,城市地區(qū)極端降雨頻發(fā),自然水循環(huán)過(guò)程的改變?cè)斐沙鞘信潘到y(tǒng)的高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),導(dǎo)致洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生[1-2]。城市的洪澇脆弱性逐漸暴露,原先依賴管道排放的傳統(tǒng)雨水管理系統(tǒng)更多被用來(lái)抵御10～20年重現(xiàn)期極端降雨事件,缺乏對(duì)未來(lái)更高強(qiáng)度降雨的應(yīng)對(duì)能力,且提高管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)往往時(shí)間周期長(zhǎng)和改造費(fèi)用高[3],因此一種旨在降低地表徑流和增加滲透的可持續(xù)雨水管理辦法引起廣泛關(guān)注[4]。

可持續(xù)性雨水管理借助綠色基礎(chǔ)設(shè)施靈活應(yīng)對(duì)未來(lái)多變的洪澇災(zāi)害,強(qiáng)調(diào)復(fù)合自然空間的生態(tài)連通性,其具體發(fā)展過(guò)程大致分為以下2個(gè)階段:1)概念形成階段。日益凸顯的城市水文問(wèn)題促使雨洪管理方向從“降低雨水流量”轉(zhuǎn)變至“保留儲(chǔ)存、再利用”[4],以澳大利亞的“水敏城市設(shè)計(jì)(Water Sensitive Urban Design, WSUD)”為典型代表。WSUD強(qiáng)調(diào)將水管理納入城市設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中,并有效協(xié)調(diào)水生態(tài)系統(tǒng)的健康、雨洪管理、污染控制和城市發(fā)展的關(guān)系,通過(guò)利用儲(chǔ)蓄和收集裝置,提高對(duì)雨水徑流的再利用以及地下土壤含水層的補(bǔ)給,最大限度地減少城市發(fā)展對(duì)周圍環(huán)境的水文影響[5]。這種圍繞水管理和城市空間設(shè)計(jì)思維范式的轉(zhuǎn)變促進(jìn)了藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)(Blue-Green Infrastructure network, BGI)的形成,且明確強(qiáng)調(diào)了“藍(lán)色”要素在構(gòu)建城市雨洪適應(yīng)性中的重要性[6],如Mu等[7]認(rèn)為城市流域內(nèi)河流生態(tài)空間的萎縮是加重高密度城市洪澇災(zāi)害的原因,建立流域尺度的雨洪管理和河流生態(tài)修復(fù),整合流域藍(lán)綠生態(tài)資源并構(gòu)建城市藍(lán)綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)將促進(jìn)水空間和陸地空間的物質(zhì)能量交換,有助于城市雨水資源管理和海綿城市建設(shè);2)體系成熟階段。隨著城市水生態(tài)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等相關(guān)研究的進(jìn)展,基于景觀生態(tài)的“斑塊-廊道-基質(zhì)”的雨水生態(tài)廊道逐漸受到關(guān)注,許乙青等[8]基于“多規(guī)協(xié)同”的理論基礎(chǔ),提出了國(guó)土空間規(guī)劃背景下,城市雨洪安全格局的構(gòu)建方法,認(rèn)為基于洪泛區(qū)、灘涂濕地、湖泊坑塘等構(gòu)建的蓄滯洪濕地系統(tǒng)應(yīng)從全流域出發(fā),考慮城市空間結(jié)構(gòu)并溝通城市綠地系統(tǒng)與各類生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施,通過(guò)規(guī)劃斑塊、廊道等藍(lán)綠空間構(gòu)建完整連通的水系網(wǎng)絡(luò)。此外,通過(guò)藍(lán)綠走廊的生態(tài)干預(yù),加強(qiáng)灰色建設(shè)環(huán)境與河流、濕地、林草地等自然基礎(chǔ)設(shè)施的連接,逐漸被認(rèn)為是兼顧水資源管理和城市雨洪災(zāi)害防治的有效途徑[9-10]。雖然BGI是一個(gè)較為少見(jiàn)的專業(yè)術(shù)語(yǔ),但其本質(zhì)與綠色基礎(chǔ)設(shè)施和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)具有相似性,且追求一種“利用不同類型的水生態(tài)要素創(chuàng)建‘藍(lán)綠融合’的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)以應(yīng)對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)”的綜合方法[11]。

盡管BGI戰(zhàn)略已在全球范圍引起關(guān)注[12-13],但僅少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家運(yùn)用BGI減少地表徑流[14]、調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)貧夂騕15],大多數(shù)發(fā)展中國(guó)家更多關(guān)注綠色空間、農(nóng)業(yè)發(fā)展和土地利用變化等一系列問(wèn)題,缺乏將基于自然設(shè)施的解決方案作為低成本管理雨洪的思路[10]。我國(guó)在2014年落實(shí)“海綿城市”國(guó)家戰(zhàn)略,正式啟動(dòng)以低影響開(kāi)發(fā)等生態(tài)修復(fù)技術(shù)緩解城市徑流的設(shè)計(jì)方法[16]。隨著城市綠色空間網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)格局演變、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化等面對(duì)城市破碎的景觀格局、城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及生物多樣性等城市化問(wèn)題的研究主題逐漸興起[17-18],電路理論[19]、形態(tài)學(xué)空間格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis, MSPA)[20]、最小累計(jì)阻力模型[21]等多種量化藍(lán)綠走廊連通水平的研究方法被廣泛應(yīng)用。

河南省登封市是淮河最大水系沙潁河的左岸支流潁河的發(fā)源地,隨著快速的城鎮(zhèn)建設(shè),登封市景觀破碎度加劇且連通性降低[22];氣候變化和極端降雨常造成城市旱澇災(zāi)害交替頻發(fā),尤其位于潁河兩岸的沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)常受災(zāi)嚴(yán)重;土地利用結(jié)構(gòu)失衡和城鎮(zhèn)無(wú)序發(fā)展對(duì)區(qū)域安全格局和可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成潛在威脅。然而,聚焦于藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)對(duì)城市雨洪風(fēng)險(xiǎn)管理的應(yīng)用潛力研究較少。因此,本研究擬以登封市為研究對(duì)象,基于降雨-徑流水文模型和ArcGIS平臺(tái),模擬登封市不同降水期的淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn),并運(yùn)用MSPA和電路理論的研究方法,識(shí)別潛在綠色生態(tài)網(wǎng)絡(luò)并結(jié)合藍(lán)色走廊構(gòu)建藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò), 以期為探索未來(lái)城市基于自然廊道管理雨洪的可行性提供參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

登封市位于河南省鄭州市西南部,地處34°35′～34°15′ N、112°49′～113°19′ E,行政區(qū)域總面積1 217 km2,境內(nèi)山地丘陵占流域總面積的83%,其中以北部嵩山山脈,南部箕山和熊山山脈為主且均呈東西走向,全域平均海拔449.3 m,平均坡度18.4%(圖1)。潁河是登封市最大的河流,流域面積1 037.5 km2,源自北部嵩山南麓,流經(jīng)石道鄉(xiāng)、大金店鎮(zhèn)、東金店鄉(xiāng)、告成鎮(zhèn)和陽(yáng)城區(qū)鎮(zhèn)至白沙水庫(kù),其支流少林河、書(shū)院河和五渡河是影響城區(qū)防洪的主要河流,且登封市多條河流季節(jié)性特點(diǎn)突出,除豐水期外常呈枯水狀態(tài),多年來(lái)地表水資源和地下水位不斷下降,快速城市化和雨水資源管理措施的缺乏常造成登封市汛期暴雨成災(zāi)、旱期水系斷流的極端現(xiàn)象。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究參考GB/T 21010—2017《全國(guó)土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》[23]及研究需求,采用ENVI軟件對(duì)2021年4月Landsat遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類并結(jié)合實(shí)地調(diào)研和谷歌影像進(jìn)行人工修正和精度驗(yàn)證,解譯精度>89%。其他數(shù)據(jù)類型和來(lái)源如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)類型及來(lái)源Table 1 Data type and source

2 研究方法

2.1 耦合SCS模型與GIS的淹沒(méi)區(qū)識(shí)別

降雨-徑流水文模型采用美國(guó)自然資源保育局的徑流曲線數(shù)法(Soil Conservation Service Curve Number, SCS-CN),利用降雨量、土地利用類型及土壤質(zhì)地等數(shù)據(jù)模擬分析地表徑流量。SCS-CN被廣泛應(yīng)用于各類用地的產(chǎn)流量計(jì)算及高風(fēng)險(xiǎn)洪澇地區(qū)的識(shí)別[24],引入與研究區(qū)前期土壤濕潤(rùn)程度(AMC)相關(guān)的徑流曲線數(shù)CN,通過(guò)查找美國(guó)國(guó)家工程手冊(cè)提供的CN值表格,獲取登封市不同用地類型的水文特性分組(表2)。

表2 登封市不同用地類型的水文分組Table 2 Hydrological grouping of different land types in Dengfeng City

并根據(jù)雷曉玲等[25]研究將坡度因素引入,提高模型在復(fù)雜地區(qū)的模擬精度。具體模擬方程如下:

(1)

(2)

(3)

CNAMCIII=CNexp[0.006 73(100-CNAMCII)]

(4)

式中:Q為地表徑流量,mm;P為降雨量,mm;λ為初損率,取經(jīng)驗(yàn)數(shù)值0.2;S為土壤最大滯水量,mm;CN為徑流曲線數(shù),CNs為坡度修正后的CN值,CNAMCIII、CNAMCII分別為濕潤(rùn)土壤條件和一般土壤條件下的CN值;slp為研究區(qū)平均坡度,%。

參考曹言等[26]研究,以月降雨距平百分率<-20%、-20%～20%、>20%為指標(biāo),結(jié)合登封市2000—2019年月降雨數(shù)據(jù),將降雨月型劃分為枯水月(16.70 mm)、平水月(52.40 mm)和豐水月(159.10 mm)。利用ArcGIS的水文分析模塊,對(duì)比現(xiàn)狀河流提取徑流量在3 000 mm3以上的水系并將登封市劃分為14個(gè)匯水分區(qū),利用SCS-CN模型計(jì)算各匯水區(qū)在枯、平、豐水月的徑流量和體積,最后聯(lián)合ArcGIS的3D表面體積模塊基于DEM數(shù)據(jù)分別獲取各匯水區(qū)的淹沒(méi)區(qū)位置及范圍[27],并根據(jù)不同降雨量大小劃分淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

2.2 基于MSPA和連通性分析篩選重要生態(tài)源地

常見(jiàn)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建步驟為,由生態(tài)源地識(shí)別到阻力面構(gòu)建,再到潛在生態(tài)廊道模擬。形態(tài)學(xué)空間格局分析被廣泛用于生態(tài)源地的提取中,采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理將土地利用數(shù)據(jù)重新分類提取為核心區(qū)、孤島、環(huán)道區(qū)、橋接區(qū)、孔隙區(qū)、邊緣區(qū)和支線7類獨(dú)立的景觀類型[28]。與傳統(tǒng)主觀定性識(shí)別方法[29]不同的是,該方法評(píng)估各生態(tài)斑塊在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重要性以識(shí)別對(duì)網(wǎng)絡(luò)連通性貢獻(xiàn)較高的重要生態(tài)源地,結(jié)果更為客觀和準(zhǔn)確[30]?；贑onefor軟件的景觀連通性指數(shù)是定量分析核心區(qū)和廊道對(duì)維持網(wǎng)絡(luò)組分連通重要性的重要決策工具,常用的連通性指標(biāo)為整體連通性指數(shù)(Integral Index of Connectivity, IIC)和可能連通性指數(shù)(Probability Index of Connectivity, PC)以及斑塊重要性(The Delta Values of Index, dI)等。而距離閾值的大小決定了斑塊的連通性評(píng)價(jià)結(jié)果,不同于傳統(tǒng)的目標(biāo)物種法,本研究利用“距離-指數(shù)”的曲線突變點(diǎn)確定研究區(qū)適合的距離閾值,從景觀結(jié)構(gòu)特征上評(píng)價(jià)斑塊連通性[31]。上述連通性指標(biāo)的具體計(jì)算公式如下:

(5)

(6)

(7)

2.3 CRITIC權(quán)重法創(chuàng)建綜合電阻面

各生態(tài)系統(tǒng)之間的物質(zhì)轉(zhuǎn)移、能量交換或生物遷徙等生態(tài)流的橫向、豎向擴(kuò)散需要克服空間不同阻力因素的影響,即用生態(tài)阻力值反映生態(tài)流流通時(shí)受到的阻礙強(qiáng)度大小[32],在電路理論中表現(xiàn)為電阻值。本研究選取了植被指數(shù)、地形梯度、淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)等6個(gè)指標(biāo)作為研究區(qū)電阻面的約束因子并根據(jù)分類賦不同電阻值。其中洪澇區(qū)多位于鄉(xiāng)鎮(zhèn)建成環(huán)境中,其范圍以靠近水系為起點(diǎn)向四周地勢(shì)較低處不規(guī)則擴(kuò)大,且具有與自然系統(tǒng)不同的生態(tài)過(guò)程,淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)更多影響到人工生態(tài)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)之間的生態(tài)流運(yùn)轉(zhuǎn),表現(xiàn)為淹沒(méi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)具有較高的阻礙作用。采用CRITIC權(quán)重法將各數(shù)據(jù)指標(biāo)分別正向化或逆向化處理,利用各因子電阻值的數(shù)據(jù)波動(dòng)性和相關(guān)性對(duì)這6類因子進(jìn)行客觀賦權(quán),具體阻力值和權(quán)重如表3和4所示。

表3 不同阻力因子的電阻值與權(quán)重Table 3 Resistance values and weights for different constraint factors

2.4 基于電路理論識(shí)別生態(tài)節(jié)點(diǎn)

電路理論將電子隨機(jī)游走的特點(diǎn)用來(lái)模擬生態(tài)系統(tǒng)間生態(tài)流的運(yùn)動(dòng),將生態(tài)阻力認(rèn)為具較高電阻值的電導(dǎo)面[19],即異質(zhì)性景觀可概化為由若干生態(tài)節(jié)點(diǎn)和導(dǎo)電的阻力面構(gòu)成的電路。利用Circuitscape軟件的連接度模型模擬預(yù)測(cè)不同阻力下物質(zhì)能量隨機(jī)的流通路徑并將輸出的電流密度認(rèn)為是生態(tài)流通的概率值,并以此識(shí)別低阻力生態(tài)通道(Lowest cost path, LCP)中的“夾點(diǎn)”地區(qū),即為生態(tài)流通過(guò)概率較高且附近無(wú)可替代路徑的區(qū)域,也是對(duì)景觀網(wǎng)絡(luò)連通起重要連接的瓶頸點(diǎn)[31],以及識(shí)別阻礙生態(tài)流運(yùn)轉(zhuǎn)的“障礙點(diǎn)”。電阻(R)和電流(I)、電壓(V)的關(guān)系如下:

(8)

3 結(jié)果與分析

3.1 登封市淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)識(shí)別及等級(jí)劃分

利用坡度修正后的SCS-CN模型模擬登封市枯水月、平水月和豐水月各子匯水區(qū)的平均地表徑流深并計(jì)算各用地類型的平均產(chǎn)流量(圖2)?？梢?jiàn):在相同降雨期,各用地類型產(chǎn)流能力不同,從強(qiáng)至弱排序?yàn)樗w>建設(shè)用地>耕地>林地;各用地豐水月平均徑流分別是平水月的3.33、4.15、5.00、8.37倍,平水月徑流分別是枯水月的3.89、7.29、12.71、33.77倍;不同降水期下各流域林地的平均雨洪消減率分別為94.42%、80.85%、47.46%,即汛期林地的生態(tài)調(diào)蓄能力顯著降低。從各匯水區(qū)的徑流量結(jié)構(gòu)來(lái)看,枯水月和平水月主要產(chǎn)流類型為耕地和建設(shè)用地,而隨著雨量繼續(xù)增加,同一流域內(nèi)林地的徑流量逐漸成為在建設(shè)用地之下的第二大產(chǎn)流體,甚至反超之,例如W1、W5、W6等林地面積占比超49%的匯水區(qū)。

表4 不同阻力因子的電阻值與權(quán)重Table 4 Resistance values and weights for different constraint factors

表4(續(xù))

W1～W14分別表示各子匯水區(qū)。下同。W1 to W14 represent each sub-catchment respectively. The same below.圖2 不同降水期各子匯水區(qū)的徑流量結(jié)構(gòu)和淹沒(méi)面積Fig.2 Runoff structure and submerged area of each catchment area in different precipitation periods

聯(lián)合GIS表面積計(jì)算模塊,確定不同降雨情形下各子匯水區(qū)的淹沒(méi)面積和范圍并將枯水月產(chǎn)生的淹沒(méi)區(qū)定為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),同理豐水月的積水區(qū)定為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(圖3)。從各匯水區(qū)的淹沒(méi)面積來(lái)看,淹沒(méi)區(qū)分布在子匯水區(qū)地勢(shì)較低處,低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)與高風(fēng)險(xiǎn)的范圍呈重疊狀態(tài)且有向外擴(kuò)大的趨勢(shì),整體上較大積水斑塊集中在潁河沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn),也是潁河流域各上游雨洪匯集后流向白沙水庫(kù)的重要路徑。

圖3 登封市2021年土地利用分類和淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分Fig.3 Land use classification and inundation risk level of Dengfeng City in 2021

表5為各類用地在不同淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下的淹沒(méi)面積及其所占比例。從淹沒(méi)區(qū)面積來(lái)看,低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)淹沒(méi)面積最大,是枯水月淹沒(méi)區(qū)的3.19倍,其中建設(shè)用地面積占比最高,達(dá)到9.10 km2,是林地面積的3.10倍,除此之外,低風(fēng)險(xiǎn)淹沒(méi)區(qū)內(nèi)最大建筑斑塊位于8號(hào)流域,即潁河下游的告成鎮(zhèn),上游多方來(lái)水造成該區(qū)域淹沒(méi)面積由枯水月的0.29 km2擴(kuò)大至豐水月的3.13 km2,其中處于洪澇區(qū)的建設(shè)用地面積增長(zhǎng)至2.19 km2,是枯水月建筑淹沒(méi)面積的9.79倍,平水月的2.87倍。從積水高度上看,各子流域的淹沒(méi)面高程變化基本與降雨量增加的趨勢(shì)保持一致,其中:位于地勢(shì)最低處的白沙水庫(kù)受雨洪影響較小,汛期積水高程較枯水期增加了2.97 m;主城區(qū)所在的流域不透水下墊面比例達(dá)到45%,其積水面高程從枯水月的291.21 m升高至豐水月的303.94 m,較大的地勢(shì)差使貫穿主城區(qū)的書(shū)院河汛期泄洪湍急,造成下游鄉(xiāng)鎮(zhèn)較高的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

表5 各類用地在不同淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下的淹沒(méi)面積及其所占比例Table 5 The submerged area and proportion of various types of land under different submerged risk levels

綜上可知,當(dāng)降雨量較小時(shí),林地對(duì)雨洪的生態(tài)調(diào)蓄作用較為顯著,透水界面有效緩解了生態(tài)用地的地表產(chǎn)流,較大產(chǎn)流結(jié)構(gòu)以建設(shè)用地和耕地為主,洪澇面積增長(zhǎng)趨勢(shì)較為緩慢,而當(dāng)降雨量繼續(xù)增加時(shí),自然界面蓄洪能力達(dá)到飽和,較大斑塊的林地成為最大產(chǎn)流體,造成下游雨洪受災(zāi)范圍的急劇擴(kuò)張,可知分散的生態(tài)綠地在極端強(qiáng)降雨情況下無(wú)法消納過(guò)量雨洪,低地勢(shì)的產(chǎn)流結(jié)構(gòu)不能及時(shí)順導(dǎo)雨洪造成局部洪澇面積擴(kuò)大,缺乏有效的雨洪疏導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

3.2 生態(tài)源地和節(jié)點(diǎn)的識(shí)別結(jié)果

核心區(qū)及非核心區(qū)的面積和數(shù)量均受邊緣寬度的影響較大[32],其中核心區(qū)面積比例的降低將減少生態(tài)過(guò)程的源地?cái)?shù)量,而橋接區(qū)和環(huán)道區(qū)面積的增加將提高景觀網(wǎng)絡(luò)外部及源地內(nèi)部的連通性。因此基于Guidos平臺(tái),選擇默認(rèn)值8鄰域,在30、60、90、120和150 m等不同邊緣寬度參數(shù)下分析7類景觀類型的“邊緣效應(yīng)”。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)邊緣寬度大于90 m時(shí),環(huán)道區(qū)的面積占比開(kāi)始降低,連接源地內(nèi)部的通道逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣聧u類,源地內(nèi)的廊道連通性由上升轉(zhuǎn)為降低,因此選擇90 m作為最佳邊緣寬度參數(shù),結(jié)果得到總生態(tài)要素面積587.20 km2,其中核心區(qū)斑塊1 014個(gè),共計(jì)面積201.77 km2。

選取面積較大的前30個(gè)核心區(qū)作為目標(biāo)源地并利用Matrix Green的距離分析工具,設(shè)定0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40 km等不同擴(kuò)散距離閾值,連通概率均設(shè)為中等擴(kuò)散距離下大多數(shù)物種的擴(kuò)散概率,即0.5[33],探討景觀網(wǎng)絡(luò)組分連通性水平的距離閾值效應(yīng)并篩選在該擴(kuò)散距離下具較高連通重要性水平的重要生態(tài)源地,結(jié)果如圖4所示。可知:源地鏈接組分?jǐn)?shù)量隨著距離的增加逐漸減少,而最大網(wǎng)絡(luò)組分面積所占比例呈梯度升高,且當(dāng)擴(kuò)散距離大于14.1 km時(shí),最大組分面積所占比例從66.89%驟增至100%,此時(shí)整個(gè)景觀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)連通性最大的生態(tài)斑塊,即登封市生態(tài)廊道的關(guān)鍵擴(kuò)散距離閾值為14.1 km。源地間電流流動(dòng)路徑的“寬度”對(duì)“夾點(diǎn)”和替代路徑的篩選具有一定影響,設(shè)置1×104、2×104、3×104、4×104、5×104、6×104、7×104、8×104、9×104、10×104等不同成本加權(quán)距離(Cost Weighted Distance, CWD)以限制源地間電流流量的走廊寬度,統(tǒng)計(jì)各廊道“寬度”下電流密度在前20%的重要夾點(diǎn)數(shù)量和面積,結(jié)果如圖5所示?？芍?隨著相鄰源地間連接路徑的增加,廊道最大電流值不斷減少,且重要夾點(diǎn)面積在CWD大于3×104時(shí)持續(xù)下降,即過(guò)大的廊道“寬度”造成部分夾點(diǎn)的消失,因此最適廊道“寬度”應(yīng)設(shè)置為3×104。

圖4 不同最大擴(kuò)散距離下斑塊連接組分?jǐn)?shù)和最大網(wǎng)絡(luò)組分面積所占比例Fig.4 Fraction of plaque connective components and the proportion of the largest network component area at different maximum diffusion distances

圖5 不同廊道“寬度”下重要夾點(diǎn)的最大電流值和面積Fig.5 Maximum current value and area of important pinch points under different corridor "widths"

選擇擴(kuò)散距離為14.1 km下源地dIIC、dPC均大于1時(shí)的26塊核心區(qū)作為登封市重要生態(tài)源地,其他4處作為一般源地,其中重要源地面積總計(jì)161.74 km2,占所有核心區(qū)面積的80.16%。障礙點(diǎn)的識(shí)別對(duì)提高區(qū)域整體連通性具有重要作用,利用Barrier Mapper工具在低阻力通道1 000 m范圍內(nèi),以100 m為迭代半徑檢測(cè)清除某區(qū)域后可顯著增強(qiáng)廊道連通性的障礙區(qū)并以改進(jìn)得分顯示,得分越高的地方說(shuō)明該區(qū)域具有較大的潛在連通性,之后根據(jù)自然斷點(diǎn)法分為7級(jí),選取最高一級(jí)作為研究區(qū)關(guān)鍵障礙區(qū),共獲取關(guān)鍵障礙點(diǎn)107處(面積總計(jì)804.69 hm2),其中59處的面積小于1 hm2,81處小于5 hm2。

3.3 登封市源地、廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)的分布特征

利用Centrality Mapper工具計(jì)算核心源地和生態(tài)廊道的中心度,量化分析其在維持網(wǎng)絡(luò)連通性的重要水平并分為三級(jí),結(jié)果如圖6所示。可知:源地總體分布于研究區(qū)南北山地,中部寬谷丘陵地帶以破碎零星的綠地為主,面積較大的生態(tài)用地空間分布相對(duì)集中,形成“南北相望”的基本格局。即登封市主要的生態(tài)源地依附于山體保護(hù)區(qū),受城市化影響的其他自然要素多呈破碎化分布,距離較近的核心區(qū)可利用橋接區(qū)等狹長(zhǎng)廊道為物種及生態(tài)過(guò)程提供流通路徑,而南北源地之間缺乏聯(lián)系、連通性差;在登封市26處重要源地斑塊中,北部斑塊大而集中,南部斑塊小而分散,主要以北部嵩山山脈與南部箕山山脈的源地對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體連通性貢獻(xiàn)較高,而分布在其他地區(qū)的9處核心源地(面積為21.39 km2)僅作為面積較大的生境斑塊,為物種移動(dòng)和生態(tài)信息的傳遞提供踏腳石作用;56條潛在生態(tài)廊道在研究區(qū)分布較為均勻,其中登封市東南部廊道密度較大、破碎程度高且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,而具有較高中心度值的廊道主要分布在相鄰較近的源地之間,其次是跨越登封市中部寬谷平原的21號(hào)和23號(hào)廊道;廊道的寬窄反映廊道附近阻力的大小,南北兩端相鄰源地間的廊道沿山脈呈東西走向,較好的植被資源為生物遷徙提供了較寬的生態(tài)走廊,而東南部地區(qū)關(guān)鍵廊道較窄,電流密度較高,表現(xiàn)為廊道容易斷裂,可替代路徑較少。

圖6 登封市源地、廊道的中心度以及生態(tài)節(jié)點(diǎn)的分布Fig.6 Centrality of sources and corridors and the distribution of ecological nodes in Dengfeng City

將相鄰?fù)愋偷膴A點(diǎn)合并后得到重要夾點(diǎn)共計(jì)14處,主要分布在廊道較窄處,尤其在登封市東南部分布數(shù)量較多,受到建設(shè)用地?cái)U(kuò)張、煤礦開(kāi)采等人類活動(dòng)的影響,破碎分散的小斑塊林地成為維系廊道貫通的生態(tài)戰(zhàn)略點(diǎn)。以斑塊面積較大的26處障礙區(qū)作為主要分析對(duì)象(面積總計(jì)738.18 hm2),主要分布在登封市主城區(qū)東側(cè)的太室山山麓、東部和東南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)淺山丘陵地以及西南部馬嶺山南側(cè)。統(tǒng)計(jì)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)關(guān)鍵障礙點(diǎn)與用地類型的重疊情況,結(jié)果可知:嵩陽(yáng)街道東側(cè)的障礙區(qū)占地面積最大,共計(jì)1.66 km2,主要為新增建設(shè)用地和城市道路,受登封市城市建設(shè)規(guī)劃的影響,城區(qū)沿鄭少高速呈東西向發(fā)展,道路及居住用地造成生境斑塊的分割對(duì)南北源地的連通形成較大阻礙。其次為南部徐莊鎮(zhèn),障礙點(diǎn)面積總計(jì)4.79 km2,多分布在淺山溝底且以人類活動(dòng)區(qū)域?yàn)橹?其中居住用地面積所占比例為33.33%,是影響36、38和44號(hào)廊道連通性的主要障礙。8號(hào)廊道大冶鎮(zhèn)段是障礙點(diǎn)數(shù)量最多的走廊,總計(jì)面積0.69 km2,主要受道路、建成鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及廢棄礦廠的影響,造成該地區(qū)景觀破碎程度高、生態(tài)用地較為分散且廊道連通水平較低。

4 討論與建議

4.1 潛在廊道的識(shí)別與BGI的構(gòu)建方法

藍(lán)綠空間格局的網(wǎng)絡(luò)化連通和整體性布局對(duì)構(gòu)建“藍(lán)綠交織、水城交融”的彈性城市具有積極探索意義。本研究從景觀結(jié)構(gòu)的角度出發(fā),利用連通性分析確定生態(tài)源地,選擇對(duì)網(wǎng)絡(luò)連通度水平具有較高貢獻(xiàn)度的源地作為重要生態(tài)源地,相比于僅將面積較大的自然斑塊作為源地具較好的客觀性和科學(xué)性,這與范春苗等作者采用的方法具有相似性[20],并在同類研究中達(dá)到較高的共識(shí)。采用“距離-指數(shù)”法從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連通性水平識(shí)別潛在廊道,將整體網(wǎng)絡(luò)連通度最大時(shí)的距離閾值作為最佳擴(kuò)散距離,這與傳統(tǒng)目標(biāo)物種指數(shù)法相比更具代表性,但由于操作步驟較多,未被廣泛采用。已有研究?；谀硢我晃锓N的遷移距離[35]或者列舉多個(gè)典型物種的活動(dòng)范圍[31]作為源地建立廊道的距離閾值,該方法雖更考慮研究區(qū)的生態(tài)過(guò)程,但有較強(qiáng)的主觀性,容易忽略有較高連通重要性的潛在廊道。

受城市化的影響,登封市全域地表徑流結(jié)構(gòu)顯著改變,豐水月林地產(chǎn)流量逐漸攀升,造成地表徑流量顯著增加及低地勢(shì)區(qū)逐漸擴(kuò)大的淹沒(méi)范圍[22]。林地等生態(tài)用地的破碎分散削弱了其在極端降雨情形下的蓄洪納流能力,因此構(gòu)建以蓄水排洪為導(dǎo)向的藍(lán)綠廊道對(duì)填補(bǔ)登封市極端降雨期雨洪調(diào)控路徑的空缺具有重要現(xiàn)實(shí)意義。如Kaur等[36]基于地理空間技術(shù),在印度Ahmedabad市采用圖論和重力模型來(lái)識(shí)別BGI網(wǎng)絡(luò),將核心斑塊作為GIS的節(jié)點(diǎn),采用最低成本路徑來(lái)識(shí)別潛在走廊,提出在城市景觀實(shí)施BGI雨水管理網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新方案。因此,借助藍(lán)綠空間的修補(bǔ)重構(gòu),使?jié)撛诰G道與河流走廊交織縫合串聯(lián)各地坑塘水庫(kù),形成安全穩(wěn)固的“化整為零、分散排水”的雨洪調(diào)蓄空間格局,對(duì)提高城市雨洪韌性具有較大應(yīng)用潛力。此外,本研究未能對(duì)研究區(qū)進(jìn)行廊道優(yōu)化分析,可在后續(xù)研究中針對(duì)藍(lán)綠廊道網(wǎng)絡(luò)實(shí)施后對(duì)地表徑流量和淹沒(méi)范圍的影響進(jìn)一步探討,將對(duì)城市未來(lái)雨洪管理采用BGI策略的可行性具有論證作用。

4.2 登封市BGI網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及管理建議

BGI網(wǎng)絡(luò)的連通性易受人類活動(dòng)影響,建成環(huán)境中具較高通行概率的狹長(zhǎng)通道往往脆弱度較高,通過(guò)對(duì)潛在廊道的關(guān)鍵銜接區(qū)采取保護(hù)、清除、修復(fù)等人工干預(yù)措施,提高區(qū)域廊道的整體網(wǎng)絡(luò)連通性。以汛期處于洪澇高壓區(qū)的告城鎮(zhèn)為例,該區(qū)域存在的4處夾點(diǎn)均毗鄰建設(shè)用地并臨近潁河,兩岸灰色界面的夾逼迫使該段河流生態(tài)的退化,隨著河岸緩沖林帶被建設(shè)用地蠶食,促進(jìn)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)連通的生態(tài)夾點(diǎn)變得孤立脆弱。因此加強(qiáng)該地區(qū)關(guān)鍵夾點(diǎn)的保護(hù)修復(fù),結(jié)合綠地現(xiàn)狀和地形條件構(gòu)建蓄洪區(qū)、綠地修復(fù)區(qū),提高藍(lán)綠廊道的連通性,這對(duì)降低區(qū)域淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)具有直接影響。位于白沙水庫(kù)西南部的夾點(diǎn)面積較大,且與徐莊鎮(zhèn)的馬峪河河道有較大重疊,是承接水庫(kù)與南部源地連接的重要戰(zhàn)略點(diǎn),而河道兩側(cè)部分山地植被因煤礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到嚴(yán)重侵蝕,造成水土保持能力退化以及生境斑塊消失,應(yīng)加強(qiáng)維護(hù)該區(qū)域重要生態(tài)節(jié)點(diǎn)和狹窄走廊,降低人類活動(dòng)對(duì)其生境質(zhì)量的破壞,并進(jìn)一步保護(hù)和規(guī)劃臨近河道的綠色走廊,將生態(tài)服務(wù)功能與排洪蓄水功能合二為一,增強(qiáng)藍(lán)綠廊道對(duì)區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定的支撐作用。

綜合考慮關(guān)鍵生態(tài)源地重要度、潁河沿線淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及生態(tài)廊道連通度水平,將藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)及重要生態(tài)戰(zhàn)略點(diǎn)劃分不同保護(hù)級(jí)別,并以行政區(qū)為管理單元擬定分類分級(jí)的管控策略,如圖7所示?；诤诵脑吹睾蜕鷳B(tài)廊道的中心度值,劃分為三級(jí)保護(hù)區(qū)和三級(jí)建設(shè)修復(fù)區(qū),根據(jù)不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的上位規(guī)劃和綠地現(xiàn)狀落實(shí)區(qū)域藍(lán)綠空間的控制要求,明確廊道保護(hù)、修復(fù)及建設(shè)的具體方案。以告成鎮(zhèn)為例,該區(qū)域靠近潁河下游且位于地勢(shì)較低處,河道常因碎石廢料、建筑垃圾等淤堵狹窄且行洪能力較弱,采用分類分區(qū)建設(shè),對(duì)上游河道增設(shè)雨洪調(diào)蓄功能區(qū),中游拓寬行洪面、修復(fù)藍(lán)綠融合空間,下游構(gòu)建河道防洪的結(jié)構(gòu)性基礎(chǔ)設(shè)施等由點(diǎn)至面的系統(tǒng)性洪水應(yīng)對(duì)方案。源地、廊道的分級(jí)管理方法的建議如下:首先加強(qiáng)一級(jí)保護(hù)源地的山體植被保育,強(qiáng)制建設(shè)用地避讓以及生產(chǎn)耕作的低碳與綠色管理;維護(hù)二級(jí)源地的生態(tài)服務(wù)功能,對(duì)靠近飲用水源地的源地限制開(kāi)發(fā),嚴(yán)格監(jiān)管現(xiàn)存建筑的排污途徑等;修復(fù)三級(jí)源地對(duì)網(wǎng)絡(luò)連通的支撐作用,提高當(dāng)?shù)鼐用裆鷳B(tài)用地保護(hù)意識(shí),加大綠地空間修復(fù)與生態(tài)恢復(fù)。此外可積極建設(shè)研究區(qū)東部及東南部的一級(jí)廊道,清除阻礙生態(tài)溝通的障礙點(diǎn),提高南北網(wǎng)絡(luò)的連通性;修復(fù)西部二級(jí)廊道,重點(diǎn)保護(hù)本土植物群落,加強(qiáng)廊道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;保護(hù)相鄰源地間的三級(jí)廊道,道路穿越源地預(yù)留生態(tài)流通道,保護(hù)生態(tài)脆弱區(qū)結(jié)構(gòu)性廊道等。

圖7 登封市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的管控策略Fig.7 Management and control strategy of blue-green infrastructure network in Dengfeng City