流域尺度土地利用调蓄视角的雨洪管理探析

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苏伟忠¹, 汝静静¹^,², 杨桂山¹1. 中国科学院南京地理与湖泊研究所流域地理学重点实验室,南京 210008
2. 中国科学院大学,北京 100049

Modelling stormwater management based on infiltration capacity of land use in the watershed scale

SU Weizhong¹, RU Jingjing¹^,², YANG Guishan¹1. Key Laboratory of Watershed Geographic Sciences, Nanjing Institute of Geography and Limnology, CAS, Nanjing 210008, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

收稿日期:2018-03-12修回日期:2018-07-30网络出版日期:2019-05-25

基金资助:

国家自然科学基金项目.41571511

Received:2018-03-12Revised:2018-07-30Online:2019-05-25

Fund supported:

National Natural Science Foundation of China.41571511

作者简介 About authors
苏伟忠(1977-),男,山东莱芜人,博士,研究员,中国地理学会会员(S110003761M),主要从事城市土地可持续利用研究工作E-mail:wzsu@niglas.ac.cn。

摘要
发达国家雨洪管理焦点历经管网设计、不透水面阈值控制、低影响开发及土地利用管理等过程,呈现“多尺度多视角衔接”趋势。本文聚焦太湖流域土地利用调蓄功能变化机制及管理应用,揭示了1985-2015年来建设占用耕地是调蓄功能降低的主要原因;发现基于小流域的调蓄功能变化与建设用地强度整体低关联,但局部高相关,高相关的地区位于大城市或某些乡镇周边的建设增长热区,而这些热区的建设用地与调蓄空间规模较大且接触机会更多,是开发之前调蓄空间保护、开发控制以及开发之后综合管理等3个土地利用调蓄目标因子协调不当的结果;最后提出流域尺度土地利用调蓄视角的雨洪管理“345”模式,即以3个目标因子和5类控制要素为基础,实施土地利用调蓄创建、防御、拓展与保护等4类差别化战略模式,从更大尺度认识老城区和新区的雨洪关联,拓展海绵城市建设的本土认知和视野。
关键词： 土地利用;调蓄功能;雨洪管理;海绵城市;太湖流域

Abstract

The focus of urbanization effects on floods has gradually extended from the design of hydraulic channels to the control of imperviousness ratio and urban land use pattern in urban areas or the urbanized watershed. The stormwater management needs to integrate multiple floods perspectives in a spatial hierarchical unit, such as building, lot, city, watershed and region. However, the spread of the use of the urban landscape for managing and controlling stormwater in urbanized basins has been rather slow. The Low Impact Development (LID) model, which is used as the word of sponge city development in China, is used widely in Chinese cities. But most of Chinese cities, especially in East China have a high urban land intensity and no enough sponge city spaces to absorb surface runoff. The strong floods relationship exists among these spatial scales such as lot, city, watershed and region. Thus, the impact of land use change on environmental conditions improves the scientific knowledge on the floods correlation between new urban districts and downtowns, and expands the range of application of the LID/sponge city development. Then, the decline in the infiltration capacity resulted primarily from the transformation between construction land, cultivated land and other land use changes. However, there is low correlation between the infiltration capacity (CNc) and the construction land growth intensity in the overall sequence of development intensity (CLI15), but a high correlation in local parts of the CLI15 value. The high correlation occurs in the two parts of the CLI15 such as 8%-15% and 24%-39%, which are located in the "hot areas" of urban land growth around big cities and some rapidly developing towns. There is plenty of construction land and ecological infiltration space, and more opportunities to spatially contact together. Especially, three important target factors of the infiltration capacity in land use, such as the protection of infiltration spaces, land use control and LID-IMPs, are insufficient in the integrated planning and management. Last, the paper proposed a "3+4+5" stormwater management model in improving land use infiltration capacity, namely, three target factors, five key management elements and four management strategies models. Most parts of Area A in Taihu Lake watershed have a high intensity of land development, and implement the offensive strategy of improving the capacity of the hydraulic channels in the flood-prone areas, and create new ecological spatial elements in the right places. Area B around big cities is the main implementation area of the sponge city development/LID-IMPs, and controls the size of incremental construction land, and optimizes the pattern of construction land and natural spaces based spatial forms. Areas C and D are the main protection areas, and integrate stromwater management with land use zones, and expand and improve the ecological quality of natural service function.

Keywords：land use;infiltration capacity;stormwater management;sponge city development;Taihu Lake watershed

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本文引用格式
苏伟忠, 汝静静, 杨桂山. 流域尺度土地利用调蓄视角的雨洪管理探析. 地理学报[J], 2019, 74(5): 948-961 doi:10.11821/dlxb201905009
SU Weizhong. Modelling stormwater management based on infiltration capacity of land use in the watershed scale. Acta Geographica Sinice[J], 2019, 74(5): 948-961 doi:10.11821/dlxb201905009

1 引言

洪涝一直是困扰人类社会发展的自然灾害,发生在建成环境的城市内涝危害尤为严重。20世纪60年代以来城市化驱动的土地利用变化与洪涝矛盾在发达国家首先爆发,洪涝认知开始成为关注热点^[1,2,3]。目前发展中国家城市化还仍在加速,雨洪问题仍是关注重点^[4,5]。从1900到2014年世界城市化由13%增加至54%^[6],而中国仅用30年就完成了世界历经100余年的城市化进程,尤其东部地区土地城市化进程更加迅速,内涝问题愈加频发^[7]。由2010年住房和城乡建设部的351个城市调研显示,2008-2010年全国62%的城市发生内涝,积水深度超过15 cm的达90%,积水时间超过0.5 h的占78.9%。

首先,发达国家“多尺度多视角衔接”的雨洪管理焦点呈现以下演进过程：20世纪60年代集中在排水管理过程,对地表径流通过末端的管网设计实施快排^[8,9];70年代大规模开发活动进一步加剧洪涝,管理焦点拓展到产流过程,对不透水面阈值实施控制,以降低地表产流量^[10,11];90年代深入到源头的微观工程建设过程,例如低影响开发（Low Impact Development, LID）,提升已开发土地上雨洪调蓄能力,以保持开发前后的径流平衡^[12,13,14]。随着全球环境变化研究兴起,2000年后雨洪管理延伸至土地利用的决策与规划过程,土地利用成为雨洪管理的重要因子^[15,16]。其次,雨洪管理呈现多尺度多视角,分为工程与非工程等两类措施,小区、建筑等微观尺度的管网设计及低影响开发综合管理（LID-IMPs）等工程措施,以及城市、区域与流域等中宏观尺度的透水性土壤和植被的保护、土地开发控制、防洪预测预警、灾后规避区划分等非工程措施^[17,18]。其中土地利用是目前研究重点,包括土地利用格局与水文系统作用机理,以及形成土地利用格局背后的决策过程及其与雨洪管理的整合等^{[13, 17, 19]}。第三,雨洪管理措施之间的衔接：一般认为没有中宏观的非工程措施,微观工程措施的防洪减灾范围和效能有限^[14];建立建筑、地块、小区、城市及流域区域等尺度体系,构建集水区“连通状态”,并在实际规划、建设、管理等不同过程中衔接落实各类措施^[20,21,22]。最后,雨洪管理要因地制宜：英国雨水多,建成环境密集,采用以排水为主的可持续排水系统（Sustainable urban drainage systems, SUDS）;澳大利亚强调节水而采用的是水敏感城市设计（Water-sensitive urban design, WSUD）;北美以美国为代表,城市蔓延分散,开发强度不高,微观尺度源头有足够的空间吸纳雨水,因此采用LID模式^[12]。

国内雨洪管理认识趋于深入和系统化。首先是研究成果方面,包括对城市化规模参数（不透水面率和城市化水平）与径流参数的相关分析,从生态系统理念对传统土地利用与城市规划的理论反思^{[23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34]},把土地利用作为洪涝风险评价体系的重要因子等^[35]。其次是实践方面,城市管网的排水设计长期“重地上,轻地下”,随着城市建设热潮与内涝频发的矛盾日益凸显,2013年《城市排水防涝综合规划编制大纲》提出要求引入低影响开发等国外新理念,并推进海绵建设试点。然而,中国大部分城市开发强度大,城市内部生态调蓄空间挖潜难度大,不像美国城市具有相对充足的吸纳空间承担“城市海绵体”,老城区道路排水设施很难大幅度大范围得到提升。区域、流域、城市、街区等不同尺度之间的问题是关联的,需进一步反思城市规模快速扩张过程中的开发模式,特别是与保护河湖水系、湿地、低洼地等雨水存储和渗透空间的关系,从更大尺度和整体视角认识老城区和新区的雨洪关联,找出“症结”所在,并从区域、流域规划层面统筹划分建设与防洪相协调的总体布局,拓展目前海绵城市的雨洪管理视野和认识。因此顺应雨洪管理研究趋势,本文聚焦流域尺度土地利用调蓄功能变化机制及管理应用,探索中国发展与规划语境下的雨洪管理实证研究。

2 研究区域与方法

2.1 太湖流域的典型性

太湖流域是长三角核心地区（图1）,城市化进程快速且为中国城市化发展的前沿地带。城市化水平1990年（48.8%）开始赶超世界平均水平（42.6%）,2010年（77.42%）超过发达国家水平（76%）^[7]。2015年全国建设用地比重不到4%,太湖流域建设用地比重超过25%。流域建设用地占用大量耕地与自然空间：上游太湖以西和以南丘陵植被覆盖度下降,导致水量调蓄功能下降,加剧下游洪涝风险;中下游太湖以东以北河湖林耕体系结构形态受城市化、围垦等瓦解趋向简单化,面积减少,消减洪峰、滞蓄洪水等能力降低^{[3, 5, 36]}。太湖流域大规模的城镇用地快速蔓延明显加剧了城市内涝的发生范围和频率。

图1

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图1太湖流域研究区

Fig. 1Map showing the study area (Taihu Lake watershed)

2.2 土地利用调蓄分析方法

调蓄是维持自然水文循环和城市良性水文循环极为关键的环节,是低影响开发和海绵城市概念的核心功能。调蓄包括渗透、储存、传输、调节等环节,本研究集中在渗透环节。渗透能力与土壤质地、土地利用方式、地形和降雨前的土壤湿度等状况有关,SCS-CN方法（Soil Conservation Service Curve Number）通过一个经验性的综合参数CN来推求渗透能力。CN值在30~100之间变化,数值越大其渗透能力越低^[37]。

首先将研究区土壤、用地类型和坡度数据层（表1、图2）利用ArcGIS软件的Intersect工具生成土壤、土地利用及地形地块数据层（1985年为44.73万个,2015年为65.78万个）。然后结合前期土壤湿润程度来确定地块的CN值,同时结合太湖流域其他案例研究修正确定CN值^[38,39]。最后把太湖流域划分了490个小流域单元,分析1985-2015年土地利用调蓄变化的分区差异。其中,相关数据的说明如下：土地利用类型分别是耕地、林地、园草地、建设用地、水面、未利用地等6类;太湖流域1959-2008年24 h日累计降水量超过50 mm的暴雨量平均218.78 mm,最大年份1999年为434.9 mm,因此每年6月和7月的土壤界定为AMCIII（湿润）状态。将土壤类型栅格图在GIS平台打开,根据FAO制与美国制的关系,分为如下4种：A类是黏粒小于28%且砂粒大于52%,包括砂土、壤砂土、砂壤土的全部或一部分;B类是黏粒小于28%且砂粒小于等于52%,包括壤土,粉壤土;C类是黏粒介于28%~35%之间（包括28%和35%）且砂粒大于52%,砂黏壤土;D类是其他黏粒大于35%,或黏粒介于28%~35%之间且砂粒小于等于52%。另外,SCS-CN模型是坡度假设在5度的情况计算的CN值,经过坡度修正的CN值误差平均在-0.23%。

Tab. 1
表1
表1研究数据来源
Tab. 1Data sources in this study

数据名称	数据来源	数据加工	所需数据成果
用地类型	中科院南京地理与湖泊研究所太湖流域土地利用遥感调查与监测数据库(1985-2015年)	采用1985年和2015年TM/ETM影像解译和地面调查结合方法,影像时间为5月、7月、11月,提取耕地、湿地、乔木、园地、草地、水体、湿地、城市、乡村、工矿和未利用地等10个类型。该数据遥感图像解译时采用人机交互的土地利用变化分类判读方式。	合并为耕地、林地、园草地、建设、水面、未利用等6类
土壤	中国科学院土壤研究所	第二次土壤普查资料(1979-1982年)土壤颗粒组成和土壤质地等,土壤化学性质和土壤养分等属性。	进行土壤ABCD类划分
河网	中国科学院湖泊流域数据集成与模拟中心1982年1∶25万河流数据和1985年1∶5万地形数据。	根据1∶25万河流数据样图选取相应河流,基于1985年1∶5万地形数据手工绘制并赋予编码和河流名称;按照河流长度宽度大小确定河流级别、源头和流向^[34]。	1级对应长江,2、3、4级对应市、县、村镇级河流
小流域及坡度	中国科学院湖泊流域数据集成与模拟中心30 m分辨率DEM数据和部分地区圩区数据。	山区利用DEM数据采用D8算法ArcGIS获取;平原区以圩区边界为分区单元;其他以骨干河道(二级河流)、城镇和农村圩区边界判别,采用人工修正方式建立^[34]。	提取490个小流域。
气象水文	中国科学院南京地理与湖泊研究所太湖流域土地利用遥感调查与监测数据库	1959-2012年太湖流域及周边15个气象站日降雨数据,包括南京(58238)、高邮(58241)、南通(58259)、吕泗(58265)、常州(58343)、溧阳(58345)、宜兴(58346)、东山(58358)、宝山(58362)、宁国(58436)、杭州(58457)、平湖(58464)、慈溪(58467)、嵊泗(58472)、嵊县(58556)。	计算各站点年均暴雨强度和暴雨频率等,进行相应数据空间插值

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图2

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图2太湖流域主要数据分析结果

Fig. 2The data analysis results in Taihu Lake watershed

3 结果与讨论

3.1 建设用地占用耕地是调蓄功能降低的直接来源

（1）流域调蓄功能总体降低且增减分布不平衡。根据CN值< 70、70~80、80~90、> 90（取24 h累计降雨量P为400 mm作为输入量,分别对应的径流系数为0.44、0.59、0.77）把地块分为渗透（调蓄）能力优、良、中、差等4级（表2）。渗透性能主要和土地利用类型有关,按林地、绿地、耕地、未利用地、建设用地顺序依次降低。土壤类型起次要影响,渗透性能按A-B-C-D顺序依次降低;坡度有微弱影响,坡度修正的CN值误差平均在-0.23%。首先,渗透能力4级的面积1985年分别为5569.14 km²、13787.18 km²、6146.16 km²、9674.64 km²,2015年分别为5424.10 km²、10225.43 km²、5022.31 km²、14584.24 km²：1985年流域面积超过一半（55.39%）渗透性能优良,等级结构次序为良、差、中、优;2015后则超过一半（55.87%）是中差,等级结构次序为差、良、优、中（图3）。其次,基于土地利用—土壤—地形的渗透地块面积,叠加1985年和2015年两期的渗透地块得到渗透变化率CNc（%）,即CNc = (CN₂₀₁₅-CN₁₉₈₅)/CN₁₉₈₅×100值。统计显示,65.33%面积的地块渗透性能无变化（CNc = 0）,26.12%渗透性能下降（CNc增加）,也有8.55%渗透性能提高（CNc < 0,根据CNc平均值9.72,进一步分为0~9.72、9.72~19.44和> 19.44等3个级）。所以,总体有17.57%的地块面积渗透性能下降。

Tab. 2
Tab. 2The infiltration levels structure (%)

注：深绿、浅绿、橙色、红色等表栏分别对应渗透能力优、良、中、差等级别。

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图3

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图3太湖流域调蓄功能变化格局

Fig. 3The infiltration change pattern in Taihu Lake watershed in Taihu Lake watershed

（2）建设用地占用地耕地直接影响调蓄功能降低。对应表2中各等级土地利用—土壤地块的面积变化值,计算渗透性能变化CNc的贡献源及其贡献率a,公式如下：

（1）

a = \frac{Δ A_{ij}}{\overset{4}{\sum_{i = 1}} Δ A_{i}} \times 100 %

式中：?A_i（i = 1, 2, 3, 4,分别表示优、良、中、差）为1985-2015年各渗透性能等级面积的变化率;?A_ij对应各等级内土地利用—土壤地块类型（j）的面积变化率,例如?A₁₁表示优等级渗透性能中林地—土壤类型A对应的变化率;a位于-1~1之间,其绝对值越大表示贡献度越大。表2显示了土地利用类型的渗透性能差异,表3中建设用地（包括水面及未利用地—土壤类型D）—土壤地块的a为正值时表示渗透性能降低,其余土地利用类型—土壤地块的a为正数时表示渗透性能提高,负数表示渗透性能下降：渗透性能优等级面积总体略下降,其中渗透性能降低的主要贡献源来自耕地（a = -11.73%）,其次是林地,而园草地（a = 9.33%）对调蓄功能提升起积极作用,尤其河流上游的林地和城市中绿地的营造;良等级面积下降显著,贡献主要来自耕地（a = -73.94%）;中等级面积下降,耕地贡献主导（a = -26.42%）。差等级面积显著提升,贡献主要来自建设用地增加,其流域整体的贡献率a为90.71%。可见,首先渗透性能减低的直接原因是,土地利用尤其是建设占用耕地是优良等级向差等级转变的主要因素。

Tab. 3
Tab. 3The sources of infiltration levels change in Taihu Lake watershed (%)

注：深绿、浅绿、橙色、红色等表栏分别对应渗透能力优、良、中、差等级别。

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3.2 建设用地增长对调蓄功能的影响

（1）太湖流域大部分小流域的建设用地增长率与初期开发强度关系不大,但明显影响着当前开发程度。首先,490个小流域单元的建设用地增长率（CLIr）与1985年建设用地强度（CLI85）的线性拟合程度低（R²= 0.031）,CLIr和2015年建设用地强度（CLI15）的线性拟合程度较高（R²= 0.72）（图4）。其中在1985年和2015年上海老城区连片的12个小流域对它们和CLIr的拟合干扰较大（黑圈内）。扣除12个小流域后重新拟合,线性拟合程度1985年仍然很低（R²= 0.12）,但2015年更加显著（R²= 0.88）。这说明,1985年小流域开发强度高但其增长率不一定高,开发强度低而其增长率并不一定低,而2015年大部分小流域开发强度是和过去30年的增长率正相关。

图4

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图4太湖流域建设用地增长率CLIr与建设用地强度CLI的拟合

Fig. 4The linear trends between the CLIr and CLI in Taihu Lake watershed

（2）渗透性能变化率CNc与建设增长整体低关联但局部高相关。CNc值与CLI15和CLIr的Pearson相关系数为0.081、0.067,都很低：按小流域开发强度升序排列,CNc并无对应增加,即它们整体相关性低（图5）。但在CLI15的0~15%（不含0）区段,特别是在8%~15%和24%~39%两个区段时,CNc增加率最为集中（调蓄功能退化明显）,其余区段CNc数值变化幅度大,总体较低。进一步按CLI15每1%为1个间隔（例如0~1%、1%~2%到99%~100%）,把490个小流域聚类合成为100个次流域,这种土地利用调蓄的局部关联性更加清楚,由此将小流域分为4个土地利用调蓄类型（表4）。

图5

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图5太湖流域调蓄变化率CNc与建设用地强度CLI的关系

Fig. 5The relationship between the CNc and CLI in Taihu Lake watershed

Tab. 4
表4
表4太湖流域基于CNc-CLI15的土地利用调蓄类型
Tab. 4The land use-infiltration areas based on the CNc-CLI15 in Taihu Lake watershed

CLI15区段(%)	39以上	25~39	15~24	15以下
CLI15均值(%)	54.33(80.47^*)	31.93	19.50	1.34(0~8%); 11.48(8%~15%)
CLIr均值(%)	27.33(10.01^*)	21.73	10.82	0.35(0~8%); 5.07(8%~15%)
CNc增减(%)	-0.03(1.12^*)总体减少	减少最多4.04	-0.25	0.35(0~8%); 3.34(8%~15%)
CNc特征^**	离散型增减差异大;调蓄潜力低	集中型减少为主;调蓄潜力较大	离散型增减差异大;调蓄弹性大	集中型减少为主(0除外);调蓄容量大
作用位置	地级市老城区和开发完善新区,沿江经济开发区	部分老城区和大部分新区及开发区、乡镇	主要乡镇和农村区域	农村区域与山区、湖荡
作用方式	建设占用耕地,外延扩展—内部填充;绿地增加	建设占用耕地、林地和绿地,分散扩展为主	建设占用耕地、绿地;耕地新增	旅游建设;林地变成园地;耕地变水域
雨洪影响	上游开发导致过境洪水剧增;过境河流沿线及支流低洼地城市内涝	调蓄功能退化,管网设计不足;低洼区内涝频发,受纳水体回流	圩区分割河流系统;沿河低洼地流域性洪涝显著	调蓄区减少,增加下游排洪压力;洪涝不显著,河流季节性断流
土地利用调蓄类型	-调蓄减少A1 -调蓄空间提升区A2^***	调蓄空间减少区B	-调蓄减少区C1 -调蓄增加区C2	-调蓄减少区D1 -绿地恢复区域D2^****

注：^*上海老城12个小流域;^**频数分布特征包括集中和离散,以平均值为例;^***苏州、无锡、常州外围沿运河河网区及低山丘陵区环境整治及绿化建设驱动;^****乡村区域土地复垦大于城镇增加,山区退耕还林,荒地未开发还林大于城镇增加。

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（3）土地利用调蓄类型区形成原因：图6中新增建设用地广泛地占用耕地,以及少部分的山区林地、平原绿地,是表4中A1、B、C1、D1等类型区调蓄下降的主要原因;图6中新增园草地沿太湖、天目湖、长兴—三界岭的旅游景区开发绿化和园地（茶园）,特别是茶园地增加迅速,以及上海城市绿化及乌镇以北苗圃花圃迅速发展,这是绿地增加进而导致太湖及滆湖沿岸高强度城镇类型区A2调蓄增加的原因;图6中新增耕地是耕地占补平衡政策及补充耕地按等级平衡的政策全面实施的结果,由以往开垦为主转变为建设用地的整治和复垦为主,与此对应的是建设用地减少,这是C2农村区域一些小流域调蓄能力提升的原因;图6中新增林地在浙西南山区和环太湖,主要是1999年后实施的封山育林、荒坡荒地造林及退耕地造林的政策有关,是D2区域调蓄功能显著提升的原因。

图6

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图6太湖流域调蓄增减类型区的土地利用成因

Fig. 6The contributing factor of land use-infiltration areas in Taihu Lake watershed

（4）土地利用调蓄降低最突出的关键类型区B及其成因。B类型区域之所以造成更多的调蓄空间减少,有3个因素：该地区有一定规模调蓄空间基础和开发速度,并因分散蔓延导致两者有较大的接触机会。而这些因素作用的空间位置,往往是大城市或某些发展较快的乡镇周边建设新生区（新区新城、近郊区）,例如B、D1类型区。Schueler等^[11]也曾归纳出在不同不透水面率的区域（小于10%、10%~25%、25%~60%、大于60%）,对应的河流自然结构与功能会呈现不同程度的人工化特征,例如不透水率在10%~25%的流域河流健康表现出清晰下降趋势,超过60%的流域河流几乎转变为城市管网。苏伟忠等^[36]揭示出长三角生态用地破碎度与城镇化规模参数相关性不明显,但也与城镇用地聚合度相关性明显,并从城镇用地和生态用地之间的“接触”机会大小加以解释。

3.3 土地利用调蓄功能优化的“345”管理模式

从上述类型区的成因分析得知,对建设生长热点地区,开发前的土地开发控制、调蓄空间保护及其之间空间关系是土地利用调蓄的两个关键因子。实际上,美国本土发展的LID包括在开发之前的场地特征保护（可渗透土壤和现状自然植被）和场地开发控制（不透水面规模、分布形态与调蓄空间的距离及组织模式）等非结构措施,以及在开发之后的场地内微观尺度上布置结构性LID-IMPs管理措施（储存、渗透、运输及过滤系统）。由此可见,调蓄（空间）保护、开发控制以及LID-IMPs综合管理等是流域开发前后调蓄功能维持平衡状态（减少径流量和峰值）的3个关键目标因子。

（1）这3个目标因子具体由于5类关键要素（C、N、R、L、W）不合理的规划过程,导致了土地利用调蓄功能降低。如图7所示,太湖流域内含老城区C₁和新增建设区C₂,农业及自然等调蓄空间为N,雨水通过河渠R（一级河流R₁及其支流/管网R₂）及低洼地L的调蓄,最后通过流域出口O排入上一级流域受纳水体W。一是老城区C_l和新增建设区C₂,特别是快速无序增长的C₂区域开发之前对N的保护与C的开发控制因子缺乏合理规划和有效管理,造成自身并引致下游老城区洪水加剧：上游N区域渗透性土壤和植被减少,渗透与滞蓄功能下降,产流增加,河流R₁和R₂被城乡用地占用或人工改造,功能单一排水化,汇流加速,由此致使下游老城区来水量增加,而老城区河流及管网排水标准跟进不足^{[27, 35]},尤其流域末端出水口O,超出受纳水体容量就会导致回流淹没区（L区常为内涝易发区）;下游低洼地区L被开发建设占用,导致流域的水量储存和调节功能下降,而自身的产流增加,排水压力增大,内涝易发,这是太湖流域新城新区的普遍现象,1985-2010年太湖流域新增建设用地面积近37.5%位于相对低洼地区^[7]。二是传统规划的局限,已经开发的高强度的土地利用调蓄类型C_l区域LID-IMPs主要强调快排,由于拥有的吸纳空间较少,而管网排水能力提升是未来主要措施^{[7, 40]}。

图7

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图7太湖流域土地利用调蓄与洪涝的关系

Fig. 7The relationship between floods and land use-infiltration change

（2）土地利用调蓄的4种战略模式。针对各区域3个关键目标因子存在问题,围绕5类关键要素,确定主导战略优化方向和实施路径（表5）。① 与美国人口少、土地开发强度低的语境不同^{[14, 19]},太湖流域大部分A类型区开发强度普遍大,除A2类型区调蓄条件较好外,微观源头的结构性设施（海绵城市）没有充足空间来消纳径流,LID综合管理措施,应该是以已有排水管网的快排提升为主。但历史欠账太多,建设成本高,要重点辨识选择最主要的内涝易发区。② 实际国内大部分旧城内部道路排水能力很难升级到10年一遇,而城市外围新区,例如B类型区建设用地利用效率低,分散蔓延,同时利用相对充足的源头空间,是LID综合管理（微观尺度海绵工程建设）的建设重点地区。另外当前太湖流域开发强度近25%,如果扣除不能开发的水体和山地外,已经接近50%,应该控制此类型区内的开发规模,研究实施存量用地区域城镇修补和生态修复策略,最关键的控制要素是从空间开发的形态角度,控制增量用地区域的城镇聚集形态,规划设计城镇与生态调蓄要素的空间组合模式,减少两者的接触机会。③ 土地利用调蓄保护目标重点在未开发和欠开发地区类型区C和D,除把雨洪管理与土地利用管理分区整合落实到土地利用规划中外（确保耕地红线和生态红线）,提升目前的生态功能质量是主要任务,如类型区D山地丘陵的林地草地结构优化,特别是园地种植（茶园）的水土流失严重,以及农业区圩区体系的改造提升等。

Tab. 5
表5
表5土地利用调蓄战略模式
Tab. 5The strategy models of land use-infiltration

土地利用调蓄类型	A类型区	B类型区	C类型区	D类型区
战略模式	土地利用调蓄创建(Offensive),在调蓄功能非友好的建设用地基质下,增加或改善调蓄要素,恢复一定调蓄功能。	土地利用调蓄防御(Defensive),开发与保护矛盾突出,确保最基本的生态要素和效益,开发控制与生态保护的关键协调区。	土地利用调蓄拓展(Expansive),总体生态格局良好,但有机会拓展其功能。	土地利用调蓄保护(Protective),现有生态格局支持可持续,保护提升现有质量和效益。
控制要素	城市水系、道路广场、小区/建筑、排水管网、受纳河流水体。	流域建设用地、渗透面、低洼区、水系,城市道路,小区域建筑。	流域建设、农业、生态空间,主要是农业空间。	流域主要植被、可渗透土壤、水系,少量耕地。
开发控制	优化城乡建设用地结构和布局：盘活存量、集约高效、优化布局,新增建设以填充式开发为主,提高其准入门槛。	构建城乡集聚集约空间框架：保障新增建设用地供给,整合传统工业和农村等存量用地,提高人口和产业集聚强度。	协调耕地—建设—生态空间：稳定农业空间,合理控制开发强度和规模,适度增加生态空间。	优先布局生态空间：稳定自然用地;严格控制新增建设空间,禁止扩大现有工业集中区面积。
调蓄保护	自然修复重要河段和地区,自然生态要素增加及孤立要素链接。	辨识海绵城市建设重点区,划定城市增长边界、耕地红线和生态红线。	稳定耕地连片区,结合绿道拓展耕地生态功能。	稳定生态红线,优化生态空间结构布局,提升滞留渗透质量。
综合管理	辨识重要内涝地段,提升排水能力为主：A1区排水能力提升措施为主;A2区雨水收集储存,受纳水体修复,包括屋顶—洼地绿化,防洪防水隔水设计。	土地利用—洪涝管理分区整合,以减少雨水径流和峰值为目的开发块选址与场地布局;优先选用峰值削减效果较优的雨水储存和调节,提高渗透的能力。	圩区改造,洪涝风险分区,耕地保护区,高地规避区,流域排水通道修复,滨水防洪堤坝,水位预警。	上游水敏感区,拦洪蓄容建设,中游坡面耕地保护区,下游应急与洪涝规避区,水闸调控(工程措施)。

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3.4 土地利用调蓄功能优化的源头动力

土地利用调蓄功能的变化,是过去“政府驱动大规模城镇开发”及地方政府土地财政行为追求的结果。中央政府通过政策工具激励地方政府和企业实施开发,各级政府深度参与到地区开发过程,政府可控且易于实现价值的土地资源成为开发的重要载体。其中,地方政府追求GDP政绩是土地财政的激励因子,1994年中央和地方的分税制改革成为土地财政的内在动力,土地收储制度允许了土地财政的生成。由此形成地方政府低成本征收农业用地,低价格转让工业用地,高价格出让商、住用地等土地利用行为,土地结构失衡,近郊优质良田损失显著,生态安全受到威胁。

2017年党的“十九大”报告指出中国特色社会主义进入新时代,我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾。推进政府职能转型,从开发型政府向服务型政府职能转变,推动新型城镇化与生态文明体制改革,特别强调构建以空间规划为基础、以用途管制为主要手段的国土空间开发保护制度,要求根据资源环境承载力、土地利用现状和开发潜力,划分土地利用分区,实施差别化政策。因此,分区的开发强度与承载力是关键要素。本文从开发强度生态调蓄功能角度,为土地利用科学分区及贯彻新型城镇化思想提供研究基础,今后亟需与土地利用规划等专业的衔接和落实。同时,土地利用规划管理是政府干预城市发展的重要手段,因此,科学合理规划的实施,更需要从政府发展决策与制度源头来确保其有效性、严肃性和权威性。

4 结论

从20世纪60年代以来,发达国家雨洪管理焦点历经末端管网排水设计、不透水面阈值控制、低影响开发调蓄提升及土地利用综合管理等渐进过程,呈现“多尺度多视角衔接”趋势,并认为没有中宏观土地利用等非工程措施,微观的工程措施防洪效能有限。基于美国国情的低影响开发模式（海绵城市）试点推动快速,然而中国城市开发强度相对较大,老城区源头吸纳径流的“海绵”空间挖潜难度大,道路排水设施难以大幅度提升。流域、区域、城市、街区等不同尺度之间的雨洪问题是关联的,因此,需要反思城市规模快速扩张过程中的开发模式及其与生态调蓄空间的关系,从更大尺度和整体视角系统认识老城区和新区雨洪的关联性,拓展海绵城市雨洪管理的视野和本土认知。

太湖流域土地利用剧烈变化尤其是建设用地占用耕地,是其调蓄功能降低的主要原因,但是基于小流域单元的调蓄功能变化与建设用地增长率及强度整体低关联,但局部高相关,发现调蓄功能在2015年建设用地强度的0~15%区段D（不含0）,特别是8%~15%的区段D1,以及在24%~39%区段B时降低显著。区段B与D1的这种现象与其位于大城市或某些发展较快乡镇周边的建设增长热区的位置因子有关,这些位置的建设空间与调蓄空间均有一定的规模条件并发生更多的接触机会,开发之前的调蓄空间保护、建设用地开发控制以及开发之后的LID-IMPs综合管理等3个土地利用调蓄关键目标因子规划管理不当,没将三者形成合力来保持土地利用开发前后的调蓄功能平衡态。

针对各区域3个关键目标因子存在问题,围绕5类关键要素,提出土地利用调蓄的4种战略模式：太湖流域大部分A类型区开发强度普遍大,应以已有排水管网的快排提升为主,并重点选择在最主要的内涝易发区,局部有条件地区创建修补生态要素;城市外围B类型区是LID综合管理（海绵建设）的重点实施地区,控制增量建设用地规模,研究实施存量建设区域城镇修补和生态修复策略,更关键的是从空间形态角度,优化重构已有建设与防洪的整体格局;土地利用调蓄保护目标重点在未开发和欠开发地区类型区C和D,把雨洪管理与土地利用管理分区的整合作为重点,而提升拓展目前的生态功能质量是主要任务。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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随着社会的不断进步和人口的迅速膨胀,土地利用/覆被变化对水文过程产生了重大影响,其研究已经成为国际热点问题和前沿领域。论文首先分析了LUCC水文效应的研究方法,然后从土地利用/覆被变化的驱动力方面:造林与毁林、城市化过程与农业开发活动以及水土保持等,概述了LUCC水文效应的研究进展。综合分析表明:关于城市化过程的水文影响研究,一般认为,在城市化快速发展的驱动下,不透水面积大量增加,改变了水量平衡状况,造成入渗减少,洪峰流量增大,但不同地区城市化发展程度的不同使得水文效应的表现也不相同;水土保持水文效应的研究一般认为,水土保持通过植树造林、种草、修建梯田、淤地坝等措施,使得区域/流域下垫面覆盖状况发生了很大的改变,造成年径流和洪峰流量减少,而使入渗和枯季径流增加,但因地理位置和气象条件等方面的差异,不同地区水土保持产生的水文影响也有所差别;造林与毁林、农业开发活动对水文过程的影响则因研究尺度、区域位置、气象条件、研究对象等因素的影响出现了较大的差异。因此,需考虑多方面因素的影响,正确评价土地利用/覆被变化的水文效应,为水土资源的合理配置和可持续利用提供科学依据。

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以深圳市布吉河流域为例，系统模拟了不同土地利用条件下的流域水文过程，并分析了土地利用变化的影响。对布吉河流域土地利用进行分类的结果表明1980—2005年期间该流域的耕地、林地及灌草地的比例由93.54%减少为34.79%，而城镇用地由1.65%增至54.25%；在对SWAT（Soil Water Assessment Tool）模型在布吉河流域的应用进行验证的基础上，分析了快速城市化过程中土地利用变化对流域水文要素可能产生的各种影响。结果表明，土地利用条件的不同可导致流域水文过程发生极大的差异：以2005年的土地利用作为输入与以1980年的土地利用作为输入相比，流域蒸散发量、土壤水含量和地下径流深度分别减少了42.09、28.10和279.74mm，而地表径流则平均增加了431.97mm；土地利用变化还导致各水文要素的空间和年际分布特征发生改变。

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土地利用变化导致的城市下垫面改变对降雨径流关系有着重要影响。选择高度城市化的上海中心城区,利用初损和径流量修正方法并经实测数据验证后的SCS-CN修正模型,在城市集水区尺度上,初步探讨模拟了1947—2006年中心城区在0.5~10 a一遇设计暴雨重现期条件下持续1 h的降雨事件和丰、平、枯降雨年份下的径流系数,并分析了土地利用方式、前期土壤湿润程度(AMC)和降雨因素对中心城区60 a降雨径流关系的影响。结果表明:①60 a间,AMC Ⅰ和0.5~10 a一遇设计暴雨重现期条件下的径流系数相对增长17.21%~6.14%,枯、平和丰水年的年径流系数相对增长分别为20.49%、11.83%和10.02%;②土地利用类型、土壤入渗能力和AMC类型,与降雨强度共同构成影响降雨径流关系的两方面重要因素。随着降雨强度的增大,在AMCⅠ→Ⅲ过程中,土地利用改变对降雨径流关系的影响趋小,降雨类型起决定作用;而降雨强度越小,土壤AMC越干燥,土地利用改变对降雨径流关系影响越强;③不同降雨强度和降水年条件下的径流系数均随CN值的增大而增加,其径流系数与CN值之间分别可用线性(R2＞0.999)和指数(R2＞0.987)关系表示。

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城镇化的发展使不透水面积不断增加，往往导致地区的水文过程发生较为明显的改变。以太湖上游西苕溪流域内的安吉城镇化实验小区为例，在对研究流域50多a长系列水文气象资料和区域城镇化特征作较详细分析的基础上，结合2005~2008年短时间尺度降雨径流观测实验，通过雨量、水位以及下垫面等数据分析，选用Storm Water Management Model这一暴雨洪水管理模型对该地区的典型洪水过程进行了模拟，对其降雨径流规律进行了分析。结果表明：该模型对该区域的模拟效果较好，误差较小，可以用于该城镇化地区的降雨径流过程模拟和洪水规律定量分析；分析该实验小区降雨径流过程可知，城镇化使该地区洪水上涨过程明显加快，6场典型洪水的峰型系数均值为305，洪峰流量增大而滞时缩短，较快的汇流速度使该地区的防洪压力较大。实验观测方法及模拟分析成果将有助于对太湖地区小流域城镇洪水过程特征与规律的认识，对我国东部城镇地区的防洪、规划与管理也具有重要的借鉴意义

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. Ecological land fragmentation and its connectivity with urbanization in the Yangtze River Delta
Acta Geographica Sinica, 2007,62(12):1309-1317.

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[ 苏伟忠, 杨桂山, 甄峰 . 长江三角洲生态用地破碎度及其城市化关联
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[本文引用: 2]

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. The influence of land-use and land-cover on flood peak: A case study of Xitiaoxi river basin in the headwater region of Taihu Lake
Journal of Natural Resources, 2009,24(2):318-327.

DOI:10.11849/zrzyxb.2009.02.017 Magsci [本文引用: 1]

土地利用/覆被变化是影响流域水文过程的重要因素。基于太湖流域在全国的重要性及太湖流域LUCC洪水效应研究的迫切性，选择太湖上游西苕溪流域为研究区，利用分布式水文模型HEC-HMS模拟5种土地利用/覆被情景下的2次典型洪水过程（5年一遇的台风型洪涝和5年一遇的梅雨型洪涝），定量区分单一土地利用/覆被对洪峰的影响程度。结果表明，对于同场降雨，5种土地利用/覆被情景下的洪峰流量大小顺序为：林地＜疏林灌丛＜草地＜耕地＜建设用地，峰现时间先后依次是建设用地、耕地、草地、疏林灌丛、林地。同样的土地利用变化对洪峰的影响程度，5年一遇的台风型洪水比5年一遇的梅雨型洪水反应剧烈。对洪峰流量影响最大的土地利用变化是其它用地变化为建设用地。对于同场降雨，5种土地利用/覆被情景下的洪水水文要素（洪峰流量、滞时）之间存在显著的定量关系。建设用地大大改变了洪峰形态，使流域原有的坦化洪水波形的能力降低，而林地则具有削减和延缓洪峰的作用。

[ 万荣荣, 杨桂山 . 流域土地利用/覆被对洪峰的影响研究: 以太湖上游西苕溪流域为例
自然资源学报, 2009,24(2):318-327.]

DOI:10.11849/zrzyxb.2009.02.017 Magsci [本文引用: 1]

Chen

Ying

, Xu

Youpeng

, Yin

Yixing

. Assessment of effects of land use changes on storm runoff generation: A case study of Xitiaoxi Basin
Scientia Geographica Sinica, 2009,29(1):117-123.

Magsci [本文引用: 1]

应用水文模型HEC-HMS模拟分析太湖上游西苕溪流域未来土地利用/覆盖变化对不同重现期暴雨下洪水过程的影响。结果表明,城市化进程中研究区土地利用变化将导致径流总量和洪峰流量增加,而建设用地扩展幅度则直接影响径流总量和洪峰流量增加的程度;同时发现,随着暴雨重现期的增加,研究区土地利用变化对洪水过程的影响逐渐减小;此外,研究区土地利用变化及其水文效应具有显著的空间差异性,以靠近城市中心的子流域响应最为显著。

[ 陈莹, 许有鹏, 尹义星 . 土地利用/覆被变化下的暴雨径流过程模拟分析: 以太湖上游西苕溪流域为例
地理科学, 2009,29(1):117-123.]

Magsci [本文引用: 1]

Parkinson

. Urban Stormwater Management in Developing Countries. UK: IWA Publishing, 2013.

[本文引用: 1]