基于元胞自动机模拟城市扩张下的绿色基础设施布局演变与内涝风险评估
——以武汉市为例

2020-11-12 03:25王雪原周燕禹佳宁
风景园林 2020年11期
关键词:雨洪调蓄内涝

王雪原 周燕 禹佳宁

1 研究背景

现阶段城市生产开发活动干扰强度高,建成规模扩张,引发了下垫面改变、水文循环破坏等问题。城市内涝不仅导致城市交通中断、公共设施损坏及各种次生灾害,其成因复杂性导致一系列的工程化内涝治理手段效率不高,而通过生态用地、城市绿地等空间规划手段提升城市雨洪调蓄能力,成为当前响应城市内涝的可持续方法[1-2]。因此,在不同用地类型博弈过程中满足发展用地需求的同时,保障核心城市雨洪调蓄功能空间具有重要意义。

绿色基础设施为多种生态过程发生的载体,保证城市的综合生态系统服务供给,在城市雨洪调蓄功能方面具有关键作用[3-4]。发展中的建设用地与绿色基础设施时空动态变化频繁,建设用地扩张使得城市绿色基础设施面积总量减少[5];空间侵占的分布情况不均衡且被侵占的绿色基础设施区域内部生态功能差异较大。如城市中心区被侵占的城市绿色基础设施在一定范围内具有关键生态作用。近郊区绿色基础设施因常发生较为活跃的用地类型置换,总量缩减较为迅速[6-7];城市绿色基础设施系统结构完整性与其生态系统功能发挥程度直接相关。城市生态学强调生态系统服务包括保证生物多样性、雨洪调蓄功能、作为城市潜在通风廊道等,而生态服务功能发挥要求城市绿色基础设施具有匹配生态过程的空间结构[8-11]。解析模拟城市增长与用地性质动态变化,在城市发展过程中保证绿色基础设施生态过程的结构完整性至关重要。

为更好地解析和模拟城市空间增长与用地博弈过程,领域内研究广泛使用土地利用变化模型模拟增长过程,如土地利用转化及其效应模型、大都市扩展模型、系统动力学模型等。元胞自动机(cellular automata, CA)模型是一种时空状态均离散、相互作用及因果关系皆为局部的网格动力学模型[3],作为基于栅格邻域关系的并类计算模型,适宜体现复杂系统下局部个体的行为模式,“自下而上”的思路使其在城市空间增长规律方面具备更好的描述能力。同时诸多研究基于CA模型引入新算法、挖掘模型转换规则、结合其他数学模型提高模拟精度,使其为空间规划提供可靠依据。

研究通过应用CA模型结合GIS平台,以城市空间建设现状及发展引导等因素为约束条件建立转换规则,模拟武汉市建成区扩张过程,根据绿色基础设施的被侵占状况,结合城市水文区位与雨洪调蓄功能,对城市绿色基础设施被侵占引起的内涝风险进行评估。

2 研究数据与方法

2.1 研究区域现状与数据处理

武汉属残丘性河湖冲积平原,拥有217.07 km2的建成区绿地和2 119 km2的水域,后者占据市域总面积的1/4,市域河流纵横交错,湖泊广布。武汉城镇化建设发展迅速,居民人口城市化率在80%以上。同时武汉存在较为严峻的内涝问题,2016年7月持续约1周的累计降水引起了城市的大面域积水,造成全市12区系统性受灾,在中心城区形成200处以上的渍水,机场高速发生不同程度的积水塌方,雨后仍有部分社区内涝滞水长达1周。基于以上2点,选择武汉市域来模拟城市扩张并评估其绿色基础设施侵占与内涝风险具有较高的可操作性,是探究绿色基础设施动态变化与城市雨洪调蓄功能机制的理想研究对象。

研究选用GDEMV2 10 m分辨率的武汉市数字高程;通过“LocaSpaceViewer三维数字地球”平台以及地理空间数云获取2009、2017、2019年的武汉市高清影像(表1);土地利用采用了基于Landsat 30 m遥感影像解译的武汉市域范围土地利用类型,基于LUCC分类系统,将土地利用类型归结为包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地在内的6个类型;城市发展、文化遗产与自然保护区、人口等相关信息获取于武汉市统计局。根据《武汉市排水防涝系统规划设计标准(2013)》,确定24 h暴雨强度取值(表2)、防涝标准(表3~4)。通过遥感影像解译提取河湖水系区域,根据《武汉市城市总体规划(2016—2030年)》确定交通路网信息以及基本农田保护区的范围。

2.2 绿色基础设施提取及分类

绿色基础设施是指由森林、湿地、动物栖息地、绿道、公园等维持原生物种、自然生态过程、保护空气和水资源以及提高人民生活质量的荒野和开敞空间所组成的相互连接的网络[12-14]。在ArcGIS10.3环境下处理武汉数字高程图、地形图、高分影像图,数字化土地利用现状以及各专题图件,参照全国《土地利用现状分类》标准,结合实际情况建立研究区域土地利用属性和专题信息数据库,并针对绿色基础设施进行大类提取,包括湖库河渠、非水面的绿色基础设施2部分,小类提取包括林地、草地、旱地、水田、湖泊、水道、湿地坑塘[15-16]。按以上分类方式解译遥感影像的各类用地信息,将用地类型数据及解译结果进行校合,进而整理为武汉市多属性矢量格式土地利用信息和各专题图空间分布信息。

表1 武汉市域遥感影像选择及信息Tab. 1 Selection and information of remote sensing images in Wuhan

表2 武汉市长历时暴雨强度Tab. 2 Long duration stormwater intensity in Wuhan

表3 武汉市积水程度分级标准Tab. 3 Classification standard for stagnant water in Wuhan

表4 武汉市防涝标准Tab. 4 Waterlogging prevention standard of Wuhan

表5 发展引导与空间控制约束条件指标体系Tab. 5 Development guidance and space control constraint index system

2.3 模拟城市扩张的元胞自动机模型构建

城市增长过程既受人为规划、空间开发的控制,又受城市发展与自然演化约束,研究分析综合约束条件作为转化规则模拟建成区扩张,对约束条件本身从空间复杂性角度进行解析,构建了发展引导约束条件、空间控制约束条件的综合CA模型[17],结合城市雨洪调蓄过程,评估在模拟的增长过程中绿色基础设施面临的被侵占风险与内涝风险。

2.3.1 发展引导约束条件规则

城镇增长潜力评价是宏观识别城镇发展方向和规模的重要依据,本研究选择与增长极(现建成区)的距离、与发展轴(交通基础设施)的距离、人口密度作为评价空间中某一地块开发潜力的主要因子[18]。利用层次分析法(AHP),建立层次结构模型,构建成对比较矩阵,计算组合权向量并做组合一致性检验,最后生成满足一致性检验的影响因子的权重(表5)。

2.3.2 空间控制约束条件规则

重要生态要素的敏感性约束分析是城镇空间增长的主要阻力条件。研究选取地形、河湖水系、土地利用现状、名胜古迹、基本农田等因子对武汉市的空间增长阻力进行定量评价,量化不同因子对于城镇扩张的影响程度。河湖水系、名胜古迹、基本农田因子以其欧氏距离对应的阻力程度划分为5级;地形因子参考《城乡规划法》中对于坡度的建设适宜性评价分级;土地利用性质则参考俞孔坚在构建生态安全格局时采用的最小阻力模型中的阻力打分[19]。同时借鉴生态学中“最小限制因子定律”采用取极值的方法进行约束,综合构建的指标体系如表5所示。

2.3.3 CA模型运算法则设定

研究依据该模型架构界定了武汉市不同用地性质的像素栅格元胞集合、建设用地与非建设用地二值状态、市域元胞空间边界、增长边缘邻域和基于邻近函数实现的转换规则5部分[3]。建设用地状态变化实质即用地的空间扩张表现为栅格值转变的过程。某一栅格在某一时段是否发生状态转换,由土地栅格的建设用地转换概率决定,转换概率根据预先设定的发展引导约束条件规则与空间控制约束条件规则综合计算,即非建设用地的转换强度由设定因子共同作用影响。

2.4 水文区位识别与雨洪调蓄功能评估

城市绿色基础设施因其覆被类型与区位特征不同而发挥不同程度的渗透、径流、汇流等雨洪调蓄功能,通过统计不同地表覆被状况确定绿地不同的渗透功能,通过水文区位识别及其重要性分析确定绿色基础设施能够发挥多大程度的径流与汇流功能。

水文区位识别过程运用ArcGIS和SCSCN模型。SCS-CN模型是由美国土壤保持局对极端降水天气导致的雨洪问题而设计开发的一种模拟洪峰和地表径流流量的方法[20-21]。运用ArcGIS水文分析工具分析其流向、流量、小流域单元划分等信息,针对各个小流域单元分别利用SCS-CN模型计算其在不同暴雨重现期下的雨水汇集体积,再结合表面体积法,根据给定体积及表面面积分析计算拟合高度,并分析汇水区位的重要性及集水潜力。识别不同等级的地表径流路线及河网径流空间,分析径流区位,将各小流域单元在不同暴雨重现期的水文区位进行叠加处理,结合城市土地利用状况评估绿色基础设施的雨洪调蓄功能。

表6 不同土地利用类型的径流系数取值Tab. 6 Runoff coefficient of different land-use types

表7 2009—2019年绿色基础设施面积变化Tab. 7 Change of green infrastructure area (2009-2019)

1 2009、2017、2019年绿色基础设施的景观时空动态变化Spatial and temporal changes of green infrastructure landscape in 2009, 2017 and 2019

SCS-CN模型的计算公式为:

其中,P为月降雨量,单位为mm;Q为月径流量,单位为mm;S为可能最大截留量,单位为mm,计算公式如下:

其中,CN为径流系数,参数如表6;使用等体积法逼近计算积水高度公式如下:

2 市域发展引导潜力分级Classification of guiding potential for urban development

式中,W为径流总量,单位为mm;A为淹没区域的面积,单位为m2;EW(x,y)为积水高度,单位为m;Eg(x,y)为地面高程,单位为m;dδ为淹没单元面积,单位为m2。

3 绿色基础设施扩张模拟过程及被侵占引起内涝风险解析

3.1 绿色基础设施的提取结果

遥感影像的应用发展为绿色基础设施解译其时空动态变化提供了较好的技术支持:绿色基础设施要求完整的结构,因此研究首先确定其分类组构,建立完整的图斑,解译后基本像元的精度为30 m,并通过3个年度的序列来表示整个武汉市的绿色基础设施10年间的变化强度,侧面印证了未来一段时间用地将发生一定强度的动态变化。其次,绿色基础设施的不同季节性变化带来信息差异,旱地水田也因耕收等生产活动影响存在不同状态的地表覆被特征,因此在解译过程中对其着重进行补充辨识校正。得到解译后的绿色基础设施现状及其10年间的动态变化结果(图1,表7)。

3.2 城市扩张模拟过程

在构建模拟城市扩张的元胞自动机模型的过程中,对影响城镇建设用地增长的发展引导约束条件与空间控制约束条件2方面因素进行解析,形成能够表征用地转换概率的运算规则。通过发展引导潜力综合结果(图2)分析表明武汉市的市中心核心增长潜力非常显著,距市中心及主要道路较近的地区增长潜力较大。基于生态建设适宜性的体系架构及赋值标准,利用ArcGIS10.3平台分别对限制约束城市空间增长的生态因素进行分析,得到各因子的限制约束条件分级图层。综合叠加各层级的评价要素,绘制城市空间增长阻力的评价图(图3)。在城镇扩张潜力与阻力评估的基础上,综合确定用地由非建设用地转化为建设用地的概率,通过多次迭代并加入正态分布的随机性来模拟城市扩张的趋势,元胞演进的结果如图4。

3 市域综合城镇空间增长阻力评价Evaluation of the resistance of comprehensive urban spatial growth

4 基于CA模型的武市汉城市扩张的趋势模拟结果Simulation results of Wuhan expansion based on the CA model

5 CA扩张模拟下的绿色基础设施被侵占风险分级Risk classification of green infrastructure occupation based on CA model to simulate expansion

表8 侵占风险区中不同类型的绿色基础设施被侵占状况Tab. 8 The occupation status of various green infrastructure in the occupation risk zone

3.3 城市绿色基础设施被侵占引起的内涝风险评估

绿色基础设施是保护土地资源和控制城市蔓延的开放空间网络,代表着一种新的精明保护思想。在武汉新一轮总规修编中,人口专题研究担纲者冯健采用多种预测模型对户籍人口和流动人口、主城区人口和新城区人口分别进行预测,预测结果显示2030年总人口将达到1 720万人,而人口增长亦将伴随用地需求增长[22]。武汉市建设用地增长在未来一段时间内持续发生且难以避免,将对耕地、水田、林地、草地等不同类型绿色基础设施产生侵占影响。研究发现在发展密度较高的核心区域、靠近建成区以及交通路线的绿色基础设施被侵占的风险较高。将模拟得到的城市扩张结果与现状城市绿色基础设施进行叠合,得到在城市扩张中易被侵占的绿色基础设施区域并识别其不同类型的面域范围(表8)。

统计表明在城市扩张的过程中旱地最易被侵占,其具有较高生产作用,同时作为绿色基础设施存在于城市广域基底中;其他类型的绿色基础设施亦存在不同程度的被侵占状况;水田同样是较易被侵占的地类,因其具有相对较长时间的持水保水能力,在城镇建设过程中应得到合理的把控,是城市重要的水文过程发生空间;林地与其他类型的绿色基础设施相比,能够提供更为丰富的生态服务功能,具有较高的立体绿量,因此应得到更高级别的保护[23]。根据城市扩张的模拟结果,对易被侵占的绿色基础设施进行了风险等级分级(图5),识别在建设用地发展的过程中最先受到影响的绿色基础设施所在。

根据城市水文区位识别结果分析得到武汉市内较易发生积水与汇流的区域及积水高度(图6)。在该范围内的绿色基础设施因其相对高程较低,在具备渗透导流功能的同时能够较长时间持水蓄水,作为城市水文过程中汇水的适宜终点,分担其周边小流域单元内雨水汇集压力,对城市雨洪调蓄功能发挥起着至关重要的作用。将其与扩张模拟过程中易被侵占的绿色基础设施叠合,识别侵占发生后更容易产生积水内涝的区域,并据其内涝风险强度进行分级(图7)。

研究将易被侵占的绿色基础设施内涝风险区划分为4个等级,高风险等级的绿色基础设施亦是高效发挥雨洪调蓄功能的区位所在,这些区域内的绿色基础设施在城市雨洪调蓄过程中尤为重要,被侵占后最易产生积水内涝。在未来的建设过程中应基于对武汉市城市扩张与绿色基础设施演变趋势进行分析,加强对绿色基础设施布局的控制引导,加强易侵占绿色基础设施内涝风险区域的重点防护把控。

4 研究结论

4.1 绿色基础设施演变及内涝风险评估分析

景观结构中存在关键区域对景观过程的发生起核心作用,建设用地增长过程中亦应注重不同区位的绿色基础设施的侵占风险水平[24]。绿色基础设施是城市雨洪调蓄功能发挥的核心载体,区位与类型的差异性决定了其在城市水文过程中承担的作用,因其被侵占导致相对应的水文过程遭到破坏,城市调蓄能力减弱,内涝风险增加。

研究表明:1)武汉绿色基础设施因其覆被属性具有不同程度的下渗功能,如薛家咀库区、东西湖农业用地区等,能够吸纳雨水,作为下渗空间,在受到侵占时系统雨洪调蓄功能减弱从而增加内涝风险。2)位于汇水空间的城市绿色基础设施,在其小流域单元内高程较低,当下渗功能达到饱和时,作为汇水终端具有盛水作用,能够较大程度地分担其所在单元内的雨洪调蓄压力。该类区域绿色基础设施如武湖、汤逊湖边缘被侵占后城市调蓄功能大幅度减弱,雨水无法汇集,将溢流至其他土地利用性质的地表上,引起不具备持水功能的用地类型如居住用地、道路用地等长期淹水,造成经济损失,加重内涝风险。3)位于径流线的绿色基础设施如姚集镇到木兰草原风景区附近的径流通道,被侵占后雨水将沿道路等向低处汇集,流量加大、洪峰提前、加快内涝形成,且易造成面源污染等问题。保障该区位城市绿色基础设施,提供雨水产流后流向低势汇水空间的自然径流路径,能够减缓流速、减弱峰值,在一定程度上过滤净化雨水。

6 武汉市域部分内涝风险区积水高度示例Examples of height of stagnant water in some waterlogging risk areas of Wuhan

7 易被侵占的绿色基础设施内涝风险等级Waterlogging risk levels of vulnerable green infrastructure

绿色基础设施的关键结构性区域被侵占将对整体雨洪调蓄功能产生重要影响,应根据绿色基础设施在系统结构中的重要作用、风险等级以及自身敏感性的综合作用进行分级,予以不同形式、不同强制力度的保护策略实施。

4.2 内涝风险评估下绿色基础设施布局引导

以武汉市域为研究范围,提取现状绿色基础设施,从雨洪调蓄功能的视角来寻找在城市扩张过程中易被侵占的绿色基础设施关键区域。这些区域最能够发挥雨洪调蓄功能并迫切地需要被保护。研究根据易被侵占绿色基础设施的内涝风险程度,划定不同级别的管控区域,根据管控区域的区位特征、生态本底条件、已有建设用地特征、城市发展战略要求[25],对其生态保护和建设开发等方面制定具体的对策措施,规划不同强度的保护策略。

高风险等级保护区域如滠水流域、沙湖周边等,应有强制性的限制建设措施。各层级各部门应当以保护利用为原则,提供资金与政策支持,坚决禁止在重要性区域开发破坏自然生态稳定的项目。作为水文过程发生的关键承载空间,一旦被不合理开发,将成为孕灾环境,影响更大范围,因此规划应明确其中禁止或限制布局的空间区位以及禁止或兼容的用地类型和项目类型。

中低风险等级保护区域,如江城大道立交桥附近等,部分居住、商业、工业用地应结合实际特征从低影响开发、限制资源占用、复合功能集约发展3个方面提出限制、引导要求,明确开发模式,健全补偿机制。设置相关激励政策与机制,给予一定的补偿与奖励,鼓励社会群体积极投入到绿色基础设施的保护与管理实践中[26],鼓励土地使用权相关利益者加入保障建设用地存量发展、保障绿量的具体工作中,达到保护绿色基础设施的目的。

在宏观上城市绿色基础设施的布设应匹配整体的水文过程区位,承载汇水与蓄水过程的空间如梁子湖西侧部分农林用地应避免建设用地侵占的表面硬质化,促进城市绿色基础设施完善自身结构,发挥渗透、滞留、调蓄等作用。这一过程要求高度的前瞻性,且其布局控制应与城市在编的相关规划充分协调对接。在微观设施建设上,不仅要达到径流控制量等指标要求,同时也要完成功能适宜要求,避免出现部分城市道路中的附属绿地高于周边地表、雨水篦子垂直布设等现象,使其无法充分达到渗透及汇水效率。

5 总结与讨论

解析在城市扩张中绿色基础设施被侵占引起的内涝风险,对于绿色基础设施格局优化及内涝的空间调控策略研究具有重要意义。研究通过3S技术结合建成区土地利用现状对武汉市域内的绿色基础设施分布情况进行了提取、校正与解析;通过应用CA模型结合GIS平台,预测城市建设用地的扩张情况,识别城市水文区位及调蓄作用发挥的关键区域,将其与城市扩张结果进行空间叠置分析,得到在城市扩张中较易被侵占的绿色基础设施区域,并据其调蓄作用差异划分了被侵占内涝风险等级。研究表明:武汉市总体绿色本底较好、绿量充足,但不同区域的绿色基础设施分布及其雨洪调蓄功能差异性较大,其中最容易被侵占的为非永久保护农田中的旱地,其次为水田;绿色基础设施的被侵占程度与周边建设强度显著相关;内涝风险与侵占发生区域的水文承担作用显著相关。研究城市发展、用地性质调整过程中的结构变化对于武汉市的雨洪调蓄功能提升、内涝防治具有参考价值。在未来研究中应深入探讨以下问题。

1)城市绿色基础设施具有提供丰富的生态系统服务的潜力,发挥这些生态服务功能的前提是需要构建能够承载完整生态过程的绿色基础设施系统结构。在该理念下,本研究的核心是将城市建设扩张的需求与雨洪调蓄目标进行整合,以缓解城市内涝为出发点,通过上述方式判断在城市扩张的过程中,哪些具有被侵占风险的绿色基础设施作为提供调蓄过程的关键区域更应该被优先保护。而建立多目标的绿色基础设施评估模型及规划方法,则需要综合研究更多复杂的生态过程所赋予的空间结构限制。

2)研究采用了CA模型与GIS平台相结合的方法,GIS平台为CA模型准备数据集、定义元胞转换规则、可视化模拟结果,其模拟过程及数据条件符合“自上而下”CA模型原理以及其固有的高度动态性、平行计算能力及空间概念等特性[3,12]。在模拟过程中选择空间影响要素来作为约束条件,通过整合城镇建设用地增长的发展引导约束条件与空间控制约束条件作为运算规则计算转换概率,该过程能够在一定程度上体现城市扩张的变化趋势,但在要素选择过程中,部分影响因子例如政策决策行为、社会导向、人文因素等未纳入约束条件当中,克服该局限性须进一步认知人文因素影响下复杂城市系统演化的机制与规则,提高模拟的可靠性与准确度。

图表来源(Sources of Figures and Tables):

图1~7由作者绘制;表1、5、7~8由作者绘制;表2~4根据《武汉市排水防涝系统规划设计标(2013)》绘制;表6根据《室外排水设计规范GB 50014 2006》绘制。

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