闽三角城市群洪涝灾害风险分区及规划策略探讨

王倩雯

曾 坚*

赵广宇

近年来，中国经济和城市化水平稳步提升，经济、人口、资源高度集聚，城市区域联系紧密的城市群将成为带动我国经济社会转型的“增长极”和区域发展的战略引擎[1]。但随着全球经济一体化和我国城市化进程的提速换挡，城市群战略地位大幅提升，其资源流动的强度导致国土开发压力增大，区域生态服务能力下降，供给缺口骤增[2]，加上极端天气事件频发，为城市可持续发展带来挑战。因此，针对城市群城市化特征及灾害风险格局的分区规划治理，对实现区域稳定、土地资源可持续和保障健康安全的人居环境具有重要意义。

灾害风险分区研究是灾害风险防控的决策基础，2000年以来，我国福州[3]、重庆[4]、杭州[5]、广州[6]、深圳[7]等地均陆续展开了洪涝灾害综合风险区划工作，但目前针对洪涝灾害分区研究大多基于风险等级评估或灾害特性进行，在城市化进程对灾害的影响方面存在特定的研究缺口，规划防控手段缺乏对城市资源条件和区域系统性特征的考量。技术方法上，结合地理信息、遥感技术和计量学的地图代数功能与综合指数法，从气象学、地理学、环境学和灾害学领域对风险进行计算评价，但部分方法数据要求苛刻，需要人工干预计算，导致主观依赖性强[8]，尝试使用多智能体或机器学习方法对流域洪涝灾害风险进行评判和预测成为灾害风险评估的新趋势[9]。但研究尺度相对较小，研究结论大多停留在以风险得分为主导的风险评价分区层面，未进行更为深入的空间格局规律探讨，在构建地域性流域适灾韧性策略时存在局限性。

鉴于此，以资源高度聚集、洪涝灾害频发、流域“自然-社会”二元水循环失衡、自然生态系统供需关系矛盾突出的闽三角城市群为研究对象，基于多源数据构建BP(Back-Propagation)神经网络对闽三角城市群洪涝灾害风险空间格局进行精细化辨识，结合区域城市化特征分布，探讨城市化与洪涝灾害的系统耦合、空间作用和风险主控效应，根据城市化背景下灾害风险的空间分异及内在驱动力对闽三角城市群洪涝灾害风险进行分区规划策略探讨，旨在扩展神经网络算法在自然灾害风险防控和平衡生态系统供需关系领域的应用，并为保障闽三角地区国民生命财产及生态安全可持续提供科学依据。

1 区域概况与研究方法

1.1 区域概况

闽三角地区位于中国福建省东南海岸，由厦门市、泉州市和漳州市所辖区县构成，是中国沿海经济开放区和正崛起三大特色经济群落之一。

1.2 研究方法

1.2.1 数据处理

1)城市化数据。

社会经济城市化主要由人口、经济和服务3类14项代表性指标反映[10-11](表1)，整理闽三角各区县2017年相关数据，通过主成分分析法，将各项指标进行降维处理。土地城市化采用通过卫星图像、开放街道地图、夜间灯光、POI和腾讯社交大数据等辅助数据计算评估获得的2010—2017年土地利用数据[12]。

表1 社会经济城市化评价指标体系

2)暴雨洪涝灾害风险数据。

参考前人对洪涝灾害风险评价的研究[9，13]及闽三角气候与水文环境，构建洪涝灾害风险“3种关系-2类特征-20项指标”的评价体系[14]。3种关系指洪涝灾害系统包含的致灾因子、孕灾环境和承灾体，由于致灾因子和孕灾环境多由自然要素决定，而承灾体多体现人为因素及灾损效应，因此将20项指标分为自然和人为因素主导的风险特征分别进行处理。

1.2.2 主要研究方法

1)闽三角风险格局识别：BP神经网络风险识别模型。

BP神经网络作为人工神经网络算法较成熟的一种，是应用于水文预测的神经网络中最有效、最活跃的方法之一[15]，通过平行分散处理模式对源数据学习训练，对误差进行反向传播修正，用于对闽三角洪涝灾害风险各类特征值进行低误差辨识[14]。首先，参考已有洪涝灾害领域的专项研究、闽三角地域性指标要求、历史受灾事件统计，归纳适用于该地区的风险阈值区间作为设置风险等级初始值的标准之一；其次，“自然间断点分级法”会在数据集差异相对较大的位置设置边界，使各类之间的差异最大化[16]，结合文献检索阈值和自然间断点分级法阈值划分标准，将灾害风险分为5级，Ⅰ～Ⅴ级分别代表风险等级为从安全至危险。以MATLAB软件中提供的神经网络工具箱为基础，编制网络训练、测试代码。根据经验公式确定隐含层节点个数，建立一个隐含层的3层洪涝灾害风险分类识别的BP神经网络拓扑结构。通过误差反向传播、权值和阈值的调整，缩小网络误差，提升网络性能。经计算，总准确率为94%，辨识精度较高，网络性能良好。

2)系统耦合效应：耦合度测量模型。

城市化过程与洪涝灾害存在相互胁迫的耦合关系，因此参考已有研究成果[17-18]，构建用于判断城市化对洪涝灾害风险影响深度和广度的耦合度测量模型。

3)空间作用效应：空间自相关模型。

基于Moran'sI指数判断闽三角洪涝灾害风险的空间自相关格局，以探究流域风险的空间规律。

4)风险主控效应：熵权法。

熵权法通过评估每项指标的信息熵差异来描述变量的重要程度，用于识别各指标对风险的贡献。提取综合风险判断结果中为Ⅴ级风险的栅格点，并根据栅格聚集的区位条件进行分组计算，以判断不同区位条件下高风险区的主控驱动因素。

计算过程由于篇幅限制不再赘述。

2 闽三角城市化与洪涝灾害风险空间格局分析

2.1 闽三角城市化空间格局

2.1.1 社会经济城市化

社会经济城市化水平用于体现人口和经济聚集情况及城市发展质量。根据计算结果中各项主成分负荷较大的因子内容，将社会经济城市化归纳为综合水平、产业发展效率、公共服务能力和城市发展潜力4个部分。市域尺度上，厦门和泉州社会经济城市化水平领先于漳州；区县尺度上，由于城市发展基础、产业发展功能不同，中心城区和部分沿海县级市的城市化综合水平明显高于西部山区，城市发展潜力地区主要集中在厦门湾区附近。

2.1.2 土地城市化

土地城市化表达了城市化过程中土地条件和性质的转化过程[19]。研究以2010—2017年土地利用数据为基础，引入土地利用扩张强度指数[20]来表征闽三角地区土地城市化特征。结果表明，近年用地扩张增量比较集中，主要分布在厦门湾区和北部沿海地区，但用地扩张强度分布较为分散，除了分布于晋江和九龙江中下游外，南部沿海部分地区也属于扩张高强度区。

2.2 闽三角洪涝灾害风险格局

将自然类和人为类风险结果进行叠加计算，生成综合风险空间分布图。同时，整理1950—2000年历史文献中该地区暴雨洪涝灾害的相关记录[21]，并随机选取高风险集中的晋江下游地区作为验证节点，爬取2017年政府网页、新闻报道、微博文本等相关受灾大数据位置信息，通过计算受灾点核密度分布情况，验证风险辨识结果可靠性(图1)。结果显示，历史记载受灾区域与本研究识别出的高风险区位基本一致；灾害高频分布和局部高风险区灾害核密度空间分布情况与风险辨识结果基本吻合，证明基于BP神经网络的风险辨识结果具有可靠性。综合风险高值集中在流域中下游和城市滨海湾区附近，流域上游、山区和农村等城市化水平低的地区风险较低。

图1 综合风险分布及结果验证

3 城市化下闽三角洪涝灾害风险特征

3.1 系统耦合效应

参考已有研究对耦合度的划分标准[22]，将本研究系统耦合效应划分为高耦合型、中高耦合型、中低耦合型和低耦合型。经计算，闽三角高风险区城市化与灾害系统耦合效应分别对应3种类型特性(表2)。

表2 灾害与城市化系统耦合度类型划分[22]

3.2 空间作用效应

3.2.1 社会经济城市化对灾害空间影响效应

提取综合城市化水平和城市化潜力结果，并根据各区县计算得分进行象限分布；将洪涝灾害的7个高风险点在象限分布图中进行标注，发现高风险区在社会经济城市化水平上按照城市中心区-县级市城区-县城区3类级别规律分布(图2)。

图2 社会经济城市化水平与风险关系分类

第一类以厦门集美区和泉州鲤城区为代表，分布第一象限，城市化水平和城市化潜力均为高值，风险原因是资源高度聚集，城市脆弱性较强，对工程措施依赖；第二类以泉州晋江市、石狮市为代表，分布第二象限，城市化水平高，但城市化潜力为低值，城市化水平提高以牺牲潜力为代价，社会经济资源聚集，脆弱性强，适灾力弱；第三类以漳州云霄县、漳浦县、诏安县为代表，分布第、三四象限，城市化水平和城市化潜力均为中低值，高风险原因主要为极端气候和孕灾环境高风险性的作用，同时也存在空间资源使用粗放、基础设施欠账多的间接原因，导致适灾能力弱。

3.2.2 土地城市化对灾害空间影响效应

对土地扩张强度指数和风险值进行双变量空间自相关分析，Moran'I为0.145，P值小于0.05，数据置信度较高，可见洪涝灾害风险与土地扩展指数存在显著的聚类和空间正相关趋势(图3)。高-高集聚区主要分布在晋江入海口、厦门湾区、九龙江下游及南部沿海地区，这些地区大多为城市建成区、区域战略发展核心区，因此，闽三角高度城市化、快速城市化地区与高风险地区具有一定重合性。城市化质量的提高有助于推进气候适应性设计和城市韧性能力提升，从而缓解洪涝灾害风险[23]，但从结果看来，闽三角地区的城市扩张强度与城市化的质量并不匹配。

图3 土地城市化水平与风险空间自相关

3.3 风险主控效应

整体贡献规律表明(图4)，自然类指标贡献率差异较大，降雨强度、地理环境决定的淹没范围和河流缓冲的总贡献率具有压倒性强度，其次为地形与地表相关因素。极端降雨情况贡献率较小，结合对极端降雨强度的统计可以看出，极端降雨的强度和频率虽是闽三角洪涝灾害风险的主要来源之一，但在闽三角流域覆盖范围广泛，由该因素决定的不同地区风险值差异较小。人为类指标贡献率差异相对较小，贡献率较为突出的为生态服务价值，形成该结果的原因是高风险点城市化水平均处于中高水平城镇地区，灾害带来的风险差异多由城市生态服务供给条件决定，以城市非环境友好产业与基础设施承接的区域为代表，潜在生态服务斑块与供需网络在经济增长的过程中遭到侵扰破坏[24]，削弱区域灾害韧性调控能力。

图4 贡献率计算结果

4 城市化下闽三角洪涝灾害分区规划应对策略

国际洪涝灾害规划管理应对策略可归纳为“源头控制”和“下游控制”2项核心内容[25]，将城市空间、防洪工程和绿色基础设施等进行有机结合，在技术应用层面具有一定普适性和可操作性。但据前文研究显示，洪涝灾害形成机制复杂，城市化对洪涝灾害的影响具有双向性和空间异质性，因此根据对城市化系统、洪涝灾害系统的量化分析及影响效应特征判断，构建闽三角城市群洪涝灾害分区规划策略框架(图5)。

图5 闽三角城市群洪涝灾害分区规划策略框架

4.1 辨异识重：不同分区的差异化引导

根据城市化对洪涝灾害的作用效应分析，可将闽三角灾害高风险区分为3类，不同分区的特征决定了规划管理措施的重点方向。

1)厦门市集美区为主的正向作用区。该区城市化水平较高，城市化与灾害系统耦合特征较为显著，风险点多为随机点状分布，没有明显的空间相关性。区域内主要点状风险斑块的产生大多由于局部工程设施缺陷或经济人口水平高度密集形成的高脆弱性，但高度城市化水平带来更完备的蓝、绿、灰色设施联动体系和精细化的城市布局，对抑制灾害风险起到正向作用。由于资源聚集，应以提升城市韧性为重点，通过构建完善的智慧监测、预警网络及系统的避灾设施，提高城市对灾害的适应能力和灾害情境下城市运作效率，完成从防洪到洪涝风险管理的转变。

2)漳州和泉州中心城区为主的双向作用区。该区系统耦合特征水平高，风险空间分布呈现“局部随机-邻域集聚”的特征。城市化进程不仅对灾害存在抑制性，同时该区域快速城市化潜在特征也存在加剧灾害发生的风险，是灾害防控与城市发展博弈的敏感区域。双向作用区大多为城市战略核心发展区，而这类区域往往为发展潜能与灾害高风险并存，因此对于此类区域，应以平衡城市化发展和风险矛盾为重点，评估灾害治理与经济价值的投入成本，合理控制不同风险等级城市空间的容纳能力，并将防灾减灾配套设施的规模预测与城市建设同步进行。

3)漳州泛东山湾的云霄、诏安、漳浦城镇组团负向作用区。由于整体城市化水平相对较低，城市空间积聚资源强度与其发展质量不成正比，除自然因素形成的灾害外，城市建设粗放，不连贯的城市防洪减灾工程措施和缺失的防洪管理干预不能满足缓解灾害的需求，因此应发挥后发优势，完善防御工程，将风险管理和流域综合治理作为城市发展的有机组成部分和缓解灾害的关键工具。

4.2 协调衔接：搭建跨城市的绿色基础设施网络和灾害风险管理体系

虽然不同城市化水平对灾害影响效应存在差异，但是根据空间作用效应分析结果来看，灾害并不完全由独立的局部条件决定，而是由一定范围内系统性影响造成，而这种影响并非以刚性的行政边界为界限。目前，大多洪涝灾害防控规划以行政界限为规划单位进行组织，缺乏系统性思维和区域管理有机融合，制约灾害防控规划措施能效发挥。因此，合理的规划单元制定和有效的合作机制意义重大。

根据灾害风险特征和效应分析结果，灾害防控规划应进行“城市群(城市化维度)流域(洪涝灾害维度)区级”调整，加强“交互式”治理，研究跨城市的适灾韧性绿色基础设施网络和防灾功能布局的协作分工模式。结合闽三角地区山海资源丰富、社会资源集中的特点，绿色基础设施网络应集成区域生态通道(生态因素)和潜在疏散通道(社会因素)进行搭建：使生态属性和社会属性的集成网络作为兼顾防灾和疏散的高效资源，并根据不同尺度的防灾重点进行，使以行政区划为防灾单元的“局域网”转型为以流域为单元的“万维网”。

4.3 博弈权衡：强化主动与被动结合的“生态-社会”平衡机制

从风险主控效应计算结果来看，闽三角地区高风险主控因子主要分为3类：1)地理和气候条件；2)地表覆盖条件；3)经济发展水平。第一类和第二类反映了城市化过程的主动性选择，即人类社会活动对抗自然力的能力；第三类反映了被动性选择，即社会经济资源条件暴露在灾害中的脆弱性。缓解城市洪涝灾害风险从一定程度上是对这主动性和被动性的权衡决策。基于分析，构建灾害和社会经济适应性类型体系，不同类型灾害防控系统由自然条件和社会经济需求间的联系来介导。

生态和社会经济系统都有充足转型机会的有2种类型：对于社会经济资源充足、灾害风险体系相对完备的正向作用区，自然条件的干扰是城市韧性变革的机遇。在这种干扰下，应将生态系统作为城市韧性的实体，加强居民物质需求和自然资源的互动融合，优化城市空间形态，构建适应未来气候的城市-生态协调群落；对于社会系统和基础设施较弱、适应气候变化能力缺乏、城市化进程后滞的负向作用区，应针对灾害防控工作的痛点，采取“监测、评估、标准、规划”的工作链条，制定标准、系统规划、分期实施，保证建成区的灾害适应性能力，避免由于建设时序不同而导致城市灾害适应力不均衡，以及因自然资源破碎、分配不均造成整体风险防控效率下降。在社会经济适应力弱、转型条件不完备，且自然条件对城市发展具有高风险性(即“破坏性生态”)的类型，如双向作用区，除了立足湾区战略目标、完善基础设施框架之外，还需要根据灾害条件移动社区子集、评估城市扩张选址的经济效益，进行重大的主动性治理变更。

5 结语

城市化进程是引发灾害的重要人为扰动之一，如何在满足城市发展的需求下有效提高城市防灾减灾措施的效率，形成可持续的“城水共存”是城市规划模式研究的重要议题[26]。研究通过识别区域城市化与灾害风险空间分布格局及城市化进程中的灾害响应，对闽三角地区洪涝灾害风险特征进行系统辨异，根据分析框架指导区域及不同分区的灾害风险规划管理决策，保障区域灾害风险治理效率及城市群稳定可持续发展。但是，对于区域适灾韧性的构建不可缺少对城市维度、社区维度及基础设施维度等工程或非工程举措的考量，如何构建“宏观-中观-微观”全尺度的灾害治理规划响应机制，仍需要进一步探讨。

注：文中图片均由作者绘制。