厦门土地利用演变与雨涝灾害耦合分析及规划响应研究

程丽颖，曾 坚

(成都市规划设计研究院，成都 610041)

引 言

近年来，随着全球气候变化加剧，暴雨极端天气事件发生频率增加，其中突发性降雨引发的雨涝灾害日趋严重，给人们生命财产构成了极大威胁[1]。城市雨涝灾害是由于强降水或连续性降水，使得地表径流量超过城市排水能力从而产生的灾害。因而地表径流的增大，会加重城市雨水排放系统的流量负荷，增加城市对地表径流的调控难度，加大暴雨内涝灾害风险。

目前研究已充分证明土地利用变化对地表径流存在较大影响，但较少深入分析不同土地类型对地表产流的贡献，同时大多研究集中在水文学领域，较少从城乡规划视角切入进行分析研究，从而难以形成有效指导城乡建设发展的响应决策。本文以厦门市为研究对象，以地表径流为雨涝灾害切入点，结合GIS与SCS-CN模型分析快速城镇化过程中土地利用变化对地表径流的影响，探索各类土地利用性质与地表径流的关系，从而从城乡用地格局、城市基础设施以及行政管理等方面提出径流控制对策，为日后城市雨涝防控规划提供科学依据和理论支持。

1 研究地点

由于全国年均降雨量空间分布的总趋势是从东南沿海向西北内陆递减(图1)，以厦门为代表的东南沿海地区年降水量为2 000～3 150mm，其迎接暴雨、大暴雨以及特大暴雨的频次较大，面临城市暴雨内涝灾害的风险也最突出。

其次厦门是我国改革开放和两岸合作的窗口，在“一带一路”和“金砖”合作中都具有举足轻重的重要地位，城镇化率从1984年的36.97%径直增长为2017年的89%，增速远高于全国平均水平(图2)，是全国具有代表性的快速城镇化城市之一。

随着厦门城镇化的高速发展，厦门城市暴雨内涝灾害也越发频繁。过去30年间厦门共遭遇暴雨119次暴雨，平均每年城市要面临4次暴雨内涝考验(表1)，造成较大经济损失。

因而本文以厦门市为研究区域。对其进行土地利用变化与暴雨地表径流的研究具有一定必要性、代表性和典型性。

图1 2018年全国降水量实况图Fig.1 National Precipitation in 2018

图2 1984～2017年厦门与全国城镇化率增长Fig.2 The increase of urbanization rate of Xiamen and China from 1984

表1 厦门市1998～2018年暴雨情况统计表Tab.1 Statistical table of rainstorm in Xiamen City from 1998 to 2018

2 数据来源与模拟

2.1 土地利用数据

选取1990、2000、2010以及2017年植被旺盛且含云量少于10%的Landsat卫星遥感数据(表2)。

表2 厦门市1998～2018年暴雨情况统计表Tab.2 Statistical table of rainstorm in Xiamen City from 1998 to 2018 (m)

土地利用数据的获取通过ArcGIS软件操作完成，依据《土地利用现状分类》国家标准和研究需要，将研究区内用地划分为建设用地、农村居民点、耕地、林地、草地、水域、湿地7大类。

2.2 地表径流模拟

2.2.1 SCS-CN模型

本文选用美国SCS-CN流域水文数字模型进行地表径流模拟，SCS模型的最终表达式为[2]：

其中，Q代表地表径流量(mm)，P代表一次降雨的总降雨量(mm)，径流产生前潜在最大滞留量(S)受土壤、地表植被覆盖等因素影响，为计算S引入参数CN，即[2]：

CN是一个无量纲参数，是综合反应土壤类型、土地利用现状、土壤前期湿度的指标值，理论取值范围在0～100之间。为便于计算依据经验，按照土壤渗水率将土壤分为A、B、C、D 4类，可通过表3获取CN值[3～5]。

表3 厦门市SCS模型CN值(AMCII)Tab.3 CN value of Xiamen SCS model (AMCII)

2.2.2 地表径流模拟

运用GIS工具对来自中国科学院南京土壤研究所的《土壤类型图》按照不同透水率分为ABCD四类，并进行整合；再将已整理好的土地利用类型矢量图与土壤类型矢量图在GIS中进行叠加分析，参照表4得到每种土地利用类型的CN值并将其赋值给每个栅格；最后利用SCS-CN公式，求出每个栅格对应地表流量，生成地表径流量分布图，各栅格数据汇总可得地表径流量总数据。

本次模拟对4种土地利用情况(1990，2000，2010和2017年)和3种降雨情景共12种组合情况进行了模拟，其中降雨情景数据来自厦门气象局不同重现期的极端降雨量(表4)。

表4 厦门市24h极端降雨量统计表Tab.4 Statistical table of 24-hour extreme rainfall in Xiamen City (mm)

3 数据结果与分析

3.1 厦门市土地利用演变情况分析

3.1.1 城市建设用地大幅增长

由图3可看出，厦门市1990～2017年间随着经济的发展，城市建设用地经历了较为明显的增长过程，扩张基本可以分为1990～2000年“本岛发展”、2000～2010年“岛外拓展”，2010～至今“海湾转型”3大阶段。

“本岛发展”阶段，年均以6.2km2的面积进行扩张，厦门本岛内城市扩张最为明显；“岛外拓展”阶段，厦门年均建设用地增长17.4km2，厦门岛内对仅存的未开发用地展开了填充式建设，至此厦门本岛内建设已基本处于饱和状态；“海湾转型”阶段，年均城市建设用地增长12.8km2，厦门快速城镇化建设重点转向岛外。

图3 1990～2017厦门市土地利用图Fig.3 Land use map of Xiamen City from 1990 to 2017

3.1.2 耕地及生态用地面积大幅减少

土地利用变化上，厦门自1990年起年均向外扩张15.8km2，对城市周围耕地、林地、草地、水域等用地占用明显(图4,表5)。其中耕地面积剧烈减少从663.2km2减少至439.2 km2，总共减少了33.7%，林地和水域面积也受到较大影响，分别减少了41.1 km2、61.33 km2。

“本岛发展”阶段，城市扩张对耕地和林地占用明显，耕地面积减少最为突出达51.9 km2；“岛外拓展”时期耕地面积减少达到历史高峰113.2 km2，滨海湿地面积减少率最高达49.2%；“海湾转型”阶段耕地面积减少呈现缓和趋势，仅为67 km2，而滨海湿地减少率达到历史顶峰为84.6%[6]。

图4 1990～2017年土地利用变化情况Fig.4 Land use change from 1990 to 2017

表5 1990～2017年厦门市土地利用动态变化Tab.5 Dynamic change of land use in Xiamen City from 1990 to 2017

3.2 厦门雨涝地表径流变化情况分析

3.2.1 地表径流总量增加

1990～2017年随着厦门快速城镇化土地利用变化过程，厦门在两年一遇、五年一遇和五十年一遇降雨强度下，地表径流总量均呈现增长趋势，且随着时间推移增长越发明显(表6)。以5年一遇情景为例，1990～2017年总地表径流量增长量为7.64mm，是1990～2010年增长量的1.6倍，是1990～2000年增长量的5.16倍。地表径流总量的增大，反映出厦门市当下快速城镇化建设过程土地利用的改变加大了城市排水压力和内涝危险，给城市安全带来不可忽视的威胁。

表6 1990～2017年厦门市地表径流总量Tab.6 Total surface runoff in Xiamen from 1990 to 2017 (mm)

3.2.2 产流高值区与建设用地分布呈现一致性

如图5所示，为方便分析比较选取P=50a情景下的地表产流情况为分析对象，并对其进行了归一化处理，并分为5类。

由图5可知，从1990～2017年厦门市地表产流量变化明显，产流高值区整体呈现扩散趋势：1990年集中在厦门岛西南部、思明区附近和岛外杏林湾附近；2000年产流高值区在厦门岛内明显增多，尤其是厦门岛北部地区变化显著；2010年产流高值区基本覆盖厦门本岛，并沿海湾呈现蔓延趋势；2017年厦门本岛全域呈现为径流高值区，岛外部分海沧区和集美区南部及滨海地段高值区增加明显[7-9]。

图5 厦门市P=50a 情景下地表产流分布图Fig.5 P=50a distribution map of surface runoff in Xiamen City

整体看来，厦门市产流高值区分布及蔓延情况与城市建设用地在空间和时间上保持一致，反映出土地利用类型中城市建设用地是地表径流高值区，由于城市建设用地是城市人口、城市经济财产和城市重要生命线系统的承载地，城市建设用地地表径流的高值分部给城市排水、城市防灾带来了巨大压力。

3.3 厦门土地利用与地表径流耦合分析

为分析厦门市不同土地利用类型对地表径流产流的贡献程度，对1990～2017年各降雨情景下土地产流贡献率(不同土地产流量占年总径流量之比)进行了统计(表7)，得出结论如下。

表7 厦门市1990～2017年不同情景下各类用地产流贡献率Tab.7 The contribution rate of runoff yield of various lands in Xiamen City from 1990 to 2017 under different scenarios (%)

3.3.1 建设用地面积与产流贡献率成正比

1990～2017年建设用地的产流贡献率随时间变化趋势与所占面积比随时间变化趋势基本一致(图5)。以P=5a情景为例，1990～2017年建设用地面积占比增加22.3%，其地表产流贡献率相继增加31.7%，在各类用地中增加比例最为显著。为进一步验证建设用地面积与产流关系，对建设用地面积与其进行回归分析。由表8可知，线性系数R为0.997a，方程显著性为0.03b，表明建设用地面积与产流量之间存在正相关性，即建设用地产流量随面积增大而增加。因而可知，有效调控城市建设用地面积是控制城市地表径流、控制暴雨内涝风险的有效途径之一[10]。

表8 建设用地面积与其产流量回归分析结果Tab.8 Regression analysis of construction land area and construction flow model summary

注：a.建设用地面积;b. 预测变量：(恒定), 建设用地面积

3.3.2 林地、草地、水体生态调蓄能力突出，单位面积地表产流较少

横向比较各类型土地面积所占比例与其产流贡献率所占比例，可知除建设用地与农村居民点外，其他各类用地对地表雨水都有一定损耗能力，即产流贡献率小于土地面积比。其中，林地、草地、水体产流贡献率自1990年起均小于土地面积所占比例，反映出其具有较为稳定且突出的生态调蓄能力，即此类用地单位面积的地表产流量较小。以2010年P=2a情景为例，林地所占面积比与产流贡献率差值为2.7%；其次是草地消耗1.8%，耕地仅消耗雨水仅为1.5%(图6)。因而可知，土地利用类型中林地、草地和水体对消耗城市地表雨水，减少地表径流，减缓城市暴雨内涝压力有较为明显的作用。

图6 2010年P=2a情景 各类用地产流贡献率与用地面积比对比Fig.6 P=2a scenario in 2010,contrast of runoff contribution rate of various land use and land area

3.3.3 生态用地雨水调蓄能力有限，产流贡献率随降雨量增大而增大

从不同降雨情景角度看，随着降雨量的增大，耕地、林地产流贡献率增多。以2010年为例，林地产流贡献率从两年一遇的24.9%增长至五十年一遇的27.1%，耕地产流贡献率从两年一遇的29.3%增长至五十年一遇的31.5%。反映出在降雨量为两年一遇及以下的情景下，厦门市耕地、林地吸收和下渗地表水的能力较为突出；当降雨量增大至五年一遇和五十年一遇情景时，自然调蓄能力逐渐达到饱和，无法对新增雨水进行消耗和吸收，故产流贡献率增加。因而可知，生态用地尽管对地表径流具有自然调蓄作用，但由于其能力具有一定饱和值，在极端强降雨情况下调蓄效果尚不理想，故生态用地雨水调蓄能力仅能作为城市排水辅助和优化系统进行考虑，不能满足城市极端暴雨情况下的雨水调蓄需求。

4 规划防控启示

从厦门土地利用演变与地表径流关系分析可知，土地面积、性质与地表径流有密切关系。因而在快速城镇化阶段，通过规划手段控制城市地表径流，是减少城市雨涝风险的重要途径。

4.1 用地格局控制径流

由于土地产流贡献量与土地面积成正比，在快速城镇化阶段通过合理城市用地规划，保障产流贡献率较小的生态用地面积，控制产流贡献率较高的城市建设用地面积增长，可从宏观上控制地表径流总量，达到减灾目的。具体策略如下。

4.1.1 生态用地保护修复

生态用地保护修复要求规划者以生态学角度统筹城市系统与自然系统，从而减少和减缓灾害对城市的影响，达到人与自然和谐相处的可持续发展状态。建议厦门针对北部水源涵养林区、中部沿海经济林区和南部沿海防护林区，制定生态保护规划从而保障城市整体生态调蓄能力，控制地表径流；另一方面，针对城镇化过程大幅减少的生态湿地，建议厦门在“海湾型”发展阶段，尽可能采取生态海岸线，修复滨海湿地，恢复自然系统的土壤维持、雨水调蓄等生态服务功能，从而在雨涝与城市系统中起到缓冲作用，减少内涝灾害的破坏力。

4.1.2 建设用地紧凑发展

城市建设用地紧凑发展要求规划者通过多样化和混合化的功能区块灵活使用，提高土地利用价值，实现城市土地进行集约化利用。建议厦门在翔安区、同安区、集美区和海沧区的快速城镇化建设时，将城市居住用地与公共服务用地、商业用地、工业用地结合规划，形成高密度复合城市片区，从而最大限度挖掘城市土地资源的供给潜力，从而降低快速城镇化建设对新增土地需求，控制城市建设用地的增长，实现控制城市地表径流的增加，减缓防灾压力的目的。

4.2 基础设施疏散径流

排水基础设施规划应充分考虑生态用地的雨水自然调蓄特征，因而在降雨量较小时，应借鉴自然元素构建城市生态基础设施；在降雨量较为极端时，应通过加高标准的城市工程排水设施应对。具体策略如下：

4.2.1 应用生态基础设施

生态基础设施是由于生态用地如林地、草地具有突出的雨水调蓄功能，而在在城市规划中大量增加林地、草地等生态绿地的比例具有一定难度，而提出的以自然水文系统为模板，在城市修建具有类似自然吸收、渗透、过滤、滞留等功能的软性雨水管理设施。建议厦门在城市道路系统中，按照道路级别和城市需求，综合使用下凹绿地、植草沟和透水性铺装等设施；在绿地系统中，针对已建成的城市公园和城市居住区，在现有基础上进行渗透性铺装、植草沟/池、下凹绿地的增设和改建。针对集美区、同安区、海沧区，建议在进行绿地设计时，考虑生态基础设施与景观系统的结合，从而使厦门充分发挥雨水调蓄能力，最大限度减少快速城镇化进程中不良水文效应，达到防灾优化作用[11]。

4.2.2 提高城市排水设计标准

由于林地、草地、耕地等生态用地在降雨量超过极限值的情况下无法对地表径流进行有效控制，因而城市暴雨内涝的应对还需以城市排水工程为主要防控手段。目前厦门市普遍以1～2年一遇重现期为雨水管设计标准，在快速城镇化和全球气候急剧变化的当下，此标准已不足以轻松应对城市突发暴雨的紧急情况，因此提高城市雨水管道设计标准是提高城市暴雨抵抗能力的关键。建议厦门参照美国和澳大利亚昆士兰雨水管道设计标准[12]，将商业区和重要道路雨水标准提升至10年一遇及以上，将居住区标准提升为2年一遇及以上，从而提高城市整体排水能力，从而增强城市暴雨内涝灾害应对力。

4.3 完善雨涝管理体制

城市地表径流的控制需要城市气象部门、城市规划建设部门、城市水利部门等多方面协作完成。目前我国极端气候事件的应对处理缺乏专业统一且具有足够行政级别的应急管理单位综合统筹，存在沟通不便、资料混乱、只能短时应对无法深入研究等问题。以厦门暴雨内涝为例，负责厦门暴雨内涝应急统筹的单位为厦门水利局防汛抗旱指挥部，而负责预防预警的单位为厦门气象局，负责灾情统计的单位又为厦门园林局，具体救灾应灾的单位又涉及厦门交通部、卫生部等，存在部分职能交叉，容易形成相互推脱的现象，给城市地表径流疏散、暴雨应急协调带来较大困难。因而建议厦门在未来完善其雨涝管理体制，成立具有针对性的统筹单位，明确各部门职责，从而整体上提高城市应对雨涝灾害的能力[13]。

5 结 语

本文运用遥感图像，结合GIS平台与SCS-CN水文模型，分析了1990、2000、2010和2017年的城市土地利用变化对地表径流的影响，并结合各类土地产流特征得出主要结论如下：

5.1 随着厦门城镇化率的提升，厦门城市建设用地大幅增长，城市耕地、林地、草地等生态用地面积大幅减少，在相同降雨量情况下城市地表径流总量增加，加大了城市暴雨内涝风险。

5.2 在厦门各类城市建设用地种，城市建设用地产流贡献率高；林地、草地等生态用地具有突出的雨水调蓄能力，但具有一定限度，在极端暴雨情况下调蓄能力有限。

5.3 在快速城镇化建设时，可通过生态用地保护、城市紧凑发展来控制地表径流总量，城市防灾方面可通过生态基础设施应用和提高城市排水标准来加强地表径流疏散。

厦门为例，对各类土地利用变化与径流关系进行分析，最后得出普适性结论——生态用地调蓄能力突出，但在极端暴雨情况下调蓄能力有限。并在此基础上提出了普适性规划防控启示，为城市暴雨内涝防灾规划提供参考和理论支撑。但由资料获取难度和篇幅限制，文章仅以地表径流量反应雨涝灾害风险，且未考虑土地利用对城市微气候等方面的影响，有待相关研究的进一步深化。