基于元胞自動機模擬城市擴張下的綠色基礎(chǔ)設(shè)施布局演變與內(nèi)澇風(fēng)險評估
——以武漢市為例

王雪原 周燕 禹佳寧

1 研究背景

現(xiàn)階段城市生產(chǎn)開發(fā)活動干擾強度高，建成規(guī)模擴張，引發(fā)了下墊面改變、水文循環(huán)破壞等問題。城市內(nèi)澇不僅導(dǎo)致城市交通中斷、公共設(shè)施損壞及各種次生災(zāi)害，其成因復(fù)雜性導(dǎo)致一系列的工程化內(nèi)澇治理手段效率不高，而通過生態(tài)用地、城市綠地等空間規(guī)劃手段提升城市雨洪調(diào)蓄能力，成為當(dāng)前響應(yīng)城市內(nèi)澇的可持續(xù)方法[1-2]。因此，在不同用地類型博弈過程中滿足發(fā)展用地需求的同時，保障核心城市雨洪調(diào)蓄功能空間具有重要意義。

綠色基礎(chǔ)設(shè)施為多種生態(tài)過程發(fā)生的載體，保證城市的綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給，在城市雨洪調(diào)蓄功能方面具有關(guān)鍵作用[3-4]。發(fā)展中的建設(shè)用地與綠色基礎(chǔ)設(shè)施時空動態(tài)變化頻繁，建設(shè)用地擴張使得城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施面積總量減少[5]；空間侵占的分布情況不均衡且被侵占的綠色基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)域內(nèi)部生態(tài)功能差異較大。如城市中心區(qū)被侵占的城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施在一定范圍內(nèi)具有關(guān)鍵生態(tài)作用。近郊區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施因常發(fā)生較為活躍的用地類型置換，總量縮減較為迅速[6-7]；城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性與其生態(tài)系統(tǒng)功能發(fā)揮程度直接相關(guān)。城市生態(tài)學(xué)強調(diào)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)包括保證生物多樣性、雨洪調(diào)蓄功能、作為城市潛在通風(fēng)廊道等，而生態(tài)服務(wù)功能發(fā)揮要求城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施具有匹配生態(tài)過程的空間結(jié)構(gòu)[8-11]。解析模擬城市增長與用地性質(zhì)動態(tài)變化，在城市發(fā)展過程中保證綠色基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)過程的結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要。

為更好地解析和模擬城市空間增長與用地博弈過程，領(lǐng)域內(nèi)研究廣泛使用土地利用變化模型模擬增長過程，如土地利用轉(zhuǎn)化及其效應(yīng)模型、大都市擴展模型、系統(tǒng)動力學(xué)模型等。元胞自動機（cellular automata, CA）模型是一種時空狀態(tài)均離散、相互作用及因果關(guān)系皆為局部的網(wǎng)格動力學(xué)模型[3]，作為基于柵格鄰域關(guān)系的并類計算模型，適宜體現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)下局部個體的行為模式，“自下而上”的思路使其在城市空間增長規(guī)律方面具備更好的描述能力。同時諸多研究基于CA模型引入新算法、挖掘模型轉(zhuǎn)換規(guī)則、結(jié)合其他數(shù)學(xué)模型提高模擬精度，使其為空間規(guī)劃提供可靠依據(jù)。

研究通過應(yīng)用CA模型結(jié)合GIS平臺，以城市空間建設(shè)現(xiàn)狀及發(fā)展引導(dǎo)等因素為約束條件建立轉(zhuǎn)換規(guī)則，模擬武漢市建成區(qū)擴張過程，根據(jù)綠色基礎(chǔ)設(shè)施的被侵占狀況，結(jié)合城市水文區(qū)位與雨洪調(diào)蓄功能，對城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施被侵占引起的內(nèi)澇風(fēng)險進(jìn)行評估。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)域現(xiàn)狀與數(shù)據(jù)處理

武漢屬殘丘性河湖沖積平原，擁有217.07 km2的建成區(qū)綠地和2 119 km2的水域，后者占據(jù)市域總面積的1/4，市域河流縱橫交錯，湖泊廣布。武漢城鎮(zhèn)化建設(shè)發(fā)展迅速，居民人口城市化率在80%以上。同時武漢存在較為嚴(yán)峻的內(nèi)澇問題，2016年7月持續(xù)約1周的累計降水引起了城市的大面域積水，造成全市12區(qū)系統(tǒng)性受災(zāi)，在中心城區(qū)形成200處以上的漬水，機場高速發(fā)生不同程度的積水塌方，雨后仍有部分社區(qū)內(nèi)澇滯水長達(dá)1周?；谝陨?點，選擇武漢市域來模擬城市擴張并評估其綠色基礎(chǔ)設(shè)施侵占與內(nèi)澇風(fēng)險具有較高的可操作性，是探究綠色基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)變化與城市雨洪調(diào)蓄功能機制的理想研究對象。

研究選用GDEMV2 10 m分辨率的武漢市數(shù)字高程；通過“LocaSpaceViewer三維數(shù)字地球”平臺以及地理空間數(shù)云獲取2009、2017、2019年的武漢市高清影像（表1）；土地利用采用了基于Landsat 30 m遙感影像解譯的武漢市域范圍土地利用類型，基于LUCC分類系統(tǒng)，將土地利用類型歸結(jié)為包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地在內(nèi)的6個類型；城市發(fā)展、文化遺產(chǎn)與自然保護(hù)區(qū)、人口等相關(guān)信息獲取于武漢市統(tǒng)計局。根據(jù)《武漢市排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（2013）》，確定24 h暴雨強度取值（表2）、防澇標(biāo)準(zhǔn)（表3～4）。通過遙感影像解譯提取河湖水系區(qū)域，根據(jù)《武漢市城市總體規(guī)劃（2016—2030年）》確定交通路網(wǎng)信息以及基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)的范圍。

2.2 綠色基礎(chǔ)設(shè)施提取及分類

綠色基礎(chǔ)設(shè)施是指由森林、濕地、動物棲息地、綠道、公園等維持原生物種、自然生態(tài)過程、保護(hù)空氣和水資源以及提高人民生活質(zhì)量的荒野和開敞空間所組成的相互連接的網(wǎng)絡(luò)[12-14]。在ArcGIS10.3環(huán)境下處理武漢數(shù)字高程圖、地形圖、高分影像圖，數(shù)字化土地利用現(xiàn)狀以及各專題圖件，參照全國《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實際情況建立研究區(qū)域土地利用屬性和專題信息數(shù)據(jù)庫，并針對綠色基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大類提取，包括湖庫河渠、非水面的綠色基礎(chǔ)設(shè)施2部分，小類提取包括林地、草地、旱地、水田、湖泊、水道、濕地坑塘[15-16]。按以上分類方式解譯遙感影像的各類用地信息，將用地類型數(shù)據(jù)及解譯結(jié)果進(jìn)行校合，進(jìn)而整理為武漢市多屬性矢量格式土地利用信息和各專題圖空間分布信息。

表1 武漢市域遙感影像選擇及信息Tab. 1 Selection and information of remote sensing images in Wuhan

表2 武漢市長歷時暴雨強度Tab. 2 Long duration stormwater intensity in Wuhan

表3 武漢市積水程度分級標(biāo)準(zhǔn)Tab. 3 Classification standard for stagnant water in Wuhan

表4 武漢市防澇標(biāo)準(zhǔn)Tab. 4 Waterlogging prevention standard of Wuhan

表5 發(fā)展引導(dǎo)與空間控制約束條件指標(biāo)體系Tab. 5 Development guidance and space control constraint index system

2.3 模擬城市擴張的元胞自動機模型構(gòu)建

城市增長過程既受人為規(guī)劃、空間開發(fā)的控制，又受城市發(fā)展與自然演化約束，研究分析綜合約束條件作為轉(zhuǎn)化規(guī)則模擬建成區(qū)擴張，對約束條件本身從空間復(fù)雜性角度進(jìn)行解析，構(gòu)建了發(fā)展引導(dǎo)約束條件、空間控制約束條件的綜合CA模型[17]，結(jié)合城市雨洪調(diào)蓄過程，評估在模擬的增長過程中綠色基礎(chǔ)設(shè)施面臨的被侵占風(fēng)險與內(nèi)澇風(fēng)險。

2.3.1 發(fā)展引導(dǎo)約束條件規(guī)則

城鎮(zhèn)增長潛力評價是宏觀識別城鎮(zhèn)發(fā)展方向和規(guī)模的重要依據(jù)，本研究選擇與增長極（現(xiàn)建成區(qū)）的距離、與發(fā)展軸（交通基礎(chǔ)設(shè)施）的距離、人口密度作為評價空間中某一地塊開發(fā)潛力的主要因子[18]。利用層次分析法（AHP），建立層次結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建成對比較矩陣，計算組合權(quán)向量并做組合一致性檢驗，最后生成滿足一致性檢驗的影響因子的權(quán)重（表5）。

2.3.2 空間控制約束條件規(guī)則

重要生態(tài)要素的敏感性約束分析是城鎮(zhèn)空間增長的主要阻力條件。研究選取地形、河湖水系、土地利用現(xiàn)狀、名勝古跡、基本農(nóng)田等因子對武漢市的空間增長阻力進(jìn)行定量評價，量化不同因子對于城鎮(zhèn)擴張的影響程度。河湖水系、名勝古跡、基本農(nóng)田因子以其歐氏距離對應(yīng)的阻力程度劃分為5級；地形因子參考《城鄉(xiāng)規(guī)劃法》中對于坡度的建設(shè)適宜性評價分級；土地利用性質(zhì)則參考俞孔堅在構(gòu)建生態(tài)安全格局時采用的最小阻力模型中的阻力打分[19]。同時借鑒生態(tài)學(xué)中“最小限制因子定律”采用取極值的方法進(jìn)行約束，綜合構(gòu)建的指標(biāo)體系如表5所示。

2.3.3 CA模型運算法則設(shè)定

研究依據(jù)該模型架構(gòu)界定了武漢市不同用地性質(zhì)的像素柵格元胞集合、建設(shè)用地與非建設(shè)用地二值狀態(tài)、市域元胞空間邊界、增長邊緣鄰域和基于鄰近函數(shù)實現(xiàn)的轉(zhuǎn)換規(guī)則5部分[3]。建設(shè)用地狀態(tài)變化實質(zhì)即用地的空間擴張表現(xiàn)為柵格值轉(zhuǎn)變的過程。某一柵格在某一時段是否發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換，由土地柵格的建設(shè)用地轉(zhuǎn)換概率決定，轉(zhuǎn)換概率根據(jù)預(yù)先設(shè)定的發(fā)展引導(dǎo)約束條件規(guī)則與空間控制約束條件規(guī)則綜合計算，即非建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換強度由設(shè)定因子共同作用影響。

2.4 水文區(qū)位識別與雨洪調(diào)蓄功能評估

城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施因其覆被類型與區(qū)位特征不同而發(fā)揮不同程度的滲透、徑流、匯流等雨洪調(diào)蓄功能，通過統(tǒng)計不同地表覆被狀況確定綠地不同的滲透功能，通過水文區(qū)位識別及其重要性分析確定綠色基礎(chǔ)設(shè)施能夠發(fā)揮多大程度的徑流與匯流功能。

水文區(qū)位識別過程運用ArcGIS和SCSCN模型。SCS-CN模型是由美國土壤保持局對極端降水天氣導(dǎo)致的雨洪問題而設(shè)計開發(fā)的一種模擬洪峰和地表徑流流量的方法[20-21]。運用ArcGIS水文分析工具分析其流向、流量、小流域單元劃分等信息，針對各個小流域單元分別利用SCS-CN模型計算其在不同暴雨重現(xiàn)期下的雨水匯集體積，再結(jié)合表面體積法，根據(jù)給定體積及表面面積分析計算擬合高度，并分析匯水區(qū)位的重要性及集水潛力。識別不同等級的地表徑流路線及河網(wǎng)徑流空間，分析徑流區(qū)位，將各小流域單元在不同暴雨重現(xiàn)期的水文區(qū)位進(jìn)行疊加處理，結(jié)合城市土地利用狀況評估綠色基礎(chǔ)設(shè)施的雨洪調(diào)蓄功能。

表6 不同土地利用類型的徑流系數(shù)取值Tab. 6 Runoff coefficient of different land-use types

表7 2009—2019年綠色基礎(chǔ)設(shè)施面積變化Tab. 7 Change of green infrastructure area (2009-2019)

1 2009、2017、2019年綠色基礎(chǔ)設(shè)施的景觀時空動態(tài)變化Spatial and temporal changes of green infrastructure landscape in 2009, 2017 and 2019

SCS-CN模型的計算公式為：

其中，P為月降雨量，單位為mm；Q為月徑流量，單位為mm；S為可能最大截留量，單位為mm，計算公式如下：

其中，CN為徑流系數(shù)，參數(shù)如表6；使用等體積法逼近計算積水高度公式如下：

2 市域發(fā)展引導(dǎo)潛力分級Classification of guiding potential for urban development

式中，W為徑流總量，單位為mm；A為淹沒區(qū)域的面積，單位為m2；EW（x，y）為積水高度，單位為m；Eg（x，y）為地面高程，單位為m；dδ為淹沒單元面積，單位為m2。

3 綠色基礎(chǔ)設(shè)施擴張模擬過程及被侵占引起內(nèi)澇風(fēng)險解析

3.1 綠色基礎(chǔ)設(shè)施的提取結(jié)果

遙感影像的應(yīng)用發(fā)展為綠色基礎(chǔ)設(shè)施解譯其時空動態(tài)變化提供了較好的技術(shù)支持：綠色基礎(chǔ)設(shè)施要求完整的結(jié)構(gòu)，因此研究首先確定其分類組構(gòu)，建立完整的圖斑，解譯后基本像元的精度為30 m，并通過3個年度的序列來表示整個武漢市的綠色基礎(chǔ)設(shè)施10年間的變化強度，側(cè)面印證了未來一段時間用地將發(fā)生一定強度的動態(tài)變化。其次，綠色基礎(chǔ)設(shè)施的不同季節(jié)性變化帶來信息差異，旱地水田也因耕收等生產(chǎn)活動影響存在不同狀態(tài)的地表覆被特征，因此在解譯過程中對其著重進(jìn)行補充辨識校正。得到解譯后的綠色基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)狀及其10年間的動態(tài)變化結(jié)果（圖1，表7）。

3.2 城市擴張模擬過程

在構(gòu)建模擬城市擴張的元胞自動機模型的過程中，對影響城鎮(zhèn)建設(shè)用地增長的發(fā)展引導(dǎo)約束條件與空間控制約束條件2方面因素進(jìn)行解析，形成能夠表征用地轉(zhuǎn)換概率的運算規(guī)則。通過發(fā)展引導(dǎo)潛力綜合結(jié)果（圖2）分析表明武漢市的市中心核心增長潛力非常顯著，距市中心及主要道路較近的地區(qū)增長潛力較大?；谏鷳B(tài)建設(shè)適宜性的體系架構(gòu)及賦值標(biāo)準(zhǔn)，利用ArcGIS10.3平臺分別對限制約束城市空間增長的生態(tài)因素進(jìn)行分析，得到各因子的限制約束條件分級圖層。綜合疊加各層級的評價要素，繪制城市空間增長阻力的評價圖（圖3）。在城鎮(zhèn)擴張潛力與阻力評估的基礎(chǔ)上，綜合確定用地由非建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的概率，通過多次迭代并加入正態(tài)分布的隨機性來模擬城市擴張的趨勢，元胞演進(jìn)的結(jié)果如圖4。

3 市域綜合城鎮(zhèn)空間增長阻力評價Evaluation of the resistance of comprehensive urban spatial growth

4 基于CA模型的武市漢城市擴張的趨勢模擬結(jié)果Simulation results of Wuhan expansion based on the CA model

5 CA擴張模擬下的綠色基礎(chǔ)設(shè)施被侵占風(fēng)險分級Risk classification of green infrastructure occupation based on CA model to simulate expansion

表8 侵占風(fēng)險區(qū)中不同類型的綠色基礎(chǔ)設(shè)施被侵占狀況Tab. 8 The occupation status of various green infrastructure in the occupation risk zone

3.3 城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施被侵占引起的內(nèi)澇風(fēng)險評估

綠色基礎(chǔ)設(shè)施是保護(hù)土地資源和控制城市蔓延的開放空間網(wǎng)絡(luò)，代表著一種新的精明保護(hù)思想。在武漢新一輪總規(guī)修編中，人口專題研究擔(dān)綱者馮健采用多種預(yù)測模型對戶籍人口和流動人口、主城區(qū)人口和新城區(qū)人口分別進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果顯示2030年總?cè)丝趯⑦_(dá)到1 720萬人，而人口增長亦將伴隨用地需求增長[22]。武漢市建設(shè)用地增長在未來一段時間內(nèi)持續(xù)發(fā)生且難以避免，將對耕地、水田、林地、草地等不同類型綠色基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生侵占影響。研究發(fā)現(xiàn)在發(fā)展密度較高的核心區(qū)域、靠近建成區(qū)以及交通路線的綠色基礎(chǔ)設(shè)施被侵占的風(fēng)險較高。將模擬得到的城市擴張結(jié)果與現(xiàn)狀城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行疊合，得到在城市擴張中易被侵占的綠色基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)域并識別其不同類型的面域范圍（表8）。

統(tǒng)計表明在城市擴張的過程中旱地最易被侵占，其具有較高生產(chǎn)作用，同時作為綠色基礎(chǔ)設(shè)施存在于城市廣域基底中；其他類型的綠色基礎(chǔ)設(shè)施亦存在不同程度的被侵占狀況；水田同樣是較易被侵占的地類，因其具有相對較長時間的持水保水能力，在城鎮(zhèn)建設(shè)過程中應(yīng)得到合理的把控，是城市重要的水文過程發(fā)生空間；林地與其他類型的綠色基礎(chǔ)設(shè)施相比，能夠提供更為豐富的生態(tài)服務(wù)功能，具有較高的立體綠量，因此應(yīng)得到更高級別的保護(hù)[23]。根據(jù)城市擴張的模擬結(jié)果，對易被侵占的綠色基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了風(fēng)險等級分級（圖5），識別在建設(shè)用地發(fā)展的過程中最先受到影響的綠色基礎(chǔ)設(shè)施所在。

根據(jù)城市水文區(qū)位識別結(jié)果分析得到武漢市內(nèi)較易發(fā)生積水與匯流的區(qū)域及積水高度（圖6）。在該范圍內(nèi)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施因其相對高程較低，在具備滲透導(dǎo)流功能的同時能夠較長時間持水蓄水，作為城市水文過程中匯水的適宜終點，分擔(dān)其周邊小流域單元內(nèi)雨水匯集壓力，對城市雨洪調(diào)蓄功能發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用。將其與擴張模擬過程中易被侵占的綠色基礎(chǔ)設(shè)施疊合，識別侵占發(fā)生后更容易產(chǎn)生積水內(nèi)澇的區(qū)域，并據(jù)其內(nèi)澇風(fēng)險強度進(jìn)行分級（圖7）。

研究將易被侵占的綠色基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)澇風(fēng)險區(qū)劃分為4個等級，高風(fēng)險等級的綠色基礎(chǔ)設(shè)施亦是高效發(fā)揮雨洪調(diào)蓄功能的區(qū)位所在，這些區(qū)域內(nèi)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施在城市雨洪調(diào)蓄過程中尤為重要，被侵占后最易產(chǎn)生積水內(nèi)澇。在未來的建設(shè)過程中應(yīng)基于對武漢市城市擴張與綠色基礎(chǔ)設(shè)施演變趨勢進(jìn)行分析，加強對綠色基礎(chǔ)設(shè)施布局的控制引導(dǎo)，加強易侵占綠色基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)澇風(fēng)險區(qū)域的重點防護(hù)把控。

4 研究結(jié)論

4.1 綠色基礎(chǔ)設(shè)施演變及內(nèi)澇風(fēng)險評估分析

景觀結(jié)構(gòu)中存在關(guān)鍵區(qū)域?qū)坝^過程的發(fā)生起核心作用，建設(shè)用地增長過程中亦應(yīng)注重不同區(qū)位的綠色基礎(chǔ)設(shè)施的侵占風(fēng)險水平[24]。綠色基礎(chǔ)設(shè)施是城市雨洪調(diào)蓄功能發(fā)揮的核心載體，區(qū)位與類型的差異性決定了其在城市水文過程中承擔(dān)的作用，因其被侵占導(dǎo)致相對應(yīng)的水文過程遭到破壞，城市調(diào)蓄能力減弱，內(nèi)澇風(fēng)險增加。

研究表明：1）武漢綠色基礎(chǔ)設(shè)施因其覆被屬性具有不同程度的下滲功能，如薛家咀庫區(qū)、東西湖農(nóng)業(yè)用地區(qū)等，能夠吸納雨水，作為下滲空間，在受到侵占時系統(tǒng)雨洪調(diào)蓄功能減弱從而增加內(nèi)澇風(fēng)險。2）位于匯水空間的城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施，在其小流域單元內(nèi)高程較低，當(dāng)下滲功能達(dá)到飽和時，作為匯水終端具有盛水作用，能夠較大程度地分擔(dān)其所在單元內(nèi)的雨洪調(diào)蓄壓力。該類區(qū)域綠色基礎(chǔ)設(shè)施如武湖、湯遜湖邊緣被侵占后城市調(diào)蓄功能大幅度減弱，雨水無法匯集，將溢流至其他土地利用性質(zhì)的地表上，引起不具備持水功能的用地類型如居住用地、道路用地等長期淹水，造成經(jīng)濟(jì)損失，加重內(nèi)澇風(fēng)險。3）位于徑流線的綠色基礎(chǔ)設(shè)施如姚集鎮(zhèn)到木蘭草原風(fēng)景區(qū)附近的徑流通道，被侵占后雨水將沿道路等向低處匯集，流量加大、洪峰提前、加快內(nèi)澇形成，且易造成面源污染等問題。保障該區(qū)位城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施，提供雨水產(chǎn)流后流向低勢匯水空間的自然徑流路徑，能夠減緩流速、減弱峰值，在一定程度上過濾凈化雨水。

6 武漢市域部分內(nèi)澇風(fēng)險區(qū)積水高度示例Examples of height of stagnant water in some waterlogging risk areas of Wuhan

7 易被侵占的綠色基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)澇風(fēng)險等級Waterlogging risk levels of vulnerable green infrastructure

綠色基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)性區(qū)域被侵占將對整體雨洪調(diào)蓄功能產(chǎn)生重要影響，應(yīng)根據(jù)綠色基礎(chǔ)設(shè)施在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的重要作用、風(fēng)險等級以及自身敏感性的綜合作用進(jìn)行分級，予以不同形式、不同強制力度的保護(hù)策略實施。

4.2 內(nèi)澇風(fēng)險評估下綠色基礎(chǔ)設(shè)施布局引導(dǎo)

以武漢市域為研究范圍，提取現(xiàn)狀綠色基礎(chǔ)設(shè)施，從雨洪調(diào)蓄功能的視角來尋找在城市擴張過程中易被侵占的綠色基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵區(qū)域。這些區(qū)域最能夠發(fā)揮雨洪調(diào)蓄功能并迫切地需要被保護(hù)。研究根據(jù)易被侵占綠色基礎(chǔ)設(shè)施的內(nèi)澇風(fēng)險程度，劃定不同級別的管控區(qū)域，根據(jù)管控區(qū)域的區(qū)位特征、生態(tài)本底條件、已有建設(shè)用地特征、城市發(fā)展戰(zhàn)略要求[25]，對其生態(tài)保護(hù)和建設(shè)開發(fā)等方面制定具體的對策措施，規(guī)劃不同強度的保護(hù)策略。

高風(fēng)險等級保護(hù)區(qū)域如灄水流域、沙湖周邊等，應(yīng)有強制性的限制建設(shè)措施。各層級各部門應(yīng)當(dāng)以保護(hù)利用為原則，提供資金與政策支持，堅決禁止在重要性區(qū)域開發(fā)破壞自然生態(tài)穩(wěn)定的項目。作為水文過程發(fā)生的關(guān)鍵承載空間，一旦被不合理開發(fā)，將成為孕災(zāi)環(huán)境，影響更大范圍，因此規(guī)劃應(yīng)明確其中禁止或限制布局的空間區(qū)位以及禁止或兼容的用地類型和項目類型。

中低風(fēng)險等級保護(hù)區(qū)域，如江城大道立交橋附近等，部分居住、商業(yè)、工業(yè)用地應(yīng)結(jié)合實際特征從低影響開發(fā)、限制資源占用、復(fù)合功能集約發(fā)展3個方面提出限制、引導(dǎo)要求，明確開發(fā)模式，健全補償機制。設(shè)置相關(guān)激勵政策與機制，給予一定的補償與獎勵，鼓勵社會群體積極投入到綠色基礎(chǔ)設(shè)施的保護(hù)與管理實踐中[26]，鼓勵土地使用權(quán)相關(guān)利益者加入保障建設(shè)用地存量發(fā)展、保障綠量的具體工作中，達(dá)到保護(hù)綠色基礎(chǔ)設(shè)施的目的。

在宏觀上城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的布設(shè)應(yīng)匹配整體的水文過程區(qū)位，承載匯水與蓄水過程的空間如梁子湖西側(cè)部分農(nóng)林用地應(yīng)避免建設(shè)用地侵占的表面硬質(zhì)化，促進(jìn)城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施完善自身結(jié)構(gòu)，發(fā)揮滲透、滯留、調(diào)蓄等作用。這一過程要求高度的前瞻性，且其布局控制應(yīng)與城市在編的相關(guān)規(guī)劃充分協(xié)調(diào)對接。在微觀設(shè)施建設(shè)上，不僅要達(dá)到徑流控制量等指標(biāo)要求，同時也要完成功能適宜要求，避免出現(xiàn)部分城市道路中的附屬綠地高于周邊地表、雨水篦子垂直布設(shè)等現(xiàn)象，使其無法充分達(dá)到滲透及匯水效率。

5 總結(jié)與討論

解析在城市擴張中綠色基礎(chǔ)設(shè)施被侵占引起的內(nèi)澇風(fēng)險，對于綠色基礎(chǔ)設(shè)施格局優(yōu)化及內(nèi)澇的空間調(diào)控策略研究具有重要意義。研究通過3S技術(shù)結(jié)合建成區(qū)土地利用現(xiàn)狀對武漢市域內(nèi)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施分布情況進(jìn)行了提取、校正與解析；通過應(yīng)用CA模型結(jié)合GIS平臺，預(yù)測城市建設(shè)用地的擴張情況，識別城市水文區(qū)位及調(diào)蓄作用發(fā)揮的關(guān)鍵區(qū)域，將其與城市擴張結(jié)果進(jìn)行空間疊置分析，得到在城市擴張中較易被侵占的綠色基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)域，并據(jù)其調(diào)蓄作用差異劃分了被侵占內(nèi)澇風(fēng)險等級。研究表明：武漢市總體綠色本底較好、綠量充足，但不同區(qū)域的綠色基礎(chǔ)設(shè)施分布及其雨洪調(diào)蓄功能差異性較大，其中最容易被侵占的為非永久保護(hù)農(nóng)田中的旱地，其次為水田；綠色基礎(chǔ)設(shè)施的被侵占程度與周邊建設(shè)強度顯著相關(guān)；內(nèi)澇風(fēng)險與侵占發(fā)生區(qū)域的水文承擔(dān)作用顯著相關(guān)。研究城市發(fā)展、用地性質(zhì)調(diào)整過程中的結(jié)構(gòu)變化對于武漢市的雨洪調(diào)蓄功能提升、內(nèi)澇防治具有參考價值。在未來研究中應(yīng)深入探討以下問題。

1）城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施具有提供豐富的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的潛力，發(fā)揮這些生態(tài)服務(wù)功能的前提是需要構(gòu)建能夠承載完整生態(tài)過程的綠色基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在該理念下，本研究的核心是將城市建設(shè)擴張的需求與雨洪調(diào)蓄目標(biāo)進(jìn)行整合，以緩解城市內(nèi)澇為出發(fā)點，通過上述方式判斷在城市擴張的過程中，哪些具有被侵占風(fēng)險的綠色基礎(chǔ)設(shè)施作為提供調(diào)蓄過程的關(guān)鍵區(qū)域更應(yīng)該被優(yōu)先保護(hù)。而建立多目標(biāo)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施評估模型及規(guī)劃方法，則需要綜合研究更多復(fù)雜的生態(tài)過程所賦予的空間結(jié)構(gòu)限制。

2）研究采用了CA模型與GIS平臺相結(jié)合的方法，GIS平臺為CA模型準(zhǔn)備數(shù)據(jù)集、定義元胞轉(zhuǎn)換規(guī)則、可視化模擬結(jié)果，其模擬過程及數(shù)據(jù)條件符合“自上而下”CA模型原理以及其固有的高度動態(tài)性、平行計算能力及空間概念等特性[3,12]。在模擬過程中選擇空間影響要素來作為約束條件，通過整合城鎮(zhèn)建設(shè)用地增長的發(fā)展引導(dǎo)約束條件與空間控制約束條件作為運算規(guī)則計算轉(zhuǎn)換概率，該過程能夠在一定程度上體現(xiàn)城市擴張的變化趨勢，但在要素選擇過程中，部分影響因子例如政策決策行為、社會導(dǎo)向、人文因素等未納入約束條件當(dāng)中，克服該局限性須進(jìn)一步認(rèn)知人文因素影響下復(fù)雜城市系統(tǒng)演化的機制與規(guī)則，提高模擬的可靠性與準(zhǔn)確度。

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

圖1～7由作者繪制；表1、5、7～8由作者繪制；表2～4根據(jù)《武漢市排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計標(biāo)（2013）》繪制；表6根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范GB 50014 2006》繪制。