2010年以来, 我国受城市洪涝影响, 已造成经济损失2657.14亿美元, 占所有灾害损失的54.99%, 仅2022年就有5585.3万人次遭受雨洪灾害^[1—2]。为此, 我国提出海绵城市建设理念, 其核心是利用各种低影响开发设施控制年径流总量, 为规划应对雨洪灾害, 建设自然和谐的新型城市提供研究框架^[3]。然而, 快速城市化引起的水文扰动深刻地改变了流域水循环过程, 传统的规划减灾方法日益失效^[4—6], 亟需协调流域、城市和场地等空间尺度, 优化流域海绵系统, 综合、可持续地解决雨洪问题的海绵城市适应性规划方法。

已有研究中, 开展雨洪模拟、海绵体建设适宜性评价、空间识别与可视化表达等已成为实现流域尺度雨洪管理的重要基础^[7]。其中, 基于水文模型的雨洪过程模拟是学界最常用的方法^[8], 例如, Liu等、宋晓猛等利用SWAT、MIKE-SHE等在模拟流域雨洪过程的复杂机理中, 评价了自然资源要素对水循环的影响^[9—10], 焦胜等、丁锶湲等基于SCS-CN水文模型和GIS空间耦合方法得到雨洪淹没区和雨洪廊道^[11—12]。在海绵体建设适宜性方面, 开发指标综合评估与概念模型并结合熵权法、主成分分析法和层次分析法等运用较为广泛^[13—15]。此外, 尽管近年来InVEST模型在海绵体建设适宜性评估方面的应用不断增多^[16], 并在统筹流域山水林田湖草等海绵体要素, 综合分析流域雨洪调蓄、土壤保持等能力, 以空间显化的方式指导流域海绵体资源优化配置上具有优势。但是, 由于流域空间和形态结构复杂多变^[17], 单一的雨洪过程模拟或海绵体建设适宜性分析方法, 无法全面有效地辨识对关键性水文过程有重要意义的位置空间^[18—19]。因此, 通过多模型耦合的技术框架, 研究分析雨洪过程可持续性和海绵体建设合理性的关系, 进而重构流域海绵空间格局, 以指导并优化现有城市适应性规划方法是一种创新思路, 有待深入研究^[20—23]。

鉴于此, 本文构建了基于SWAT、SCS和InVEST模型的集成技术框架, 旨在应用于研究汀江上游流域水系、植被、土壤等海绵空间资源要素对雨洪过程的影响机制；从水安全、水资源、水生态和水环境4个方面定量评价海绵体建设适宜性及制约因素；进而建立起适应流域雨洪过程的海绵空间格局规划优化路径。研究成果有利于指导雨洪管控分区划分和海绵体基础设施选址, 弥补不同海绵调蓄系统之间的结构与功能差异性, 设定管控目标以减缓和适应流域雨洪风险, 为系统化全域推进长汀县海绵城市建设提供规划路径参考^[24]。

1 研究区概况

汀江上游流域总面积为472.62km², 由汀江河流域、铁长河流域、郑坊河流域、七里河流域和涂坊河流域组成(图 1)；流域内地形以陡峭的低山、丘陵为主, 35°以上的陡坡占流域总面积的74.55%；森林覆盖率达83.47%, 年平均降水量1711mm。然而, 作为著名的国家历史文化名城, 长汀县中心城区因位于流域下游的盆地中、地势平坦, 在极端暴雨情景下极易受到洪涝灾害的影响。该县于2018年启动了海绵城市专项规划的编制工作, 以期建立具有长汀特色的城市防洪排涝体系, 保障城市安全发展。

2 数据与研究方法 2.1 数据来源与预处理

本文采用的数据主要包括土地利用、数字高程模型、土壤类型和土壤属性数据、气象和气候数据、水文数据等, 数据来源及预处理见表 1。

2.2 研究思路与方法

首先, 通过模拟不同降雨重现期下汀江上游流域的雨洪径流和淹没过程, 构建基于雨洪过程的安全格局；然后, 从保障水安全、涵养水资源、保护水生态、净化水环境等角度, 分别计算雨洪滞留、水源涵养、土壤保持、水质净化等四个集成评价指标, 开展海绵体建设适应性评价；最后, 在流域尺度综合视角下, 建立符合水自然过程的海绵空间格局, 连通流域河湖水系、湿地水库以及一些低洼地和城市LID设施共同形成梯级雨洪径流管控体系。整体研究框架如图 2所示。

2.2.1 汀江上游流域雨洪过程模拟

汀江上游流域降雨和下垫面空间分布不均匀, 流域对径流具有明显的调蓄和滞留作用, 因此采用分布式水文模型SWAT描述流域水文循环的物理过程。研究使用DEM数据与实测水系数据对子流域进行划分, 共生成172个子流域, 并划分为1353个水文响应单元(HRUs)。研究区每年6月的降水量最大, 雨洪发生频次高, 且SWAT模型在月尺度上的模拟精度最高, 因此选择2020年6月的HRUs输出参量进行雨洪径流过程模拟与分析, 进行SWAT分析前, 对模型进行了参数率定与验证。

运用水量平衡法计算流域总产水量, 选择Penman-Monteith法计算潜在蒸散发^[25], 采用马斯京根法演算各个子流域的河道汇流量, 最后求得流域总出口的汇流量^[26], 即：

(1)

式中, WYLD为流域总产水量(mm)；SURD_i为第i个HRU的地表净流量(mm)；LATQ_i为第i个HRU产生的壤中流(mm)；GWQ_i为第i个HRU产生的基流(mm)。

汀江流域降雨一般为单峰, 历时6—24小时。利用长汀县暴雨强度公式, 采用芝加哥雨型生成长汀县降雨过程, 降雨历时设置为12h, 时间步长为10min, 雨峰相对位置为0.375。构建基于SCS模型的分布式水文模型用于估算不同重现期下的汀江流域雨洪流量^[27]。SCS模型以水量平衡方程为基础, 模型原理和参数设置见参考文献^[28], 本研究在构建SWAT模型基础上提取不同HRUs的无量纲参数径流曲线数值(CN), 以子流域为单元加权平均, 同时参照相关研究步骤优化各子流域的CN取值^[29]。在此基础上, 利用体积法概念和8邻域种子蔓延算法, 基于GIS平台模拟流域雨洪淹没过程, 选取雨洪溢流点为种子点, 考虑栅格之间的物理连通性, 循次读取其周围8个栅格单元高程值, 直到淹没范围内的洪水总量V_i与入侵洪水水量差值满足误差要求时停止运算, 即得到当前洪水水位高程下的洪水淹没范围和淹没水深^[30—32], 具体计算过程如下：

(2)

式中, V_i为当前淹没范围内的洪水总量(m³)；pixel.area为栅格像元的面积(m²)；H₀为种子点的高程值(m)；x为洪水水位变量, 本研究中每次增加0.01m；H_i为淹没栅格像元的高程(m)；m为淹没栅格的数量。

2.2.2 汀江上游流域海绵体建设适宜性评价

本文采用InVEST模型定量估算汀江上游流域雨洪滞留、水源涵养、土壤保持和水质净化能力。利用InVEST城市雨洪滞留模块评估不同土地利用类型的雨水滞留量和滞留效率, 并且考虑栅格附近的不透水表面(道路等)对其排水连通性的影响, 对模型计算结果进行修正, 参考InVEST模型用户手册确定模型的各类参数^[33]；水源涵养使用InVEST的产水量模块计算得到, 计算过程见参考文献^[34], 在此基础上, 根据DEM计算径流路径地形指数, 利用土壤饱和导水率和流速系数计算径流在栅格上的停留时间, 对产水量进行修正获得水源涵养量^[35]。其中降水量和蒸散量数据为利用Anusplin气象插值工具生成的2020年的年平均降水及年平均潜在蒸散空间栅格数据^[36], 土壤深度数据与植被根系深度数据通过参考文献获取^[37]。植被可利用含水量数据采用周文佐^[38]提出的方法计算得出。水源涵养量计算过程如下：

(3)

式中, WR为水源涵养量(mm)；Velpcity为流速系数, 无量纲, 参考傅斌^[39]的研究结果；K_soil为土壤饱和导水率(cm/d), 根据土壤理化性质, 利用美国农业部开发的SPAW土壤水特性软件计算得到。TI为地形指数, 可由DEM计算得到：

(4)

式中, Drainage_Area为集水区栅格数量, 无量纲；Soil_Depth为土壤深度(mm)；Percent_Slope为坡度百分比。

土壤保持能力由InVSET的泥沙保留模块计算获取, 各参数根据相关参考文献设置^[40]。其中, 降水侵蚀力因子采用Wischmeier^[41]等经验公式计算获得；土壤可蚀性因子通过Williams等^[42]方法计算；坡度坡长因子通过DEM分析获取；植被覆盖与水土保持因子根据模型说明获得^[43—46]；水质净化能力利用InVEST的水质净化模块计算, 模型采用质量平衡法^[47]。由于研究区尚无N和P输出系数的数据, 依据自然环境的相似性原则, 参照文献确定研究区N、P输出系数和植被滞留效率^[48—50]。

基于InVEST模型计算得出研究区雨洪调蓄、水源涵养、土壤保持、水质净化指标值, 利用GIS空间分析工具进行归一化处理；然后通过加权平均, 得到研究区海绵城市建设适宜性评价分值, 并按自然间断点分级法重分类为高、中、低三种适宜性等级^[51]。由于InVEST模型四个模块的输入数据和计算指标存在相互嵌套关系, 因此, 采用相同权重计算。海绵城市建设适应性评价模型为：

(5)

式中, f_CSI为海绵城市建设适宜指数；USR_n为归一化雨洪调蓄量；WY_n为归一化水源涵养量；SDR_n为归一化土壤保持量；NDR_n为归一化水质净化量。

基于以上分析, 探索雨洪过程路径与海绵体建设适宜性区域的空间分布特征, 使用核密度分析法判断流域雨洪淹没高风险区, 利用Gi^*统计方法探查流域雨洪适宜区域的高值或低值在空间上的聚集情况, 进一步指导划定流域海绵功能区与海绵生态区, 重构流域海绵系统空间格局, 提升流域应对雨洪的弹性适应能力。

3 结果分析 3.1 汀江上游流域雨洪过程模拟结果分析

如图 3所示, 汀江上游流域的雨洪高风险区域沿河道蔓延分布, 低水平安全格局区域在长汀县中心城区和新桥镇镇区两个城镇化较高的地区呈现集中分布, 由此可知, 城市化地区的雨洪风险显著高于其他周边区域。从产流和汇流两个阶段定量刻画雨洪径流过程, 其中产流部分包括重点产水区域, 汇流部分包括主要汇流廊道和汇流节点等。从雨洪产流区、汇流廊道和汇流节点的五个分类等级看, 产水量最高的区域位于流域北部的山谷中, 降雨时雨水汇聚于此, 将产生严重的洪涝风险, 威胁下游安全；汇流廊道方面, 汀江上游流域汇流廊道总长度为345.13km, 整个流域中一级和二级汇流廊道较多, 揭示出现有水系的河道断面较窄, 河道行洪能力差；汇流节点方面, 汀江河小流域中三级以上汇流节点的数量占整个研究区三级以上汇流节点的81%, 其中长汀县主城区汀江河小流域和铁长河小流域交界处分布有流域唯一的五级汇流节点, 给城区安全带来了较大的水安全隐患。

在汀江上游流域洪水淹没图中(图 3)以长汀县主城区观音桥水文站所在位置为例, 统计降雨量、雨峰、淹没体积、淹没面积和淹没高程等计算结果如表 2所示, 在重现期为20年一遇以下时, 随着降雨量的增加, 洪水淹没面积明显变大, 重现期为20年一遇以上时, 洪水淹没面积变化不明显。

结合坑塘水库、水源地等指标(表 3), 构建汀江上游流域的雨洪安全格局(图 3)。其中高安全格局区域面积为57.43km², 中安全格局区域面积为8.74km², 低安全格局区域面积为19.88km²。长汀县中心城区低安全格局区域的面积为4.88km², 占其安全格局总面积的37.51%, 说明中心城区面临着较大的水安全风险。另外, 城市化程度越高的地区, 其安全格局水平越低。

3.2 汀江上游流域海绵体建设适宜性评价与分析

分析得到汀江上游流域的海绵体建设适宜性评价结果如图 4所示, 数值越高的区域雨洪适应能力越高, 越适合布置海绵体设施。结果显示高适宜性区域呈现出沿河湖水系分布的基本空间特征, 低适宜性区域集中分布在城市建成区范围内。其中高适宜性区域面积为37.31km², 中适宜性区域面积为400.23km², 低适宜区域面积为34.12km², 分别占汀江上游流域总面积的7.91%, 84.86%, 7.23%。本文得出的雨洪调蓄、水源涵养、土壤保持和水质净化等指标的计算结果如表 4所示, 通过统计发现, 受土壤类型、植被结构、高程和坡度等的影响, 各指标空间分布具有差异性。

流域整体雨洪调蓄能力一般, 平均栅格雨洪调蓄量为39.61mm, 由于城市化地区不透水面的增加, 导致雨水的滞留能力大幅降低, 因此流域雨洪调蓄能力呈现出城市建成区偏低, 森林和耕地较高的趋势。汀江上游流域丰富的植被覆盖对水源涵养和土壤保持起到了重要的作用, 同时, 水源涵养和土壤保持能力还受到坡度的影响, 随坡度的增加呈增加趋势。因此, 流域水源涵养和土壤保持呈现出了北部森林覆盖区域高, 南部城市建成区低的特征, 需加强城市化地区周边的水土流失治理。在水质净化方面, 平均栅格单元N、P保持量为0.0024kg, 水质净化功能差, 水质差, 城市建成区和不透水面的N、P保持量接近0, 对城市化区域河道的水质造成了较大的污染。

3.3 汀江上游流域雨洪过程和海绵体建设适宜区域空间分布特征分析

研究发现雨洪淹没风险最高的区域分布在流域山谷地区(图 5)。汀江上游流域山谷地区形成了很多“口袋型”的洼地和小盆地, 遇暴雨时洪水会积聚于河道束窄地段。城市层面上, 100年一遇情景下, 中心城区的洪水淹没面积为8.44km², 占其总面积的18.53%, 中心城区沿河道多处发生洪涝灾害, 平均淹没深度为0.99m, 最大淹没深度为1.69m。核密度分析的结果显示, 雨洪灾害在中心城区的分布更为连续和集中, 这与城市化建设改变了自然水系廊道和下垫面性质有一定的关系, 强度较高的地区分布于郑坊河与汀江河交汇处以及北部铁长河与汀江河交汇处, 与雨洪径流过程模拟中划分的四级和五级汇流节点重合, 说明汇流量较大的节点更容易发生雨洪灾害。

流域海绵体建设适宜性等级的高值或低值在空间上的聚集情况如图 5所示, 汀江上游流域海绵体建设适宜性冷热点区域占该区总面积的比例分别为：极显著热点9.25%、显著热点8.43%、热点5.13%、非显著点55.73%、冷点6.07%、显著冷点20.12%、极显著冷点1.33%。非显著点占总面积的一半以上, 冷点区面积略高于热点区面积。极显著热点区域主要沿汀江河、铁长河和涂坊河分布, 同时在中心城区和新桥镇等地区呈现出明显的连续性和集中分布特征, 这些地区适宜结合其周边用地情况布置流域型大海绵体设施。

3.4 基于雨洪过程模拟和海绵体建设适宜性分析的汀江流域海绵空间格局重构

将高、中、低三种安全格局与海绵体建设适宜性评价结果进行叠加分析结果如图 6所示, 二者在空间上重合的面积占研究区总面积的18.15%, 其中低安全格局-高适宜性、低安全格局-中适宜性和低安全格局-低适宜性区域在城区分布较为密集, 说明应在中心城区布置更多的海绵设施, 降低雨洪风险。将研究区划分为海绵功能区与海绵生态区两种性质不同的海绵化区域, 寻找雨洪调控的关键点和区域, 重构研究区的海绵系统空间格局(图 6)。其中海绵功能维持区为高安全格局-高适宜性区域, 分布在城市边缘处于半开发状态, 具备一定的雨洪调蓄能力；海绵功能调整区为高安全格局-中适宜性区域, 主要为城市建成区, 开发强度大, 因用地条件限制, 规划中需在其现状基础上进行海绵设施改造；海绵功能优化区为中安全格局-高适宜性区域, 是城市内涝风险防治的重点区域, 需提出针对性的优化措施；海绵生态保育区为中安全格局-中适宜性区域, 该区域主要为森林植被覆盖；海绵生态调蓄区为低安全格局-高适宜性区域, 主要分布在城市周边的农田, 具备改造为大海绵体设施的建设条件；海绵生态涵养区为低安全格局-中适宜区域, 该部分地区位于流域上游, 现状水土保持能力较差。

4 讨论与结论 4.1 讨论

雨洪过程模拟是修复自然水文过程和城市良性水文循环的关键措施, 是海绵城市建设的核心功能, 海绵体建设适宜性分析和评价则是海绵城市建设分区的基础。本研究创新性地提出了一种集成使用SWAT、SCS和InVEST模型模拟和分析雨洪过程及海绵体建设适宜性耦合关系的技术方法框架, 重构了流域海绵系统, 指导长汀县海绵城市专项规划实践。与以往研究相比, 综合SWAT和SCS模型的雨洪过程模拟方法, 提高了雨洪径流路径提取的准确性和雨洪淹没模拟的效率^[52—53]；同时基于InVSET模型的分析方法相较于单因子评价方法更多考虑了流域海绵体资源要素的相互作用关系, 为流域海绵体建设适宜性评价提供了新的思路^[54—55]。

海绵体设施的尺度大小、数量关系和功能连接方式是目前海绵城市规划与建设中的重点内容。根据研究结果, 基于雨洪过程路径提取海绵体建设适宜性区域能够统筹流域环境中的山、水、林、田、湖、草等自然资源要素, 保障各级海绵体系统的自然、完整和连通, 细化海绵体设施的空间布局与配置方式, 强化了流域雨洪安全要素与系统化全域推进海绵城市建设理念的协同关系。总体上, 针对海绵功能维持区和海绵生态保育区, 建议围绕水库、池塘等湿地系统, 打造流域尺度的雨洪蓄滞系统, 在极端降雨情景下, 通过各级系统的联动消减洪水、滞后洪峰, 缓解下游城区的洪水压力。针对海绵功能调整区、优化区和海绵生态调蓄区, 可以根据雨洪安全格局和海绵体建设适宜性的叠加分析结果来划定规划区的径流控制单元, 并确定管控分区内海绵体公园和LID设施等的功能设置。然而, 在实际工作中, 依据海绵城市建设技术指南, 仍需结合地块使用性质和开发模式, 进一步分解地块的径流管控指标, 为海绵体和LID设施的需求总量和空间落位提供支持。针对海绵生态涵养区, 应加强周边森林、湖泊等生态系统的保护, 降低水土流失, 增加雨洪调蓄能力。综上所述, 研究区的规划首先要完成由面(整个流域范围)到线(汀江)的跨尺度规划, 重构汀江流域的海绵格局；再由线到点, 划定管控分区, 设置海绵调蓄公园和LID设施等。研究采用流域梯级径流控制体系, 实现对雨洪径流从流域-城市-河道-控制单元-LID设施的逐级消减和管控, 达到刚弹结合提高中心城区防洪标准的目标。

需要指出的是, 长汀县中心城区地处流域下游平坦的盆地中, 极端降雨情景下河道水位迅速上涨造成顶托, 中心城区的管网作用有限。因此, 本研究中着重考虑流域层面蓝绿海绵空间的雨洪调蓄作用, 在其他地区的实际操作中应分析河道洪水和城市雨洪的相互影响, 在规划中考虑蓝绿灰基础设施的连接方式和耦合作用效果。另一方面, 从雨洪风险管理的角度, 社会经济系统和人居环境系统的变化对雨洪灾害的发生起到一定的作用, 研究得到的基础设施空间布局和数量类型, 应进一步考虑将社会、经济、人口等变化和雨洪灾害随时间演变的信息结合起来分析。因此, 本研究提出的雨洪过程模拟与海绵体建设适宜性分析方法, 尚需在更多的实证研究中进一步改进和完善。

4.2 结论

本文以长汀县汀江上游流域为例, 开展了雨洪过程模拟和海绵体建设适宜性评价。结论如下：

(1) 集成多模型的技术方法框架在汀江上游流域研究中具有很好的适用性。通过雨洪过程模拟准确提取了流域雨洪关键产流区、汇流廊道和汇流节点, 并构建汀江上游流域的雨洪安全格局；同时, 基于InVEST的多指标评价方法能够统筹协调多种流域海绵资源要素分析流域海绵体的适宜性建设区域, 为系统化全域推进海绵城市建设提供了一种新的方法工具。

(2) 长汀县中心城区雨洪风险较高, 海绵体建设高适宜性区域集中在城区北面。汀江上游流域的雨洪安全格局整体呈现出沿主要河道分布的特征, 其中低水平安全格局面积为19.88km², 占安全格局总面积的23.1%, 汀江上游流域河道束窄地段和长汀中心城区是雨洪高风险区域；海绵体建设适宜性区域呈现出空间分布不均匀的特征, 高适宜性区域面积为37.31km², 占流域总面积的7.91%, 主要集中在中心城区北部和新桥镇的农田区域。

(3) 重构的海绵体空间格局促进了自然环境与水系网络的高度耦合并指导流域海绵城市规划。研究将流域海绵空间划分为不同生态区和功能区, 为流域海绵资源要素的保护利用提供了参考；同时, 为研究区内不同空间尺度海绵体基础设施的类型、数量、调蓄容积和空间布局等提供了依据, 协调土地利用与雨洪过程和格局的关系, 形成了刚弹结合、功能结构互补的基础设施布局体系。