一种用于确定南卡罗来纳州沿海地区雨水湿地和生物滞留系统适用性的决策支持工具

《Ecological Complexity》：A decision support tool for determination of stormwater wetland and bioretention system suitability in coastal South Carolina

植被型风暴径流控制措施（VB-SCMs）的适宜性分析及GIS模型比较。研究基于SC沿海四县，开发加权线性组合（WLC）和空间查询（SQ）模型评估滞留型湿地和渗透型生物滞留系统的适宜性，发现SQ模型更严格，适合小面积生物滞留系统，但两者均因面积限制导致现有湿地仅部分适用（WLC 68%、SQ 48%）。结论为模型有效，但需实地验证。

　　在现代城市化进程中，不透水地表的增加导致了多种负面后果，包括暴雨期间径流量的上升、流速的加快以及下游水质的下降。这些变化对生态环境构成了严重威胁，尤其是在沿海地区，由于独特的水文条件，传统的雨水管理方法在实施过程中常常面临挑战。因此，研究和应用基于植被的雨水控制措施（VB-SCMs）成为了一个重要的课题。VB-SCMs通过促进地下水渗透和蒸散发作用，有助于减少雨水径流，从而改善水质并恢复原有的水文循环。本文旨在探讨两种VB-SCMs——基于蓄水的雨水湿地和基于渗透的生物滞留系统——在南卡罗来纳州沿海地区的适用性，并通过地理信息系统（GIS）构建了两种模型，即加权线性组合（WLC）模型和空间查询（SQ）模型，以评估它们的适用性。

研究区域覆盖了南卡罗来纳州的四个沿海县：贝福特县、查尔斯顿县、乔治敦县和霍里县。这些地区具有温暖湿润的气候，夏季漫长而炎热，冬季温和。土壤类型以沙土为主，排水性能良好，降雨量充足，且在某些季节会出现极端天气事件，如雷暴、龙卷风和飓风，这使得该地区的降雨量波动较大。此外，该地区的地势相对平坦，平均海拔在15米至61米之间，这些自然条件对VB-SCMs的选址和设计提出了特定的要求。

在评估VB-SCMs的适用性时，研究团队采用了两种GIS模型，即WLC模型和SQ模型。这两种模型分别通过不同的方法对适用性进行分析。WLC模型通过为每个适用性标准分配权重，计算出综合得分，从而识别出最适合实施VB-SCMs的区域。而SQ模型则更侧重于筛选出符合特定条件的区域，通常用于确定是否满足基本的建设要求。研究结果表明，两种模型都识别出适用于VB-SCMs的区域比例较低，但SQ模型所识别的适用区域比WLC模型更少。这一差异可能与两种措施所需的土地面积有关，生物滞留系统通常需要较小的空间，而雨水湿地则需要更大的面积。因此，在评估过程中，土地面积成为了一个关键限制因素。

在研究过程中，发现现有的自然湿地中，仅有约68%和48%被预测为适合用作雨水湿地（分别基于WLC和SQ模型）。这一结果表明，尽管自然湿地在水文调节方面具有潜力，但其在城市开发中的应用受到土地面积和空间布局的限制。相比之下，生物滞留系统由于所需空间较小，因此在适用性评估中表现更为理想。此外，由于该地区的地下水位较浅，实施基于渗透的VB-SCMs可能会遇到一定的挑战，例如地下水污染和系统性能下降等问题。然而，通过正确识别地下水位较浅的区域，可以采用替代设计方案，如设置地下排水管道，从而有效缓解这些问题。

研究团队还探讨了VB-SCMs在该地区的适用性标准，包括地下水位、土壤类型、地形特征以及降雨量等因素。这些标准在不同县之间的应用可能有所不同，因为每个县的自然条件和土地利用模式都存在差异。例如，查尔斯顿县由于其特殊的地形和土壤特性，可能在某些方面更适合实施生物滞留系统，而乔治敦县可能更倾向于使用雨水湿地。因此，在实际应用中，需要结合具体的地理和环境条件，对适用性标准进行适当的调整和优化。

此外，研究还指出，尽管WLC模型和SQ模型在适用性评估中各有优势，但它们在结果上并不完全一致。这种不一致可能源于两种模型在处理数据和计算权重时的方法不同。WLC模型通过综合考虑多个因素，并赋予每个因素不同的权重，从而生成更为细致的适用性地图。而SQ模型则更注重于筛选出符合基本条件的区域，其结果通常较为直接和明确。因此，在实际应用中，可能需要结合两种模型的结果，以获得更全面的评估。

在开发适用性指数的过程中，研究团队还考虑了如何将这些结果有效地传达给相关利益方，包括规划师、开发商、工程师、土地管理者和监管机构等。为此，他们设计了一个用户友好的界面，使得这些评估结果能够更方便地被应用于实际的雨水管理项目中。这一界面的开发不仅提高了信息的可访问性，还增强了不同利益方之间的沟通和协作，有助于实现更有效的雨水管理策略。

研究的另一个重要发现是，随着城市化进程的加快，传统的雨水管理方法在应对日益增长的径流量方面显得力不从心。因此，VB-SCMs作为一种更为生态友好的替代方案，正逐渐受到重视。这些措施不仅能够减少雨水径流，还能改善水质，促进生态系统的恢复。然而，要实现这些目标，需要在设计和实施过程中充分考虑当地的自然条件和土地利用模式。

研究还强调了进一步在实地尺度上验证这些模型的重要性。尽管GIS模型在理论上能够提供较为精确的适用性评估，但在实际应用中，还需要结合现场数据和具体情况进行调整。这不仅有助于提高模型的准确性，还能确保VB-SCMs在不同地区和不同条件下都能发挥最佳效果。因此，未来的研究应更加注重实地调查和模型验证，以推动VB-SCMs的广泛应用。

总的来说，本文通过构建和比较两种GIS模型，探讨了VB-SCMs在南卡罗来纳州沿海地区的适用性。研究结果表明，尽管两种模型都识别出较低比例的适用区域，但SQ模型所识别的适用区域较少，这可能与生物滞留系统所需较小的土地面积有关。同时，研究也指出了在实际应用中需要考虑的多种因素，包括土地面积、地下水位、土壤类型和地形特征等。此外，研究还强调了开发用户友好界面和进一步实地验证的重要性，以确保VB-SCMs能够有效地应用于实际的雨水管理项目中。通过这些努力，可以更好地实现雨水管理的目标，减少对环境的负面影响，并促进可持续的城市发展。