基于“双E”视角的城市空间布局优化：应对扩张背景下的城市内涝治理新策略

为解决快速城市化进程中建设用地的扩张与洪涝风险加剧的矛盾，研究人员开展了基于“双E”（效益与费用）框架的城市空间布局优化研究。该研究耦合SCS-CN模型与NSGA-II算法，在深圳市国土空间规划约束下，优化未开发土地转为建设用地的空间布局。结果表明，优化方案仅增加1.8%的成本即可减少4.5%–6.3%的径流量（?RV），并识别出8种网格类型以指导决策。该研究为城市扩张中的洪涝防控与成本效益平衡提供了科学依据，对提升城市韧性具有重要意义。

　　

随着全球城市化进程加速，建设用地的需求持续增长，不透水地表面积扩大，洪涝风险显著增加。在快速城市发展背景下，“城市蔓延”（Urban creep）现象——即将耕地、林地、草地等未开发土地转为建设用地——已成为不可避免的现实。这种扩张减少了雨水下渗，提高了径流系数，显著增加了城市内涝的发生概率。作为最频繁且破坏性最强的自然灾害之一，城市内涝近年来在全球范围内造成了严重的经济损失和人员伤亡。以往研究表明，城市径流随建设用地面积的增加而增加，通过有效控制径流量可降低城市内涝风险。尽管绿色基础设施（Green Infrastructure）、基于自然的解决方案（Nature-Based Solutions）、低影响开发（Low Impact Development）和海绵城市（Sponge Cities）等措施被广泛推广以管理径流和降低洪涝风险，但很少有研究考虑城市扩张的空间布局对未来径流的影响。

为了填补这一空白，本研究提出一个“双E”（效益与费用）框架，以优化快速城市扩张背景下未开发土地转为建设用地的空间布局。其中，“效益”通过新开发产生的额外径流量（?RV，单位：m3）来量化——?RV越低，防洪效果越好；“费用”指将耕地、林地和草地转为建设用地的总投资成本（单位：人民币元）。该框架将土壤保护服务曲线数（SCS-CN）模型与非支配排序遗传算法II（NSGA-II）相结合，模拟径流并在国土空间规划约束下确定最佳土地转换策略，旨在提高建设用地扩张背景下的城市韧性。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：基于SCS-CN模型进行径流模拟，利用NSGA-II算法进行多目标优化，并结合地理信息系统（GIS）数据处理与空间分析。研究区域为深圳市，数据包括土地利用、数字高程模型（DEM）、绿地空间、投资成本及行政地图，分辨率多为30米（重采样至500米）。优化约束条件包括禁止水体转换、保护公园绿地以及坡度大于25°的区域不宜开发。

3.1. 优化结果概览

研究模拟了三种降雨重现期（T=20、50、100年）的情景，其降水量分别为124毫米、140毫米和153毫米。帕累托曲线显示，在所有情景下，优化需要在减少?RV和降低投资成本两个目标之间进行权衡。平均而言，投资成本约为618.15×10¹⁰元人民币，平均?RV值分别为66.47×10⁵、70.36×10⁵和72.75×10⁵立方米。与随机生成的基线方案相比，优化方案的成本仅增加1.8%，但?RV在不同降雨重现期下减少了4.5%–6.3%。这表明优化方案以较小的额外费用实现了防洪性能的显著提升。

3.2. 优化方案中的土地转换面积与空间布局

优化方案中，平均有37.71平方公里的耕地、108.48平方公里的林地和3.81平方公里的草地被转为建设用地。林地转换占主导地位，占总目标新建设用地面积（150平方公里）的72.32%，因其具有优异的渗透能力和可用性。耕地和草地的转换受限于其面积较小。空间布局上，土地转换网格细胞遍布全市，投资成本较低的郊区（如东部大鹏新区）是未来城市扩张的潜在候选区域。耕地转换细胞集中于中东部和中西部，林地转换在东部形成连续细胞，草地转换则分散分布。

3.3. 基于土地转换面积、?RV和成本的分类

根据平均转换面积、?RV和投资成本，细胞被分为八种网格类型。其中，35.35%的细胞为低转换面积-低?RV-低投资成本（LCA-LRV-LIC）型，36.89%为高转换面积-高?RV-高投资成本（HCA-HRV-HIC）型。东部地区主要为HCA-HRV-LIC型细胞，适合优先转换但需辅以绿色基础设施来缓解高径流；主城区附近则多为高成本细胞，需严格的土地利用政策和环境保护措施。

4.1. 城市防洪能力

优化结果表明，降雨重现期（T）和不透水地表比例（CN）是影响径流深（Q）的主要因素。Q随CN和T的增加而增加，但在不同T下，CN对?Q的影响程度不同：从T=20年升至50年时，T对?Q的影响大于CN；从T=50年升至100年时，CN的影响更大。这意味着在升级排水网络时，应优先考虑从低重现期到中等重现期的提升，以实现更高的成本效益。

4.2. 优化方案与随机方案的比较

两种方案的总土地转换面积相似，但空间布局存在显著差异。优化方案中，细胞转换面积范围为0–0.10平方公里，而随机方案为0–0.25平方公里。在61.75%的细胞中，优化方案的转换面积与随机方案不同，东部地区优化转换面积更大。对于仅含单一未开发土地类型的细胞，优化方案一致转换其25.92%的面积，这一发现可为未来城市扩张政策的阈值设定提供参考。

4.3. 优化结果的政策启示

基于八种网格类型，研究识别出四种发展模式：稳定发展模式、经济约束模式、防洪优先模式和推荐转换布局模式。政府应根据不同区域的特点制定相应政策，例如在远程区域优先转换高面积-高径流-低成本细胞并配套绿色基础设施，在主城区严格保护环境并增加绿地空间，在推荐模式区域加大资源投入促进经济发展。

该研究通过“双E”框架成功优化了深圳市土地转换的空间布局，在最小化额外径流量和控制成本之间取得了平衡。研究结果可为决策者提供科学依据，帮助设计既防洪又经济高效的城市扩张计划，增强城市韧性。未来研究需整合更精确的社会经济与生态数据，并考虑排水网络的影响，以进一步提升框架的适用性和可持续性。该论文发表于《Journal of Hydro-environment Research》，为全球快速城市化地区的洪涝治理与空间规划提供了重要理论与实践参考。