基于径流过程认知的多情景土地利用模拟与丘陵城市雨水安全格局优化——以长沙为例

《Land》：Optimization of Stormwater Security Patterns in a Hilly City Informed by Runoff Processes: A Multi-Scenario Land-Use Simulation Approach

　　

快速城市化改变了丘陵城市的自然径流过程（runoff generation and concentration）并增加了洪水风险，然而将径流过程理解转化为协调的土地利用决策仍具挑战性。研究人员将2035年多情景土地利用模拟与径流过程理解相联系，用于优化雨水安全格局（Stormwater Security Pattern）。在长沙，土地利用、天然径流通道和低洼区为斑块生成土地利用模拟（Patch-generating Land-Use Simulation, PLUS）模型提供了防洪约束。通过耦合土壤保持局曲线数（Soil Conservation Service curve number, SCS-CN）模型与等量淹没算法（equal-volume inundation algorithm）模拟淹没。模拟淹没与历史记录之间的定性比较显示空间吻合良好。在100年、3 h降雨情景下，高风险区内新增建设用地在基线、防洪安全和经济发展情景中分别覆盖20.58、6.14和21.70 km²。综合方案平衡了防洪安全与经济发展，将该重叠减少至6.45 km²，较基线降低68.7%。其高风险区面积为319.24 km²，总淹没量为715.89百万m³。优化后的格局包括7级廊道、26个湖泊与水库、27个低洼控制区以及197.78 km²的其他淹没区。后两类区域的估计总蓄水需求为386.57百万m³。这些比较为通过蓝绿基础设施（blue–green infrastructure）优化丘陵城市雨水安全格局提供了规划依据。

快速城市化与极端降水叠加使丘陵城市洪涝风险上升。丘陵城市地形起伏明显，天然径流通道和低洼区常与发展所需建设用地空间重叠，高强度降雨超过排水能力后易形成汇流集中和局地淹没。已有研究能识别风险区和关键景观要素，但将径流产流、汇流路径和低洼受纳区转化为未来土地利用模拟的显式约束仍不明确；仅基于现状的评估也难以反映未来用地变化后的风险，并难以协调防洪安全与经济发展。因此，需要将径流过程理解、多情景土地利用模拟和雨水安全格局优化连接起来。

研究人员以长沙为案例开展研究。长沙位于湘江河谷地，丘陵面积占比高，快速城市化改变下垫面，2017年和2024年极端降雨造成严重内涝。研究目标是：将径流过程理解转化为土地利用模拟约束；比较基线、防洪安全和经济发展情景并推导综合方案；优化雨水斑块和廊道的空间布局、规模与蓄水能力分配。研究通过PLUS模型模拟2035年土地利用，耦合SCS-CN模型与等量淹没算法预测产流和汇流，再划分子汇水区并核算蓄水能力。结果显示，防洪安全约束能显著降低新增建设与高风险区重叠，综合方案在保障发展节点和用地需求的同时保留大部分防洪安全效益，为丘陵城市雨水安全格局优化提供规划依据。

研究区域为长沙行政全域，使用2000、2010、2020年土地利用数据。主要技术方法包括：以数字高程模型（DEM）为基础，采用Strahler河流分级与D8单流向算法提取天然径流通道并分级赋宽；以低洼圩区、天然径流通道和建设用地空间集聚作为防洪约束，输入斑块生成土地利用模拟（Patch-generating Land-Use Simulation, PLUS）模型；利用马尔可夫链（Markov chain）预测2035年用地需求，通过土地扩张分析策略（LEAS）与多种随机种子细胞自动机（CARS）模拟情景；采用土壤保持局曲线数（Soil Conservation Service curve number, SCS-CN）模型计算产流，以等量淹没算法（equal-volume inundation algorithm）模拟汇流和淹没深度；使用2017年与2024年事件验证，并在统一100年、3小时设计降雨下比较风险区与新增建设重叠；最后用ArcGIS水文模块划分12个子汇水盆地（sub-basin），按设计降雨深度、综合径流系数和子汇水区面积核算总径流、基质蓄水与廊道蓄水，并分配雨水斑块蓄水能力。

3.1 防洪约束
研究人员基于产流、汇流和受纳过程选取三类空间指标。低洼控制区（low-lying control zone）主要来自沿湘江及支流分布的圩区，选定27个圩区作为防洪安全情景的低洼控制区。天然径流通道通过DEM提取河网，采用Strahler方法划分为7级，1至3级为潜在天然地表径流通道，4至7级为既有河流，并按等级赋予不同管控宽度。建设用地方面，将减少空间集聚作为规划约束，以限制不透水面扩张对产流的增强作用。

3.2 多情景土地利用模拟与洪水风险比较
2020年土地利用模拟的Kappa系数（Kappa coefficient）为0.897，总体精度为94.34%，FoM（Figure of Merit）为0.220，表明模型能较好复现历史变化。在统一100年、3小时设计降雨下，三个初始情景总风险区面积相近，约386 km²，差异主要来自新增建设用地与不同风险等级区的重叠。高风险区内新增建设用地在基线、防洪安全和经济发展情景中分别为20.58、6.14和21.70 km²，防洪安全约束使新增建设相对基线和经济发展情景分别减少66.3%和66.4%。综合方案将重叠降至6.45 km²，较基线降低68.7%，同时保留Huanghua机场、长沙西高铁站等战略节点，并将低洼圩区和主要天然径流通道纳入管控。综合情景下产流深度为0至112 mm，高风险、中风险和低风险区面积分别为319.24、50.60和16.10 km²，总风险区为385.94 km²，总淹没量为715.89百万m³。

3.3 雨水安全格局
研究人员将长沙划分为12个子汇水盆地，并基于2035年综合情景径流分布计算各子汇水区总径流量、基质蓄水能力、廊道蓄水能力和雨水斑块所需蓄水能力。雨水斑块包括26个既有湖库、27个低洼控制区和其他淹没区。26个湖库和27个低洼控制区采用明确空间管控，其他淹没区采用弹性管控；其他淹没区面积约为197.78 km²。湖库蓄水能力为133.77百万m³，低洼控制区与其他淹没区所需剩余蓄水能力为386.57百万m³。雨水廊道对应1至7级河网，1至4级为既有廊道，5级为过渡类别，6至7级主要为潜在廊道；1至6级廊道实施明确空间管控，7级廊道在与建设区整合处采用弹性管控。

讨论部分指出，多情景土地利用模拟可作为径流过程理解与雨水安全格局优化之间的纽带。研究将径流过程转译为空间约束，再用地模拟和径流预测比较不同发展选择，最终引导雨水存储空间配置。四个情景中高风险汇流区面积相近，而新增建设与高风险区重叠差异明显，说明在统一DEM和设计降雨条件下，地形对汇流范围具有强约束，发展选址决定新增建设与风险区的重叠程度。综合方案相对基线降低14.13 km²，但相对防洪安全情景增加0.31 km²，体现安全与发展的空间权衡。研究还强调，应将径流过程理解转化为可操作约束，包括控制27个低洼区、调控多级天然径流通道和减少建设用地空间集聚，分别对应产流、汇流路径和汇流空间。规划上，城市扩张应避开高风险区和低洼区，城市更新应恢复汇水网络骨架，并通过生态空间分割降低用地集聚；雨水安全格局应纳入国土空间规划，实现从城市尺度情景比较到子汇水区管控的传导。局限在于径流过程框架主要依赖文献综合，SCS-CN模型和等量淹没算法更适用于宏观尺度，对建成区细节刻画不足，且当前采用单一设计降雨情景，未来需检验不同降雨历时、流速、淹没历时和高分辨率地形条件，并采用不同尺度水文水动力模型。

第5节结论可概括为：本研究开发了利用多情景土地利用模拟将径流过程理解与雨水安全格局优化相联系的雨水规划方法。以长沙为案例，研究人员基于径流过程理解识别三个空间指标，并将其操作化为防洪约束。这些约束被整合入PLUS模型，以比较基线、防洪安全和经济发展情景，并通过协调土地发展与雨水安全推导2035年综合土地利用格局。在共同设计降雨情景下模拟产流与汇流风险的空间分布。基于预测的径流分布，研究人员定量勾绘了丘陵城市雨水安全格局，该格局涵盖雨水斑块和廊道等结构要素的空间布局、蓄水能力分配与规划管控要求。结果表明：（1）防洪约束包括管理27个低洼区、调控多级天然径流通道和减少建设用地空间集聚；（2）在100年、3小时降雨情景下，三个初始情景中高风险区内新增建设用地分别为20.58、6.14和21.70 km²，综合情景为6.45 km²（此时高风险汇流区达319.24 km²，总淹没量715.89百万m³）；（3）雨水斑块包括26个既有湖库、27个低洼区和其他淹没区，后两类区域需纳入规划。建议将这些要素充分纳入国土空间规划，以支持从汇水区协调到子汇水分区的跨尺度实施。通过比较替代发展情景的径流分布与土地利用影响，本研究促使径流过程空间指标应用于源头洪水风险削减。结果表明，丘陵城市扩张应优先避开高风险区和低洼区，城市更新应恢复骨架汇水网络并减少建设用地空间集聚。这些发现为极端降雨频发下的灾害风险削减提供实践指导，并为丘陵城市雨水安全格局优化提供规划框架。