基于水文效应的城市增长边界的确定-以镇江新民洲为例

收稿日期收稿日期：2012-07-13；修订日期修订日期：2013-01-22基金项目基金项目：国家自然科学基金（41001047）资助。作者简介作者简介：徐康（1989-）男，江苏连云港人，硕士研究生，主要研究方向为区域发展与土地资源管理。E-mail：[e-mail]通讯作者通讯作者：吴绍华，副教授。E-mail：[e-mail]基于水文效应的城市增长边界的确定——以镇江新民洲为例徐康1，吴绍华1，陈东湘2，戴靓1，周生路1（1.南京大学地理与海洋科学学院，江苏南京210093；2.南京大学金陵学院，江苏南京210089）摘要摘要：城市增长边界(UGB)是城市增长管理、控制城市无序蔓延的重要工具，但如何科学定量划定城市增长边界一直是一个技术难题。针对目前城市增长边界定量划定研究的不足，提出一种基于城市水文效应，适用于城市内涝易发区的城市增长边界划定方法。该方法整合了元胞自动机(CA)模型与区域水文模型(SCS)，通过CA模型预测城市不透水面积的扩张范围与形态，并以此作为城市水文模型的参数，评估城市淹水面积的比例及风险，最后根据风险水平确定城市增长边界。以镇江新民洲为例，实证研究了该地区的城市增长边界的合理划定，研究发现该区域城市扩张规模控制500hm2之内，城市在最大降雨条件下城市积水面积的风险水平能有效降低。研究结果可为新民洲的水文风险控制及城市规划提供依据，同时可为其他城市增长边界划定提供方法参考。关关键键词词：城市增长边界；CA模型；水文过程模型；城市用地中图分类号中图分类号：TU984.11文献标识码文献标识码：A文章编号文章编号：1000-0690(2013)08-0979-07在经济发展、人口增加、其他内外力的协同作用下，城市产生了空间扩展现象，包括平面的空间外扩和立体的上下的延展[1，2]，随之而来的是城市的无序蔓延与对资源环境的破坏。于是，“城市增长边界”(UrbanGrowthBoundary,UGB)应运而生。在中国，UGB在限制城市无序蔓延、保护城市外部开放空间、保护乡村与基本农田等方面得到应用[3]。但UGB的划定仍是个难点。国内已有多位学者对此进行研究，俞孔坚等提出以“反规划理念”为核心的保障城市生态基础设施建设的景观安全格局法，通过生态基础设施的构建来制定城市增长边界UGB[4]。冯雨峰等提出通过划定非城市建设用地与强制性控制手段，合理控制规划期内的土地开发总量与质量[5，6]。随着城市增长边界探讨的深入，如何量化其增长边界，并更准确直观地表征城市空间的扩展，成为学术研究的热点[7，8]。近两年，国内学者运用元胞自动机模型(CA)对城市空间扩展现象模拟[9~11]，龙瀛等利用约束性CA模型制定出北京市中心城、新城、乡镇3个层次的城市增长边界UGB[12]；黎夏等具体分析局部、区域、全局约束对CA模拟结果的影响，以珠江三角洲为研究区，获得合理的城市发展空间布局[13]。目前，将水文效应作为城市增长边界的约束条件尚不多见，特别是滨江城市用地，需兼顾发展和防灾的双重任务。随着城市开发规模的扩大，水泥、沥青等硬质地面增加，城市周围的大量非城市用地转为城市用地，城市下垫面不透水性增强，严重影响滨江城市的水循环。因此，针对沿海地区面临城市快速扩张与涝灾的双重问题[14]，本文以镇江新民洲为例，将水文效应作为城市增长边界的限制条件，整合CA与SCS[15]模型，在城市增长模拟的基础上，预测城市洪涝灾害发生的风险水平，从而确定城市增长的风险边界，为城市合理安全开发规模提供理论支撑。11研究区概况与方法11..11研究区概况研究区概况新民洲位于长江三角洲地区镇江市长江北岸（图1），南临长江、东西北三面与扬州市相接，地势第33卷第8期2013年08月Vol.33No.8Aug.,2013地理科学SCIENTIAGEOGRAPHICASINICA地理科学33卷低洼，行政区面积2250hm2，其中建设用地面积90.9hm2。距离江苏省会南京市60km，距离上海市230km，毗邻京杭大运河与长江“十字口”交汇处，交通便捷，区位优势明显。新民洲气候温润，四季分明。年降水量1020mm，年平均气温15.2℃。研究区主要水体为长江，所辖江段属感潮河段，半日潮型，历史最高洪水位6.70m，最低枯水位-0.66m，平均洪水位5.2m，平均枯水位0.08m，长江水量丰富，最大流量92600m3/s，最小流量为6020m3/s，多年平均流量29300m3/s，最大流速2m/s，最小流速0.5m/s，研究区内河流沟谷多为西-东向，属长江水系，但与长江水系沟通较少。新民洲地质稳定性较好，地下水资源丰富。地貌分区属于长江下游冲积平原区，地貌类型属长江三角洲平原中的新三角洲平原。11..22研究技术路线与方法研究技术路线与方法1.2.1研究技术路线本研究利用CA模型对研究区用地规模进行模拟；再将模拟结果作为SCS模型的参考数据，预测不同增长情况下的城市淹水面积；最后基于城市的淹水风险约束,确定城市增长的不同边界。以2010年为基期年，通过实地采样和资料收集获取CA模型和SCS模型的控制因子和参数，通过整理新民洲2010年土地利用现状图，选取工业用地、商业服务业用地和交通用地作为城市用地适宜性计算因子，选取水体、长江豚类保护区以及防护林等生态用地作为限制因子，设定不同阈值，模拟不同增长方式下城市用地开发规模；研究新民洲最大排水量、土地利用现状以及坡度高程等相关数据，并结合新民洲土壤类型、降雨前流域综合参数CN值，计算不同的建设用地面积下城市最大降水量条件下的积水面积，以此作为约束条件对研究区城市用地增长进行限制（图2）。图2研究技术路线Fig.2Technicalroutine图1新民洲地理位置Fig.1LocationofXinminzhouarea980徐康等:基于水文效应的城市增长边界的确定8期1.2.2基于CA模型的城市增长模拟元胞自动机（CA）是一种简单的局部运算模拟，用以表征空间上离散、时间上离散的复杂性现象的模型[16]。其特点是复杂的系统可由一些很简单的局部规则来产生。一个CA系统通常包括4个要素：元胞（cells）、状态（states）、邻域范围（neigh-bor）和转换规则（rules）[17]。其中转换规则是CA模型的关键，有了元胞及其状态集，加之邻域范围，利用转换规则即可生成CA模型进行数据模拟。不同年份可以设定其迭代次数进行循环。通过CA模型的转化规则、t时期内的土地利用状态及其邻域范围，可以预测t+1时间内的土地利用状态，本文利用新民洲2010年建设用地现状图对城市用地增长进行模拟：St+1ij=f(Stij,Ωij,Tt)(1)式中Sijt+1为元胞ij在t+1时间内的土地利用状态，Sijt为元胞ij在t时间内的土地利用状态，Ωij为元胞ij的邻域关系，Tt为其转化规则。新民洲土地利用类型转变主要是由非城市用地转化为建设用地，非城市用地主要由农田、农业设施用地、林地、湿地和附近的长江豚类保护区组成。建设用地主要包括工业用地、居住用地、商业服务业用地和公共基础设施用地等。故本文主要以非城市用地转化为城市用地来模拟城市土地利用的主要变化情景。非城市用地转为城市用地的转化概率p可以看成是空间单元ij在t时刻城市用地适宜性Aijt、限制因子Qijt、邻域转化Ωijt等因素综合影响的结果：p(St+1ijto_urban)=Atij×Qtij×Ωtij(2)城市用地适宜性A可以用指数函数来表示，城市用地适宜性是由距商业服务中心区距离aij,sf、工业区的距离aij,industry以及城市主干道的距离aij,road等因素决定的。Atij=exp{-α×[λ1aij,sfmax(asf)+λ2aij,industrymax(aindustry)+λ3aij,roadmax(aroad)]}(3)其中，λ1,λ2,λ3分别为商业服务业中心、工业区距离和城市主干道距离的权重，α为指数函数的分散参数。在限制因子Q选取中，将长江豚类保护区、水体，防护林等设定为限制因子，赋值为0；由于新民洲地势平坦，故坡度在此不作为主要限制因子。Qtij=∏k=1nCk,ij(4)Ck,ij=ìíî0,当Ck受限1,其他(5)其中k为限制因子的个数，Ck,ij为限制因子。本研究利用摩尔（Moore）型空间单元作为邻域关系，其邻域关系如下：Ωtij=∑3×3num(stij_to_urban)3×3-1(6)通过以上计算得到元胞ij在时间t的土地利用转化概率p后，根据转换概率的阈值（γ）即可判断其下一时刻的土地利用状态。不同阈值的设定会使得用地类型转化呈现出不同速率，γ值越小，城市扩张发展速率越大，其阈值分别设定为85%、75%、65%、55%和45%，对新民洲2020年城市不同扩张速率情景模进行模拟。St+1ij=ìíîïï1,当ptijγ0,当ptijγ(7)1.2.3基于SCS模型的城市积水预测SCS（soilconservationservice）模型是应用最为广泛的流域水文模型之一，它能够很好的和研究区实际水文特征相结合，并充分考虑了流域下垫面的特点，如土壤类型、土地利用方式、前期土壤含水量及降水条件下的地表径流过程对降雨径流的影响。目前,国内研究SCS模型的学者主要从区域降雨-径流模型汇流计算[18~22]、污染物度量[23]、防洪[24]、城市水文[25，26]等方面进行研究，并取得较好的效果[27~33]。SCS模型通过产生地表径流之后的降雨损失与可能的最大滞留量之比等于径流量与总降雨量减去产生地表径流之前的降雨损失之比，确定出以下关系式[34]：FS=QP-Ia（8）式中：P是一次性降雨总量(mm)；Q为径流量(mm)；Ia为降雨初损值，即产生地表径流之前的降雨损失(mm)；F为降雨后损值，即实际入渗量，即产生地表径流之后的降雨损失(mm)；S为流域当时的可能最大滞留量，是后损的上限(mm)。美国农业部水土保持局在分析大量长期实验结果的基础上,提出了Ia=0.05S,因此,SCS模型产流计算公式一般表示为：当P0.2S时Q=(P-0.05S)2(P+0.95S)；当P0.2S时Q=0（9）981地理科学33卷由于流域的最大可能滞留量S和土地利用覆被、土壤类型、前期土壤含水量和坡度等下垫面因素密切相关，模型中，通过在引入变量CN，可较好地确定S，公式如下：S=25400CN-254（10）CN是反映降雨前流域特征的一个综合参数，也是SCS模型的主要参数，它与流域前期土壤湿润程度（Antecedentmoisturecondition，简称AMC）、坡度、土壤类型、植被和土地利用现状等有关。在SCS模型中，根据前5d总雨量将土壤湿润程度分为干（AMCI）、正常（AMCII）、湿（AMCIII）3种级别。CN值的确定参考GeethaK等的研究成果[35]。在对新民洲2020年不同情景下建设用地量及空间分布CA模拟的基础上，确定各土地利用类型面积比例，作为CN参数确定的依据。以200mm/d为高强度降水输入参数，利用SCS模型计算区域降雨最大滞留深度，并利用DEM数据，确定不同城市扩张情景下，淹水面积范围及分布，作为涝灾发生风险评估的依据。11..33涝灾风险评估与城市增长风险边界类型确定涝灾风险评估与城市增长风险边界类型确定滨江地区的新民洲区地势低洼，内水系与长江沟通不多，涝灾风险对城市用地增长的影响较为显著。故本文将最大降雨量条件下城市积水面积作为涝灾风险评价的指标，对新民洲基于水文效应的城市增长风险边界进行界定见表1。表表11涝灾风险评估涝灾风险评估Table1Riskevaluationoffloods最大降雨量条件下200mm/d城市积水比例25%以下25%~50%50%以上涝灾风险水平涝灾风险低涝灾风险中等涝灾风险高城市增长风险边界低风险边界中等风险边界高风险边界22结果与讨论22..11城市用地扩张情景城市用地扩张情景利用CA模型，对研究区的非城市用地转化为城市用地