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国土尺度海绵系统：中国水生态安全格局

网 2018-03-24 来源：土人设计TURENSCAPE

原创

项目名称：

中国水生态安全格局
项目地点：
设计公司：

土人设计TURENSCAPE

案例概要

我国水生态安全格局、城市发展格局和农业发展格局之间存在着巨大的矛盾，一方面危害着整个国土水循环过程的健康，另一方面也带了巨大的防洪成本。海绵国土战略即针对这一矛盾，在国土尺度明确现有的水系统中的重要元素、空间位置和相互关系，通过保护水系统的关键空间格局来维护水过程的完整性，并为国家空间战略制定提供依据。

（1）我国自然地理条件概况

地貌：中国地势西高东低，山地、高原和丘陵约占陆地面积的67％，盆地和平原约占陆地面积的33％。山脉多呈东西和东北一西南走向，主要有阿尔泰山、天山、昆仑山、喀喇昆仑山、喜马拉雅山、阴山、秦岭、南岭、大兴安岭、长白山、太行山、武夷山、台湾山脉和横断山等山脉。西部有世界上最高大的青藏高原，平均海拔4 000米以上，素有“世界屋脊”之称，珠穆朗玛峰海拔8848米，为世界第一高峰。在此以北以东的内蒙古、新疆地区、黄土高原、四川盆地和云贵高原，是中国地势的第二级阶梯。大兴安岭一太行山一巫山一武陵山一雪峰山一线以东至海岸线多为平原和丘陵，是第三级阶梯。

气候：中国幅员辽阔，跨纬度较广，距海远近差距较大，加之地势高低不同，地形类型及山脉走向多样，因而气温降水的组合多种多样，形成了多种多样的气候。从气候类型上看，东部属季风气候（又可分为亚热带季风气候、温带季风气候和热带季风气候），西北部属温带大陆性气候，青藏高原属高寒气候。中国季风气候显著，具有夏季高温多雨、冬季寒冷少雨、高温期与多雨期一致的特征。中国灾害性天气频繁多发，对中国生产建设和人民生活也常常造成不利的影响，其中旱灾、洪灾、寒潮、台风等是对中国影响较大的主要灾害性天气。（图1）

河流湖泊：中国是世界上河流最多的国家之一。中国有许多源远流长的大江大河。其中流域面积超过1000平方米的河流就有1500多条。中国湖泊众多，共有湖泊24800多个，其中面积在1平方公里以上的天然湖泊就有2800多个。湖泊数量虽然很多，但在地区分布上很不均匀。总的来说，东部季风区，特别是长江中下游地区，分布着中国最大的淡水湖群；西部以青藏高原湖泊较为集中，多为内陆咸水湖。

图1 中国年降水量.jpg

图1 中国年降雨量分布图

（2）问题与挑战：城市化与防洪，永无休止的斗争

在经典的经济地理学理论中，“水”这一要素一直以来是产业和城市布局的核心要素之一。在世界范围内，人类都有逐水而居的偏好，因为“水”孕育了生命，带来了经济繁荣的勃勃生机，大江、大河、大湖等淡水富集，水力丰足之地都是人口产业集聚区。因此，我国也基本形成了“东密西疏、南密北疏”的城市化空间格局（顾朝林等，2008）和沿黄河、长江、滨海的“π”字型城市群连绵带（方创琳，2011）。但是这些区域也是历史上的洪涝灾害、风暴潮频发区。城市集中建设过程中对大河大江的治理虽然减少了洪涝灾害，但是也破坏了河流生态系统，进一步加剧了水生态环境的恶化；同时，与洪水争地也造成巨大的经济损失：仅2008年沿海地区共发生风暴潮25次，直接经济损失192.24亿元（国家海洋局，2008）；国家防汛抗旱总指挥部（SFDH）提供数据表明：每年洪水灾害的直接成本超过100亿元，仅2010年，洪水造成直接经济损失176.5亿元人民币，受灾人口134万人。从1998-2006年，国家为巩固防洪设施投资170.6亿元。从2011年开始，4万亿元（约2010年的国内生产总值的10％）将分配给国家水利工程，38％将用于防洪防汛。全球气候变化导致海平面上升，近30 年来，中国沿海海平面总体上比1978年上升了90 mm（国家海洋局，2007）。预计未来30 年，中国沿海海平面将比2008 年升高80～130 mm（国家海洋局，2009）。同时，中国的城市化远没有结束，据预测，2050 年中国人口将达到15.87 亿人的高峰，城市化率将达到75.60%，城市人口将达到11.99亿人（《中国设市预测与规划》课题组，1997）。与人口增长相伴，未来30 年中国居民点、工矿、交通用地也仍将保持增加趋势（张克锋等，2007）。如果延续现在的城市布局方式，而不去重新思考城市化格局与水生态过程之间的关系，防洪将是一个永无休止的战斗，沿海、沿江的城市化格局将受到进一步挑战，未来中国的城市还将持续不断的付出巨大的代价。城市发展格局、水和生态安全格局、农田发展格局之间产生的巨大的不可调和的矛盾还将持续甚至恶化。

国土尺度的研究结果进一步印证了：我国洪泛区面积仅占国土面积的6.2%；我国的大部分城市人口恰恰分布在这些潜在的淹没区，近70%的人口和70%的年GDP产出，恰恰在这6.2%的洪泛区内（图2图3）（俞孔坚，2012e）。国家每年投入上千亿元建设防洪工程，实际上与洪水“争夺“的仅仅是国土面积的很小部分。同时也是一个启发，如果国家能将相应面积的土地用于洪水滞蓄，那么就一劳永逸的解决水患的问题。国土尺度的水生态基础设施就是由这6.2%的淹没区再结合水源涵养地而组成的，它应该成为中国未来城镇化布局的依据。如果基于水生态基础设施，中国未来的城市化格局会更理想：应该布局在浅山区，包括华北平原、成都平原、关中平原的浅山区，而不是平原或盆地的中间。党的十八大提出了三个格局的协调，及时且异常紧迫。亡羊补牢犹未为晚，中国城市化才进行了一半，应该尽快根据生态安全格局，特别是水生态安全格局和水生态基础设施来主动调整中国城镇化空间格局，明智地解决中国长远的可持续发展问题。

图2 洪水威胁区内的GDP分布.jpg

图2 洪水威胁区内GDP分布

图3 洪水威胁区内的人口分布.jpg

图3 洪水威胁区内的人口分布

（3）对策：国土水生态基础设施构建

根据我国自然生态系统的特点和面临的主要生态问题，确定了对维护国家生态安全至关重要的关键性水过程主要包括洪水调蓄和水源涵养。

a.洪水调蓄安全格局

洪水调蓄能力关系到全国几大流域的城市安全，本研究中确定洪水安全格局的思路是通过对自然洪水过程的分析，确定洪水和泥沙自然宣泄的空间，通过尽量避免在该区域内进行大规模的城市建设，来降低洪涝灾害对人类社会的影响。研究首先选取了我国七大流域的干流，采用堤防漫顶式模拟方法，分别对我国长江、珠江、黄河、淮河、嫩江、松花江、辽河七大河流进行洪水淹没分析，得到不同流域在警戒水位和历史最高水位高度下的洪水淹没范围。这些潜在淹没区是构建洪水安全格局的重要组成部分（图4）。通过与历史时期洪水分析对比，吻合度高（图5），可判断该淹没分析的有效性。

图4 洪水淹没模拟结果.jpg

图 4 计算机模拟洪水淹没范围

图5 各流域历史洪水淹没范围.jpg

图 5 历史时期洪水分析

其次，在我国现有防洪调蓄工程体系下，将现有的蓄滞洪区，可供调、滞、蓄洪水的湿地，和重要江河的河道缓冲区综合纳入洪水调蓄安全格局的保护范畴。以国家层面提取潜在雨洪调蓄区域为例，一方面根据水利部划定我国各大流域蓄滞洪区范围，共97个（详见表1）；另一方面以中国1：100万湿地数据库（来源：国家自然科学基金委员会，中国西部环境与生态科学数据中心）为依据进行类型划分，将面积在5万hm2以上的湿地作为洪水调蓄的潜在部分，并根据湿地面积大小进行重要性分级。而河流湖泊则在国土层面参考（张行南等，2000）等选取平原区一、二级河流和重要湖泊。（图6）

图6 我国重要的蓄滞洪区.jpg

图6 我国各大流域蓄滞洪区分布

最后，为了明确进一步明确洪水调蓄格局内的生态重要性等级，按照洪涝影响的程度依次分为低、中、高3个安全等级（表2），最终确定了国土尺度上的洪水调蓄安全格局（图7）。

图7 洪水调蓄安全格局.jpg

图7 中国洪水调蓄安全格局

结果显示，中国的最大的洪水淹没范围只占到国土总面积的6.2%，也就是说，如果我们放开所有的堤坝，没有任何防洪设施，中国最大能淹掉的面积，最多也只有6.2%，而在一年一遇的洪水条件下，只会淹掉0.8%的国土面积。中水平情况下（20年一遇），也只淹到全国2.2%的面积。根据这个数据，我们建立了洪水调蓄的高、中、低三个安全格局。

b.江河源区水源涵养安全格局

水源涵养安全格局构建的目标是：判别和划定我国重要的江河发源区，将其作为关键的生态保护区域纳入国土水安全格局的保护范围，通过实施综合的生态保护政策来保障该区域生态安全，缓解江河源区冰川后移、冻土退化、湿地萎缩、土地荒漠化等生态问题，提高水源涵养能力。划定思路具体如下：（1）利用江河发源点的分布格局和地形特征，划定国土尺度上重要水源涵养保护区的空间范围。（2）利用植被覆盖度作为指示水源涵养能力的综合指标，分析评价江河源区内水源涵养的能力；（3）选取具有重要水源涵养功能的沼泽、湿地，纳入水源涵养保护区范围；（4）根据数据选取冰川分布区、重要源头水源保护区域等空间范围；（5）结合植被覆盖、冰川、湿地沼泽的空间分布，根据各区域水源涵养能力（土壤性质、植被类型、地被物性质）和重要性的不同，最终将江河源区水源涵养安全格局从高到低分为三个等级。

江河源区分布区域：中国三个地形阶梯之间交接的隆起带，是主要的暴雨中心地带，也是中国河流的主要发源地带。第一阶梯青藏高原东、南边缘是中国最大的一些江河如长江、黄河等的发源地；第二阶梯东缘即大兴安岭—晋冀山地—豫西山地—云贵高原一线，是黑龙江、辽河、海河、淮河和珠江等的发源地；第三级阶梯即长白山—山东丘陵—东南沿海山地，则是中国二三级河流如图们江、鸭绿江、钱塘江和闽江等的发源地。

利用江河发源点的分布格局和地形特征，划定重要水源涵养保护区的空间范围。根据区域范围，选取河流发源点的分布范围；利用空间分析工具对所有河流发源点进行基于核函数的密度分析（Kernel Density），按照临界值分类法（Natural Break）的分级方法分为5个级别，得到江河发源点密度分级图；根据江河发源点密度图，以地貌类型图为基础，在GIS（地理信息系统）软件中进行人机交互选取，提取得到涵养所有江河发源点所在山脉和高原。利用植被覆盖度作为指示水源涵养能力的综合指标，分析评价江河源区内水源涵养能力。影响水源涵养能力的因素包括地下因素（如水文地质类型，地下水高度）。选取具有重要水源涵养能力的冰川、沼泽、湿地，纳入水源涵养保护区范围。在重要水源保护区域的空间范围内，结合植被覆盖、冰川、沼泽、湿地的空间数据分布，综合划分不同安全水平的江河源区水源涵养安全格局。

图8 江河源区植被NDVI.jpg

图8 江河源区植被指数分布

江河源区水源涵养安全格局成果根据各区域水源涵养能力和重要性的不同从高到低分为三个等级，分别为低安全水平、中安全水平和高安全水平水源涵养安全格局。其中，低安全水平水源涵养安全格局是我国最重要的水源涵养区；中安全水平安全格局是在低安全水平的基础上，需要保护的更大范围的水源涵养区域，即为水源涵养的满意格局；高安全水平安全格局是保障我国水源涵养区域的所有区域，是最为理想的水源保护格局。由于我国横跨多个气候带，因此本研究对湿润区、半湿润区和干旱与半干旱区三种气候带的植被覆盖度采取不同的分级标准。不同安全水平的具体划分标准见表5。

根据江河源区水源涵养安全格局划分结果（见图9），低安全水平水源涵养安全格局面积233.2万km2，占国土面积的24.3%，主要分布在以三江源为核心的青藏高原东部地区和位于我国地势三大阶梯交错带的山脉体系。从河流发源地区和水源供给区域来看，青藏高原东缘的三江源地区是长江、黄河、澜沧江等我国最大河流的发源地；阿尔泰山、天山山脉是保障新疆沙漠绿洲生态系统最重要的水源涵养区域；祁连山脉是河西走廊和柴达木盆地北部水源供给地；大兴安岭、小兴安岭、长白山脉是嫩江、松花江、鸭绿江和图们江等水系的水源区，是我国东北地区的重要水源涵养地；燕山、吕梁山、太行山是海河流域水源地；秦岭是淮河流域的重要水源涵养区；南岭及武夷山脉是我国东南地区河流的重要水源涵养区域；横断山脉是云南地区河流的重要水源涵养区。中等安全水平水源涵养安全格局面积418.2万 km2，占国土面积的43.6%，空间范围为除低安全水平水源涵养安全格局外，还包括太行山、吕梁山脉、陕北高原和云贵高原部分地区。高安全水平水源涵养格局面积594.9万km2，占国土面积的61.9%，空间范围包括青藏高原全部和我国所有山脉体系，是我国需要保护的水源涵养区域的理想格局。

图9 江河源区水源涵养安全格局.jpg

图9中国江河源区水源涵养安全格局

c. 国土尺度水生态基础设施

将针对洪水调蓄和水源涵养的两个安全格局进行叠加，即可得到以洪涝调蓄和水源涵养为目标的水生态安全格局（图10），国土尺度的水生态基础设施即为水生态安全格局，它意味着这些区域是对于全国的洪水调蓄和水源涵养极为重要的区域。其中关系到国家洪涝安全的最为核心的区域包括与大江大河相连的最重要的滞洪湿地、蓄滞洪区以及河道两侧的缓冲地带，是洪水调蓄保障的最低限度。包括国家规定的洪泛区、重要的滞洪湿地以及河道两侧的缓冲地带，面积为7.5万km2，占国土总面积的0.8%，是国家洪水安全的生命底线。关系到国家水源涵养最为安全的区域主要包括以三江源为核心的青藏高原东部地区和位于我国地势三大阶梯交错带的山脉体系。其中，青藏高原东缘的三江源地区是长江、黄河、澜沧江等我国最大河流的发源地；阿尔泰山、天山山脉是保障新疆沙漠绿洲生态系统最重要的水源涵养区域；祁连山脉是河西走廊和柴达木盆地北部水源供给地；大兴安岭、小兴安岭、长白山脉是嫩江、松花江、鸭绿江和图们江等水系的水源区，是我国东北地区的重要水源涵养地；燕山、吕梁山、太行山是海河流域水源地；秦岭是淮河流域的重要水源涵养区；南岭及武夷山脉是我国东南地区河流的重要水源涵养区域；横断山脉是云南地区河流的重要水源涵养区。上述区域面积约233.2万km2，占国土面积的24.3%。

国土尺度的水生态基础设施，其构建的意义在于明确我国水生态安全的一个总体格局，这一总体格局将如前所述，可以为我国的城市化格局、生产力布局、以及大的区域战略制定提供科学的依据和有效的参考。

图10 中国国土水生态安全格局.jpg