國(guó)土尺度海綿系統(tǒng)：中國(guó)水生態(tài)安全格局

案例概要

我國(guó)水生態(tài)安全格局、城市發(fā)展格局和農(nóng)業(yè)發(fā)展格局之間存在著巨大的矛盾，一方面危害著整個(gè)國(guó)土水循環(huán)過(guò)程的健康，另一方面也帶了巨大的防洪成本。海綿國(guó)土戰(zhàn)略即針對(duì)這一矛盾，在國(guó)土尺度明確現(xiàn)有的水系統(tǒng)中的重要元素、空間位置和相互關(guān)系，通過(guò)保護(hù)水系統(tǒng)的關(guān)鍵空間格局來(lái)維護(hù)水過(guò)程的完整性，并為國(guó)家空間戰(zhàn)略制定提供依據(jù)。

（1）我國(guó)自然地理?xiàng)l件概況

地貌：中國(guó)地勢(shì)西高東低，山地、高原和丘陵約占陸地面積的67％，盆地和平原約占陸地面積的33％。山脈多呈東西和東北一西南走向，主要有阿爾泰山、天山、昆侖山、喀喇昆侖山、喜馬拉雅山、陰山、秦嶺、南嶺、大興安嶺、長(zhǎng)白山、太行山、武夷山、臺(tái)灣山脈和橫斷山等山脈。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”之稱，珠穆朗瑪峰海拔8848米，為世界第一高峰。在此以北以東的內(nèi)蒙古、新疆地區(qū)、黃土高原、四川盆地和云貴高原，是中國(guó)地勢(shì)的第二級(jí)階梯。大興安嶺一太行山一巫山一武陵山一雪峰山一線以東至海岸線多為平原和丘陵，是第三級(jí)階梯。

氣候：中國(guó)幅員遼闊，跨緯度較廣，距海遠(yuǎn)近差距較大，加之地勢(shì)高低不同，地形類(lèi)型及山脈走向多樣，因而氣溫降水的組合多種多樣，形成了多種多樣的氣候。從氣候類(lèi)型上看，東部屬季風(fēng)氣候（又可分為亞熱帶季風(fēng)氣候、溫帶季風(fēng)氣候和熱帶季風(fēng)氣候），西北部屬溫帶大陸性氣候，青藏高原屬高寒氣候。中國(guó)季風(fēng)氣候顯著，具有夏季高溫多雨、冬季寒冷少雨、高溫期與多雨期一致的特征。中國(guó)災(zāi)害性天氣頻繁多發(fā)，對(duì)中國(guó)生產(chǎn)建設(shè)和人民生活也常常造成不利的影響，其中旱災(zāi)、洪災(zāi)、寒潮、臺(tái)風(fēng)等是對(duì)中國(guó)影響較大的主要災(zāi)害性天氣。（圖1）

河流湖泊：中國(guó)是世界上河流最多的國(guó)家之一。中國(guó)有許多源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的大江大河。其中流域面積超過(guò)1000平方米的河流就有1500多條。中國(guó)湖泊眾多，共有湖泊24800多個(gè)，其中面積在1平方公里以上的天然湖泊就有2800多個(gè)。湖泊數(shù)量雖然很多，但在地區(qū)分布上很不均勻?？偟膩?lái)說(shuō)，東部季風(fēng)區(qū)，特別是長(zhǎng)江中下游地區(qū)，分布著中國(guó)最大的淡水湖群；西部以青藏高原湖泊較為集中，多為內(nèi)陸咸水湖。

圖1 中國(guó)年降雨量分布圖

（2）問(wèn)題與挑戰(zhàn)：城市化與防洪，永無(wú)休止的斗爭(zhēng)

在經(jīng)典的經(jīng)濟(jì)地理學(xué)理論中，“水”這一要素一直以來(lái)是產(chǎn)業(yè)和城市布局的核心要素之一。在世界范圍內(nèi)，人類(lèi)都有逐水而居的偏好，因?yàn)椤八痹杏松瑤?lái)了經(jīng)濟(jì)繁榮的勃勃生機(jī)，大江、大河、大湖等淡水富集，水力豐足之地都是人口產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。因此，我國(guó)也基本形成了“東密西疏、南密北疏”的城市化空間格局（顧朝林等，2008）和沿黃河、長(zhǎng)江、濱海的“π”字型城市群連綿帶（方創(chuàng)琳，2011）。但是這些區(qū)域也是歷史上的洪澇災(zāi)害、風(fēng)暴潮頻發(fā)區(qū)。城市集中建設(shè)過(guò)程中對(duì)大河大江的治理雖然減少了洪澇災(zāi)害，但是也破壞了河流生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)一步加劇了水生態(tài)環(huán)境的惡化；同時(shí)，與洪水爭(zhēng)地也造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失：僅2008年沿海地區(qū)共發(fā)生風(fēng)暴潮25次，直接經(jīng)濟(jì)損失192.24億元（國(guó)家海洋局，2008）；國(guó)家防汛抗旱總指揮部（SFDH）提供數(shù)據(jù)表明：每年洪水災(zāi)害的直接成本超過(guò)100億元，僅2010年，洪水造成直接經(jīng)濟(jì)損失176.5億元人民幣，受災(zāi)人口134萬(wàn)人。從1998-2006年，國(guó)家為鞏固防洪設(shè)施投資170.6億元。從2011年開(kāi)始，4萬(wàn)億元（約2010年的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的10％）將分配給國(guó)家水利工程，38％將用于防洪防汛。全球氣候變化導(dǎo)致海平面上升，近30 年來(lái)，中國(guó)沿海海平面總體上比1978年上升了90 mm（國(guó)家海洋局，2007）。預(yù)計(jì)未來(lái)30 年，中國(guó)沿海海平面將比2008 年升高80～130 mm（國(guó)家海洋局，2009）。同時(shí)，中國(guó)的城市化遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束，據(jù)預(yù)測(cè)，2050 年中國(guó)人口將達(dá)到15.87 億人的高峰，城市化率將達(dá)到75.60%，城市人口將達(dá)到11.99億人（《中國(guó)設(shè)市預(yù)測(cè)與規(guī)劃》課題組，1997）。與人口增長(zhǎng)相伴，未來(lái)30 年中國(guó)居民點(diǎn)、工礦、交通用地也仍將保持增加趨勢(shì)（張克鋒等，2007）。如果延續(xù)現(xiàn)在的城市布局方式，而不去重新思考城市化格局與水生態(tài)過(guò)程之間的關(guān)系，防洪將是一個(gè)永無(wú)休止的戰(zhàn)斗，沿海、沿江的城市化格局將受到進(jìn)一步挑戰(zhàn)，未來(lái)中國(guó)的城市還將持續(xù)不斷的付出巨大的代價(jià)。城市發(fā)展格局、水和生態(tài)安全格局、農(nóng)田發(fā)展格局之間產(chǎn)生的巨大的不可調(diào)和的矛盾還將持續(xù)甚至惡化。

國(guó)土尺度的研究結(jié)果進(jìn)一步印證了：我國(guó)洪泛區(qū)面積僅占國(guó)土面積的6.2%；我國(guó)的大部分城市人口恰恰分布在這些潛在的淹沒(méi)區(qū)，近70%的人口和70%的年GDP產(chǎn)出，恰恰在這6.2%的洪泛區(qū)內(nèi)（圖2圖3）（俞孔堅(jiān)，2012e）。國(guó)家每年投入上千億元建設(shè)防洪工程，實(shí)際上與洪水“爭(zhēng)奪“的僅僅是國(guó)土面積的很小部分。同時(shí)也是一個(gè)啟發(fā)，如果國(guó)家能將相應(yīng)面積的土地用于洪水滯蓄，那么就一勞永逸的解決水患的問(wèn)題。國(guó)土尺度的水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施就是由這6.2%的淹沒(méi)區(qū)再結(jié)合水源涵養(yǎng)地而組成的，它應(yīng)該成為中國(guó)未來(lái)城鎮(zhèn)化布局的依據(jù)。如果基于水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，中國(guó)未來(lái)的城市化格局會(huì)更理想：應(yīng)該布局在淺山區(qū)，包括華北平原、成都平原、關(guān)中平原的淺山區(qū)，而不是平原或盆地的中間。黨的十八大提出了三個(gè)格局的協(xié)調(diào)，及時(shí)且異常緊迫。亡羊補(bǔ)牢猶未為晚，中國(guó)城市化才進(jìn)行了一半，應(yīng)該盡快根據(jù)生態(tài)安全格局，特別是水生態(tài)安全格局和水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)主動(dòng)調(diào)整中國(guó)城鎮(zhèn)化空間格局，明智地解決中國(guó)長(zhǎng)遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題。

圖2 洪水威脅區(qū)內(nèi)GDP分布

圖3 洪水威脅區(qū)內(nèi)的人口分布

（3）對(duì)策：國(guó)土水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建

根據(jù)我國(guó)自然生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)和面臨的主要生態(tài)問(wèn)題，確定了對(duì)維護(hù)國(guó)家生態(tài)安全至關(guān)重要的關(guān)鍵性水過(guò)程主要包括洪水調(diào)蓄和水源涵養(yǎng)。

a.洪水調(diào)蓄安全格局

洪水調(diào)蓄能力關(guān)系到全國(guó)幾大流域的城市安全，本研究中確定洪水安全格局的思路是通過(guò)對(duì)自然洪水過(guò)程的分析，確定洪水和泥沙自然宣泄的空間，通過(guò)盡量避免在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模的城市建設(shè)，來(lái)降低洪澇災(zāi)害對(duì)人類(lèi)社會(huì)的影響。研究首先選取了我國(guó)七大流域的干流，采用堤防漫頂式模擬方法，分別對(duì)我國(guó)長(zhǎng)江、珠江、黃河、淮河、嫩江、松花江、遼河七大河流進(jìn)行洪水淹沒(méi)分析，得到不同流域在警戒水位和歷史最高水位高度下的洪水淹沒(méi)范圍。這些潛在淹沒(méi)區(qū)是構(gòu)建洪水安全格局的重要組成部分（圖4）。通過(guò)與歷史時(shí)期洪水分析對(duì)比，吻合度高（圖5），可判斷該淹沒(méi)分析的有效性。

圖 4 計(jì)算機(jī)模擬洪水淹沒(méi)范圍              

圖 5 歷史時(shí)期洪水分析

其次，在我國(guó)現(xiàn)有防洪調(diào)蓄工程體系下，將現(xiàn)有的蓄滯洪區(qū)，可供調(diào)、滯、蓄洪水的濕地，和重要江河的河道緩沖區(qū)綜合納入洪水調(diào)蓄安全格局的保護(hù)范疇。以國(guó)家層面提取潛在雨洪調(diào)蓄區(qū)域?yàn)槔?，一方面根?jù)水利部劃定我國(guó)各大流域蓄滯洪區(qū)范圍，共97個(gè)（詳見(jiàn)表1）；另一方面以中國(guó)1：100萬(wàn)濕地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)（來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)，中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心）為依據(jù)進(jìn)行類(lèi)型劃分，將面積在5萬(wàn)hm2以上的濕地作為洪水調(diào)蓄的潛在部分，并根據(jù)濕地面積大小進(jìn)行重要性分級(jí)。而河流湖泊則在國(guó)土層面參考（張行南等，2000）等選取平原區(qū)一、二級(jí)河流和重要湖泊。（圖6）

圖6 我國(guó)各大流域蓄滯洪區(qū)分布

最后，為了明確進(jìn)一步明確洪水調(diào)蓄格局內(nèi)的生態(tài)重要性等級(jí)，按照洪澇影響的程度依次分為低、中、高3個(gè)安全等級(jí)（表2），最終確定了國(guó)土尺度上的洪水調(diào)蓄安全格局（圖7）。

圖7 中國(guó)洪水調(diào)蓄安全格局

結(jié)果顯示，中國(guó)的最大的洪水淹沒(méi)范圍只占到國(guó)土總面積的6.2%，也就是說(shuō)，如果我們放開(kāi)所有的堤壩，沒(méi)有任何防洪設(shè)施，中國(guó)最大能淹掉的面積，最多也只有6.2%，而在一年一遇的洪水條件下，只會(huì)淹掉0.8%的國(guó)土面積。中水平情況下（20年一遇），也只淹到全國(guó)2.2%的面積。根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)，我們建立了洪水調(diào)蓄的高、中、低三個(gè)安全格局。

b.江河源區(qū)水源涵養(yǎng)安全格局

水源涵養(yǎng)安全格局構(gòu)建的目標(biāo)是：判別和劃定我國(guó)重要的江河發(fā)源區(qū)，將其作為關(guān)鍵的生態(tài)保護(hù)區(qū)域納入國(guó)土水安全格局的保護(hù)范圍，通過(guò)實(shí)施綜合的生態(tài)保護(hù)政策來(lái)保障該區(qū)域生態(tài)安全，緩解江河源區(qū)冰川后移、凍土退化、濕地萎縮、土地荒漠化等生態(tài)問(wèn)題，提高水源涵養(yǎng)能力。劃定思路具體如下：（1）利用江河發(fā)源點(diǎn)的分布格局和地形特征，劃定國(guó)土尺度上重要水源涵養(yǎng)保護(hù)區(qū)的空間范圍。（2）利用植被覆蓋度作為指示水源涵養(yǎng)能力的綜合指標(biāo)，分析評(píng)價(jià)江河源區(qū)內(nèi)水源涵養(yǎng)的能力；（3）選取具有重要水源涵養(yǎng)功能的沼澤、濕地，納入水源涵養(yǎng)保護(hù)區(qū)范圍；（4）根據(jù)數(shù)據(jù)選取冰川分布區(qū)、重要源頭水源保護(hù)區(qū)域等空間范圍；（5）結(jié)合植被覆蓋、冰川、濕地沼澤的空間分布，根據(jù)各區(qū)域水源涵養(yǎng)能力（土壤性質(zhì)、植被類(lèi)型、地被物性質(zhì)）和重要性的不同，最終將江河源區(qū)水源涵養(yǎng)安全格局從高到低分為三個(gè)等級(jí)。

江河源區(qū)分布區(qū)域：中國(guó)三個(gè)地形階梯之間交接的隆起帶，是主要的暴雨中心地帶，也是中國(guó)河流的主要發(fā)源地帶。第一階梯青藏高原東、南邊緣是中國(guó)最大的一些江河如長(zhǎng)江、黃河等的發(fā)源地；第二階梯東緣即大興安嶺—晉冀山地—豫西山地—云貴高原一線，是黑龍江、遼河、海河、淮河和珠江等的發(fā)源地；第三級(jí)階梯即長(zhǎng)白山—山東丘陵—東南沿海山地，則是中國(guó)二三級(jí)河流如圖們江、鴨綠江、錢(qián)塘江和閩江等的發(fā)源地。

利用江河發(fā)源點(diǎn)的分布格局和地形特征，劃定重要水源涵養(yǎng)保護(hù)區(qū)的空間范圍。根據(jù)區(qū)域范圍，選取河流發(fā)源點(diǎn)的分布范圍；利用空間分析工具對(duì)所有河流發(fā)源點(diǎn)進(jìn)行基于核函數(shù)的密度分析（Kernel Density），按照臨界值分類(lèi)法（Natural Break）的分級(jí)方法分為5個(gè)級(jí)別，得到江河發(fā)源點(diǎn)密度分級(jí)圖；根據(jù)江河發(fā)源點(diǎn)密度圖，以地貌類(lèi)型圖為基礎(chǔ)，在GIS（地理信息系統(tǒng)）軟件中進(jìn)行人機(jī)交互選取，提取得到涵養(yǎng)所有江河發(fā)源點(diǎn)所在山脈和高原。利用植被覆蓋度作為指示水源涵養(yǎng)能力的綜合指標(biāo)，分析評(píng)價(jià)江河源區(qū)內(nèi)水源涵養(yǎng)能力。影響水源涵養(yǎng)能力的因素包括地下因素（如水文地質(zhì)類(lèi)型，地下水高度）。選取具有重要水源涵養(yǎng)能力的冰川、沼澤、濕地，納入水源涵養(yǎng)保護(hù)區(qū)范圍。在重要水源保護(hù)區(qū)域的空間范圍內(nèi)，結(jié)合植被覆蓋、冰川、沼澤、濕地的空間數(shù)據(jù)分布，綜合劃分不同安全水平的江河源區(qū)水源涵養(yǎng)安全格局。

圖8 江河源區(qū)植被指數(shù)分布

江河源區(qū)水源涵養(yǎng)安全格局成果根據(jù)各區(qū)域水源涵養(yǎng)能力和重要性的不同從高到低分為三個(gè)等級(jí)，分別為低安全水平、中安全水平和高安全水平水源涵養(yǎng)安全格局。其中，低安全水平水源涵養(yǎng)安全格局是我國(guó)最重要的水源涵養(yǎng)區(qū)；中安全水平安全格局是在低安全水平的基礎(chǔ)上，需要保護(hù)的更大范圍的水源涵養(yǎng)區(qū)域，即為水源涵養(yǎng)的滿意格局；高安全水平安全格局是保障我國(guó)水源涵養(yǎng)區(qū)域的所有區(qū)域，是最為理想的水源保護(hù)格局。由于我國(guó)橫跨多個(gè)氣候帶，因此本研究對(duì)濕潤(rùn)區(qū)、半濕潤(rùn)區(qū)和干旱與半干旱區(qū)三種氣候帶的植被覆蓋度采取不同的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。不同安全水平的具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。

根據(jù)江河源區(qū)水源涵養(yǎng)安全格局劃分結(jié)果（見(jiàn)圖9），低安全水平水源涵養(yǎng)安全格局面積233.2萬(wàn)km2，占國(guó)土面積的24.3%，主要分布在以三江源為核心的青藏高原東部地區(qū)和位于我國(guó)地勢(shì)三大階梯交錯(cuò)帶的山脈體系。從河流發(fā)源地區(qū)和水源供給區(qū)域來(lái)看，青藏高原東緣的三江源地區(qū)是長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江等我國(guó)最大河流的發(fā)源地；阿爾泰山、天山山脈是保障新疆沙漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)最重要的水源涵養(yǎng)區(qū)域；祁連山脈是河西走廊和柴達(dá)木盆地北部水源供給地；大興安嶺、小興安嶺、長(zhǎng)白山脈是嫩江、松花江、鴨綠江和圖們江等水系的水源區(qū)，是我國(guó)東北地區(qū)的重要水源涵養(yǎng)地；燕山、呂梁山、太行山是海河流域水源地；秦嶺是淮河流域的重要水源涵養(yǎng)區(qū)；南嶺及武夷山脈是我國(guó)東南地區(qū)河流的重要水源涵養(yǎng)區(qū)域；橫斷山脈是云南地區(qū)河流的重要水源涵養(yǎng)區(qū)。中等安全水平水源涵養(yǎng)安全格局面積418.2萬(wàn) km2，占國(guó)土面積的43.6%，空間范圍為除低安全水平水源涵養(yǎng)安全格局外，還包括太行山、呂梁山脈、陜北高原和云貴高原部分地區(qū)。高安全水平水源涵養(yǎng)格局面積594.9萬(wàn)km2，占國(guó)土面積的61.9%，空間范圍包括青藏高原全部和我國(guó)所有山脈體系，是我國(guó)需要保護(hù)的水源涵養(yǎng)區(qū)域的理想格局。

圖9中國(guó)江河源區(qū)水源涵養(yǎng)安全格局

c. 國(guó)土尺度水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施

將針對(duì)洪水調(diào)蓄和水源涵養(yǎng)的兩個(gè)安全格局進(jìn)行疊加，即可得到以洪澇調(diào)蓄和水源涵養(yǎng)為目標(biāo)的水生態(tài)安全格局（圖10），國(guó)土尺度的水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施即為水生態(tài)安全格局，它意味著這些區(qū)域是對(duì)于全國(guó)的洪水調(diào)蓄和水源涵養(yǎng)極為重要的區(qū)域。其中關(guān)系到國(guó)家洪澇安全的最為核心的區(qū)域包括與大江大河相連的最重要的滯洪濕地、蓄滯洪區(qū)以及河道兩側(cè)的緩沖地帶，是洪水調(diào)蓄保障的最低限度。包括國(guó)家規(guī)定的洪泛區(qū)、重要的滯洪濕地以及河道兩側(cè)的緩沖地帶，面積為7.5萬(wàn)km2，占國(guó)土總面積的0.8%，是國(guó)家洪水安全的生命底線。關(guān)系到國(guó)家水源涵養(yǎng)最為安全的區(qū)域主要包括以三江源為核心的青藏高原東部地區(qū)和位于我國(guó)地勢(shì)三大階梯交錯(cuò)帶的山脈體系。其中，青藏高原東緣的三江源地區(qū)是長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江等我國(guó)最大河流的發(fā)源地；阿爾泰山、天山山脈是保障新疆沙漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)最重要的水源涵養(yǎng)區(qū)域；祁連山脈是河西走廊和柴達(dá)木盆地北部水源供給地；大興安嶺、小興安嶺、長(zhǎng)白山脈是嫩江、松花江、鴨綠江和圖們江等水系的水源區(qū)，是我國(guó)東北地區(qū)的重要水源涵養(yǎng)地；燕山、呂梁山、太行山是海河流域水源地；秦嶺是淮河流域的重要水源涵養(yǎng)區(qū)；南嶺及武夷山脈是我國(guó)東南地區(qū)河流的重要水源涵養(yǎng)區(qū)域；橫斷山脈是云南地區(qū)河流的重要水源涵養(yǎng)區(qū)。上述區(qū)域面積約233.2萬(wàn)km2，占國(guó)土面積的24.3%。

國(guó)土尺度的水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，其構(gòu)建的意義在于明確我國(guó)水生態(tài)安全的一個(gè)總體格局，這一總體格局將如前所述，可以為我國(guó)的城市化格局、生產(chǎn)力布局、以及大的區(qū)域戰(zhàn)略制定提供科學(xué)的依據(jù)和有效的參考。

圖 10 以水生態(tài)安全為核心的中國(guó)國(guó)生態(tài)安全格局

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