綠色基礎設施的洪水調節服務供需測度研究進展

顏文濤,黃 欣,王云才

1 同濟大學建筑與城市規劃學院,上海 2000922 重慶大學建筑城規學院,重慶 400045

面對嚴峻的氣候變化環境與極端氣候事件下頻繁的洪災問題,綠色基礎設施通過截留、調蓄、下滲等功能可減少徑流、降低峰值、縮短持續時間等提供洪水調節服務[1]。然而洪水調節服務的供應與需求在時間和空間上具有很強的分異性,且供需空間之間存在耦合關系[2-3]，導致洪水調節服務獲取的低效和滯后。服務供需測度有助于管理和決策者充分理解生態系統服務供應和需求之間差異、數量、規模和動態以及供需之間的互動關系[4],強化生態系統服務與人類福祉之間相互作用的理解,促進對生態系統和社會經濟系統之間相互作用機制的進一步探索[5],從而科學合理地進行生態系統服務管理,為城市土地利用規劃[6-7]、綠色基礎設施規劃[8]、景觀規劃[9-10],災害管理[11]、流域規劃[12]、生物多樣性規劃[13]等提供有效的工具。

當前研究在綠色基礎設施(Green Infrastructure,以下簡稱GI)生態系統服務的供應水平測度、需求水平測度、供需關系與匹配等方面均獲得了一定成果。本文以區域尺度GI洪水調節服務為對象,總結GI洪水調節服務的概念內涵,回顧洪水調節服務供需測度方法,構建了GI洪水調節服務的供需分析框架,分析了目前研究存在的問題,提出了未來的研究方向,以期對綠色基礎設施規劃研究和生態系統服務管理與決策研究有所啟示。

1 GI洪水調節服務的供應與需求

傳統研究從經濟價值角度測度生態系統服務[14],側重于生態系統服務的供應能力[15]。隨著對生態系統服務的進一步認識,許多學者逐漸將研究擴展到生態系統服務的供應與需求過程,從服務供應能力擴展至服務價值與需求取向[15],研究涉及各個尺度、不同目標和多個對象?；谝延醒芯拷馕鯣I洪水調節服務的供應和需求概念內涵、主體構成和尺度關系,有利于對服務供需測度方法的理解和優化。

1.1 GI洪水調節服務供需的概念內涵

綠色基礎設施GI在不同尺度上具有不同的生態系統服務功能與服務水平,區域尺度的GI是指相互連接的綠色空間網絡,包括水系、濕地、森林、野生動物棲息地等自然區域,大型綠道、公園、風景名勝區等生態保護用地,具有生態價值的已開發用地以及其他大型綠色開放空間等[17]。城市和社區尺度的GI是指城市公園綠地、雨水花園、滲透溝渠、雨水濕塘、雨水儲存設施、可滲透鋪裝、屋頂綠化等[18-19]。目前研究中多以區域尺度的GI為研究對象,也有少數研究測度城市尺度GI的洪水調節功能。

生態系統服務供應的概念為在生物物理屬性、生態功能和特定時空下的社會環境特性等要素作用下生態系統提供的可利用的自然資源與服務[20-21]。由此延伸的GI洪水調節服務供應可定義為“通過GI的徑流調節、水體調蓄、土壤持水與下滲等水文過程,影響洪水頻率、強度和持續時間等,對可能造成人類損失的水文現象所發揮的預防、減緩等作用”[22-23]。從生態系統服務之間關系來看,洪水調節服務是水調節服務的一部分功能,水調節是生態系統對自然界中水的各種運動變化所發揮的作用[24],洪水調節則是生態系統對威脅人類福祉的水文過程所發揮的減緩作用。從服務供應方式來看,GI洪水調節服務供應可分為間接調節和直接調節,直接調節是指為人類聚居區汛期多余的水量提供排除通道和存貯空間的生態過程,如泄洪通道和調蓄空間；間接調節是指通過GI的截留、下滲和蒸騰等生物物理過程,以減緩洪水形成概率和強度。GI洪水調節服務供應不僅受土地覆蓋類型和地形地貌的影響,還受到不同生態系統之間相互作用[25]的影響,如植被枯落物度對土壤持水能力的影響。

生態系統服務需求是人類可以從生態系統中獲益的前提條件[26]。目前學界針對洪水調節服務需求的定義尚未統一,但從生態系統服務需求概念的探討中可以引申其定義。有學者認為生態系統服務需求的概念因服務類型而異,商品服務需求(如許多供應服務和少量文化服務)可以通過消費量或市場價格來衡量,非商品服務(如大多數調節服務、文化服務和支持服務)的需求可以定義為人類生存發展的前提、偏好或愿望[27]。洪水調節服務需求是在人類面對水災危害時產生的一種非商品服務[12],獲取該類服務的目的是排除水災危害、保障人類安全,可定義為人類社會對排除威脅其生存發展的需要,既是生存前提也是發展愿望,其本質是應該需要調節的洪水水量。需注意的是,GI洪水調節服務的需求是指需要通過GI調節的洪水水量,應與通過灰色基礎設施調節的水量區分開來。

1.2 GI洪水調節服務供需的主體構成

目前有研究認為生態系統服務的供應概念包括潛在供應和實際供應：潛在供應反映了生態系統以可持續的方式為人類提供福祉的能力,而不考慮人類是否真正利用這些服務[28],只需通過生物物理環境和土地覆蓋測算服務供應水平；實際供應則反應了最終人類實際利用的服務量(即消費量),在潛在供應的基礎上,還需考慮人類獲取服務的技術途徑和管理方法等[29]。上述研究將潛在供應與實際供應的關系定義為潛在供應包含了實際供應。洪水調節服務有一定的定向性和定量性,洪災管理決策時需要明確生態系統服務供應中的實際可用量。綠色基礎設施可通過規劃提升自身的供應能力,同時也會因為遭到破壞而失去一部分供應能力,因此實際供應會隨技術發展而變化,潛在供應也會隨綠色基礎設施的狀態而變化,甚至出現潛在供應小于當前實際供應的情況。筆者認為潛在供應為人類通過技術改進后可利用的供應量,與實際供應為耦合關系,因此筆者將洪水調節服務供應構成分為供應總量、潛在供應和實際供應三部分：供應總量為GI可調節的所有水量,包括水源涵養的部分功能；實際供應為實際調節的水量；潛在供應則為總量供應中由于人類技術水平或生態系統承載能力等因素而未利用的服務供應量。將潛在供應和實際供應定義為洪水調節服務中兩個互補的部分,可以更透徹地審視綠色基礎設施洪水調節服務當前水平及其未來前景,更有效地為洪災管理和綠色基礎設施規劃提供決策依據。洪水調節服務是在下游平原地區存在受益者(人類及其社會系統)時才會發揮作用,許多服務供應主體存在巨大的潛力,GI規劃與管理實際上是強化將潛在供應轉換為實際供應的過程(圖1)。

圖1 綠色基礎設施與洪水調節服務供應關系Fig.1 Relationship between green infrastructure and flood regulation supply

根據生態系統服務需求的概念,洪水調節服務需求包括總量需求、實現需求和潛在需求。總量需求是指保證流域內所有人類及其社會生命財產安全所需要排出的洪水總量,實現需求是指當前已經滿足需求的部分洪水調節量,由于人類技術水平或生態系統承載能力等因素尚不能滿足需求的部分洪水調節量則是潛在需求。需求主體之間存在相互作用和權衡關系,如滿足流域上游需求時排出的洪水可能會對下游需求主體造成威脅。另外,需求主體的社會結構和經濟水平可以影響服務需求水平。為了更好地理解需求主體之間的關系并制定高效有序的生態系統服務管理決策,在測度洪水調節服務需求水平時,應關注實現需求和總量需求的關系,即需求比(實現需求與總量需求的比值)越小,該區域的生態系統服務需求越強烈[30],其中總量需求包含實現需求和潛在需求,需要考慮影響人口、社會和經濟分布的土地利用等因素的變化趨勢。

1.3 GI洪水調節服務供需的尺度關系

生態系統服務供需匹配是指在某一時間點,服務供應和服務需求在數量上和空間上的吻合[31]。生態系統管理需要關注供應水平與需求水平不匹配的現象,涉及時空尺度關系和數量關系[5,32]。作為一種典型的方向性生態系統服務,洪水調節的供應主體與需求主體之間存在明顯的時空分異,服務流動路徑中存在許多社會障礙和自然障礙[10],是導致洪水調節服務供需不匹配的主要原因[33],并在不同尺度上形成不同的供需關系(圖2)。區域尺度上,洪水調節服務供需空間關系多為供應空間與需求空間直接分離,數量關系最常見的表現為潛在供應大于實際供應,且總量需求大于實現需求,即洪水調節服務不充分利用和需求不完全滿足同時存在(圖3)[30]。洪水調節服務供需關系研究實際上是關注從供應端到需求端的服務連接過程(生物物理過程和社會經濟過程)[27],識別服務流動的關鍵因素,確定服務流動區域,最終形成服務供需網絡并尋求供需平衡。城市尺度上,洪水調節服務供需空間關系經常表現為供需空間相互穿插(城市尺度的需求空間為易淹區域),數量關系復雜,但總體呈現需求大于供應的關系。

圖2 不同尺度洪水調節服務供需空間關系 Fig.2 Spatial relationship between flood regulation supply and demand on different scale

圖3 洪水調節服務供需數量關系 Fig.3 Quantitative relation between flood regulation supply and demand

2 GI洪水調節服務供應測度方法

服務供應測度是評估生態系統狀態的重要環節,GI洪水調節服務供應測度方法包括土地利用測度法、生態系統測度法和洪水調蓄模型法。服務測度單元通常是同屬性單元,因測度方法而異,如土地利用單元、環境單元(如流域、生境)、行政單元或柵格單元等。

2.1 土地利用測度法

土地利用測度法是生態系統服務供應水平測度常用的方法,即根據土地利用和土地性質對生態系統服務水平進行快速評價。該方法原型可追溯至Costanza等人于1999年提出的生態系統服務價值評價法[14],由Burkhard等人應用于生態系統服務的功能測度。此方法主要原理為基于研究區土地利用情況,構建土地利用類型—生態系統服務功能矩陣,并組織專家進行價值打分或分級,將各類服務供應評價結果進行數理疊加,形成生態系統服務綜合評價[15,34-35]。具體步驟為：①系統劃分研究區土地利用類型,詳細調研土地利用性質和開發強度等特征,尤其是各類生態系統和生境單元的構成特征；②構建土地利用類型—生態系統服務功能矩陣,將四類生態系統服務展開形成一系列對應生態系統服務功能的評價因子,作為矩陣模型的橫列,土地利用類型作為矩陣模型縱列。該方法中洪水調節服務供應水平的評價因子是土地利用和土地覆蓋變化對徑流、洪水和蓄水層的影響,以用地的植被情況、下滲能力為判斷依據。③組織專家進行打分或分級,專家組由決策部門、研究學者、項目負責人和當地居民構成,先分別評分再進行差異性校驗和討論形成最終結果；④將評價結果進行可視化。土地利用測度法的弊端在于打分具有主觀性,取決于對土地利用性質的調查程度,因此關鍵在于盡量準確的土地利用基礎數據。該方法也可沿用于單功能服務的評估,洪水調節服務供應測度可沿用該方法進行快速評價,構建綠色基礎設施用地類型—洪水調節服務功能矩陣,分別從降雨截留、調蓄、下滲、排水等功能進行評價(表1),可用于定性地識別洪水調節服務供應主體空間分布和能力高低。

表1 綠色基礎設施用地類型—洪水調節功能矩陣

●洪水調節功能較強；○洪水調節功能較弱；空白——基本無此功能。表中的“●○”符號為各類GI用地洪水調節功能的定性判斷,實際測度時需根據研究區土地利用詳細數據和實地勘察進行進一步分級或打分

2.2 生態系統測度法

生態系統測度法是利用生態系統服務評估工具進行評價,通常為反應洪水調節量的測度,即根據研究區用地類型和環境特征,利用生態系統服務評估工具的水文模塊直接計算研究區洪水調節量,包括蓄水量、截留量、蒸散量等,適用于測度服務供應總量。其中蓄水量可根據水體最高水位與平均水位的高差和水域面積計算[36],也可參考已有研究中各省區蓄水水體的單位面積調蓄量統計數據[37]；植被截留量和蒸散量可通過文獻中植被類型截留率和蒸散率乘以該類植被覆蓋面積計算[38]。常用的工具有InVEST、ARIES等(表2)。InVEST (Integrated Valuation of Environmental Services and Tradeoffs),即“生態系統服務功能與權衡交易綜合評價模型”,InVEST的產水量模塊主要針對水源涵養服務[39],可測度降雨事件中柵格內綠色基礎設施用地的下滲量和蒸散量,但模型簡化了水文循環過程,未反映出地表徑流、地下徑流與植被截留過程。ARIES模型(Artificial Intelligence For Ecosystem Services)是由美國佛蒙特大學開發的生態系統服務功能評估模型。通過人工智能和語義建模,ARIES集合相關算法和空間數據等信息,可對多種生態系統服務功能(碳儲量和碳匯、美學價值、雨洪管理、水土保持、淡水供給、漁業、休閑、養分調控等)進行評估和量化[40]。該方法大多針對不同用地類型或生態系統類型的洪水調節服務進行評估,由于生態系統評估工具的綜合性較強,涉及多個服務模塊,因此針對性較弱,可在數據有限的情況下進行粗略的評估。

2.3 洪水調蓄模型法

洪水調蓄模型法主要應用于洪水調節服務供應空間和供應水平的模擬和測度,方法原理為基于土地覆蓋詳細數據,利用洪水調蓄模型,采用反應洪水調節服務的一個或多個指標評價研究區的服務供應水平,通常以柵格單元或土地覆蓋類型為評價單元。操作方法包括：①收集流域環境與降雨模式等環境參數,以及詳細的土地覆蓋數據；②根據研究區尺度和地理特征選取適用的模型工具；③導入環境參數與土地覆蓋數據,進行模擬實驗,輸出洪水調節量或反應洪水調節效應①的指標[41]；④根據輸出結果進行供應水平分級和空間表征[42-43]。該方法一方面可通過計算截留量、調蓄量、下滲量等測度洪水調節的水量[44],另一方面還可通過調節效應指標對服務供應水平進行評估,如地表徑流與峰值流量較小、土壤持水能力較高、集水區出口的排水量較大的區域具有越高的洪水調節能力[45-46]。Nedkov和Burkhard以地表徑流系數等指標將研究區劃分等級,在空間上用不同顏色的面域表示,將等級劃分結果與土地覆蓋類型疊合,統計各類土地服務該類型在各個指標等級中的面積占比,以判斷每種土地覆蓋類型的供應能力[26],也有研究通過地下水對地表徑流的貢獻(比例)反應洪水調節服務供應水平[43]。調節量指標反應綠色基礎設施的供應總量,但計算方法復雜且準確度較低,調節效應指標反應洪水調節服務的實際供應量,大多為實測數據,雖便于計算和模擬實驗,但只能評估某一時間點(實測數據時間)的供應量,且需區分流域或集水區內綠色基礎設施和灰色基礎設施的調節效應,否則結果仍缺乏準確性(表3)。

表2 常用的生態系統服務評估工具

表3 洪水調節服務供應測度指標

洪水調蓄模型法常用的工具有SWAT、STREAM、KINEROS2等(表4)。SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是美國農業部農業研究局(USDA-ARS)開發的流域尺度的分布式模型,用于模擬地表水、地下水的水質和水量,預測土地管理措施對不同土壤類型、土地利用方式和管理條件的大中尺度復雜流域的水文、泥沙和農業化學物質的影響。水文過程模型作為SWAT模型的一個重要子模型,主要包括降雪融雪過程、地表產流過程、蒸散發過程、地下基流過程等[47]。STREAM (Spatial Tools for River basins and Environment and Analysis of Management options) 模型是以蓄滿產量為概念結構的降水徑流模型,采用單元網格的計算方法,可以設計日、月、年等不同時間尺度的模擬,主要針對較大尺度流域的水文模擬,用于評估氣候變化、土地利用變化對水資源的影響,模擬誤差一般在20%以內,模擬精度與采用的數據源、流域特征、計算單元格網大小等因素相關[48]。KINEROS2(KinematicRunoffandErosionModel,Version2)是一個基于次降雨的分布式過程模型,用Smith-Panlange 模型和動力波理論模擬截留、地表徑流和侵蝕過程[40]。AGWA(Automated Geospatial Watershed Assessment)Tool是ArcGIS中的界面,用于支持KINEROS2、SWAT9模型等的數據組織、模型參數化、集成和可視化等,可在多個時空尺度上進行水文模擬和流域評估,包括徑流、侵蝕和沉積物產量等[49]。

表4 三種洪水調蓄模型工具對比

3 GI洪水調節服務需求測度方法

綠色基礎設施洪水調節服務的需求測度方法包括風險評估法、洪水淹沒模型法和經濟損失法,測度單元多為土地利用單元和柵格單元,測度對象為需求主體,即城市或鄉村社區。

3.1 風險評估法

風險評估是洪水調節服務需求測度最常用的方法,也是洪災規劃最常用的決策依據,是指基于風險三要素對洪災發生的風險進行評估,用洪災風險的高低衡量洪水調節服務需求的程度,即：洪災風險=洪災強度×承災體暴露程度×脆弱性[50]。洪災強度可以用洪災發生的頻率來表示(如20年一遇洪水強度指標為1/20,即0.05)；承災體是指被洪災覆蓋的人類活動區域,暴露程度與淹沒面積和淹沒深度等相關[51]；承災體脆弱性代表了被洪災覆蓋區域的人類社會面對災害的易損易傷程度,通過土地利用、人口密度和經濟數據等表示[52]?；静僮鞑襟E為：①收集研究區洪災歷史數據,統計歷史最高洪水危險及洪災發生的頻率,并通過水文模型提取10年、20年、50年一遇等洪水位線下的淹沒區域面積、淹沒深度和淹沒時間等；②分析受災區域的脆弱性,主要方法有基于研究區土地利用詳細數據(土地功能性質、建筑質量、人口密度、公服設施等)構建指標體系進行評估和分級,或通過歷史災情數據粗略判斷,亦或通過實地調查災損率和災損曲線等；③通過上述洪災風險計算公式計算每種重現期下的洪災風險,并通過柵格計算居民財產、房屋建筑損失等將風險評估結果空間化,作為洪災規劃和空間規劃的依據。風險評估法較全面地評估了洪災造成的損失程度,但強調受災區域的土地利用和社會經濟因素,沒有納入對GI洪水調節過程和作用的考慮,只能反應洪水調節服務需求主體的空間分布或需求程度,無法明確回答需求主體的需求水平,即需要調節多少洪水量。

3.2 洪水淹沒模型法

洪水淹沒模型法應用對象為洪水調節服務的需求主體(城市或社區),主要用于評估洪水災害的危險性(洪災強度×承災體暴露),方法原理是利用洪水淹沒模型對不同重現期洪水淹沒情況進行模擬,以獲取淹沒面積、淹沒深度和淹沒時間,直接計算需要調節或排出多少水量,對洪水危險性進行快速預測并為制定洪水調節策略提供依據[53]。該方法與風險評估法第一步操作大體相同,但重點在計算洪水調節服務需要調節的水量,以及根據土地利用、綠色基礎設施狀態等識別洪水調節的優先區域和主要調節空間等。常用的洪水淹沒模型有MIKE系列模型、Flood Area模型等。

MIKE系列模型由丹麥水利研究所開發,,可以較真實準確地反應研究區的洪水演進過程,由于其界面友好、功能全面,便于簡單快速精確地進行模擬實驗,廣泛應用在國內城市洪澇災害危險性評估中,適用于城市尺度和社區尺度等小尺度的研究,需要的數據包括設計暴雨量、下滲率、地形數據(高程)、河網信息(長度、水面寬度等)、河流來流和出流條件等[54-55]。Flood Area模型是由德國Geomer公司開發的以模塊形式與ArcGIS集成的二維非恒定流水動力模型,以柵格為單元計算每個柵格與周圍8個柵格之間的洪水流量和匯流過程,并分為漫頂、潰口和暴雨三種情景,模擬實驗需要的基礎數據包括降雨期間逐日及過程降水量、逐時降水量、流域DEM數據、土地利用柵格數據、土壤類型柵格數據、災情調查資料等[56-57]。Flood Area可對洪災淹沒進行分情景模擬,但三類情景同時存在時的復雜淹沒情景還需進一步完善。

3.3 經濟損失法

經濟損失法是通過洪災經濟損失(直接損失與間接損失)的歷史統計數據與預測分析,識別洪水調節服務需求主體、空間分布和需求程度。洪災經濟損失統計與預測方法大多為空間信息格網法,即基于ArcGIS等空間工具建立空間展布式社會經濟數據庫,收集研究區社會經濟信息、地形地貌、土地利用和居民點分布等數據,再利用遙感影像提取淹沒范圍,基于淹沒范圍和經濟數據庫統計洪災造成直接損失和間接損失,包括死傷人口、損毀房屋、個人財物、公共設施、受淹農作物、死傷牲畜等。由于流域內需求主體可能不止一個,且下游需求之間存在相關性,因此有研究將流域洪災經濟損失與上游區域面積的比率作為服務需求水平的測度指標之一,將需求與潛在的服務供應面積關聯起來,也就是說損失相同時,上游地區面積越大,該流域需求則越小[41]。經濟損失是對洪災需求程度的一類客觀表現,該方法可從經濟價值方面反映洪災造成的危害程度,且無需進行水文模擬實驗,可用于洪水調節服務需求水平的初步估計和預判,但經濟損失只能反映需求程度,無法直接測度需求水平,且由于分析數據皆為歷史統計數據,該方法無法對氣候變化環境下的潛在需求進行測度。

4 GI洪水調節服務供需分析框架

基于對供需匹配狀態的認知探索供需服務流動方式,可以為提升供需效度(服務供應/服務需求)的綠色基礎設施規劃提供依據。通過分析供需數量均衡和空間匹配關系,洪水調節服務供需關系可以分為四種情景(圖4)：①數量均衡且空間匹配為服務供需平衡狀態,需進一步探索變化環境下的服務供需動態平衡；②空間匹配而數量不均衡時(主要為供不應需)需要優化洪水調節服務的供應主體特征,并調整需求主體的分布等特征,提升供應水平同時降低需求水平,實現供需匹配；③數量均衡而空間不匹配時需要通過服務流動達到服務供需的流動平衡狀態；④空間不匹配且數量不均衡時需同時調整供需水平和促進服務流動。

4.1 GI洪水調節服務供需的數量均衡

數量均衡分析是GI優化管理的基礎。供需數量均衡分析方法有兩類：第一類為等級均衡,即基于供需水平測度分級,將需求等級分值轉換為負值后與服務供應等級分值進行疊加,以疊加后數值的正負與大小判斷供需數量均衡關系[26]。該方法雖然能粗略判斷洪水調節服務供需的程度關系,但無法準確地反應供需數量的大小關系,適用于較難量化的服務均衡分析。第二類為數值均衡,即直接用服務測度指標的數值進行均衡分析,適用于供給服務、部分調節服務等可量化的服務均衡分析。GI洪水調節服務的核心功能是“調節”,核心對象是洪水,因此采用數值均衡方法分析供需關系更加準確有效。

服務供需數量均衡時應首先確定服務供需的內部構成及其數量比例關系,即服務的供應閾值和需求閾值,再分析供需之間的數量比例關系。服務供應閾值是指在保持自身穩定的前提下GI能提供的最大服務量,包括實際供應量和一部分潛在供應量,取決于GI功能特征和狀態。GI洪水調節服務的需求閾值是指在所有需要調節的洪水中可通過GI調節的最大洪水量,城市尺度上可能存在總洪水水量無法全部由GI調節,因此,還需探索GI洪水調節量和灰色基礎設施洪水調節量之間的最佳組合方式,以達到最有效地洪水調節作用。確定洪水調節服務的供應閾值和需求閾值后,供需數量均衡才具有可持續性。

供需數量均衡可采用供需比(即服務效度)反應服務供需之間數量均衡狀態,供需比為1時為供需平衡,也可根據研究區情況設置供需平衡浮動區間。供需比分為當前供需比和總量供需比。當前供需比即實際供應與實際需求的關系[32],可以反應GI在受災時發揮的實際調節作用；總量供需比即總量供應與總量需求的比例關系,能為GI優化和生態系統服務管理提供決策依據。當前供需比是對服務供需現狀認知,而總量供需比反應了潛在供應量與潛在需求量,是GI洪水調節服務數量均衡分析的關鍵指標。

4.2 GI洪水調節服務供需的空間匹配

洪水調節服務普遍存在供需空間分異,因此空間匹配是供需分析的核心內容,也是綠色基礎設施規劃分析和決策的重要依據。GI洪水調節服務供需空間匹配研究始于供需空間識別與表征,再逐漸發展為對供需空間之間關聯的深入研究。供需空間識別與表征是反應生態系統服務供需空間格局和時空演變的重要手段。將服務供需測度的結果按照測度單元和測度水平分級用不同顏色,是供需空間識別與表征的常用方法,形成洪水調節服務供需空間分布圖[43]。洪水調節服務供需空間分布圖內容包括：服務供應主體(各類綠色基礎設施)和需求主體(受洪水威脅的城市、社區、鄉村居民點、農田等)的位置和規模；洪水調節服務供應水平和需求水平空間分布；洪水調節服務供需關系的空間特征,即供需盈余、赤字或平衡區域的空間分布特征[58]。供需空間之間的關聯分為原位關聯、全方位關聯和方向性關聯三種關系。原位關聯是指服務供應與需求空間在同一位置(如自給自足的食物供應)；全方位關聯是指服務產生于一個位置但其受益區域可輻射周邊或全球,通常為長期存在的服務需求且沒有偏好和指向性(如碳循環等支持服務)；方向性關聯是指服務供應與需求空間不在同一位置且二者在空間上具有特定的方向性(如水供應、洪水調節等)[2-3]。洪水調節服務的供需空間關聯主要是方向性關聯和原位關聯,其中方向性關聯最為常見,如上游區域的水調節作用可減少下游區域的洪水形成幾率,下游區域可為上游區域提供洪水調蓄空間,也存在少量原位關聯,如調節空間中少量的鄉村居民點或城市區域內具有調節功能的綠色空間等。

4.3 GI洪水調節供需服務流動

基于GI洪水調節服務的供需空間特征及其關聯,對供需服務流動機制的探索逐漸萌生,主要從流動空間與流動方向識別、流動方式與流動過程、服務流量以及服務流動模擬等展開研究[59-60]。研究方法通常為基于生態系統服務供需空間分布,通過對生態系統服務功能特征和作用方式,分析生態系統服務的實現方式[61],識別服務流動空間和流動方向并繪制服務流動示意圖[62]。也有對服務流動進行量化研究,但研究成果較少。對服務流動機制的模擬研究也有一些進展,如ARIES模型下的“服務路徑屬性網絡”(SPANs,Service Path Attribution Networks)。對于洪水調節服務,服務流動有兩種方式：一種方式是構建GI以提升需求空間的洪水調節服務水平,或將需求主體向服務供應水平較高的空間轉移；另一種方式是將超過調節服務水平的洪水水量,通過河流溝渠或者人工設施轉移到其他供應(或需求)空間上。兩種服務流動方式中,第一種方式可有效降低調節總量需求,而第二種方式過程中總量需求不變,其中一部分需求轉移到其他空間,如許多防洪設施(防洪堤等)是將風險和洪水調節需求轉移到下游,增加了下游需求主體的風險。洪水調節服務的流量應定義為洪水調節的水量,服務流動模擬可利用模擬工具對服務流動過程和效果進行直觀的展示,較為準確地模擬洪水調節的流量和路徑等,但以上研究目前仍處于概念階段,還未取得進一步成果[63]。

圖4 洪水調節服務供需分析框架Fig.4 Framework of analysis for flood regulation supply and demand

5 結論與思考

通過Web of Science 和CNKI上進行相關關鍵詞檢索,包括“洪水調節服務(flood regulation service)”、“水文調節服務(water regulation service)”、“生態系統服務評估(ecosystem service assessment)”、“生態系統服務量化與制圖(qualification and mapping of ES)”等,分析了國內外涉及洪水調節生態系統服務測度或評估方面的文獻約60余篇。從研究內容上看,專門研究洪水調節服務供需測度的文獻國內外都很少,國內幾乎沒有,主要的成果為Stürck和Nedkova的研究,其余大多數研究為生態系統服務綜合功能測度和價值評估,將洪水調節服務作為其中一類評估內容,基于洪水調節服務測度的服務流動機制和服務供需平衡研究較少。研究類型上,絕大多數為方法研究,即基于理論探討構建測度模型,并選取研究區進行模型應用,而對模型的驗證研究和模擬結果的實證性研究較少。從研究對象上看,國內多以某一類生態系統(如濕地、湖泊、森林或城市生態系統)為研究對象,國外已經對各類綠色空間的土地覆蓋進行了洪水調節服務的評估研究。從研究空間尺度上看,中小尺度流域單元的研究較多,國外有少量國家、洲際的研究。從時間尺度上看,多以短時間內的降雨模式和環境特征情景為研究基礎,有少量研究加入了氣候變化趨勢的因素。以上研究雖取得了一定的成果,但筆者認為仍存在一些問題并提出相關思考。

(1)GI洪水調節服務供需測度對象不聚焦,應將洪水量調節作為GI洪水調節服務測度的重點。目前的研究中洪水調節服務的供應測度過于關注GI的生物物理調節過程(截留和下滲),忽略了綠色基礎設施也具備快捷有效的調蓄和排水功能。需求水平測度重心為社會和經濟要素,忽略了對需要調節的洪水量本身的測度。供應測度應以GI調節水量(調蓄、下滲)為核心內容,強調GI的洪水調節服務供應總量；需求測度應以人類聚居區需要調節的水量為主要測度內容,可通過淹沒數據和模擬計算得出。供應可理解為流域內可浸區的持水量,需求可理解為流域內不可浸區需排出的水量。

(2)對GI洪水調節服務供需水平的動態變化分析較少。應將氣候變化環境、規劃發展等自然與社會因素納入對洪水調節服務的供需測度框架中,關注氣候變化背景下的洪水調節服務供需量和供需關系的動態演變。GI洪水調節供應量應包括綠色基礎設施現狀服務量和規劃優化后提升(或減少)的服務量,需求測度應包括現狀需求和城市規模變化情景下的潛在需求。

(3)供需數量均衡分析時供需服務測度量綱不統一。應將供需水平測度量綱統一為洪水調節量,可采用供應率和需求率表征供需效能。目前研究中供應指標多為調蓄水量或調蓄水率,需求指標多為災害損失的經濟價值,再將二者統一轉換為等級分值進行供需數量均衡分析,只能粗略判斷服務供需程度,無法準確回答何時何地可以調節和需要調節多少水量。要回答這個問題還需結合生態系統狀態和GI特征分析服務供應閾值,即生態系統穩定前提下GI能提供的最大服務量；結合城市自然環境、土地利用特征和社會經濟條件分析洪水調節需求量,探索綠色基礎設施與灰色基礎設施調節水量的最優組合方式。

(4)服務流動機制研究雖然取得了一些成果,但由于供需空間交錯疊加、不同服務之間存在相互作用,再疊加上社會經濟等因素,服務流動機制的研究存還處于概念與初探階段。未來的研究應基于洪水調節服務供需關系的深入理解,進一步展開洪水調節服務流動空間和方向、流動方式和過程、服務流量和路徑、服務流動機制模擬等相關研究,從而建立洪水調節服務供需主體之間的反饋網絡,為GI規劃的決策和管理提供科學依據。