基于InVEST模型的閩三角地區(qū)沿海脆弱性評估及響應策略

羅紫元 曾堅

沿海地區(qū)長期受到臺風、風暴潮等典型海岸自然災害的影響，其高密度的建成環(huán)境和社會經(jīng)濟面對自然災害往往會衍生出基礎設施損毀、停工停產(chǎn)停運、社會資源緊張等連鎖災害反應，嚴重威脅人類生產(chǎn)生活。全球氣候變化導致自然災害的發(fā)生頻率升高，修復手段的缺失和持續(xù)的人為壓力還會導致沿海生態(tài)系統(tǒng)退化。因此，沿海地區(qū)迫切需要識別高風險的脆弱岸線，制定修復整治和韌性提升策略?；谧匀坏慕鉀Q方案因在減少災害風險及損失[1]、加快沿海城市災后恢復速度[2]等方面的突出作用而日益受到重視[3]。在《全國重要生態(tài)系統(tǒng)保護和修復重大工程總體規(guī)劃（2021—2035年）》中，明確提出推進閩三角地區(qū)泉州灣、廈門灣和東山灣等半封閉海灣的整治修復，通過實施紅樹林保護，加強對侵蝕岸線和河口生態(tài)的保護修復，改善沿海脆弱性。

脆弱性原指系統(tǒng)因內(nèi)部存在風險而呈現(xiàn)易受攻擊和損壞的特征[4]，在災害風險領域，聯(lián)合國開發(fā)計劃署（United Nations Development Programme, UNDP）認為災害脆弱性是自然環(huán)境致災因子和人類社會經(jīng)濟脆弱共同作用的結(jié)果[5]。聯(lián)合國國際減災戰(zhàn)略（United Nations International Strategy for Disaster Reduction,UNISDR）將脆弱性定義為“社區(qū)、系統(tǒng)或財產(chǎn)的屬性和環(huán)境受到致災因子破壞的程度”，并進一步指出脆弱性具有時空特征[6]。沿海脆弱性評價最初被用于評估極端天氣的影響[7]，后在自然災害風險評價中發(fā)揮重要作用，其評價方法主要包括：聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）通用法、壓力狀態(tài)響應（Pressure-State-Response, PSR）模型法以及沿海脆弱性指數(shù)（coastal vulnerability index, CVI）法。其中，IPCC通用法主要為沿海脆弱性評價設計了一種概念框架，在實際操作層面存在一定難度。PSR模型法和CVI法均通過構(gòu)建指標評價體系，計算綜合脆弱性指數(shù)和劃分沿海風險等級[8]389，區(qū)別在于PSR模型的指標間存在較明顯的因果關系，而CVI法不強調(diào)指標內(nèi)部的因果關系，在一定程度上避免了指標的重復[9]。目前CVI法已在美國沿海脆弱性評價中得到廣泛應用，并在全球范圍內(nèi)得到推廣[10]2。此外，技術手段的發(fā)展大大提升了評價方法的可操作性。針對海岸淹沒和濕地損失等災害影響，根據(jù)面積、高程推測淹沒情況的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）[11]、預測沿海濕地變化的海平面影響濕地模型（Sea Level Affects Marsh Model,SLAMM）[12]、基于CVI法構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)服務和交易的綜合評估模型（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs, InVEST）的沿海脆弱性（coastal vulnerablility）模塊[13]222和動態(tài)交互脆弱性評估工具（Dynamic Interactive Vulnerability Assessment, DIVA）[14]等應運而生，為沿海脆弱性評估的定量化提供可能。其中，InVEST模型的沿海脆弱性模塊便于使用，能夠快速提供較綜合的沿海脆弱性評價結(jié)果，為規(guī)劃制定海岸帶保護策略提供參考依據(jù)，目前已經(jīng)在海岸脆弱性研究中得到一定應用[13]222, [15-16]。

本研究選用CVI法評價閩三角地區(qū)沿海脆弱性。首先借助InVEST模型評估當前閩三角地區(qū)的沿海脆弱性和人口風險，從中快速定位典型高風險的廈門市。針對InVEST模型在小尺度評價中指標選取有限、指標均等賦權的不足，根據(jù)文獻進一步完善指標選取，通過模糊邏輯（Fuzzy Logic）進行歸一化地理處理、模糊伽馬法（Fuzzy Gamma）進行指標聚合，開展對廈門市城市尺度沿海脆弱性的多情景模糊綜合評價。由此探討了提升沿海韌性的規(guī)劃響應策略，為沿海地區(qū)韌性防災和生態(tài)修復政策的制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

閩三角地區(qū)位于福建省東南部，主要包括廈門、漳州、泉州3個設區(qū)市以及其下轄縣區(qū)（圖1），自改革開放以來就是福建省最具經(jīng)濟活力的區(qū)域輻射帶動中心。其中，廈門市處于閩三角的核心區(qū)位，由大陸地區(qū)、廈門島和鼓浪嶼等島嶼以及廈門灣共同組成，國土面積1 699.39 km2，海域面積約390 km2，分為思明區(qū)、湖里區(qū)、海滄區(qū)、集美區(qū)、同安區(qū)和翔安區(qū)6個市轄區(qū)。自2000年以來，廈門市社會經(jīng)濟活動高速發(fā)展，填海造地、圍墾養(yǎng)殖、港口碼頭等人類活動造成海岸線劇烈變遷[17]，出現(xiàn)了濱海濕地減損、物種豐度下降等沿海開發(fā)帶來的典型負面影響，城市面對臺風、風暴潮等沿海自然災害的受災風險和災害損失日益增加。

1 研究區(qū)所在區(qū)位Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究取用表1所示的各項數(shù)據(jù)對研究區(qū)范圍開展沿海脆弱性分析，數(shù)據(jù)可用性和可信度已得到已有研究的驗證。

表1 沿海脆弱性分析數(shù)據(jù)來源Tab. 1 Data sources of coastal vulnerability analysis

1.3 研究方法

1.3.1 InVEST模型分析閩三角區(qū)域沿海脆弱性

借助InVEST模型分析當前閩三角地區(qū)的沿海脆弱性和人口風險。InVEST模型參照CVI法經(jīng)典研究[8]389，按照從低到高（1～5分）分別評估波浪暴露、風暴露以及地形地貌、地表起伏度和自然生境指標的脆弱性（表2）。

表2 區(qū)域尺度沿海脆弱性分析指標及其計算方法Tab. 2 Coastal vulnerability analysis indicators and calculation method on the regional scale

通過對各項指標取相同權重[10]6，按照公式（2）計算綜合沿海脆弱性指數(shù)：

其中：n為輸入指標的數(shù)量，Ri為各項指標的脆弱等級，CVIR為區(qū)域尺度的綜合沿海脆弱性指數(shù)，表示不同海岸線面對沿海災害的相對暴露。

同時，模型以沿海岸線的人口密度表征受沿海災害影響的人口風險。

1.3.2 基于模糊理論分析高風險城市沿海脆弱性

城市尺度沿海脆弱性評價需要進一步細化指標和權重。沿海脆弱性評價的指標分級存在模糊性，以往研究中對各項指標或取相同權重[18]7或通過層次分析法分配不同權重[19]151，較難體現(xiàn)空間對象的復雜性和不確定性。部分研究通過引入模糊理論體現(xiàn)模糊不確定性的影響[20]5,[21]156。

本研究參考相關研究[18]7,[19]143,[20]3,[21]156從地理特征參數(shù)、氣候脅迫參數(shù)和社會經(jīng)濟參數(shù)3個方面豐富了相關指標（表3）。根據(jù)模糊理論，對各項指標進行基于模糊邏輯的歸一化地理處理，使其在[0，1]的范圍內(nèi)分配權重。繼而采用模糊伽馬法聚合各指標[22]，形成城市尺度沿海脆弱性的模糊綜合評價。

表3 城市尺度沿海脆弱性分析指標及函數(shù)方法Tab. 3 Coastal vulnerability analysis indicators and function method on the urban scale

1.3.3 基于多情景沿海脆弱性分析自然生境作用

受氣候變化影響，沿海自然災害風險漸趨惡化。受到可操作性和經(jīng)濟性等因素限制，大規(guī)模人口遷移、土地利用變更和改變地形地貌等方式具有較大的操作難度和較高的經(jīng)濟損失。因此，基于自然的解決方案為提升沿海韌性、改善生態(tài)環(huán)境提供了較為經(jīng)濟合理的選擇。本研究通過分析當前生境、無生境以及生境修復3種情景下的沿海脆弱性，分析自然生境對提升沿海地區(qū)韌性、削弱自然災害影響的作用。其中，生境修復情景依據(jù)廈門市政府近年來批復的“廈門環(huán)東海濱海旅游浪漫線紅樹林綠化工程”和“馬鑾灣新城外灣紅樹林種植工程”，模擬修復工程實施對岸線韌性的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 閩三角地區(qū)沿海災害風險空間分布

采用自然間斷點分級法將閩三角地區(qū)沿海脆弱性與人口風險從低到高分為5級（圖2）。其中，26.6%的海岸線脆弱性風險中等，沿海脆弱性風險高或較高的岸線占比44.6%，主要分布在東南向迎海岸線及廈門島、金門島部分岸線。此外，由于建成環(huán)境和人口經(jīng)濟的高密度集聚，廈門市表現(xiàn)出突出的沿海脆弱性和人口風險，亟須開展針對性研究。

2 閩三角地區(qū)沿海脆弱性與沿海人口風險分布The distribution of coastal vulnerability and coastal population risk in Fujian Delta

2.2 廈門市多情景沿海脆弱性分析

基于模糊理論，對各項指標進行基于模糊邏輯的歸一化地理處理（圖3），根據(jù)設定的3種自然生境情景，采用模糊伽馬法分別聚合各類指標（圖4），疊加形成廈門市多情景沿海脆弱性，采用相等間隔分為5級以便比較情景間差異（圖5）。

3 基于模糊邏輯歸一化的廈門市各沿海脆弱性評價指標The evaluation index of coastal vulnerability in Xiamen based on Fuzzy Logic Normalization

4 基于模糊伽馬法疊加的廈門市各類參數(shù)的沿海脆弱性評價Each sort of coastal vulnerability of Xiamen based on Fuzzy Gamma

5 廈門市多情景沿海脆弱性分析Coastal vulnerability of Xiamen under multiple scenarios

2.2.1 當前自然生境情景

當前自然生境情境下廈門沿海脆弱性高風險區(qū)占比3.0%，主要分布在廈門島北岸、集美東岸和同安灣西溪河口處，其中廈門島五緣灣和同安灣的部分岸線風險極為突出。廈門島北部岸線因高崎機場航空安全的需要，采用人工岸線的同時嚴格控制機場周邊生態(tài)空間，以避免吸引鳥類棲息。導致應對自然災害的緩沖空間局促，用地脆弱性和可能災損顯著增加。另有12.1%的岸線脆弱性風險較高，主要分布在海滄區(qū)南岸和馬鑾灣、同安灣灣口。其中，海滄區(qū)南岸主要為港口碼頭用地，為保證航運通航，原本的自然岸線已全部硬化，近海海域缺少保護岸線的自然生境。廈門市僅有32.2%的岸線脆弱性風險較低，如翔安區(qū)西岸和廈門島西岸，其用地開發(fā)中保證了一定比例的生態(tài)空間。同時，用地中的水道和塘渠，既能夠形成納潮空間應對海浪侵襲，也為后續(xù)排水提供了空間。此外，廈門島西岸、海滄區(qū)及環(huán)東海域部分岸線社會經(jīng)濟風險突出，占比34.4%。

2.2.2 無自然生境情境

無自然生境情境下的沿海脆弱性高或較高的岸線占比分別增至9.2%和25.5%，其岸線分布范圍相比當前的自然生境情況景進一步擴大。結(jié)果對比表明，自然生境對提升沿海岸線防災韌性具有重要作用。

2.2.3 生境修復情景

生態(tài)修復工程使廈門市沿海脆弱性高或較高的岸線比例降至13.4%，環(huán)東海域修復岸線的脆弱性顯著降低，馬鑾灣岸線脆弱性也略有降低，進一步驗證了自然生境對提升沿海岸線韌性的重要作用。但生態(tài)修復工程無法滿足全部岸線的防災需求，需要采用工程建設與生境修復的耦合手段提升沿海韌性。

3 韌性應對海岸自然災害的規(guī)劃響應策略

3.1 保障生態(tài)安全的海岸帶建設用地管控

管控海岸帶范圍內(nèi)的建設用地，從思想上需轉(zhuǎn)變以往“向海要地”的建設思路，嚴控新增圍填海用地，評估已建圍填海項目的生態(tài)影響，開展長期的濱海生態(tài)修復，解決圍填海遺留問題。

從措施上需后退近岸建設線以保障充足的災害緩沖空間，削弱沿海災害對城市建成環(huán)境的直接沖擊。廈門市水系豐富，河流灣口在臺風期間同時面臨風暴潮海水倒灌、上游水庫泄洪、暴雨徑流增多、雨污直排入海等多重壓力，易發(fā)生潰壩、漫灘等次生災害風險（圖6）。后退近岸建設線，能夠預留滯蓄洪水的緩沖空間，同時為沿海自然生境提供生存和修復空間。

6 臺風期間河流灣口防洪壓力示意圖Flood control pressure at the river estuary during the typhoon

3.2 開展多重緩沖的近岸規(guī)劃設計

根據(jù)災害在空間上逐步蔓延傳遞的特征，采用多重復合的近岸規(guī)劃設計逐級應對災害蔓延（圖7）。通過豎向設計形成不同標高的海岸緩沖空間，結(jié)合景觀設施預留臨時防洪墻架設空間。發(fā)揮濕地、林地、水道、河塘等生態(tài)空間的納潮滯蓄作用，降低災害向內(nèi)陸的傳遞速度和破壞強度，并為周邊用地的災后排水提供空間，加快建成區(qū)的災后恢復能力。

7 多重復合的近岸規(guī)劃設計示意圖Multi-level nearshore planning and design

新區(qū)開發(fā)需根據(jù)不同重現(xiàn)期的淹沒范圍，布局橫縱結(jié)合的岸線空間（圖8）。在平行海岸方向，根據(jù)各類用地的人口密集度和產(chǎn)業(yè)親水性實施用地分層開發(fā)。在垂直海岸方向，依據(jù)岸線類型、自然生態(tài)和用地特征等，組團式布局各功能區(qū)，制定差異化的防護標準[23]。

8 橫縱結(jié)合的海岸空間布局示意圖Horizontal and vertical spatial layout along the coastline

建成區(qū)可以通過完善避難設施、實施建筑改造、開展洪水保險等方式減輕受災損失。典型的建筑改造思路包括：采用防水材料或擋板，抬高或架空建筑以及透水建筑設計等（圖9）[24]。

9 建筑防洪改造策略示意圖[24]Buildings’ retrofit strategies for flood control[24]

3.3 結(jié)合韌性修復單元開展海岸生態(tài)化修復

根據(jù)自然間斷點將沿海脆弱性與社會經(jīng)濟風險分為4級，結(jié)合不同的防護需求，將海岸線劃分為工程輔助防護、重點保育修復、自然保護修復和適度開發(fā)建設4類韌性修復單元[25]（圖10）。

10 韌性修復單元劃分方法示意圖Division method of resilience restoration units

工程輔助防護單元占比44.5%，在廈門島和大陸地區(qū)的迎海岸線及海灣岸線均有分布（圖11）。該區(qū)域的沿海脆弱性和社會經(jīng)濟風險均較高，生態(tài)修復不足以高效提升海岸韌性，需要運用人工工程與自然修復相結(jié)合的復合型手段。

11 廈門市沿海韌性修復分區(qū)Distribution of resilience restoration area in Xiamen

以往工程岸線多采用防風圍堰、防洪堤壩等簡單且經(jīng)濟的工程措施，但一方面其面對潮汐波浪侵蝕難以提供長效防護，另一方面原生岸線的消減不利于近海生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。而濕地、紅樹林、沙灘等自然生態(tài)岸線雖然能夠長期發(fā)揮抵御緩沖的作用，但可能出現(xiàn)防護不足和滯后等情況。柔性的海堤生態(tài)化建設作為工程措施與生態(tài)空間的優(yōu)勢互補，強調(diào)在海堤建設過程中保護和修復海岸生態(tài)功能，為岸線的工程輔助防護提供了重要的韌性策略（表4）[26-32]。

表4 不同建設范圍、岸線類型的典型海堤生態(tài)化建設防護修復方法[26-32]Tab. 4 Protection and restoration methods for ecological construction of typical sea embankment in different construction areas of various shoreline types[26-32]

重點保育修復單元占比24.4%，集中分布在環(huán)東海域岸線、廈門島東西兩岸和翔安區(qū)西岸，該區(qū)域的沿海脆弱性較低，但社會經(jīng)濟活動高度集中導致沿海風險較高。通?？梢酝ㄟ^限制高壓力風險源的開發(fā)建設，并開展人工生態(tài)保育修復降低風險。自然保護修復和適度開發(fā)建設單元占比較少，主要分布在翔安區(qū)九溪河口及大嶝島沿岸。自然保護修復單元通過維持區(qū)域當前壓力狀態(tài)，可以通過自然演替進行生態(tài)修復。適度開發(fā)建設單元在城市開發(fā)建設過程中可以通過嚴格禁止不符合國土空間規(guī)劃定位的城市開發(fā)，保證生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，規(guī)避災害風險的影響。

3.4 統(tǒng)籌陸海功能定位的岸線景觀優(yōu)化

以往陸海割裂的規(guī)劃思路導致海岸規(guī)劃管理在空間和事權上常較模糊，近岸用地規(guī)劃與海岸功能定位間存在一定沖突[33]。例如海滄區(qū)南部岸線布置了大量工業(yè)、物流用地，與九龍江河口的生態(tài)保護定位存在矛盾。此外，一些大型居住區(qū)和濱海酒店在土地開發(fā)過程中將岸線私有化，防洪墻和城市快速路等基礎設施建設在空間和視覺上割裂了城海景觀聯(lián)系，導致部分用地近海但不親海，難以為居民提供平等的親海娛樂權[34]。新時期國土空間規(guī)劃通過整合國土、住建、海洋等多個部門的相關職責，統(tǒng)一管理山水林田湖草等自然資源，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)陸海功能定位和部門間工作權限。應依托國土空間規(guī)劃，保護濱海自然景觀資源，開展與不同用地功能和用地退線相適宜的景觀優(yōu)化設計，平衡用地功能和生態(tài)需求。

3.5 建立沿海生境及災害動態(tài)監(jiān)測預警系統(tǒng)

通過遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測，及時甄別不合理城市開發(fā)對自然生境的脅迫，并為沿海脆弱性評價和資源環(huán)境治理積累大量基礎調(diào)研數(shù)據(jù)，建立海岸自然生境信息庫。

通過耦合災害動態(tài)監(jiān)測，解析沿海岸線脆弱性變化，預判易受沿海災害侵擾的高風險地區(qū)，及時響應災情變化，并開展針對性修復，不斷從災害中學習成長，為后續(xù)防護做好準備。

4 結(jié)論

本研究借助InVEST模型分析閩三角區(qū)域尺度沿海脆弱性和人口風險，識取典型高風險的廈門市開展城市尺度的多情景沿海脆弱性分析。從地理特征、氣候脅迫和社會經(jīng)濟3個方面完善指標選取，基于模糊理論反映指標權重的模糊不確定性，細化廈門城市尺度的沿海脆弱性評價，并由此探討了提升海岸韌性的規(guī)劃響應策略。研究結(jié)果表明：

1）閩三角地區(qū)有44.6%的沿海岸線脆弱性風險較高，主要分布在東南向迎海岸線及廈門島、金門島部分岸線。其中廈門市的沿海脆弱性和人口風險均較突出。

2）自然生境對提升沿海岸線的防災韌性具有重要作用。當前自然生境情境下，廈門市僅有32.2%的岸線脆弱性風險較低，另有社會經(jīng)濟風險突出的岸線占比34.4%，沿海脆弱性高或較高的岸線分別占比3.0%和12.1%，缺少自然生境將使2類岸線占比分別增至9.2%和25.5%。

3）開展生態(tài)修復對提升岸線韌性具有一定作用，但難以滿足高風險海岸的韌性防災需求。此類岸線占比44.5%，在廈門島和大陸地區(qū)的迎海岸線及海灣岸線均有分布，需要采用人工工程與自然修復相結(jié)合的復合型手段。

（本文獲2020年第一屆LA青年學者論文獎三等獎）

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

圖1～5、11底圖來自國家基礎地理信息中心1∶100萬矢量地圖（2019版，圖號H50、G50、F50、G51）；圖9整理改繪自參考文獻[24]，其他圖片由作者繪制；表4整理自參考文獻[26]-[32]，其余表格均由作者繪制。