《学术简报》每季度发布一期，每期包含若干篇国发院近期成果的凝练简介。敬请关注！

目 录

1、青藏高原水生态空间格局时空演化特征及驱动机制

——薄立明、魏伟、赵浪、尹力、夏俊楠

2、城市群空间结构对城市规模偏差影响的实证测度

——孟晓倩、吴传清

3、基于四叉树算法的“三区空间”形态效率评价方法

——夏俊楠、魏伟、尹力、洪梦谣、薄立明

4、长江流域三水协同调控关键技术应用展望

——张万顺、王浩、周奉

一、青藏高原水生态空间格局时空演化特征及驱动机制

青藏高原作为“世界屋脊”和“地球第三极”，承担着重要的“聚水”、“储水”、“分水”功能，是维系中国乃至亚洲水生态环境可持续发展的“亚洲水塔”。特有的地形气候条件决定了青藏高原生态环境的脆弱性，冰川消融，湖泊及湿地扩张、河流径流增加——急剧加快的水循环进程敲响青藏高原水生态环境协调发展的警钟。习近平总书记针对青藏高原水生态空间特别强调应聚焦水、生态与人类活动，着力解决青藏高原资源环境承载力、灾害风险、绿色发展途径等方面的问题。研究面向青藏高原水生态空间用途管制，揭示青藏高原水生态空间演化机制，对实现青藏高原“人―水资源―生态”协调可持续发展具有重要的理论和实践意义。

研究基于青藏高原国土空间用途管控需求，构建青藏高原水生态空间分类体系，采用空间转换矩阵、空间相关性分析和地理探测器等方法，定量分析青藏高原近20年来水生态空间的时空演化特征，并综合考虑自然地理及社会人文要素，探寻水生态与其他国土空间的交互关系及其驱动机制。

研究结果表明：

1、近20年青藏高原水资源“液态化”且水生态空间向东蔓延。水生态空间规模不断增加，增幅达21.53%，横断山西北侧，西藏、青海、四川和云南4省交汇处“青海省果洛州达日县―西藏自治区林芝市察隅县”一线两侧地区增幅最为显著。2015年为水生态空间扩张速率折点，水生态空间在2000―2015年水生态空间蔓延速度较慢，2015―2020年扩增速度剧增。

2、水生态空间与其他生态空间的动态互演是青藏高原的主导变化类型，前者在他念他翁山、喜马拉雅山和帕米尔高原区域尤为显著，后者集中分布在青海湖、色林错、纳木错等湖泊区域。农业空间与水生态空间存在一定规模的交互转变情况，以藏南谷地区域最具代表性。而水生态空间和城镇空间转化规模较小，仅集中分布在水源丰富、交通条件较好的县/市驻地镇附近。

3、青藏高原的水生态空间演化同时受到政策工程、自然地理、交通区位、社会经济等多方面要素共同作用，且各因子作用并不独立，普遍呈现出交互增强趋势。青藏高原水生态系统具有较强的“人―水资源―生态”系统共生关系，自然要素及人文要素均在水生态空间的变化中起到影响作用且互相存在交互关系，其中，自然地理要素及交通区位要素对青藏高原水生态空间演化展现出较为突出的解释力，且在交互中同样表现出显著的增强作用，是导致青藏高原近20年水生态空间演化的主导因素。

为应对全球变暖及人类活动导致水生态安全风险，面向水生态空间用途管制与格局优化，基于分析结果，研究提出以下策略：

一是协调青藏高原水生态空间格局，增强湿地、沼泽等水生态空间对于液态水的存蓄能力，以应对青藏高原水资源“液态化”现象。

二是坚守青藏高原区域国土空间用途管制，减少人为原因对于大规模、大片区水源地、生态保护地的干扰，以提升青藏高原水生态环境质量。

三是深化青藏高原水生态空间内部要素系统研究，探索水生态空间“空间演化―服务功能―用途管制”的综合性研究框架，提高水生态空间服务功能。

整理自研究论文《青藏高原水生态空间格局时空演化特征及驱动机制》，作者薄立明、魏伟、赵浪、尹力、夏俊楠，《地球科学进展》2023年3月13日网络首发

二、城市群空间结构对城市规模偏差影响的实证测度

城市群规模分布的合理性直接影响着城市群整体功能的有效发挥及整体竞争力的提升。随着城市群概念的成熟发展，已有研究基于首位度、基尼系数、HHI 指数等多种量化分析方法，针对长三角、珠三角、京津冀、中原、辽中南等城市群，对城市规模分布的人口和经济空间结构特征及发展阶段进行了分析。本文对城市群城市规模偏差进行分析，并研究不同城市群规模集聚和产生偏差的动力机制，探究城市群空间结构、首位度等因素对城市规模的影响机制，以期为促进城市群协调、良性发展提供参考。

在理论分析的基础上，通过提出以下三个假设进行研究、设计，一是经济多中心发展会使得城市群规模向中小城市进行发散，集聚效应减弱，城市规模趋向合理化和均衡化，二是政府偏爱会导致城市规模偏差逐渐加大，政府政策的倾斜会使得规模偏大的城市逐步集聚人口，三是城市规模偏差变动的影响因素具有空间异质性。基于京津冀、长三角、珠三角、成渝、长江中游、山东半岛、辽中南、哈长、中原、粤闽浙沿海、关中平原、北部湾、兰州—西宁、宁夏沿黄和呼包鄂榆这15个城市群，2002到2018年的相关数据，展开分析研究和探索。

研究分析发现，我国城市群人口数量在逐步增加，更多人口在向城市群进行集聚，城市群正承载更多的人口。制造业集聚水平逐步下降，规模偏大城市的集聚水平低于规模偏小城市的集聚水平，说明服务业正成为经济发展的新动能，越发达的城市服务业发展水平越高，越能吸纳更多的人口到大城市服务行业就业。

回归结果显示，城市规模偏大城市吸引周边城市人口集聚，多中心性集中在城市群多个核心城市中，经济的快速发展促使这些城市的人口加速集聚，从而促进人口规模提升，但随着人口规模的迅速扩张，部分城市人口承载力过大，从而需要疏散特大城市人口规模，实现城市群均衡协调发展。多中心城市体系的网络外部性在逐步形成，促使集聚经济超越单个城市边界，带动区域内周边城市的发展，使得中小城市和大城市协同发展，从而缩小地区规模差距。

从空间结构影响系数可以看出，东部地区发展程度较高，人口呈集聚状态，超大城市的辐射效应强，带动周边城市急剧扩张，多中心性使得东部地区城市群规模集聚增长，对全国人口转移具有虹吸作用。中部地区核心城市正处于要素集聚阶段，虹吸效应远大于辐射效应，需要吸引周边高端要素集聚到中城市。西部地区发展程度较低，人口会逐步向东部地区转移，使得规模偏小。东北地区回归结果的系数大部分都不显著，需要在产业升级和创新方面推动东北地区经济振兴，从而吸引人才到东北地区工作。首位度带动效率指标都为负，首位度带动效率会显著驱使城市规模趋于合理状态，增强中心城市的扩散作用，促进城市群均衡发展。政府支持变量的系数都为正，省会城市和副省级城市的人口集聚能力较强，实施“强省会”战略可以有效提升中心城市集聚能力，从而带动周边中小城市的发展。

在开展稳健性检验的基础上，得出以下结论：

一是15 个城市群中，大部分城市群空间结构具有一定的稳定性，且指数大于1。长三角和关中城市群的多空间指数小于1，首位城市集中，呈现单中心空间结构。

二是各城市群首位度带动效率呈现快速上升的态势，山东半岛城市群、珠三角城市群和呼包鄂榆城市群增长较快。

三是经济多中心发展会使得城市群规模向中小城市进行发散，集聚效应减弱，城市规模趋向合理化和均衡化。首位度带动效率会促使城市人口规模趋于合理和分散化。中心城市的政策倾向对人口的吸引力很高，中心城市需要更多的人口、资源、产业和要素的承载能力。

四是空间异质性分析结果显示，东部地区空间结构系数为正，说明多中心性有助于人口规模增加。中西部地区空间结构系数为负，东北地区空间结构系数不显著。不同板块空间结构对城市规模偏差会有不同的影响。

整理自研究论文《城市群空间结构对城市规模偏差影响的实证测度》，作者孟晓倩、吴传清，发表于《统计与决策》2023年第1期

三、基于四叉树算法的“三区空间”形态效率评价方法

针对多尺度、全要素、长时序“三区空间”形态效率格局及其演化机制研究，构建基于“四叉树”算法的“三区空间”识别方法，以“形态效率值”作为空间形态效率的核心衡量手段，构建统一、可比较的“三区空间”形态效率衡量渠道，同时以长江经济带为典型区域进行实证，深入挖掘形态效率变化，对该典型区域“三区空间”形态效率的特征、变化差异及演化机制进行分析。

四叉树算法（Quad-tree）是将一定范围的空间数据按预设逻辑等分为4个子空间，并迭代计算所有子空间，直至所有子空间按照预设逻辑无法细分时，形成稳的空间数据结构。基于四叉树算法所构建的“三区空间”形态效率格局研究工具，是以土地利用覆盖变化数据为基础，将区域空间划分为唯一且同时具有“功能”和“尺度”属性的网格，以“形态效率值( Emv )”统一衡量不同空间形态效率，弥补现有景观指数方法在“三区空间”研究中应用的不足，具体体现于：1、体现“三区空间”成片开发、集中连片、连续完整的开发保护导向；2、通过合理设定空间判别规则，识别各类图斑的功能；3、以形态尺度作为评价的唯一依据，实现结果与形态的一一对应，用“以形论形”思路解决“一值多形”问题，构建统一、可比较的“三区空间”形态效率衡量渠道。该研究主要使用1980—2010年中国多时期土地利用土地覆被遥感监测数据集和2020年全球30米地表覆盖精细分类产品。根据四叉树算法，结合长江经济带的发展现状和特征，分析研究“形态效率”“三区空间”得出以下结论：

一是基于“四叉树”的形态效率格局研究方法能够有效应用在国土空间规划实践中“三区空间”形态效率的格局分析，才能精确分析“三区空间”结构与形态两大核心维度的特征，深度挖掘空间利用效率的内涵，精细展现国土空间开发保护行为的变化图景。

二是“形态效率特征计算-空间变化差异测度-转型动力机制解析”可作为针对特定地区长时间序列“三区空间”形态效率演化特征及规律分析的有效研究范式，可为大尺度国土空间形态监测提供数据适应性强、判别结果准确的基础支撑方法。

三是研究从“结构+形态”的综合维度分析长江经济带三区空间格局的演化，结果表明当前区域三区空间形态优化均存在风险：包括城镇空间面积大幅扩张，但形态效率在重点城市与一般地区之间存在着两极分化，中西部和边缘地区城镇空间成片开发水平远低于重点城市，存在因区域不平衡发展导致的后发地区空间破碎化的风险；农业空间面积大幅减少，全域集中连片水平持续下降，尽管耕地保护制度明显制约了城镇空间对农业空间的侵蚀，但农业空间全域、持续破碎化的风险依然存在；生态空间面积基数大，总量与形态均较为稳定，但近10年来存在连续完整水平加速下降的风险，尤以东部地区最为突出。结合各地区形态效率变化的机制分析，研究发现关注资源环境承载能力脆弱、社会经济发展处于高速发展阶段、区位条件相对较差地区的三区空间形态效率变化，并制定空间结构与形态优化的相关政策，是解决以上风险的关键。

根据上述研究结论，提出以下提升策略：

一是重视中西部后发县市的城镇空间开发行为引导，摆脱城镇依靠无序扩张进行早期积累的发展路径，着重推进全域存量用地盘活、低效用地置换等政策落实。

二是关注农业空间的结构与形态风险，在保护存量耕地的同时，合理利用增减挂钩和全域土地综合整治等工具寻求增量，同时遏制“良田上山下河”等分割、破碎耕地完整性的土地利用现象，对农业空间开展数量、质量、生态、形态的监测考核。

三是坚持生态优先发展理念，严格生态空间占用管控，关注各地在严格的耕地占用管理制度下转而侵蚀利用生态空间的行为，监控江苏沿海和浙江南部的生态空间连续完整水平，关注生态空间在特定区域内的不可替代性，对生态空间团块与廊道形态完整性加强动态评估。

整理自研究论文《基于四叉树算法的“三区空间”形态效率评价方法》，作者夏俊楠、魏伟、尹力、洪梦谣、薄立明，发表于《地球信息科学》2023年第3期

四、长江流域三水协同调控关键技术应用展望

长江经济带被誉为中国经济的“金腰带”、脊梁，是中国人口与经济重心所在，打造“生态文明建设的先行示范带”是长江经济带国家发展战略的四大定位之一。根据长江流域生态文明建设战略需求，新时期应从流域生态系统的整体性、系统性及问题靶向性出发，在新形势下亟需构建“优化水资源调控－改善水环境质量－修复水生态系统”的三水协同调控技术体系，以实现长江流域水生态环境由量变到质变的转变，协调推进长江流域高质量发展。

虽然近年来长江大保护三水调控取得成效显著，如水资管控、水生态环境明显改善等，但水资源节约集约利用存在短板，水生态水环境问题依然突出，防洪抗旱减灾存在弱环节。三水协同调控面临的形势与挑战，如水沙形势和江湖关系变化带来的持续影响、人类活动和全球气候变化带来的新挑战、高质量发展下水资源水环境水生态协同治理的新要求以及水利治理体系和治理能力现代化建设提出的新任务。

三水协同调控需要关键技术的支撑，一是三水互馈耦合作用机制剖析。长江流域尺度大、地理特征多样、开发利用模式多元，其流域三水问题关键因子难识别、时空特征难明晰、交互机制难厘清。 深入开展三水融合机理剖析是实现长江流域三水协同共治与精准调控的基础。应剖析气候变化与人类活动作用下丘陵、平原、城镇建成区等不同区域的水文水动力、水环境、水生态演化过程变异及其交互影响机制；研究不同区域水资源均衡、水环境改善和水生态功能提升的水文学、生物、化学、生态学原理；研究河湖三水统筹视角下节水增容、污染控制、生态修复等人工调控影响的水文水动力过程、水体理化性质与物理生境变化过程、水生生物生消过程互馈耦合作用机制，为三水融合综合模拟和协调调控与管理提供理论支撑。二是三水耦合综合模拟技术。由于现有技术和模型的局限性，需解析陆域单元－水域单元的累－产－滞－汇响应模式，破解单一划分尺度使得流域内水利调控设施与河网体系的断面－网格计算单元无法精准耦合、陆面和水域单元耦合时交界处的网格易缺失、大尺度气象网格受划分尺度大且时空连续性差影响下难以直接耦合至微小尺度次网格（边界层网格和陆面网格）等难题。三是三水协同调控手段与策略。当前调控措施上聚焦于保障水资源配置、预防洪涝灾害、治理水环境污染和防范水生态风险等单一目标，且调控过程不精准、效果评估难量化。 应基于流域三水协同调控分区分类、量质双控、多元共治的技术-经济-政策耦合优化机制，充分识别多水资源-零散污染源-多工程措施影响下陆域-水域分阶段三水时空动态特征；创新流域分阶段多目标全过程防控、全链条循环和全时空配置的节水增容-污染控制-生态修复分阶段动态三水最佳治理术模式；提出面向生态脆弱区水土资源涵养的水资源配置与生态修复优化组合调控模式，面向污染损伤水体环境修复的水资源配置、污染负荷削减、水生态功能强化的优化组合调控模式，面向河湖退化湿地修复的水资源配置与污染负荷削减优化组合技术等；通过流域三水融合调控技术的集成、归纳与凝练，揭示针对区域特征的供水保障、洪涝和水华防控、梯级调度等三水协同作用过程规律及其调控策略，形成流域三水协同精准调控技术基本范式。四是三水协同调控智慧化建设。依托信息化手段提高三水质量、助推生态文明建设。在数据、智慧模拟、管控体系、服务等方面入手，突破三水调控目标需求多样、业务标准不一、管理效率低下、多依赖工程经验的局限，以数字赋能实现流域三水协同智慧化管控。

受社会经济的发展、水资源的高度开发利用等因素的影响，长江流域水资源面临多样化挑战，没有实现“水资源-水环境-水生态”等协调发展，亟需强化多方面管理，建立和完善三水融合视角下协同调控理论与技术体系，形成以三水融合管理系统平台为基础的个性化精准模拟、知识驱动、数字赋能的三水协同调控智慧管理模式。

整理自研究论文《长江流域三水协同调控关键技术应用展望》，作者张万顺、王浩、周奉，发表于《人民长江》2023年第1期

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