山水型城市生態安全格局構建與建設用地開發策略

儲金龍,王 佩,顧康康,*,汪勇政

1 安徽建筑大學建筑與規劃學院, 合肥 230022 2 安徽省城鎮化發展研究中心, 合肥 230022

山水型城市生態安全格局構建與建設用地開發策略

儲金龍1,2,王 佩1,顧康康1,2,*,汪勇政1,2

1 安徽建筑大學建筑與規劃學院, 合肥 230022 2 安徽省城鎮化發展研究中心, 合肥 230022

辨析城市生態用地、構建生態安全格局,進而提出建設用地開發策略,對于城市生態保護與空間規劃具有重要意義。以安慶市為例,運用高分辨率遙感影像識別生物多樣性保護、水資源安全、地質災害規避3類生態用地,采用GIS空間分析技術并基于多因子綜合評價,將生態用地劃分為極重要、較重要、一般重要3個級別。將極重要生態用地與相關法規、標準及政策所規定的禁建區作為源,利用最小累積阻力模型,獲得安慶市高、中、低不同安全水平的綜合生態安全格局。最后,在生態安全格局基礎上,基于可建設用地生態影響及開發潛力評價,將建設用地分為優先發展區、適度發展區、控制發展區以及禁止發展區,并提出建設用地開發策略。

山水型;生態安全格局;建設用地開發策略;安慶市

快速城市化背景下的城市生態安全問題已成為近些年規劃領域關注的熱點。識別城市中重要的生態用地,構建生態安全格局已成為維護城市生態系統平衡,促進城市可持續發展的重要途徑[1-3]。就定量化的構建方法而言,主要是利用生態學理論的景觀格局優化模型,例如可通過最小累積阻力模型,形成生態用地空間運動趨勢的阻力面,以此來判別研究區域生態安全格局[4- 5]。而隨著人地矛盾的加劇,相關學者也在研究作為自然與人工耦合而成的復合生態系統的城市,應如何協調生態保護與建設用地擴張之間的關系。例如,以不同水平的生態安全格局用地范圍作為城市空間管制分區的用地劃分依據[6- 7];或以生態安全格局為基礎,在空間上確定城市擴展的合理范圍與發展方向,提出建設用地最優擴展方案[8]。

圖1 2000年與2015年石門湖片區衛星影像對比 Fig.1 Contrast of Shimen Lake area satellite image in 2000 and in 2015

本文的研究對象為山水型城市。該類城市具有得天獨厚豐富的山水資源,且城市形態結構較大程度地受自然地形的制約。近些年,由于盲目開發,該類城市“攤大餅”式擴張導致其山體被蠶食,水域面積縮小,使其失去了原有“山”“水”相連的固有格局,而城市內部空間使用效率低下。因此,構建山水型城市生態安全格局,探討生態安全目標導向下建設用地開發適宜性就更具現實意義。安慶市規劃區三面環水,一面臨山,屬典型的山水城市,但同時也是長江中游城市群主要成員之一,由于近些年工業用地擴張,使城市濱江濱湖岸線70%被占據,因石化而使城市原有生態資源遭到嚴重破壞(圖1)。在此背景下,本文結合山水型城市的主要特征,通過重要生態用地識別,來構建符合城市特色風貌的生態安全格局,在此基礎上結合城市空間增長需求,以鄉鎮為基本評價單元,進行可建設用地開發適宜性分區,并提出相應的開發策略。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

圖2 研究區范圍Fig.2 Scope of research area

安慶市位于長江下游上段北岸,安徽省西南部,支流甚為發育。本次研究的范圍為安慶市規劃區,是城市發展核心區域,也是城市建設與生態保護矛盾突出區域,總面積886平方公里,包括迎江、大觀、宜秀3個行政區及皖河農場(圖2)。研究區西北部為低山丘陵、崗地和階地,東南為長江沖積平原,其間湖泊廣布。中山、低山、丘陵、崗地及平原地貌俱全,為典型的山水型城市。城市防洪、排澇、自然保護區、風景名勝區等多種限制性因素對城鎮空間利用方式影響很大,城市建設用地發展受到限制。因此如何利用山水型城市特有的生態資源,構建符合城市特色風貌的生態安全格局,并以此來提出城市可建設用地開發策略就顯得尤為重要。

1.2 數據來源

本研究數據源主要為安慶市2015年航空影像圖(空間分辨率15m)、安慶市規劃區土地利用總體規劃(2006—2020)、規劃區地形圖(1∶10000)、以及安慶市水源保護區、自然保護區及工程地質分布圖等。基于上述數據資料并結合實地調研,將研究區劃分為城市建設用地、道路用地、村莊建設用地、林地、耕地、園地、濕地、河流湖泊、水庫、坑塘溝渠、草地、其他建設用地等類型(圖3)。社會經濟評價指標主要數據來源為《安慶市統計年鑒》。

1.3 研究方法

首先為重要生態用地即“源”的識別,利用GIS空間分析技術,結合研究區“山、湖、城、江”現狀自然生態特征,選擇識別生物多樣性保護、水資源安全、地質災害規避3類生態用地,并綜合疊加上述分析結果,將研究區生態用地劃分為極重要、較重要、一般重要3個級別;最后,將極重要生態用地與相關法規、標準及政策所規定的禁建區作為“源”,利用最小阻力模型構建不同水平生態用地安全格局[9]。在此基礎上,結合城市空間擴展動力因素,以各鄉鎮為評價單元通過生態約束和發展需求雙重評價進行建設用地開發分區,并提出相應開發策略。

1.3.1 單因子的生態用地識別

(1)生物多樣性保護

該類生態用地的劃分依據為生物多樣性,通過謝高地等人制定的生物多樣性服務當量即單位面積內每種土地利用類型所能提供生物多樣性保護相對貢獻大小的潛在能力[10- 11]予以間接表征。依據研究區不同土地利用類型計算出各評價單元生物多樣性服務價值,并可通過保護級別予以修正。計算式如下：

S=l×n×m

式中,S為生物多樣性服務價值,l為土地利用,n為生物多樣性服務當量,m為保護級別修正值,其中大龍山森林公園、高程大于120m林地、重要濕地保護區等區域賦值為1.5,高程50—120m林地賦值為 1.25,其他區域為1。通過GIS空間分析計算得到研究區各土地利用類型的S值,并運用自然斷裂法對該類生態用地進行敏感性分區。

圖3 安慶市規劃區土地利用現狀Fig.3 Current situation of land use in planning area

(2)水資源安全

結合研究區現狀水資源特征,選取水源保護、洪水淹沒區范圍、地表重要水源安全、洪水調蓄區作為水資源安全重要評價因子[12]。其劃分標準(表1)主要為參考相關研究成果得到。水源保護區及洪水淹沒區范圍主要依據為安慶市各類專項規劃、《安慶市城市總體規劃(2010—2030)》、《安慶市城市給水工程規劃(2012—2030)》。地表水源安全與洪水調蓄區類型分別是利用ArcGIS 10.0緩沖區分析與水文分析工具獲得。最終將4個指標疊加,基于“木桶”原理進行水資源安全敏感性分區。

表1 水資源安全評價指標與敏感性分級標準

(3)地質災害規避

崩塌、泥石流、采空塌陷、滑坡為研究區地質災害的主要類型。而其主要受到坡度、地形起伏度、高程及人類活動強度等的影響。基于前人研究成果[8],得到地質災害敏感性劃分標準(表2),并將敏感值以150、120、100作為其劃分的斷裂點[9]。在此基礎上,疊加已有的地質災害易發區,最終獲得研究區地質災害規避敏感性等級劃分范圍。

表2 地質災害規避評價指標與敏感性分級標準

1.3.2 綜合生態用地的識別

本研究運用GIS加權總和工具將生物多樣性保護、水資源安全、地質災害規避三類生態用地分析結果進行等權重疊加,即認為上述3個生態過程對于維護研究區生態安全具有同等作用。將疊加的分析結果以自然斷裂法進行分類,最終將研究區生態用地分為極重要、較重要、一般重要3個級別。

1.3.3 生態用地安全格局構建

(1) “源”的確定

“源”從物種保護的角度來看,應為保護物種生存的棲息地[13]。本研究認為“源”是生態保護核心區域,因此應將上述分析所確定的極重要生態用地與相關法規、標準及政策所規定的禁建區用地疊加得出的最大用地范圍作為“源”。

(2)阻力面的建立

研究利用最小累積阻力模型(Minimum Cumulative Resistance,簡稱MCR)來建立反映生態用地空間運動趨勢阻力面[14-16]。該模型需要3方面因素,即源、距離和景觀介面特征,計算式如下：

該公式是根據Knaapen等人的模型及地理信息系統中常用的費用距離模塊修改而來[17]。MCR為物種由出發點到任意一目標點之間所耗費的最小累積阻力。式中,f是未知函數,反映空間中任一點的MCR值與(Dij×Ri)正相關關系。Dij是物種從源j到空間某目標點所穿越的景觀基面i的運動距離;Ri為景觀i對某物種運動的阻力。(Dij×Ri)可被看作是物種從源到空間目標點的某一路徑的相對易達性的衡量。因此,阻力面反映了生態用地水平運動的潛在可能性及趨勢[4,18]。

(3)依據阻力面判別研究區生態安全格局

依據生成的阻力面,可判別除源之外的生態安全格局的其他組成部分,主要包括[19- 20]：

緩沖區 其為MCR阻力面上源周圍的低阻力區,相關研究表明依據阻力面得到的MCR值與面積的關系曲線存在著某些階段性的“門檻值”[4,9,19],研究以其門檻值作為不同安全水平生態緩沖區劃分依據。

“源”間廊道 即任意“源”之間低累積阻力谷線,為連通相鄰“源”最便捷、最高效生態廊道。

戰略點 是聯系相鄰“源”之間有關鍵意義的節點,在控制生態過程方面起到重要的作用。通過增加戰略點,可提高區域生態用地之間的連通性。

1.3.4 基于生態安全格局的可建設用地開發分區

在得到生態用地基礎上,基于可建設用地生態影響及開發潛力評價,進行建設用地開發適宜性分區(圖4)。首先基于生態約束的角度進行生態影響分區,即選取生態底線用地與易損性用地占比來衡量生態環境影響指數水平。其比值越高則生態底線用地規模越大,相應生態環境影響力就越大。與此同時進行經濟發展需求分析,通過多元統計因子分析法,得到各評價單元的經濟發展需求能力排名。最終通過綜合發展分區分級矩陣將建設用地分為優先發展區、適度發展區、控制發展區以及禁止發展區。

圖4 研究框架Fig.4 Research framework

2 結果與分析

2.1 綜合生態用地識別分析

2.1.1 基于單因子的生態用地識別

生物多樣性保護生態用地識別中(表3和圖5),高敏感區域面積為201.7km2,占規劃區總面積22.8%,主要分布于大龍山森林公園等森林茂密,野生動植物種類繁多區域;水資源安全生態用地識別中(表3和圖5),高敏感區域面積268.5km2,所占比例為 30.3%,分布于長江流域、石塘湖等重要的地表水源涵養區;地質災害規避生態用地識別方面(表3和圖5),高敏感區面積為152.8km2,所占比例為17.2%,此區域是崩塌與山體滑坡等地質災害易發區。

2.1.2 多因子綜合評價的生態用地分級

基于自然斷裂法將GIS疊加分析的結果進行分類(表3和圖5),得出極重要即底線型生態用地范圍,其為安慶市規劃區生態保護核心區域,面積394.1km2,所占比例為44.5%,需加以嚴格保護,禁止開發建設。

2.2 生態用地安全格局的構建

2.2.1 景觀生態流阻力面構建

依據相關研究,各生態保護源地與土地覆被類型越接近,其運動所耗費的阻力值就越小,反之則越大。本

表3 單因子與多因子綜合生態用地分級結果

圖5 單因子生態用地敏感性劃分與綜合生態用地等級分布Fig.5 Spatial distribution of different ecological land sensitivity class and comprehensive ecological land

文將極重要生態用地與相關法規、標準及政策所規定的禁建區作為“源”(表4),以土地覆被類型為阻力因子,參考前人研究成果獲得不同土地覆被類型的阻力系數值[2,9](表5)。在此基礎上運用ArcGIS 10.0距離分析模塊,計算出各生態保護源地與各土地覆蓋類型之間的費用距離,最終獲得生態保護源地最小累積阻力面(圖6)。

表4 相關法規及標準所規定的禁建區

表5 各土地覆被類型阻力系數

2.2.2 生態用地安全格局構建

在獲得阻力面的基礎上,參考GIS水文分析原理,根據研究區現狀景觀特征,運用GIS中的水文分析模塊確定連接相鄰“源”之間的最小耗費路徑,進而獲得生態廊道的空間分布。通過提取“源”間生態流水平運動的最大耗費路徑和最小耗費路徑的交匯點,并結合現狀特征,獲得“戰略點”的位置。最終獲得安慶市高、中、低3種水平的綜合生態安全格局(圖7)。“源”與低水平生態安全用地總面積為582.9km2,是保障城市生態系統服務的核心區域,占規劃區總面積的65.8%,此區域應加強對原有生態資源的保護,嚴格禁止進行與生態保護無關的開發建設活動。中、高水平生態安全用地總面積為163.1km2,所占比例為18.4%,該區域可作為未來安慶市規劃區生態基礎設施培育區,同時也是城市嚴格的限制建設區,應嚴格控制城市在該區域的開發強度與用地開發性質。分析結果表明依山臨水、組團式城市用地布局是安慶市基于生態安全格局的、合理的發展模式,大龍山鎮、老峰鎮、海口鎮為未來城市空間擴展的主要區域。除去“源”與低水平的生態安全用地,城市可建設用地為303.1km2,滿足2030年城市總體規劃用地規模需求。

2.3 基于生態安全格局的建設用地開發策略

傳統的建設用地選擇主要依據經濟發展需求,本文先構建生態安全格局,確定哪些生態用地是不可開發的,再結合經濟發展需求確定建設用地開發分區。選取鄉鎮為基本評價單元,運用生態約束和經濟發展需求2類指標評價[21]。經濟發展需求選擇的主成分因子分別為城鎮建設與經濟發展因子、經濟效率與人口集聚因子、對外交通因子(表6)。依據生態約束和發展需求雙重評價(表7),獲得安慶市規劃區綜合發展分區分級矩陣(表8)。

圖6 阻力面構建Fig.6 Resistance surface Establishment

圖7 生態用地綜合安全格局Fig.7 Security pattern of critically ecological land

圖8 可建設用地開發分區Fig.8 Construction land development zone

基于此將研究區分為優先發展區,包括老峰鎮、大龍山鎮、白澤湖鄉、長風鄉、海口鎮,此區域經濟發展需求強或較強、生態環境影響力中等或較低,是城市化發展重點區域,提倡高強度開發,可進行較大規模工業開發;適度發展區包括楊橋鎮,該區域經濟發展需求較高、生態環境影響力較高,應適度控制開發強度,尤其是控制建設用地擴展規模和速度,避免過度開發,適當發展無污染工業項目;控制發展區包括皖河農場、五橫鄉、山口鄉、羅嶺鎮,該區域經濟發展需求一般或低,生態環境影響力高或較高,因此應控制開發強度和規模,有節制地開發休閑、旅游、度假等同時具有自然生態保護意義與經濟開發效益的綠色產業,禁止一般工業項目建設;禁止發展區包括新洲鄉,此區域經濟發展需求低、生態環境影響力高(圖8)。

3 結論與討論

(1)構建山水型城市高、中、低3種水平生態安全格局,可有效協調該類城市空間擴展與生態要素限制之間的矛盾。除去“源”與低水平的生態安全用地,城市可建設用地為303.1km2,即能維護該類城市固有的“山”“水”景觀格局,延續和發展研究區原有山水特色風貌,也可滿足2030年城市總體規劃用地規模需求。

(2)通過生態約束和發展需求雙重評價,開展可建設用地適宜性分區,彌補了傳統可建設用地選擇僅考慮經濟發展、忽略生態保護的弊端,評價結果具有較強的科學性。同時,評價單元以鄉鎮行政管理范圍為依據可提高可建設用地管控的可操作性。

(3)本研究在構建研究區生態安全格局基礎上進行可建設用地開發策略分析,而基于土地生態服務的城市土地分類體系應不僅僅包括生態用地與建設用地,而應存在一些緩沖帶即生態交錯地,包括城鄉結合部土地、農業用地等,對于該類用地應當如何進行開發、管理與保護還應進一步完善。與此同時,出于對山水型城市生態要素重要性、研究尺度等方面的考慮,生態用地識別僅選取生物多樣性保護、水資源安全、地質災害規避三類生態因子,沒有將氣候調節、水土保持等因素一起納入指標體系,是否具有全面性與代表性還有待深入探討,且單一生態過程的影響因子體系和經濟發展需求能力評價因子的選擇、單一生態過程敏感性和生態安全格局分級所涉及的“門檻值”與“斷點法”由于缺乏相關標準難免會有遺漏,這都需要在今后的研究工作中不斷完善。

表6 經濟發展需求評價因子

表7 各評價單元生態影響力與經濟發展需求排名

表8 綜合發展分級矩陣

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Ecological security pattern establishment & strategies for developing construction land in landscape-type city

CHU Jinlong1,2, WANG Pei1, GU Kangkang1,2,*, WANG Yongzheng1,2

1SchoolofArchitecture&Planning,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230022,China2ResearchCenterofUrbanizationDevelopmentinAnhuiProvince,Hefei230022,China

For the urban ecological protection and special planning, it is meaningful to analyze and identify urban ecological land, establish ecological security pattern and propose the strategy for developing construction land. As a case study of Anqing City, we divide ecological lands into three types, biological diversification protection, water resource security and geological disaster avoidance by the high resolution remote sensing imagery, and classify ecological land into three levers (very important, medium important and commonly important) by GIS spatial analysis method. The ecological protection area is 394.1km2, accounting for land use planning area proportion of 44.5%, it is exploitation-prohibited region, and where can only build the necessary road and municipal utilities, ecological agricultural facilities, parkland and tour necessary facilities. Then we take the very important ecological land and the prohibited-construction areas stipulated by relevant laws, standards and policies as the source to gain Anqing City comprehensive ecological security pattern at different safety levels by using minimum cumulative resistance model. Beside the ‘Source’ and low security pattern of land, the city construction land will be 303.1km2, and it is enough to the demand of land in urban master planning at 2030. At last, based on the ecological security pattern and ecological influence and construction potency of construction land, we divide the construction land into prioritized, moderate, restricted and prohibited zones, and then point out developing strategies for each zones.

landscape type; ecological security pattern; developing strategy for construction land; Anqing City

國家自然科學基金資助項目(41471422,41101566);2016年度安徽高校自然科學研究重點資助項目(KJ2016A150)

2015- 12- 15;

2016- 05- 19

10.5846/stxb201512152505

*通訊作者Corresponding author.E-mail: kangkanggu@ahjzu.edu.cn

儲金龍,王佩,顧康康,汪勇政.山水型城市生態安全格局構建與建設用地開發策略.生態學報,2016,36(23):7804- 7813.

Chu J L, Wang P, Gu K K, Wang Y Z.Ecological security pattern establishment & strategies for developing construction land in landscape-type city.Acta Ecologica Sinica,2016,36(23):7804- 7813.