基于GIS的海綿城市生態安全格局構建
——以高州市中心城區為例

蕭穎瑩 徐志標 曾勝庭 張梓豪

（廣東省建科建筑設計院有限公司，廣東 廣州 510000）

自20世紀80年代以來，隨著國內生態環境問題日益嚴峻，生態安全格局引起了廣泛的關注。生態安全格局是指生態過程具有關鍵意義的空間位置、景觀元素和聯系，包括連續和完整的山水格局、河流水域、濕地系統的自然形態等，是一個多層次的、連續完整的網絡空間。生態安全格局作為水源涵養、洪水調蓄、生物棲息地網絡等維護自然生態的永久性地域景觀，用來維護城市的生態安全，定義城市空間發展模式和城市形態。

文章以生態環境保護為目標，以高州市中心城區為研究對象，采用ArcGIS空間分析技術，確定海綿城市專項規劃中構建生態安全格局的方法，為海綿城市的功能分區、海綿系統規劃提供依據，有利于保護城市的自然生態本底，規避自然災害和工程災害，改善水環境、涵養水資源、保護水生態、保障水安全，具有重要的現實意義。

1 研究區域概況

高州市位于廣東省的西南部，經度110°36′46″至110°22′45″，北緯21°42′34″至22°18′49″。東接陽春市電白區，南連茂南區，北鄰信宜市，西北與廣西北流市、西南與化州市接壤。屬于亞熱帶季風氣候，以南風為主，熱量豐富、光照充足，年均降雨量為1 892.7 mm，雨季為4～9月。主要河道為鑒江干流，鑒江位于廣東省的西南部，是粵西地區沿海最長的一條獨流入海的河流。

本次研究區域為高州市中心城區，總面積153.15 km2，東北部是山地，中央是起伏的丘陵，南部和西部的臺地、小平原，山地以及河谷小盆地相互交錯，生態條件得天獨厚，山、水、林、田、湖等生態本底資源分布廣泛。中心城區的降水豐富，同時表現出明顯的季節性，一般4～9月降水量占到全年83%左右，多年平均降雨量為1 803 mm。在土地覆被類型中，林地、草地和水體等自然生態系統類型約占全區總面積的65%；人工或半人工生態系統土地類型約占28%，其中建設用地占25%，耕地占3%，還有少量的裸地。隨著城鎮開發建設強度日益加大，區域內的生態環境面臨威脅，因此，構建生態安全格局，對于保護高州市中心城區生態安全具有重要意義。

2 研究方法及數據來源

高州市中心城區海綿城市生態安全格局的構建以ArcGIS為操作平臺，利用GIS的分析模塊，以海綿城市生態條件為基礎，根據公式計算出水源涵養能力評價與水土流失敏感性評價，再將分析結果進行空間疊加，構建不同程度的生態安全格局。

研究的主要步驟分為，選取評價類型與方法、數據預處理、模型運算和評價分級。根據生態環境特征和生態問題，選取適宜的方法，生態安全格局評價方法包括模型評估法和凈初級生產力（NPP）定量指標評估法。水土流失敏感性評價采用模型評估法，水源涵養能力評價采用凈初級生產力（NPP）定量指標評估法。根據研究方法，準備所需的各類型數據，評價的基礎數據類型是柵格數據，非柵格數據應進行預處理。根據公式，在ArcGIS中輸入評價所需的參數，進行模型運算。根據結果，將生態安全格局劃分為生態安全格局重要區和生態安全格局極重要區。

表1 水源涵養能力評價數據表

表2 水土流失敏感性評價數據表

3 生態安全格局構建

3.1 水源涵養能力評價

3.1.1 評價方法

水源涵養是生態系統通過其獨特的結構與水進行相互作用，對降水進行截留、蓄積，并通過蒸發或散發實現對水流和水循環的管控。選取凈初級生產力（NPP）定量指標評估法進行評價。計算公式為：

式中：WR為水源涵養服務能力指數；NPPmean為研究區域多年生態系統凈初級生產力的平均值；Fsic為土壤滲流能力因子；Fslo為坡度因子；Fpre為多年平均降水量因子。

其中，NPPmean可以基于CASA光能利用率模型進行計算，CASA模型中NPP的值由植物光合作用與其對光能利用率的大小決定。所以，CASA模型中NPP的計算可由植物光合有效輻射（APAR）和實際光能利用率（ε）來表示。Fslo（坡度因子）根據研究區域高程數據集，采用ArcGIS軟件中的空間分析得到坡度柵格圖。Fsic（土壤滲流能力因子）根據評價區域土壤數據集，采用ArcGIS軟件計算得到土壤滲流因子柵格圖。Fpre（多年平均降水量因子）是通過Excel算出研究區域所有的氣象站點的多年平均降水量，再利用ArcGIS將數值根據站點名與站點位置進行空間連接，最后選擇相應的插值工具獲得多年平均降水量柵格圖。

最后，通過ArcGIS將水源涵養服務能力指數WR采用分位數功能進行四級分類操作。按值大小依次劃分為4個重要性級別，即不重要區、一般重要區、較重要區、極重要區。

3.1.2 評價結果

通過對多年生態系統凈初級生產力平均值、多年平均降水量因子、土壤滲流因子和坡度因子進行綜合疊加，識別出水源涵養敏感地區。較重要及以上的水源涵養區的面積為99.49 km2，占市域面積64.96%。水源涵養重要地區主要分布在中心城區的東部、東南部以及北部。

圖1 水源涵養重要程度圖

3.2 水土流失敏感性評價

3.2.1 評價方法

水土流失是指在人為或自然因素的作用下，雨水不能就地消納、沖刷土壤，造成土壤和水分同時流失的現象。主要與氣候、土壤、地形和植被有關。水土流失敏感性評價選取模型評估法進行評價。計算公式為：

A=R·K·L·S·C

式中：A為土壤侵蝕量；R為降雨侵蝕力因子；K土壤可蝕性因子；L為坡長因子；S為坡度因子；由于S和L是影響土壤流失的主要因子，因此，將LS作為地形因子，以示其綜合效應；C為地表植被覆蓋因子。

從上述公式可以看出，影響水土流失主要是降水、地貌、植被、土壤這四個方面的因素。選取了降水侵蝕度、土壤質地、坡度、植被覆蓋度作為評價指標，將各指標進行分級，再進行空間疊加，最終得到水土流失敏感性評價結果。

3.2.2 評價結果

通過對降雨侵蝕力、植被覆蓋度、地形起伏度進行ArcGIS疊加計算，識別出水土流失敏感區。強烈及以上的水土流失敏感區的面積為5.41 km2，占市域面積3.53%。水土流失敏感性高的地區分布在中心城區的東部和東北部。

圖2 水土流失敏感程度圖

3.3 結果分析

綜合水源涵養能力評價和水土流失敏感性評價，確定生態安全格局重要區和極重要區，將水源涵養極重要區和水土流失強烈敏感區劃為生態安全格局極重要區，水源涵養較重要區和水土流失中度敏感區劃為生態安全格局重要區。通過ArcGIS進行空間疊加，得到高州市中心城區海綿生態安全格局綜合評價結果。

空間分布上，不納入生態安全格局的區域主要集中在高州市建成區，以建設用地為主，生態基底薄弱，適合開發建設；生態安全格局重要區主要集中在中心城區中部和西部，面積共66 km2，占比43.05%，需要控制開發強度，加強生態保護；生態安全格局極重要區主要集中在中心城區北部和東部，面積共43 km2，占比28.23%，需要禁止開發，執行嚴格的保護制度。

圖3 生態安全格局圖

4 結語

文章探討了海綿城市專項規劃中構建生態安全格局的方法，從海綿城市建設的視角出發，結合高州市中心城區實例進行分析和評價，提出了生態安全格局的定量評價指標。生態安全格局構建是一個綜合性、多尺度的區域問題，通過構建區域生態安全格局，掌握生態系統服務能力，在后續規劃中提出區域開發策略，減少城市發展進程中造成的負面生態影響，指導建設過程中加以保護性開發，進一步完善海綿城市建設策略以及海綿系統規劃，為城市規劃建設提供參考。