閩三角城市群生態安全格局構建及城鎮擴展模擬

劉曉陽,曾 堅,賈夢圓,張 森

天津大學建筑學院, 天津 300072

隨著中國城鎮化快速發展,城鎮用地空間的無序擴展導致生態用地與城鎮建設用地的空間錯位日趨嚴重,并進一步引發洪澇災害頻至、生物生境破壞、水土流失加劇等生態環境問題的出現[1- 2]。如何從生態安全視角合理規劃城鎮用地規模,控制城市無序蔓延,已成為許多國家面臨的挑戰[3-4]。生態安全是生態系統服務功能是否健全的綜合反映,可有效保證人類生產生活可持續發展,也是表征適應環境變化的韌性狀態和不受生態破壞影響的能力。如何科學有序的改善區域生態安全質量,提升生態系統服務價值,區域生態安全格局逐漸成為國內外研究的熱點問題[5-6]。

生態安全格局以景觀生態學為理論基礎,近年來國內外學者已在其概念、理論基礎和構建方法等方面開展了大量研究。生態安全格局是指自然景觀過程中(如物種遷徙、災害蔓延等)的關鍵景觀要素的空間位置所構成的具有潛在空間聯系的生態系統空間格局,其合理構建對于提升區域生態系統的完整性具重大意義[5,7]。相關理論基礎最早是由我國學者俞孔堅于1999年提出[8-9],目前其構建方法可大致分為三類：第一類是采用“約束-潛力”模型,將生態系統服務功能評價作為研究區發展的制約因素,社會經濟發展引力作為其發展的潛力因素構建生態安全格局[10-11]；第二類是根據景觀生態學“格局-過程-功能”原理,按照“識別源地-阻力面構建-廊道提取”的研究流程進行生態安全格局構建[5, 12]；第三類是在關鍵單一生態過程選取的基礎上基于ArcGIS空間疊加分析來進行生態安全格局構建[13-15]。在城鎮用地擴展模擬方面,以元胞自動機為原理的一系列城市擴展模型(如DUEM、SLEUTH、UrbanSim等)能夠通過簡單的局部轉換規則來模擬復雜的城市空間格局變化,成為較具影響力的城市增長模型[16-17]。其中,最具代表性的是Clarke等[18]開發的SLEUTH模型,該模型可緊密結合GIS空間數據庫和遙感數據,且因其數據易獲取、定標參數少、模型精度高等特征得以廣泛應用[19-20]。然而,多數城鎮用地擴展模擬是基于歷史數據探索一套適于研究區域的城鎮空間增長模型,對于城鎮生態空間保護需求以及相關政策調控等因素在空間擴展上的影響較少涉及；在生態安全格局構建因素選擇上,現有研究也多偏重于選取諸如水源涵養、生物保護等自然生態系統的基本服務,較少涉及居民對于生態空間的休憩需求[21]；此外,鮮有嘗試利用表征人類活動的多源空間數據組合校正阻力面的研究(比如夜間燈光數據)[5, 7]；在研究尺度上,也多是基于市、縣和省級視角,以典型區域城市集群視角的研究較少。

閩三角城市群是我國快速城鎮化區域及海岸帶關鍵生態脆弱區域的典型代表,因其所處地理位置的特殊性及地形限制,可發展的建設用地空間稍顯不足,如何在城鎮開發過程中確保區域的生態安全是當前亟待解決的關鍵問題,基于生態安全格局約束的城鎮擴展則提供了一種能兼顧城市精明增長與生態保護的空間規劃途徑。因此,本文從資源環境約束導向與環境保護視角,結合研究區生態本底分析和生態問題診斷,從綜合水資源安全、生物保護安全、地質災害安全、游憩安全方面構建綜合生態安全格局；從城鎮發展需求導向與控制城鎮無序擴張視角,基于SLEUTH模型模擬不同等級生態安全格局約束方案下的城鎮空間擴展,在此基礎上為城鎮開發建設空間管控邊界及國土空間規劃的編制提供針對性建議。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

閩三角城市群(23°33′20″—25°56′45″N, 116°53′21″—119°01′38″E)位于福建省東南沿海,是海峽西岸經濟區與海上絲綢之路的重要組成部分,包括廈門市、泉州市和漳州市3個設區市及其所下轄縣區(圖1),土地總面積約為2.5×104km2(不含金門),總人口近1800萬人,為典型的新興海岸帶城市群區域。隨著區域就地城鎮化與工業化的快速推進,生態系統服務功能受損、土地利用結構失衡、土地資源供需矛盾激增等問題凸顯,研究區的生態安全以及可持續發展受到了極大威脅。

圖1 閩三角城市群地理區位Fig.1 The location of the Urban Agglomeration of Min Delta

1.2 數據來源與處理

本研究所用數據主要包括研究區2000、2005、2010、2015年四期分辨率為30 m的土地利用現狀數據,來自于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/)；高程數據(DEM)來源于地理空間數據云網站(https://www.gscloud.cn/)；土壤類型數據來源于福建省農業廳；NDVI數據來源于美國國家地質勘探局網站(https://earthexplorer.usgs.gov)；多年平均降雨量數據來源于中國氣象數據共享網(http://data.cma.cn/)；地質災害點位數據來源于廈漳泉水利局、地震局、生態環境局等相關政府網站；行政區劃、主要公路分布、鐵路分布等其他基礎地理數據來源于全國地理信息資源目錄服務系統(http://www.webmap.cn)；自然保護區、風景名勝區等數據來源于福建省林業廳和相關文獻資料；福建省經濟發展數據來源于福建省統計局及各市統計年鑒(表1)。

表1 數據來源及處理

2 研究方法

2.1 基于ArcGIS的綜合生態安全格局構建

2.1.1最小累積阻力模型(MCR)

MCR模型廣泛應用于物種保護和景觀格局分析等生態領域,如生態網絡構建、土地適宜性評價等[22-24]。最小累積阻力模型是指物種從源向目標地遷徙過程中,穿過不同柵格單元所需克服的最小阻力的模型,用來模擬物種水平擴散的行為模式。它最早于1992年提出,后經相關學者修改如下[9, 25]:

2.1.2綜合生態安全格局構建

結合研究區特征與已有成果,按照劃分標準分別構建分級為“底線安全格局-緩沖安全格局-最優安全格局”的四項單一生態安全格局,疊加構建閩三角城市群綜合生態安全格局。基于各項生態系統服務功能的唯一性,單一過程安全格局的疊加過程中采取等權疊加方法；在疊加判別時,按照重要程度與保護力度采取“兩兩取高”算法。具體方法為基于ArcGIS平臺,對四個單一過程的生態安全格局級別進行賦值,底線、緩沖、最優格局分別賦值為3、2、1,然后進行柵格鑲嵌,每個柵格單元經過四次對比,選取最大值輸出原則,獲取最終的保護級別結果,即為綜合生態安全格局,公式如下：

IESP=Max(SPi),i=3, 2, 1

式中,IESP(Integrated ecological security pattern)表示綜合生態安全格局；SPi表示四種生態過程的單一生態安全格局。

2.2 基于SLEUTH模型的城鎮用地擴展模擬

2.2.1模型數據準備

在輸入數據階段,需要城鎮范圍、交通、坡度、山體陰影和排除層五類數據圖層。四期城鎮范圍由四期土地利用重分類獲取；兩期交通圖層由相應年份遙感影像矢量化獲取；坡度和山體陰影圖層是基于DEM數據計算獲取；SLEUTH模型校正階段的排除圖層僅將2000年土地利用類型里的水域作為100%概率排除進行設置,預測階段使用的排除圖層則根據2015年不同安全水平的生態安全格局綜合構建結果設置。經ArcMap處理將所有數據統一為8 Bit的灰度GIF圖像格式的柵格數據,并按照相應規則命名,使之符合SLEUTH模型的格式要求(圖2、圖3)。

圖2 輸入數據圖層Fig.2 Input data layer

圖3 三種情景下排除層設置圖Fig.3 Excluded layers of three scenarios

2.2.2模型校正與模擬預測

校正最終目的是根據歷史數據獲取五個適用于研究區擴展的增長系數,從而對其未來城鎮用地擴展進行有效模擬。模型采用蒙特卡羅迭代,通過粗校正、精校正、終校正三個階段,逐步縮小系數取值范圍,采取OSM系數(Compare、Pop、Edges、Cluster、Slope、Xmean、Ymean等7個指標的乘積)作為縮小系數取值區間的依據[12,21],終校正結束后通過模擬系數獲取,并結合研究區域歷史城市擴張數據與類似成功案例數據,調整得到最優系數集(表2)。為驗證最優系數集的合理性,采用最優系數集重建歷史時期的城市擴張過程,并在像元尺度上將2005年、2010年、2015年模擬圖與實際觀測圖對比,模擬精度均在85%以上(表3),其值與很多其他成功案例相當,說明模擬精度達到要求。利用校正最后獲取的模擬系數集啟動預測模塊,排除圖層采用三種安全水平下的生態安全格局評價結果(表4),在predict命令下獲取2030年度城鎮開發概率圖,根據研究區實際增長情況和相關案例經驗[26-27],將圖中大于50%的開發概率柵格設為可轉為城鎮像元的閾值,得到不同情景預案下的2030年城鎮用地擴展模擬結果。

表2 SLEUTH模型校正參數

3 研究區生態安全格局構建

研究整合閩三角城市群現狀資源情況,總結出較突出的四大生態資源特征：(1)水資源較豐富。研究區雨量充沛,溫暖濕潤,年均降雨量1400—2000 m；區內水系發達、河網密布,坐擁晉江、九龍江、西溪等幾大河流。(2)生物資源較豐富。區內森林覆蓋率約60%,地帶植被是常綠闊葉林,優良的自然環境為多種生物的生長和繁衍提供有利的棲息地。(3)地質災害隱患復雜多樣。研究區丘陵和山地總面積占比超80%,地形起伏度及坡度較大,且位于我國東南沿海臺風高發區,常伴有高強度降雨,導致滑坡、崩塌、泥石流等地質災害頻發[28]。(4)游憩資源較豐富。研究區因其獨特的地理環境,擁有省級以上自然保護區、風景名勝區、國家森林公園等50余處,是人文觀光、休閑度假、游憩娛樂的重要區域。但當前人為脅迫影響日益嚴峻,研究區也面臨水資源短缺、生物棲息地破碎化、地質災害頻發等問題。綜上所述,從生態系統自身結構出發,選取水安全格局和生物保護安全格局來緩解較突出的生態問題；從生態過程對于環境變化的響應與災害規避角度出發,將地質災害安全格局作為一個重要因素；最后,從生態系統對人類的服務角度出發,選擇游憩生態安全格局。在此基礎上,結合數據的客觀性、有效性、可獲取性與可操作性,選取單一過程格局構建的相關指標進行評價,疊加構建綜合生態安全格局。

3.1 單一生態過程的安全格局構建

3.1.1綜合水安全格局

綜合水安全格局構建是以恢復自然水文過程和規避雨洪災害為目標,參考相關文獻[6,14],選取河湖水系、地表水源、洪水調蓄區和雨洪淹沒區四個因子對水安全格局進行綜合評判(表5)。其中,河湖水系、地表水源及洪水調蓄區是根據土地利用及重要水源地分布等數據,基于ArcGIS多環緩沖區和距離分析模塊計算獲取；雨洪淹沒區分析是運用ArcGIS水文分析和空間分析模塊,結合降水和數字高程數據,對地表徑流、雨洪淹沒等過程進行模擬,依次經過DEM填洼、水流方向模擬、匯流累積量計算等步驟,通過設置合理的徑流量閾值進行流域劃分；然后基于SCS水文模型[15]模擬10年一遇、50年一遇和100年一遇的雨洪淹沒體積與淹沒高度,從而獲取空間上三種不同風險頻率的雨洪淹沒范圍。最后對這四個評價因子進行疊加,得到閩三角城市群綜合水安全格局(圖4)。

表5 綜合水安全格局評價因子及其劃分標準

3.1.2生物保護安全格局

根據研究區生物種群的生境特點及生活習性,對其進行棲息地適宜性評價和物種遷徙阻力面設置,運用最小累積阻力模型構建生物保護安全格局。首先,識別生物棲息地的關鍵空間,選取土地覆蓋、海拔高度、人類干擾等評價因子,對其進行分類與權重賦值(表6),根據自然斷點分級法,獲取生物棲息地適宜性評價圖,判別出生物種群的核心棲息地,即為生物遷徙的最小累積阻力模型中的“源”；然后進行生物遷徙阻力面設置,根據不同土地覆被類型與源地的差異,賦予0—500的阻力系數(表7),采用夜間燈光數據表征人類活動干擾對基本生態阻力面進行修正[29]得到最終阻力面(圖5、圖6)；最后,運用ArcGIS成本距離分析獲取最小累積阻力面,并根據MCR阻力值與柵格數目的關系圖,獲取曲線的突變點作為閾值來劃分不同的安全水平,以此來構建生物保護安全格局(圖4)。

3.1.3地質災害安全格局

考慮研究區特殊的地形地貌地勢特征及人類活動的影響,本文選取年均降雨量、坡度、高程、表面曲率、土壤類型、NDVI、土地利用類型、距主要公路距離及地質災害點數目等因子作為地質災害安全格局評價因子[13,30],并對這9類因子的敏感性及權重進行賦值(表8),其中地質災害點空間分布采用核密度分析法,并在此基礎上疊加閩三角城市群近年來地質災害點的空間分布范圍,構建出閩三角城市群地質災害安全格局(圖4)。

3.1.4游憩安全格局

選取省級以上自然保護區、風景名勝區、國家森林公園、國家地質公園、國家濕地公園等類別的游憩資源,作為游憩安全格局構建的主要生態源,根據其空間分布建立ArcGIS空間數據庫,包括10處自然保護區、13處風景名勝區、19處森林公園、5處濕地公園和3處地質公園；然后基于不同覆被類型對游憩活動的適宜性與可達性進行景觀阻力賦值(表9),并以篩選出的游憩資源為源,基于最小累積阻力模型,運用ArcGIS成本距離分析構建游憩活動的消費阻力面,判別和構建游憩安全格局(圖4)。

圖4 閩三角城市群單一生態安全格局Fig.4 Single ecological security pattern of the Urban Agglomeration of Min Delta

表6 生物棲息地適宜性評價因子及其劃分標準

3.2 綜合生態安全格局構建

按照等權疊加和兩兩取高原則,將綜合水安全格局、生物保護安全格局、地質災害安全格局以及游憩安全格局疊加,以此構建“底線-緩沖-最優”三種安全水平的綜合生態安全格局(圖7)。其中,底線安全格局是保障區域安全的核心區,包括生態過程中最重要的源和關鍵生態區域,是城鎮用地擴展不可逾越的生態底線,應劃入主體功能區劃中的禁止開發區域；此區域面積為9305.51 km2,占總用地面積的36.89%,主要分布于研究區西北部山區、濱水濕地以及各大地表水源保護區,景觀類型主要由林地、高覆蓋草地以及濕地組成。緩沖安全格局是包圍在底線安全格局周邊的緩沖區域,應劃入限制建設區域；此格局面積為7576.28 km2,占總用地面積的30.03%,主要位于環繞在城市建成區的生態環境較好的區域。最優安全格局是自然系統與城鎮系統進行物質能量交換流通的過渡區域,它是保障區域生態安全達到最優狀態的分布范圍,可根據研究區的具體情況進行有條件的開發建設活動；此格局面積為3482.73 km2,占總用地面積的13.81%。

圖5 夜間燈光分布圖Fig.5 Night light distribution map

圖6 修正后的生態阻力面Fig.6 Revised ecological resistance surface

表8 地質災害安全格局評價因子及其劃分標準

圖7 閩三角城市群綜合生態安全格局 Fig.7 Integrated ecological security pattern of the Urban Agglomeration of Min Delta

4 研究區城鎮建設用地擴展模擬

在生態安全格局研究成果的基礎上,本文構建了閩三角城市群城鎮用地擴展的低、中、高三個生態安全格局約束預案,以此來探討研究區城鎮空間未來擴展的可能性。由圖8可見,至2030年三種預案均沿東南沿海基本形成以廈漳泉建成區連片發展的趨勢,且城鎮用地空間分布表現出由東南沿海向西北內陸擴展的規律,區域一體化發展的空間雛形將形成。由表10可見,三種預案下的擴展模擬結果均表明在未來一定時段內,研究區都會面臨用地增長,但擴展速率均小于歷史年份2000—2015年的年均擴展速率。“高生態安全格局約束”情景秉承生態優先、兼顧發展理念,城鎮用地擴展面積最小,林地耕地等生態空間被侵占的面積也最小,但城鎮用地增長受限,整體呈現分裂式節點型發展,缺乏連續性；“低生態安全格局約束”情景秉承發展為主、生態底線理念,城鎮用地的擴展面積和擴展速度均最大,對周邊的生態資源侵占也最多,城鎮建設用地整體呈現一體化發展趨勢；中安全格局約束下的城鎮擴展介于上述兩種情景之間,基本可以同時滿足生態用地和建設用地的雙向需求。綜上所述,將生態安全格局作為排除圖層約束城鎮用地的增長速度和擴展方向是有效且科學的,可以避免城鎮無序蔓延對周邊生態資源的大幅度侵蝕和破壞。

圖8 不同生態安全格局約束下2030年城鎮用地擴展模擬Fig.8 Simulation of urban sprawl in 2030 under different scenarios

表10 2000—2030年不同情境下城鎮擴展面積和速率統計表

5 討論與結論

本文基于ArcGIS空間分析,通過綜合水安全、生物保護安全、地質災害安全、游憩安全四個單一的生態過程綜合疊加構建了閩三角城市群綜合生態安全格局,并劃分為“底線格局-緩沖格局-最優格局”三個等級；然后,運用SLEUTH模型進行城鎮用地擴展模擬,并將生態安全格局作為城鎮擴展的約束條件,探索模擬了三種不同等級安全格局條件下的城鎮用地擴展情景。“低-中-高生態安全格局”三種約束方式下的城鎮用地擴展結果表明,至2030年廈漳泉區域一體化格局將基本形成,符合國家政策的宏觀指導方向；隨著約束等級的提高,研究區生態系統的連通性也逐級提高,而城鎮系統的連通性逐級降低；綜合比較,在中安全格局情景下,閩三角區域的生態保護與城鄉建設能得到較均衡的發展,此預案較符合研究區域未來的擴展方向。研究結果也證明生態安全格局構建可實現生態保護與精明增長和諧發展的可能性,通過生態安全格局的限定來合理布局城鎮空間格局。相關研究成果可為城鎮增長邊界控制、城市總體規劃及土地利用規劃等提供參考依據。

本文針對研究區的生態安全特征構建四大格局評價體系,從實踐分析結果看,具有一定合理性,但綜合生態安全格局的構建需要因地制宜的考慮因子的全面性和整體性,如大氣安全、經濟發展等因子也是未來研究的考慮方向；此外單一關鍵生態過程指標的選擇、權重的分類賦值以及安全等級的劃分是影響整個生態安全格局構建的科學合理性的關鍵,目前此方面的研究有待進一步的深化與完善。另一方面,快速城市化時期城市發展的復雜性與不確定性導致城市用地增長的影響因素廣泛存在,使得SLEUTH模型的應用存在局限,如何更為科學合理的提高元胞自動機模型捕捉自上而下的政府決策、規劃引導、開發區促動、基礎設施建設等驅動因素對于城鎮擴展影響的能力,是后續研究的重要方向。