基于GIS的海口海岸帶空間功能分區研究

張旭,張繼偉,陳鳳桂,溫瑞,高宇

(自然資源部第三海洋研究所 廈門 361005)

0 引言

海岸帶是指陸地與海洋的交界地帶[1],是資源與環境條件最為優越的區域,與人類的生存、發展息息相關[2-3]。然而隨著沿海經濟的發展,人口不斷聚集,開發利用活動逐漸加劇,海岸帶正面臨著生態環境破壞、生物多樣性減少、污染加重、漁業資源退化等一系列問題[4-5],嚴重影響了海岸帶的可持續發展。海岸帶空間資源的開發利用是海洋經濟發展的重要基礎,而合理劃分海岸帶空間是保證海岸帶空間資源利用統籌協調的前提,同時也是引導海岸帶區域保護與開發活動,促進沿海經濟可持續發展的重要方式[6-7]。

目前國外海岸帶空間分區的技術方法主要體現在海洋空間規劃里面[8],其中分區技術方法側重于海域分區[9],如美國阿拉斯加州按照資源分布特點來劃分海岸帶;荷蘭通過海洋功能分區配合海岸帶綜合管理分區;澳大利亞采用基于生態系統的海岸帶分區。而國內空間分區研究方法實證應用較多,如趙萬忠[10]研究了海岸帶主體功能分區;李楊帆等[11]依據功能分區原則和海岸帶資源環境特點劃分功能區;母容等[12]構建了基于多維決策分析的海灣海岸帶主體功能分區技術方法;徐照林等[13]使用模糊聚類分析對海岸帶林業氣候進行分區研究;杜軍等[14]運用模糊綜合評判方法對海岸帶災害地質穩定性進行分區研究;史玉金等[15]探索了環境地質功能分區的原則和方法;鄭丙輝等[16]運用GIS技術進行生態分區研究;王傳勝等[17]借助GIS分析技術探討海岸帶重點生態空間的分區;張耀光[18]探討了海洋經濟分區方法;王剛[19]從微觀角度對沿海灘涂的功能分區進行研究。

綜上所述,目前國內外空間分區的技術方法已經較為成熟,主要以GIS與遙感技術為支撐,通過構建指標體系并對相關要素進行空間分析實現分區。然而針對海岸帶地區的空間功能分區方法研究較少,仍然存在極大的探索空間。另外目前土地利用與海域使用分類體系已經較為成熟,但對海岸帶空間的功能利用類型的劃分還未做出具體規定。因此本研究借鑒已有分區方法,基于模糊理論,構建海岸帶空間模糊綜合評價指標體系,對海岸帶生產空間、生活空間、生態空間進行模糊適宜性評價,同時結合相關規劃分析探討海岸帶空間適宜功能類型,并通過GIS技術實現海岸帶空間功能分區。

1 研究方法

1.1 技術路線

技術路線如圖1所示。首先根據研究內容收集相關資料,建立GIS基礎數據庫;其次構建適宜性評價指標體系,采用模糊綜合評判的方式進行綜合評價與分析;最后根據相關規劃及研究區現狀分析海岸帶空間功能類型,并結合三維魔方分類的方法進行空間分區。

圖1 技術路線

1.2 模糊綜合評價

1.2.1 指標體系

海岸帶空間模糊綜合評價指標體系是海岸帶空間分區的前提和基礎,而指標體系的設置是否合理和準確,會直接影響評價結果的準確性。本研究考慮海岸帶空間綜合評價的基礎性與綜合性特征,從自然生態、資源環境和經濟社會3個方面選取9個指標,構建評價指標體系(表1)。其中自然生態指標包括生態重要性、災害危險性和環境容量3項指標。生態重要性反映區域生態系統結構與功能的重要程度,反映了生態服務功能的強弱;災害危險性反映空間開發對災害的抵御能力;環境容量反映區域對污染的吸納消化能力。資源環境指標包括水資源豐度、土地資源豐度和岸線條件等3項指標。水資源是區域發展不可或缺的資源之一,水系對維持海岸帶生態系統平衡和生態安全有著重要作用,另外河流和湖泊不僅對維持水循環至關重要,也是構成區域生態景觀的主要組成部分,而景觀變化與生態環境安全水平密切相關,建設活動應該與水系保持相應的安全距離,在保護的前提下,合理地利用水資源對區域生態安全的穩定性以及社會經濟可持續發展至關重要[20];土地資源是社會經濟發展的空間載體,是不可替代的基本資源;隨著海洋工程技術的發展,一些相對可變因素如岸線集疏運條件、岸線城市依托等對生產開發活動的限制能力逐漸變弱,岸線本身的自然條件逐漸成為岸線開發的重要影響因素[21],因此岸線條件選擇對岸線使用影響較大的自然條件因子,包括岸線穩定性、近岸水質、岸前水深、避風條件、潮差和陸域可開發縱深等,并采用疊加分析的方式進行評價分析。經濟社會指標包括人口集聚度、經濟發展水平和區位優勢等3項指標。人口集聚度是地區人口集聚狀態的反映;經濟發展水平是地區經濟發展狀態的重要表征指標;區位優勢則反映空間開發集散的動力。

表1 海岸帶空間模糊綜合評價指標體系與GIS處理方法

1.2.2 指標分析

生態重要性主要通過重要生態功能區占研究區面積的比值來表征;災害危險性考慮到?？诤０稁艿刭|災害類型為岸線侵蝕,氣候災害主要為熱帶氣旋等,因此考慮采用植被覆蓋度來反映海岸帶對災害風險的抵御程度,認為植被覆蓋度越高抵御災害風險的能力越強,其中植被覆蓋度可根據遙感影像進行計算;環境容量根據地表水環境質量以及大氣環境質量綜合確定,環境質量等級越高,納污能力越強,環境容量就越高;水資源豐度考慮海岸帶主要靠地表徑流以及水庫獲取淡水資源,而降水量則決定了地表徑流及水庫的水資源量,因此采用降水量來表征海岸帶的水資源豐度;土地資源豐度則采用可利用土地面積與海岸帶面積之比來表征;岸線條件則根據選取的指標進行疊加分析;人口集聚度則采用人口密度來表征;經濟發展水平采用人均GDP來反映;區位優勢則通過交通路網密度來反映。

1.2.3 指標權重

采用層次分析法與德爾菲專家調查法綜合確定指標權重。根據層次分析法的原理,構建各級指標判斷矩陣,確定各級指標的相對重要性順序。首先建立一級指標判斷矩陣,包括影響海岸帶空間類型的自然生態、資源環境以及社會經濟的指標判斷矩陣,其次建立二級指標判斷矩陣,包括構成和影響上述3個方面指標的判斷矩陣,并對各級指標進行兩兩重要性比較;最后對判斷矩陣進行計算,經過一致性檢驗后,得到如下結果(表2)。

表2 指標權重結果

1.2.4 評價模型

海岸帶是受多因素影響的復雜系統,各因素之間的相互作用關系及各因素對主導功能的影響程度在量上是難以精確的[22],即具有模糊性特征,因此要求評價者必須根據評價對象的性質選擇適宜的評價模型與方法[23]。模糊綜合評價是解決這種多因素之間模糊復雜關系的一種評價方法。

海岸帶模糊綜合評價需要對影響海岸帶的多個指標因素進行分析,并以適宜性評語集合來描述評價結果。首先根據評價對象選擇評價指標建立指標集U={u1,u2,…,u m},并確定各指標權重A={a1,a2,…,a n};其次確定適宜性等級評語集合V={很適宜,適宜,較適宜,不適宜,很不適宜};接著對單因素進行模糊評判,即確定第i個元素u i的評判結果R ij=(r i1,r i2,…,r im),并得到矩陣R=(r ij)m×n,其中R矩陣是表示U～V上的模糊關系;最后綜合考慮所有影響,計算綜合評判結果B=A×R=(b1,b2,…b m)。

1.3 三維魔方分類

三維魔方分類是指從事物不同維度構建三維坐標系,每個維度設定不同結點構成三維空間的N階魔方,形成N×N×N種模式組合,并通過制定組合歸類規則進行分區[24]。該方法是空間功能分區應用較為成熟的方法[25],可以直觀表達研究單元的主導功能位序[26]。因此本研究根據上述模糊評價結果,構建以生產、生活、生態為軸的三維坐標系(圖2),并等距劃分三維魔方坐標系,依照適宜性等級優先確定開發方向,同時結合研究區實際情況確定功能類型。生態適宜性等級高其余較低,應進行管制保護;生產適宜性等級高其余較低,適合大規模開發;生活適宜性等級高其余較低則適度開發;其余等級組合則優先按照生態適宜性等級并結合研究區實際利用類型綜合確定。

圖2 三維魔方分類

2 案例研究

2.1 研究區概況

?？谑惺呛Ｄ鲜≌?、經濟、科技、文化中心和最大的交通樞紐,位于110°08"E—110°43"E,19°32"N—20°06"N,地處海南島北部,東鄰文昌市,南接定安縣,西連澄邁縣,北臨瓊州海峽與廣東省隔海相望。全市總面積3 119 km2,其中陸地面積2 289 km2,占73.39%,海域面積830 km2,占26.61%。本研究區位于?？谑醒匕?以?？谑泻０毒€向內陸緩沖5 km得到,該地區地貌主要為濱海平原,海拔較低,整體坡度較小(圖3)。

圖3 研究區位置

2.2 數據來源

本研究采用柵格格網進行綜合評價。柵格格網是進行綜合評價的最小數據單元。格網單元越小,反映的信息越詳細。因此本研究借鑒國土空間規劃中標準地域的選取尺度,結合統計數據的可獲取性,選取反映信息量適中的300×300 m網格為基本評價單元,共計4 762個網格單元。其中進行相關研究的數據主要包括:規劃文本、海岸帶調查資料、Landsat8遙感影像數據、交通網絡數據、社會經濟數據和環境質量數據等(表3)。

2.3 海口海岸帶指標分析

(1)自然生態:海口市重要生態功能區包括地質公園、自然保護區、森林公園、重要水源地和濕地公園5類,其中?？谑袞|部沿岸有國家級紅樹林保護區,西海岸西部近岸有五源河濕地公園,海岸帶分布有多個旅游景點;根據Landsat8遙感影像計算?？谑兄脖桓采w度,結果表明,海口市近岸植被覆蓋總體分布不均勻,西部明顯低于東部,盈濱半島至新海港、秀英港和新埠島沿岸植被覆蓋度較低,中心城區植被覆蓋度最低,西海岸至海甸島沿岸植被覆蓋度一般,東海岸至東寨港范圍植被覆蓋度較高;海口市地表水環境質量狀況總體良好,重要水源地分別達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)的三類標準,環境空氣質量指數全年基本為一級,近岸海域總體為第一、二類水質,但部分入海排污口附近海域環境質量依然較差。

(2)資源環境:海口市降水量年內分配很不均勻,隨季節變化顯著,雨季主要集中在5—10月,且多為熱帶氣旋雨和熱雷雨。海口市降水量地區分布規律為:東部大于西部且降水量隨地形升高而增加。?？谑泻０稁У貐^地貌類型為濱海平原,坡度變化范圍在0～34度,但絕大部分區域坡度低于5度,地勢低平,面積廣大,可開發利用土地資源豐富;?？诤０毒€條件總體較好,部分岸線受到侵蝕。

(3)經濟社會:人口空間分布特征為中間多兩邊少,人口密度由高至低依次排序為:中心城區、西部片區、東部片區。?？谑?018年全市地區生產總值(GDP)為1 510.51億元。?？谑薪煌ㄟ\輸線路密度由高至低依次排序為:中心城區、西部片區、東部片區,其中中心城區主要干道線路密集,沿岸城鎮分布較多,東部城區由于目前開發力度較小,道路網密度較低。

2.4 結果與分析

2.4.1 海岸帶模糊綜合評價

根據研究方法,通過GIS技術實現?？诤０稁惪臻g的模糊綜合評價,并劃定適宜性等級為最適宜、適宜、較適宜、不適宜和很不適宜5個等級,結果如下。

(1)生產空間評價:?？诤０稁a空間適宜性等級最適宜的區域在西部片區以及東寨港范圍部分區域,而中心城區靠近海甸島范圍生產適宜性等級為最不適宜。

(2)生活空間評價:?？诤０稁钸m宜性最好的區域主要集中在海口中心城區,西部片區生活適宜性為較適宜等級,東寨港范圍生活適宜性等級為最不適宜。

(3)生態空間評價:海口海岸帶生態空間適宜性條件較好的區域主要分布在東寨港范圍,基本為最適宜與適宜等級,西部片區部分區域靠近五源河附近區域適宜性等級也較高。

2.4.2 海岸帶空間功能類型

根據上述模糊評價結果,以生產、生活、生態為軸等距劃分形成5×5×5三維魔方,根據相關文獻[6,8,27],同時結合?？谑邢嚓P規劃以及?？诤０稁У淖匀毁Y源條件和社會需求,將海口海岸帶空間劃分為港口碼頭空間、農林漁牧空間、城鎮建設空間、旅游娛樂空間、生態保護空間和其他空間6類功能空間類型(表4和表5)。

表4 ?？谑泻０稁Э臻g功能類型

表5 海岸帶功能空間對應三維坐標

續表

2.4.3 海岸帶功能空間分區

根據上述空間功能類型,結合GIS技術劃分海口海岸帶功能空間,結果如下:?？谑泻０稁鞑科瑓^主要為旅游娛樂空間,中心城區主要為城鎮建設空間,東部片區主要為農林漁牧空間與生態保護空間兩種功能類型。其中旅游娛樂空間占比為16.84%,城鎮建設空間占比為21.18%,農林漁牧空間占比為22.54%,生態保護空間占比為35.77%(表6和圖4)。

表6 ?？谑泄δ芸臻g面積統計

圖4 ?？谑泻０稁Чδ芸臻g分布

3 結論與討論

3.1 結論

本研究針對海岸帶地區的特殊性,以模糊理論為基礎,構建評價指標體系,對?？谑泻０稁a空間、生活空間和生態空間進行模糊評價,最后根據相關規劃并結合海口市海岸帶利用現狀,探討了海口市海岸帶空間適宜功能類型,并通過三維魔方分類方法實現對海口海岸帶空間進行功能分區。結果表明:①生產空間適宜性等級最高的主要分布在?？诤０稁鞑科瑓^及東寨港部分區域;生活空間適宜性等級最高的區域在中心城區;生態空間適宜性等級最高的區域主要在東部片區的東寨港。②?？谑泻０稁惪臻g分布較為平均,其中生產空間、生活空間、生態空間面積占比分別為23.91%,38.02%,38.07%。③?？谑泻０稁Э臻g可分為港口碼頭空間、農林漁牧空間、旅游娛樂空間、城鎮建設空間、生態保護空間和其他空間等6種功能空間類型,其中主要功能類型為旅游娛樂空間、城鎮建設空間、農林漁牧空間和生態保護空間4種類型,面積占比分別為16.84%、21.18%、22.54%、35.77%。④?？谑泻０稁鷳B保護空間面積占比最大,主要分布在東部片區的東寨港。

3.2 討論

(1)海口海岸帶雖然目前生態空間面積較大,但總體分布很不均勻,主要集中在東部片區的東寨港范圍,建議未來在維持現有生態空間的基礎上,加強東寨港紅樹林自然保護區、沿南渡江兩岸和沿海岸線的帶狀生態公園建設,保護河流入海口、沙灘、基巖海岸、自然岬灣、潟湖和紅樹林等海岸帶資源;另外海口海岸帶東部片區沿岸生態環境質量優越,生產條件較好,是未來的發展重點。但目前開發利用程度較低,主要以農林漁牧功能為主,建議逐漸轉變現有開發功能類型,逐步退耕還塘,提高陸?？臻g資源利用配置效率,增強陸?？臻g生產和服務功能,實現海岸帶資源的高效利用。最后需在促進該區域經濟發展和提高居民生活質量的同時,加強東寨港侵蝕海岸的整治修復。

(2)本研究以模糊理論為基礎并結合GIS技術,采用模糊綜合評價與三維魔方分類的方法劃分海岸帶空間,是對海岸帶空間分區技術的探索。本研究以?？诤０稁榘咐M行應用研究,初步探索了?？诤０稁Э臻g功能格局,其結果為中等尺度下海岸帶空間的劃分方法以及功能空間類型的確定提供了借鑒與參考。通過對海岸帶進行功能空間分區,一方面可以優化海岸帶空間資源配置,協調海岸帶空間開發與保護格局,為海岸帶的可持續發展提供保障;另一方面可以依據海岸帶空間主導功能類型,明確空間開發重點、開發強度以及環境保護要求等便于海岸帶的綜合管理。

(3)考慮到影響海岸帶空間分區的指標因素較多,本研究構建的指標體系可能不夠完善,這會在一定程度上影響評價結果的科學性,因此需在今后的研究中不斷增加完善指標體系。