考虑滑坡敏感性的天津市蓟州区生态网络构建

王志恒,汪东川,胡炳旭,国巧真,修丽娜,赵海涛

1 天津城建大学,天津市软土特性与工程环境重点实验室,天津 300384 2 天津城建大学,地质与测绘学院,天津 300384 3 天津城建大学,天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室,天津 300384

生态网络构建是在当前城市建设难以大幅度增加生态用地的情况下,维持景观完整性和连续性,提高区域生态系统服务的重要手段[1]。近年来,伴随着城镇化的快速发展,人口数量的不断增加,滑坡、崩塌等地质灾害频发,天津市蓟州区的生态环境问题日益严重,主要体现在水土流失严重,地下水位持续下降,生物多样性受到严重威胁等。在此背景下,研究天津市蓟州区生态网络的构建对于提高当地破碎生境之间的连接度水平,有效改善自然生态系统服务功能,提高生态环境质量等具有十分重要的生态意义,也为多尺度京津冀城市群地区生态安全格局的构建提供技术借鉴。

20世纪90年代以来,国内外学者围绕着生态网络的构建,在理论方法、指标体系、构建方法等方面开展了大量的研究工作,取得一系列重要成果[2- 10]。目前,“识别源地-构建阻力面-提取廊道”已成为国内外学者构建生态网络的基本模式,其中,生态源地识别是生态网络构建的基础,目前主要根据生态服务的类型,生态服务功能的大小,生态价值的重要程度等方面进行识别[2]。在生态廊道提取方面,最小费用模型由Knaapen提出[11],并经国内学者俞孔坚[12]改进后被广泛用于生态廊道的提取,该方法突出了景观基质对生态网络构建的影响,并可以将模拟结果进行空间可视化,目前成为区域生态网络构建的主要方法,在城市环境、自然保护区规划等方面具有十分广泛的应用。生态阻力面的构建是生成生态网络的核心环节,目前常用的方法是根据当地的土地利用类型直接赋值,这种方法主要依靠专家的经验和知识确定阻力值,不考虑当地的实际情况(比如地形地貌、气候条件等),忽略了不同地区的空间差异,导致无法客观、科学以及准确地刻画物种流动过程中遇到的障碍,比如在地质灾害(滑坡、泥石流、崩塌等)频发区,仅仅根据该类地区的土地利用类型确定阻力值,会忽略地质灾害的孕灾环境对物种迁移的影响,因此,研究山地地质灾害(滑坡、泥石流等)频发地区生态景观阻力面的计算、生态网络的构建等具有十分重要的理论意义和实际价值。

本文以天津市蓟州区为研究区,参照《天津市生态用地保护红线划定方案》的相关要求,基于研究区的土地利用、地形地貌、地质构造、地层岩性等数据,从自然资源、气候调节、水源涵养、生物多样性等方面考虑,选取生态源地;基于信息量模型对研究区滑坡的敏感性进行评价,生成滑坡敏感性指数,用该指数修正由土地利用类型赋值得到的生态基本阻力面,基于最小费用模型提取研究区生态廊道,进而构建天津市蓟州区生态网络。研究结果可为天津市蓟州区生态网络优化、生态安全格局构建、城镇规划提供科学依据。

1 研究区概况

天津市蓟州区地处燕山南麓与华北平原的交接地带,位于117°08′—117°47′E,39°40′—40°15′N,面积约为1593 km2。北与河北省兴隆县相连,西与北京市的平谷县、河北省的三河县相接,东与河北省的遵化、玉田县为邻,南与宝坻县以泃河和蓟州区运河为界。蓟州区地势北高南低,呈阶梯分布,山区面积840.5 km2,平原面积504.72 km2,洼地面积245.2 km2,如图1所示。

图1 天津市蓟州区行政区划图Fig.1 Administrative district map of Jizhou district, Tianjin

蓟州区生态环境质量较好。全区土地面积1586.67 km2,由中山山地、低山丘陵、山前坡地、平原以及洼地构成,耕地面积542.2 km2,林地83.33 km2,森林覆盖率为34.2%;河流占地面积406.67 km2,一级河道3条,总面积208.67 km2,总长135 km;水库及池塘36座,总面积132 km2,总蓄水量1.3×109m3;植被为暖温带落叶林、混有温性针叶林和次生灌木林,动物以脊椎动物为主,约有300余种;拥有盘山风景名胜古迹自然保护区、九龙山国家级森林公园、黄崖关断崖地貌景区等自然保护区。近年来,伴随着城镇化水平的不断提高,人口数量的不断增长,蓟州区也面临着水土流失严重,野生动植物丰富区减少、生物多样性受到威胁,地表失稳、塌陷、地下水位持续下降,地表水的水质营养问题日益严重等生态问题,生态功能有所下降。

蓟州区的自然环境为滑坡的发育提供了必要条件。该区域地处华北平原地震带与张家口-烟台带的交汇部位,属于唐山远震区的一部分(地震烈度达VII度)[13];地势西高东低,地貌以中低山、低山和丘陵等地貌形态为主。年内降水量分配极不均匀,降水量在时空分布上变化较大,降水集中在夏季,占全年降水量的75%以上,且多暴雨。据统计,蓟州区共发生滑坡等地质灾害481处,受灾农田约666.67 km2,严重制约着当地的经济建设和社会发展,也是影响着生态功能充分发挥的主要制约因素。因此,考虑滑坡敏感性的生态网络构建研究对于优化天津市蓟州区生态网络,提高生态服务能力,增强生态服务功能具有十分重要的现实意义。

2 数据与研究方法

为了保证数据的正确性、客观性和现势性,本文涉及的滑坡敏感性分析、生态网络构建等研究采用的原始数据均从相应的专业权威部门获得,详细说明如下。

2.1 数据来源与处理

在本文中,滑坡敏感性分析采用的数据主要包括地形地貌、地质构造、岩土类型以及植被覆盖等,来源主要包括:(1)中国地质环境监测院通过野外调查得到的发生在天津市蓟州区的滑坡编目数据;(2)蓟州区TM卫星遥感数据;(3)蓟州区SRTM地形数据;(4)天津市地质矿产局编制的蓟州区第四纪地质图等。研究所需数据列表如表1所示。

表1 滑坡敏感性分析所需数据列表

蓟州区的部分滑坡数据如表2所示。

表2 蓟州区滑坡编目数据

处理后的各孕灾环境因子数据如图2所示。

图2 蓟州区滑坡孕灾环境因子Fig.2 Environmental factors of the landslide in Jizhou district

图3 蓟州区土地利用分布图(2015年)Fig.3 Distribution of the land use in Jizhou district (2015)

蓟州区生态网络构建所采用的数据主要包括:《天津市生态用地保护红线划定方案》,用于提取蓟州区生态源地;蓟州区2015年土地利用数据,如图3所示,用于构建蓟州区生态生态景观基本阻力面。

2.2 研究方法

2.2.1 信息量模型

信息量模型是进行区域滑坡灾害预测的一种有效方法,适用于中、小比例尺区域滑坡灾害预测[14]。范继跃等[15]利用GIS空间分析和统计功能,结合信息量法得到了四川九龙县地质灾害区划研究;Greco等[16]将信息量模型运用到大规模滑坡的风险评估,分析结果具有较高的可靠性;Nagarajan等[17]对热带地区地形及气候因子与滑坡敏感性之间的关系进行了分析,并基于信息量模型评价了印度康坎地区滑坡的敏感性。通过研究可以看出,信息量模型可用于评价孕灾因子与滑坡的密切程度,既能正确地反映滑坡灾害的基本规律,同时在GIS平台上也较易实现,因此,是一种区域滑坡敏感性评价中的较为科学、实用的算法[18]。

区域滑坡灾害的预测是在对区域滑坡灾害分布展开信息统计分析的基础上进行的,如果采用面积比来计算信息量,则可表示为:

(1)

式中,A为区域内单元总面积;A0为已经发生滑坡灾害的单元面积之和;S为具有相同因素x1,x2, …，xn组合的单元总面积;S0为具有相同因素x1,x2, …,xn组合单元中发生滑坡灾害的单元面积之和。

一般情况下,由于作用于滑坡灾害的因素很多,相应的因素组合状态也特别多,样本统计数量往往受到限制,故采用简化的单因素信息量模型分步计算,再综合叠加分析,相应的信息量模型可为:

(2)

2.2.2 最小费用模型

最小费用模型是提取生态廊道的重要方法,在确定研究区内各栅格单元的景观阻力后,基于式3计算选取的生态源地之间的最小成本方向和路径[19]。

(3)

式中,MCR (Minimal Cumulative Resistance Model) 是由源地扩散到空间某一点的最小累计阻力值;Dij表示从源地j到空间单位i的空间距离;Ri空间单元i的阻力值。

3 实验过程及结果分析

3.1 滑坡敏感性分析

基于天津市蓟州区滑坡空间分布数据和孕灾环境因子空间分布图,利用式2计算得到天津市蓟州区坡度、地形起伏度、高程等孕灾环境因子对滑坡的信息量值,如表3所示。

表3 蓟州区各孕灾环境因子对滑坡的信息量值

根据计算得到的各孕灾环境因子的信息值,通过重分类方法得到各孕灾环境因子的敏感性图层,并叠加生成研究区滑坡敏感性指数,如图4所示。

采用自然断点分析法对滑坡敏感性分析结果分级(图4),将研究区滑坡的敏感性划分为4个等级:高敏感性区,中高敏感性区,中敏感性区和低敏感性区,如图5所示。

图4 蓟州区滑坡敏感性指数分布图Fig.4 Susceptibility index distribution of landslide in Jizhou district

图5 蓟州区滑坡敏感性等级分布图Fig.5 Susceptibility class distribution of landslide in Jizhou district

图6 基于滑坡点密度和个数的滑坡敏感性指数验证结果 Fig.6 Test results of landslide susceptibility index based on landslide density and number

基于用于检验的滑坡编目数据,统计研究区内滑坡低敏感性、中敏感性、中高敏感性以及高敏感性区域的滑坡点百分比滑坡点数目和滑坡点密度指标。经统计,高敏感性区域占总面积的20.9%,但区域内滑坡点数却占总数的65.5%;低敏感性性区域占总面积的34.5%,但区域内滑坡点仅占总数的1.7%。此外,从图6中可以看出,随着敏感性等级的降低,滑坡点个数以及滑坡点密度均呈显著地下降趋势。

3.2 生态源地选取

生态源地是物种扩散和维持的原点,是促进生态过程发展的景观组分[20]。从生态服务功能和价值大小等方面考虑,源地一般是具有重要生态系统服务功能的自然环境斑块,能为野生物种提供生存、繁衍的庇护空间[1]。本文从自然资源、气候调节、水源涵养、生物多样性等方面综合考虑,在研究区选取生态源地共计11处,其类型及空间分布如图7所示。

3.3 考虑滑坡敏感性的生态网络构建

在参考国内外相关研究成果的基础上[21-22],根据天津市蓟州区的土地利用类型确定与其相应的景观阻力值,如表4所示。基于蓟州区土地利用类型数据,根据表4进行栅格重分类,计算得到基于土地利用类型的蓟州区景观基本阻力面分布图(图8)。

根据式(4),对考虑土地利用类型的蓟州区生态景观基本阻力面进行修正[2]。

(4)

式中,Ri为基于滑坡敏感性修正的栅格i的生态阻力系数;NLi为栅格i的滑坡灾害敏感性指数;NLa为栅格i对应的土地利用类型a的平均滑坡灾害敏感度;R为栅格i对应土地利用类型的阻力系数。

图7 蓟州区生态源地分布图 Fig.7 Spatial distribution of the ecological source area in Jizhou district

利用分区统计的方法,计算得到研究区内不同土地利用类型的平均滑坡灾害敏感度,如表5示。

表4 基于土地利用类型的景观阻力赋值表

表5 蓟州区不同土地利用类型内的平均滑坡灾害敏感度表

根据式4和表5的计算结果,利用地图代数(栅格计算器)计算得到考虑滑坡敏感性的蓟州区景观阻力面分布图(图9)。

图8 蓟州区生态景观基本阻力面分布图 Fig.8 Basic resistance surface distribution of ecological landscape in Jizhou district

图9 考虑滑坡敏感性的蓟州区景观阻力面分布图 Fig.9 Resistance surface distribution of ecological landscape considering landslide susceptibility in Jizhou district

在生态源地识别和修正景观阻力面生成的基础上,根据式3计算得到天津市蓟州区生态网络分布图,如图10所示,图中绿色的生态廊道为基于滑坡敏感性修正的景观阻力面计算得到的生态廊道,与之前识别的山、林带、湖以及湿地等类型的生态源地,依照“斑块-廊道-基质”模式共同构建天津市蓟州区生态网络。

图10 考虑滑坡敏感性的蓟州区生态网络分布图Fig.10 Ecological network distribution considering landslide susceptibility in Jizhou district

滑坡敏感性对蓟州区景观阻力面的生成具有十分重要的影响。滑坡敏感性的考虑显著地改变了蓟州区景观阻力面的空间分析,进而影响了生态廊道的提取结果。如图9所示,考虑滑坡敏感性前后的生态廊道(绿色为考虑滑坡敏感性,黄色为未考虑滑坡敏感性)在空间分布上具有显著地差异,特别是在蓟州区的北部山区,生态廊道的空间分布存在的显著不同。

基于已经提取的生态廊道结果(考虑滑坡敏感性和不考虑滑坡敏感性),通过叠加分析分类统计在不同滑坡敏感性等级区域内生态廊道的长度。图11为通过基本阻力面提取的生态廊道与不同滑坡敏感性等级区域的统计关系,可以看出提取的生态廊道有59.13 km分布在滑坡高敏感性区,占总生态廊道长度的55%;有8.26 km分布在滑坡较高敏感性区,占总生态廊道长度的21%;有8.28 km分布在滑坡中敏感性区,占总生态廊道长度的8.28%;有31.42 km分布在滑坡低敏感性区,占总生态廊道长度的29%。按照廊道长度进行统计,约有将近60%的廊道分布滑坡高敏感性区内,生态廊道的提取结果不合理。

图12为基于滑坡敏感性修正阻力面提取的生态廊道与不同滑坡敏感性等级区域的统计关系,可以看出提取的生态廊道有40.44 km分布在滑坡高敏感性区,占总生态廊道长度的35%;有24.54 km分布在滑坡较高敏感性区,占总生态廊道长度的21%;有24.54 km分布在滑坡中敏感性区,占总生态廊道长度的14%;有35.54 km分布在滑坡低敏感性区,占总生态廊道长度30%。按照廊道长度进行统计,约有35%的廊道分布滑坡高敏感性区内,比通过基本阻力面提取的生态廊道下降了15%,提取的生态廊道基本避开了滑坡高敏感性区域,提取结果更加科学、客观和合理。

生态廊道在蓟州区的空间分布也存在显著的差异,从图10中可以看出,主要分布在蓟州区的北部山区,生态廊道的密度较高;在蓟州区的中部和南部地区,生态廊道的分布非常稀疏。将基于滑坡敏感性修正的阻力面提取得到的生态廊道与蓟州区乡镇行政区进行叠加分析,如图13所示,生态廊道在各个乡镇内的分布极不均衡,经统计,分布在蓟州区各乡镇的生态廊道的平均长度为4.04 km,罗庄子镇内的生态廊道最长,约为20.82 km;约有一半的乡镇(下仓镇、杨津庄镇、桑梓镇等)没有生态廊道通过。

图11 生态廊道(基于基本阻力面)在不同滑坡敏感性等级区域的百分比Fig.11 Percentage of ecological corridor (based on basic resistance surface) in the region of different landslides susceptibility class

图12 生态廊道(基于滑坡敏感性修正的阻力面)在不同滑坡敏感性等级区域的百分比Fig.12 Percentage of ecological corridor (based on resistance surface modified by landslide susceptibility) in the region of different landslides susceptibility class

图13 蓟州区各乡镇内生态廊道长度统计图Fig.13 Statistics of ecological corridor length in townships in Jizhou district

4 结论

本文以天津市蓟州区为研究区,根据研究区滑坡的成灾机制和孕灾环境,基于信息量模型计算得到研究区滑坡敏感性指数,并将其用于修正研究区生态景观基本阻力面;结合提取得到的湖、山、林带等不同类型的生态源地和考虑滑坡敏感性的景观阻力面,构建天津市蓟州区生态网络。本研究取得以下主要成果:

(1)天津市蓟州区滑坡的空间分布主要受坡度、高程、地形起伏度以及地层岩性等因素影响;基于最小方差法对滑坡敏感性指数进行聚类分析,将研究区划分为滑坡高敏感性、中高敏感性、中敏感性和低敏感性4个区域通,采用滑坡点百分比、滑坡点密度等指标进行统计和对比,发现基于信息量模型计算得到的研究区滑坡敏感性指数对该地区已发生的滑坡具有较强的识别能力;通过敏感性等级划分可以看出,蓟州区滑坡高敏感区主要集中于北部山区(下营镇、穿芳峪乡等),该地区多集中有旅游景点和采石场,且人口分布较密集,是防范滑坡灾害的重点区域。

(2)基于天津市蓟州区滑坡敏感性指数修正生态景观基本阻力面,并采用最小费用模型提取生态廊道共计23条,总长度为约129 km。经对比分析发现,提取的生态廊道在空间上基本上避开了滑坡灾害的高敏感性区域,能够有效地将生态源地进行连接;生态廊道在蓟州区的空间分布也存在显著的差异,主要分布在蓟州区的北部山区,生态廊道的密度较高;在蓟州区的中部和南部地区,生态廊道的分布非常稀疏。

针对构建得到的蓟州区生态网络,提出以下对该地区生态网络优化的对策:

(1)进一步加强对重要生态源地的保护。蓟州区生态环境质量较好,森林覆盖率较高,但分布不均匀;近年来受到快速城市化的干扰,岛屿化和破碎化的趋势明显。因此,建议严格保护研究区内国家级、省级自然保护区,森林公园等区域性重要生态源地的完整性,进而能够形成连片的生态斑块,丰富斑块内的生态种类,更好地发挥生态源地的生态系统服务功能。

(2)合理规划绿地资源。蓟州区的中部和南部地区受人为影响较为强烈,绿地资源较少,且破碎化程度较高,导致该地区生态廊道分布稀疏。在后续的城镇规划建设中可以适当增加蓟州区中部和南部地区的绿色斑块面积,并通过建设生态控制带减轻当地社会经济活动对周边生态环境的影响。