基于ArcGIS与GAP分析的长株潭城市群水安全格局构建

李 博，甘恬静

(中南大学建筑与艺术学院，湖南 长沙 410083)

我国水安全问题十分突出，已经成为影响经济可持续发展和人民安居乐业的瓶颈制约[1]。现有水安全研究成果主要聚焦在水质安全评价与利用[2-5]、水生境安全评价[6-7]、水灾害风险评价[8-9]和综合水生态安全评价[10-11]等方面。在水安全格局方面仍然需要深入研究，建立以水为核心生态要素的区域生态空间管制机制，从而实现区域水安全目标[12]。单一型水安全格局常作为国土尺度[13]、市域尺度[14]、区域尺度[15-16]生态安全格局中的组成部分。综合型水安全格局研究集中在水资源保护、水生物保护、水灾害规避、水污染防控和海绵城市建设等方面，利用景观生态学的格局与过程互馈理论和地方知识，构建能综合解决水安全问题的整体格局[17-19]。相关研究成果主要采用最小累积阻力模型(minimal cumulative resistance，MCR)来构建生物保护安全格局，利用数字高程模型(digital elevation model，DEM)来分析不同级别的洪涝水位的无源淹没范围，应用“源-汇”理论和生态因子叠置法分析非点源污染的格局识别与优化[20-21]。

水安全格局本质上是能够维护区域水安全的关键要素和空间位置，是最优配置的理想景观格局，但是并没有说明有哪些关键性的空间位置已被破坏或者没有得到较好保护，难以有针对性地开展生态修复和设置保护优先权。GAP分析正好能解决这一问题。GAP既指保护空缺区，又是一种评估物种、群系、生态系统至景观区域尺度生态多样性受保护程度的地理学方法[22-23]，本文主要基于第一种含义展开研究。GAP分析步骤一般包括土地覆盖制图、物种分布制图、土地利用制图和这3个图层的叠加[24]。GAP分析可用于生态安全格局的分析与评价[25]，但是目前仅应用于辨识生态安全格局的生态源地[26]，较少见针对水安全格局的GAP分析和实证研究。本研究将GAP分析应用于识别水安全格局的保护与修复空白点，据此找到应该优先开展生态建设的位置，有助于提升区域水环境的整体安全水平。

2007年国务院批准长株潭城市群成为“两型社会”配套改革试验区，探索一条资源利用与环境保护相协调的城市群可持续发展道路。然而区域内洪涝灾害频发[27]，水体污染较为严重[28]，湿地生境退化[29]，水安全问题突出[30]，亟须构建科学合理的水安全格局来为保障长株潭城市群的生态安全提供技术支持。本研究在ArcGIS平台上开展长株潭城市群核心区水安全格局的分析，从防洪排涝、防治地下水污染以及保护湿地生物多样性3个维度辨析水生态敏感格局，在此基础上构建由水生态保护区和水生态廊道组成的城市群核心区综合水安全格局，然后将其与现状和规划的土地利用图叠加分析，识别出两类GAP点，以高效保护湿地生境、地下水资源和规避水灾害风险。

1 研究区概况与数据来源

长株潭城市群位于湖南省东北部，地理坐标为27°45′N～28°55′N，112°59′E～133°35′E，是中部崛起的重要增长极，依据《长株潭城市群区域规划提升(2008—2020年)》(2014年调整)，其核心区范围包括长沙市、株洲市、湘潭市的市区以及长沙县、浏阳市、宁乡县、醴陵市、株洲县、湘潭县、湘乡市的部分地区，总面积约6 162.06 km2(图1)。研究区域地势东北高西南低，地貌类型多样，丘陵与盆地交错，盆地周边高低植被覆盖率高，林、水、田比例约为6∶1∶3。气候属亚热带季风气候，年均气温约为16～18℃，年均降水量约为1 814 mm[31]，降水集中在夏季，水系主要有湘江干流和浏阳河、靳江河、涓水、涟水、渌水等支流。

研究采用的遥感影像和DEM数据主要来自地理空间数据云(www.gscloud.cn)的资源库，采用的城市建设用地规划数据来自2013—2016年修订的长株潭三市城市总体规划资料。根据研究范围遥感影像的清晰程度，选用空间分辨率30 m的1993年Landsat4-5 TM遥感影像、2013年Landsat8 OLI_TIRS遥感影像以及空间分辨率为30 m×30 m的DEM数据作为基础数据，每期均包括轨道ID号为123-40和123-41的2景影像。利用ArcGIS9.2和ERDAS9.2软件进行遥感影像的人机交互解译，结合1993年的谷歌地图与野外采样开展精度检验和校核修正，参考《我国土地利用现状分类》(GB/T21010—2007)，将核心区的土地类型分为农田、林地、水域、滩涂、城乡建设用地以及旱地与裸地共6类。城市规划建设用地数据统一在WGS1984的坐标系统内与遥感解译数据图层配准，所有数据均转化为30 m精度的栅格文件。

(a)研究区位置

(b)2013年土地利用情况

图1 长株潭城市群核心区区位和2013年土地利用情况

2 研究方法

2.1 水生态敏感格局识别

水生态敏感格局可以理解为对城市群水环境产生重要影响，且抗外界干扰能力较差，最易出现水生态问题，需要进行保护与综合整治的关键区域[32]，其识别是构建水安全格局的基础。水污染风险、水灾害风险和水生态系统保护是水生态安全的核心问题[33]，因此水生态敏感格局包括保障水生态系统供给服务的地下水质敏感格局、具有水生态系统调节功能的洪灾敏感格局与涝灾敏感格局、具有生命支撑作用的水生境敏感格局。

2.1.1地下水质敏感格局

根据2015年湖南省地质调查研究院的长株潭城市群地质环境调查相关研究成果[34]，综合考虑地下水污染分布、土壤污染分布和地下水应急水源分布情况，将保障城市群供水安全的应急水源地划为一级敏感区，将地下水污染区划为二级敏感区，将工业、生活和矿山污染造成的土壤污染区划为三级敏感区，可以得到地下水质敏感格局，其中一级敏感区占水生态保护区总面积的68.27%(图2)。

2.1.2洪灾敏感格局

长株潭城市群核心区的防洪工程建设较为完备，大部分防洪堤按照百年一遇标准修建，因此主要考虑发生特大洪灾时，超出防护堤的洪水淹没情况。利用DEM数据分析无源淹没范围，可以识别出水系、湿地、湖泊、水库、低洼地等满足洪水宣泄的空间，辨识这些行洪空间格局可以有效降低洪灾风险[35]。选用捞刀河堤顶高程40 m、长沙城区河西堤顶高程42 m、湘潭水文站堤顶高程44.9 m分别作为一级、二级、三级敏感区的标准[36]，与河湖湿地一起构成区域洪灾敏感格局，其中洪灾一级敏感区在水生态保护区总面积中的占比达96.17%(图3)。

2.1.3涝灾敏感格局

一些地势较低的城市建成区填埋了原有的洼地、河滩、湿地，导致城市雨洪调蓄能力下降，暴雨期间易发涝灾。以1993—2013年建成区内消失的水域湿地作为涝灾生态敏感格局的分析对象，用2013年研究区域的城乡建设用地作为遮罩，提取1993年的水域范围，再转换为shapefile格式的点数据，应用ArcGIS的点密度空间分析命令计算点密度的空间分布数据，采用自然断点(natural break)分类法将研究区分为9个等级，取前3级作为涝灾敏感格局的一、二、三级敏感区(图4)。

图2 地下水质敏感格局

图3 洪灾敏感格局

2.1.4水生境敏感格局

选用池鹭、黑斑蛙作为鸟类和两栖类湿地生境的指示物种，从垂直栖居过程与水平活动过程出发识别水生境敏感格局。基于垂直过程可以评价池鹭与黑斑蛙的栖息地适宜性。池鹭常栖息于稻田、池塘、湖泊、水库和沼泽湿地等水域，不喜公路噪音[37]；黑斑蛙喜温湿有遮阳的水草生境，常栖息于海拔500～1 000 m的水域及附近的草丛中[38]。由此确定栖息地适宜性的评价因子，再采用Delphi与层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)[39]，选定11名专家对各指标因子相对重要性进行两两比较，运用Yaahp v7.5软件建立判断矩阵，启用群决策功能对专家打分进行加权几何平均计算，通过一致性检验后，得到因子权重(表1)。利用ArcGIS软件计算池鹭与黑斑蛙栖息地适宜性指数的空间分布。

图4 涝灾敏感格局

黑斑蛙以垂直栖居过程为主，可以直接将其适宜性指数按照自然断点9级分类，取前3级获得黑斑蛙敏感格局(图5(a))。池鹭在湿地和林地之间水平迁徙，先以适宜性分析辨识的栖息地作为“源”，再以土地利用类型为阻力因子，构建“源-汇”水平过程的MCR模型，分析判别池鹭的敏感格局[40](图5(b))。

表1 黑斑蛙与池鹭栖息地适宜性评价指标体系及其权重

2.2 综合水安全格局构建

2.2.1水生态保护区识别

将上述单因子水生态敏感格局的9个等级，从低到高分别赋予1～9的标准值，再用Delphi与AHP方法，计算出长株潭城市群核心区综合水生态敏感格局评价指标权重(表2)。将所有单因子水生态敏感格局的标准化指数加权叠加得到综合水生态敏感格局，再用自然断点法重分类为9级，把敏感程度最高的一级划分为水生态保护区。

2.2.2水生态廊道识别

水生态廊道包括两类：一是作为主要行洪走廊、保障鱼类与两栖类动物迁徙的水生态蓝线廊道，二是既能保障水鸟迁徙又能净化水质与滞留雨洪的水生态绿线廊道。构建水生态蓝线廊道要建立地表径流模型，首先在无洼地DEM上利用ArcGIS流向工具，凭借传统的D8算法[41]计算地表径流离开每一个栅格单元的水流方向，然后利用水流方向栅格数据计算每个栅格的汇流累计量，当汇流量达到一定值时就会产生地表径流，所有汇流量大于阈值的栅格就是潜在的水流路径，由这些水流路径构成的网络即为水生态蓝线廊道网络。构建水生态绿线廊道要同时使用MCR模型与地表径流模型。首先以池鹭的MCR模型计算出最小累积阻力面作为虚拟的DEM，再利用地表径流模型来识别低阻力联通道和低阻力辐射道。这些通道是池鹭水平迁徙活动的潜在路径，需要作为生态廊道加以保护。

(a)黑斑蛙 (b)池鹭

图5 黑斑蛙和池鹭敏感格局

2.3 水安全格局的GAP分析

2.3.1水生态保护区的GAP分析

池鹭与黑斑蛙生境敏感格局是经过叠加分析的生物栖息地和活动范围，即物种分布图层。将其和土地利用规划图中的水系与绿地保护区叠加，可以辨识没有被保护的GAP；将其和现有城乡建设用地图叠加，可得到需要生态修复的GAP。

2.3.2水生态廊道的GAP分析

水生态廊道的连通性是保障亲水物种栖息活动的关键要素，因此廊道GAP将严重威胁湿地物种多样性。将水生态蓝线廊道与现有水系湿地图层相叠加，找到水体中断或缺失的位置，以及有水坝阻断鱼类洄游线路的河段，即水生态蓝线廊道的GAP。水生态绿线廊道穿越大面积城镇建设用地，其中工业仓储用地和道路与交通设施在一定程度上对湿地鸟类的迁徙活动造成了干扰和阻碍作用，因此将水生态绿线廊道分别与现状和规划的工业仓储用地、道路与交通设施用地图层相叠加，可以辨识湿地鸟类迁徙通道上生境质量较差的地段，即水生态绿线廊道的GAP。

3 结果分析

3.1 综合水安全格局

长株潭城市群核心区的综合水安全格局由水生态保护区、水生态绿线廊道和水生态蓝线廊道组成，占核心区总面积的16.12%(图6)。

图6 综合水安全格局与GAP分布

3.1.1水生态保护区

水生态保护区一般沿水系分布，主要包括位于望城区北部、开福区与长沙县的捞刀河沿线、湘潭县东北部的涟水与涓水沿线的3个水生态保护区，总面积约为256 km2，占水安全格局总面积的25.77%。其中望城区北部保护区面积为117 km2，捞刀河保护区面积为74 km2，湘潭县东北部保护区面积为65 km2。水生态保护区的土地利用类型主要是农田、林地和水体(分别占总面积的34.28%、22.69%和17.75%)，还有少部分城乡建设用地、旱地裸地和河漫滩(分别占总面积的11.50%、8.98%和4.80%)。

表3为水生态保护区包含的一级生态敏感区面积。可以看出，望城区北部保护区有较大面积的土地存在洪灾风险与水质污染风险，还是池鹭的主要栖息地；该区域是城市群核心区的主要应急水源地，但是存在面源污染问题，亟须开展专项环境整治工程；该区域位于湘江下游且水系丰富，当超防洪标准的洪峰入境时有漫水和溃堤风险，需要连通沟渠湖垸与河网，建立海绵湿地系统来消纳洪水；长期的围湖造田和农业生产活动也威胁到湿地鸟类的生境安全，应设立湿地生态保护区进行控制管理。捞刀河保护区的洪涝灾害风险突出，这里属于长沙盆地，低洼的地势容易积涝，城市建设活动导致湖荡坑塘湿地严重萎缩，雨季洪涝调蓄能力减弱，需要修复湿地生态系统，提升区域的抗洪排涝能力。湘潭县东北部保护区需要重点保护境内的涟水与涓水的河道与周边湿地的生态系统，兼顾防洪减灾、保护地下水源安全、保护湿地生境等生态建设要求。

表3 水生态保护区包含的一级生态敏感区面积 km2

3.1.2水生态廊道

水生态蓝线廊道是水安全格局的骨架，范围包括河流水域及其两侧的缓冲区，总长度约为654 km，根据水系等级可分为两个级别。一级蓝线廊道长度约445 km，占蓝线廊道总长度的68%，包括湘江干流和捞刀河、浏阳河、沩水等湘江一级支流的水域和两侧400 m缓冲区；它既是最重要的湿地生态系统和鱼类迁徙路径，又是泄洪和排涝的主要通道，还是城市群主要的水源和游憩带。二级蓝线廊道总长度约209 km，占蓝线廊道总长度的32%，包括二与三级支流、湖泊、湿地水体及其两侧200 m缓冲区；它是一级廊道水生态系统服务功能的延伸和扩展，对一级廊道的水质优劣、泄洪能力和水生物多样性有重要影响。

水生态绿线廊道是水安全格局的经脉，是山林地到水系湿地之间的有机连接通路，总长度约为516 km。将衔接3个水生态保护区的低阻力连通道列为一级绿道，其他为二级绿道。由表4可知，一级绿线廊道长度约222 km，占绿线廊道总长度的43%，廊道控制范围应达到100～200 m，穿越的林地比重较大，生态环境质量较高，是池鹭在栖息地和觅食地之间安全迁移的主要路线。二级绿线廊道长度约294 km，占绿线廊道总长度的57%，廊道控制范围应达到50～100 m，穿越的建设用地与林地比重较大，是连接城镇绿地与城郊林地与湿地的绿色通廊和歇脚石。应严格控制绿线廊道内的建设工程，采用乡土植物绿化裸地，提高廊道的绿地面积。

3.2 水安全格局的GAP保护与修复

3.2.1水生态保护区的GAP保护与修复

水生态保护区有3个保护空缺的GAP点，分别位于长沙市松雅湖湿地东侧、捞刀河镇向阳坡和湘潭市雨湖区毛家屋场，其现状土地利用形式主要是农田、林地和水域，是黑斑蛙和池鹭的栖息地，也位于洪灾风险区和地下水应急水源地。但是在城市规划中，这些生态空间将被开发为居住用地与商业用地，其生态价值没有受到保护。建议在城市规划修编的过程中应优先考虑保护GAP点位置的自然生态系统，降低开发建设强度，提高防洪标准和海绵城市建设要求，保护地下水源。

水生态保护区还有2个修复空缺的GAP点，分别位于长沙县舒家湾和湘潭县三联村，都是水鸟的主要觅食区域，其现状土地利用形式主要是村镇建设用地。集中分布的村镇建筑群将原本较为完整的农田和湿地斑块分割成破碎的小斑块，干扰了池鹭的生存活动。需要增加村镇生态绿地面积，并建设绿道连通周边湿地、农田和林地，以增加生态斑块的连通性。

3.2.2水生态廊道的GAP保护与修复

a. 水生态蓝线廊道。水生态蓝线廊道上共有7个修复空缺的GAP点，其中因分隔水域而形成的GAP点位于长沙望城区雷锋北大道一线；因水库水坝拦截鱼道而形成的GAP点分别位于长沙湘江航电枢纽、茶亭水库、关山水库、顺塘水库、湘潭向东渠水库、株洲大京水库。根据潜在水流路径模拟分析，望城区雷锋北大道沿线的张家湖、史家湖、斑马湖与东湖本是一片完整的湿地，现在被堤垸分割为多个仅有涵闸连接的鱼塘水池，存在养殖业污染水体和侵占两栖物种生境的问题。可以结合城市规划中计划新建的湿地公园，修复湿地生态系统，恢复湿地完整性和连通性。蓝线水系上的水库水坝是传统的土石坝或钢筋混凝土大坝，仅考虑防洪和蓄水功能，阻隔了水生物洄游通道，破坏了原有浅水湿地生态系统。对此，一方面需要在附近增建小型浅水湿地，另一方面增建水坝的鱼道、鱼梯设施，确保洄游道路通畅[42]。

b. 水生态绿线廊道。水生态绿线廊道有2个保护空缺的GAP点，分别位于一级绿线廊道与规划的长沙星沙联络道交界处以及二级绿线廊道与规划的株洲武广大道交界处；还有10个修复空缺的GAP点，其中4个位于高速公路和城市快速路截断绿线廊道之处，6个在城市工业仓储用地与绿道的交汇处。城市道路用地既降低了绿线廊道的景观连通度，又会直接干扰水鸟的水平迁徙活动。GAP位置的道路两侧需要种植冠幅大、分支点高的乔木形成连续的绿化带，弱化道路噪声与灯光的影响，也为水鸟提供休憩的踏脚石，同时需要采用限速、禁鸣等措施来降低干扰[43]。工业仓储用地易污染地下水和空气，尤其是部分二类工业用地截断绿线廊道，威胁到水鸟的生存。必须外迁有严重污染的项目，在廊道控制范围内的工业用地应布置办公和生活区，并适当增加绿地面积。

表4 水生态绿线廊道的土地利用类型构成 %

4 结 论

a. 长株潭城市群核心区的水安全格局由水生态保护区斑块和水生态廊道构成，占核心区总面积的16.12%。其中水生态保护区占水安全格局总面积的25.77%，集中分布在望城区北部、捞刀河沿线、湘潭县东北部的3个斑块；水生态蓝线廊道总长度约为654 km，湘江干流及其一级支流是区域最重要的水生态屏障，作为一级蓝线廊道，占总长度的68%；水生态绿线廊道总长度约为516 km，其一级绿线廊道占总长度的43%。

b. 洪灾风险和地下水资源被破坏的风险是长株潭城市群核心区最为突出的水安全问题，其次是湿地生物多样性保护问题。洪灾一级敏感区占水生态保护区总面积的96.17%，虽然有防洪堤保护，但是一旦发生超百年一遇洪水位，都面临洪水漫堤和内部积涝的风险，需要控制建设强度和构建生态防洪设施，以弥补防洪工程的不足。地下水应急水源地占水生态保护区总面积的68.27%，应大力整治建设用地和农业用地的面源污染问题，确保应急水源安全。望城区北部是水鸟和蛙类的主要栖息地，需要结合生态廊道同步保护，形成能满足湿地物种生存活动空间需求的蓝、绿生态网络。

c. 水生态保护区有3个保护空缺GAP和2个修复空缺GAP，水生态蓝线廊道有7个修复空缺GAP，水生态绿线廊道有2个保护空缺GAP和10个修复空缺GAP。GAP区域决定了长株潭城市群核心区水安全格局的整体安全水平，必须作为亟须保护或修复的关键性战略位置，在水安全格局的建设实施过程中优先考虑。