闽三角城市群生态安全格局构建及城镇扩展模拟

刘晓阳,曾 坚,贾梦圆,张 森

天津大学建筑学院, 天津 300072

随着中国城镇化快速发展,城镇用地空间的无序扩展导致生态用地与城镇建设用地的空间错位日趋严重,并进一步引发洪涝灾害频至、生物生境破坏、水土流失加剧等生态环境问题的出现[1- 2]。如何从生态安全视角合理规划城镇用地规模,控制城市无序蔓延,已成为许多国家面临的挑战[3-4]。生态安全是生态系统服务功能是否健全的综合反映,可有效保证人类生产生活可持续发展,也是表征适应环境变化的韧性状态和不受生态破坏影响的能力。如何科学有序的改善区域生态安全质量,提升生态系统服务价值,区域生态安全格局逐渐成为国内外研究的热点问题[5-6]。

生态安全格局以景观生态学为理论基础,近年来国内外学者已在其概念、理论基础和构建方法等方面开展了大量研究。生态安全格局是指自然景观过程中(如物种迁徙、灾害蔓延等)的关键景观要素的空间位置所构成的具有潜在空间联系的生态系统空间格局,其合理构建对于提升区域生态系统的完整性具重大意义[5,7]。相关理论基础最早是由我国学者俞孔坚于1999年提出[8-9],目前其构建方法可大致分为三类：第一类是采用“约束-潜力”模型,将生态系统服务功能评价作为研究区发展的制约因素,社会经济发展引力作为其发展的潜力因素构建生态安全格局[10-11]；第二类是根据景观生态学“格局-过程-功能”原理,按照“识别源地-阻力面构建-廊道提取”的研究流程进行生态安全格局构建[5, 12]；第三类是在关键单一生态过程选取的基础上基于ArcGIS空间叠加分析来进行生态安全格局构建[13-15]。在城镇用地扩展模拟方面,以元胞自动机为原理的一系列城市扩展模型(如DUEM、SLEUTH、UrbanSim等)能够通过简单的局部转换规则来模拟复杂的城市空间格局变化,成为较具影响力的城市增长模型[16-17]。其中,最具代表性的是Clarke等[18]开发的SLEUTH模型,该模型可紧密结合GIS空间数据库和遥感数据,且因其数据易获取、定标参数少、模型精度高等特征得以广泛应用[19-20]。然而,多数城镇用地扩展模拟是基于历史数据探索一套适于研究区域的城镇空间增长模型,对于城镇生态空间保护需求以及相关政策调控等因素在空间扩展上的影响较少涉及；在生态安全格局构建因素选择上,现有研究也多偏重于选取诸如水源涵养、生物保护等自然生态系统的基本服务,较少涉及居民对于生态空间的休憩需求[21]；此外,鲜有尝试利用表征人类活动的多源空间数据组合校正阻力面的研究(比如夜间灯光数据)[5, 7]；在研究尺度上,也多是基于市、县和省级视角,以典型区域城市集群视角的研究较少。

闽三角城市群是我国快速城镇化区域及海岸带关键生态脆弱区域的典型代表,因其所处地理位置的特殊性及地形限制,可发展的建设用地空间稍显不足,如何在城镇开发过程中确保区域的生态安全是当前亟待解决的关键问题,基于生态安全格局约束的城镇扩展则提供了一种能兼顾城市精明增长与生态保护的空间规划途径。因此,本文从资源环境约束导向与环境保护视角,结合研究区生态本底分析和生态问题诊断,从综合水资源安全、生物保护安全、地质灾害安全、游憩安全方面构建综合生态安全格局；从城镇发展需求导向与控制城镇无序扩张视角,基于SLEUTH模型模拟不同等级生态安全格局约束方案下的城镇空间扩展,在此基础上为城镇开发建设空间管控边界及国土空间规划的编制提供针对性建议。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

闽三角城市群(23°33′20″—25°56′45″N, 116°53′21″—119°01′38″E)位于福建省东南沿海,是海峡西岸经济区与海上丝绸之路的重要组成部分,包括厦门市、泉州市和漳州市3个设区市及其所下辖县区(图1),土地总面积约为2.5×104km2(不含金门),总人口近1800万人,为典型的新兴海岸带城市群区域。随着区域就地城镇化与工业化的快速推进,生态系统服务功能受损、土地利用结构失衡、土地资源供需矛盾激增等问题凸显,研究区的生态安全以及可持续发展受到了极大威胁。

图1 闽三角城市群地理区位Fig.1 The location of the Urban Agglomeration of Min Delta

1.2 数据来源与处理

本研究所用数据主要包括研究区2000、2005、2010、2015年四期分辨率为30 m的土地利用现状数据,来自于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)；高程数据(DEM)来源于地理空间数据云网站(https://www.gscloud.cn/)；土壤类型数据来源于福建省农业厅；NDVI数据来源于美国国家地质勘探局网站(https://earthexplorer.usgs.gov)；多年平均降雨量数据来源于中国气象数据共享网(http://data.cma.cn/)；地质灾害点位数据来源于厦漳泉水利局、地震局、生态环境局等相关政府网站；行政区划、主要公路分布、铁路分布等其他基础地理数据来源于全国地理信息资源目录服务系统(http://www.webmap.cn)；自然保护区、风景名胜区等数据来源于福建省林业厅和相关文献资料；福建省经济发展数据来源于福建省统计局及各市统计年鉴(表1)。

表1 数据来源及处理

2 研究方法

2.1 基于ArcGIS的综合生态安全格局构建

2.1.1最小累积阻力模型(MCR)

MCR模型广泛应用于物种保护和景观格局分析等生态领域,如生态网络构建、土地适宜性评价等[22-24]。最小累积阻力模型是指物种从源向目标地迁徙过程中,穿过不同栅格单元所需克服的最小阻力的模型,用来模拟物种水平扩散的行为模式。它最早于1992年提出,后经相关学者修改如下[9, 25]:

2.1.2综合生态安全格局构建

结合研究区特征与已有成果,按照划分标准分别构建分级为“底线安全格局-缓冲安全格局-最优安全格局”的四项单一生态安全格局,叠加构建闽三角城市群综合生态安全格局。基于各项生态系统服务功能的唯一性,单一过程安全格局的叠加过程中采取等权叠加方法；在叠加判别时,按照重要程度与保护力度采取“两两取高”算法。具体方法为基于ArcGIS平台,对四个单一过程的生态安全格局级别进行赋值,底线、缓冲、最优格局分别赋值为3、2、1,然后进行栅格镶嵌,每个栅格单元经过四次对比,选取最大值输出原则,获取最终的保护级别结果,即为综合生态安全格局,公式如下：

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

式中,IESP(Integrated ecological security pattern)表示综合生态安全格局；SPi表示四种生态过程的单一生态安全格局。

2.2 基于SLEUTH模型的城镇用地扩展模拟

2.2.1模型数据准备

在输入数据阶段,需要城镇范围、交通、坡度、山体阴影和排除层五类数据图层。四期城镇范围由四期土地利用重分类获取；两期交通图层由相应年份遥感影像矢量化获取；坡度和山体阴影图层是基于DEM数据计算获取；SLEUTH模型校正阶段的排除图层仅将2000年土地利用类型里的水域作为100%概率排除进行设置,预测阶段使用的排除图层则根据2015年不同安全水平的生态安全格局综合构建结果设置。经ArcMap处理将所有数据统一为8 Bit的灰度GIF图像格式的栅格数据,并按照相应规则命名,使之符合SLEUTH模型的格式要求(图2、图3)。

图2 输入数据图层Fig.2 Input data layer

图3 三种情景下排除层设置图Fig.3 Excluded layers of three scenarios

2.2.2模型校正与模拟预测

校正最终目的是根据历史数据获取五个适用于研究区扩展的增长系数,从而对其未来城镇用地扩展进行有效模拟。模型采用蒙特卡罗迭代,通过粗校正、精校正、终校正三个阶段,逐步缩小系数取值范围,采取OSM系数(Compare、Pop、Edges、Cluster、Slope、Xmean、Ymean等7个指标的乘积)作为缩小系数取值区间的依据[12,21],终校正结束后通过模拟系数获取,并结合研究区域历史城市扩张数据与类似成功案例数据,调整得到最优系数集(表2)。为验证最优系数集的合理性,采用最优系数集重建历史时期的城市扩张过程,并在像元尺度上将2005年、2010年、2015年模拟图与实际观测图对比,模拟精度均在85%以上(表3),其值与很多其他成功案例相当,说明模拟精度达到要求。利用校正最后获取的模拟系数集启动预测模块,排除图层采用三种安全水平下的生态安全格局评价结果(表4),在predict命令下获取2030年度城镇开发概率图,根据研究区实际增长情况和相关案例经验[26-27],将图中大于50%的开发概率栅格设为可转为城镇像元的阈值,得到不同情景预案下的2030年城镇用地扩展模拟结果。

表2 SLEUTH模型校正参数

3 研究区生态安全格局构建

研究整合闽三角城市群现状资源情况,总结出较突出的四大生态资源特征：(1)水资源较丰富。研究区雨量充沛,温暖湿润,年均降雨量1400—2000 m；区内水系发达、河网密布,坐拥晋江、九龙江、西溪等几大河流。(2)生物资源较丰富。区内森林覆盖率约60%,地带植被是常绿阔叶林,优良的自然环境为多种生物的生长和繁衍提供有利的栖息地。(3)地质灾害隐患复杂多样。研究区丘陵和山地总面积占比超80%,地形起伏度及坡度较大,且位于我国东南沿海台风高发区,常伴有高强度降雨,导致滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害频发[28]。(4)游憩资源较丰富。研究区因其独特的地理环境,拥有省级以上自然保护区、风景名胜区、国家森林公园等50余处,是人文观光、休闲度假、游憩娱乐的重要区域。但当前人为胁迫影响日益严峻,研究区也面临水资源短缺、生物栖息地破碎化、地质灾害频发等问题。综上所述,从生态系统自身结构出发,选取水安全格局和生物保护安全格局来缓解较突出的生态问题；从生态过程对于环境变化的响应与灾害规避角度出发,将地质灾害安全格局作为一个重要因素；最后,从生态系统对人类的服务角度出发,选择游憩生态安全格局。在此基础上,结合数据的客观性、有效性、可获取性与可操作性,选取单一过程格局构建的相关指标进行评价,叠加构建综合生态安全格局。

3.1 单一生态过程的安全格局构建

3.1.1综合水安全格局

综合水安全格局构建是以恢复自然水文过程和规避雨洪灾害为目标,参考相关文献[6,14],选取河湖水系、地表水源、洪水调蓄区和雨洪淹没区四个因子对水安全格局进行综合评判(表5)。其中,河湖水系、地表水源及洪水调蓄区是根据土地利用及重要水源地分布等数据,基于ArcGIS多环缓冲区和距离分析模块计算获取；雨洪淹没区分析是运用ArcGIS水文分析和空间分析模块,结合降水和数字高程数据,对地表径流、雨洪淹没等过程进行模拟,依次经过DEM填洼、水流方向模拟、汇流累积量计算等步骤,通过设置合理的径流量阈值进行流域划分；然后基于SCS水文模型[15]模拟10年一遇、50年一遇和100年一遇的雨洪淹没体积与淹没高度,从而获取空间上三种不同风险频率的雨洪淹没范围。最后对这四个评价因子进行叠加,得到闽三角城市群综合水安全格局(图4)。

表5 综合水安全格局评价因子及其划分标准

3.1.2生物保护安全格局

根据研究区生物种群的生境特点及生活习性,对其进行栖息地适宜性评价和物种迁徙阻力面设置,运用最小累积阻力模型构建生物保护安全格局。首先,识别生物栖息地的关键空间,选取土地覆盖、海拔高度、人类干扰等评价因子,对其进行分类与权重赋值(表6),根据自然断点分级法,获取生物栖息地适宜性评价图,判别出生物种群的核心栖息地,即为生物迁徙的最小累积阻力模型中的“源”；然后进行生物迁徙阻力面设置,根据不同土地覆被类型与源地的差异,赋予0—500的阻力系数(表7),采用夜间灯光数据表征人类活动干扰对基本生态阻力面进行修正[29]得到最终阻力面(图5、图6)；最后,运用ArcGIS成本距离分析获取最小累积阻力面,并根据MCR阻力值与栅格数目的关系图,获取曲线的突变点作为阈值来划分不同的安全水平,以此来构建生物保护安全格局(图4)。

3.1.3地质灾害安全格局

考虑研究区特殊的地形地貌地势特征及人类活动的影响,本文选取年均降雨量、坡度、高程、表面曲率、土壤类型、NDVI、土地利用类型、距主要公路距离及地质灾害点数目等因子作为地质灾害安全格局评价因子[13,30],并对这9类因子的敏感性及权重进行赋值(表8),其中地质灾害点空间分布采用核密度分析法,并在此基础上叠加闽三角城市群近年来地质灾害点的空间分布范围,构建出闽三角城市群地质灾害安全格局(图4)。

3.1.4游憩安全格局

选取省级以上自然保护区、风景名胜区、国家森林公园、国家地质公园、国家湿地公园等类别的游憩资源,作为游憩安全格局构建的主要生态源,根据其空间分布建立ArcGIS空间数据库,包括10处自然保护区、13处风景名胜区、19处森林公园、5处湿地公园和3处地质公园；然后基于不同覆被类型对游憩活动的适宜性与可达性进行景观阻力赋值(表9),并以筛选出的游憩资源为源,基于最小累积阻力模型,运用ArcGIS成本距离分析构建游憩活动的消费阻力面,判别和构建游憩安全格局(图4)。

图4 闽三角城市群单一生态安全格局Fig.4 Single ecological security pattern of the Urban Agglomeration of Min Delta

表6 生物栖息地适宜性评价因子及其划分标准

3.2 综合生态安全格局构建

按照等权叠加和两两取高原则,将综合水安全格局、生物保护安全格局、地质灾害安全格局以及游憩安全格局叠加,以此构建“底线-缓冲-最优”三种安全水平的综合生态安全格局(图7)。其中,底线安全格局是保障区域安全的核心区,包括生态过程中最重要的源和关键生态区域,是城镇用地扩展不可逾越的生态底线,应划入主体功能区划中的禁止开发区域；此区域面积为9305.51 km2,占总用地面积的36.89%,主要分布于研究区西北部山区、滨水湿地以及各大地表水源保护区,景观类型主要由林地、高覆盖草地以及湿地组成。缓冲安全格局是包围在底线安全格局周边的缓冲区域,应划入限制建设区域；此格局面积为7576.28 km2,占总用地面积的30.03%,主要位于环绕在城市建成区的生态环境较好的区域。最优安全格局是自然系统与城镇系统进行物质能量交换流通的过渡区域,它是保障区域生态安全达到最优状态的分布范围,可根据研究区的具体情况进行有条件的开发建设活动；此格局面积为3482.73 km2,占总用地面积的13.81%。

图5 夜间灯光分布图Fig.5 Night light distribution map

图6 修正后的生态阻力面Fig.6 Revised ecological resistance surface

表8 地质灾害安全格局评价因子及其划分标准

图7 闽三角城市群综合生态安全格局 Fig.7 Integrated ecological security pattern of the Urban Agglomeration of Min Delta

4 研究区城镇建设用地扩展模拟

在生态安全格局研究成果的基础上,本文构建了闽三角城市群城镇用地扩展的低、中、高三个生态安全格局约束预案,以此来探讨研究区城镇空间未来扩展的可能性。由图8可见,至2030年三种预案均沿东南沿海基本形成以厦漳泉建成区连片发展的趋势,且城镇用地空间分布表现出由东南沿海向西北内陆扩展的规律,区域一体化发展的空间雏形将形成。由表10可见,三种预案下的扩展模拟结果均表明在未来一定时段内,研究区都会面临用地增长,但扩展速率均小于历史年份2000—2015年的年均扩展速率。“高生态安全格局约束”情景秉承生态优先、兼顾发展理念,城镇用地扩展面积最小,林地耕地等生态空间被侵占的面积也最小,但城镇用地增长受限,整体呈现分裂式节点型发展,缺乏连续性；“低生态安全格局约束”情景秉承发展为主、生态底线理念,城镇用地的扩展面积和扩展速度均最大,对周边的生态资源侵占也最多,城镇建设用地整体呈现一体化发展趋势；中安全格局约束下的城镇扩展介于上述两种情景之间,基本可以同时满足生态用地和建设用地的双向需求。综上所述,将生态安全格局作为排除图层约束城镇用地的增长速度和扩展方向是有效且科学的,可以避免城镇无序蔓延对周边生态资源的大幅度侵蚀和破坏。

图8 不同生态安全格局约束下2030年城镇用地扩展模拟Fig.8 Simulation of urban sprawl in 2030 under different scenarios

表10 2000—2030年不同情境下城镇扩展面积和速率统计表

5 讨论与结论

本文基于ArcGIS空间分析,通过综合水安全、生物保护安全、地质灾害安全、游憩安全四个单一的生态过程综合叠加构建了闽三角城市群综合生态安全格局,并划分为“底线格局-缓冲格局-最优格局”三个等级；然后,运用SLEUTH模型进行城镇用地扩展模拟,并将生态安全格局作为城镇扩展的约束条件,探索模拟了三种不同等级安全格局条件下的城镇用地扩展情景。“低-中-高生态安全格局”三种约束方式下的城镇用地扩展结果表明,至2030年厦漳泉区域一体化格局将基本形成,符合国家政策的宏观指导方向；随着约束等级的提高,研究区生态系统的连通性也逐级提高,而城镇系统的连通性逐级降低；综合比较,在中安全格局情景下,闽三角区域的生态保护与城乡建设能得到较均衡的发展,此预案较符合研究区域未来的扩展方向。研究结果也证明生态安全格局构建可实现生态保护与精明增长和谐发展的可能性,通过生态安全格局的限定来合理布局城镇空间格局。相关研究成果可为城镇增长边界控制、城市总体规划及土地利用规划等提供参考依据。

本文针对研究区的生态安全特征构建四大格局评价体系,从实践分析结果看,具有一定合理性,但综合生态安全格局的构建需要因地制宜的考虑因子的全面性和整体性,如大气安全、经济发展等因子也是未来研究的考虑方向；此外单一关键生态过程指标的选择、权重的分类赋值以及安全等级的划分是影响整个生态安全格局构建的科学合理性的关键,目前此方面的研究有待进一步的深化与完善。另一方面,快速城市化时期城市发展的复杂性与不确定性导致城市用地增长的影响因素广泛存在,使得SLEUTH模型的应用存在局限,如何更为科学合理的提高元胞自动机模型捕捉自上而下的政府决策、规划引导、开发区促动、基础设施建设等驱动因素对于城镇扩展影响的能力,是后续研究的重要方向。