基于生态安全的水网丘陵地区最优旅游道路选线——以湖南水府庙流域为例

许砚梅 刘惊涛 戴湘君

中南大学建筑与艺术学院 长沙 410075

目前， 生态安全战略是国家推进生态文明建设的着力点， 尤其在区域生态红线划定、 生态功能区划中著有成效。 随着生态安全理论的不断深入， 生态安全格局分析方法也作为生态安全战略的技术支撑逐步应用于旅游交通规划之中。 生态安全格局是以景观生态学为理论依据， 研究景观中存在某种潜在的生态系统空间格局， 然而交通规划对环境造成的生态损耗是无可避免的， 故可借鉴荷兰生态学家Knappen 提出的最小累积阻力模型理论(Minimal Cumulative Resistance， MCR)计算空间生态安全水平对道路选线产生障碍的空间维度阻力， 探求空间累积阻力最小的通道， 这条通道反映了一种应对生态损耗的潜在可达性[1－2]。 本文尝试从构建生态安全格局出发， 确定流域的生态阻力面， 并基于MCR 模型识别出耗损成本最小、 扩展可能性高的通道作为最优交通路径， 以此构建水网丘陵地区最优旅游道路选线体系， 推动旅游业发展。

1 研究区概况及研究方法

水府庙流域位于湘江支流涟水中上游段， 该流域总面积为3 040.50 km2， 土地类型丰富， 以河流、 农田和林地为主。 水府庙流域是湖南典型的水网丘陵地区， 其海拔63 ～1 511 m， 地形起伏， 河谷平原、 丘陵交错排列， 地势南北高中间低。 该流域景观资源极其丰富， 域内分布23 处典型风景区， 其中水府庙旅游区是国家级湿地公园，是湖南省水源战略保护区[3]。

本文的基础数据主要包括: 1) 2015 年水府庙流域土地利用情况(来源于《水府庙环境保护实施方案2012—2015》 )， 用于阻力因子评价等； 2) 数字高程模型(DEM)， 其空间分辨率为30 m (来源于地理空间数据云)， 用于基础分析等； 3) 风景区、 乡土文化景观点(来源于百度POI)， 用作数据“源” 和乡土文化评价； 4)降水数据(来源于娄底市、 涟源市、 双峰县水文站)， 用于综合水安全评价等； 5) 基础地理数据， 如道路等(来源于娄底市与湘乡市环保局以及OpenStreetMap 地理数据)， 用于阻力因子评价等。

通过文献查阅、 现场调研、 统计分析以及遥感应用等方法对水府庙流域进行旅游道路选线研究。 遥感应用方法主要包括: 1) 基于景观安全格局分析方法， 以流域的生态安全水平为基础，分别建立综合水安全、 水源保护、 地质安全、 生物保护、 乡土文化5 个景观子格局； 2) 基于MCR 模型法， 以生态阻力面作为生态成本单元，建立各景观“源” 之间的模拟路径， 经过拓扑分析筛选后形成流域内风景区之间的最优道路选线的可视化模型[4－5]。

2 流域生态安全格局

2.1 综合水安全格局

水府庙流域是湖南雨洪防护的重点战略区之一。 基于SCS－CN 模型， 综合考虑流域极端降雨量(10 年、 20 年、 50 年一遇降水量)、 DEM、 土地利用等相关数据， 通过GIS 水文分析得到洪水淹没的总地表预测产流， 并通过volume 工具测算洪水淹没范围[6]； 再将流域DEM 数据利用GIS 的河流分析工具分别找到水府庙流域内洼地的分水岭， 通过区域统计分析找到每个分水岭出口高度值以及最低高度值， 作差后得到每个洼地的深度，并以自然断点的方式确定水涝范围； 最后将雨洪淹没范围以及水涝范围通过GIS 同位叠加后得到综合水安全格局[7](图1)。

2.2 水源保护安全格局

水源保护安全格局构建是保障区域居民用水的有力举措之一。 根据现状水系在区域发挥的重要作用以及美国生态学者Hagar (2002) 提出的对水源生境保护的适宜宽度大于40m 规模等因素， 将重要水资源分布区进行缓冲分析， 并依照不同类型的水系边界指定相同的间距设置三个层级的安全格局缓冲范围(表1)， 以保护区域水域生境质量与水源涵养的最大需求[8](图2)。

表1 水源保护缓冲分析

2.3 地质安全格局

地质安全格局是保障水网丘陵地区生态安全的刚性要求之一， 其构建方法首先要选定地质灾害要素， 再确定不同风险源的空间分布情况， 最后叠加各风险要素所覆盖的范围形成地质安全格局。 通过文献与实地调研分析， 水府庙流域主要包括泥石流、 滑坡两类地质灾害要素， 故本文选用肖华斌学者建立的地质灾害防护安全构建标准(表2)， 基于GIS 对两类灾害因子的等比分级运算， 识别地质灾害源的空间分布， 确立地质安全格局[9](图3)。

表2 不同风险源地质安全格局构建指标

2.4 生物保护安全格局

湘中地区森林覆盖度较高、 土壤肥沃、 水源充足， 是动物栖息优越的天然场所。 通过文献查阅， 鉴于鸟类与哺乳类特征， 甄别出水府庙流域具有特征性以及指示性的两种动物: 野猪和白鹭。根据两类物种的生态习性， 判别出物种的核心栖息地， 并作为物种空间运动的“源”， 再根据土地利用对物种运动的影响建立不同的相对景观阻力面(表3)， 得出两个生物源性子格局， 最后以“高低取高” 的安全水平原则进行叠加， 得到流域的生物安全格局[10](图4)。

图1 综合水安全格局

图2 水源保护安全格局

图3 地质安全格局

表3 野猪和白鹭阻力相对系数表

图4 生物安全格局

2.5 乡土文化安全格局

乡土文化安全格局体现的是以重要乡土文化景观为核心的保护过程， 其目的是为了加强乡土文化景观的保护与传承。 首先选取水府庙流域具有对本土文化具有传承与保护意义的乡土文化景观并进行地理配准， 以作为乡土文化景观格局判别的“源” 数据； 然后确定乡土安全的相对阻力因子(表4)， 利用GIS 的cost distance 工具通过自然断点法划定历史景观保护红线的生态空间格局 (图5)[11－12]。

表4 乡土文化景观的阻力因子与阻力系数

图5 乡土文化安全格局

3 最优旅游道路选线体系

3.1 综合生态阻力面的确定

最优旅游道路选线依赖于生态阻力面的建立。本文以生态安全格局作为构建生态阻力面的指标，通过各类格局安全水平反馈的生态损耗敏感程度综合叠加形成的研究区生态阻力面可较为精确地表征区域生态阻力差异。 依据景观生态学理论，该研究区不同的景观过程应具有同等的生态效力[13]， 所以需要赋予相同的权重， 因此， 根据实际情况以及专家打分法， 将流域各类子格局重新设置生态阻力值， 其中缓冲区赋值为5， 高安全格局赋值为25， 中安全格局赋值为50， 低安全格局赋值为100， 最后将所有赋值后的结果等比叠加形成流域综合生态阻力面(图6)。

图6 综合阻力面构建

3.2 最优旅游道路选线的构建

通过数据搜集以及地理配准， 将域内23 处风景区作为最优道路选线的“源”。 基于MCR 模型理论， 将综合生态阻力面作为成本栅格数据， 利用GIS 迭代模型以及Cost Distance 和Cost Backlink工具分析各“源” 的成本距离方向与回溯成本，并利用Cost Path 工具分析流域内各风景区之间的可视化最低成本路径； 通过拓扑检查和考虑到实际情况， 需要剔除掉部分不符合生态安全战略的路径， 最终提取43 条优化路径作为水府庙流域的最优旅游道路选线(图7)。

图7 水府庙流域最优旅游道路选线

3.3 旅游道路建设策略

最优旅游道路选线不仅要遵循一般选线与建设原则， 应用于实际还要考虑3 个层面的问题。一要考虑区域环境对道路选线的要求， 对于生态高阻力地区应进行强制性地交通开发保护， 禁止不符合功能定位的交通道路开发建设； 对于生态中低阻力地区， 需要进行多方面的生态评估， 并以生态优先原则建立道路交通网络； 二要考虑道路开发使用过程中对区域环境的影响。 对于新建旅游道路， 需要进行适宜的绿化种植规划， 并根据道路级别以及实际情况确定绿化带宽度， 以此改善大气环境质量， 并降低交通噪声、 尾气污染；三要考虑道路开发冲突问题。 当旅游道路与已有道路存在路线交叉时， 如G60 潭邵段、 G320、S50、 S209、 S312 等主要公路干线， 可能无法进行大规模地道路衔接或路网改造； 因此， 在符合道路建设规范的条件下， 新建道路可采用路面抬高架桥或下沉隧道的方式处理， 以保障整体交通的最大连通性[14]。

4 讨论

本文以水府庙流域范围为尺度， 以水网丘陵地区的生态本底特征为基础， 构建了流域的综合水安全、 水源保护、 地质安全、 生物安全与乡土安全等5 个景观子格局， 并建立了流域的生态阻力面， 利用MCR 模型根据实际情况筛选出43 条可自然连接水府庙流域23 处风景区的模拟路径，形成流域风景区之间的旅游交通道路网； 最后基于交通网络可视化模型， 提出相对应的道路建设策略以提升风景区新建道路与现有交通的整体连通性， 促进旅游业发展。

生态安全格局构建是一个静态的过程， 即通过现状地理要素、 自然生态要素以及人文历史要素影响安全水平。 但是交通建设是一个动态且持续的过程， 区域相关要素的空间格局会随着交通的不断开发建设与使用而产生较大的波动， 所以利用生态规划进行道路选线应具有前瞻性。 首先，考虑到水网丘陵地区的生态特殊性， 旅游道路选线不仅要满足快捷、 可达性， 也要尽量避开生态高阻力地区， 降低未来生态风险与管控成本； 其次， 应加大对重点道路沿线的生态绿化建设， 稳定沿线生态用地的连接度， 保证生境质量， 形成绿色、 经济、 便民的旅游交通网络。

本研究尝试将生态安全格局方法引入水网丘陵地区旅游道路选线之中， 提出一个具有生态效益的交通选线模式。 这种生态保护与道路选线的结合， 旨在有效规避对空间阻力较大的路径， 节约生态经济成本， 实现区域可持续发展的整体性与系统性， 有利于区域生物多样性、 文化多样性以及生态环境的保护[15－16]， 对水府庙流域生态旅游交通规划具有借鉴意义， 也为全国水网丘陵地区旅游道路选线提供规划思路。