基于土地利用变化模拟的水生态安全格局优化方法——以天津市为例

贾梦圆 陈天

水生态环境保护是一个跨尺度、跨地域的系统性问题，其不仅包含对水生态系统自身的保护，还应扩展到整个城市与水环境交互作用的生态系统，通过综合途径对水生态系统的供给服务、调节服务、生命承载服务和文化精神服务等多种功能进行调理[1]。在此背景下，构建水生态安全格局有助于从生态系统的层面，整体保护水环境的生态网络、组织结构和服务功能，实现城市与水生态环境的协调发展与永续发展。

自20世纪90年代中国开始关注生态安全的概念以来，对于生态安全格局，特别是水生态安全格局的研究仍处于起步和探索阶段。部分学者提出依据水生态环境和相关基底特征分析，以维护生态安全的重要程度为标准，划定水生态安全格局的方法体系[2-5]。也有部分研究围绕水资源、水生境、水灾害、水文化特征提出水生态保护红线的划定方法[6-9]。然而，这些方法多侧重于被动防护式的水生态保护措施，却缺乏对于城市发展对水生态系统可能造成的干扰和影响作用的综合研判。事实上，城镇化进程中大规模的城市用地扩张是威胁水生态安全的最主要因素之一；构建水生态安全格局需综合考虑水生态系统自体特征和可能受到人类活动影响的敏感性特征2方面内容。因此，本研究旨在提出应用土地利用变化模拟模型分析优化水生态安全格局的技术方法。通过应用土地利用变化模拟模型——CLUE-S模型（Conversion of Land Use and its Effects Model at Small Region Extent）分析城市用地扩张对水生态系统可能造成的影响，识别水生态敏感区域，以主动式、预见性的方式调整优化水生态安全格局的空间地域和保护等级，更好地实现应用水生态安全格局协调城市发展与水生态保护的目标。

1 水生态安全格局的概念及内容

1.1 水生态安全格局的概念

生态安全格局（ecological security patterns）指的是对于维护生态安全起着关键作用的局部、点和空间关系构成的空间格局[10]。水生态安全格局属于生态安全格局的范畴，侧重于以水生态要素为主体而设定的空间格局。生态基础设施、生态廊道、生境网络等理念均为水生态安全格局提供了有力的理论支持[4]。当前学术界对于水生态安全格局的概念有狭义与广义2种解读：1）从狭义概念理解，水生态安全格局指的是通过对汇水节点、河道、湿地、潜在洪水淹没范围等空间要素的合理规划和布局配置，形成不同层级和等级的生态节点、生态廊道和生态网络，从而保护和提升水生态系统的健康和安全水平[2]；2）从广义概念理解，水生态安全格局不仅包含地域空间格局，还涵盖为了维护水生态健康的底线水量、水质等量化控制指标[6]。本研究从水生态安全格局的狭义概念出发，主要探讨构建和优化水生态安全地域空间格局的技术方法。

1.2 水生态安全格局的内容

水生态空间是维护水生态系统的整体性和安全性的重要空间区域和连接结构。通过构建水生态安全格局，可明确水生态空间的范围、结构和保护等级，进而约束各类型开发建设活动。从涵盖范围角度解读，水生态安全格局应涵盖对水生态系统具有关键意义的各类地域空间格局，例如与水源涵养、水源地保护、供水水质管理相关的水资源利用安全格局；与防治水污染、保护重要水生物生境相关的水环境保护安全格局；与防治水土流失、雨洪灾害相关的水灾害规避安全格局；与保护文化遗产相关的水文化安全格局等[2-3,7]。从空间结构角度解读，水生态安全格局的内容应包含生态源地、阻力面、生态廊道3部分[11]，其中，生态源地是维护水生态系统的稳定和健康的核心水生态空间，阻力面反映出以生态源地为起点向外发展将面临的空间阻力关系，生态廊道是连接各个生态源地形成系统性生态网络的生物活动通道。从保护方式的角度解读，水生态安全格局的内容中应包含保护重要水生态空间的空间红线、根据水生态重要性和敏感性划定的安全等级以及不同等级的城市开发建设活动的限制条件[7]。

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概况

本研究以天津市为研究区域，陆域总面积11 917 km2。天津市位于海河流域下游，素有“九河下梢”“河海要冲”之称，拥有丰富的河流、湖泊、湿地、滩涂等水生态空间，并且是候鸟南北迁徙途中重要的栖息地。自20世纪末以来，天津经历了快速的城镇化和大规模的城市扩张进程，城市面临着供水紧张、河流断流、湖泊湿地干涸等水资源短缺问题和严重的水污染问题。此外，城市周边的毛细水网和湿地面积大幅度减少，滨海发展的填海造地工程严重威胁沿海滩涂的水生物生境[12]。天津市正面临着严峻的水资源短缺、水环境污染、水生态破坏等问题，构建水生态安全格局，保护和修复水生态环境是城市未来发展刻不容缓的任务。

2.2 数据来源

本研究依据基础底图、土地利用类、水资源类、地形地貌类、生态环境类、气候气象类、灾害类、社会经济发展类多种数据和资料，构建天津市水生态安全格局（表1）。

3 研究方法

3.1 技术路线

研究采用的技术路线（图1）分为初步识别水生态安全格局和调整优化水生态安全格局2部分。1）根据现状条件分析识别水生态源地、建立阻力面、提取水生态廊道，初步识别天津市水生态安全格局的“生态源地—阻力面—生态廊道”结构并划定安全等级。2）研究基于天津市土地利用变化的历史数据建立CLUE-S模型，模拟城市高速发展情景、自然发展情景、紧凑发展情景3种不同条件下土地利用变化情况，叠置对比分析模拟结果，识别容易受到城市用地扩张影响的水生态敏感区域。3）根据模拟结果，对水生态安全格局中敏感区域的安全等级进行调整，补充针对性的水生态系统保护策略，形成保护水生态空间完整性和系统性的综合水生态安全格局。

3.2 水生态安全格局的初步识别方法

3 .2.1 识别水生态源地

水生态源地指的是对水生态系统的稳定和健康起到核心作用且达到一定规模的景观斑块。参考俞孔坚等提出的水生态空间红线的划定方法[7]，依据《天津市水系规划（2008—2020）》《天津城市总体规划（2008—2020）》、地表覆盖数据、DEM数据等资料，从水资源保护、水文调节、水生命支持、水文化保护4个维度识别研究区的水生态源地（表2）。而后，在ArcGIS软件中，参考美国马里兰州GIA体系的参数设置[15]，应用尺度门槛筛选去掉面积＜100 hm2的斑块，合并临近的斑块，平滑边界，并向外扩展100 m距离的缓冲区，得到水生态源地的空间范围。

表2 水生态源地识别的框架体系与空间范围Tab. 2 The framework of identifying the hydro-ecological hubs

3.2.2 确定阻力面

阻力面指的是以水生态源地为起点，事物向外运动和扩散将面临的空间阻力大小。影响生物运动的阻力因素多种多样，从水生态系统特征的角度考虑，地形地貌、地表覆盖类型、植被覆盖、道路基础设施以及与水生态源地空间距离5方面因素对水生动植物的生境质量和迁徙活动具有较为显著的影响作用[4-5]。因此，研究采用多因子叠置评价的方法[15-16]综合量化评估上述5个影响因素，确定研究区阻力面。参考生态安全格局相关研究[16]中阻力值评价的指标体系与赋值方式，本研究构建了包含11项一级指标的评价体系，并设定1～5区间的分级赋值方式（表3）。每项一级指标的赋值得分越高，说明生物运动的穿越阻力越小，越有利于形成源地之间的生物活动和联系的廊道。研究以30 m×30 m的栅格为基本单元，计算研究区内每一个栅格的阻力值评价指标，并应用熵值法根据各项指标得分结果进行加权汇总，得到栅格单元的阻力值，绘制研究区的阻力面地图。

表3 阻力值评价指标、赋值及权重Tab. 3 The evaluation indexes, assigned values and weights of resistance surface

3.2.3 提取水生态廊道

水生态廊道指的是连接各个水生态源地、支持水循环和生物活动的空间廊道。根据阻力面评价结果，水生态源地之间阻力越小的联系线路，越容易成为生态廊道。由于水生态安全格局的构建不同于以保护生物多样性为目标的安全格局，水生生物和水体的循环流动都需依托于河流湖泊等地表水系。因此，根据最小阻力原则，在ArcGIS软件计算所有河网水系的平均阻力值，该数值越高说明穿越阻力越小，越有利于在源地之间形成生态廊道。根据2个水生态源地之间至少有1条生态廊道的原则，确定河网水系选线，而后划定河道及两侧100～300 m左右的范围作为水生态廊道。

3.2.4 构建水生态安全格局

最后，依据水生态源地、阻力面、水生态廊道的识别结果，初步划定水生态安全格局重要性等级。根据阻力值评价结果，应用自然断点法将研究区划分为低安全等级、较低安全等级、较高安全等级、高安全等级4个保护等级，并叠加所有水生态源地和水生态廊道范围为高安全等级区域，即建立水生态安全格局的初步结构和安全等级。

3.3 土地利用变化的模拟方法

土地利用变化模拟模型是辅助土地资源管理、城市规划等领域决策制定的重要辅助工具，当前适用于城市尺度、较高空间分辨率的土地利用变化模拟模型有Agent-based模型、SLEUTH模型、CA模型、CLUE-S模型等。其中，CLUE-S模型是由荷兰Wageningen大学的Verburg等开发[17]，在土地利用变化及效应模型（Conversion of Land Use and its Effects Model, CLUE Model）的基础上，为适应较小尺度上的土地变化模拟而改进的模型，在中国土地利用变化的研究中已有较为广泛的应用。

CLUE-S模型由4个输入模块和1个空间分配模块组成[18]，其中4个输入模块分别为土地利用类型转换规则模块、土地政策与限制区域模块、土地需求模块、空间特征模块[19]，各个模块之间的逻辑关系如图2所示。本研究应用R语言的“lulcc”包建立CLUE-S模型，进行多情景模拟分析。

2 土地利用变化模拟CLUE-S模型的结构逻辑The structure of CLUE-S model for land use change modeling

研究基于2000、2010、2018年3个时期的30 m精度土地利用数据构建CLUE-S模型，模拟2018—2025年天津市的土地利用变化情况。模型中土地利用划分为城镇建设用地、水域及湿地、其他土地3种类型。空间特征输入模块采用Autologistic回归模型，从水环境因子、自然地形、社会经济、区位条件、交通基础设施、规划政策6个方面确定影响土地利用变化情况的驱动因子；设定所有土地的转移秩序均为1，表示可以相互之间转移；土地转移弹性根据2000—2018年经验值分别设定为0.91、0.76、0.87；设定海域空间、基本农田保护区为城镇建设用地扩张的限制区域。根据上述设置，运行CLUE-S模型，以2000年为基期，模拟至2010年的土地利用变化情况，模拟结果Kappa系数检验达到0.810，城镇建设用地模拟位置准确率达到81.8%，水域及湿地模拟准确率达到84.2%，说明模型拟合良好，能够反映土地用地变化的主要趋势。

为识别水生态敏感区域，研究通过设置土地需求模块数值（表4），模拟3种城市发展情景：1）城市高速发展情景模拟城市保持较高的人口和产业增速条件下，城市用地持续扩张的情景；2）城市自然发展情景模拟保持2010—2018年期间土地利用变化趋势的发展情景；3）城市紧凑发展情景模拟城市严格控制用地扩张，注重存量更新与土地集约利用，更加关注生态环境保护的发展情景。

表4 3种城市发展情景的CLUE-S模型土地需求模块参数设置Tab. 4 Land requirements setting in CLUE-S model for the three urban development scenarios

通过叠置比较不同情景的土地利用变化情况，识别容易受到城市扩张影响的水生态敏感区域，进而调整优化水生态安全格局的空间地域和保护等级，协调城市开发建设与水生态保护的关系。

4 结果分析

4.1 初步识别的水生态安全格局

根据表2确定的水生态源地空间范围，识别水生态源地1 320 km2，占全域面积的11%左右。这些水生态源地的类型以及范围如图3所示，总体来看天津市的水生态源地分布较为均质，主要为斑块型源地与条带型源地2种类型。图4-1为天津市域范围的阻力面评价结果，根据阻力面计算得出各个河网水系的平均阻力值（图4-2），其中中心城区、滨海新区等城市开发建设强度较高区域的河道平均阻力值得分较低，说明对于生物活动的空间阻力作用较大。结合水生态源地的空间分布特征，选取平均阻力值较低的42段河道作为水生态廊道，总长度1 192 km，占全域总河长27.4%，形成水生态安全格局的核心结构（图4-3）。结合基于阻力面评价的保护等级划分，最终确定初步识别的水生态安全格局（图4-4）。其中高安全格局区域面积2 247 km2，占全域面积的18.9%，主要分布于天津市的北部山区、中心城区的南北两翼以及海岸带地区。

4.2 基于多情景模拟结果识别的水生态敏感区域

对城市高速发展、自然发展、紧凑发展3种不同情景下，2025年水域与湿地类型土地的空间分布图进行叠置分析（图5），其中3个情景模拟结果全部重合的水域与湿地区域表示这部分生态空间基本不会受到城市扩张的威胁，而模拟结果中不重合的区域则意味着随着城市用地持续扩张，这些区域存在水面萎缩、河道阻断的风险，因此是容易受城市发展影响的水生态敏感区域，需要重点关注和保护。根据模拟结果，研究识别片块状水生态敏感区8处，分别为汉沽盐田片区、黄港水库片区、东丽湖片区、大港盐田片区、北大港湿地片区、河口湿地片区、鸭淀水库片区和团泊新城片区；水生态敏感型一级河道11段，包含海河、蓟运河、北运河等。这些水生态敏感区域主要位于滨海新区的海岸带和中心城区与滨海新区发展轴线的南北两翼地区。此外，模拟结果显示：大量二级河道、排水干渠、坑塘水面等毛细水网面积减少，相较于重要的河流、湖泊、湿地等水生态空间，这些毛细水网更容易在城市建设过程中被填埋和侵占，因而也应作为水生态保护的敏感区域之一。

5 根据多情景模拟结果识别水生态敏感区Identifying the hydro-ecological sensitive areas based on scenario simulation

4.3 水生态安全格局优化

根据研究识别的水生态敏感区域，调整优化水生态安全格局。一方面，将位于水生态敏感区域内的河道、湿地、湖泊等水生态空间提升安全等级，纳入高安全格局的保护范围，通过划入水生态红线保护范围、设立水生态保护区等具有强制性的土地开发管理手段，保障这些水生态敏感区域不被城镇开发建设活动侵占。另一方面，由于难以针对毛细水网确定准确的水面规模和空间位置，可采用“化零为整”的策略，以行政区为单元，明确各个区级单元内水面率、水网密度指标，进行保护和开发管控。

最终结合多情景模拟结果对天津市水生态安全格局进行调整优化后（图6），高安全等级区域面积增加809 km²，增加区域主要位于滨海盐田、团泊湖、大黄堡湿地、七里海湿地、北大港湿地等生态敏感区域。相应地，调整后较高安全等级区域、较低安全等级、低安全等级区域的面积均有所减少，其中较低安全等级的区域减少面积最多，达到385 km2（图7）。这表明如果以传统的被动防护方法构建水生态安全格局，这些划定为较低安全等级的区域将由于缺乏强制性的开发建设限制措施，极易受到城市开发建设活动的影响，造成水生态环境难以修复的破坏。

6 结合多情景模拟结果调整优化后的天津市水生态安全格局The final hydro-ecological security pattern in Tianjin based on scenario simulation

7 优化前后的水生态安全格局对比Comparison between the initial and optimal hydroecological security pattern

5 研究结论及启示

本研究以天津市为例，探索了结合土地利用变化模拟分析优化水生态安全格局的技术方法，划定的天津市水生态安全格局可为今后国土空间规划编制过程中生态保护红线和城镇开发边界的划定提供参考，研究的主要结论及启示如下。

1）构建水生态安全格局需依托于河网水系的结构和空间特征。以往的生态安全格局、绿色基础设施等区域自然保护体系中虽然将水生态系统作为一项重要的生态要素纳入考虑范畴，但是在空间格局的识别和构建中存在脱离现实水网布局的问题。例如有些研究采用最小累积阻力方法识别生态廊道，但生态廊道与自然河道脱离，难以真正起到保护水生态系统完整性和联通性的目的。因而，本研究建议识别水生态廊道时采用计算当前各类地表水系平均阻力值的方式，筛选阻力较小的河道作为水生态廊道。

2）构建水生态安全格局需综合考虑水生态系统自身特征与可能面临的风险2方面内容。通过比较本研究中初步识别的水生态安全格局与多情景模拟结果中识别的水生态敏感区域，可以看出，部分位于城市周边的河道、湿地等区域，虽然被划定为较低安全格局水平，但面临被城市开发建设侵占的较高风险，因此也是需要重点保护的水生态空间。今后应统筹考虑水生态空间敏感性特征与生态重要性特征，构建水生态安全格局。

3）城市用地扩张是威胁水生态系统安全的重要因素，应基于水生态安全格局分等级、分区域制定土地规划管控策略。高安全格局区域应纳入生态保护红线的保护范围，作为城市空间增长的永久性刚性边界，严格限制各类城镇开发建设活动。对于未划入红线范围内的土地，也应依据水生态安全格局对用地功能、开发强度、不透水地面比例等条件设定控制性指标和奖励性指标。具体的指标设定条件依据地块所处的水生态安全等级范围调整，较高安全格局区域内应避免工业、仓储等用途的土地开发，严格控制开发强度，并鼓励提升不透水地面比例；较低和低安全格局区域是城镇适宜建设区，可作为工业、仓储物流等功能的选址，适度提升开发强度，促进土地集约利用。通过差异化的规划管控条件和奖励性区划措施，引导城市功能布局和空间形态与水生态环境的协调耦合发展。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

文中图表均由作者绘制；其中图3～6底图来自标准地图服务网站，审图号为津S(2017007)。