基于GIS的综合生态安全格局构建与生态保护修复——以隆回县为例

崔 强 王水生 贺素莲

（湖南百源土地咨询有限公司，湖南 长沙 10000）

近年来，生态环境形势严峻，进行全面修复十分迫切。在国家层面上，生态文明建设被提高到空前的历史高度和战略地位，自然资源部积极落实习总书记关于“山水林田湖草生命共同体”理念，设立生态保护修复工程试点专项工作，以保障我国长远生态安全和生态系统服务功能整体提升，促进生态环境的修复和改善。为开展景观、森林、田、湖、草等生态保护与修复工程，重点是解决关键地区突出的生态环境问题，建立合理的生态安全格局。因此，如何从生态系统完整性的角度，准确识别生态安全格局，提出区域生态空间的最优配置方案，对维护区域生态安全具有重要意义。

隆回县是中国南部一个典型的丘陵地区，属中亚热带地区，气候湿润，南北部的气候差异明显，水资源丰富，生物资源丰富。随着城镇化的快速发展，县域生物多样性不断受损，生境类型逐渐趋于简单化，生态环境自我修复能力减弱，国土空间生态保护修复工作势在必行。本文尝试从水环境、地质灾害、生物保护、文化遗产保护等方面，充分利用GIS各类分析模型或工具，构建隆回县生态安全格局，识别出国土生态保护修复关键区域，并针对存在的生态问题，提出国土生态修复策略，以期为隆回县推进生态文明建设、维护生态系统的完整性和多样性提供空间指引和参考。

1 研究区概况

隆回县位于湖南省西南部，邵阳市中部，北纬27°00′-27°40′、东经110°38′-111°35′之间，东西长61.4 公里，南北宽74.6 公里，下辖2个街道，23个乡镇，土地总面积286768.49 公顷，常住人口115.81 万人。全县地势自东南向西北呈阶梯式递升，形成南部丘岗区、西北山原区、北部山地区3个地貌区，西北部为雪峰山余脉，东南部是典型的丘陵地带。土壤类型多样，北部土壤质地松散，容易造成土壤侵蚀，南部土壤与基岩分界明显，暴雨时容易滑坡、崩坡。

2 研究方法及数据来源

2.1 数据来源

考虑研究区的空间尺度和相关数据的可获取性，主要选取了包括土地利用现状地类、遥感影像、植被覆盖度、道路、降雨量等数据（表1）。为便于空间数据的分析处理，所有数据均转换为统一的坐标及投影系统。

表1 数据来源及其说明

2.2 研究思路与方法

2.2.1 研究思路

生态安全格局构建的理论基础来自于景观安全格局方法论，其研究了如何通过节约、集约的土地利用方式，来整合自然与人为过程，以实现精明的保护与发展。主要方法是用最小阻力模型建立过程阻力面，构建出“综合水安全”、“地质灾害安全”、“生物保护安全”、“文化遗产安全”等一系列格局，共同形成综合生态安全格局，为国土综合整治和修复提供科学的引导。结合博弈论的安全点和门槛值方法，识别出维护生命和土地安全健康的关键性区域、生态底线，作为国土空间开发与保护的限制格局。

2.2.2 研究方法

2.2 .2.1 流域水文SCS）模型

SCS模型是针对流域上发生的水文过程进行模拟所建立的数据模型，是目前应用最为广泛的流域水文模型之一。其综合考虑了降雨、土壤类型、土地利用和管理水平、土壤水分和径流之间的关系，能快速有效地模拟小流域雨洪易发区的空间范围。公式如下：

式中：Qsurf表示地表产流量；Rday表示降雨量；Ia表示初损量；S表示储流参数；CN表示平均径流系数（经验值获取计算）。

2.2 .2.2 最小累积阻力MCR）模型

MCR模型通常用于计算物种从源到目的地的迁移成本。研究中可依据每个斑块的土地利用特征，模拟设置不同的斑块单元间阻力系数,计算得到“源-目标”单元之间的最小累积阻力。

式中：MCR表示空间内某一单元到源的累积阻力值；f表示累积阻力值与生态过程的正相关性；min表示累积阻力最小值；Dij表示从单元i到单元j的空间距离；Zi表示空间单元i对目标单元运动扩散的阻力系数。

2.2.2.3 Circuitscape模型

Circuitscape模型是借鉴了电子电路理论的算法来预测异构环境中的连通性的模型，可以通过其提供的相应工具集来建立生态源地、生态廊道，识别待修复生态“夹点”区域、生态障碍点区域及生态断裂点区域。

3 生态安全格局构建

3.1 单要素生态安全格局构建

3.1.1 水安全格局

3.1.1.1 雨洪安全

雨洪安全格局主要是利用SCS模型进行构建，一般步骤包括：利用GIS水文分析工具对数字高程模型DEM进行分析，提取研究区内的河网及流域；通过SCS模型计算每个汇流单元的产流量（R）和出水口汇流量（Q）；将水位面与地形海拔面相切，水位面高于地形面的点即属于洪水淹没范围；推演出不同极端降雨量对应各出水口对应淹没水位；按照不同淹没区域形成隆回县雨洪安全等级图（图2）。研究发现，隆回县雨洪淹没区主要分布于赧水、辰水、白竹河沿线的桃洪、北山、南岳庙、三阁司、六都寨、七江、司门前等乡镇，高坪、岩口、金石桥、鸭田、滩头等乡镇也存在一定的雨洪淹没风险。

3.1.1.2 水源保护安全

水源保护是对江、河等水体上游(或源头)地区周围环境的保护，其目的是为了保蓄和增加上游清洁用水量，使下游有足够的清水径流排放，提高下游水体对污染物的推移、稀释和扩散能力。水源保护安全格局的构建主要是通过GIS缓冲区、叠加、重分类等工具，对影响水源安全的河流、湖泊、湿地、水库、饮用水水源地等因子进行分析，其中河流缓冲区宽度参考相关研究设置为50米（表2）,最终形成水源保护安全格局等级划分。研究发现，隆回县水源保护安全重要区域主要位于西洋江的木瓜山水库、辰水、赧水和白竹河等河段，其它乡镇均有少量分布。

表2 河流缓冲区适宜宽度值

3.1.2 地质灾害安全格局

地质灾害安全格局构建主要包括水土流失敏感性与泥石流敏感性两个部分的评价，通过叠加分析，最终形成隆回县综合地质灾害安全格局。从分析结果可知，主要受地形和土质条件影响，隆回县地质灾害安全水平低的地区主要位于县域西北山地的大水田、麻塘、司门前、西洋江等乡镇，北部山地的鸭田、金石桥、羊古坳等乡镇，其他丘陵山地有少量分布。

3.1.3 生物保护安全格局

生物保护安全格局的研究，是建立在生态系统学、“源地-阻力面-廊道”范式、最小累积阻力模型、电路理论等理论基础上的。首先利用“三调”成果，根据其用地类型特征赋予不同的栖息地分值和阻力分值；使用Circuitscape插件的Resistance and Habitat Calculator模型来识别生物核心生态源地和构建生态阻力面；之后再利用插件中的Linkage Mapper模块构建生态廊道；最终形成由生态源地和生态廊道构成的基础生物保护安全格局。其中可以使用Pinchpoint Mapper模块识别待修复的生态“夹点”（关键点），也可以使用Barrier Mapper模块识别待修复障碍区域。

从分析结果可以看出，隆回县生物栖息生态源地主要包括白马山——大东山、虎形山、祖山牌——五峰寨山、九龙山——伏龙山、望云山——桐凤山、天龙山——芙蓉山等。生态廊道连接各大生态源地，呈现出三横两纵的空间特征。生态廊道冲突点主要位于境内沪瑞高铁、怀邵高速公路、S312及S242沿线，纵横交错的交通设施对生物流动的畅通和安全性造成了威胁；从生态夹点来看，研究共识别出生态“夹点”（关键点）共22处，其中待修复生态夹点（冲突点）10处。这些生态夹点均处于低阻力值与高阻力值相交区域，是廊道与源地的连通性关键位置，对其进行保护与修复对于生态系统连通性和整体功能具有重要意义。

3.1.4 乡土文化景观安全格局

目的是以重要乡土文化景观为核心，建立乡土文化安全与景观遗产的整体保护格局。利用历史文化旅游资源调查数据作为乡土文化景观的“源”，以土地覆盖类型与道路为阻力因素，制定相关的阻力系数，并建立最小累计阻力模型。

从研究结果来看，隆回县乡土文化景观低安全水平主要包括虎形山-花瑶风景名胜区、望云山森林公园、白马山森林公园、魏源湖国家湿地公园、紫鹊界梯田-梅山龙宫风景名胜区、历史名人故居、各类寺庙、宗祠、塔、水库等区域。

3.2 综合生态安全格局构建

在完成水安全、地质灾害安全、生物保护安全和乡土文化景观安全格局的基础上，对各单一因素生态安全格局进行空间叠加分析（图1），最终形成具有多种功能的综合生态安全格局（图2）。从图中可以看出，隆回县生态安全格局在空间结构上呈现出“两屏五带多廊”的形态（图3）。即“两屏”：雪峰山余脉生态屏障和九龙山山地生态屏障；“五带”：虎形山、望云山、天龙山、伏龙山和南部丘岗生态绿隔带；“多廊”：各类水系和生物迁徙等生态廊道。这类地区属于区域性的生态安全屏障，具有全域的生态安全格局和局部突出的生态环境战略意义，应在后期的生态保护治理工程中予以重点考虑。

图1 单要素格局叠加

图2 综合生态安全格局图

图3 生态安全空间结构图

4 生态修复策略

遵循“山水林田湖草生命共同体”理念，围绕“人与自然和谐共生、人类社会永续发展”的目标。以“问题”为导向，在明确隆回县现状生态安全显著问题基础上，结合矿山及流域生态修复、森林保育、城乡人居环境品质提升、土地综合整理、自然灾害防治等因素，综合划定隆回县生态修复重点区域。如图4所示。

图4 生态修复示意图

4.1 地质灾害重点修复区

采取挡土墙、拦沙坝和植树种草等措施对地质灾害易发点进行集中治理和管理，达到防止水土流失和岩石荒漠化、减少地质灾害，美化生态环境的目的。

4.2 洪涝灾害整治修复区

通过修建水库、塘坝、截流沟等水利工程，结合田间工程和技术措施，拦蓄地表径流，改善低洼地区的排水设施，充分合理利用水资源，改善生态环境，使水灾变成水利。

4.3 河道综合治理修复带

通过河道清淤疏浚、沿线滨水植被缓冲带实施、环库生态屏障以及湿地建设、污水净化、两岸水网系统优化、雨洪预警监测平台建立等措施改善水生态环境。

4.4 饮用水源修复点

加大隆回县城现有饮用水源地和木瓜山水以及六都寨水库保护力度；完善木瓜山水库灌区设施配套，加快农田水利基本建设，建设灌区节水配套工程干、支渠衬砌防渗；加强对木瓜山水库的扩容、六都寨水库库区生态资源的保护，控制工矿业废水、生活污水、畜禽鱼网箱养殖废水的无序排放。

4.5 矿山环境治理点

重点对砂石土矿等行业进行监管；加强对矿产资源开采活动影响区域未利用土地的环境监督，严格防止矿产资源开发污染土壤，全面整治尾矿、红泥等固体废物贮存场所，完善防止分散、流失、渗漏设施；推进矿产土壤污染诊断、风险管控、治理和整治项目。按照“谁破坏，谁治理”的原则，明确矿权所有人对矿山地质环境治理的责任，扎实推进绿色矿山建设。

4.6 生态廊道冲突点

结合生态建设理念，合理布置生态冲突点附近的交通道路绿化设施，增加或拓宽道路防护、绿化带，利用立交桥、涵洞修建拱形涵洞生态通道，确保生物迁移通道畅通；依据区域选择性降低车辆行驶限速标准，减弱噪声、粉尘、废气对生态“源”的影响；定期开展野生动物监测，及时消除干扰因素。

4.7 生态廊道关键点

生态廊道关键点是核心生态“源”地与外界联系的重要门户，可在其周围一定范围内设置生态缓冲区，减缓外部因素对核心生态源地内部生态环境的影响，确保和增强核心区域的生态自我修复能力；关键点区域可适当实行退耕还林、还草工程，农田整治、防护林建设工程，垃圾、污水处理综合整治工程，改善源地-廊道连接的生态稳定性。

4.8 人居环境综合修复点

修复城镇生态格局，优化景观环境，结合水网，布置绿化廊道，打造城市呼吸的绿色通道，与山体、公园、绿带一起构成城市的绿网体系；恢复闲置用地，优先发挥城市绿地、公共空间等功能，合理规划城市生态空间，形成生态网络，构建全新的生态格局。

4.9 乡土文化景观修复点

以创造恬静、适宜、自然的生产生活环境为目标，在充分尊重乡土景观的地域文化特性的基础上，展现乡村独特的景观风貌。对重要公共活动空间、民居外立面、道路铺装及绿化植被进行改造和提升，保留和发扬原有的地域文化特色；挖掘和提炼村庄自身的自然人文要素符号及乡土建筑特色，以改善乡村人居环境为重点，兼顾村民实用和现代审美的需要，将村民生活与环境建设完美结合，营造“一村一品”的乡村风貌。

5 结论与讨论

5.1 结论

本文基于流域水文、最小累积阻力、电路理论等模型，构建了各单要素安全格局，通过空间叠加分析，进一步构建出隆回县综合生态安全格局，判别了研究区内雨洪、地质、生态保护、乡土文化等生态安全基本要素与阻碍生态过程的障碍区，并提出了相应生态保护修复策略。主要得到如下结论：

5.1.1 隆回县生态保护安全格局总面积984.01 km2，在空间结构上呈现出“两屏五带多廊”的形态。其中生态源地面积544.43 km2，是保障区域生态安全的底线生态用地，主要分布于县域北部和西部的山地；生态廊道66条，空间上整体呈现明显的相似性，主要分布于植被覆盖较好的区域，但在各乡镇内部也存在一定的差异。

5.1.2 识别了待修复生态区域及关键点包括：地质灾害重点修复区面积45.33 km2，重点涉及虎形山，小沙江、金石桥、鸭田、司门前、大水田、六都寨、西洋江、荷香桥、横板桥等乡镇；洪涝灾害整治修复区面积24.50 km2,主要位于赧水、辰水、白竹河沿线；河道综合治理修复带101.36 公里：包括赧水、辰水、白竹河沿岸地区；饮用水源修复点5处，主要涉及大水田、六都寨、七江、桃洪等乡镇；矿山环境治理点5处，主要涉及司门前、七江乡、金石桥、高坪、北山等乡镇；生态廊道冲突点13处，待修复生态夹点10处，主要位于境内沪瑞高铁、怀邵高速公路、S312及S242沿线；人居环境综合修复点21处，乡土文化景观修复点28处，县域内各乡镇均有涉及。

5.1.3 结合生态安全格局空间分布特征，分别提出针对各类生态保护修复的提升方向及策略等。

5.2 讨论

本文从生态系统的整体性和连通性角度出发，综合识别了生态安全格局的基本构成要素及生态修复关键区域，相较传统的针对某一具体生态保护修复工程更具系统性和全局性；所选取的生态源地与研究区域生态保护红线的空间范围基本一致，待修复生态“夹点”、生态障碍区均得到了当地管理部门的证实和认可，研究对于指导生态保护修复和综合治理工作具有重要意义。

需要指出的一些问题：文中识别出的生态廊道及宽度仍有待进一步优化；尚未融入区域生态战略地位、社会经济、生态效益等因素；未构建基于生态安全格局的生态修复分区；以上这些方面在今后的研究中需进一步深入讨论。