動(dòng)態(tài)適應(yīng)性生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃模型及其應(yīng)用

徐翀崎,李 鋒,韓寶龍,陶 宇

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

動(dòng)態(tài)適應(yīng)性生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃模型及其應(yīng)用

徐翀崎1, 2,李 鋒1,*,韓寶龍1,陶 宇1

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

提高城市生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃的精確性和動(dòng)態(tài)性,對(duì)科學(xué)指導(dǎo)城市化發(fā)展具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。利用夜間燈光數(shù)據(jù)與人口密度建立線性模型,探索了以往用行政區(qū)域?yàn)樽钚〗y(tǒng)計(jì)單元數(shù)據(jù)的模擬細(xì)化問題；然后通過引入可變參數(shù)構(gòu)建了動(dòng)態(tài)適應(yīng)性生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃模型,在增強(qiáng)模型動(dòng)態(tài)適應(yīng)性的同時(shí),將一級(jí)區(qū)劃結(jié)果統(tǒng)一劃分為生態(tài)管控區(qū)域、生態(tài)優(yōu)先區(qū)域、優(yōu)化開發(fā)區(qū)域和重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域4個(gè)區(qū)域。以廣州市增城區(qū)為典型案例,通過改進(jìn)的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃模型,運(yùn)用GIS將增城區(qū)在兩種情景下進(jìn)行了模擬和對(duì)比,并提出了政策建議。區(qū)劃結(jié)果符合當(dāng)?shù)匕l(fā)展特征,也為其他城市與區(qū)域的生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃研究提供了科學(xué)方法。

生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃；人口密度模擬；夜間燈光數(shù)據(jù)；動(dòng)態(tài)適應(yīng)性；情景模擬

快速城市化進(jìn)程中,許多城市出現(xiàn)了無序的擴(kuò)張蔓延,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的矛盾日益突出。如何權(quán)衡和管理城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、自然等方面[1],保障城市化過程遵循可持續(xù)發(fā)展原則,依然是當(dāng)今世界研究的重要課題之一[2]。生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃運(yùn)用系統(tǒng)分析方法,綜合考慮生態(tài)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和功能異質(zhì)性的基礎(chǔ)上,從社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的角度,將區(qū)域劃分為不同的生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū),并通過不同層次提出系統(tǒng)的生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向、途徑和對(duì)策[3-4]。因此,科學(xué)的生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃可以為城市化發(fā)展與管理提供科學(xué)引導(dǎo),有利于實(shí)現(xiàn)城市社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。

生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃也稱為生態(tài)經(jīng)濟(jì)功能區(qū)劃[5-6],是伴隨生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)理論的發(fā)展,綜合考慮生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素逐漸發(fā)展起來的區(qū)劃方法[7-8]。經(jīng)過多年的研究,相應(yīng)的區(qū)劃原則[9]、區(qū)劃體系[5-6,10]、區(qū)劃指標(biāo)[11- 13]日益完善,所用到的計(jì)算方法[14-15]和3S技術(shù)[4]也不斷與時(shí)俱進(jìn)。但是,現(xiàn)有的生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃仍存在許多不足,如區(qū)劃結(jié)果行政邊界化、缺乏系統(tǒng)化方案、結(jié)果橫向可比性差、動(dòng)態(tài)適應(yīng)性差等。特別是近年來我國提出的生態(tài)保護(hù)紅線[16]、基本生態(tài)控制線[17]等概念,進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了區(qū)劃結(jié)果需打破行政邊界保留完整的重要生態(tài)用地的意義。另外,環(huán)境保護(hù)部2015年出臺(tái)的《生態(tài)保護(hù)紅線劃定技術(shù)指南》中,還強(qiáng)調(diào)了生態(tài)保護(hù)紅線面積可隨實(shí)際情況不斷增加的動(dòng)態(tài)性。因此,在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高城市生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃的精確性和動(dòng)態(tài)性,對(duì)科學(xué)指導(dǎo)城市化發(fā)展具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

因此,本文以廣州市增城區(qū)為研究對(duì)象,在進(jìn)行城市生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃過程中,將人口密度繁衍數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)適應(yīng)性納入到生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃模型中,一是為增城區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃服務(wù),二是探索提高生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃精確性和動(dòng)態(tài)性的方法,三是適當(dāng)統(tǒng)一區(qū)劃類型,為增強(qiáng)結(jié)果的橫向?qū)Ρ刃蕴峁﹨⒖肌?/p>

1 動(dòng)態(tài)適應(yīng)性生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)預(yù)處理

增城區(qū)位于廣東省中部,廣州市區(qū)東部,珠江三角洲東北角。113°32′—114°00′E,23°05′—23°37′N。該區(qū)屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū),降雨量北多南少；地處丘陵山地與平原過渡地帶,地形北高南低,山地以低山為主；北部山區(qū)存在多處地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)點(diǎn)。其境內(nèi)水系發(fā)達(dá),水資源豐富,現(xiàn)有生態(tài)用地比例較大。增城區(qū)總的行政面積為1616.47km2,轄區(qū)有6個(gè)鎮(zhèn)(新塘、石灘、中新、派潭、小樓、正果)和3個(gè)街道(荔城、增江、朱村)。2013年末,全市戶籍總?cè)丝?5.44萬人、生產(chǎn)總值達(dá)到989.45億元,人均生產(chǎn)總值達(dá)到94072元。2013年,三大產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為5.4：60.61：33.98。

隨著廣州“東進(jìn)”戰(zhàn)略的加快推進(jìn),增城作為廣州市重點(diǎn)發(fā)展的五大片區(qū)之一,相關(guān)產(chǎn)業(yè)和軌道交通等城市基礎(chǔ)設(shè)施也在逐漸向增城轉(zhuǎn)移。因此,綜合考慮當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)重要性、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及資源環(huán)境承載力的生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃對(duì)增城既做好廣州的后花園,又能把握機(jī)遇加快發(fā)展,具有重要的意義。

基礎(chǔ)研究資料與底圖包括增城區(qū)相關(guān)部門提供的增城區(qū)行政區(qū)劃圖、2013年土地利用分類現(xiàn)狀圖、2013年衛(wèi)星遙感影像圖、數(shù)字高程圖(DEM)以及人口、經(jīng)濟(jì)、交通、區(qū)位、土壤、植被、地質(zhì)、氣象、水文等資料。在ArcGIS軟件的支持下,將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行最小單元為30m×30m的空間網(wǎng)格化,受數(shù)據(jù)來源制約將部分?jǐn)?shù)據(jù)行政邊界空間化。收集和派生出的所有數(shù)據(jù)用于建立社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展度、生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)度、資源環(huán)境承載力三大數(shù)據(jù)庫。

1.2 生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃指標(biāo)體系與技術(shù)路線圖

本文結(jié)合前人的指標(biāo)體系[11- 13],并綜合考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人口活動(dòng)強(qiáng)度[18-19]、區(qū)位優(yōu)勢(shì)度[20]、生態(tài)敏感性與脆弱性[21- 24]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性[14,25]、資源可利用量[26-27]、環(huán)境容量超載度[28-29]等各種指標(biāo)的計(jì)算合理性,整合為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展度、生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)度以及資源環(huán)境承載力三大類來綜合評(píng)判區(qū)劃功能。

具體指標(biāo)體系見表1,模型技術(shù)路線圖見圖1。

表1 生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃指標(biāo)體系

SED: 社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展度Social Economic Development degree；ESP: 生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)度Eco-System Protection degree;REC: 資源環(huán)境承載力Resource and Environment Carrying capacity

圖1 模型技術(shù)路線圖Fig.1 Technology roadmap of the model

1.3 基于夜間燈光圖的人口密度繁衍數(shù)據(jù)

影響生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃精度的一項(xiàng)重要制約因素就是存在一些以行政轄區(qū)為單位的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),如人口數(shù)量、GDP、可利用資源量等。提高區(qū)劃精度,需嘗試將以行政轄區(qū)為單位的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的網(wǎng)格化模擬,提高數(shù)據(jù)精度。而進(jìn)行數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化模擬,尤其是社會(huì)經(jīng)濟(jì)類的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),解決方法之一是找到統(tǒng)計(jì)上與之有顯著相關(guān)關(guān)系的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。

鑒于利用DMSP/OLS遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行人口密度網(wǎng)格化模擬方面的研究已經(jīng)有很多,已證明燈光區(qū)內(nèi)燈光強(qiáng)度與人口密度存在顯著相關(guān)關(guān)系[32- 35]。并且,人口密度網(wǎng)格化模擬,通過將人口數(shù)據(jù)按照單位面積的地域網(wǎng)格進(jìn)行空間表達(dá),相比以行政單元為口徑進(jìn)行的人口數(shù)據(jù)表達(dá)更接近人口實(shí)際空間分布,有利于實(shí)現(xiàn)人口數(shù)據(jù)與其它社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)的復(fù)合,提高人口、資源、環(huán)境的綜合管理能力[19]。因此,本文在前人研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)有的居住單元邊界數(shù)據(jù)和夜間燈光強(qiáng)度數(shù)據(jù),嘗試將行政邊界統(tǒng)計(jì)的人口數(shù)據(jù)進(jìn)行人口密度網(wǎng)格化模擬。

下載2013年穩(wěn)定平均夜間燈光強(qiáng)度圖(F182013.v4c_web.stable_lights.avg_vis.tif),并用ArcGIS提取增城區(qū)作為研究區(qū)(圖2)。同時(shí)提取增城區(qū)國土局提供的2013年土地利用現(xiàn)狀圖中的城市、建制鎮(zhèn)、村莊等居住單元邊界。參考曹麗琴等[18]與卓莉等[19]的研究成果,將網(wǎng)格中人口數(shù)量與平穩(wěn)夜間燈光強(qiáng)度值進(jìn)行線性建模,公式如下：

PD=P×Vlgt/∑Vlgt式中,PD為常住人口密度(人/km2)；P為以街鎮(zhèn)行政單元為單位統(tǒng)計(jì)的年末常住人口;Vlgt為單元網(wǎng)格上穩(wěn)定平均夜間燈光強(qiáng)度值,取值范圍0—63;∑Vlgt為以街鎮(zhèn)行政單元為單位的人居邊界內(nèi)的燈光強(qiáng)度之和。

運(yùn)用該模型模擬各街鎮(zhèn)內(nèi)部常住人口密度結(jié)果如圖3所示,增城區(qū)常住人口多集中在工業(yè)發(fā)達(dá)的南部地區(qū)和市區(qū)周圍,而北部山區(qū)人口較少,與實(shí)際情況相符。因此該方法在市域范圍內(nèi)能較好的反映人口的分布趨勢(shì)和聚集狀況,又能準(zhǔn)確的區(qū)別居住區(qū)與非居住區(qū),對(duì)于提高生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展度指標(biāo)的準(zhǔn)確性具有重要意義。

圖2 增城區(qū)穩(wěn)定平均夜間燈光強(qiáng)度圖Fig.2 Stable average nighttime light data of Zengcheng

圖3 增城區(qū)常住人口密度圖Fig.3 Resident population density of Zengcheng

1.4 動(dòng)態(tài)適應(yīng)性生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃模型

對(duì)于城市生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃,既要和實(shí)際情況有一定程度的吻合,又能對(duì)不合理的現(xiàn)狀提出科學(xué)的依據(jù),還可以對(duì)未來的規(guī)劃提供科學(xué)參考。另外,不論是城市現(xiàn)狀本身,還是城市對(duì)于未來的規(guī)劃管理目標(biāo),始終都處于動(dòng)態(tài)變化之中。為解決實(shí)際情況與規(guī)劃需求靈活多變的現(xiàn)象,增加生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃模型的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性顯得十分必要。因此,本文綜合考慮多種因素,利用ArcGIS構(gòu)建了動(dòng)態(tài)適應(yīng)性生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃模型(表2),試圖將城市生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃中一級(jí)區(qū)劃方法系統(tǒng)化；同時(shí)通過引入可調(diào)參數(shù),可根據(jù)需要調(diào)整各個(gè)分區(qū)的比例,并確定其空間區(qū)位,增加模型的適應(yīng)性和實(shí)用性。模型區(qū)劃類型所涵蓋的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢(shì)詳見表3。

表2 動(dòng)態(tài)適應(yīng)性生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃模型

β1、β2：劃分當(dāng)?shù)噩F(xiàn)狀主導(dǎo)功能的閾值;βSED：劃分當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展度強(qiáng)弱閾值;βESP：劃分當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)保護(hù)度強(qiáng)弱閾值;βREC1、βREC2：分別為在當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)保護(hù)度強(qiáng)和弱的情況下,區(qū)分當(dāng)?shù)刭Y源環(huán)境承載力強(qiáng)弱的閾值

表3 區(qū)劃類型發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展對(duì)策

模型結(jié)果通過三步運(yùn)算得到:

Step 1 計(jì)算生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀值,由表2中社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展度指標(biāo)和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)度指標(biāo)相減得到。兩項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算方法均直接引用王森[13]的研究成果,指標(biāo)值均為空間網(wǎng)格化數(shù)據(jù)且取值范圍相同。生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀值的結(jié)果可分為四種情況(表2),值越高說明該研究單元現(xiàn)狀是偏向社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,反之則是偏向生態(tài)系統(tǒng)保護(hù),而值處于中間則可能是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)達(dá)到了雙贏,也可能是兩者均缺乏。

Step 2 在step1的四種情況下,分別考慮當(dāng)?shù)氐馁Y源環(huán)境承載力狀況。資源環(huán)境承載力計(jì)算方法直接引用王森[13]的研究成果,取值越大說明資源可利用量相對(duì)較多而環(huán)境污染程度相對(duì)較低,值越小則相反。最終,模型將所有情況歸并為八大類。

Step 3 將八類結(jié)果依據(jù)實(shí)際情況和保護(hù)原則歸并為四類一級(jí)區(qū)域：生態(tài)管控區(qū)域、生態(tài)優(yōu)先區(qū)域、優(yōu)化開發(fā)區(qū)域和重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域。

運(yùn)用適應(yīng)性生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃模型進(jìn)行一級(jí)區(qū)劃分類,可充分考慮管理部門對(duì)于本區(qū)域生態(tài)保護(hù)用地和建設(shè)發(fā)展用地面積比例的需求,調(diào)節(jié)模型中的β1、β2、βSED、βESP、βREC1、βREC2等參數(shù),從而控制各個(gè)一級(jí)分區(qū)的面積比例,增加了模型的靈活性,但又不失科學(xué)性和精確性。利用ArcGIS進(jìn)行模型構(gòu)建,調(diào)整參數(shù)時(shí),可實(shí)現(xiàn)快速視圖,增強(qiáng)了模型的直觀性和實(shí)用性。

2 實(shí)證結(jié)果分析

2.1 基于動(dòng)態(tài)適應(yīng)性區(qū)劃的情景分析

為了對(duì)動(dòng)態(tài)適應(yīng)性生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃模型進(jìn)行驗(yàn)證,本文選取了兩種情景(表4)進(jìn)行模擬。情景1為增城區(qū)生態(tài)用地有關(guān)數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀值,可用來進(jìn)行模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證；情景2為模擬達(dá)到生態(tài)縣要求的增城區(qū)生態(tài)用地相關(guān)數(shù)據(jù),用來進(jìn)行模型動(dòng)態(tài)適應(yīng)性驗(yàn)證。在情景分析中,“受保護(hù)地區(qū)占國土比例”指轄區(qū)內(nèi)各類(級(jí))自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、森林公園、地質(zhì)公園、生態(tài)功能保護(hù)區(qū)、水源保護(hù)區(qū)、封山育林地等面積占全部陸地(濕地)面積的百分比,此區(qū)域從結(jié)構(gòu)和功能角度應(yīng)劃為區(qū)劃類型中的生態(tài)管控區(qū)域?！吧鷳B(tài)用地面積占國土面積比例”則是林地、草地、水體等生態(tài)用地占全部陸地(濕地)面積的百分比,此區(qū)域絕大部分應(yīng)劃入生態(tài)管控區(qū)域和生態(tài)優(yōu)先區(qū)域。因此,兩個(gè)情景的主要區(qū)別在于需按照不同比例劃定生態(tài)管控區(qū)域和生態(tài)優(yōu)先區(qū)域,并明確其對(duì)應(yīng)的空間區(qū)位。

表4 情景分析

圖4 生態(tài)經(jīng)濟(jì)分區(qū)一級(jí)區(qū)劃圖Fig.4 First level eco-economic regions

若增城區(qū)未來生態(tài)環(huán)境發(fā)展以保持現(xiàn)狀為主(情景1),則其生態(tài)管控區(qū)域約占國土比例的22%,生態(tài)優(yōu)先區(qū)域約占國土面積比例為21%,對(duì)應(yīng)區(qū)劃如圖4所示。與實(shí)際狀況進(jìn)行對(duì)比,增城北部山區(qū)現(xiàn)有的自然風(fēng)景區(qū)、森林公園以及海拔高、坡度陡、地面起伏度大的區(qū)域、派潭河的源頭等重要的生態(tài)用地均包括在生態(tài)管控區(qū)域中。而生態(tài)優(yōu)先區(qū)域則涵蓋了植被覆蓋度較高,與現(xiàn)有城鎮(zhèn)化較強(qiáng)區(qū)域的過渡區(qū)域?？梢?動(dòng)態(tài)適應(yīng)性生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃模型模擬的準(zhǔn)確性較好。

若增城區(qū)以低碳生態(tài)城市為發(fā)展目標(biāo),參考環(huán)保部《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)》以及增城區(qū)十二五的遠(yuǎn)期規(guī)劃(情景2),則其生態(tài)管控區(qū)域占國土比例應(yīng)提高至約30%,生態(tài)優(yōu)先區(qū)域約占國土面積的20%,區(qū)劃結(jié)果如圖4所示。與情景1相比,生態(tài)管控區(qū)域的比例增大,而生態(tài)優(yōu)先區(qū)域的比例基本保持不變。從區(qū)域的空間分布來看,情景2中生態(tài)管控區(qū)域面積完全包含情景1中的生態(tài)管控區(qū)域,并圍繞其邊緣連續(xù)的擴(kuò)張。通過實(shí)際驗(yàn)證,擴(kuò)張的區(qū)域也以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能強(qiáng)或者生態(tài)脆弱性高的區(qū)域優(yōu)先。另外,由于生態(tài)管控區(qū)域的增大,即使生態(tài)優(yōu)先區(qū)域的面積未發(fā)生顯著改變,但是其空間區(qū)位卻發(fā)生了很大變化。情景2中生態(tài)優(yōu)先區(qū)域除了涵蓋了未被生態(tài)管控區(qū)域的增大而吞并的情景1中生態(tài)優(yōu)先區(qū)域范圍外,還將一部分緊鄰的優(yōu)化開發(fā)區(qū)域劃分過來。但是,在生態(tài)優(yōu)先區(qū)域中間依然包含了部分優(yōu)化開發(fā)區(qū)域,實(shí)際的村莊和建制鎮(zhèn)得以保留和體現(xiàn)出來。因此,模型結(jié)果在保持動(dòng)態(tài)適應(yīng)性的同時(shí),仍然保留了細(xì)節(jié),具有較好的準(zhǔn)確性。

2.2 實(shí)證區(qū)劃結(jié)果與政策建議

本文參考增城區(qū)構(gòu)建低碳生態(tài)城市的規(guī)劃目標(biāo),采用自下而上的方法,對(duì)地形、地貌、降雨、植被等自然生態(tài)因子和人口、經(jīng)濟(jì)、交通等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子層層運(yùn)算并進(jìn)行聚類,綜合考慮水污染、可利用土地面積等資源環(huán)境承載力指標(biāo),并運(yùn)用上述適應(yīng)性生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃模型,通過專家討論確定模型中的各個(gè)參數(shù),得到了生態(tài)經(jīng)濟(jì)分區(qū)一級(jí)區(qū)劃圖(圖4)。各個(gè)區(qū)面積比為重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域∶優(yōu)化開發(fā)區(qū)域∶生態(tài)優(yōu)先區(qū)域∶生態(tài)管控區(qū)域=15∶27∶27∶31。在此基礎(chǔ)上綜合考慮行政邊界和土地利用類型、地形等自然邊界,結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際發(fā)展?fàn)顩r,自上而下進(jìn)行進(jìn)一步劃分,定性分析得到生態(tài)經(jīng)濟(jì)分區(qū)二級(jí)區(qū)劃(圖5、表5),并明確了各個(gè)二級(jí)分區(qū)的主要發(fā)展方向,提出了相關(guān)建議。

表5 生態(tài)經(jīng)濟(jì)分區(qū)二級(jí)區(qū)劃

例如,II- 2南部城市生態(tài)工業(yè)區(qū),是增城區(qū)的工商業(yè)集中區(qū),發(fā)展程度較高,資源消耗量大,生產(chǎn)加工工業(yè)和排污口集中,水污染和大氣污染最為嚴(yán)重。因此,該區(qū)在保證經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí),應(yīng)以提高河湖水質(zhì)和空氣質(zhì)量為目標(biāo),對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)布局、生產(chǎn)工藝、綠色隔離帶等進(jìn)行優(yōu)化。具體來說,對(duì)于當(dāng)?shù)刂еa(chǎn)業(yè)牛仔服裝制造業(yè),要規(guī)范行業(yè)準(zhǔn)入,提高現(xiàn)有印染加工工藝,集中管理印染工廠,加裝廢氣處理裝置,可適當(dāng)修建針對(duì)印染污水的小型污水處理廠。在工業(yè)集中開發(fā)區(qū)周圍要建立綠化隔離帶,降低對(duì)周圍居民的噪聲影響。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)方面,依托當(dāng)?shù)氐膰壹?jí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū),引進(jìn)一些節(jié)能高科技產(chǎn)業(yè),逐步淘汰高能耗高污染企業(yè)。同時(shí)適當(dāng)增加商業(yè)服務(wù)業(yè)用地、居住用地比例,改造農(nóng)村居民點(diǎn)用地,提高城市化水平,改善民生環(huán)境,促進(jìn)土地集約節(jié)約利用,提升城鎮(zhèn)形象。

IV - 1派潭河源頭生態(tài)功能保護(hù)區(qū),地勢(shì)起伏大、坡度陡,生物多樣性高,發(fā)揮著重要的水源涵養(yǎng)和土壤保持的功能。由于自然景觀資源豐富,包含多個(gè)森林公園和白水寨風(fēng)景區(qū),應(yīng)作為永久生態(tài)用地予以保護(hù),避免人口聚集,杜絕工業(yè)。同時(shí),依靠當(dāng)?shù)刎S富獨(dú)特的自然景觀和資源,合理規(guī)劃當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的發(fā)展。對(duì)于當(dāng)?shù)嘏c旅游相關(guān)的配套基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)選擇合適的工程措施進(jìn)行低影響、低程度開發(fā),使得其對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)減小。對(duì)于農(nóng)家樂的數(shù)量和生活垃圾的排放應(yīng)做好嚴(yán)格控制,制定相應(yīng)獎(jiǎng)懲措施并加強(qiáng)監(jiān)管,避免當(dāng)?shù)丨h(huán)境承受過大的壓力。

3 結(jié)論與討論

綜上所述,本文首先利用夜間燈光數(shù)據(jù)與人口密度建立線性模型,探索了以行政區(qū)域?yàn)樽钚〗y(tǒng)計(jì)單元數(shù)據(jù)的模擬細(xì)化問題；然后通過引入可變參數(shù)構(gòu)建了動(dòng)態(tài)適應(yīng)性生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃模型,在增強(qiáng)模型動(dòng)態(tài)適應(yīng)性的同時(shí),將一級(jí)區(qū)劃結(jié)果統(tǒng)一劃分為生態(tài)管控區(qū)域、生態(tài)優(yōu)先區(qū)域、優(yōu)化開發(fā)區(qū)域和重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域四個(gè)區(qū)域。最后以增城區(qū)為案例進(jìn)行了情景模擬,驗(yàn)證模型的精確性和動(dòng)態(tài)性,并進(jìn)行了分析與政策建議。

與以往研究相比,本文提出的人口密度模型方法避免了單獨(dú)利用夜間燈管數(shù)據(jù)通過尋找燈光強(qiáng)度值閾值來確定人口分布范圍的誤差,將街鎮(zhèn)行政轄區(qū)統(tǒng)計(jì)的人口數(shù)據(jù)準(zhǔn)確分布到人口聚集區(qū),簡(jiǎn)單有效的提高了空間范圍上人口分布數(shù)據(jù)的精確性。對(duì)于人口聚集區(qū)內(nèi)部則通過燈光強(qiáng)度和人口數(shù)據(jù)成正比的線性關(guān)系[18]進(jìn)行建模,進(jìn)一步優(yōu)化人口聚集區(qū)內(nèi)部的人口分布狀況。由于該模型適用范圍是最小的人口統(tǒng)計(jì)單位,即本文中的街鎮(zhèn)行政單元,因此還可以有效的避免不同街鎮(zhèn)之間因?yàn)榻?jīng)濟(jì)發(fā)展差異而造成的夜間燈光強(qiáng)度與人口分布數(shù)量對(duì)應(yīng)關(guān)系存在差異的現(xiàn)象。另外,運(yùn)用ArcGIS構(gòu)建的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃模型,將一級(jí)區(qū)劃結(jié)果統(tǒng)一分為四類,既增強(qiáng)了區(qū)劃方案的系統(tǒng)性,又有利于各地區(qū)劃的橫向?qū)Ρ取Ｒ患?jí)區(qū)劃結(jié)果還打破了行政邊界的限制,保留了重要生態(tài)過程的完整性,也能體現(xiàn)行政單位內(nèi)部功能差異。模型中還可以通過結(jié)合當(dāng)?shù)氐囊?guī)劃管理目標(biāo),調(diào)節(jié)模型參數(shù),進(jìn)而調(diào)整各個(gè)區(qū)域的比例,進(jìn)一步增強(qiáng)了模型的靈活性和實(shí)用性。

雖然,經(jīng)過我國學(xué)者30多年的研究,生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃原則、方法和指標(biāo)已經(jīng)日漸成熟[4,6,9,11-12,15]。但是,隨著區(qū)劃結(jié)果精確度和可操作性的要求則越來越高,別特是市(縣)域中小尺度的區(qū)劃,今后還應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)和創(chuàng)新。(1)運(yùn)用GIS技術(shù),盡可能的擺脫區(qū)劃指標(biāo)行政邊界化,將指標(biāo)數(shù)據(jù)依據(jù)真實(shí)情況進(jìn)行合理空間網(wǎng)格化。數(shù)據(jù)空間精細(xì)化程度越高,與真實(shí)情況越接近,區(qū)劃結(jié)果精度也越高,操作性越強(qiáng)。(2)依據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況對(duì)區(qū)劃指標(biāo)進(jìn)行篩選和調(diào)整,同時(shí)結(jié)合當(dāng)?shù)氐膽?zhàn)略規(guī)劃,將目標(biāo)管理機(jī)制引入指標(biāo)的計(jì)算過程中,進(jìn)一步提高區(qū)劃精度和可用性。(3)生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃方案系統(tǒng)化,發(fā)展“自上而下”分化和“自下而上”聚類相結(jié)合的區(qū)劃方法,而不是對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的聚類。分區(qū)結(jié)果既要考慮到行政邊界,有利于行政邊界間的相互比較,又要考慮到自然經(jīng)濟(jì)發(fā)展邊界,有利于行政邊界內(nèi)的實(shí)際區(qū)劃與管理。

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Adaptive eco-economic regionalization model and its application

XU Chongqi1, 2, LI Feng1,*, HAN Baolong1, TAO Yu1

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2TheUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Achieving sustainable urban development during rapid urbanization is one of the important issues worldwide. Eco-economic regionalization (EER) is a complex regionalization method for dividing urban regions into different eco-economic functional zones by considering a wide range of local environmental (water-heat condition, biodiversity, vegetation coverage rate, etc.) and socio-economic (gross domestic product (GDP), population density, human activity pressure, road network density, etc.) factors. Urban and regional planning based on EER might be beneficial for local environmental protection, as well as sustainable economic growth. Previous studies have investigated the principles, methods, and index system for EER application. However, improving the accuracy and dynamic adaptability of EER is essential in order to ensure its application to small urban regions. In this study, the EER approach was modified by simulating population density in urban areas of Zengcheng District, Guangzhou, and an adaptive regionalization model was developed using remote sensing (RS) and geographical information system (GIS) techniques. Improving the accuracy of raw input data for calculating the indices is important to ensure the accuracy of the EER results. Previously, population density was aggregated on an administrative regional basis, whereas, in this study, we estimated population density grid by grid within the built-up area of Zengcheng District by linear modeling of the gray value in each pixel from the Defense Meteorological Satellite Program/Operational Linescan System nighttime light data. According to the linear model, the total number aggregated from all these pixels was equal to the statistical population in each administrative region by assuming that nobody lives outside the built-up area. Further, an Adaptive Eco-economic Regionalization model (AEER) was developed for Zengcheng District in order to enhance the dynamic adaptability of the EER approach. In our AEER model, the study area was first divided into four zones—ecological conservation zone, ecological priority zone, development optimization zone, and key development zone—allowing the comparison of EER results across various case study areas. Next, the area and location of each of the four zones were determined by introducing six parameters into the AEER model so that the results could be more adaptive to local management objectives. Further, two scenarios were developed for the application of this AEER model in Zengcheng District. Our results indicated that the AEER model yields highly accurate zoning results that are more adaptive to the local context. Therefore, this model might be a powerful tool for urban and regional EER applications in other city areas. Further, three perspectives have been proposed on improving the current EER model: (1) Producing spatially explicit input data for index estimation (such as GDP and available resources, both of which are normally aggregated on administrative regional basis) is the key to improving the accuracy of the zoning results. (2) The results from the EER model are only useful when the zoning process is more adaptive to local management objectives. (3) The zoning results should be presented for each administrative region in order to obtain strong policy implications; further, they should be presented grid by grid so that the vital ecological processes can be better preserved based on this EER approach.

eco-economic regionalization; population density simulation; DMSP/OLS nighttime light data; dynamic adaptability; scenario analysis

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目重點(diǎn)項(xiàng)目(71273254,71533004)

2015- 10- 08;

日期:2016- 07- 13

10.5846/stxb201510082021

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lifeng@rcees.ac.cn

徐翀崎,李鋒,韓寶龍,陶宇.動(dòng)態(tài)適應(yīng)性生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃模型及其應(yīng)用.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(5):1740- 1748.

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