基于GIS的海綿城市生態(tài)安全格局構建
——以高州市中心城區(qū)為例

蕭穎瑩 徐志標 曾勝庭 張梓豪

（廣東省建科建筑設計院有限公司，廣東 廣州 510000）

自20世紀80年代以來，隨著國內生態(tài)環(huán)境問題日益嚴峻，生態(tài)安全格局引起了廣泛的關注。生態(tài)安全格局是指生態(tài)過程具有關鍵意義的空間位置、景觀元素和聯(lián)系，包括連續(xù)和完整的山水格局、河流水域、濕地系統(tǒng)的自然形態(tài)等，是一個多層次的、連續(xù)完整的網絡空間。生態(tài)安全格局作為水源涵養(yǎng)、洪水調蓄、生物棲息地網絡等維護自然生態(tài)的永久性地域景觀，用來維護城市的生態(tài)安全，定義城市空間發(fā)展模式和城市形態(tài)。

文章以生態(tài)環(huán)境保護為目標，以高州市中心城區(qū)為研究對象，采用ArcGIS空間分析技術，確定海綿城市專項規(guī)劃中構建生態(tài)安全格局的方法，為海綿城市的功能分區(qū)、海綿系統(tǒng)規(guī)劃提供依據(jù)，有利于保護城市的自然生態(tài)本底，規(guī)避自然災害和工程災害，改善水環(huán)境、涵養(yǎng)水資源、保護水生態(tài)、保障水安全，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)域概況

高州市位于廣東省的西南部，經度110°36′46″至110°22′45″，北緯21°42′34″至22°18′49″。東接陽春市電白區(qū)，南連茂南區(qū)，北鄰信宜市，西北與廣西北流市、西南與化州市接壤。屬于亞熱帶季風氣候，以南風為主，熱量豐富、光照充足，年均降雨量為1 892.7 mm，雨季為4～9月。主要河道為鑒江干流，鑒江位于廣東省的西南部，是粵西地區(qū)沿海最長的一條獨流入海的河流。

本次研究區(qū)域為高州市中心城區(qū)，總面積153.15 km2，東北部是山地，中央是起伏的丘陵，南部和西部的臺地、小平原，山地以及河谷小盆地相互交錯，生態(tài)條件得天獨厚，山、水、林、田、湖等生態(tài)本底資源分布廣泛。中心城區(qū)的降水豐富，同時表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性，一般4～9月降水量占到全年83%左右，多年平均降雨量為1 803 mm。在土地覆被類型中，林地、草地和水體等自然生態(tài)系統(tǒng)類型約占全區(qū)總面積的65%；人工或半人工生態(tài)系統(tǒng)土地類型約占28%，其中建設用地占25%，耕地占3%，還有少量的裸地。隨著城鎮(zhèn)開發(fā)建設強度日益加大，區(qū)域內的生態(tài)環(huán)境面臨威脅，因此，構建生態(tài)安全格局，對于保護高州市中心城區(qū)生態(tài)安全具有重要意義。

2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

高州市中心城區(qū)海綿城市生態(tài)安全格局的構建以ArcGIS為操作平臺，利用GIS的分析模塊，以海綿城市生態(tài)條件為基礎，根據(jù)公式計算出水源涵養(yǎng)能力評價與水土流失敏感性評價，再將分析結果進行空間疊加，構建不同程度的生態(tài)安全格局。

研究的主要步驟分為，選取評價類型與方法、數(shù)據(jù)預處理、模型運算和評價分級。根據(jù)生態(tài)環(huán)境特征和生態(tài)問題，選取適宜的方法，生態(tài)安全格局評價方法包括模型評估法和凈初級生產力（NPP）定量指標評估法。水土流失敏感性評價采用模型評估法，水源涵養(yǎng)能力評價采用凈初級生產力（NPP）定量指標評估法。根據(jù)研究方法，準備所需的各類型數(shù)據(jù)，評價的基礎數(shù)據(jù)類型是柵格數(shù)據(jù)，非柵格數(shù)據(jù)應進行預處理。根據(jù)公式，在ArcGIS中輸入評價所需的參數(shù)，進行模型運算。根據(jù)結果，將生態(tài)安全格局劃分為生態(tài)安全格局重要區(qū)和生態(tài)安全格局極重要區(qū)。

表1 水源涵養(yǎng)能力評價數(shù)據(jù)表

表2 水土流失敏感性評價數(shù)據(jù)表

3 生態(tài)安全格局構建

3.1 水源涵養(yǎng)能力評價

3.1.1 評價方法

水源涵養(yǎng)是生態(tài)系統(tǒng)通過其獨特的結構與水進行相互作用，對降水進行截留、蓄積，并通過蒸發(fā)或散發(fā)實現(xiàn)對水流和水循環(huán)的管控。選取凈初級生產力（NPP）定量指標評估法進行評價。計算公式為：

式中：WR為水源涵養(yǎng)服務能力指數(shù)；NPPmean為研究區(qū)域多年生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產力的平均值；Fsic為土壤滲流能力因子；Fslo為坡度因子；Fpre為多年平均降水量因子。

其中，NPPmean可以基于CASA光能利用率模型進行計算，CASA模型中NPP的值由植物光合作用與其對光能利用率的大小決定。所以，CASA模型中NPP的計算可由植物光合有效輻射（APAR）和實際光能利用率（ε）來表示。Fslo（坡度因子）根據(jù)研究區(qū)域高程數(shù)據(jù)集，采用ArcGIS軟件中的空間分析得到坡度柵格圖。Fsic（土壤滲流能力因子）根據(jù)評價區(qū)域土壤數(shù)據(jù)集，采用ArcGIS軟件計算得到土壤滲流因子柵格圖。Fpre（多年平均降水量因子）是通過Excel算出研究區(qū)域所有的氣象站點的多年平均降水量，再利用ArcGIS將數(shù)值根據(jù)站點名與站點位置進行空間連接，最后選擇相應的插值工具獲得多年平均降水量柵格圖。

最后，通過ArcGIS將水源涵養(yǎng)服務能力指數(shù)WR采用分位數(shù)功能進行四級分類操作。按值大小依次劃分為4個重要性級別，即不重要區(qū)、一般重要區(qū)、較重要區(qū)、極重要區(qū)。

3.1.2 評價結果

通過對多年生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產力平均值、多年平均降水量因子、土壤滲流因子和坡度因子進行綜合疊加，識別出水源涵養(yǎng)敏感地區(qū)。較重要及以上的水源涵養(yǎng)區(qū)的面積為99.49 km2，占市域面積64.96%。水源涵養(yǎng)重要地區(qū)主要分布在中心城區(qū)的東部、東南部以及北部。

圖1 水源涵養(yǎng)重要程度圖

3.2 水土流失敏感性評價

3.2.1 評價方法

水土流失是指在人為或自然因素的作用下，雨水不能就地消納、沖刷土壤，造成土壤和水分同時流失的現(xiàn)象。主要與氣候、土壤、地形和植被有關。水土流失敏感性評價選取模型評估法進行評價。計算公式為：

A=R·K·L·S·C

式中：A為土壤侵蝕量；R為降雨侵蝕力因子；K土壤可蝕性因子；L為坡長因子；S為坡度因子；由于S和L是影響土壤流失的主要因子，因此，將LS作為地形因子，以示其綜合效應；C為地表植被覆蓋因子。

從上述公式可以看出，影響水土流失主要是降水、地貌、植被、土壤這四個方面的因素。選取了降水侵蝕度、土壤質地、坡度、植被覆蓋度作為評價指標，將各指標進行分級，再進行空間疊加，最終得到水土流失敏感性評價結果。

3.2.2 評價結果

通過對降雨侵蝕力、植被覆蓋度、地形起伏度進行ArcGIS疊加計算，識別出水土流失敏感區(qū)。強烈及以上的水土流失敏感區(qū)的面積為5.41 km2，占市域面積3.53%。水土流失敏感性高的地區(qū)分布在中心城區(qū)的東部和東北部。

圖2 水土流失敏感程度圖

3.3 結果分析

綜合水源涵養(yǎng)能力評價和水土流失敏感性評價，確定生態(tài)安全格局重要區(qū)和極重要區(qū)，將水源涵養(yǎng)極重要區(qū)和水土流失強烈敏感區(qū)劃為生態(tài)安全格局極重要區(qū)，水源涵養(yǎng)較重要區(qū)和水土流失中度敏感區(qū)劃為生態(tài)安全格局重要區(qū)。通過ArcGIS進行空間疊加，得到高州市中心城區(qū)海綿生態(tài)安全格局綜合評價結果。

空間分布上，不納入生態(tài)安全格局的區(qū)域主要集中在高州市建成區(qū)，以建設用地為主，生態(tài)基底薄弱，適合開發(fā)建設；生態(tài)安全格局重要區(qū)主要集中在中心城區(qū)中部和西部，面積共66 km2，占比43.05%，需要控制開發(fā)強度，加強生態(tài)保護；生態(tài)安全格局極重要區(qū)主要集中在中心城區(qū)北部和東部，面積共43 km2，占比28.23%，需要禁止開發(fā)，執(zhí)行嚴格的保護制度。

圖3 生態(tài)安全格局圖

4 結語

文章探討了海綿城市專項規(guī)劃中構建生態(tài)安全格局的方法，從海綿城市建設的視角出發(fā)，結合高州市中心城區(qū)實例進行分析和評價，提出了生態(tài)安全格局的定量評價指標。生態(tài)安全格局構建是一個綜合性、多尺度的區(qū)域問題，通過構建區(qū)域生態(tài)安全格局，掌握生態(tài)系統(tǒng)服務能力，在后續(xù)規(guī)劃中提出區(qū)域開發(fā)策略，減少城市發(fā)展進程中造成的負面生態(tài)影響，指導建設過程中加以保護性開發(fā)，進一步完善海綿城市建設策略以及海綿系統(tǒng)規(guī)劃，為城市規(guī)劃建設提供參考。