基于GIS的秦淮河流域水生態(tài)安全格局探討

袁君夢，吳凡

(1.南京大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇 南京 210093； 2.中設(shè)設(shè)計集團，江蘇 南京 210014)

生態(tài)安全格局是維系自然、經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展[1]，支持自然生態(tài)系統(tǒng)健康循環(huán)的關(guān)鍵性格局[2]。在維護自然資源和生態(tài)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)良好的同時，生態(tài)安全格局也為實現(xiàn)城市的增長奠定了環(huán)境和物質(zhì)基礎(chǔ)。關(guān)注區(qū)域的生態(tài)安全格局有助于了解自然系統(tǒng)的剛性底線，從而采取因地制宜的保護措施提升生態(tài)系統(tǒng)的韌性調(diào)控能力，以實現(xiàn)人與自然的和諧相處。從研究內(nèi)容來看，大部分學(xué)者均認(rèn)為生態(tài)安全格局涉及生物[3]、水土[4]、景觀[5]等多種類型。其中，關(guān)于水生態(tài)安全格局的研究仍然處于概念定義和研究理論[6]的初步階段，尚未成為學(xué)界和社會的關(guān)注重點。然而，在城市快速發(fā)展階段，不透水鋪裝導(dǎo)致的城市內(nèi)澇、人口的迅速膨脹和城市的快速建設(shè)引發(fā)城市水資源短缺[1]等一系列問題都強調(diào)了重視水生態(tài)安全格局的必要性。因此，構(gòu)建區(qū)域的水生態(tài)安全格局，并通過科學(xué)的方法進行評估是實現(xiàn)區(qū)域水資源可持續(xù)發(fā)展、緩解自然與社會矛盾、保護并實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的重要途徑。

水生態(tài)安全格局的實質(zhì)在于針對區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)狀進行剖析審視，通過系統(tǒng)化的評價方法對研究區(qū)域進行精準(zhǔn)評估，并以水生態(tài)安全為核心制定未來的生態(tài)空間管制策略。目前，國內(nèi)關(guān)于水安全格局的相關(guān)研究尚處于探索階段，研究尺度往往聚焦于區(qū)域空間和城市空間兩類。在區(qū)域?qū)用?，或以行政區(qū)域為研究范圍，或選取以自然地形構(gòu)成的核心片區(qū)為研究范圍。例如，張滿滿等[7]以河南省為研究區(qū)域，構(gòu)建“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”的指標(biāo)體系對研究區(qū)域的水生態(tài)安全格局進行評價；尹文濤[8]以沿海低地城市岸線為研究區(qū)域，分析了構(gòu)建水生態(tài)安全格局的基本元素和影響機制。上述研究各有側(cè)重：以行政區(qū)域為研究區(qū)時，選取的指標(biāo)體系更加多元綜合，涉及人口、經(jīng)濟、生態(tài)等一系列社會政治經(jīng)濟指標(biāo)；而以自然空間為研究區(qū)時，則更看重其他自然因素對水生態(tài)格局的影響。在城市層面，王森[9]從雨洪、水土保持、水源涵養(yǎng)與水質(zhì)4個方面開展徐州市的水生態(tài)安全格局評估研究。

綜上，針對研究區(qū)域進行適宜性評價，開展面向研究區(qū)的水生態(tài)安全格局的差異化識別和可視化表達是進行水生態(tài)安全格局研究的核心內(nèi)容。為此，構(gòu)建基于多因子的綜合評價指標(biāo)體系，并將其運用于秦淮河流域的水生態(tài)安全格局評估，以期為未來水生態(tài)安全格局理論和實踐提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

秦淮河流域位于118°39′～119°19′E、31°34′～32°10′N，地跨南京、鎮(zhèn)江兩市，流域面積達2 631 km2，全程超過100 km。秦淮河源頭地區(qū)分別為句容寶華山和溧水東廬山，句容河與溧水河于南京市江寧區(qū)西北匯合而形成秦淮河干流，又于南京市東山街道分秦淮河及秦淮新河2個分支，最終均向西流入長江。

秦淮河流域的地勢總體上呈盆地型。其中，流域中部地區(qū)為圩區(qū)，河道縱橫，耕地零星分布其中，地勢相對低洼。圩區(qū)外圍地貌以低丘緩坡為主，地面坡度集中于10°～15°。流域邊緣的主要地貌為山地丘陵，分布有紫金山、茅山、寶華山等山體。秦淮河流域作為一個復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)，具備社會、經(jīng)濟、生態(tài)等多種價值，能夠在提供水源、保持水土、防洪排澇等方面發(fā)揮巨大的作用，是南京市可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。

利用ArcGIS平臺，對秦淮河流域Landsat 4-5 TM和Landsat 8 OLI_TRIS衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品進行分析，發(fā)現(xiàn)在1998—2018年間，流域城鎮(zhèn)建設(shè)用地呈現(xiàn)出逐年增長的態(tài)勢，而林地、綠地等地類類型則逐漸收縮。流域下墊面能夠通過橫向和垂向?qū)搅鳟a(chǎn)生影響，植被的缺乏和水泥、瀝青等下墊面的增多能夠引起流域徑流系數(shù)和徑流量的增大，從而加快匯流速度。在城市化進程中，政府通過市政工程在外秦淮河段筑造混凝土固坡護岸，地表徑流疏通的堵塞進一步威脅城市生態(tài)系統(tǒng)的安全，易導(dǎo)致城市洪水、內(nèi)澇等自然災(zāi)害頻生，使人民的生命和財產(chǎn)安全遭受極大的威脅。因此，利用秦淮河流域的水生態(tài)敏感性分析劃定區(qū)域內(nèi)不同層級的生態(tài)安全格局，并因地制宜地進行保護，對指導(dǎo)秦淮河流域內(nèi)的土地利用開發(fā)建設(shè)和生態(tài)資源利用具有現(xiàn)實意義。

1.2 指標(biāo)體系的建立

影響水生態(tài)安全格局的因子紛繁復(fù)雜，諸如人口、污染物、生物、氣候等都能對區(qū)域的水生態(tài)安全造成影響。但根據(jù)研究區(qū)域的不同，也需要針對環(huán)境因地制宜地篩選出符合當(dāng)?shù)丨h(huán)境的評價因子。根據(jù)研究區(qū)的特點，秉承“可量化性、關(guān)聯(lián)性、獨立性”的三重篩選原則[10]，提取出水體、植被與地形3個具有代表性的因子構(gòu)建秦淮河流域的水生態(tài)安全格局評價指標(biāo)體系。為了賦予不同因子相應(yīng)的水生態(tài)敏感性，根據(jù)河流的級別、水庫的面積、植被的重要程度和郁閉度，以及地形的坡度、起伏度等分別賦予不同的敏感度級別(非敏感性、低敏感性、中敏感性、高敏感性和極高敏感性)。為了便于在ArcGIS中對不同區(qū)域的水生態(tài)敏感性賦值，將描述性的等級信息轉(zhuǎn)換成水生態(tài)敏感性等級評價表(表1)。如果某一區(qū)域的水生態(tài)敏感性指數(shù)等級較高，則代表該區(qū)域的水系統(tǒng)易于遭受人類活動的影響，在遇到干擾時，更容易發(fā)生水生態(tài)環(huán)境問題。

1.3 數(shù)據(jù)來源及研究方法

表1 單因子水生態(tài)敏感性的等級評價

研究涉及的數(shù)據(jù)主要來源于秦淮河流域數(shù)字高程(DEM)、衛(wèi)星影像和TM影像?；贏rcGIS平臺，將水體、植被與地形3個因子分別賦予相應(yīng)的等級指數(shù)值，制作單因子生態(tài)敏感性圖。由于研究區(qū)面積大，且前述3個因子對于研究區(qū)水生態(tài)敏感性來說均為限制性影響因子，因此，選用因子疊加求取最大值法，采用GIS疊加技術(shù)得到生態(tài)敏感性總結(jié)果，并按生態(tài)敏感性指數(shù)大小將流域分為3類：水生態(tài)保護區(qū)、水生態(tài)控制區(qū)和水生態(tài)緩沖區(qū)。計算公式：

VESI=max(Vi)。

式中：VESI為綜合水生態(tài)安全指數(shù)，Vi為第i水生態(tài)因子的得分。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因子水生態(tài)安全格局分析

河流、湖泊和水庫等水體是流域水文過程發(fā)生的重要場所，河流能夠引導(dǎo)地表徑流，水庫、湖泊能夠起到調(diào)洪蓄洪的作用。在保障流域的生態(tài)安全和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展過程中，流域水體的合理利用與保護至關(guān)重要。秦淮河流域內(nèi)覆蓋有多條河流、湖泊和水庫，因此，將水體列為評價指標(biāo)體系中最重要的水生態(tài)敏感性因子?；谒w因子對秦淮河流域的水生態(tài)安全格局進行分析(圖1)發(fā)現(xiàn)，流域總體的生態(tài)敏感性較低，非敏感區(qū)域占研究區(qū)域的90.09%，中、高敏感區(qū)與極高敏感區(qū)主要分布在流域范圍內(nèi)的自然湖泊和水庫及周邊的一二級緩沖區(qū)(表2)。河流、湖泊和水庫等水體是流域水文過程發(fā)生的重要場所，因此，需要對這些水體及緩沖區(qū)進行保護，此外還應(yīng)保護流域的水源地。

圖1 基于水體因子的秦淮河流域生態(tài)敏感性分析

表2 基于水體因子的秦淮河流域生態(tài)敏感性分析

林地、草地、耕地等植被是影響研究區(qū)水生態(tài)安全的重要因子。林地、草地等植被具備蓄水和儲水功能，能有效阻止水土流失，降低流域的綜合徑流系數(shù)。秦淮河流域由于受到人類開發(fā)建設(shè)和城市化進程的影響，林地和耕地的面積逐漸下降，其中，林地在流域中所占比例由1988年的18.85%下降為2018年的14.41%?；谥脖灰蜃臃治觯瑯O高敏感區(qū)占流域總面積的6.76%，主要集中分布在研究區(qū)的西北片區(qū)，高敏感區(qū)占研究區(qū)域的50.24%，被低敏感區(qū)割裂，散狀分布在研究區(qū)全域；低感敏區(qū)占研究區(qū)總面積的43.00%(表3，圖2)，主要在研究區(qū)的西北、南部、東部連片分布，其余斑塊散落全域。

圖2 基于植被因子的秦淮河流域生態(tài)敏感性分析

表3 基于植被因子的秦淮河流域生態(tài)敏感性分析

在產(chǎn)流、匯流過程中，坡度大的地區(qū)易產(chǎn)生地表徑流，對流域產(chǎn)流、匯流特性影響較大。秦淮河流域地處平原地區(qū)，海拔低，根據(jù)流域地形特征，選取坡度和地形起伏度2個因子進行研究。地形起伏度是指在一個特定的區(qū)域內(nèi)，最高點海拔與最低點海拔的差值，地形起伏度大的地區(qū)易對地表水文產(chǎn)生影響，其水生態(tài)敏感性較高?；诘匦我蜃?，秦淮河流域的生態(tài)敏感性整體較低，研究區(qū)內(nèi)非敏感區(qū)占比達85.96%，鮮有極高敏感區(qū)，中敏感區(qū)及高敏感區(qū)占比分布為2.56%和2.28%(圖3，表4)，主要圍繞流域邊緣分布。

圖3 基于地形因子的秦淮河流域生態(tài)敏感性分析

表4 基于地形因子的秦淮河流域生態(tài)敏感性分析

2.2 綜合因子水生態(tài)安全格局分析

綜合上述3類影響因子發(fā)現(xiàn)，秦淮河流域的水生態(tài)敏感性整體較高。流域水生態(tài)安全極高敏感區(qū)和高敏感區(qū)的面積占比分別為13.41%和2.86%，總體于流域中部區(qū)域集中。該區(qū)域水網(wǎng)密集，農(nóng)田、草地和未利用地較多，植被覆蓋指數(shù)較高，生態(tài)涵養(yǎng)和匯流的能力較強。此外，流域邊緣分布有九龍湖、茅山水庫、句容水庫等湖泊水庫，以及湯山風(fēng)景區(qū)、牛首山風(fēng)景區(qū)等自然保護區(qū)和風(fēng)景名勝區(qū)，因此，極高敏感區(qū)和高敏感區(qū)也分散于流域邊緣地區(qū)。中敏感區(qū)主要分布于研究區(qū)中部，一般位于主要湖泊、山體和植被覆蓋指數(shù)較高地區(qū)的外圍。低敏感區(qū)和非敏感區(qū)的面積占比分別為20.18%和44.18%(圖4，表5)，主要分布于南京主城區(qū)、祿口、溧水、句容等城市建成區(qū)及其周邊地區(qū)。

圖4 綜合因子下的秦淮河流域水生態(tài)安全格局

表5 秦淮河流域綜合生態(tài)敏感性分析

根據(jù)綜合因子，可以將秦淮河流域的水生態(tài)安全格局劃分為3個層級：高敏感區(qū)、極高敏感區(qū)，對應(yīng)水生態(tài)安全格局的保護區(qū)；中敏感區(qū)，對應(yīng)水生態(tài)安全格局的控制區(qū)；低敏感、及非敏感區(qū)，對應(yīng)秦淮河流域水生態(tài)安全格局的緩沖區(qū)。流域的水生態(tài)保護區(qū)主要為流域范圍內(nèi)的自然保護區(qū)、森林公園、風(fēng)景名勝區(qū)、密林地等郁閉度較高的地區(qū)，以及主要河流、水庫、湖泊、水源保護區(qū)。此外，坡度≥30°的地區(qū)也應(yīng)被視為水生態(tài)保護區(qū)。對于水生態(tài)保護區(qū)，應(yīng)當(dāng)注重恢復(fù)和保護區(qū)域內(nèi)的水域、植被、草地等生態(tài)資源，提高生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和穩(wěn)定性，嚴(yán)格控制區(qū)域內(nèi)的城市建設(shè)活動，劃定水生態(tài)保護區(qū)紅線以保障流域水生態(tài)安全格局。流域的水生態(tài)控制區(qū)主要為森林公園、自然保護區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)的緩沖區(qū)、疏林地、支流、中小型水庫、湖泊、水源涵養(yǎng)區(qū)、水土保持區(qū)，以及坡度在15°～30°的地區(qū)。對于水生態(tài)安全格局中的控制區(qū)，原則上以保護為主，允許適當(dāng)?shù)纳倭块_發(fā)建設(shè)活動，增加林木保有量和郁閉度，以提升徑流系數(shù)，堅持“在保護中開發(fā)，在開發(fā)中保護”的指導(dǎo)原則，對區(qū)域進行合理評估和適當(dāng)開發(fā)，避免對水生態(tài)系統(tǒng)的破壞。水生態(tài)緩沖區(qū)主要用地類型為河流水系緩沖區(qū)、農(nóng)田，以及坡度較低、地形起伏度較小的地區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)應(yīng)因地制宜進行中等強度開發(fā)，保護基本農(nóng)田，在適當(dāng)情況下進行退耕還林。

3 小結(jié)

由1988—2018年秦淮河流域下墊面的動態(tài)演變可知，由于城市化導(dǎo)致的流域不透水面增大，增加了流域的徑流量和徑流速度，使流域面臨嚴(yán)重的洪水和內(nèi)澇風(fēng)險。根據(jù)植被、水體和地形等因子對水生態(tài)安全的重要性進行賦值，確定流域不同地區(qū)的單因子水生態(tài)敏感性，最終疊合成綜合的水生態(tài)安全格局，從而劃分流域的水生態(tài)保護區(qū)、控制區(qū)和緩沖區(qū)，并根據(jù)不同區(qū)域的特征進行相應(yīng)的政策指引，供未來國土空間規(guī)劃的相關(guān)專題參考。

在明確水生態(tài)安全格局的概念內(nèi)涵和研究意義、構(gòu)建評估水生態(tài)安全格局的評價指標(biāo)體系之后，未來在開展地區(qū)的水生態(tài)安全格局評估研究過程中，還應(yīng)該根據(jù)不同地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平和自然資源環(huán)境進行因地制宜的優(yōu)化調(diào)整，綜合生物、資源環(huán)境、地理學(xué)等多學(xué)科的研究成果，創(chuàng)建融合多學(xué)科領(lǐng)域和知識體系的生態(tài)評估方法。