基于GIS技術(shù)的廣東省清遠(yuǎn)市城市生態(tài)安全格局構(gòu)建研究

侯松巖

（廣東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，廣東廣州 510315）

在構(gòu)建“五級(jí)三類”國(guó)土空間規(guī)劃體系背景下，城市生態(tài)安全格局研究成為學(xué)術(shù)界熱點(diǎn)議題，許多學(xué)者針對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行了有益探索。蒙吉軍等[1]通過(guò)對(duì)土地覆被、林地適應(yīng)性等多因子疊加分析，提出了鄂爾多斯生態(tài)安全格局的優(yōu)化方案。周銳等[2]通過(guò)最小阻力模型模擬生態(tài)過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)平頂山新區(qū)的空間布局優(yōu)化。俞孔堅(jiān)等[3]采用GIS空間疊加分析，從水安全、地質(zhì)災(zāi)害、生物保護(hù)、文化遺產(chǎn)、游憩5個(gè)方面的生態(tài)安全格局。趙宇豪等[4]通過(guò)生態(tài)供需比、電路理論等方法，構(gòu)建了耦合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的生態(tài)安全格局。現(xiàn)有研究主要采用單一技術(shù)方法研究生態(tài)安全格局問(wèn)題，缺乏從多元GIS技術(shù)方法、多元數(shù)據(jù)視角探討城市生態(tài)安全格局構(gòu)建問(wèn)題。鑒于此，本文利用多元分析技術(shù)，采用土地調(diào)查、氣象監(jiān)測(cè)等多元數(shù)據(jù)，搭建了清遠(yuǎn)城市生態(tài)安全格局，并提出了相關(guān)管控措施，以期為構(gòu)建全面客觀的城市生態(tài)安全格局提供方法借鑒，為提升國(guó)土空間規(guī)劃編制工作的科學(xué)性提供支撐。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用的土地調(diào)查數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、地形DEM數(shù)據(jù)均由清遠(yuǎn)市自然資源部門提供，交通、氣象等數(shù)據(jù)分別由清遠(yuǎn)市交通、氣象等部門提供。

1.2 研究方法

不同于單一技術(shù)方法，本文采用AcrGis軟件中的疊加分析模塊、MCR模型及WRF氣象模型等多元GIS技術(shù)方法搭建城市生態(tài)安全格局，可統(tǒng)籌識(shí)別生物棲息地、生物遷徙廊道、通風(fēng)廊道等城市生態(tài)安全格局各類構(gòu)成要素，有效避免單一技術(shù)方法造成的生態(tài)要素研究缺項(xiàng)問(wèn)題。

1.2.1 重要生態(tài)空間識(shí)別技術(shù)方法

（1）生物棲息地識(shí)別技術(shù)方法。

依據(jù)清遠(yuǎn)市指示性物種相關(guān)數(shù)據(jù)，確定清遠(yuǎn)城市生態(tài)安全格局指示性物種，通過(guò)對(duì)棲息地的土壤、坡度、現(xiàn)狀用地等因子的適宜性綜合評(píng)價(jià)，篩選識(shí)別生物棲息地空間。

（2）生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)分析方法。

依據(jù)《資源環(huán)境承載能力和國(guó)土空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)指南（試行）》，借助ArcGis10.2軟件中的空間疊加分析等功能模塊，評(píng)價(jià)清遠(yuǎn)市的資源環(huán)境承載能力和國(guó)土空間開(kāi)發(fā)適宜性（以下簡(jiǎn)稱“雙評(píng)價(jià)”），分析得到生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)中的生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)。

1.2.2 生態(tài)廊道識(shí)別技術(shù)方法

（1）生物遷徙廊道識(shí)別技術(shù)方法。

利用MCR模型計(jì)算空間表面中的每一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到生物棲息地的最小阻力值[5-7]，計(jì)算公式：

式中：MCR——最小阻力值；D——物種從生物棲息地運(yùn)動(dòng)至空間某一點(diǎn)所穿越景觀面的空間距離；R——景觀對(duì)某物種運(yùn)動(dòng)的阻力值。

（2）通風(fēng)廊道識(shí)別技術(shù)方法。

基于獲取得到的清遠(yuǎn)市歷年氣溫、風(fēng)速、PM2.5等數(shù)據(jù)，通過(guò)編寫程序代碼，構(gòu)建WRF氣象模型，模擬得到清遠(yuǎn)市風(fēng)場(chǎng)、城市溫度場(chǎng)及灰霾分布模擬圖，用于分析重點(diǎn)風(fēng)口區(qū)域及通風(fēng)廊道。

2 廣東省清遠(yuǎn)市生態(tài)安全格局構(gòu)建

2.1 清遠(yuǎn)市概況

清遠(yuǎn)市位于廣東省的中北部、北江中下游，地處南嶺山脈南側(cè)與珠江三角洲的結(jié)合帶上，清遠(yuǎn)全境屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，境內(nèi)以山地丘陵地形為主，境內(nèi)有維管植物270科、877屬、2 439種，其中野生珍稀瀕危植物41種，是我國(guó)南方珍稀動(dòng)植物的物種基因庫(kù)，在國(guó)家國(guó)土空間總體規(guī)劃綱要中被確立為國(guó)家級(jí)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)，具有研究的典型性。

2.2 識(shí)別重要生態(tài)保護(hù)空間

（1）基于生物多樣性普查數(shù)據(jù)，識(shí)別重要生物棲息地。

生物是生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)和非生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)的互動(dòng)載體，生物多樣性可作為生態(tài)系統(tǒng)良好的指示性符號(hào)。在城市生態(tài)安全格局研究中，一般將頂級(jí)生物群落的生存環(huán)境作為生物棲息地。依據(jù)《中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所數(shù)據(jù)庫(kù)》等生物棲息地普查數(shù)據(jù)，清遠(yuǎn)市指示性生物包括動(dòng)物、植物兩大類別，動(dòng)物包括鳥類、爬行類、哺乳類三個(gè)類型，本文將上述物種集中分布的生態(tài)斑塊作為初始生物棲息地，對(duì)不同生物類別生物的生態(tài)安全控制距離進(jìn)行緩沖區(qū)分析，識(shí)別得到清遠(yuǎn)市重要生物棲息地，總面積約2 153 km2，主要分布在南嶺山脈、筆架山兩大生態(tài)屏障區(qū)域。

（2）基于“雙評(píng)價(jià)”，識(shí)別生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)。

“雙評(píng)價(jià)”中的生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)是生態(tài)極度敏感的生態(tài)功能空間，是城市生態(tài)安全格局的重要組成。本文針對(duì)清遠(yuǎn)市自然地理格局特征，重點(diǎn)從水源涵養(yǎng)功能、水土保持功能、生物所養(yǎng)性維護(hù)功能、水土流失脆弱性、石漠化脆弱性等方面進(jìn)行單項(xiàng)評(píng)價(jià)，最終集成得到清遠(yuǎn)市生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)。清遠(yuǎn)全域生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)面積約8 259 km2，主要包括自然保護(hù)區(qū)、水源保護(hù)區(qū)、國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)等生物多樣性重要區(qū)域和水源涵養(yǎng)重要區(qū)域。

（3）基于生態(tài)空間管控邊界，識(shí)別重要自然保護(hù)地。

根據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署《千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估》《關(guān)于特別是作為水禽棲息地的國(guó)際重要濕地公約》和《生物多樣性公約》等文件中的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，選取物種多樣性水平未達(dá)到飽和的棲息地作為重要自然保護(hù)功能區(qū)，主要包括森林公園、濕地公園、關(guān)鍵性遷徙停歇地等自然保護(hù)地。

（4）疊加集成重要生態(tài)保護(hù)空間。

借助GIS的疊加分析功能模塊，得到清遠(yuǎn)市重要生態(tài)保護(hù)空間，空間范圍內(nèi)涵蓋了重要生物棲息地、生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)及重要自然保護(hù)地，主要分布在大東山至石門臺(tái)、起微山至九嶷山、陽(yáng)山地質(zhì)公園等南嶺山脈及筆架山系。

清遠(yuǎn)市重要生態(tài)空間疊加集成分析如圖1所示。

2.3 識(shí)別生態(tài)廊道體系

2.3.1 基于地面阻力模型識(shí)別生物遷徙廊道

生物遷徙廊道是連接相鄰生物棲息地的最低阻力通道。相關(guān)研究表明，各類生態(tài)保護(hù)空間與現(xiàn)狀地類越接近，動(dòng)物在遷徙過(guò)程中的阻力值越小[8-11]。本文將前述識(shí)別得到的生態(tài)保護(hù)空間作為“源地”，以地類作為阻力因子，計(jì)算得到不同地類的阻力系數(shù)，利用最小累積阻力模型（MCR）[12]構(gòu)建生物遷徙阻力面?；贏rcGis10.2的疊加分析與重分類功能模塊，共識(shí)別出3條陸域生態(tài)廊道和8條水域生態(tài)廊道。

2.3.2 基于“WRF模型”識(shí)別區(qū)域通風(fēng)廊道

（1）基于風(fēng)場(chǎng)模擬分析，識(shí)別清遠(yuǎn)重點(diǎn)風(fēng)口區(qū)域。

基于清遠(yuǎn)市主要?dú)庀簏c(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用WRF模型對(duì)夏季、冬季平均風(fēng)速進(jìn)行分析，模擬清遠(yuǎn)市近10年1月和7月風(fēng)場(chǎng)分析圖，分別將平均風(fēng)速最高的地區(qū)作為重點(diǎn)風(fēng)口區(qū)域，確定通風(fēng)廊道的“起訖點(diǎn)”。結(jié)果顯示：清遠(yuǎn)市冬季（1月）盛行風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，重點(diǎn)風(fēng)口區(qū)域分布在連山市星子鎮(zhèn)、英德市沙口鎮(zhèn)和望阜鎮(zhèn)，平均風(fēng)速在5～6 m/s。清遠(yuǎn)市夏季（7月）盛行風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，重點(diǎn)風(fēng)口區(qū)域主要分布在連南縣寨崗鎮(zhèn)、清城區(qū)龍?zhí)伶?zhèn)和英德市高崗鎮(zhèn)。

（2）基于城市“熱島”效應(yīng)和灰霾分布模擬分析，明確通風(fēng)廊道走向。

基于WRF模型，對(duì)清遠(yuǎn)市各氣象觀測(cè)點(diǎn)近10年7月平均氣溫進(jìn)行分析，得到城市“熱島”模擬圖。結(jié)果顯示：清城區(qū)大部、連州市中部以及佛岡縣“熱島”效應(yīng)顯著，在確定通風(fēng)廊道具體走向時(shí)應(yīng)重點(diǎn)緩解上述地區(qū)的城市“熱島”效應(yīng)。

利用光學(xué)氣溶膠模擬得到的PM2.5分布來(lái)表征清遠(yuǎn)灰霾分布狀況，結(jié)果表明：清遠(yuǎn)市灰霾區(qū)域分布在連山市、陽(yáng)山縣、清新區(qū)及清城區(qū)，在確定通風(fēng)廊道具體走向時(shí)需同時(shí)考慮清除上述區(qū)域的灰霾問(wèn)題。

（3）通風(fēng)廊道識(shí)別集成。

綜合清遠(yuǎn)市重點(diǎn)風(fēng)口區(qū)域、城市“熱島”與灰霾分析結(jié)果，結(jié)合地形地貌、水系、交通廊道分布等情況，利用風(fēng)環(huán)境模擬（WRF）模型分析得到通風(fēng)廊道模擬結(jié)果，包括2條夏季通風(fēng)廊道及2條冬季通風(fēng)廊道。在夏季通風(fēng)廊道方面，其一，由清城區(qū)經(jīng)英德市、陽(yáng)山縣至連州市星子鎮(zhèn)；其二，由清城區(qū)至英德市望阜鎮(zhèn)，可有效緩解城市“熱島”效應(yīng)。在冬季通風(fēng)廊道方面，其一，自清城區(qū)龍?zhí)伶?zhèn)經(jīng)陽(yáng)山縣至連州市星子鎮(zhèn)；其二，由英德市沙口鎮(zhèn)至清城區(qū)，可有效地驅(qū)散清遠(yuǎn)市冬季的灰霾。

2.3.3 自然游憩廊道識(shí)別

自然游憩廊道是城市生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)過(guò)程交換與功能聯(lián)系的重要紐帶，基于GIS分析識(shí)別，將清遠(yuǎn)市北江碧道、省級(jí)綠道、古驛道等線性藍(lán)綠空間增補(bǔ)進(jìn)生態(tài)廊道體系，貫通城市建成區(qū)內(nèi)、外部生態(tài)系統(tǒng)間的物質(zhì)交換與生物遷徙路徑。清遠(yuǎn)市生態(tài)廊道體系識(shí)別分析如圖2所示。

圖2 清遠(yuǎn)市生態(tài)廊道體系識(shí)別分析

2.4 識(shí)別生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)

生態(tài)廊道的交點(diǎn)則是不同物種擴(kuò)散的支點(diǎn)，對(duì)于維護(hù)斑塊內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要作用?；诏B加分析與適宜性評(píng)價(jià)分析，將識(shí)別出的生態(tài)廊道交點(diǎn)、生態(tài)戰(zhàn)略點(diǎn)、生物遷徙重要生態(tài)節(jié)點(diǎn)作為生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)，保護(hù)維育物種的遷移或擴(kuò)散過(guò)程的節(jié)點(diǎn)空間。

生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)識(shí)別分析如圖3所示。

圖3 清遠(yuǎn)市生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)分析

2.5 搭建清遠(yuǎn)城市生態(tài)安全格局，明確空間管控措施

通過(guò)生態(tài)保護(hù)要素的疊加集成，搭建由重要生態(tài)保護(hù)空間、生態(tài)廊道體系及生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的清遠(yuǎn)城市生態(tài)安全格局。

2.5.1 分區(qū)管控重要生態(tài)空間

重要生態(tài)保護(hù)空間總面積約9 371 km2，主要分布在南嶺山脈、筆架山系，即在大東山至石門臺(tái)、起微山至九嶷山、陽(yáng)山地質(zhì)公園等南嶺山脈及筆架山系地區(qū)，與生態(tài)保護(hù)紅線范圍高度吻合，將重要生態(tài)空間劃分為自然保護(hù)地核心區(qū)及一般控制區(qū)，采用分區(qū)分級(jí)的管控方式，自然保護(hù)地核心區(qū)原則上禁止人為活動(dòng)，一般控制區(qū)采用“正面清單”管理方式，僅允許對(duì)生態(tài)功能不造成破壞的管護(hù)巡護(hù)、考古發(fā)掘、生態(tài)修復(fù)等10類有限人為活動(dòng)。

2.5.2 分類管控生態(tài)廊道體系

建立由11條生物遷徙廊道、4條城市通風(fēng)廊道及15條自然游憩廊道構(gòu)成的生態(tài)廊道體系，結(jié)合不同類別生態(tài)廊道的空間管控特殊性需求，建立生態(tài)廊道分類管控措施。其中，生物遷徙廊道兩側(cè)按照600～1 000 m控制，嚴(yán)禁開(kāi)發(fā)建設(shè)活動(dòng)占用，保證動(dòng)物遷徙不受人為活動(dòng)侵?jǐn)_；通風(fēng)廊道兩側(cè)按800～1 000 m管控，管控范圍內(nèi)禁止建設(shè)高層建筑，確保通風(fēng)廊道的貫通性；自然游憩廊道按照30～60 m管控，原則上禁止開(kāi)發(fā)建設(shè)活動(dòng)。

2.5.3 嚴(yán)禁建設(shè)占用生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)

為保證動(dòng)植物棲息及遷徙活動(dòng)的正常進(jìn)行，將生物群落的定量最小面積作為生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)的管控空間。經(jīng)GIS疊加分析，清遠(yuǎn)市生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)狀地類主要為林地，相關(guān)研究中林地群落的定量最小面積為1 000 m2，將其作為生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)的管控空間，嚴(yán)禁一切人為開(kāi)發(fā)建設(shè)活動(dòng)，保障生態(tài)系統(tǒng)的連通性。

清遠(yuǎn)城市生態(tài)安全格局分析如圖4所示。

圖4 清遠(yuǎn)城市生態(tài)安全格局

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于MCR模型、WRF模型等GIS技術(shù)方法與多元數(shù)據(jù)，探索了構(gòu)建城市生態(tài)安全格局的技術(shù)方法，并以廣東省清遠(yuǎn)市為例，搭建了由重要生態(tài)空間、生態(tài)廊道體系及生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)組成的城市生態(tài)安全格局，進(jìn)一步驗(yàn)證了技術(shù)方法的科學(xué)性與適用性；同時(shí)針對(duì)不同生態(tài)空間要素，提出了分區(qū)分類的空間管控措施，可為城市生態(tài)安全格局的構(gòu)建與管理工作提供一定的借鑒與參考。