耿潤哲,殷培紅,馬 茜

以環(huán)境質(zhì)量改善為目標(biāo)的貴安新區(qū)生態(tài)安全格局構(gòu)建虛擬

耿潤哲,殷培紅*,馬 茜

(生態(tài)環(huán)境部環(huán)境與經(jīng)濟(jì)政策研究中心,北京 100029)

以貴安新區(qū)為例,將水環(huán)境安全格局與大氣環(huán)境安全格局納入城市綜合生態(tài)安全格局的評價(jià)框架;將GIS空間分析技術(shù)、ArcSWAT模型、WRF-Chem空氣質(zhì)量模型等進(jìn)行耦合,對水環(huán)境、大氣環(huán)境、石漠化、生物多樣性、自然人文環(huán)境以及基本農(nóng)田等在內(nèi)的6項(xiàng)生態(tài)安全格局因子進(jìn)行分析;將貴安新區(qū)生態(tài)安全格局劃分為底線、滿意和理想3個(gè)不同等級,并在此基礎(chǔ)上對貴安新區(qū)城市擴(kuò)展方案進(jìn)行模擬.結(jié)果表明,貴安新區(qū)底線級生態(tài)安全格局面積為215.6km2,滿意級生態(tài)安全格局面積為473.9km2,理想級生態(tài)安全格局面積為828.4km2,分別占貴安新區(qū)總面積的11.3%, 24.9%和43.6%.生態(tài)宜居的城市建設(shè)用地面積為179.8km2,生態(tài)經(jīng)濟(jì)均衡發(fā)展模式下城市建設(shè)用地面積為708.9km2,經(jīng)濟(jì)優(yōu)先發(fā)展模式下城市建設(shè)用地面積為1288.9km2,分別占貴安新區(qū)總面積的9.5%,37.3%和67.8%.綜合生態(tài)安全格局的劃定可作為一種有力的空間管控手段,以實(shí)現(xiàn)城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)與宜居城鎮(zhèn)的和諧發(fā)展.

生態(tài)安全格局；ArcSWAT模型；WRF-Chem模型；貴安新區(qū)

近30年來,隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,城市規(guī)模和建設(shè)用地的比例不斷增加,擾動(dòng)并破壞了城市原有的土地利用格局,引起了系列生態(tài)環(huán)境問題[1-2],如森林破壞、水土流失、農(nóng)田損毀、空氣污染以及水環(huán)境惡化等,嚴(yán)重威脅著區(qū)域內(nèi)人口、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)以及動(dòng)植物系統(tǒng)的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展[3-5].

Ifeanyi等[6]2000年左右提出了城市生態(tài)安全理論,該方法能夠?qū)Τ鞘袛U(kuò)張和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對城市生態(tài)系統(tǒng)空間格局和功能變化所產(chǎn)生的影響進(jìn)行有效的評估.生態(tài)安全格局(ecological security pattern,ESP)評價(jià)作為實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全的有效手段,受到眾多學(xué)者的關(guān)注.生態(tài)安全格局是一種區(qū)域生態(tài)空間的組合模式,能夠?qū)^(qū)域生態(tài)空間的組合模式、斑塊特征以及廊道系統(tǒng)等關(guān)鍵生態(tài)過程進(jìn)行控制,進(jìn)而有效保護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的功能,減少環(huán)境污染的影響[10].國外的生態(tài)安全格局構(gòu)建主要集中于“生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施”、“綠色基礎(chǔ)設(shè)施”領(lǐng)域,生態(tài)安全格局的劃分方法主要包括基于GIS技術(shù)的適宜性評價(jià)法[11-12]、最小阻力模型[13-14]、成本—距離空間分析模型[15-16]以及基于景觀生態(tài)學(xué)“源—匯”理論的空間格局劃分方法[17-18].這些方法通過對區(qū)域景觀格局的廊道組成、斑塊特征、下墊面條件進(jìn)行等級劃分,進(jìn)而反應(yīng)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的“壓力—響應(yīng)”過程,獲取生態(tài)安全格局的組成模式,對保護(hù)區(qū)域自然、生態(tài)以及資源環(huán)境起到了重要的推動(dòng)作用.

水和大氣環(huán)境污染問題作為當(dāng)前大多數(shù)城市所面臨的主要環(huán)境問題,對其進(jìn)行有效的預(yù)防和控制對維護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全和健康具有重要意義.現(xiàn)有評價(jià)方法對環(huán)境污染物在空間的傳輸過程以及轉(zhuǎn)化機(jī)理方面表征不足,使得評價(jià)結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用中對環(huán)境污染問題的控制不夠精準(zhǔn)[19],主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面:(1)未充分考慮水環(huán)境質(zhì)量的改善需求,僅考慮了水資源總量的保護(hù)要求;(2)未能以空氣質(zhì)量對人體健康的影響為目標(biāo),將空氣污染物濃度分布特征納入城市生態(tài)安全格局評價(jià)體系,如PM2.5濃度對人體健康的影響;(3)所劃定的生態(tài)安全格局對水環(huán)境和大氣環(huán)境的重點(diǎn)防控區(qū)域識別精度較低,僅考慮了資源的承載力需求而并未對污染物承載力的空間分布進(jìn)行識別,導(dǎo)致對可能的環(huán)境污染高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)約束性不足.如美國威斯康星州曾投入巨資進(jìn)行河岸緩沖帶建設(shè)以控制水環(huán)境污染,發(fā)現(xiàn)雖然能夠有效的削減污染物的入河量,但是由于空間格局約束上的破碎性較高,一旦緩沖帶間出現(xiàn)缺口,對水環(huán)境污染物的削減效率會(huì)大幅度降低,同時(shí)河岸緩沖帶由于其對污染物的滯留作用,也會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槲廴疚锏摹霸础盵20-21].因此,在城市生態(tài)安全格局的劃分中如何識別水和大氣環(huán)境污染的關(guān)鍵區(qū)域,構(gòu)建城市水環(huán)境和大氣環(huán)境污染控制的生態(tài)景觀空間模式,納入到城市生態(tài)安全格局劃分的整體評價(jià)方案中,對于實(shí)現(xiàn)城市生態(tài)安全和控制環(huán)境污染具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[22].

貴州省貴安新區(qū)是國務(wù)院批復(fù)的第八個(gè)國家級新區(qū),生態(tài)系統(tǒng)整體較為脆弱,同時(shí)受到外源傳輸和內(nèi)源釋放的影響,區(qū)域內(nèi)水環(huán)境和大氣環(huán)境狀況存在較高的超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn).區(qū)域生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的潛在矛盾日益凸顯,城市生態(tài)安全格局和建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的約束預(yù)案亟需建立.本文基于景觀安全格局原理和方法,引入機(jī)理模型識別城市水環(huán)境污染安全格局和大氣環(huán)境污染安全格局,利用最小累積阻力模型和“成本—距離”評估模型,以建設(shè)用地適宜性評價(jià)為基礎(chǔ)進(jìn)行城市發(fā)展用地的擴(kuò)展預(yù)案評價(jià);從有利城市建設(shè)的角度出發(fā),分析適宜建設(shè)的用地范圍;從生態(tài)保護(hù)角度出發(fā),對城市用地進(jìn)行建設(shè)適宜性約束評價(jià),將城市生態(tài)環(huán)境承載力轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的生態(tài)適宜量,以構(gòu)建不同生態(tài)環(huán)境建設(shè)目標(biāo)下的發(fā)展情景,劃定城市生態(tài)安全格局和開發(fā)建設(shè)擴(kuò)展預(yù)案.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴安新區(qū)位于貴州省貴陽、安順兩市之間,是一個(gè)正在建設(shè)中的新區(qū),分布范圍26°11′7″~ 26°36′56″N,105°56′20″~106°39′10″E.地處高原型亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū),年均降雨量1113~ 1367mm,且自西向東遞減.平均相對濕度79%,年平均氣溫12.8~16.2℃.貴安新區(qū)屬于喀斯特低丘緩坡地貌,地勢西高東低,總體較為平緩,海拔在960~1682m之間.境內(nèi)丘陵、山地大部分屬于石漠化敏感地區(qū).地表河流有馬場河、麻線河、羊昌河、樂平河、青巖河等,流域總面積占新區(qū)總面積的80%.森林覆蓋率達(dá)42%,具備發(fā)展健康產(chǎn)業(yè)的天然優(yōu)勢.現(xiàn)有人口84萬人,主要產(chǎn)業(yè)以第二(50.98%)、第三(40.79%)產(chǎn)業(yè)為主.水環(huán)境的主要污染源為農(nóng)業(yè)種植(40%~54%)和畜禽養(yǎng)殖(22%~35%),大氣環(huán)境的主要污染源為工業(yè)污染排放(53%~67%).

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

以貴安新區(qū)1900km2區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?以2013年為研究基準(zhǔn)年.數(shù)字高程模型(DEM)采用中國科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)提供的分辨率30′30m數(shù)據(jù)(http://www.gscloud.cn/);土地利用數(shù)據(jù)為貴州省國土資源廳提供的4′4m分辨率影像數(shù)據(jù),采用目視解譯獲取;2010~2014年逐日氣象數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所提供;2010~2014年逐日徑流量數(shù)據(jù)由貴州省水文水資源局提供;總氮、總磷、泥沙等水質(zhì)數(shù)據(jù)由貴州省貴陽市兩湖一庫管理局提供;2013年貴安新區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒由貴州省統(tǒng)計(jì)局提供.相關(guān)空間數(shù)據(jù)的處理在ArcGIS10.1和ENVI5.0平臺(tái)中完成,所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Albers雙標(biāo)準(zhǔn)緯線等積圓錐投影,Krasovsky橢球體.氣象數(shù)據(jù)的處理采用Matlab2012a平臺(tái)完成.

1.3 研究方法

本研究采用ArcGIS10.1、ArcSWAT2012、WRF-Chem等模型軟件,通過空間緩沖分析、最小累積阻力模型、水污染物傳輸過程模擬以及大氣污染物轉(zhuǎn)化過程模擬等,分別對城市生態(tài)安全格局和城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展安全格局進(jìn)行分析.共包括10項(xiàng)二級安全格局指標(biāo),分別為水環(huán)境質(zhì)量安全格局、大氣環(huán)境質(zhì)量安全格局、生物多樣性保護(hù)安全格局、地形安全格局、土地利用安全格局、道路安全格局、生態(tài)紅線安全格局、農(nóng)田安全格局、地表水供給安全格局、喀斯特敏感區(qū)安全格局.

1.3.1 建設(shè)用地?cái)U(kuò)展適宜性評價(jià) 根據(jù)城市用地建設(shè)適宜性評價(jià)基本原理, 結(jié)合地區(qū)特征和數(shù)據(jù)的可獲取性, 選擇對城市發(fā)展用地選擇具有共性且影響相對較大的地形、地質(zhì)、生態(tài)、土地利用、城市建設(shè)等獨(dú)立因子[23].地形因子主要評價(jià)坡度、坡向、高程等因素,地質(zhì)因子主要對地質(zhì)災(zāi)害敏感性進(jìn)行評價(jià),生態(tài)因子主要評價(jià)河流、湖庫、自然保護(hù)區(qū)等因素,土地利用因子主要對現(xiàn)狀土地利用類型及管控類型進(jìn)行評價(jià),城市建設(shè)因子主要評價(jià)告訴公路、國道、干道等道路因素,以及城市基礎(chǔ)設(shè)施的吸引力.按照各評價(jià)因子對區(qū)域建設(shè)貢獻(xiàn)水平的影響,將評價(jià)因子劃分為多個(gè)適應(yīng)性等級,本研究在對比相關(guān)研究因子權(quán)重的基礎(chǔ)上, 通過專家打分方法最終綜合確定了各因素的因子權(quán)重值.

1.3.2 生態(tài)安全格局約束性評價(jià) 采用累計(jì)阻力模型和“成本—距離”評估模型分別對生物多樣性保護(hù)格局和基本農(nóng)田保護(hù)格局進(jìn)行評價(jià);采用ArcSWAT模型在對流域水環(huán)境污染關(guān)鍵源區(qū)識別的基礎(chǔ)上,綜合考慮水環(huán)境污染物的“源—傳輸—轉(zhuǎn)化—匯”等過程,識別地表水環(huán)境質(zhì)量改善所需的生態(tài)安全格局[24];采用WRF-Chem模型對空氣污染物的空間分布進(jìn)行識別,在次基礎(chǔ)上結(jié)合SO2和PM2.5的人體致病耐受度濃度,識別空氣污染物的生態(tài)安全格局[25].限于篇幅原因,水環(huán)境和大氣污染物的空間分布識別相關(guān)內(nèi)容詳見參考文獻(xiàn)[21]和[22],在此不再贅述.

1.3.3 貴安新區(qū)生態(tài)安全格局劃定 以人類生存安全和理想人居環(huán)境為目標(biāo),識別水資源安全、地質(zhì)災(zāi)害安全、大氣質(zhì)量安全、水環(huán)境質(zhì)量安全、生物保護(hù)安全、農(nóng)田安全等敏感區(qū)域和重要生態(tài)過程(景觀阻力面),構(gòu)建包含底線安全格局(生態(tài)環(huán)境敏感區(qū))、滿意安全格局(生態(tài)環(huán)境一級緩沖區(qū))、理想安全格局(生態(tài)環(huán)境二級緩沖區(qū))3個(gè)級別的水資源安全格局、地質(zhì)災(zāi)害安全格局、大氣質(zhì)量安全格局、水環(huán)境質(zhì)量安全格局、生物保護(hù)安全格局、農(nóng)田安全格局,疊加構(gòu)建貴安新區(qū)綜合生態(tài)安全格局(圖1).其中,基本底線安全格局內(nèi)的生態(tài)環(huán)境較為脆弱,受人類活動(dòng)影響可能會(huì)超過生態(tài)系統(tǒng)自身修復(fù)的閾值.這個(gè)區(qū)域內(nèi)重要的生態(tài)要素或人類生命安全可以得到最基本的保障,若人類活動(dòng)干擾逼近該區(qū)域,則整個(gè)城鄉(xiāng)系統(tǒng)處于低安全水平;滿意生態(tài)安全格局是緩沖人類活動(dòng)對自然生態(tài)系統(tǒng)空間脅迫的格局;理想生態(tài)安全格局內(nèi)所有生態(tài)要素得到很好的保護(hù),生態(tài)系統(tǒng)的各種生態(tài)功能最為完善,人類可以安全、健康、可持續(xù)的發(fā)展.

圖1 貴安新區(qū)生態(tài)安全格局構(gòu)建技術(shù)路線

2 結(jié)果與分析

2.1 水環(huán)境安全格局

貴安新區(qū)淡水供給主要依靠境內(nèi)羊昌河、麻線河、馬場河、樂平河、松柏山水庫上游河流以及紅楓湖水庫、松柏山水庫等地表河流及中部地區(qū)的地下淡水補(bǔ)給.因此,貴安新區(qū)淡水供給安全格局分為地表淡水供給安全格局和地下淡水補(bǔ)給安全格局.為防止區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有污染源對地表水環(huán)境的污染,維護(hù)區(qū)域水環(huán)境安全,保護(hù)區(qū)域內(nèi)的各級河流、湖泊、水庫、坑塘、低洼地以及城市水源地,本文采用基于流域水環(huán)境污染關(guān)鍵源區(qū)識別的水環(huán)境安全格局劃定技術(shù),采用ArcSWAT模型作為水環(huán)境污染關(guān)鍵源區(qū)識別模型,通過對污染物的“源—匯”過程進(jìn)行模擬識別,將河道、湖泊、水庫50m緩沖區(qū)作為底線范圍,嚴(yán)格控制開發(fā).運(yùn)用ArcSWAT模型對2020年規(guī)劃發(fā)展情境下貴安新區(qū)水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行評價(jià),結(jié)果表明,僅占流域總面積約17.12%的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),其污染物入河量卻達(dá)到了流域總?cè)牒恿康募s50%[22].其土地利用方式多為農(nóng)田,且具有坡度大、距離河道較近、單位面積施肥量較高等特點(diǎn),體現(xiàn)了較為明顯的面源污染特征.因此,當(dāng)強(qiáng)/持續(xù)降雨事件發(fā)生時(shí),這些區(qū)域具有產(chǎn)流快、污染物輸出量大、入河迅速等特點(diǎn),會(huì)對湖庫水質(zhì)產(chǎn)生較大的負(fù)面影響.基于此,在考慮下墊面?zhèn)鬏敊C(jī)制的情況下確定水環(huán)境污染控制的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)作為理想安全格局.參考Dorioz等的研究成果,將50~100m緩沖區(qū)作為滿意范圍,盡量避免建設(shè),宜采用生態(tài)化工程措施,恢復(fù)自然河道;100~150m緩沖區(qū)為理想范圍,可進(jìn)行適當(dāng)建設(shè),建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的防洪標(biāo)準(zhǔn)[24].同時(shí)為了保障城鄉(xiāng)飲用水安全,防止水源污染,將地表水一級保護(hù)區(qū)作為嚴(yán)格保護(hù)的底線范圍,二級保護(hù)區(qū)為滿意范圍,二級保護(hù)區(qū)50m緩沖區(qū)或準(zhǔn)保護(hù)區(qū)為理想范圍,減少水源保護(hù)區(qū)的建設(shè)項(xiàng)目與活動(dòng).水環(huán)境安全格局的詳細(xì)劃分結(jié)果及技術(shù)方法可參考本課題組已發(fā)表的貴安新區(qū)水環(huán)境治理系列文章[21](圖2).其中底線安全格局的面積為36.6km2,滿意安全格局的面積為122.2km2,理想安全格局的面積為199.2km2.經(jīng)模型模擬可知,水環(huán)境安全格局的劃定能夠削減總氮和總磷負(fù)荷的60%~70%.

圖2 貴安新區(qū)水環(huán)境安全格局

2.2 大氣環(huán)境安全格局

綠地能夠釋氧固碳、降溫增濕、降噪抗污,是改善城市生態(tài)環(huán)境的重要景觀類型.但當(dāng)大氣污染物濃度超過綠地斑塊內(nèi)優(yōu)勢樹種的忍耐限度時(shí),綠地生態(tài)功能將會(huì)受到嚴(yán)重影響.本研究基于大氣SO2和PM2.5濃度對綠地生態(tài)系統(tǒng)的影響和人體健康的影響劃分貴安新區(qū)大氣環(huán)境安全格局.

貴安新區(qū)大型綠地斑塊的先鋒樹種為喬木、松木等.本研究參照劉厚田等對馬尾松對SO2的響應(yīng)關(guān)系研究結(jié)果[28-32],以先鋒樹種對SO2濃度的敏感程度將其劃分為慢性傷害和急性傷害,對應(yīng)的SO2濃度分別為0.66mg/m3、1.31mg/m3,當(dāng)SO2濃度持續(xù)4小時(shí)達(dá)到3.39mg/m3時(shí),便達(dá)到傷害閾值.由于風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)頻等氣象因素對污染物濃度擴(kuò)散具有顯著影響.本文結(jié)合貴安新區(qū)常年氣象數(shù)據(jù),以大型綠地斑塊為源,利用WRF- Chem模型計(jì)算斑塊邊緣SO2濃度為0.66, 1.31,3.39mg/m3時(shí)對應(yīng)的各風(fēng)向污染源距離[25].工業(yè)污染源對城鎮(zhèn)建成區(qū)的影響也十分重要:當(dāng)SO2濃度為10~15mg/m3時(shí),人類呼吸道纖毛運(yùn)動(dòng)和粘膜分泌功能均受到抑制;濃度達(dá)20mg/m3時(shí),引起咳嗽并刺激眼睛;濃度為100mg/m3時(shí),支氣管和肺部組織將明顯受損.本文參考蘇泳嫻等[9]的研究選取10mg/m3、20mg/m3、100mg/m3作為閾值,來控制污染源遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)建成區(qū)的距離,用以制約城鎮(zhèn)建成區(qū)和工業(yè)污染源的擴(kuò)展,以城鎮(zhèn)規(guī)劃建成區(qū)和各類自然保護(hù)區(qū)為源,以貴安新區(qū)2020年130萬人情景下的大氣SO2污染物濃度為阻力面,劃分大氣“底線安全格局”、“滿意安全格局”、“理想安全格局”(圖3a).

圖3 貴安新區(qū)大氣環(huán)境安全格局

PM2.5對健康影響的閾值研究表明,在很低的污染水平仍可觀察到大氣顆粒物對人群健康的影響.迄今為止的研究未能明確地觀察到大氣顆粒物對人群健康不產(chǎn)生影響的濃度.對美國哈佛等六城市 PM2.5污染水平與人群總死亡率之間進(jìn)行劑量反應(yīng)關(guān)系分析發(fā)現(xiàn),在低于30μg/m3的條件下,PM2.5與人群總死亡率之間呈現(xiàn)線性的劑量反應(yīng)關(guān)系曲線,且該曲線可低至2μg/m3;進(jìn)一步分析交通來源的 PM2.5與人群總死亡率之間的劑量反應(yīng)關(guān)系,在PM2.5濃度低于20μg/m3條件下也未呈現(xiàn)出閾值,且曲線的斜率更大[28].目前認(rèn)為,顆粒物對人體健康的影響是沒有閾值的,但由于顆粒物來源和化學(xué)組分復(fù)雜且與健康效應(yīng)相關(guān),因此顆粒物暴露導(dǎo)致人體健康影響的暴露-效應(yīng)關(guān)系更為復(fù)雜,可能呈現(xiàn)出非線性增加的趨勢[28].基于此,本研究嘗試基于貴安新區(qū)PM2.5濃度空間分布,采用基于地統(tǒng)計(jì)分析的自然斷裂法將PM2.5濃度的空間分布劃分為4個(gè)等級.同樣以城鎮(zhèn)規(guī)劃建成區(qū)和各類自然保護(hù)區(qū)為源,以PM2.5濃度為阻力面,劃分大氣“底線安全格局”、“滿意安全格局”、“理想安全格局”(圖3b).最終通過與基于SO2濃度的大氣安全格局進(jìn)行疊加,獲得貴安新區(qū)綜合大氣安全格局(圖3c).貴安新區(qū)大氣環(huán)境底線安全格局占新區(qū)面積47.9%,滿意安全格局占新區(qū)面積10.3%,理想安全格局占新區(qū)面積14.6%(表1).

表1 貴安新區(qū)大氣環(huán)境安全格局控制面積

2.3 基本農(nóng)田保護(hù)安全格局

圖4 基于耕地適宜性的農(nóng)田保護(hù)安全格局

復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的理論研究表明,農(nóng)田在一定時(shí)期是具有生態(tài)效益的生態(tài)空間組成部分,對于改善城市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有重要作用[33-36].基于《貴安新區(qū)土地利用總體規(guī)劃(2013~2030)》[33],以現(xiàn)有農(nóng)田面積及空間分布特征為“源”,采用最小累積阻力模型,參考付海英等對耕地適宜性評價(jià)的研究成果,通過對地形坡度、土壤類型、坡向、灌溉保證率、交通通達(dá)性等農(nóng)田用地適宜性影響因子進(jìn)行分級和疊加分析[37],獲取貴安新區(qū)土地耕作適宜性分布圖.把適宜性最高的土地作為一級農(nóng)田用地,疊加基本農(nóng)田保護(hù)現(xiàn)狀圖,提取目前基本農(nóng)田中的一級農(nóng)田用地,以其作為源,以農(nóng)田用地適宜性分析結(jié)果為阻力面,模擬貴安新區(qū)農(nóng)田保護(hù)安全格局,結(jié)果表明基本農(nóng)田保護(hù)安全格局的總面積為712.8km2(圖4).

2.4 生物多樣性保護(hù)安全格局

由于人類活動(dòng)的干擾,貴安新區(qū)原生森林面積不斷縮減,野生動(dòng)物數(shù)量逐漸降低.目前較高質(zhì)量的原生森林主要分布在貴安新區(qū)中部、西北部海拔較高的區(qū)域,是野生動(dòng)物棲息地的優(yōu)先選擇.景觀生態(tài)學(xué)[38-39]認(rèn)為,保證最小適宜生物面積和生境之間的連通性是物種生存的必要條件,景觀類型與保護(hù)源地的特征越接近,其對生態(tài)流的阻力也越小.本研究基于《貴安新區(qū)土地利用總體規(guī)劃(2013~2030)》[33]中規(guī)定的生物多樣性保護(hù)區(qū)和部分植被覆蓋度較高的原生性森林作為生物種群源地,以土地覆蓋類型作為阻力因子,根據(jù)不同土地覆蓋類型與源地的差異,賦予0~500的阻力系數(shù)(表2),基于ArcGIS平臺(tái),運(yùn)用地理信息系統(tǒng)的最小阻力模型,構(gòu)建野生動(dòng)物的三級安全格局:底線安全格局(即保護(hù)野生動(dòng)物得以生存的最基本棲息地)、滿意安全格局(即保護(hù)野生動(dòng)物最基本棲息地之間的連通性)、理想安全格局(即同時(shí)保護(hù)野生動(dòng)物現(xiàn)有和潛在棲息地),其中底線安全格局的面積為388.6km2,滿意安全格局面積為330.4km2,理想安全格局面積為362.9km2(圖5).

表2 生物多樣性保護(hù)空間阻力因子與阻力系數(shù)

圖5 貴安新區(qū)生物多樣性保護(hù)安全格局

2.5 城市自然人文安全格局

為了維護(hù)區(qū)域人文安全,保護(hù)區(qū)域內(nèi)的自然名勝區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、歷史文化保護(hù)區(qū)、森林公園等人文資源.同時(shí)考慮本研究在實(shí)際應(yīng)用中與現(xiàn)有法規(guī)以及其他現(xiàn)有規(guī)劃在空間上的融合問題,將貴安新區(qū)各類保護(hù)區(qū)的核心范圍作為底線保護(hù)區(qū),參考俞孔堅(jiān)等[37]、葉玉瑤等[38]在北京和廣州市生態(tài)安全格局劃定中關(guān)于自然人文景觀安全格局的研究方法,以嚴(yán)格控制區(qū)或核心區(qū)周邊500m緩沖區(qū)為滿意范圍,以一般保護(hù)區(qū)或核心區(qū)1000m緩沖區(qū)為理想范圍,劃定貴安新區(qū)自然人文安全格局.其中底線安全格局面積378.8km2,滿意安全格局面積147.1km2,理想安全格局面積151.2km2.

圖6 貴安新區(qū)自然人文安全格局

2.6 石漠化風(fēng)險(xiǎn)安全格局

貴安新區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖廣布,碳酸鹽巖抗風(fēng)化能力強(qiáng),酸不溶物含量低,成土速率慢,平均每形成1cm的土層需要8000年左右的時(shí)間[39].因此,在喀斯特地形分布地區(qū)土層極薄,在暴雨沖刷下極易流失而造成石漠化.為了有效規(guī)避石漠化所造成的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),本研究借鑒修正的通用土壤流失方程(RUSLE)模型中降雨侵蝕力的評價(jià)方法[40],對貴安新區(qū)的降雨侵蝕力因子及空間分布進(jìn)行評價(jià),并納入貴安新區(qū)石漠化評價(jià)的綜合指標(biāo)體系中,根據(jù)喀斯特石漠化的內(nèi)容和特點(diǎn),從現(xiàn)狀評價(jià)、危險(xiǎn)性評價(jià)以及在兩者評價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)上對石漠化風(fēng)險(xiǎn)防范安全格局進(jìn)行劃分.根據(jù)現(xiàn)有貴州省石漠化研究資料,初步將石漠化劃分為輕度、中度和強(qiáng)度3級.現(xiàn)狀評價(jià)指標(biāo)包括植被覆蓋率、巖石裸露率、土層厚度、植被類型;危險(xiǎn)度指標(biāo)包括坡度、巖性、地形切割度、人口密度、陡坡耕地率以及降雨侵蝕力.通過對以上10項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分類評價(jià),并對其進(jìn)行空間疊置分析,得到貴安新區(qū)石漠化風(fēng)險(xiǎn)安全格局分布圖.其中,理想安全格局(輕度石漠化,1455.5km2)內(nèi)景觀上巖石裸露較明顯,已不宜發(fā)展農(nóng)業(yè),可適當(dāng)發(fā)展林牧業(yè);滿意安全格局(中度石漠化,174.9km2)巖石出露面積大,水土流失嚴(yán)重,土地利用類型上屬于難利用地;底線安全格局(強(qiáng)度石漠化,157.6km2)內(nèi)基巖大面積出露,許多地方甚至已無土可流,基本失去利用價(jià)值,景觀與裸地石山幾乎沒有區(qū)別.

圖7 貴安新區(qū)石漠化風(fēng)險(xiǎn)安全格局

3 綜合生態(tài)安全格局的劃定

將水環(huán)境安全格局、大氣環(huán)境安全格局、生物多樣性保護(hù)安全格局、基本農(nóng)田安全格局、自然人文安全格局以及石漠化風(fēng)險(xiǎn)安全格局等6個(gè)單因子生態(tài)安全格局進(jìn)行等權(quán)重疊加,基于“木桶原理”去除重復(fù)區(qū)域和板塊,構(gòu)建了貴安新區(qū)底線、滿意、理想3種發(fā)展水平下的綜合生態(tài)安全格局.生態(tài)安全底線水平是維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全的最低標(biāo)準(zhǔn)和核心區(qū)域,是保障生態(tài)系統(tǒng)最重要的源和關(guān)鍵區(qū)域的空間組成,是城鎮(zhèn)規(guī)模擴(kuò)展不可逾越的底線,在城市總體規(guī)劃中應(yīng)當(dāng)納入禁止開發(fā)區(qū),面積215.6km2,占貴安新區(qū)總面積的11.3%;生態(tài)安全滿意水平,是包圍在底線生態(tài)安全格局外的重要戰(zhàn)略緩沖地帶,應(yīng)納入禁止或限制建設(shè)區(qū),其面積為258.3km2的土地保護(hù)面積,占貴安新區(qū)總面積的13.6%;生態(tài)安全理想水平,是最優(yōu)的自然生態(tài)系統(tǒng)與城鎮(zhèn)系統(tǒng)物質(zhì)與能量的匯聚、交流以及轉(zhuǎn)換的區(qū)域,是生態(tài)安全格局構(gòu)成的理想狀態(tài),可以進(jìn)行有條件的開發(fā)建設(shè)活動(dòng),其面積為354.5km2的土地保護(hù)面積,占貴安新區(qū)總面積的18.7%,3種級別的生態(tài)安全格局總面積為828.4km2,占貴安新區(qū)總面積的43.6%(圖8).

圖8 貴安新區(qū)綜合生態(tài)安全格局

4 基于生態(tài)安全格局的建設(shè)用地?cái)U(kuò)展模式

本研究基于貴安新區(qū)生態(tài)安全格局的空間分布特征,分別構(gòu)建了生態(tài)宜居、生態(tài)與經(jīng)濟(jì)均衡和經(jīng)濟(jì)優(yōu)先共3種城市建設(shè)擴(kuò)展方案,探索在貴州省生態(tài)文明示范區(qū)建設(shè)背景下貴安新區(qū)未來城鎮(zhèn)建設(shè)用地的空間增長模式.“經(jīng)濟(jì)優(yōu)先”是根據(jù)貴安新區(qū)城市總體規(guī)劃對新區(qū)未來發(fā)展趨勢和人口規(guī)模的情景預(yù)測來確定城市建設(shè)用地的擴(kuò)展需求.本研究采用類比法,在對包括我國深圳、日本東京以及韓國首爾等城市的人口規(guī)模增長趨勢進(jìn)行預(yù)測的基礎(chǔ)上,確定貴安新區(qū)未來人口規(guī)模最高可達(dá)到130萬人[22].同時(shí),結(jié)合地區(qū)特征和數(shù)據(jù)的可獲取性,選擇對城市發(fā)展用地選擇具有共性且影響相對較大的地形、地質(zhì)、生態(tài)、土地利用、城市建設(shè)等11項(xiàng)影響因子.按照各評價(jià)因子對區(qū)域建設(shè)貢獻(xiàn)水平的影響,將評價(jià)因子劃分為多個(gè)適應(yīng)性等級,劃定城市開發(fā)建設(shè)適宜性空間格局.由于工業(yè)空間和農(nóng)業(yè)空間會(huì)對城鎮(zhèn)產(chǎn)生大氣和水環(huán)境污染,3者之間的擴(kuò)展會(huì)相互約束,呈現(xiàn)復(fù)合型分布模式.因此,在3種安全格局模式下,為了更好地模擬城鎮(zhèn)空間、工業(yè)空間和農(nóng)業(yè)空間的擴(kuò)展方案,本研究以現(xiàn)有工業(yè)用地為源,構(gòu)建工業(yè)用地對城鎮(zhèn)區(qū)域擴(kuò)展約束的大氣環(huán)境安全格局,同時(shí)以農(nóng)業(yè)空間為源,構(gòu)建農(nóng)業(yè)空間對城鎮(zhèn)區(qū)域擴(kuò)展約束的水環(huán)境安全格局,然后疊加得到綜合生態(tài)安全格局(見第3節(jié)部分),并采用3種不同等級的生態(tài)安全格局對城鎮(zhèn)建設(shè)用地的適宜性評價(jià)結(jié)果進(jìn)行約束性分析,獲取3種不同發(fā)展情境下的城市開發(fā)建設(shè)擴(kuò)展模式(圖9).結(jié)果表明隨著生態(tài)空間面積的增大,與之對應(yīng)的建設(shè)用地空間面積不斷減少,反之亦然.

在經(jīng)濟(jì)優(yōu)先擴(kuò)展模式下,貴安新區(qū)建設(shè)用地沿主要交通干線和水系呈現(xiàn)“攤大餅”式的擴(kuò)展,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)用地連片發(fā)展,林地、農(nóng)田等生態(tài)空間的連通性極低,無法與城市空間形成有效融合,生態(tài)服務(wù)功能受損嚴(yán)重.在該模式下,城市建設(shè)用地面積達(dá)到1288.9km2;在生態(tài)經(jīng)濟(jì)均衡發(fā)擴(kuò)展模式下,東南部平原地區(qū)的建設(shè)用地仍然連片擴(kuò)展,但是密度有所降低;西部山區(qū)的建設(shè)用地開發(fā)強(qiáng)度明顯降低,生態(tài)保護(hù)區(qū)與建設(shè)用地之間能夠?qū)崿F(xiàn)良好的均衡.在該模式下,可提供的建設(shè)用地面積為708.9km2;在生態(tài)宜居模式下,貴安新區(qū)的林地、草地、農(nóng)田等具有生態(tài)服務(wù)價(jià)值的用地類型得以有效聯(lián)通,破碎度明顯降低,能夠有效約束城市建設(shè)用地的無序擴(kuò)展,建設(shè)用地呈現(xiàn)零星的均勻分布特征,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間建設(shè)用地的連通性較低,可提供的建設(shè)用地規(guī)模為179.8km2.對比三種不同的城市擴(kuò)展模式可以發(fā)現(xiàn),基于生態(tài)安全格局約束情景下的生態(tài)宜居和生態(tài)與經(jīng)濟(jì)均衡發(fā)展模式下的建設(shè)用地?cái)U(kuò)展模式,更能適應(yīng)貴安新區(qū)未來城市發(fā)展中“環(huán)境—經(jīng)濟(jì)—社會(huì)”協(xié)調(diào)發(fā)展的目標(biāo),是未來城鎮(zhèn)發(fā)展的最優(yōu)模式.

5 結(jié)論

5.1 本研究選取水環(huán)境、大氣環(huán)境、石漠化風(fēng)險(xiǎn)、基本農(nóng)田保護(hù)、生物多樣性保護(hù)以及自然人文等6個(gè)因子構(gòu)建了貴安新區(qū)3種不同等級的綜合生態(tài)安全格局.其中底線安全格局面積為215.6km2,滿意安全格局面積為473.9km2,理想安全格局的面積為828.4km2.

5.2 將水環(huán)境安全格局和大氣環(huán)境安全格局引入生態(tài)安全格局綜合評價(jià)指標(biāo)體系中,能夠有效提升生態(tài)安全格局對于城市環(huán)境質(zhì)量改善的約束作用,其中水環(huán)境安全格局可有效削減總氮和總磷負(fù)荷的60%~70%,大氣環(huán)境安全格局的劃定則能夠使的安全格局內(nèi)的大氣污染物濃度低于對人體的致傷濃度.

5.3 基于已構(gòu)建的生態(tài)安全格局,對貴安新區(qū)建設(shè)用地的適宜性評價(jià)結(jié)果進(jìn)行約束性模擬,構(gòu)建貴安新區(qū)3種不同等級的建設(shè)用地?cái)U(kuò)展模式,生態(tài)宜居模式建設(shè)用地面積為179.8km2,生態(tài)經(jīng)濟(jì)均衡建設(shè)用地?cái)U(kuò)展模式面積為708.9km2,經(jīng)濟(jì)優(yōu)先的建設(shè)用地?cái)U(kuò)展模式面積為1288.9km2,通過生態(tài)約束評價(jià),可有效協(xié)調(diào)城市空間擴(kuò)展與生態(tài)環(huán)境約束之間的矛盾,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)建設(shè)用地選擇僅考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展、而忽略生態(tài)環(huán)境保護(hù)的不足.同時(shí),評價(jià)單元以鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政界線進(jìn)行劃分,可有效提升建設(shè)用地管控的精準(zhǔn)性和可操作性.

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Simulation research for ecological security pattern construction based on improvement of water and air quality in Gui'an New Area.

GENG Run-zhe, YIN Pei-hong*, MA Qian

(Policy Research Center for Environment and Economy, Ministry of Ecology and Environment Protection, Beijing 100029, China)., 2018,38(5)：1990~2000

The consequent loss and degradation of urban and peri-urban green space could adversely affect ecosystems as well as human health and well-being.Construction of a optimized ecological security pattern is an efficient way to improve the green space and maintain the human health. In this paper, the comprehensive ecological security patterns have been evaluated which can be served as a optimal spatial framework for the protection of the water and air quality in the Gui'an New Area. The comprehensive ecological secuity patterns were constructed by the water environmental security pattern, atmospheric environment security pattern, stony desertification protection security pattern, biodiversity protection security pattern, basic farmland protection security pattern and the natural human environment protection security pattern. The GIS spatial analysis technology, ArcSWAT model and WRF-Chem model were integrated and served as a new methodlogy system to simulate the each of six sub-patterns that mentioned above. The results indicated that the areas for base line ecological security pattern, satisfied ecological security pattern and optimum ecological security pattern were 215.6km2, 473.9km2and 828.4km2, there are account for 11.3%, 24.9% and 43.6% of the total areas of Gui’an New Area, respectively, The areas of construction lands under the ecological residential, eco-development and economic priority patterns were 179.8km2, 708.9km2and 1288.9km2, there are account for 9.5%, 37.3%, 67.8% of the total areas of Gui’an New Area, respectively. It can be clearly seen that the comprehensive ecological security pattern of Gui'an New Area clarified the most sensitive area of the ecology and environment and the most important regions of the ecological functions. The comprehensive ecological security pattern can be used as a stronger spatial tools for improve of the urban environmental quality.

ecological security pattern；ArcSWAT model；WRF-Chem model；Gui'an New Area

X171

A

1000-6923(2018)05-1990-11

2017-10-23

環(huán)保部第三批城環(huán)總規(guī)試點(diǎn)項(xiàng)目(YGCQ-GGQY-201418);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41601551);水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2013ZX07602-002)

* 責(zé)任作者, 研究員, yinpeihong@sina.com

耿潤哲(1987-),男,山西臨汾人,助理研究員,博士,主要從事流域水環(huán)境污染控制與管理研究.發(fā)表論文20余篇.