王志恒,汪東川,胡炳旭,國巧真,修麗娜,趙海濤

1 天津城建大學,天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室,天津 300384 2 天津城建大學,地質與測繪學院,天津 300384 3 天津城建大學,天津市土木建筑結構防護與加固重點實驗室,天津 300384

生態(tài)網絡構建是在當前城市建設難以大幅度增加生態(tài)用地的情況下,維持景觀完整性和連續(xù)性,提高區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務的重要手段[1]。近年來,伴隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,人口數(shù)量的不斷增加,滑坡、崩塌等地質災害頻發(fā),天津市薊州區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題日益嚴重,主要體現(xiàn)在水土流失嚴重,地下水位持續(xù)下降,生物多樣性受到嚴重威脅等。在此背景下,研究天津市薊州區(qū)生態(tài)網絡的構建對于提高當?shù)仄扑樯持g的連接度水平,有效改善自然生態(tài)系統(tǒng)服務功能,提高生態(tài)環(huán)境質量等具有十分重要的生態(tài)意義,也為多尺度京津冀城市群地區(qū)生態(tài)安全格局的構建提供技術借鑒。

20世紀90年代以來,國內外學者圍繞著生態(tài)網絡的構建,在理論方法、指標體系、構建方法等方面開展了大量的研究工作,取得一系列重要成果[2- 10]。目前,“識別源地-構建阻力面-提取廊道”已成為國內外學者構建生態(tài)網絡的基本模式,其中,生態(tài)源地識別是生態(tài)網絡構建的基礎,目前主要根據(jù)生態(tài)服務的類型,生態(tài)服務功能的大小,生態(tài)價值的重要程度等方面進行識別[2]。在生態(tài)廊道提取方面,最小費用模型由Knaapen提出[11],并經國內學者俞孔堅[12]改進后被廣泛用于生態(tài)廊道的提取,該方法突出了景觀基質對生態(tài)網絡構建的影響,并可以將模擬結果進行空間可視化,目前成為區(qū)域生態(tài)網絡構建的主要方法,在城市環(huán)境、自然保護區(qū)規(guī)劃等方面具有十分廣泛的應用。生態(tài)阻力面的構建是生成生態(tài)網絡的核心環(huán)節(jié),目前常用的方法是根據(jù)當?shù)氐耐恋乩妙愋椭苯淤x值,這種方法主要依靠專家的經驗和知識確定阻力值,不考慮當?shù)氐膶嶋H情況(比如地形地貌、氣候條件等),忽略了不同地區(qū)的空間差異,導致無法客觀、科學以及準確地刻畫物種流動過程中遇到的障礙,比如在地質災害(滑坡、泥石流、崩塌等)頻發(fā)區(qū),僅僅根據(jù)該類地區(qū)的土地利用類型確定阻力值,會忽略地質災害的孕災環(huán)境對物種遷移的影響,因此,研究山地地質災害(滑坡、泥石流等)頻發(fā)地區(qū)生態(tài)景觀阻力面的計算、生態(tài)網絡的構建等具有十分重要的理論意義和實際價值。

本文以天津市薊州區(qū)為研究區(qū),參照《天津市生態(tài)用地保護紅線劃定方案》的相關要求,基于研究區(qū)的土地利用、地形地貌、地質構造、地層巖性等數(shù)據(jù),從自然資源、氣候調節(jié)、水源涵養(yǎng)、生物多樣性等方面考慮,選取生態(tài)源地;基于信息量模型對研究區(qū)滑坡的敏感性進行評價,生成滑坡敏感性指數(shù),用該指數(shù)修正由土地利用類型賦值得到的生態(tài)基本阻力面,基于最小費用模型提取研究區(qū)生態(tài)廊道,進而構建天津市薊州區(qū)生態(tài)網絡。研究結果可為天津市薊州區(qū)生態(tài)網絡優(yōu)化、生態(tài)安全格局構建、城鎮(zhèn)規(guī)劃提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

天津市薊州區(qū)地處燕山南麓與華北平原的交接地帶,位于117°08′—117°47′E,39°40′—40°15′N,面積約為1593 km2。北與河北省興隆縣相連,西與北京市的平谷縣、河北省的三河縣相接,東與河北省的遵化、玉田縣為鄰,南與寶坻縣以泃河和薊州區(qū)運河為界。薊州區(qū)地勢北高南低,呈階梯分布,山區(qū)面積840.5 km2,平原面積504.72 km2,洼地面積245.2 km2,如圖1所示。

圖1 天津市薊州區(qū)行政區(qū)劃圖Fig.1 Administrative district map of Jizhou district, Tianjin

薊州區(qū)生態(tài)環(huán)境質量較好。全區(qū)土地面積1586.67 km2,由中山山地、低山丘陵、山前坡地、平原以及洼地構成,耕地面積542.2 km2,林地83.33 km2,森林覆蓋率為34.2%;河流占地面積406.67 km2,一級河道3條,總面積208.67 km2,總長135 km;水庫及池塘36座,總面積132 km2,總蓄水量1.3×109m3;植被為暖溫帶落葉林、混有溫性針葉林和次生灌木林,動物以脊椎動物為主,約有300余種;擁有盤山風景名勝古跡自然保護區(qū)、九龍山國家級森林公園、黃崖關斷崖地貌景區(qū)等自然保護區(qū)。近年來,伴隨著城鎮(zhèn)化水平的不斷提高,人口數(shù)量的不斷增長,薊州區(qū)也面臨著水土流失嚴重,野生動植物豐富區(qū)減少、生物多樣性受到威脅,地表失穩(wěn)、塌陷、地下水位持續(xù)下降,地表水的水質營養(yǎng)問題日益嚴重等生態(tài)問題,生態(tài)功能有所下降。

薊州區(qū)的自然環(huán)境為滑坡的發(fā)育提供了必要條件。該區(qū)域地處華北平原地震帶與張家口-煙臺帶的交匯部位,屬于唐山遠震區(qū)的一部分(地震烈度達VII度)[13];地勢西高東低,地貌以中低山、低山和丘陵等地貌形態(tài)為主。年內降水量分配極不均勻,降水量在時空分布上變化較大,降水集中在夏季,占全年降水量的75%以上,且多暴雨。據(jù)統(tǒng)計,薊州區(qū)共發(fā)生滑坡等地質災害481處,受災農田約666.67 km2,嚴重制約著當?shù)氐慕洕ㄔO和社會發(fā)展,也是影響著生態(tài)功能充分發(fā)揮的主要制約因素。因此,考慮滑坡敏感性的生態(tài)網絡構建研究對于優(yōu)化天津市薊州區(qū)生態(tài)網絡,提高生態(tài)服務能力,增強生態(tài)服務功能具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

為了保證數(shù)據(jù)的正確性、客觀性和現(xiàn)勢性,本文涉及的滑坡敏感性分析、生態(tài)網絡構建等研究采用的原始數(shù)據(jù)均從相應的專業(yè)權威部門獲得,詳細說明如下。

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

在本文中,滑坡敏感性分析采用的數(shù)據(jù)主要包括地形地貌、地質構造、巖土類型以及植被覆蓋等,來源主要包括:(1)中國地質環(huán)境監(jiān)測院通過野外調查得到的發(fā)生在天津市薊州區(qū)的滑坡編目數(shù)據(jù);(2)薊州區(qū)TM衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù);(3)薊州區(qū)SRTM地形數(shù)據(jù);(4)天津市地質礦產局編制的薊州區(qū)第四紀地質圖等。研究所需數(shù)據(jù)列表如表1所示。

表1 滑坡敏感性分析所需數(shù)據(jù)列表

薊州區(qū)的部分滑坡數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 薊州區(qū)滑坡編目數(shù)據(jù)

處理后的各孕災環(huán)境因子數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 薊州區(qū)滑坡孕災環(huán)境因子Fig.2 Environmental factors of the landslide in Jizhou district

圖3 薊州區(qū)土地利用分布圖(2015年)Fig.3 Distribution of the land use in Jizhou district (2015)

薊州區(qū)生態(tài)網絡構建所采用的數(shù)據(jù)主要包括:《天津市生態(tài)用地保護紅線劃定方案》,用于提取薊州區(qū)生態(tài)源地;薊州區(qū)2015年土地利用數(shù)據(jù),如圖3所示,用于構建薊州區(qū)生態(tài)生態(tài)景觀基本阻力面。

2.2 研究方法

2.2.1 信息量模型

信息量模型是進行區(qū)域滑坡災害預測的一種有效方法,適用于中、小比例尺區(qū)域滑坡災害預測[14]。范繼躍等[15]利用GIS空間分析和統(tǒng)計功能,結合信息量法得到了四川九龍縣地質災害區(qū)劃研究;Greco等[16]將信息量模型運用到大規(guī)?；碌娘L險評估,分析結果具有較高的可靠性;Nagarajan等[17]對熱帶地區(qū)地形及氣候因子與滑坡敏感性之間的關系進行了分析,并基于信息量模型評價了印度康坎地區(qū)滑坡的敏感性。通過研究可以看出,信息量模型可用于評價孕災因子與滑坡的密切程度,既能正確地反映滑坡災害的基本規(guī)律,同時在GIS平臺上也較易實現(xiàn),因此,是一種區(qū)域滑坡敏感性評價中的較為科學、實用的算法[18]。

區(qū)域滑坡災害的預測是在對區(qū)域滑坡災害分布展開信息統(tǒng)計分析的基礎上進行的,如果采用面積比來計算信息量,則可表示為:

(1)

式中,A為區(qū)域內單元總面積;A0為已經發(fā)生滑坡災害的單元面積之和;S為具有相同因素x1,x2, …，xn組合的單元總面積;S0為具有相同因素x1,x2, …,xn組合單元中發(fā)生滑坡災害的單元面積之和。

一般情況下,由于作用于滑坡災害的因素很多,相應的因素組合狀態(tài)也特別多,樣本統(tǒng)計數(shù)量往往受到限制,故采用簡化的單因素信息量模型分步計算,再綜合疊加分析,相應的信息量模型可為:

(2)

2.2.2 最小費用模型

最小費用模型是提取生態(tài)廊道的重要方法,在確定研究區(qū)內各柵格單元的景觀阻力后,基于式3計算選取的生態(tài)源地之間的最小成本方向和路徑[19]。

(3)

式中,MCR (Minimal Cumulative Resistance Model) 是由源地擴散到空間某一點的最小累計阻力值;Dij表示從源地j到空間單位i的空間距離;Ri空間單元i的阻力值。

3 實驗過程及結果分析

3.1 滑坡敏感性分析

基于天津市薊州區(qū)滑坡空間分布數(shù)據(jù)和孕災環(huán)境因子空間分布圖,利用式2計算得到天津市薊州區(qū)坡度、地形起伏度、高程等孕災環(huán)境因子對滑坡的信息量值,如表3所示。

表3 薊州區(qū)各孕災環(huán)境因子對滑坡的信息量值

根據(jù)計算得到的各孕災環(huán)境因子的信息值,通過重分類方法得到各孕災環(huán)境因子的敏感性圖層,并疊加生成研究區(qū)滑坡敏感性指數(shù),如圖4所示。

采用自然斷點分析法對滑坡敏感性分析結果分級(圖4),將研究區(qū)滑坡的敏感性劃分為4個等級:高敏感性區(qū),中高敏感性區(qū),中敏感性區(qū)和低敏感性區(qū),如圖5所示。

圖4 薊州區(qū)滑坡敏感性指數(shù)分布圖Fig.4 Susceptibility index distribution of landslide in Jizhou district

圖5 薊州區(qū)滑坡敏感性等級分布圖Fig.5 Susceptibility class distribution of landslide in Jizhou district

圖6 基于滑坡點密度和個數(shù)的滑坡敏感性指數(shù)驗證結果 Fig.6 Test results of landslide susceptibility index based on landslide density and number

基于用于檢驗的滑坡編目數(shù)據(jù),統(tǒng)計研究區(qū)內滑坡低敏感性、中敏感性、中高敏感性以及高敏感性區(qū)域的滑坡點百分比滑坡點數(shù)目和滑坡點密度指標。經統(tǒng)計,高敏感性區(qū)域占總面積的20.9%,但區(qū)域內滑坡點數(shù)卻占總數(shù)的65.5%;低敏感性性區(qū)域占總面積的34.5%,但區(qū)域內滑坡點僅占總數(shù)的1.7%。此外,從圖6中可以看出,隨著敏感性等級的降低,滑坡點個數(shù)以及滑坡點密度均呈顯著地下降趨勢。

3.2 生態(tài)源地選取

生態(tài)源地是物種擴散和維持的原點,是促進生態(tài)過程發(fā)展的景觀組分[20]。從生態(tài)服務功能和價值大小等方面考慮,源地一般是具有重要生態(tài)系統(tǒng)服務功能的自然環(huán)境斑塊,能為野生物種提供生存、繁衍的庇護空間[1]。本文從自然資源、氣候調節(jié)、水源涵養(yǎng)、生物多樣性等方面綜合考慮,在研究區(qū)選取生態(tài)源地共計11處,其類型及空間分布如圖7所示。

3.3 考慮滑坡敏感性的生態(tài)網絡構建

在參考國內外相關研究成果的基礎上[21-22],根據(jù)天津市薊州區(qū)的土地利用類型確定與其相應的景觀阻力值,如表4所示?；谒E州區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù),根據(jù)表4進行柵格重分類,計算得到基于土地利用類型的薊州區(qū)景觀基本阻力面分布圖(圖8)。

根據(jù)式(4),對考慮土地利用類型的薊州區(qū)生態(tài)景觀基本阻力面進行修正[2]。

(4)

式中,Ri為基于滑坡敏感性修正的柵格i的生態(tài)阻力系數(shù);NLi為柵格i的滑坡災害敏感性指數(shù);NLa為柵格i對應的土地利用類型a的平均滑坡災害敏感度;R為柵格i對應土地利用類型的阻力系數(shù)。

圖7 薊州區(qū)生態(tài)源地分布圖 Fig.7 Spatial distribution of the ecological source area in Jizhou district

利用分區(qū)統(tǒng)計的方法,計算得到研究區(qū)內不同土地利用類型的平均滑坡災害敏感度,如表5示。

表4 基于土地利用類型的景觀阻力賦值表

表5 薊州區(qū)不同土地利用類型內的平均滑坡災害敏感度表

根據(jù)式4和表5的計算結果,利用地圖代數(shù)(柵格計算器)計算得到考慮滑坡敏感性的薊州區(qū)景觀阻力面分布圖(圖9)。

圖8 薊州區(qū)生態(tài)景觀基本阻力面分布圖 Fig.8 Basic resistance surface distribution of ecological landscape in Jizhou district

圖9 考慮滑坡敏感性的薊州區(qū)景觀阻力面分布圖 Fig.9 Resistance surface distribution of ecological landscape considering landslide susceptibility in Jizhou district

在生態(tài)源地識別和修正景觀阻力面生成的基礎上,根據(jù)式3計算得到天津市薊州區(qū)生態(tài)網絡分布圖,如圖10所示,圖中綠色的生態(tài)廊道為基于滑坡敏感性修正的景觀阻力面計算得到的生態(tài)廊道,與之前識別的山、林帶、湖以及濕地等類型的生態(tài)源地,依照“斑塊-廊道-基質”模式共同構建天津市薊州區(qū)生態(tài)網絡。

圖10 考慮滑坡敏感性的薊州區(qū)生態(tài)網絡分布圖Fig.10 Ecological network distribution considering landslide susceptibility in Jizhou district

滑坡敏感性對薊州區(qū)景觀阻力面的生成具有十分重要的影響?；旅舾行缘目紤]顯著地改變了薊州區(qū)景觀阻力面的空間分析,進而影響了生態(tài)廊道的提取結果。如圖9所示,考慮滑坡敏感性前后的生態(tài)廊道(綠色為考慮滑坡敏感性,黃色為未考慮滑坡敏感性)在空間分布上具有顯著地差異,特別是在薊州區(qū)的北部山區(qū),生態(tài)廊道的空間分布存在的顯著不同。

基于已經提取的生態(tài)廊道結果(考慮滑坡敏感性和不考慮滑坡敏感性),通過疊加分析分類統(tǒng)計在不同滑坡敏感性等級區(qū)域內生態(tài)廊道的長度。圖11為通過基本阻力面提取的生態(tài)廊道與不同滑坡敏感性等級區(qū)域的統(tǒng)計關系,可以看出提取的生態(tài)廊道有59.13 km分布在滑坡高敏感性區(qū),占總生態(tài)廊道長度的55%;有8.26 km分布在滑坡較高敏感性區(qū),占總生態(tài)廊道長度的21%;有8.28 km分布在滑坡中敏感性區(qū),占總生態(tài)廊道長度的8.28%;有31.42 km分布在滑坡低敏感性區(qū),占總生態(tài)廊道長度的29%。按照廊道長度進行統(tǒng)計,約有將近60%的廊道分布滑坡高敏感性區(qū)內,生態(tài)廊道的提取結果不合理。

圖12為基于滑坡敏感性修正阻力面提取的生態(tài)廊道與不同滑坡敏感性等級區(qū)域的統(tǒng)計關系,可以看出提取的生態(tài)廊道有40.44 km分布在滑坡高敏感性區(qū),占總生態(tài)廊道長度的35%;有24.54 km分布在滑坡較高敏感性區(qū),占總生態(tài)廊道長度的21%;有24.54 km分布在滑坡中敏感性區(qū),占總生態(tài)廊道長度的14%;有35.54 km分布在滑坡低敏感性區(qū),占總生態(tài)廊道長度30%。按照廊道長度進行統(tǒng)計,約有35%的廊道分布滑坡高敏感性區(qū)內,比通過基本阻力面提取的生態(tài)廊道下降了15%,提取的生態(tài)廊道基本避開了滑坡高敏感性區(qū)域,提取結果更加科學、客觀和合理。

生態(tài)廊道在薊州區(qū)的空間分布也存在顯著的差異,從圖10中可以看出,主要分布在薊州區(qū)的北部山區(qū),生態(tài)廊道的密度較高;在薊州區(qū)的中部和南部地區(qū),生態(tài)廊道的分布非常稀疏。將基于滑坡敏感性修正的阻力面提取得到的生態(tài)廊道與薊州區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)進行疊加分析,如圖13所示,生態(tài)廊道在各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)內的分布極不均衡,經統(tǒng)計,分布在薊州區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)廊道的平均長度為4.04 km,羅莊子鎮(zhèn)內的生態(tài)廊道最長,約為20.82 km;約有一半的鄉(xiāng)鎮(zhèn)(下倉鎮(zhèn)、楊津莊鎮(zhèn)、桑梓鎮(zhèn)等)沒有生態(tài)廊道通過。

圖11 生態(tài)廊道(基于基本阻力面)在不同滑坡敏感性等級區(qū)域的百分比Fig.11 Percentage of ecological corridor (based on basic resistance surface) in the region of different landslides susceptibility class

圖12 生態(tài)廊道(基于滑坡敏感性修正的阻力面)在不同滑坡敏感性等級區(qū)域的百分比Fig.12 Percentage of ecological corridor (based on resistance surface modified by landslide susceptibility) in the region of different landslides susceptibility class

圖13 薊州區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)內生態(tài)廊道長度統(tǒng)計圖Fig.13 Statistics of ecological corridor length in townships in Jizhou district

4 結論

本文以天津市薊州區(qū)為研究區(qū),根據(jù)研究區(qū)滑坡的成災機制和孕災環(huán)境,基于信息量模型計算得到研究區(qū)滑坡敏感性指數(shù),并將其用于修正研究區(qū)生態(tài)景觀基本阻力面;結合提取得到的湖、山、林帶等不同類型的生態(tài)源地和考慮滑坡敏感性的景觀阻力面,構建天津市薊州區(qū)生態(tài)網絡。本研究取得以下主要成果:

(1)天津市薊州區(qū)滑坡的空間分布主要受坡度、高程、地形起伏度以及地層巖性等因素影響;基于最小方差法對滑坡敏感性指數(shù)進行聚類分析,將研究區(qū)劃分為滑坡高敏感性、中高敏感性、中敏感性和低敏感性4個區(qū)域通,采用滑坡點百分比、滑坡點密度等指標進行統(tǒng)計和對比,發(fā)現(xiàn)基于信息量模型計算得到的研究區(qū)滑坡敏感性指數(shù)對該地區(qū)已發(fā)生的滑坡具有較強的識別能力;通過敏感性等級劃分可以看出,薊州區(qū)滑坡高敏感區(qū)主要集中于北部山區(qū)(下營鎮(zhèn)、穿芳峪鄉(xiāng)等),該地區(qū)多集中有旅游景點和采石場,且人口分布較密集,是防范滑坡災害的重點區(qū)域。

(2)基于天津市薊州區(qū)滑坡敏感性指數(shù)修正生態(tài)景觀基本阻力面,并采用最小費用模型提取生態(tài)廊道共計23條,總長度為約129 km。經對比分析發(fā)現(xiàn),提取的生態(tài)廊道在空間上基本上避開了滑坡災害的高敏感性區(qū)域,能夠有效地將生態(tài)源地進行連接;生態(tài)廊道在薊州區(qū)的空間分布也存在顯著的差異,主要分布在薊州區(qū)的北部山區(qū),生態(tài)廊道的密度較高;在薊州區(qū)的中部和南部地區(qū),生態(tài)廊道的分布非常稀疏。

針對構建得到的薊州區(qū)生態(tài)網絡,提出以下對該地區(qū)生態(tài)網絡優(yōu)化的對策:

(1)進一步加強對重要生態(tài)源地的保護。薊州區(qū)生態(tài)環(huán)境質量較好,森林覆蓋率較高,但分布不均勻;近年來受到快速城市化的干擾,島嶼化和破碎化的趨勢明顯。因此,建議嚴格保護研究區(qū)內國家級、省級自然保護區(qū),森林公園等區(qū)域性重要生態(tài)源地的完整性,進而能夠形成連片的生態(tài)斑塊,豐富斑塊內的生態(tài)種類,更好地發(fā)揮生態(tài)源地的生態(tài)系統(tǒng)服務功能。

(2)合理規(guī)劃綠地資源。薊州區(qū)的中部和南部地區(qū)受人為影響較為強烈,綠地資源較少,且破碎化程度較高,導致該地區(qū)生態(tài)廊道分布稀疏。在后續(xù)的城鎮(zhèn)規(guī)劃建設中可以適當增加薊州區(qū)中部和南部地區(qū)的綠色斑塊面積,并通過建設生態(tài)控制帶減輕當?shù)厣鐣洕顒訉χ苓吷鷳B(tài)環(huán)境的影響。