基于GIS的武汉市生态红线划定的技术方法研究

何建华, 詹皖欣, 黄俊龙



基于GIS的武汉市生态红线划定的技术方法研究

何建华1,2, 詹皖欣1,*, 黄俊龙1

1. 武汉大学资源与环境科学学院, 武汉 430079 2. 武汉大学地理信息系统教育部重点实验室, 武汉 430079

当前武汉市存在自然资源消耗过度, 生态环境污染严重等生态问题, 生态红线划定工作对于改善武汉市生态环境、保护武汉市生态格局具有重要意义。因此以武汉市为例, 通过对研究区域的水源涵养、水土保持、生物多样性和洪水调蓄功能进行生态功能重要性评价, 对水土流失、土地沙化、石漠化敏感性进行生态敏感性评价, 分别划定出七类生态保护红线。在此基础上分析提取出重要生态功能红线区和生态敏感红线区, 叠加分析后最终得到武汉市生态红线区面积为2342.21 km2, 占武汉市总面积的27.67%。研究结果对于探索生态红线划定具有一定指导意义。

生态红线; 生态功能重要性; 生态敏感性; 武汉市

1 前言

近些年来, 在我国取得举世瞩目的巨大成就的同时, 资源的消耗和环境的污染也日益严重, 由于城镇建设用地不断扩张侵占了大量生态用地导致生态系统受到严重破坏, 出现了一系列的生态问题。协调好经济发展与生态环境保护之间的关系, 构建保障区域生态安全格局, 是保持区域持续健康发展的必要条件。早在2011年国务院就提出了生态红线的概念[1], 2013年, 十八届三中全会要求把生态红线划定的任务切实落实到各地区单位, 以形成保护区域生态环境, 保障区域生态安全的框架体系。生态红线是一条在加强生态安全建设和保障社会经济可持续发展等多方面都发挥关键作用的边界线, 是国家或区域发展中必须严格坚守不能跨越的保护底线, 同时也是确保重要物种资源得以生存与发展的生命基线[2]。

当前许多学者对生态红线的划定工作进行了相关的研究, 归纳起来可以分为四个方面: 一是通过建立适宜性评价指标体系来确定红线区, 如李晓翠[3]、王乐滨[4]、刘康[5]等都是从生态系统功能服务性和生态敏感脆弱性等方面着手搭建适宜性框架体系来支持生态红线区的边界确定。二是从落实操作、规范管理的角度建立不同保护级别的分区, 如王自书等从不同管控层面的角度出发, 提出了基于城市环境综合分区的四线体系[6]。三是通过分析资源环境承载力来测算资源开发上限来确定需要保护的重要红线区, 如万军等认为可以在城市生态功能红线的研究成果的基础上, 根据环境质量红线来计算确定环境资源开发上限, 从而综合划分出生态保护红线[7]。四是通过采用智能算法等新方法探究划定生态保护红线的可行性, 如陈明辉等[8]、蒋思琦等[9]则分别探索了离散粒子群和多智能体的方法进行多情景模拟划定生态红线区的可操作性。

然而, 当前我国对于生态红线划定的原理、体系和方法等方面仍然存在很多争议。上述的研究对于评价体系的因子选取多不够全面, 还有待完善。武汉市作为中国中部崛起战略的关键支撑点, 社会经济发展与资源环境之间的矛盾日益严重, 构建保障区域生态安全和社会经济协调发展的空间格局至关重要。因此, 本文选取武汉市为研究区域, 基于国家二调成果并结合区域发展特点及地貌单元特征, 建立更全面完备的指标因子体系对武汉市国土空间生态红线划分的方法进行了探讨。

2 研究区概况及数据来源

武汉市是湖北省省会(29°58′N—31°22′N, 113°41′E—115°05′E), 全境面积为8494.41 km2。武汉市的地形起伏度不大, 以丘陵和平原两大地形相互交错为主要特点。市内有长江、汉江两大河流, 江河交错, 湖泊湿地资源众多, 形成了密集贯通的水网系统。近些年来, 武汉市在抓住机遇以中部最大城市的良好势头实现社会经济的巨大进步的同时, 也衍生了各种各样不同严重程度的生态问题。资源与环境消耗过大, 生态规划滞后, 人口密度过高, 环境质量差等问题严重影响着武汉市的社会经济的发展。

本文所用数据主要包括30 米分辨率的武汉市TM遥感影像和DEM数据, 来自中科院地理空间数据云平台, 运用ENVI软件进行初始影像的基础图像处理; 武汉市基础地理信息、1:1万土地利用类型数据来自全国第二次土地调查成果库连年变更得到; 1:100万土壤类型及属性数据, 是基于世界土壤数据库(HWSD)的中国土壤数据集(v1.2)得到的; 武汉市全部气象站点1981—2010的30年累年降雨以及风速等气象数据来自中国气象科学数据共享服务网。其他数据包括来自《湖北省主体功能区规划》、《湖北省生物多样性保护计划纲要》、湖北省环境保护厅网站、武汉市环保局网站、武汉市水文水资源局等官方网站的辅助数据等。

3 划定方法与技术路线

环保部2015年发布了《生态保护红线划定技术指南》, 为各区域的生态红线划定工作提供了理论支持和方法指导。本文以此为基础并结合武汉市的实际情况进行相应调整, 进行全方位多方面资料收集并运用GIS、RS的空间分析技术对重要生态功能区、生态敏感区分别进行评价, 在得到各功能区及敏感区的红线范围基础上划定最终武汉市生态红线区域。具体技术路线如下图1所示:

4 生态红线区划定

4.1 重要生态功能区红线划定与评价

根据研究区域的实际情况, 在确定了重要、重点生态功能区范围的基础上, 依据基础的地形、气象、植被、土壤、土地利用等数据, 对水源涵养、水土保持、生物多样性保护以及洪水调蓄功能分别进行生态服务功能重要性评价, 并将功能重要性等级为极重要的区域纳入红线区。

图1 武汉市生态保护红线划定技术流程图

4.1.1 水源涵养功能区红线划定与评价

根据《武汉市城市集中式地表水饮用水源保护区划分规定》可以得到武汉市饮用水源地集中分布在长江和汉江沿线, 举水和滠水边也有少量分布, 因此对这些河流做100 米缓冲区划定保护区域, 纳入水源涵养的极重要区。对于其他区域, 采用基于降水和蒸散的水量分解模型进行涵养重要性评价[10]。

式中,为水源涵养量;为多年平均年降水量;为蒸散量;为多年平均潜在蒸发量;为下垫面影响系数。植被在水源涵养功能中发挥着至关重要的作用, 因此为植被控制调节水资源的下垫面影响系数, 这里依据《指南》[10]并结合研究区的实际情况进行的调整赋值, 如下表1所示。

武汉市水源涵养极重要区面积为1140.16 km2, 占武汉市总面积的13.47%。极重要区主要分布在黄陂区的北端, 在蔡甸区的西南端和新洲区的东北端也有一定分布, 在长江和汉江周边的滩涂湿地上有少量分布, 在武汉其他区域有零星细碎分布。详见表2、图2。

表1 水源涵养功能重要性评价参数ω参考取值

表2 水源涵养重要功能区分区表

4.1.2 水土保持功能区红线划定与评价

水土保持可以为生态系统提供多种作用的服务, 包括保持土壤、提供养分、调节气候等, 这些功能对于提升土地生产力和改善环境质量具有重要意义。本文选取了对水土保持功能有重要影响的降雨、土壤、地形、植被因素, 运用USLE模型(修正通用水土流失方程)对武汉市水土保持服务模型开展评价。

图2 武汉市生态功能重要性等级图. (a)—(d)分别为水源涵养、水土保持、生物多样性以及洪水调蓄功能重要性等级图

模型结构:

式中:: 土壤保持量;: 潜在土壤侵蚀量;: 实际土壤侵蚀量;: 降水因子;: 土壤侵蚀因子;: 坡长因子;: 坡度因子;: 植被覆盖因子, 具体因子的计算方法可查阅《指南》[10]。

武汉市水土保持极重要区面积为490.62 km2,占武汉市总面积的5.80%, 水土保持的极重要区的分布与水源涵养的分布大致相同, 都是主要分布在黄陂区的北部和新洲区的东部。黄陂区的北部和新洲区的东北部是武汉的低山所在地, 地形起伏度相对较大, 林木覆盖集中。其他的极重要区分布在蔡甸区和江夏区北部, 在武汉中部的东西向残丘上有少量分布。详见表4、图2。

表3 水土保持重要性分级评价表

表4 水土保持重要功能区分区表

4.1.3 生物多样性功能区红线划定与评价

生物多样性功能重要性计算采用将武汉市的省级自然保护区及其他省级以上湿地公园纳入生物多样性的极重要区域, 对于自然保护区和湿地公园之外的其他区域, 本文参照《生态环境质量评价技术规范》采用生物丰度指数来代替生物多样性的指标, 算法如下:

生物丰度指数=(权重×土地类型)区域面积(4)

式中:为生境质量指数的归一化系数, 取参考值511.2642。不同土地利用类型权重取值如表5所示。

武汉市生物多样性极重要区面积为876.10 km2, 占武汉市总面积的10.35%。很重要区面积为193.74 km2, 多为武汉的灌木林地。中等重要区面积为1486.13 km2, 主要为武汉的湖泊、河流、水库等。比较重要区面积为4401.00 km2, 主要为茶园、果园、天然牧草地及旱地等区域。不重要区面积为1506.60 km2, 分布在武汉的中心城区, 城区由于城镇化程度高, 人工地物覆盖面积大, 因此对于生物的生存空间和生存环境产生极大不利影响。详见表6、图2。

4.1.4 洪水调蓄功能区红线划定与评价

在洪水调蓄的研究中, 湖泊、水库、河流的调蓄作用是最为显著的, 同时森林生态系统对于减轻洪涝灾害也至关重要[11]。因此这里参照相关研究[12], 根据研究区洪水发生的特点以及湖泊、河流、水库等容水量情况的不同, 将武汉市容量大功能强的大型湖泊、水库以及主要河流直接纳入极重要区域。对于其他区域, 结合其地表植被覆盖程度和土地利用现状判断其重要性。

表5 生物丰度指数分权重表

本研究选取了库容量较大的9座武汉市大中型水库、湖泊面积大于5 km2的19个湖泊; 长江、汉江武汉段大型河流; 举水和滠水等大型支流区域直接赋值为最高等级9分, 总面积为656.76 km2。其他土地利用类型根据地类进行分别赋值, 最后根据范围进行划分等级, 详见表7。

武汉市洪水调蓄功能极重要区面积为656.76 km2, 占武汉市总面积的7.76%, 极重要区是面积大于5 km2的湖泊、大中型水库及主要重要河流。这些面积较大的湖泊主要分布在武汉市的东南部, 其中跨市的梁子湖的面积最大, 洪水调蓄能力最强。大中型水库相对集中地分布在武汉市黄陂区的北部以及新洲区。河流则是长江和汉江的武汉段, 贯穿武汉的中心地带。很重要区是一些湿地、坑塘水面和有林地区域, 主要分布在湖泊的周边和黄陂区北部的山林。中等重要区是一些植被覆盖度较高的灌木丛和园地区域, 洪涝灾害期可以缓冲危害, 干旱季节时保持水资源。比较重要区分布在武汉城区周边的草地、水田、旱地、水浇地、天然牧草地等。分布面积较广, 所占面积大。不重要区主要分布在武汉的中心城区, 因其人工地物多, 地势平缓, 植被相对较少, 当洪水来临时, 人工建筑的不透水面不能及时有效地下渗吸纳洪水, 易堆积滞留洪水导致灾害的发生, 因此中心城区是洪水调蓄的不重要区。详见表8、图2。

表6 生物多样性重要功能区分区表

表7 洪水调蓄重要性取值表

4.2 生态敏感区、脆弱区划定与评价

4.2.1 水土流失红线区划定与评价

本文选取了与水土流失密切相关的降水、土壤、地形、植被因子, 运用敏感性指数公式对武汉市水土流失敏感性进行评价。

式中:SS:空间单元水土流失的敏感性指数;R: 降雨侵蚀力因子;K: 土壤可蚀性因子;LS: 坡度坡长因子;C: 地表植被覆盖度; 具体因子计算方法参照《指南》[10]。

武汉市水土流失极敏感区面积为136.63 km2, 占武汉市总面积的1.61%。极敏感区分布在主城区的较多, 尤其江岸区、江汉区、青山区分布较集中, 这些区域土壤质地可蚀性高且植被覆盖少, 因此易发生水土流失。高度敏感区主要分布在武汉市的中北部, 在黄陂区、新洲区、中心城区都有较多分布, 江夏区最少。中度敏感区在整个武汉市的不同地区都有一定程度的分布, 但在黄陂区的分布最多。黄陂区的地形起伏度大, 地形的较大落差有利于降雨冲蚀松软不稳定的土壤, 从而导致水土流失的发生。轻度敏感区面积很大, 占到武汉市总面积的一半以上。不敏感区的面积极小, 且主要分布在武汉的南部, 北部较少。详见表10、图3。

表8 洪水调蓄重要功能区分区表

表9 水土流失敏感性评价指标及分级赋值表

4.2.2 土地沙化红线区划定与评价

本文选取了对土地沙化敏感性有重要影响的干燥度、起沙风天数、土壤、植被等因素, 运用敏感性指数对武汉市土地沙化敏感性开展评价。

式中:I: 为区域的干燥度指数;W: 起沙风天数;K: 土壤可蚀性因子;C: 地表植被覆盖度; 具体因子计算方法参照《指南》[10]。

表10 水土流失敏感性分区表

表11 土地沙化敏感性评价指标及分级赋值表

武汉市土地沙化极敏感区面积为74.98 km2, 占武汉市总面积的8.86%。极敏感区和高度敏感区主要分布在武汉主城区, 在青山区、江岸区、江汉区、硚口区、汉阳区都有较为集中的分布。中度敏感区面积为933.22 km2, 在整个武汉都有零星分散地分布, 其中, 黄陂区因有大片防护林森林覆盖率高处于中度敏感区。轻度敏感区面积为2928.53 km2, 在整个武汉都有相对均匀的分布。不敏感区面积接近武汉市面积的一半, 因武汉处于干燥度不敏感且平均风速远低于起沙风速的亚热带季风气候区, 不会因为空气干燥或风力过大导致土地沙化。因此武汉的土地沙化不敏感区面积几乎占武汉市总面积的一半。详见表12、图3。

4.2.3 土地石漠化红线区划定与评价

本文选取了对土地石漠化敏感性有重要影响土壤、地形、植被等因素, 运用敏感性指数对武汉市土地石漠化敏感性开展评价。

式中:S为评价区域石漠化敏感性指数;D为评价区域顶层土壤碳酸盐石灰含量,P为地形坡度,C为植被覆盖度, 各因子的敏感性等级赋值详见表13。具体因子计算方法参照《指南》[10]。

表12 土地沙化敏感性分区表

表13 石漠化敏感性评价指标及分级赋值表

武汉市石漠化极敏感区面积为53.00 km2, 占武汉市总面积的0.63%, 主要在江岸区、江汉区、硚口区、青山区有一定分布, 在黄陂区、江夏区分布极少。高度敏感区分布在极敏感区周边。中度敏感区面积较小, 在江夏区分布较少, 在其他区分布均匀。轻度敏感区在整个武汉各区域均有分布。不敏感区面积占武汉市总面积近一半, 因武汉市大部分区域都处于顶层土壤碳酸盐石灰含量很少, 地形平缓的区域, 因此不敏感区面积很大。详见表14、图3。

4.3 生态红线区综合

采用GIS技术将生态系统服务重要性红线图以及生态敏感性红线图进行格式转换, 再运用GIS的聚合功能进行制图综合, 将图中分布集中且空间距离近的区域进行合并, 将面积小且孤立的独立斑块适当剔除, 以达到集中连片, 减少破碎程度的效果。

5 生态红线划定结果

武汉市生态系统服务功能重要性红线区面积为2161.56 km2, 占武汉市总面积的25.5%, 详见图4。其中水土保持和水源涵养红线区在黄陂区的林地区域分布集中, 主要在蔡店乡、姚集镇、长岭镇、木兰乡、罗汉街和王河镇一带。在蔡甸区的西南端和新洲区的东北端也有一定分布, 在长江和汉江周边的滩涂湿地上有少量分布, 在武汉中部的东西向残丘上有零星分布。洪水调蓄的红线区主要包括位于黄陂区的夏家寺水库、梅店水库、院基寺水库、泥河水库这四座大中型水库。江夏区的湖泊湿地红线区范围广阔, 主要分布在舒安乡、湖泗镇、山坡乡、纸坊街、法泗镇附近, 其中大型湖泊湿地如梁子湖、汤逊湖、鲁湖等区域在多种生态系统服务功能中都发挥着重要的作用, 需要进行严格保护和管理。

表14 石漠化敏感性分区表

图3 武汉市生态敏感性等级图. (a)—(c)分别为水土流失、土地沙化、石漠化敏感性等级图

武汉市生态敏感性重点红线区面积为263.09 km2, 占武汉市总面积的3.11%, 详见图4。生态敏感性重点红线区面积较小, 主要分布在主城区的周边及汉江、朱家河、举水、滠水沿线。这说明武汉市在进行社会经济快速发展的同时, 这些城区内的生态敏感区和河流沿线的周边区域因生态敏感性高, 建议及时采取有效保护措施以防止敏感区域生态环境遭受破坏,

武汉市生态保护红线区面积为2342.21 km2, 占武汉市总面积的27.67%, 详见图4。

6 结论

本研究采用基于GIS的生态红线划定方法以武汉市国土空间生态红线划分为例进行探讨。与其他方法相比, 基于GIS的生态红线划定方法实现了研究区的土壤属性、地形特征、土地利用、植被覆盖、长时间序列气候、自然保护区以及水库容量等相关多源数据的集成。并且通过多方面多角度数据的分析, 在充分掌握研究区实际情况的基础上, 构建了基于生态系统服务功能重要性以及生态敏感性的评价体系。生态红线划定体系更为完备全面, 评价内容更为系统。同时, 评价因子的选取更科学, 基于模型的评价方法也更具有精准性和可信度, 并且实现了生态系统服务功能红线和敏感性红线的空间落地以及综合分析, 完成了武汉市生态红线保护区的划定。

研究表明, 武汉市生态系统服务功能重要性红线区面积为2161.56 km2, 占武汉市总面积的25.5%; 生态敏感性重点红线区面积为263.09 km2, 占武汉市总面积的3.11%; 总生态红线区域面积为2342.21 km2, 占武汉市总面积的27.67%。武汉市地处我国中南部长江中下游地区, 气候环境良好, 地形以平原和低丘为主, 自然资源比较丰富。武汉市水网发达, 水系完整, 生态系统较为完整, 但生态环境仍需有效保护。评价结果与国家级省级等相关的区划与布局定位相一致, 可为武汉市生态红线划定工作以及相关的土地规划提供一定的参考依据。

图4 武汉市生态红线图. (a)—(c)分别为生态功能服务红线区、生态敏感红线区以及生态保护红线区

[1] 许妍, 梁斌, 鲍晨光, 等. 渤海生态红线划定的指标体系与技术方法研究[J]. 海洋通报, 2013, 32(4) : 361–367.

[2] 佚名. 解读《国家生态保护红线——生态功能基线划定技术指南(试行)》[J]. 中国资源综合利用, 2014(02): 13–17.

[3] 李晓翠, 何建华. 生态红线划定的技术方法研究——以鄂州市为例[J]. 测绘与空间地理信息, 2017(1): 50–55.

[4] 王乐滨. 基于“3S”技术的炎陵县生态区划分方法及实证研究[D]. 长沙: 湖南农业大学, 2013.

[5] 刘康, 欧阳志云, 王效科, 等. 甘肃省生态环境敏感性评价及其空间分布[J]. 生态学报, 2003, 23(12): 2711–2718.

[6] 汪自书. 城市生态红线的内涵及划定方法研究[J]. 环境科学与管理, 2015, 40(9): 37–40.

[7] 万军, 于雷, 张培培, 等. 城市生态保护红线划定方法与实践[J]. 环境保护科学, 2015, 41(1): 6–11.

[8] 陈明辉, 欧金沛, 刘小平. 基于离散粒子群算法的城市生态控制线划定方法研究[J]. 中国科技论文在线精品论文, 2012, 5(6): 559–570.

[9] 蒋思琦, 何建华. 基于多智能体的城市生态保护红线多情景模拟[J]. 国土与自然资源研究, 2016(1): 16–20.

[10] 生态环境部.生态保护红线划定技术指南[EB/OL]. http://www.mee.gov.cn/gkml/hbb/bgt/201707/W020170728397753220005.pdf, 2017,05.

[11] 钟祥浩, 程根伟. 森林植被变化对洪水的影响分析——以长江上游典型小流域和洪水事件为例[J]. 山地学报, 2001, 19(5): 413–417.

[12] 常斌, 张丽娟, 宋建军, 等. 平顶山市生态服务功能重要性评价研究[J]. 环境科学与管理, 2014, 39(6): 173–176.

Research on the technical methods of the delimitation ecological red line for Wuhan based on GIS

HE Jianhua1,2, ZHAN Wanxin1,*, HUANG Junlong1

1. School of Resources and Environmental Science, Wuhan University, Wuhan 430079, China 2. Key Laboratory of Geographic Information System Ministry of Education, Wuhan University, Wuhan 430079, China

Nowadays, with severe ecological problems appearing in Wuhan, such as the excessive explorations of natural resources and the pollution of environment, the task of delineating ecological red line is in urgent need. In this paper, we selected Wuhan City as a case study area.The importance of ecological functions, including water source conservation, soil and water conservation, biodiversity level, flood regulation and storage were evaluated. The sensitivity of soil erosion, soil desertification and stony desertification were analyzed to evaluate the ecological sensitivity. Based on the results of seven different types of ecological red lines, the important ecologically functional area and the sensitive area were delimited, respectively. Finally, after overlay analysis, the total area of the ecological red line of Wuhan City is 2342.21 km2, accounting for 27.67% of the city domain area. The result of this study can provide guidance for exploring the technical method of the delimitation of ecological red line.

ecological red line; ecological function importance; ecological sensibility; Wuhan City

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.05.017

F301.2; X171.1

A

1008-8873(2018)05-131-09

2017-10-15;

2018-01-17

国土资源部公益性行业科研专项经费项目(201511001-02)

何建华(1974—), 男, 湖北孝感人, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事复杂地理过程分析与模拟、不确定空间关系分析与建模、土地利用空间优化决策支持研究, E-mail: hjianh@126.com

通信作者:詹皖欣(1994—), 女, 安徽六安人, 资源环境监测与规划专业硕士研究生, 主要从事土地利用变化与景观生态研究, E-mail: zhanwanxin@126.com

何建华, 詹皖欣, 黄俊龙. 基于GIS的武汉市生态红线划定的技术方法研究 [J]. 生态科学, 2018, 37(5): 131-139.

HE Jianhua, ZHAN Wanxin, HUANG Junlong. Research on the technical methods of the delimitation ecological red line for Wuhan based on GIS[J]. Ecological Science, 2018, 37(5): 131-139.