基于GIS的海绵城市生态安全格局构建——以高州市中心城区为例

萧颖莹 徐志标 曾胜庭 张梓豪

（广东省建科建筑设计院有限公司，广东 广州 510000）

自20世纪80年代以来，随着国内生态环境问题日益严峻，生态安全格局引起了广泛的关注。生态安全格局是指生态过程具有关键意义的空间位置、景观元素和联系，包括连续和完整的山水格局、河流水域、湿地系统的自然形态等，是一个多层次的、连续完整的网络空间。生态安全格局作为水源涵养、洪水调蓄、生物栖息地网络等维护自然生态的永久性地域景观，用来维护城市的生态安全，定义城市空间发展模式和城市形态。

文章以生态环境保护为目标，以高州市中心城区为研究对象，采用ArcGIS空间分析技术，确定海绵城市专项规划中构建生态安全格局的方法，为海绵城市的功能分区、海绵系统规划提供依据，有利于保护城市的自然生态本底，规避自然灾害和工程灾害，改善水环境、涵养水资源、保护水生态、保障水安全，具有重要的现实意义。

1 研究区域概况

高州市位于广东省的西南部，经度110°36′46″至110°22′45″，北纬21°42′34″至22°18′49″。东接阳春市电白区，南连茂南区，北邻信宜市，西北与广西北流市、西南与化州市接壤。属于亚热带季风气候，以南风为主，热量丰富、光照充足，年均降雨量为1 892.7 mm，雨季为4～9月。主要河道为鉴江干流，鉴江位于广东省的西南部，是粤西地区沿海最长的一条独流入海的河流。

本次研究区域为高州市中心城区，总面积153.15 km2，东北部是山地，中央是起伏的丘陵，南部和西部的台地、小平原，山地以及河谷小盆地相互交错，生态条件得天独厚，山、水、林、田、湖等生态本底资源分布广泛。中心城区的降水丰富，同时表现出明显的季节性，一般4～9月降水量占到全年83%左右，多年平均降雨量为1 803 mm。在土地覆被类型中，林地、草地和水体等自然生态系统类型约占全区总面积的65%；人工或半人工生态系统土地类型约占28%，其中建设用地占25%，耕地占3%，还有少量的裸地。随着城镇开发建设强度日益加大，区域内的生态环境面临威胁，因此，构建生态安全格局，对于保护高州市中心城区生态安全具有重要意义。

2 研究方法及数据来源

高州市中心城区海绵城市生态安全格局的构建以ArcGIS为操作平台，利用GIS的分析模块，以海绵城市生态条件为基础，根据公式计算出水源涵养能力评价与水土流失敏感性评价，再将分析结果进行空间叠加，构建不同程度的生态安全格局。

研究的主要步骤分为，选取评价类型与方法、数据预处理、模型运算和评价分级。根据生态环境特征和生态问题，选取适宜的方法，生态安全格局评价方法包括模型评估法和净初级生产力（NPP）定量指标评估法。水土流失敏感性评价采用模型评估法，水源涵养能力评价采用净初级生产力（NPP）定量指标评估法。根据研究方法，准备所需的各类型数据，评价的基础数据类型是栅格数据，非栅格数据应进行预处理。根据公式，在ArcGIS中输入评价所需的参数，进行模型运算。根据结果，将生态安全格局划分为生态安全格局重要区和生态安全格局极重要区。

表1 水源涵养能力评价数据表

表2 水土流失敏感性评价数据表

3 生态安全格局构建

3.1 水源涵养能力评价

3.1.1 评价方法

水源涵养是生态系统通过其独特的结构与水进行相互作用，对降水进行截留、蓄积，并通过蒸发或散发实现对水流和水循环的管控。选取净初级生产力（NPP）定量指标评估法进行评价。计算公式为：

式中：WR为水源涵养服务能力指数；NPPmean为研究区域多年生态系统净初级生产力的平均值；Fsic为土壤渗流能力因子；Fslo为坡度因子；Fpre为多年平均降水量因子。

其中，NPPmean可以基于CASA光能利用率模型进行计算，CASA模型中NPP的值由植物光合作用与其对光能利用率的大小决定。所以，CASA模型中NPP的计算可由植物光合有效辐射（APAR）和实际光能利用率（ε）来表示。Fslo（坡度因子）根据研究区域高程数据集，采用ArcGIS软件中的空间分析得到坡度栅格图。Fsic（土壤渗流能力因子）根据评价区域土壤数据集，采用ArcGIS软件计算得到土壤渗流因子栅格图。Fpre（多年平均降水量因子）是通过Excel算出研究区域所有的气象站点的多年平均降水量，再利用ArcGIS将数值根据站点名与站点位置进行空间连接，最后选择相应的插值工具获得多年平均降水量栅格图。

最后，通过ArcGIS将水源涵养服务能力指数WR采用分位数功能进行四级分类操作。按值大小依次划分为4个重要性级别，即不重要区、一般重要区、较重要区、极重要区。

3.1.2 评价结果

通过对多年生态系统净初级生产力平均值、多年平均降水量因子、土壤渗流因子和坡度因子进行综合叠加，识别出水源涵养敏感地区。较重要及以上的水源涵养区的面积为99.49 km2，占市域面积64.96%。水源涵养重要地区主要分布在中心城区的东部、东南部以及北部。

图1 水源涵养重要程度图

3.2 水土流失敏感性评价

3.2.1 评价方法

水土流失是指在人为或自然因素的作用下，雨水不能就地消纳、冲刷土壤，造成土壤和水分同时流失的现象。主要与气候、土壤、地形和植被有关。水土流失敏感性评价选取模型评估法进行评价。计算公式为：

A=R·K·L·S·C

式中：A为土壤侵蚀量；R为降雨侵蚀力因子；K土壤可蚀性因子；L为坡长因子；S为坡度因子；由于S和L是影响土壤流失的主要因子，因此，将LS作为地形因子，以示其综合效应；C为地表植被覆盖因子。

从上述公式可以看出，影响水土流失主要是降水、地貌、植被、土壤这四个方面的因素。选取了降水侵蚀度、土壤质地、坡度、植被覆盖度作为评价指标，将各指标进行分级，再进行空间叠加，最终得到水土流失敏感性评价结果。

3.2.2 评价结果

通过对降雨侵蚀力、植被覆盖度、地形起伏度进行ArcGIS叠加计算，识别出水土流失敏感区。强烈及以上的水土流失敏感区的面积为5.41 km2，占市域面积3.53%。水土流失敏感性高的地区分布在中心城区的东部和东北部。

图2 水土流失敏感程度图

3.3 结果分析

综合水源涵养能力评价和水土流失敏感性评价，确定生态安全格局重要区和极重要区，将水源涵养极重要区和水土流失强烈敏感区划为生态安全格局极重要区，水源涵养较重要区和水土流失中度敏感区划为生态安全格局重要区。通过ArcGIS进行空间叠加，得到高州市中心城区海绵生态安全格局综合评价结果。

空间分布上，不纳入生态安全格局的区域主要集中在高州市建成区，以建设用地为主，生态基底薄弱，适合开发建设；生态安全格局重要区主要集中在中心城区中部和西部，面积共66 km2，占比43.05%，需要控制开发强度，加强生态保护；生态安全格局极重要区主要集中在中心城区北部和东部，面积共43 km2，占比28.23%，需要禁止开发，执行严格的保护制度。

图3 生态安全格局图

4 结语

文章探讨了海绵城市专项规划中构建生态安全格局的方法，从海绵城市建设的视角出发，结合高州市中心城区实例进行分析和评价，提出了生态安全格局的定量评价指标。生态安全格局构建是一个综合性、多尺度的区域问题，通过构建区域生态安全格局，掌握生态系统服务能力，在后续规划中提出区域开发策略，减少城市发展进程中造成的负面生态影响，指导建设过程中加以保护性开发，进一步完善海绵城市建设策略以及海绵系统规划，为城市规划建设提供参考。