基于地理空间分析技术的佛山市生态安全格局构建及解析*

蔡永龙，陈 琪

(1北京师范大学地理科学学部，北京 100875；2遵义市住房和城乡建设局，贵州 遵义 563000)

生态安全作为一个全球性问题成为了学界关注的热点问题[1]。城市作为区域的重要组成部分，与区域生态安全有着密切的关系，研究城市的生态安全格局对于区域的生态安全十分关键[2]，城市生态安全格局是城市自然生命支持系统的关键性格局。维护城市生态系统结构与城市生态安全是实现城市保护与精明增长的刚性格局，也是城市及其居民持续地获得综合生态系统服务的基本保障[3-4]。

关于区域生态安全格局的研究，呈现明显的地理尺度特征，全球尺度、国家尺度、省域尺度和市域尺度往往成为审视生态安全的地理标尺[5]。全球尺度下，南半球的社会与生态格局的过程及机理得到了充分解析[6]；国家尺度下，多要素构建的国土生态安全格局的研究成果颇丰[7]，例如按功能分区的中国主体功能区划研究[8]、中国生态环境区域划分研究[9]、中国典型草原地区的生态安全探讨[10]、从政策视角对瑞士生态恢复问题的探讨[11]等；省域尺度下，单要素的研究则较为集中，例如浙江省水稻产量与生态安全的关系探讨[12]和湖北省土地资源生态评价[13]；市域尺度下，单要素与多要素的研究均有呈现，例如关于兰州市[14]、深圳市[15]、北京市[16]、广州市[17]、枣庄市[18]等城市的土地和景观生态的评价。总体上，以往研究大多集中于从单一要素出发分析区域的生态安全，对于多要素集合的研究较少。

珠三角地区作为我国的经济发展高地，城市化与工业化的持续推进导致生态环境面临严峻挑战，城市发展与生态安全的矛盾日益突显。从数据的可获得性与案例的地域性两方面考虑，选择位于珠三角地区的佛山市作为生态安全研究的案例地，对于把脉城市生态安全现状具有现实意义以及对其他城市生态安全评估具有参考价值。具体是通过构建水文、植被、土地等单要素的生态安全格局和构建综合生态安全格局予以解答。

1 研究区与数据来源

1.1 研究区

佛山市地处广东省中南部，珠江三角洲的西北部，全市东、西长约103 km，南、北相距约110 km，形状呈“入”字型空间形态，由禅城区、南海区、顺德区、高明区和三水区组成，总面积3813.64 km2，东邻广州，西接肇庆，南临江门、中山、珠海，北通清远(图1)。佛山市与广州市共同组成繁荣的广佛都市圈，是我国重要的工业基地和广东省重要的经济中心之一。

图1 佛山市的地理区位

1.2 数据来源

2013年的TM遥感影像、Landuse数据集和广东省DEM。通过对佛山市行政区划图配准(Georeferencing)后，叠加至广东省2013NDVI植被底图，运用Extract by mask得到佛山市2013年的NDVI数据。

2 生态安全格局构建

以基础地理信息数据为基础，针对佛山市的主要生态问题，选择饮用水源、植被系统和洪水调蓄作为生态安全分析的指标[19-20]。首先，对单一生态过程展开分析与评价，识别对保护生态过程具有关键作用的区域；其次，依据生态安全格局划分标准[25]，将生态安全格局划分为理想格局、满意格局与底线格局，从而构建佛山市的生态安全格局。构建的具体步骤如下：

运用地理空间分析技术，针对某一生态过程和安全格局的划分标准，构建单一生态要素安全格局，并进行叠加分析，形成佛山市综合生态安全格局。依据单一要素安全格局的作用，划分为低、中、高三种不同等级的生态安全水平，而后分析单一要素与全部要素的生态安全格局。

2.1 水源保护安全格局

水源保护安全格局的构建旨在保护佛山市的饮用水水源地。首先，提取佛山市主要水源地的地理区位(经纬度范围)；其次，参考《饮用水水源保护区划分技术规范(HJ T338—2007)》划分Ⅰ级保护区、Ⅱ级保护区和Ⅲ保护区；第三，构建低、中、高的水源保护安全格局(表1)[21]；最后，通过地理空间分析技术可视化水源保护安全格局(图2(a))。

2.2 植被保护安全格局

以广东省NDVI植被图为基础数据。首先，应用ArcGIS软件中Spatial Analyst下的Feature to Raster、Extraction、Raster Calculator等工具提取佛山市的植被图(NDVI)；其次，计算植被覆盖率(“([ndvigd]-0.0360)/(0.86-0.036)”)；第三，运用自然断裂点法将植被覆盖率分为三类(表1)；最后，构建植被保护安全格局(图2(b))。

表1 单一要素安全格局划分标准

图2 单一要素生态安全格局

2.3 洪水调蓄安全格局

洪水发生的频率一般指5年、10年、20年、50年、100年一遇及其特大洪水等，洪水发生的频率越小，灾害性越大，相应的淹没范围也越大。法律规定20年一遇的淹没区为行洪区，严格限制开发利用。根据英国的洪水风险图三分法，分为严禁区(5年一遇洪水淹没范围)、限制区(5～25年一遇洪水淹没范围)和允许开发区等(25年一遇洪水淹没范围)[22-23]。根据洪水风险图三分法将洪水调蓄的安全格局分为低、中与高三个等级(表1)。假定区域内水是自由流动的，以25年一遇洪水水位增加1.2米为水深的淹没范围，推算洪水的淹没范围(图2c)。再将矢量的洪水淹没等级图转换栅格，用以计算不同等级安全水平的洪水淹没面积。

2.4 综合生态安全格局构建

构建水源、植被和洪水调蓄3类要素的生态安全格局对城市可持续发展至关重要，其中植被系统和饮用水源是重要的生态功能区。洪水调蓄地区是洪水威胁最大的地区，做到防治减小对区域的损害最为关键[24-25]。区域生态安全格局研究的出发点是维护生态安全和健康的空间格局。因此，佛山市生态安全格局的构建主要从自然环境与人类社会的可持续发展角度予以考虑，即根据水源保护、植被系统和洪水调蓄的综合安全格局予以综合确定。

构建的具体步骤：首先，通过对水源保护、植被和洪水调蓄3类要素的安全格局进行空间叠加，得到佛山市的生态安全格局；其次，对单一要素的生态安全格局赋值，低、中、高水平分别赋值1、2、3；第三，将其矢量图转换栅格图；最后，得出佛山水3种生态安全格局的等级水平[26]。计算公式如下：

ISP=Max(SPI)I=1，2，3

(1)

式中：ISP(Integrated Security Pattern)表示综合生态安全格局；SPI表示I要素的生态安全格局，分低、中、高3级，分别赋值3、2、1。

佛山市综合生态安全格局划分为低、中、高3种等级的安全水平，分别代表不同的保护重要程度。其中：

SPI=1表示低安全水平的生态格局，是维护主要生态过程的外围区域，是未来需维护和保护的区域。

SPI=2表示中安全水平的生态格局，是维护主要生态过程的地区，是在现实条件允许的情况下，为再造秀美佛山尽可能争取的生态保护与恢复的区域。

SPI=3表示高安全水平的生态格局，是佛山市维护生态过程最为关键的生态性区域，是最需要维护的区域。

最后，以水源保护、植被保护、洪水调蓄3种过程的安全格局进行叠加得到佛山市综合生态安全格局，各等级安全水平的面积以栅格计算，最后根据栅格单元大小转换为矢量的生态安全格局。根据生态保护要求将其划分为3个水平：理想格局、满意格局和底线格局[27]。

3 结果分析

水源保护安全格局构建的结果表明：①位于正常水位以下，尤其是饮用水源覆盖的地区为禁止开发区；②正常水位下，饮用水源所在地区及其1 km缓冲区的范围为重点保护区(中安全水平)；③正常水位以下，饮用水源所在地区及其2 km缓冲区的范围为生态红线禁止开发区(高安全水平)。

因为植被系统作为维持生态系统健康发展的支撑要素，所以植被保护安全格局的构建对植被系统的健康恢复至关重要。结果表明：①植被覆盖率介于0%～30%的低水平植被保护安全格局面积为1322.41 km2，占全市总面积的34.67%；②植被覆盖率介于30%～80%的中水平植被保护安全格局面积为1984.98 km2，占全市总面积的52.05%；③介于80%～100%的高水平植被保护安全格局面积为506.25 km2，仅占全市总面积的13.28%(表2)。其中，位列低安全水平的区域占比超过全市面积的三分之一，处于高安全水平以下占比超过85%，而高安全水平仅占低于15%，表明佛山市的植被系统破坏程度处于高危状态，对植被系统的恢复和保护迫在眉睫，尤其是对于超过50%的中安全水平的植被系统应加大恢复力度，并且对高安全水平格局区域的植被系统应加强监管力度。

构建防洪安全格局的目的是减少洪水灾害发生时造成的经济损失。结果表明：①五年一遇洪水水位以下的低水平防洪安全格局面积为890.25 km2，占全市总面积的23.34%；②20年一遇的洪水水位以下的低水平防洪安全格局面积为280.11 km2，占全市总面积的7.34%；③100年一遇的洪水水位以下的低水平防洪安全格局面积为2643.28 km2，占全市总面积的69.32%(表2)。对低安全水平格局地区的土地利用方式应加以严格监控。20年一遇的防洪安全格局总面积为280.11 km2，占全市总面积的7.34%，此类区域的用地属性应给予科学考究，方能建设。可以看出，洪水安全格局的构建对城市基础设施的建设具有指导性作用。

表2 单一要素的生态安全格局量化结果

根据空间统计结果显示，3个等级的综合生态安全格局占地面积不同，低安全水平格局的面积为455.451 km2(占全市总面积的11.94%)，中安全水平格局的面积为2905.68 km2(占全市总面积的76.19%)；高安全水平格局的面积为452.51 km2(仅占全市总面积的11.87%)。其中，介于中安全水平的面积占比超过75%，低、高安全水平均低于15%(表3)。因此，应加强中安全水平区域的生态恢复，划定高安全水平区域为禁止开发区域。

表3 不同等级综合生态安全格局的面积

从生态保护的要求及空间分析结果可知，理想格局、满意格局和底线格局的区域范围存在地域差异。①理想格局包括高安全水平叠加的地区，占佛山市域的较小部分，即高明区大部、三水区北部部分地区和南海区东部的西樵山地区，这些地区是生态保护的重点区域，需采取相应措施保护该区域的生态系统，免遭破坏，为再造佛山秀美山川的国土生态保护与恢复空间战略中、长远的理性生态安全格局提供科学支撑；②满意格局包括高安全水平和中安全水平叠加的地区，主要分布于三水区中部、南海区西部与中部部分地区、高明区东部及西部部分地区、顺德区西南部与北部部分地区，这些区域是应增加的保护区域，为恢复佛山市生态系统的良性循环具有关键性作用；③底线格局包括低安全水平叠加的地区，主要分布于南海区东南部与西部部分地区、顺德区零星分布的部分区域，此类区域的生态安全比较脆弱，是生态保护的限制区域，应该成为佛山城市建设不可逾越的红线地区，需进行严格保护和重点生态恢复。

佛山市综合生态安全高水平地区主要分布于植被系统较好区域(高明区、三水区北部)，沿江或沿河地区大多位于中安全水平，这与佛山市经济发展的空间战略有关系(例如工业相对比较发达的禅城区、顺德区、南海区东部及中部地区的生态安全格局均处于中等水平)。高安全水平的生态保护区包括高明区大部分地区、三水区北部地区和南海区西部的西樵山周边地区。

图3 佛山市综合生态安全格局

4 结论

以快速城市化的珠三角地区的典型城市佛山市为例，基于地理空间分析技术，构建并分析了佛山市单一要素与综合要素的生态安全格局。

依据区域生态保护标准，正常水位以下且是饮用水源覆盖的地区为禁止开发区，饮用水源所在地区及其1 km缓冲区为重点保护区，饮用水源所在地区及其2 km缓冲区为生态红线禁止开发区。就植被系统而言，位于低安全水平、中安全水平、高安全水平的区域面积占比分别是34.67%、52.05%和13.28%。就洪水调蓄而言，5年、20年、100年一遇洪水对应的低-中-高安全水平的区域面积占比分别是23.34%、7.34%和69.32%。综合生态安全格局方面，位于低、中、高不同生态安全水平的区域面积占比分别是11.94%、76.19%和11.87%。

理想格局指高安全水平叠加的地区，占比面积较少，这是生态保护的重点区域，需采取相应措施加强保护，免遭破坏，为再造佛山秀美山川的国土生态保护与恢复空间战略、长远的理性生态安全格局提供科学支撑。满意格局包括高安全水平和中安全水平叠加的地区，该区域是需增加的保护区域，对恢复佛山市生态系统的良性循环具有关键性作用。底线格局包括低安全水平叠加的地区，占佛山市区划域面积较多，此类区域的生态安全比较脆弱，是生态保护的最低限制区域，是佛山城市发展建设不可逾越的红线，需进行严格保护和重点生态恢复。

以佛山市为例量化城市生态安全的空间现状对把脉佛山城市生态安全现状具有现实意义以及对其他城市生态安全评估具有参考价值。通过构建与分析水源保护安全格局有利于划分不同等级的水源保护区；评估植被系统的安全格局级有助于了解植被系统的发展现状并提出相应的保护措施。例如，佛山市处于高安全水平的植被面积占比不足15%，表明佛山市的植被系统破坏程度处于高危状态，所以需要加强对植被系统的恢复和保护；构建防洪安全格局的目的是减少洪水灾害发生时造成的经济损失。通过洪水安全格局的构建与分析，就可以确定不同地区的土地用地属性。例如，位于低安全水平的地区尽量不建设基础设施和不进行土地开发。通过评估综合生态安全，可以提出应加强生态恢复的中安全水平的区域范围，同时划定高安全水平区域为禁止开发区域。