基于格網(wǎng)的東營市生態(tài)安全評價與時空變化分析

劉 娜，常 軍，呂懷峰

(山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014)

基于格網(wǎng)的東營市生態(tài)安全評價與時空變化分析

劉 娜，常 軍，呂懷峰

(山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014)

以東營市為研究區(qū)，依據(jù)PSR(壓力-狀態(tài)-響應(yīng))系統(tǒng)框架概念模型，建立生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，基于格網(wǎng)技術(shù)，以200m×200m格網(wǎng)尺度，對東營市2005年、2009年和2013年生態(tài)安全狀態(tài)進(jìn)行了評價，實現(xiàn)生態(tài)安全等級的可視化表達(dá)，對生態(tài)安全評價結(jié)果進(jìn)行了時空變化分析，并對其生態(tài)安全現(xiàn)狀成因進(jìn)行了探索。研究結(jié)果表明：東營市生態(tài)安全空間分布規(guī)律明顯，沿海地區(qū)生態(tài)安全情況普遍低于內(nèi)陸地區(qū)；從時間上看，從2005～2013年，東營市生態(tài)安全狀態(tài)優(yōu)于臨界安全土地面積不斷增長，低于臨界安全土地面積先增加后減少，臨界安全土地面積不斷減少。

生態(tài)安全評價；格網(wǎng)；時空變化；東營市

1 引言

隨著人類社會經(jīng)濟(jì)活動的發(fā)展，對資源的需求日益增多，也對自然生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞，生態(tài)安全問題也越來越受到關(guān)注[1]。生態(tài)安全是指人類在生產(chǎn)、生活和健康等方面不受生態(tài)破壞與環(huán)境污染等影響的保障程度，即生態(tài)系統(tǒng)的健康和完整程度[2]。近年來，對區(qū)域性生態(tài)安全狀態(tài)進(jìn)行評價已成為研究的熱點[3～7]，其中格網(wǎng)GIS方法的應(yīng)用，大大提高了研究結(jié)果的精度。

2009年國務(wù)院正式批復(fù)《黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，將黃河三角洲生態(tài)發(fā)展正式上升為國家戰(zhàn)略，東營市作為黃河三角洲的中心地區(qū)，對其生態(tài)安全問題的研究更不容忽視。但目前對東營市生態(tài)安全方面的研究主要集中在縣級尺度[8～10]，尚未突破行政區(qū)的限制。本文采用生態(tài)安全指數(shù)法，結(jié)合格網(wǎng)GIS技術(shù)，基于200 m×200 m格網(wǎng)，對東營市2005年、2009年和2013年生態(tài)安全狀態(tài)進(jìn)行評價，并分別從時間和空間兩方面分析東營市生態(tài)安全狀態(tài)變化特征，探索生態(tài)安全變化成因，旨在為東營市生態(tài)環(huán)境保護(hù)與政府決策提供數(shù)據(jù)參考與理論支持。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

東營市位于山東省北部黃河三角洲地區(qū)，地理坐標(biāo)為北緯36°55′～38°10′，東經(jīng)118°07′～119°10′(圖1)。東、北臨渤海，西與濱州市相鄰，南部與淄博市、濰坊市接壤。研究區(qū)屬溫帶大陸性氣候，四季分明，年平均降水量555.9 mm，多集中在夏季。整體地勢平坦，最高海拔與最低海拔相差27 m。全市土壤質(zhì)量較差，以潮土與鹽土為主，約占總體土壤面積的94%。東營礦產(chǎn)資源豐富，主要有石油、天然氣、煤等。海岸線全長412.67 km，易發(fā)生風(fēng)暴潮災(zāi)、土壤侵蝕和土壤鹽漬化等自然災(zāi)害。

圖1 研究區(qū)位置

本文所涉及數(shù)據(jù)包括自然資源統(tǒng)計數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)等。統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要來源于2006年、2010年和2014年出版的《東營市統(tǒng)計年鑒》[11～13]，東營市縣級市區(qū)統(tǒng)計年鑒與公報。遙感數(shù)據(jù)主要來源于中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所共享平臺。

3 研究方法

3.1 生態(tài)安全指標(biāo)體系構(gòu)建

東營市屬石油工業(yè)型城市，通過調(diào)查東營市自然資源、生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，結(jié)合東營市自身發(fā)展特點和前人研究成果[3-7,14]選用PSR(壓力-狀態(tài)-響應(yīng))系統(tǒng)框架概念模型[15,16]建立評價指標(biāo)體系。指標(biāo)體系的遴選基于科學(xué)性、代表性、整體性和可操作性等原則，具體指標(biāo)詳見表1。其中，系統(tǒng)壓力指標(biāo)6個，系統(tǒng)狀態(tài)指標(biāo)12個，系統(tǒng)響應(yīng)指標(biāo)6個。

確定指標(biāo)權(quán)重的方法較多，主要包括主觀方法與客觀方法，但各有利弊[17]。為提高指標(biāo)權(quán)重的準(zhǔn)確性與可信度，本文結(jié)合層次分析法和變異系數(shù)法，先分別求取指標(biāo)主觀權(quán)重與客觀權(quán)重，再加權(quán)求和得最終權(quán)重(表1)。

表1 東營市生態(tài)安全評價指標(biāo)體系與權(quán)重

3.2 統(tǒng)計數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化與格網(wǎng)空間化

不同指標(biāo)之間量綱不同，因此無法直接利用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行生態(tài)安全指數(shù)計算，需對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使指標(biāo)數(shù)據(jù)均分布在[0,1]范圍之內(nèi)，正效應(yīng)指標(biāo)與負(fù)效應(yīng)指標(biāo)歸一化公式分別為公式(1)和公式(2)。

(1)

(2)

式中，Xij與Xij′分別為第i個指標(biāo)第j個網(wǎng)格歸一化值與原始數(shù)據(jù)值，max|Xij′|與min|Xij′|分別為第i個指標(biāo)第j個網(wǎng)格原始數(shù)據(jù)最大和最小值。

格網(wǎng)GIS將不同范圍的區(qū)域按照確定尺度劃分為大小相同的網(wǎng)格，把每個網(wǎng)格作為獨立的研究數(shù)據(jù)單元[17]。本文以東營市為研究區(qū)，在前人研究的基礎(chǔ)上，查閱相關(guān)資料文獻(xiàn)[18,19]，參考左偉等[20]關(guān)于中尺度生態(tài)評價格網(wǎng)尺度選擇標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合東營市當(dāng)?shù)財?shù)據(jù)情況，以200 m×200 m標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)為研究尺度，將統(tǒng)計數(shù)據(jù)等進(jìn)行格網(wǎng)化轉(zhuǎn)換。其中很多統(tǒng)計數(shù)據(jù)均與土地利用數(shù)據(jù)有關(guān)，如人口密度主要分布在建設(shè)用地上；綠地面積主要集中在城鎮(zhèn)區(qū)域；廢水、廢氣、固體廢渣的排放主要集中在工礦用地附近；土壤有機(jī)質(zhì)與土壤質(zhì)地主要與耕地有關(guān)。根據(jù)以上原理利用ArcGIS，通過密度轉(zhuǎn)換，將所有數(shù)據(jù)表達(dá)在200 m×200 m標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)上。

3.3 生態(tài)安全指數(shù)與等級劃分

以加權(quán)綜合平均為理論基礎(chǔ)的生態(tài)安全指數(shù)法廣泛應(yīng)用于區(qū)域的生態(tài)安全評價[4,15]，其計算公式為

(3)

式中ESI為生態(tài)安全指數(shù)，Wi為第i個指標(biāo)的權(quán)重，Ci為第i個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。生態(tài)安全指數(shù)可以從定量的角度對每個格網(wǎng)區(qū)域的生態(tài)安全進(jìn)行評價，而對生態(tài)安全進(jìn)行定性描述則需要對生態(tài)安全指數(shù)進(jìn)行等級劃分。通過咨詢專家并總結(jié)前人經(jīng)驗[4～6,21]，結(jié)合東營市自身區(qū)域特點，將生態(tài)安全指數(shù)劃分為7個等級，具體臨界標(biāo)準(zhǔn)見表2。

4 生態(tài)安全時空變化特征分析

本文根據(jù)以上確定的生態(tài)安全指標(biāo)體系和權(quán)重，基于ArcGIS平臺實現(xiàn)生態(tài)安全指數(shù)的格網(wǎng)化。并按照制定的生態(tài)安全指數(shù)分級閾值，分別將2005年、2009年和2013年生態(tài)安全格網(wǎng)結(jié)果實現(xiàn)空間可視化分級顯示，突破了原有行政界線的限制，結(jié)果如圖2。同時對不同年份不同生態(tài)安全等級區(qū)域面積進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表2 生態(tài)安全指數(shù)等級劃分

通過以上結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著時間的變化，東營市整體生態(tài)安全朝著較好的方向發(fā)展，生態(tài)安全狀態(tài)優(yōu)于臨界安全的土地面積不斷增大，其中一般安全土地面積增幅最大，由2005年的149.97km2增加到2013年的3 134.08km2；臨界安全土地面積不斷減少，大部分轉(zhuǎn)變?yōu)橐话惆踩c較安全狀態(tài)；2005～2013年，生態(tài)安全狀態(tài)為不安全、較不安全和一般不安全的土地面積先增大后減少。主要原因是2005年東營市經(jīng)濟(jì)的高速增長，主要還是依賴石油工業(yè)的高投入、高消耗、高污染的粗放式增長方式，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降；隨著時間推移，特別是2009年制定《黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》制定后，當(dāng)?shù)卣罅μ岢?jié)約集約型經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，東營市環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)程度不斷提高，生態(tài)環(huán)境不斷改善。進(jìn)入到2013年后，東營作為黃河三角洲高效生態(tài)區(qū)的主戰(zhàn)場，將高效生態(tài)區(qū)與生態(tài)建設(shè)有機(jī)結(jié)合，逐漸建立循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)體系，從而使得東營市生態(tài)安全不斷提高，風(fēng)險不斷降低。

從空間上整體來看，東營市沿海地區(qū)生態(tài)安全性較差，內(nèi)陸生態(tài)安全性較高。主要原因是黃河三角洲沿海地區(qū)成陸時間較短，生態(tài)環(huán)境較為脆弱；其次，沿海地帶自然災(zāi)害頻發(fā)，受寒潮、風(fēng)暴潮的影響較大；除此之外，東營沿海地區(qū)，在河口區(qū)、墾利縣和東營區(qū)境內(nèi)分布著大量的鹽堿地，在一定程度上也加大了生態(tài)風(fēng)險，導(dǎo)致生態(tài)安全性降低。

表3 東營市2005、2009和2013年不同安全等級土地面積統(tǒng)計 km2

5 結(jié)語

(1)2005年、2009年和2013年中，東營市生態(tài)安全狀態(tài)整體呈良性發(fā)展，生態(tài)安全狀態(tài)優(yōu)于臨界安全土地面積不斷提高，低于臨界安全土地面積先增加后減少，這主要得益于東營市政府大力發(fā)展高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)，使得生態(tài)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展；從空間上看，東營市生態(tài)安全狀態(tài)由沿海向內(nèi)陸安全性不斷降低，主要原因是沿海地區(qū)成陸時間較晚，生態(tài)環(huán)境較為脆弱。

(2)本文基于格網(wǎng)GIS技術(shù)評價東營市生態(tài)安全情況，突破了行政區(qū)的界限限制，使研究尺度縮小到200m×200m網(wǎng)格，呈現(xiàn)了各行政區(qū)生態(tài)安全內(nèi)部差異，可為東營市生態(tài)保護(hù)提供理論支持與參考。另外本文在參考前人研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)狀制定的生態(tài)安全指標(biāo)仍不盡完全，還有待進(jìn)一步的探討和研究。

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Evaluation and Temporal-Spatial VariationAnalysis of Ecological Security in Dongying City Based on the Grid

Liu Na, Chang Jun, Lü Huaifeng

(CollegeofGeographyandEnvironment,ShandongNormalUniversity,Jinan250014,China)

Taking the Dongying City as the research area and based on the PSR (pressure-state- response) system framework conceptual model, the article establishes an evaluation index system for ecological security.Based on grid technology, the article evaluatesthe ecological security of Dongying City in 2005, 2009 and 2013 by 200 meter grid scale. In addition, the article achieves the visualization of ecological security classification, and at the same time,the article analyzes the temporal and spatial variation characteristics of ecological security and explores the causes of ecological security status. The results of the analysis show that the spatial distribution of ecological security in Dongying is obvious, and the ecological security status of inland areas is generally superior to the coastal areas; From theperspective time, from 2005 to 2013, the area of the land which is better than critical safetyis increasingwhilethe area of the land that is below critical safetyincreases first but then reduces, and the area of critical safetylanddecreases gradually.

ecological security evaluation; grid; temporal-spatial variation;Dongying City

2015-10-30

山東省自然科學(xué)基金項目(編號：ZR2012DM009)資助

劉 娜(1991—)，女，山東青島人，山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院碩士研究生。

常 軍(1975—)，男，山東棗莊人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事遙感與GIS應(yīng)用研究。

X826

A

1674-9944(2015)12-0004-04