基于GIS的綜合生態(tài)安全格局構(gòu)建與生態(tài)保護(hù)修復(fù)——以隆回縣為例

崔 強(qiáng) 王水生 賀素蓮

（湖南百源土地咨詢有限公司，湖南 長沙 10000）

近年來，生態(tài)環(huán)境形勢(shì)嚴(yán)峻，進(jìn)行全面修復(fù)十分迫切。在國家層面上，生態(tài)文明建設(shè)被提高到空前的歷史高度和戰(zhàn)略地位，自然資源部積極落實(shí)習(xí)總書記關(guān)于“山水林田湖草生命共同體”理念，設(shè)立生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程試點(diǎn)專項(xiàng)工作，以保障我國長遠(yuǎn)生態(tài)安全和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能整體提升，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的修復(fù)和改善。為開展景觀、森林、田、湖、草等生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程，重點(diǎn)是解決關(guān)鍵地區(qū)突出的生態(tài)環(huán)境問題，建立合理的生態(tài)安全格局。因此，如何從生態(tài)系統(tǒng)完整性的角度，準(zhǔn)確識(shí)別生態(tài)安全格局，提出區(qū)域生態(tài)空間的最優(yōu)配置方案，對(duì)維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全具有重要意義。

隆回縣是中國南部一個(gè)典型的丘陵地區(qū)，屬中亞熱帶地區(qū)，氣候濕潤，南北部的氣候差異明顯，水資源豐富，生物資源豐富。隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，縣域生物多樣性不斷受損，生境類型逐漸趨于簡單化，生態(tài)環(huán)境自我修復(fù)能力減弱，國土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)工作勢(shì)在必行。本文嘗試從水環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害、生物保護(hù)、文化遺產(chǎn)保護(hù)等方面，充分利用GIS各類分析模型或工具，構(gòu)建隆回縣生態(tài)安全格局，識(shí)別出國土生態(tài)保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域，并針對(duì)存在的生態(tài)問題，提出國土生態(tài)修復(fù)策略，以期為隆回縣推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的完整性和多樣性提供空間指引和參考。

1 研究區(qū)概況

隆回縣位于湖南省西南部，邵陽市中部，北緯27°00′-27°40′、東經(jīng)110°38′-111°35′之間，東西長61.4 公里，南北寬74.6 公里，下轄2個(gè)街道，23個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，土地總面積286768.49 公頃，常住人口115.81 萬人。全縣地勢(shì)自東南向西北呈階梯式遞升，形成南部丘崗區(qū)、西北山原區(qū)、北部山地區(qū)3個(gè)地貌區(qū)，西北部為雪峰山余脈，東南部是典型的丘陵地帶。土壤類型多樣，北部土壤質(zhì)地松散，容易造成土壤侵蝕，南部土壤與基巖分界明顯，暴雨時(shí)容易滑坡、崩坡。

2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

2.1 數(shù)據(jù)來源

考慮研究區(qū)的空間尺度和相關(guān)數(shù)據(jù)的可獲取性，主要選取了包括土地利用現(xiàn)狀地類、遙感影像、植被覆蓋度、道路、降雨量等數(shù)據(jù)（表1）。為便于空間數(shù)據(jù)的分析處理，所有數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的坐標(biāo)及投影系統(tǒng)。

表1 數(shù)據(jù)來源及其說明

2.2 研究思路與方法

2.2.1 研究思路

生態(tài)安全格局構(gòu)建的理論基礎(chǔ)來自于景觀安全格局方法論，其研究了如何通過節(jié)約、集約的土地利用方式，來整合自然與人為過程，以實(shí)現(xiàn)精明的保護(hù)與發(fā)展。主要方法是用最小阻力模型建立過程阻力面，構(gòu)建出“綜合水安全”、“地質(zhì)災(zāi)害安全”、“生物保護(hù)安全”、“文化遺產(chǎn)安全”等一系列格局，共同形成綜合生態(tài)安全格局，為國土綜合整治和修復(fù)提供科學(xué)的引導(dǎo)。結(jié)合博弈論的安全點(diǎn)和門檻值方法，識(shí)別出維護(hù)生命和土地安全健康的關(guān)鍵性區(qū)域、生態(tài)底線，作為國土空間開發(fā)與保護(hù)的限制格局。

2.2.2 研究方法

2.2 .2.1 流域水文SCS）模型

SCS模型是針對(duì)流域上發(fā)生的水文過程進(jìn)行模擬所建立的數(shù)據(jù)模型，是目前應(yīng)用最為廣泛的流域水文模型之一。其綜合考慮了降雨、土壤類型、土地利用和管理水平、土壤水分和徑流之間的關(guān)系，能快速有效地模擬小流域雨洪易發(fā)區(qū)的空間范圍。公式如下：

式中：Qsurf表示地表產(chǎn)流量；Rday表示降雨量；Ia表示初損量；S表示儲(chǔ)流參數(shù)；CN表示平均徑流系數(shù)（經(jīng)驗(yàn)值獲取計(jì)算）。

2.2 .2.2 最小累積阻力MCR）模型

MCR模型通常用于計(jì)算物種從源到目的地的遷移成本。研究中可依據(jù)每個(gè)斑塊的土地利用特征，模擬設(shè)置不同的斑塊單元間阻力系數(shù),計(jì)算得到“源-目標(biāo)”單元之間的最小累積阻力。

式中：MCR表示空間內(nèi)某一單元到源的累積阻力值；f表示累積阻力值與生態(tài)過程的正相關(guān)性；min表示累積阻力最小值；Dij表示從單元i到單元j的空間距離；Zi表示空間單元i對(duì)目標(biāo)單元運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的阻力系數(shù)。

2.2.2.3 Circuitscape模型

Circuitscape模型是借鑒了電子電路理論的算法來預(yù)測異構(gòu)環(huán)境中的連通性的模型，可以通過其提供的相應(yīng)工具集來建立生態(tài)源地、生態(tài)廊道，識(shí)別待修復(fù)生態(tài)“夾點(diǎn)”區(qū)域、生態(tài)障礙點(diǎn)區(qū)域及生態(tài)斷裂點(diǎn)區(qū)域。

3 生態(tài)安全格局構(gòu)建

3.1 單要素生態(tài)安全格局構(gòu)建

3.1.1 水安全格局

3.1.1.1 雨洪安全

雨洪安全格局主要是利用SCS模型進(jìn)行構(gòu)建，一般步驟包括：利用GIS水文分析工具對(duì)數(shù)字高程模型DEM進(jìn)行分析，提取研究區(qū)內(nèi)的河網(wǎng)及流域；通過SCS模型計(jì)算每個(gè)匯流單元的產(chǎn)流量（R）和出水口匯流量（Q）；將水位面與地形海拔面相切，水位面高于地形面的點(diǎn)即屬于洪水淹沒范圍；推演出不同極端降雨量對(duì)應(yīng)各出水口對(duì)應(yīng)淹沒水位；按照不同淹沒區(qū)域形成隆回縣雨洪安全等級(jí)圖（圖2）。研究發(fā)現(xiàn)，隆回縣雨洪淹沒區(qū)主要分布于赧水、辰水、白竹河沿線的桃洪、北山、南岳廟、三閣司、六都寨、七江、司門前等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，高坪、巖口、金石橋、鴨田、灘頭等鄉(xiāng)鎮(zhèn)也存在一定的雨洪淹沒風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.1.2 水源保護(hù)安全

水源保護(hù)是對(duì)江、河等水體上游(或源頭)地區(qū)周圍環(huán)境的保護(hù)，其目的是為了保蓄和增加上游清潔用水量，使下游有足夠的清水徑流排放，提高下游水體對(duì)污染物的推移、稀釋和擴(kuò)散能力。水源保護(hù)安全格局的構(gòu)建主要是通過GIS緩沖區(qū)、疊加、重分類等工具，對(duì)影響水源安全的河流、湖泊、濕地、水庫、飲用水水源地等因子進(jìn)行分析，其中河流緩沖區(qū)寬度參考相關(guān)研究設(shè)置為50米（表2）,最終形成水源保護(hù)安全格局等級(jí)劃分。研究發(fā)現(xiàn)，隆回縣水源保護(hù)安全重要區(qū)域主要位于西洋江的木瓜山水庫、辰水、赧水和白竹河等河段，其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有少量分布。

表2 河流緩沖區(qū)適宜寬度值

3.1.2 地質(zhì)災(zāi)害安全格局

地質(zhì)災(zāi)害安全格局構(gòu)建主要包括水土流失敏感性與泥石流敏感性兩個(gè)部分的評(píng)價(jià)，通過疊加分析，最終形成隆回縣綜合地質(zhì)災(zāi)害安全格局。從分析結(jié)果可知，主要受地形和土質(zhì)條件影響，隆回縣地質(zhì)災(zāi)害安全水平低的地區(qū)主要位于縣域西北山地的大水田、麻塘、司門前、西洋江等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，北部山地的鴨田、金石橋、羊古坳等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其他丘陵山地有少量分布。

3.1.3 生物保護(hù)安全格局

生物保護(hù)安全格局的研究，是建立在生態(tài)系統(tǒng)學(xué)、“源地-阻力面-廊道”范式、最小累積阻力模型、電路理論等理論基礎(chǔ)上的。首先利用“三調(diào)”成果，根據(jù)其用地類型特征賦予不同的棲息地分值和阻力分值；使用Circuitscape插件的Resistance and Habitat Calculator模型來識(shí)別生物核心生態(tài)源地和構(gòu)建生態(tài)阻力面；之后再利用插件中的Linkage Mapper模塊構(gòu)建生態(tài)廊道；最終形成由生態(tài)源地和生態(tài)廊道構(gòu)成的基礎(chǔ)生物保護(hù)安全格局。其中可以使用Pinchpoint Mapper模塊識(shí)別待修復(fù)的生態(tài)“夾點(diǎn)”（關(guān)鍵點(diǎn)），也可以使用Barrier Mapper模塊識(shí)別待修復(fù)障礙區(qū)域。

從分析結(jié)果可以看出，隆回縣生物棲息生態(tài)源地主要包括白馬山——大東山、虎形山、祖山牌——五峰寨山、九龍山——伏龍山、望云山——桐鳳山、天龍山——芙蓉山等。生態(tài)廊道連接各大生態(tài)源地，呈現(xiàn)出三橫兩縱的空間特征。生態(tài)廊道沖突點(diǎn)主要位于境內(nèi)滬瑞高鐵、懷邵高速公路、S312及S242沿線，縱橫交錯(cuò)的交通設(shè)施對(duì)生物流動(dòng)的暢通和安全性造成了威脅；從生態(tài)夾點(diǎn)來看，研究共識(shí)別出生態(tài)“夾點(diǎn)”（關(guān)鍵點(diǎn)）共22處，其中待修復(fù)生態(tài)夾點(diǎn)（沖突點(diǎn)）10處。這些生態(tài)夾點(diǎn)均處于低阻力值與高阻力值相交區(qū)域，是廊道與源地的連通性關(guān)鍵位置，對(duì)其進(jìn)行保護(hù)與修復(fù)對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)連通性和整體功能具有重要意義。

3.1.4 鄉(xiāng)土文化景觀安全格局

目的是以重要鄉(xiāng)土文化景觀為核心，建立鄉(xiāng)土文化安全與景觀遺產(chǎn)的整體保護(hù)格局。利用歷史文化旅游資源調(diào)查數(shù)據(jù)作為鄉(xiāng)土文化景觀的“源”，以土地覆蓋類型與道路為阻力因素，制定相關(guān)的阻力系數(shù)，并建立最小累計(jì)阻力模型。

從研究結(jié)果來看，隆回縣鄉(xiāng)土文化景觀低安全水平主要包括虎形山-花瑤風(fēng)景名勝區(qū)、望云山森林公園、白馬山森林公園、魏源湖國家濕地公園、紫鵲界梯田-梅山龍宮風(fēng)景名勝區(qū)、歷史名人故居、各類寺廟、宗祠、塔、水庫等區(qū)域。

3.2 綜合生態(tài)安全格局構(gòu)建

在完成水安全、地質(zhì)災(zāi)害安全、生物保護(hù)安全和鄉(xiāng)土文化景觀安全格局的基礎(chǔ)上，對(duì)各單一因素生態(tài)安全格局進(jìn)行空間疊加分析（圖1），最終形成具有多種功能的綜合生態(tài)安全格局（圖2）。從圖中可以看出，隆回縣生態(tài)安全格局在空間結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出“兩屏五帶多廊”的形態(tài)（圖3）。即“兩屏”：雪峰山余脈生態(tài)屏障和九龍山山地生態(tài)屏障；“五帶”：虎形山、望云山、天龍山、伏龍山和南部丘崗生態(tài)綠隔帶；“多廊”：各類水系和生物遷徙等生態(tài)廊道。這類地區(qū)屬于區(qū)域性的生態(tài)安全屏障，具有全域的生態(tài)安全格局和局部突出的生態(tài)環(huán)境戰(zhàn)略意義，應(yīng)在后期的生態(tài)保護(hù)治理工程中予以重點(diǎn)考慮。

圖1 單要素格局疊加

圖2 綜合生態(tài)安全格局圖

圖3 生態(tài)安全空間結(jié)構(gòu)圖

4 生態(tài)修復(fù)策略

遵循“山水林田湖草生命共同體”理念，圍繞“人與自然和諧共生、人類社會(huì)永續(xù)發(fā)展”的目標(biāo)。以“問題”為導(dǎo)向，在明確隆回縣現(xiàn)狀生態(tài)安全顯著問題基礎(chǔ)上，結(jié)合礦山及流域生態(tài)修復(fù)、森林保育、城鄉(xiāng)人居環(huán)境品質(zhì)提升、土地綜合整理、自然災(zāi)害防治等因素，綜合劃定隆回縣生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)區(qū)域。如圖4所示。

圖4 生態(tài)修復(fù)示意圖

4.1 地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)修復(fù)區(qū)

采取擋土墻、攔沙壩和植樹種草等措施對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)點(diǎn)進(jìn)行集中治理和管理，達(dá)到防止水土流失和巖石荒漠化、減少地質(zhì)災(zāi)害，美化生態(tài)環(huán)境的目的。

4.2 洪澇災(zāi)害整治修復(fù)區(qū)

通過修建水庫、塘壩、截流溝等水利工程，結(jié)合田間工程和技術(shù)措施，攔蓄地表徑流，改善低洼地區(qū)的排水設(shè)施，充分合理利用水資源，改善生態(tài)環(huán)境，使水災(zāi)變成水利。

4.3 河道綜合治理修復(fù)帶

通過河道清淤疏浚、沿線濱水植被緩沖帶實(shí)施、環(huán)庫生態(tài)屏障以及濕地建設(shè)、污水凈化、兩岸水網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化、雨洪預(yù)警監(jiān)測平臺(tái)建立等措施改善水生態(tài)環(huán)境。

4.4 飲用水源修復(fù)點(diǎn)

加大隆回縣城現(xiàn)有飲用水源地和木瓜山水以及六都寨水庫保護(hù)力度；完善木瓜山水庫灌區(qū)設(shè)施配套，加快農(nóng)田水利基本建設(shè)，建設(shè)灌區(qū)節(jié)水配套工程干、支渠襯砌防滲；加強(qiáng)對(duì)木瓜山水庫的擴(kuò)容、六都寨水庫庫區(qū)生態(tài)資源的保護(hù)，控制工礦業(yè)廢水、生活污水、畜禽魚網(wǎng)箱養(yǎng)殖廢水的無序排放。

4.5 礦山環(huán)境治理點(diǎn)

重點(diǎn)對(duì)砂石土礦等行業(yè)進(jìn)行監(jiān)管；加強(qiáng)對(duì)礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)影響區(qū)域未利用土地的環(huán)境監(jiān)督，嚴(yán)格防止礦產(chǎn)資源開發(fā)污染土壤，全面整治尾礦、紅泥等固體廢物貯存場所，完善防止分散、流失、滲漏設(shè)施；推進(jìn)礦產(chǎn)土壤污染診斷、風(fēng)險(xiǎn)管控、治理和整治項(xiàng)目。按照“誰破壞，誰治理”的原則，明確礦權(quán)所有人對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境治理的責(zé)任，扎實(shí)推進(jìn)綠色礦山建設(shè)。

4.6 生態(tài)廊道沖突點(diǎn)

結(jié)合生態(tài)建設(shè)理念，合理布置生態(tài)沖突點(diǎn)附近的交通道路綠化設(shè)施，增加或拓寬道路防護(hù)、綠化帶，利用立交橋、涵洞修建拱形涵洞生態(tài)通道，確保生物遷移通道暢通；依據(jù)區(qū)域選擇性降低車輛行駛限速標(biāo)準(zhǔn)，減弱噪聲、粉塵、廢氣對(duì)生態(tài)“源”的影響；定期開展野生動(dòng)物監(jiān)測，及時(shí)消除干擾因素。

4.7 生態(tài)廊道關(guān)鍵點(diǎn)

生態(tài)廊道關(guān)鍵點(diǎn)是核心生態(tài)“源”地與外界聯(lián)系的重要門戶，可在其周圍一定范圍內(nèi)設(shè)置生態(tài)緩沖區(qū)，減緩?fù)獠恳蛩貙?duì)核心生態(tài)源地內(nèi)部生態(tài)環(huán)境的影響，確保和增強(qiáng)核心區(qū)域的生態(tài)自我修復(fù)能力；關(guān)鍵點(diǎn)區(qū)域可適當(dāng)實(shí)行退耕還林、還草工程，農(nóng)田整治、防護(hù)林建設(shè)工程，垃圾、污水處理綜合整治工程，改善源地-廊道連接的生態(tài)穩(wěn)定性。

4.8 人居環(huán)境綜合修復(fù)點(diǎn)

修復(fù)城鎮(zhèn)生態(tài)格局，優(yōu)化景觀環(huán)境，結(jié)合水網(wǎng)，布置綠化廊道，打造城市呼吸的綠色通道，與山體、公園、綠帶一起構(gòu)成城市的綠網(wǎng)體系；恢復(fù)閑置用地，優(yōu)先發(fā)揮城市綠地、公共空間等功能，合理規(guī)劃城市生態(tài)空間，形成生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建全新的生態(tài)格局。

4.9 鄉(xiāng)土文化景觀修復(fù)點(diǎn)

以創(chuàng)造恬靜、適宜、自然的生產(chǎn)生活環(huán)境為目標(biāo)，在充分尊重鄉(xiāng)土景觀的地域文化特性的基礎(chǔ)上，展現(xiàn)鄉(xiāng)村獨(dú)特的景觀風(fēng)貌。對(duì)重要公共活動(dòng)空間、民居外立面、道路鋪裝及綠化植被進(jìn)行改造和提升，保留和發(fā)揚(yáng)原有的地域文化特色；挖掘和提煉村莊自身的自然人文要素符號(hào)及鄉(xiāng)土建筑特色，以改善鄉(xiāng)村人居環(huán)境為重點(diǎn)，兼顧村民實(shí)用和現(xiàn)代審美的需要，將村民生活與環(huán)境建設(shè)完美結(jié)合，營造“一村一品”的鄉(xiāng)村風(fēng)貌。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

本文基于流域水文、最小累積阻力、電路理論等模型，構(gòu)建了各單要素安全格局，通過空間疊加分析，進(jìn)一步構(gòu)建出隆回縣綜合生態(tài)安全格局，判別了研究區(qū)內(nèi)雨洪、地質(zhì)、生態(tài)保護(hù)、鄉(xiāng)土文化等生態(tài)安全基本要素與阻礙生態(tài)過程的障礙區(qū)，并提出了相應(yīng)生態(tài)保護(hù)修復(fù)策略。主要得到如下結(jié)論：

5.1.1 隆回縣生態(tài)保護(hù)安全格局總面積984.01 km2，在空間結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出“兩屏五帶多廊”的形態(tài)。其中生態(tài)源地面積544.43 km2，是保障區(qū)域生態(tài)安全的底線生態(tài)用地，主要分布于縣域北部和西部的山地；生態(tài)廊道66條，空間上整體呈現(xiàn)明顯的相似性，主要分布于植被覆蓋較好的區(qū)域，但在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)部也存在一定的差異。

5.1.2 識(shí)別了待修復(fù)生態(tài)區(qū)域及關(guān)鍵點(diǎn)包括：地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)修復(fù)區(qū)面積45.33 km2，重點(diǎn)涉及虎形山，小沙江、金石橋、鴨田、司門前、大水田、六都寨、西洋江、荷香橋、橫板橋等鄉(xiāng)鎮(zhèn)；洪澇災(zāi)害整治修復(fù)區(qū)面積24.50 km2,主要位于赧水、辰水、白竹河沿線；河道綜合治理修復(fù)帶101.36 公里：包括赧水、辰水、白竹河沿岸地區(qū)；飲用水源修復(fù)點(diǎn)5處，主要涉及大水田、六都寨、七江、桃洪等鄉(xiāng)鎮(zhèn)；礦山環(huán)境治理點(diǎn)5處，主要涉及司門前、七江鄉(xiāng)、金石橋、高坪、北山等鄉(xiāng)鎮(zhèn)；生態(tài)廊道沖突點(diǎn)13處，待修復(fù)生態(tài)夾點(diǎn)10處，主要位于境內(nèi)滬瑞高鐵、懷邵高速公路、S312及S242沿線；人居環(huán)境綜合修復(fù)點(diǎn)21處，鄉(xiāng)土文化景觀修復(fù)點(diǎn)28處，縣域內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有涉及。

5.1.3 結(jié)合生態(tài)安全格局空間分布特征，分別提出針對(duì)各類生態(tài)保護(hù)修復(fù)的提升方向及策略等。

5.2 討論

本文從生態(tài)系統(tǒng)的整體性和連通性角度出發(fā)，綜合識(shí)別了生態(tài)安全格局的基本構(gòu)成要素及生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域，相較傳統(tǒng)的針對(duì)某一具體生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程更具系統(tǒng)性和全局性；所選取的生態(tài)源地與研究區(qū)域生態(tài)保護(hù)紅線的空間范圍基本一致，待修復(fù)生態(tài)“夾點(diǎn)”、生態(tài)障礙區(qū)均得到了當(dāng)?shù)毓芾聿块T的證實(shí)和認(rèn)可，研究對(duì)于指導(dǎo)生態(tài)保護(hù)修復(fù)和綜合治理工作具有重要意義。

需要指出的一些問題：文中識(shí)別出的生態(tài)廊道及寬度仍有待進(jìn)一步優(yōu)化；尚未融入?yún)^(qū)域生態(tài)戰(zhàn)略地位、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益等因素；未構(gòu)建基于生態(tài)安全格局的生態(tài)修復(fù)分區(qū)；以上這些方面在今后的研究中需進(jìn)一步深入討論。