基于層次分析-有序加權平均多準則評估的雄安新區(qū)生態(tài)安全格局模擬研究

李 皓,翟月鵬,楊小龍,董旭彤,楊 佳,馬子川,劉敬澤

1 河北師范大學生命科學學院,石家莊 050024 2 河北師范大學化學與材料科學學院,石家莊 050024

生態(tài)安全格局是指：為維持城市或區(qū)域生態(tài)安全,生態(tài)系統(tǒng)中各種土地利用類型的形狀、比例和空間配置[1—2]。因此,可通過設計土地利用開發(fā)強度或方式,來保障生態(tài)安全[3—4]?？傮w來看,生態(tài)安全格局具有如下特點：(1)綜合性。格局受生態(tài)系統(tǒng)物質、能量和信息流的綜合影響[5—6]；(2)權衡性。生態(tài)安全格局體現(xiàn)為：不同生態(tài)系統(tǒng)服務間的權衡,以及享用生態(tài)系統(tǒng)服務與承擔生態(tài)風險之間的權衡[7—8]；(3)情景性。應在不同目標情景下,討論生態(tài)安全格局問題[6]；(4)尺度性。不同尺度的生態(tài)過程涉及不同生態(tài)系統(tǒng)服務,因此應在具體的空間尺度上探討生態(tài)安全格局[4,9]。 近年來,國內外學者采用空間多準則評估、情景模擬和人工智能優(yōu)化等多種定量方法[1,6],模擬不同空間尺度的生態(tài)安全格局,取得了良好的效果[10—13],遙感大數(shù)據和云計算技術的興起,更極大地提高了工作效率[14]。

2017年4月1日,黨中央提出“建設雄安新區(qū)”國家重大戰(zhàn)略,計劃將新區(qū)建設成為綠色、生態(tài)、宜居新城區(qū),對于集中疏解北京非首都功能,具有重要意義[15]。顯然,構建穩(wěn)定、高效的生態(tài)安全格局,已成為雄安新區(qū)建設的當務之急。我國學者圍繞新區(qū)生態(tài)安全格局構建技術策略,進行了深入研究。盧慧婷等從新區(qū)、大清河流域和京津冀區(qū)域三個尺度,提出生態(tài)安全格局構建框架[1]；楊萌等則提出“大清河流域—新區(qū)—起步區(qū)”的生態(tài)基礎設施核心區(qū)識別技術體系[16]。然而,隨著建設的深入推進,新區(qū)將面臨不同程度的“保護”與“開發(fā)”目標沖突[17],目前尚缺乏一套能夠有效權衡二者矛盾的生態(tài)安全格局規(guī)劃方法。

因此,本研究在量化雄安新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務和生態(tài)風險的基礎上,采用空間多準則評估方法,根據不同“保護—開發(fā)”權衡水平,模擬新區(qū)生態(tài)安全格局,優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)服務供給,為新區(qū)建設決策提供充足依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

雄安新區(qū)位于華北平原腹地,距離北京105 km；包括河北省雄縣、容城、安新三縣,以及周邊部分區(qū)域,總面積1770 km2；按照規(guī)劃要求,新區(qū)將首先建設198 km2的起步區(qū),然后在其內部建設啟動區(qū)；新區(qū)屬于海河流域大清河水系,境內有重要的生態(tài)水體——白洋淀(圖1)。近年來,由于氣候干旱和人類活動干擾,造成新區(qū)生態(tài)安全格局受損,表現(xiàn)為：空氣污染、地下水超采、水質下降等,資源環(huán)境形勢嚴峻。

圖1 雄安新區(qū)位置圖Fig.1 Location of Xiong′an New Area

當前,雄安新區(qū)人均GDP及城鎮(zhèn)化率遠低于河北省和全國平均水平[18],發(fā)展需求強烈,建設空間充足。因此,2018年公布的《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》提出：到2035年,基本建成綠色低碳、宜居宜業(yè)、人與自然和諧共生的高水平社會主義現(xiàn)代化城市。然而,隨著新區(qū)建設的深入推進,勢必會帶來“保護—開發(fā)”矛盾,對新區(qū)生態(tài)安全格局產生不利影響。

1.2 空間數(shù)據預處理

本研究基于Google Earth Engine云計算平臺,以2019年Sentinel- 2無云影像(空間分辨率10 m)為數(shù)據源,采用隨機森林監(jiān)督分類算法(分類精度94%),建立雄安新區(qū)土地利用空間數(shù)據庫[14,19—20]。具體結果如圖2所示：

圖2 2019年雄安新區(qū)土地利用圖Fig.2 Land use map of Xiong′an New Area in 2019

各土地利用類型按面積大小依次為：耕地、未利用地、城鎮(zhèn)、水域、林地和草地。其中,耕地(1335 km2)占新區(qū)面積的75.4%,同樣反映出該地區(qū)以農業(yè)為主,城鎮(zhèn)化水平較低的發(fā)展現(xiàn)狀。

1.3 研究方法

空間多準則評估(Multicriteria Evaluation, MCE)指按照一定的決策規(guī)則,結合地理信息系統(tǒng)技術,對多個評估準則進行復雜空間運算,以有效權衡不同決策目標,確保最優(yōu)決策[13]。本研究的決策規(guī)則包括：層次分析(Analytic Hierarchy Process, AHP)和有序加權平均(Ordered Weighted Averaging, OWA)。其中,AHP對所有評估準則進行兩兩重要性比較,建立比較矩陣,通過矩陣運算求得準則權重,輔助最終決策[21]；OWA則充分考慮不同準則間的權衡作用,模擬不同的決策風險或情景,提供一整套連續(xù)的決策集[22],如圖3所示：

圖3 OWA決策空間示意圖Fig.3 Decision strategy space in OWAOWA：有序加權平均,Ordered Weighted Averaging

在此決策空間內,ω指準則權衡作用,α代表決策情景。當決策點在B、C間移動時,各準則權重的相對重要性會發(fā)生變化。其中,B點代表一種“風險規(guī)避”情景,結果必須滿足所有準則；而C點則恰好相反,表示“風險耐受”情景,結果只需滿足一條準則；當決策位于B、C之間的其它情景時,則反映了不同的“風險規(guī)避—風險耐受”權衡關系。特別是當處于A點時,各準則保持原有權重,相互不受影響,決策完全中立[23]。目前,AHP與OWA緊密結合,已廣泛應用于土地適宜性評價[23—24]、風險評估[25—26]和景觀規(guī)劃[27—28]等領域。

AHP-OWA法具體包括以下三步：準則選取、權重計算和準則聚集。

1.3.1準則選取

在系統(tǒng)、全面的基礎上,選取評估準則需要重點考慮其權衡特征。生態(tài)安全格局內部的權衡關系,如圖4所示：

圖4 生態(tài)安全格局的權衡關系Fig.4 Tradeoffs of ecological security pattern

一方面,不同生態(tài)系統(tǒng)服務供給可能存在較為復雜的權衡現(xiàn)象；另一方面,增加生態(tài)系統(tǒng)服務供給,是以控制人類或自然生態(tài)風險為條件換取的。在此基礎上,2020年8月,研究人員組織召開小型研討會,經水利、林業(yè)、農業(yè)、國土等領域專家共同協(xié)商,從“生態(tài)系統(tǒng)服務”和“生態(tài)風險”兩個方面,確定如下8條評估準則。

生態(tài)系統(tǒng)服務

a.產水

產水服務對于維持新區(qū)生態(tài)安全格局具有積極作用。本研究采用水量平衡法[29],通過計算降雨量與實際蒸散量之差,求得產水量,具體如(1)式所示：

(1)

式中,Yx為x像元的年產水量(mm)；Px為該位置的年降雨量(mm),采用保定市氣象站監(jiān)測數(shù)據,通過ArcGIS 10.2的克里金插值得到；AETx為該位置的年實際蒸散量(mm),根據修正的Hargreaves公式[30],代入年平均氣溫和Px計算得到。

b.固定碳匯

新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳匯服務越充足,生態(tài)安全格局越穩(wěn)定。本研究采用反映地上生物量的凈初級生產力(NPP)來測量碳匯服務,根據CASA模型[31],NPP可表示為(2)式：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(2)

式中,NPP(x,t)指x像元在t月份的凈初級生產力(g/hm2)；APAR(x,t)指在該位置和時間處的吸收有效光合輻射(MJ m-2a-1),根據光合有效輻射、吸收光合有效輻射比例等參數(shù)計算；ε(x,t)為光能利用率(%),參考朱文泉提出的中國典型植被類型光能利用率進行賦值[32]。

c.水質凈化

本研究以總氮(TN)和總磷(TP)輸出量為依據評估水質凈化服務,具體計算如(3)式：

ALVx=HSSx×polx

(3)

式中,ALVx為x像元調整后的TN、TP輸出量(kg/hm2)；HSSx為該位置的水文敏感性評分,由匯流量、坡度、土壤深度等參數(shù)確定[33]；polx為該位置的TN、TP輸出系數(shù)(kg/hm2)。顯然,TN和TP輸出量越低,水質凈化服務越強,新區(qū)生態(tài)安全格局越穩(wěn)定；反之,則不穩(wěn)定。

d.提供生境

物種越豐富,則生境質量越高,新區(qū)生態(tài)安全格局越穩(wěn)定。具體計算如(4)式：

(4)

式中,Qxj為j地類x像元的生境質量,Hj為j地類的生境適應性指數(shù),Dxj為j地類x像元的受威脅水平,z為模型定義常數(shù),k為半飽和常數(shù)。

以上除固定碳匯服務采用ArcGIS 10.4柵格計算外,其余均在InVEST模型相關模塊下完成[34]。

生態(tài)風險

e.到啟動和起步區(qū)的距離

地塊到啟動和起步區(qū)的距離,反映了新區(qū)建設帶來的生態(tài)風險。距離越近,生態(tài)風險越高,增加了生態(tài)安全格局的不穩(wěn)定性；反之,則維護了穩(wěn)定性。

f.到村莊的距離

同上,距離村莊越近,則人為干擾風險越高,新區(qū)生態(tài)安全格局越不穩(wěn)定；反之,則越穩(wěn)定[27]。以上三類距離均采用ArcGIS 10.4中的歐氏距離模塊計算。

g.人口密度

人口密度一定程度上反映了人類社會經濟系統(tǒng)對資源環(huán)境的潛在壓力[27]。人口密度越大,對于維護新區(qū)生態(tài)安全格局越不利；反之,則越有利。本研究人口密度柵格數(shù)據(100m分辨率)從Worldpop數(shù)據庫中提取[35]。

最后,需要對上述柵格數(shù)據進行歸一化處理,以消除不同單位的影響,具體如(5)式所示[36]：

(5)

式中,xi是準則的歸一化值,Ri指準則原始值,Rmax和Rmin分別代表準則最大值和最小值,NR指歸一值的范圍[0,1]。

1.3.2權重計算

AHP-OWA法同時需要準則和次序權重來完成計算。首先,采用AHP法計算準則權重,以衡量不同準則對于決策結果的影響。本研究對以上準則進行兩兩重要性比較,并按表1標準賦予所有準則對重要性分值。

表1 AHP配對比較分值標準

不同分值表示不同準則對的相對重要性變化。例如,1/9表示準則1與準則2相比,前者是極端不重要的,以此類推,當分值從左向右變化時,準則1相較于準則2的重要性逐步增加,直至最右端的極端重要(9)。由此可得到由各準則對比較分值組成的配對比較矩陣,如表2所示：

表2 AHP配對比較矩陣

由于此矩陣完全對稱,因此通常只沿對角線計算一半。通過求解該矩陣最大特征值對應的歸一化特征向量,可得到準則權重。在此基礎上,為保證打分結果的前后一致,矩陣需滿足一致性比率CR<0.1的要求,否則,需要重新打分[21]。在2020年8月的小型研討會上,由所有與會專家共同協(xié)商確定各準則對的比較分值,完成構建配對比較矩陣,有效確保了結果準確。

其次,次序權重不僅反映了準則間的相互影響,而且進一步量化了不同情景下決策目標的權衡關系,以控制不同準則聚集,從而獲得更為客觀、精準的決策結果。需要注意的是,次序權重僅與所在位置或排序有關,而與準則類別和數(shù)值無關[22]。次序權重與α、ω之間的關系可表示為(6)—(8)式[25]。

(6)

(7)

(8)

式中,w表示次序權重,n為準則個數(shù)。本研究采用What′s Best 14.0優(yōu)化計算軟件,編程求解上述非線性聯(lián)立方程組,可得到不同α和n條件下的最優(yōu)次序權重。

1.3.3準則聚集

本研究采用加權OWA(Weighted OWA, WOWA)來聚集準則和次序權重,能夠獲得不同情景下的空間決策結果[25],具體如(9)式所示：

(9)

式中,uj和zij分別表示經過降序排列的準則權重和原始準則值。以上準則權重和聚集計算均在IDRISI 18.21軟件下完成。

2 結果

2.1 評估準則歸一化

各準則的歸一化結果如圖5所示：

圖5 歸一化的評估準則柵格圖Fig.5 Raster maps of normalized criteria

白洋淀保護地具有與周邊區(qū)域顯著不同的產水、水質凈化和提供生境服務能力,顯示出該地具有較高的生態(tài)重要性,特別是白洋淀的提供生境服務明顯高于其它地區(qū),這主要是由于這里為各種水生動植物提供棲息地,具有較高生物多樣性的緣故。生態(tài)風險方面,啟動和起步區(qū)周邊具有明顯較高的生態(tài)風險,表明新區(qū)建設的影響范圍較廣；密集的村莊分布,導致人類干擾高風險區(qū)覆蓋了新區(qū)的絕大部分(圖5),將對生態(tài)安全格局產生一定影響。

2.2 準則權重

配對比較矩陣和準則權重計算結果,如表3所示：

表3 配對比較矩陣和準則權重結果

CR=0.03<0.1,表明打分結果一致性滿足要求。生態(tài)系統(tǒng)服務準則方面,水質凈化服務權重達0.3156,表明以白洋淀為重要載體的水質凈化服務,對于構建新區(qū)生態(tài)安全格局極端重要；就生態(tài)風險準則來說,到啟動和起步區(qū)距離分列前兩位(0.2745和0.1289),顯示專家較為關注新區(qū)建設對于當?shù)厣鷳B(tài)安全格局的潛在影響。

2.3 次序權重

不同α和ω水平下,最優(yōu)次序權重的計算結果如表4所示：

表4 不同決策情景(α)和權衡水平(ω)下的最優(yōu)次序權重(n=8)

不同α水平下,wj和ω均呈現(xiàn)出明顯的非線性變化特征,這實際上反映了“保護”與“開發(fā)”兩種規(guī)劃目標的復雜權衡關系,既要建設雄安新區(qū),也要維持當?shù)胤€(wěn)定的生態(tài)安全格局。隨著α從0到1變化,規(guī)劃目標從側重新區(qū)保護(α∈[0,0.5)),到中立(α=0.5),再到側重新區(qū)開發(fā)(α∈(0.5,1])(圖3),由此相應生成一系列空間決策結果。

2.4 準則聚集

通過計算WOWA,評估準則的空間聚集結果如圖6所示：

圖6 不同α水平的準則聚集結果Fig.6 Aggregation results of criteria at different α levels

WOWA實際上衡量了雄安新區(qū)不同位置(像元)的保護優(yōu)先性,隨著規(guī)劃目標從“保護”轉向“開發(fā)”,新區(qū)整體保護優(yōu)先水平呈下降趨勢,由此增加了生態(tài)安全格局的不穩(wěn)定性。當α=0時,優(yōu)先水平處于最高(WOWA≈1)(圖6),這實際上反映了一種“完全保護”的極端規(guī)劃目標,即優(yōu)先保護絕大多數(shù)新區(qū)土地,禁止開發(fā)行為；當α向0.5移動時,保護目標開始向中立目標轉變,逐步重視新區(qū)開發(fā),圖像表現(xiàn)為：越來越多像元的優(yōu)先水平不斷下降(圖6),這是由于規(guī)劃目標或準則間權衡作用(ω)不斷增強的結果；當α=0.5時,絕大多數(shù)像元處于中等優(yōu)先水平(WOWA≈0.5)(圖6),體現(xiàn)了一種完全中立的規(guī)劃目標,視新區(qū)保護和開發(fā)為同等重要,二者可以相同強度推進；與此相反,當α從0.5增加到1時,隨著權衡水平不斷下降,中立目標逐漸轉變?yōu)殚_發(fā)目標,新區(qū)開發(fā)需求開始超過保護需求,更多像元的優(yōu)先水平下降到0.5以下(圖6)；直到α=1時,所有像元的優(yōu)先水平降至最低(WOWA≈0)(圖6),此時體現(xiàn)了一種“完全開發(fā)”的極端觀點——決策者只關注新區(qū)開發(fā),而無視新區(qū)保護。

3 討論

本研究由于時間所限,僅邀請部分領域專家進行小范圍研討,確定了包含“生態(tài)系統(tǒng)服務”和“生態(tài)風險”內容的八條準則。生態(tài)安全格局不僅涉及土壤、水、生物、大氣等生態(tài)環(huán)境要素,而且關聯(lián)人口、收入、城鎮(zhèn)化、基礎設施等社會經濟因素[7]。因此,決策者今后應采用更為廣泛的參與式方法[37],與企事業(yè)單位、科研院所和社區(qū)代表等多利益相關方共同協(xié)商,在進一步細化生態(tài)安全格局內涵的基礎上,確定更為詳細的評估指標體系,為新區(qū)建設和保護提供充足技術支撐。

本研究按不同情景(α),提供了一整套連續(xù)的決策集(圖6),能夠靈活滿足各種條件下的保護和開發(fā)需求。顯然,“完全開發(fā)”決策(α=1)并不可取,不僅無法構建穩(wěn)定的生態(tài)安全格局,而且資金預算也不允許；同時,“完全保護”決策(α=0)則難以實現(xiàn)新區(qū)建設目標。實際上,α從0到1的決策變化,反映出開發(fā)優(yōu)先性的持續(xù)上升,是以有關生態(tài)系統(tǒng)服務損失和生態(tài)風險升高為代價換取的。因此,決策者應根據實際情況,科學平衡保護與開發(fā)需求,確定最優(yōu)建設方案。

水質凈化服務,以及到啟動和起步區(qū)距離的準則權重值較高,占總權重的71.9%,對生態(tài)安全格局具有重要影響。一方面,盡管白洋淀目前面臨：水體污染、濕地退化、水資源超載等一系列問題[1],但它依然承擔著產水、水質凈化和提供生境等關鍵生態(tài)系統(tǒng)服務供給(圖5)；另一方面,新區(qū)啟動和起步區(qū)建設產生的生態(tài)風險,其影響遠超各自的建設范圍(圖5),二者產生的高風險區(qū)(>0.5)分別占新區(qū)面積的49.7%和69.8%,將對本地生態(tài)安全產生廣泛影響。因此,在新區(qū)建設中,要特別注意對白洋淀的保護,并科學規(guī)劃啟動和起步區(qū)建設,以構建高效、穩(wěn)定的生態(tài)安全格局。

為了提供更為精準的規(guī)劃方案,本研究選取α=0.3、0.5和0.7時的準則聚集結果,以WOWA=0.33和0.66為斷點值,劃分出：優(yōu)先、適度和限制開發(fā)三類區(qū)域,如圖7所示：

圖7 不同情景下的開發(fā)優(yōu)先區(qū)空間分布Fig.7 Spatial distributions of development priority areas in different scenariosWOWA: 加權 Weighted OWA

無論哪一個情景,啟動和起步區(qū)均表現(xiàn)為適宜或優(yōu)先開發(fā),這也從另一個角度說明相關準則對于決策結果具有較大影響。α=0.3時,體現(xiàn)了一種“保護優(yōu)先”的規(guī)劃思路,限制開發(fā)區(qū)占新區(qū)面積的32.2%,其中白洋淀又占限制開發(fā)區(qū)的19.9%,這不僅進一步印證了白洋淀的生態(tài)重要性,更與國家加強白洋淀治理和保護的精神相吻合。而當位于“中立”(α=0.5)和“開發(fā)優(yōu)先”情景時(α=0.7)(圖7),限制開發(fā)區(qū)則大幅下降為7.2%和0.0%。顯然,過度開發(fā)會對新區(qū)生態(tài)安全格局產生不利影響。因此,具體的新區(qū)開發(fā)規(guī)劃應基于“綠色生態(tài)宜居新城區(qū)”的建設目標,在“保護優(yōu)先”區(qū)間內(α∈(0,0.5)),結合重要保護區(qū)域(如：白洋淀)、現(xiàn)有保護規(guī)劃(如：生態(tài)保護紅線)和資金預算等共同確定,并審慎實施。

4 結論

本研究在量化生態(tài)系統(tǒng)服務和生態(tài)風險的基礎上,采用層次分析(AHP)和有序加權平均(OWA)相結合的空間多準則評估方法,探討了雄安新區(qū)生態(tài)安全格局模擬問題,形成如下結論：(1)由于生態(tài)安全格局涉及眾多專業(yè)領域,因此決策過程應采用參與式方法,在細化格局內涵的基礎上,建立包含生態(tài)環(huán)境和社會經濟因素在內的綜合指標體系,奠定格局構建的決策基礎；(2)OWA沿不同決策風險水平(α∈[0,1]), 提供了一整套“完全保護—中立—完全開發(fā)”的空間決策集,定量揭示“保護—開發(fā)”權衡關系,為新區(qū)建設提供充足決策支持；(3)白洋淀保護地、啟動和起步區(qū)建設,會對新區(qū)生態(tài)安全格局產生重要影響,所以應對白洋淀進行重點保護,并科學規(guī)劃啟動和起步區(qū)建設；(4)在“綠色生態(tài)宜居新城區(qū)”目標指引下,今后新區(qū)建設方案應以“保護優(yōu)先”為基本原則,結合重要區(qū)域、現(xiàn)有規(guī)劃和資金預算等要素共同確定,實現(xiàn)保護與開發(fā)的“雙贏”。