周青青 陳仲光 張文兵 陳佳佳 董建文

1 中國城市建設(shè)研究院有限公司福建分院 福州 350001

2 福建農(nóng)林大學(xué)藝術(shù)學(xué)院園林學(xué)院 (合署) 福州 350007

3 福建省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳 福州 350001

4 廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 福建漳州 363105

快速城市化過程對綠地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的消極影響， 聯(lián)合國環(huán)境署指出生態(tài)景觀的破碎化已經(jīng)成為全球五大新興環(huán)境問題之一。 目前， 國內(nèi)外對城市綠地的研究主要集中在綠地可達(dá)性[1]、低影響開發(fā)[2]、 綠色基礎(chǔ)設(shè)施[3]、 對人體健康的影響[4]等小尺度方面。 隨著城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃的重心從中心城區(qū)擴(kuò)展到市域?qū)用鎇5]， 基于市域生態(tài)連接性原理的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建逐漸受到重視。 同時， 諸多研究指出保護(hù)自然水系統(tǒng)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有積極作用[6]， 加之海綿城市建設(shè)要求滲透到我國城鄉(xiāng)規(guī)劃的諸多領(lǐng)域， 因此， 城市綠地系統(tǒng)已經(jīng)成為城市水環(huán)境生態(tài)載體之一[7]， 城市藍(lán)綠系統(tǒng)的交織也越發(fā)緊密， 但市域范圍水文資料的缺乏成為綠地系統(tǒng)和水系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的主要瓶頸。 近年來， 市域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究主要以綠網(wǎng)為主[8-9]， 關(guān)于如何以開源數(shù)據(jù)識別市域藍(lán)網(wǎng)， 實現(xiàn)城市藍(lán)綠系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的研究還存在一定空白。本文以福州市綠地系統(tǒng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建為例， 基于開源DEM 高程數(shù)據(jù)識別城市藍(lán)網(wǎng)， 基于土地利用數(shù)據(jù)識別城市綠網(wǎng)， 通過定量分析和人工選取，識別出對城市藍(lán)網(wǎng)有重要意義的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)， 在藍(lán)綠網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合方面探索復(fù)合型生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的可能性。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)源于地理空間數(shù)據(jù)云90 m 分辨率高程數(shù)據(jù)、 遙感影像 (美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站https:/ /glovis.usgs.gov/app) 以及清華大學(xué)2017年的全國土地調(diào)研數(shù)據(jù)[10]。

1.2 研究方法

本文通過Conefor2.2 計算出源地重要性指數(shù)dPC， 基于重力模型計算出源地之間的引力值Gab， 通過 ArcGIS 生成綠網(wǎng)和藍(lán)網(wǎng)， 并在綜合評估dPC值、Gab值和藍(lán)網(wǎng)保護(hù)的基礎(chǔ)上開展生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)景模擬， 最后， 通過網(wǎng)絡(luò)分析方法確定生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和生態(tài)戰(zhàn)略點。

1.2.1 基于連通性指數(shù)識別源地重要性指數(shù)dPC

本文將福州市域范圍內(nèi)各類生態(tài)區(qū)域作為生態(tài)源地備選地， 通過校核土地利用和現(xiàn)場勘察， 選取18 個生態(tài)源地， 選取原則為: 1) 將地理空間上連續(xù)且重疊的生態(tài)源地并為1 個；2) 如果合并后生態(tài)源地地理空間上呈現(xiàn)狹長形狀， 為降低源點概化后的誤差性， 在核對土地利用圖和現(xiàn)狀情況后， 將生態(tài)性較低且利用率較高的區(qū)域作為斷點， 劃分為多個源地； 3)校核現(xiàn)狀用地情況， 剔除現(xiàn)狀已經(jīng)被大規(guī)模使用的區(qū)域。 采用生態(tài)源地重要度指數(shù)為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)景模擬提供參考數(shù)據(jù)[11]， 計算公式如下:

式 (1) 和式 (2) 中:PC為全局可能連通指數(shù)；n為景觀中斑塊總數(shù)；Pij為生態(tài)源地i和j連接的最大可能性；ai為生態(tài)源地i的面積；aj為生態(tài)源地j的面積；A為研究區(qū)域面積；dPC為生態(tài)源地重要度；PCremove為去除單個生態(tài)源地后剩余生態(tài)源地的整體指數(shù)值。 計算過程通過Conefor2. 2 實現(xiàn)， 識別結(jié)果如圖1所示。

圖1 生態(tài)源地dPC 計算結(jié)果示意

1.2.2 基于最小阻力模型識別綠網(wǎng)

最小阻力模型 (Minimal Cumulative Resistance，MCR) 是一種基于網(wǎng)絡(luò)地圖的計算公式， 用以衡量各種景觀用地類型對于水平生態(tài)過程的阻力值[12-13]， 計算公式如下:

式 (3) 中:VMCR為最小累計阻力值；f為最小累計阻力與生態(tài)過程的正相關(guān)函數(shù)；Dij為源地i到j(luò)的空間距離；Ri為源地i的阻力值， 本文取主導(dǎo)源地土地類型的阻力值。

本文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上[14-15]構(gòu)建福州土地利用的阻力值， 在ArcGIS 中生成阻力面， 并通過“Spatial Analyst-距離分析” 中的 “成本距離” 和“成本路徑” 生成綠網(wǎng) (圖2)。

圖2 福州市生態(tài)阻力值體系和綠網(wǎng)構(gòu)建圖

1.2.3 基于水文分析方法識別藍(lán)網(wǎng)

1) 干流河網(wǎng)校正方法。 本文基于地理空間數(shù)據(jù)云90 m 分辨率高程數(shù)據(jù)， 選取3 條干流上游為起點， 以入?？跒榻K點， 高程數(shù)據(jù)低值對應(yīng)阻力低值， 通過 ArcGIS 中的 “成本距離” 和 “成本路徑” 生成模擬干流， 并校核TM 遙感影像和地形數(shù)據(jù)， 實現(xiàn)對干流河網(wǎng)的校正。

2) 支流河網(wǎng)和徑流網(wǎng)識別。 基于DEM 高程數(shù)據(jù)， 通過ArcGIS 的水文分析工具， 識別市域范圍內(nèi)的河谷位置； 同時疊加山體陰影圖， 實現(xiàn)支流河網(wǎng)和徑流網(wǎng)的識別。

1.2.4 基于重力模型識別備選生態(tài)網(wǎng)絡(luò)

近年來， 一些學(xué)者將重力模型用于生態(tài)規(guī)劃領(lǐng)域， 并對公式進(jìn)行校正[9]， 計算公式為:

式 (4) 中:Gab為源地a和b之間的相互作用力；LMax為廊道阻力的最大值；Sa為源地a的面積；Sb為源地b的面積；Lab為源地a至b之間的廊道阻力值 (其可基于阻力面距離， 采用ArcGIS中Spatial Analysis 提取至點命令獲得)；Pa和Pb為源地a和b的阻力值。 將GIS 中提取的Lab值帶入重力模型進(jìn)行計算。

在綠網(wǎng)中選取重要的廊道構(gòu)成備選生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(圖3)， 構(gòu)建原則為: 1) 優(yōu)先將重要性指數(shù)dPC值高的源地納入； 2) 優(yōu)先將源地之間引力值Gab高的綠色廊道納入； 3) 優(yōu)先選擇與主支流平行的廊道， 優(yōu)先選取位于藍(lán)網(wǎng)密集區(qū)域的廊道； 4)當(dāng)候選網(wǎng)絡(luò)中相鄰距離區(qū)域周圍有多個近似平行廊道時， 僅選擇其中1 條廊道； 5) 當(dāng)2 個源地之間的1 條廊道近似于由它們和另一個源地連接的2 條廊道時， 優(yōu)先選取后者的2 條廊道。

圖3 備選生態(tài)網(wǎng)絡(luò)

1.2.5 基于網(wǎng)絡(luò)分析方法確定生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本研究模擬4 種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)情景。 采用網(wǎng)絡(luò)分析方法評價生態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖譜連接度水平[16]， 計算公式如式 (5) 至式 (8):

式 (5) 至式 (8) 中:a為網(wǎng)絡(luò)閉合度指數(shù)；l為廊道數(shù)；v為生態(tài)源地數(shù)量；β為每個生態(tài)源地平均連線數(shù)；γ為所有生態(tài)源地被連接指數(shù)；lmax為最大可能連接數(shù)；CR為成本比指數(shù)Cost Ration (反映網(wǎng)絡(luò)的有效性)；d為網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中所有連接網(wǎng)絡(luò)累計阻力Lab的總和。

1.2.6 基于水平生態(tài)過程和地理表面特征理論識別生態(tài)戰(zhàn)略點

Forman[17]、 俞孔堅[18]和 Knaapen[6]等都提出結(jié)構(gòu)性生態(tài)戰(zhàn)略點的識別方法， 可概括為2 類:一類為現(xiàn)狀戰(zhàn)略點， 是生態(tài)網(wǎng)絡(luò)之間的交點； 另一類為最小極大值生態(tài)戰(zhàn)略點， 即建立與綠網(wǎng)阻力值體系為倒數(shù)關(guān)系的反阻力值體系， 生成的最小阻力廊道為最小極大值廊道， 通過疊加最小極大值阻力廊道和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)識別出最小極大值生態(tài)戰(zhàn)略點， 該點可視為生態(tài)功能薄弱處。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠網(wǎng)識別

根據(jù)綠網(wǎng)識別結(jié)果 (圖4)， 中心城區(qū)北面和西南面的山體是綠網(wǎng)密集處， 該山體與閩江共同構(gòu)成福州市中心城區(qū)的山水骨架。 旗山森林公園西南面林區(qū)、 福州國家森林公園、 連江山仔黛山景區(qū)、 敖江流域水域涵養(yǎng)與森林區(qū)、鼓山東北面林區(qū)和永泰清涼鎮(zhèn)林區(qū)是生態(tài)優(yōu)越區(qū)和綠網(wǎng)密集交錯區(qū)域， 對各生態(tài)源地的連接度起到重要作用。 連江縣和永泰縣區(qū)域存在生態(tài)沖突區(qū)， 由于建設(shè)用地較為分散， 形成綠網(wǎng)與建設(shè)用地交錯的情況， 對綠網(wǎng)的連接度存在較多的潛在威脅。

圖4 福州市綠網(wǎng)分析

2.2 藍(lán)網(wǎng)識別

藍(lán)網(wǎng)識別結(jié)果(圖5)表明，閩江最寬，橫穿福州市中心城區(qū)，其生態(tài)環(huán)境對中心城區(qū)具有重要影響。此外，大漳溪支流水系和徑流網(wǎng)最多，生態(tài)敏感度較高，位于福州市中心城區(qū)上游區(qū)域，但現(xiàn)狀河寬較窄，有較多斷流的情況；大漳溪匯水區(qū)域的水源涵養(yǎng)能力對福州市中心城區(qū)汛期的排洪具有重要影響，其本身干流不寬，是容易被忽略的水系。

圖5 支流河網(wǎng)和徑流網(wǎng)識別

將藍(lán)網(wǎng)識別結(jié)果與福州現(xiàn)狀河流平面圖對比并進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 通過DEM 高程識別出的主干藍(lán)網(wǎng)與現(xiàn)狀河網(wǎng)幾乎一致， 但部分河網(wǎng)支流和徑流網(wǎng)由于人類活動已經(jīng)遭到破壞， 形成局部植被破壞甚至斷流的情況。 因此， 將福州市流域分為以下3 類:

1) 生態(tài)保護(hù)良好型。 集中在鄉(xiāng)村及自然山體中， 其水質(zhì)清澈， 周邊植被未遭破壞， 具有豐富的生物多樣性。 整體河流自然蜿蜒曲折， 河流兩邊形成各類河漫灘， 生態(tài)環(huán)境良好。

2) 生態(tài)局部破壞型。 集中在城鎮(zhèn)郊區(qū)、 村莊及城鎮(zhèn)建成區(qū)， 流域兩側(cè)植物遭受破壞。 整體河流保有自然彎曲形態(tài)， 局部由于建設(shè)改道而變窄。城市建成區(qū)由于防洪需求， 許多駁岸使用了防洪的水泥垂直駁岸， 生態(tài)環(huán)境被破壞， 影響部分流域的自凈和調(diào)蓄能力。

3) 生態(tài)破壞嚴(yán)重型。 集中在鄉(xiāng)鎮(zhèn)建成區(qū)， 在調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)， 諸多通過DEM 高程數(shù)據(jù)識別出的支流和徑流網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)場已經(jīng)變成了人工設(shè)施，自然流域被改造成排水設(shè)施， 局部城市近郊區(qū)的河網(wǎng)分支遭到固體廢棄物堆積而形成斷流。

2.3 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)識別

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果， 確定情景2 為本研究最終的生態(tài)網(wǎng)絡(luò) (圖6)， 其連接17 個生態(tài)源地，共25 條生態(tài)廊道。 在藍(lán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中， 閩江最寬且橫穿城區(qū)， 對城區(qū)的影響最大。 大漳溪支流水系和徑流網(wǎng)最多， 匯流面積最廣， 位于中心城區(qū)上游，溪水匯流入閩江南港， 其河流的通暢度和匯水區(qū)的水源涵養(yǎng)能力對區(qū)域和中心城區(qū)的影響較大，故選取 “1-3-5-7-9-11-4-8-2” 生態(tài)網(wǎng)作為一級生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

圖6 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)及一級生態(tài)網(wǎng)絡(luò)

本文的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是基于城市綠網(wǎng)和藍(lán)網(wǎng)而識別的， 其中， 一級生態(tài)廊道 “6-8-4-11-9” 形成中心城區(qū)的南北屏障， 其原生山型山貌的保護(hù)應(yīng)作為重點。 一級生態(tài)廊道 “8-2-1-3-5-7-9”是大漳溪的水源涵養(yǎng)區(qū)， 由于其匯水面積較廣，對下游福州中心城區(qū)的防洪具有一定影響， 其匯水區(qū)范圍內(nèi)植被和天然徑流通道的保護(hù)是重點工作； 同時， 可基于原生洼地建設(shè)海綿型綠色基礎(chǔ)設(shè)施， 減輕大漳溪乃至中心城區(qū)閩江南港的排洪壓力。 此外， 廊道 “9-11” 是唯一橫穿中心城區(qū)的一級生態(tài)廊道， 其受建設(shè)用地影響較大， 生態(tài)建設(shè)難度高， 需跟城市建設(shè)結(jié)合， 并增加城市綠地用地 (G)， 防止被城市其他建設(shè)用地擠壓 (圖7)。

圖7 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中重點廊道保護(hù)類型

2.4 生態(tài)戰(zhàn)略點識別

1) 現(xiàn)狀生態(tài)戰(zhàn)略點識別。 基于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)和一級生態(tài)網(wǎng)絡(luò)， 共識別出8 處現(xiàn)狀生態(tài)戰(zhàn)略點 (圖8)。 對現(xiàn)狀土地利用和實地情況進(jìn)行校核， 發(fā)現(xiàn)8 處現(xiàn)狀生態(tài)戰(zhàn)略點生態(tài)良好， 符合現(xiàn)狀生態(tài)戰(zhàn)略點應(yīng)具備的生態(tài)特征； 同時還發(fā)現(xiàn)5 處生態(tài)源地 (6、 7、 8、 9 和 11) 雖然面積不大， 但對區(qū)域的水平生態(tài)過程具有中轉(zhuǎn)作用， 可視為生態(tài)源地型戰(zhàn)略點。

圖8 現(xiàn)狀生態(tài)戰(zhàn)略點和現(xiàn)狀生態(tài)源地型戰(zhàn)略點

2) 最小極大值生態(tài)戰(zhàn)略點識別。 通過疊加最小極大值阻力廊道和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)， 在重要交叉處共識別出9 個最小極大值生態(tài)戰(zhàn)略點 (圖9)， 并且都位于建設(shè)用地或生態(tài)用地零碎區(qū)， 為主要的潛在生態(tài)斷裂區(qū)， 需采用生態(tài)修復(fù)或增設(shè)生態(tài)用地的方法構(gòu)建生態(tài)踏腳石， 提高生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連接性。值得注意的是， 戰(zhàn)略點4 和5 位于中心城區(qū)閩江邊上， 不僅是一級生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點， 也是連接中心城區(qū)與區(qū)域生態(tài)綠地之間的重要節(jié)點， 但現(xiàn)狀生態(tài)脆弱、 建設(shè)難度大， 應(yīng)結(jié)合濱水濕地修復(fù)和城市綠地建設(shè)。

圖9 ArcGIS 中最小極大值廊道識別

3 討論

以科學(xué)的量化方法將生態(tài)網(wǎng)絡(luò)及戰(zhàn)略點作為綠地系統(tǒng)區(qū)域性大尺度的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行識別， 是城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃和建設(shè)的基礎(chǔ)， 特別是在國土空間開發(fā)保護(hù)制度改革背景下[19]， 科學(xué)量化識別出需要保護(hù)和修復(fù)的綠色區(qū)域， 是以生態(tài)文明建設(shè)的方式推動城市化的有效途徑之一。

本研究將網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法引入城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃中， 形成量化構(gòu)建綠地系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方法體系。 同時， 在水文數(shù)據(jù)缺乏的情況下， 探索了以開源的DEM 數(shù)據(jù)識別市域藍(lán)網(wǎng)的量化方法， 實現(xiàn)了將藍(lán)網(wǎng)作為確定綠地系統(tǒng)關(guān)鍵生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的依據(jù)之一， 在一定程度上實現(xiàn)了城市藍(lán)綠網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)結(jié)合。 通過藍(lán)網(wǎng)識別結(jié)果與現(xiàn)場勘察的對比， 發(fā)現(xiàn)識別成果與現(xiàn)狀基本符合； 同時還可識別出已經(jīng)被破壞的支流和地表徑流的路徑， 為城市綠地系統(tǒng)的生態(tài)恢復(fù)提供指導(dǎo)。 此外， 通過藍(lán)網(wǎng)的識別， 發(fā)現(xiàn)寬度較窄的大漳溪由于支流密集， 涉及到的匯水區(qū)域面積較廣， 其匯水區(qū)的水源涵養(yǎng)能力對福州市中心城區(qū)排洪具有重要影響， 該識別結(jié)果對城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)及一級生態(tài)廊道的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要的影響。

DEM 數(shù)據(jù)藍(lán)網(wǎng)識別方法具有原始數(shù)據(jù)獲取無障礙、 研究區(qū)域可拓展的特點， 具有較強(qiáng)的可復(fù)制性， 為市域綠地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供區(qū)域水文參考， 推動城市綠地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)朝著更綜合和可量化的方向發(fā)展。 但本文在量化識別過程中不可避免地輔助數(shù)據(jù)概化和主觀判斷， 為提高識別過程的科學(xué)性還需進(jìn)一步研究和探索， 以更好地衡量客觀數(shù)據(jù)、 主觀判斷性和地域特殊性。

本研究還表明， 綠地系統(tǒng)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)具有復(fù)合性， 除藍(lán)網(wǎng)和綠網(wǎng)之外， 還包含游憩[20]、 特定物種棲息和遷徙[21]、 景觀[22]等元素。 因此， 為確保生態(tài)網(wǎng)絡(luò)功能的全面性， 需構(gòu)建多功能評價和耦合機(jī)制， 以更好地解決功能耦合、 保護(hù)和建設(shè)沖突等問題， 提高生態(tài)網(wǎng)絡(luò)識別和保護(hù)的科學(xué)性。

4 結(jié)論

本文以福州市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建為例， 選取18個生態(tài)源地， 基于 Conefor 和 ArcGIS 軟件平臺，將開源的土地利用數(shù)據(jù)和DEM 高程數(shù)據(jù)應(yīng)用于市域范圍綠網(wǎng)和藍(lán)網(wǎng)的識別， 最終通過重力模型和網(wǎng)絡(luò)分析方法確定了福州市的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 即25 條一級生態(tài)廊道、 8 處現(xiàn)狀生態(tài)戰(zhàn)略點、 5 處生態(tài)源地型戰(zhàn)略點， 以及9 個最小極大值生態(tài)戰(zhàn)略點。 通過對相關(guān)結(jié)果的分析， 還確定了福州市原生山貌重點保護(hù)廊道和水源涵養(yǎng)重點保護(hù)廊道，為福州市綠地系統(tǒng)的保護(hù)、 修復(fù)和建設(shè)提供參考。