基于城市蓝网保护的福州市重要生态网络识别*

周青青 陈仲光 张文兵 陈佳佳 董建文

1 中国城市建设研究院有限公司福建分院 福州 350001

2 福建农林大学艺术学院园林学院 (合署) 福州 350007

3 福建省住房和城乡建设厅 福州 350001

4 厦门大学嘉庚学院 福建漳州 363105

快速城市化过程对绿地生态系统产生巨大的消极影响， 联合国环境署指出生态景观的破碎化已经成为全球五大新兴环境问题之一。 目前， 国内外对城市绿地的研究主要集中在绿地可达性[1]、低影响开发[2]、 绿色基础设施[3]、 对人体健康的影响[4]等小尺度方面。 随着城市绿地系统规划的重心从中心城区扩展到市域层面[5]， 基于市域生态连接性原理的生态网络构建逐渐受到重视。 同时， 诸多研究指出保护自然水系统对区域生态环境具有积极作用[6]， 加之海绵城市建设要求渗透到我国城乡规划的诸多领域， 因此， 城市绿地系统已经成为城市水环境生态载体之一[7]， 城市蓝绿系统的交织也越发紧密， 但市域范围水文资料的缺乏成为绿地系统和水系统有机结合的主要瓶颈。 近年来， 市域生态网络的研究主要以绿网为主[8-9]， 关于如何以开源数据识别市域蓝网， 实现城市蓝绿系统有机结合的研究还存在一定空白。本文以福州市绿地系统生态网络的构建为例， 基于开源DEM 高程数据识别城市蓝网， 基于土地利用数据识别城市绿网， 通过定量分析和人工选取，识别出对城市蓝网有重要意义的生态网络， 在蓝绿网络紧密结合方面探索复合型生态网络构建的可能性。

1 数据来源和研究方法

1.1 数据来源

本文数据源于地理空间数据云90 m 分辨率高程数据、 遥感影像 (美国地质调查局网站https:/ /glovis.usgs.gov/app) 以及清华大学2017年的全国土地调研数据[10]。

1.2 研究方法

本文通过Conefor2.2 计算出源地重要性指数dPC， 基于重力模型计算出源地之间的引力值Gab， 通过 ArcGIS 生成绿网和蓝网， 并在综合评估dPC值、Gab值和蓝网保护的基础上开展生态网络的预景模拟， 最后， 通过网络分析方法确定生态网络结构和生态战略点。

1.2.1 基于连通性指数识别源地重要性指数dPC

本文将福州市域范围内各类生态区域作为生态源地备选地， 通过校核土地利用和现场勘察， 选取18 个生态源地， 选取原则为: 1) 将地理空间上连续且重叠的生态源地并为1 个；2) 如果合并后生态源地地理空间上呈现狭长形状， 为降低源点概化后的误差性， 在核对土地利用图和现状情况后， 将生态性较低且利用率较高的区域作为断点， 划分为多个源地； 3)校核现状用地情况， 剔除现状已经被大规模使用的区域。 采用生态源地重要度指数为生态网络的预景模拟提供参考数据[11]， 计算公式如下:

式 (1) 和式 (2) 中:PC为全局可能连通指数；n为景观中斑块总数；Pij为生态源地i和j连接的最大可能性；ai为生态源地i的面积；aj为生态源地j的面积；A为研究区域面积；dPC为生态源地重要度；PCremove为去除单个生态源地后剩余生态源地的整体指数值。 计算过程通过Conefor2. 2 实现， 识别结果如图1所示。

图1 生态源地dPC 计算结果示意

1.2.2 基于最小阻力模型识别绿网

最小阻力模型 (Minimal Cumulative Resistance，MCR) 是一种基于网络地图的计算公式， 用以衡量各种景观用地类型对于水平生态过程的阻力值[12-13]， 计算公式如下:

式 (3) 中:VMCR为最小累计阻力值；f为最小累计阻力与生态过程的正相关函数；Dij为源地i到j的空间距离；Ri为源地i的阻力值， 本文取主导源地土地类型的阻力值。

本文在相关研究的基础上[14-15]构建福州土地利用的阻力值， 在ArcGIS 中生成阻力面， 并通过“Spatial Analyst-距离分析” 中的 “成本距离” 和“成本路径” 生成绿网 (图2)。

图2 福州市生态阻力值体系和绿网构建图

1.2.3 基于水文分析方法识别蓝网

1) 干流河网校正方法。 本文基于地理空间数据云90 m 分辨率高程数据， 选取3 条干流上游为起点， 以入海口为终点， 高程数据低值对应阻力低值， 通过 ArcGIS 中的 “成本距离” 和 “成本路径” 生成模拟干流， 并校核TM 遥感影像和地形数据， 实现对干流河网的校正。

2) 支流河网和径流网识别。 基于DEM 高程数据， 通过ArcGIS 的水文分析工具， 识别市域范围内的河谷位置； 同时叠加山体阴影图， 实现支流河网和径流网的识别。

1.2.4 基于重力模型识别备选生态网络

近年来， 一些学者将重力模型用于生态规划领域， 并对公式进行校正[9]， 计算公式为:

式 (4) 中:Gab为源地a和b之间的相互作用力；LMax为廊道阻力的最大值；Sa为源地a的面积；Sb为源地b的面积；Lab为源地a至b之间的廊道阻力值 (其可基于阻力面距离， 采用ArcGIS中Spatial Analysis 提取至点命令获得)；Pa和Pb为源地a和b的阻力值。 将GIS 中提取的Lab值带入重力模型进行计算。

在绿网中选取重要的廊道构成备选生态网络(图3)， 构建原则为: 1) 优先将重要性指数dPC值高的源地纳入； 2) 优先将源地之间引力值Gab高的绿色廊道纳入； 3) 优先选择与主支流平行的廊道， 优先选取位于蓝网密集区域的廊道； 4)当候选网络中相邻距离区域周围有多个近似平行廊道时， 仅选择其中1 条廊道； 5) 当2 个源地之间的1 条廊道近似于由它们和另一个源地连接的2 条廊道时， 优先选取后者的2 条廊道。

图3 备选生态网络

1.2.5 基于网络分析方法确定生态网络结构

本研究模拟4 种网络结构情景。 采用网络分析方法评价生态网络图谱连接度水平[16]， 计算公式如式 (5) 至式 (8):

式 (5) 至式 (8) 中:a为网络闭合度指数；l为廊道数；v为生态源地数量；β为每个生态源地平均连线数；γ为所有生态源地被连接指数；lmax为最大可能连接数；CR为成本比指数Cost Ration (反映网络的有效性)；d为网络构建中所有连接网络累计阻力Lab的总和。

1.2.6 基于水平生态过程和地理表面特征理论识别生态战略点

Forman[17]、 俞孔坚[18]和 Knaapen[6]等都提出结构性生态战略点的识别方法， 可概括为2 类:一类为现状战略点， 是生态网络之间的交点； 另一类为最小极大值生态战略点， 即建立与绿网阻力值体系为倒数关系的反阻力值体系， 生成的最小阻力廊道为最小极大值廊道， 通过叠加最小极大值阻力廊道和生态网络识别出最小极大值生态战略点， 该点可视为生态功能薄弱处。

2 结果与分析

2.1 绿网识别

根据绿网识别结果 (图4)， 中心城区北面和西南面的山体是绿网密集处， 该山体与闽江共同构成福州市中心城区的山水骨架。 旗山森林公园西南面林区、 福州国家森林公园、 连江山仔黛山景区、 敖江流域水域涵养与森林区、鼓山东北面林区和永泰清凉镇林区是生态优越区和绿网密集交错区域， 对各生态源地的连接度起到重要作用。 连江县和永泰县区域存在生态冲突区， 由于建设用地较为分散， 形成绿网与建设用地交错的情况， 对绿网的连接度存在较多的潜在威胁。

图4 福州市绿网分析

2.2 蓝网识别

蓝网识别结果(图5)表明，闽江最宽，横穿福州市中心城区，其生态环境对中心城区具有重要影响。此外，大漳溪支流水系和径流网最多，生态敏感度较高，位于福州市中心城区上游区域，但现状河宽较窄，有较多断流的情况；大漳溪汇水区域的水源涵养能力对福州市中心城区汛期的排洪具有重要影响，其本身干流不宽，是容易被忽略的水系。

图5 支流河网和径流网识别

将蓝网识别结果与福州现状河流平面图对比并进行现场调研， 结果发现， 通过DEM 高程识别出的主干蓝网与现状河网几乎一致， 但部分河网支流和径流网由于人类活动已经遭到破坏， 形成局部植被破坏甚至断流的情况。 因此， 将福州市流域分为以下3 类:

1) 生态保护良好型。 集中在乡村及自然山体中， 其水质清澈， 周边植被未遭破坏， 具有丰富的生物多样性。 整体河流自然蜿蜒曲折， 河流两边形成各类河漫滩， 生态环境良好。

2) 生态局部破坏型。 集中在城镇郊区、 村庄及城镇建成区， 流域两侧植物遭受破坏。 整体河流保有自然弯曲形态， 局部由于建设改道而变窄。城市建成区由于防洪需求， 许多驳岸使用了防洪的水泥垂直驳岸， 生态环境被破坏， 影响部分流域的自净和调蓄能力。

3) 生态破坏严重型。 集中在乡镇建成区， 在调研过程中发现， 诸多通过DEM 高程数据识别出的支流和径流网络在现场已经变成了人工设施，自然流域被改造成排水设施， 局部城市近郊区的河网分支遭到固体废弃物堆积而形成断流。

2.3 生态网络识别

根据网络分析结果， 确定情景2 为本研究最终的生态网络 (图6)， 其连接17 个生态源地，共25 条生态廊道。 在蓝网结构中， 闽江最宽且横穿城区， 对城区的影响最大。 大漳溪支流水系和径流网最多， 汇流面积最广， 位于中心城区上游，溪水汇流入闽江南港， 其河流的通畅度和汇水区的水源涵养能力对区域和中心城区的影响较大，故选取 “1-3-5-7-9-11-4-8-2” 生态网作为一级生态网络。

图6 生态网络及一级生态网络

本文的生态网络是基于城市绿网和蓝网而识别的， 其中， 一级生态廊道 “6-8-4-11-9” 形成中心城区的南北屏障， 其原生山型山貌的保护应作为重点。 一级生态廊道 “8-2-1-3-5-7-9”是大漳溪的水源涵养区， 由于其汇水面积较广，对下游福州中心城区的防洪具有一定影响， 其汇水区范围内植被和天然径流通道的保护是重点工作； 同时， 可基于原生洼地建设海绵型绿色基础设施， 减轻大漳溪乃至中心城区闽江南港的排洪压力。 此外， 廊道 “9-11” 是唯一横穿中心城区的一级生态廊道， 其受建设用地影响较大， 生态建设难度高， 需跟城市建设结合， 并增加城市绿地用地 (G)， 防止被城市其他建设用地挤压 (图7)。

图7 生态网络中重点廊道保护类型

2.4 生态战略点识别

1) 现状生态战略点识别。 基于生态网络和一级生态网络， 共识别出8 处现状生态战略点 (图8)。 对现状土地利用和实地情况进行校核， 发现8 处现状生态战略点生态良好， 符合现状生态战略点应具备的生态特征； 同时还发现5 处生态源地 (6、 7、 8、 9 和 11) 虽然面积不大， 但对区域的水平生态过程具有中转作用， 可视为生态源地型战略点。

图8 现状生态战略点和现状生态源地型战略点

2) 最小极大值生态战略点识别。 通过叠加最小极大值阻力廊道和生态网络， 在重要交叉处共识别出9 个最小极大值生态战略点 (图9)， 并且都位于建设用地或生态用地零碎区， 为主要的潜在生态断裂区， 需采用生态修复或增设生态用地的方法构建生态踏脚石， 提高生态网络的连接性。值得注意的是， 战略点4 和5 位于中心城区闽江边上， 不仅是一级生态网络的重要节点， 也是连接中心城区与区域生态绿地之间的重要节点， 但现状生态脆弱、 建设难度大， 应结合滨水湿地修复和城市绿地建设。

图9 ArcGIS 中最小极大值廊道识别

3 讨论

以科学的量化方法将生态网络及战略点作为绿地系统区域性大尺度的关键区域进行识别， 是城市绿地系统规划和建设的基础， 特别是在国土空间开发保护制度改革背景下[19]， 科学量化识别出需要保护和修复的绿色区域， 是以生态文明建设的方式推动城市化的有效途径之一。

本研究将网络构建方法引入城市绿地系统规划中， 形成量化构建绿地系统网络结构的方法体系。 同时， 在水文数据缺乏的情况下， 探索了以开源的DEM 数据识别市域蓝网的量化方法， 实现了将蓝网作为确定绿地系统关键生态网络的依据之一， 在一定程度上实现了城市蓝绿网络的有机结合。 通过蓝网识别结果与现场勘察的对比， 发现识别成果与现状基本符合； 同时还可识别出已经被破坏的支流和地表径流的路径， 为城市绿地系统的生态恢复提供指导。 此外， 通过蓝网的识别， 发现宽度较窄的大漳溪由于支流密集， 涉及到的汇水区域面积较广， 其汇水区的水源涵养能力对福州市中心城区排洪具有重要影响， 该识别结果对城市生态网络及一级生态廊道的结构产生重要的影响。

DEM 数据蓝网识别方法具有原始数据获取无障碍、 研究区域可拓展的特点， 具有较强的可复制性， 为市域绿地系统结构优化提供区域水文参考， 推动城市绿地系统结构朝着更综合和可量化的方向发展。 但本文在量化识别过程中不可避免地辅助数据概化和主观判断， 为提高识别过程的科学性还需进一步研究和探索， 以更好地衡量客观数据、 主观判断性和地域特殊性。

本研究还表明， 绿地系统的生态网络具有复合性， 除蓝网和绿网之外， 还包含游憩[20]、 特定物种栖息和迁徙[21]、 景观[22]等元素。 因此， 为确保生态网络功能的全面性， 需构建多功能评价和耦合机制， 以更好地解决功能耦合、 保护和建设冲突等问题， 提高生态网络识别和保护的科学性。

4 结论

本文以福州市生态网络的构建为例， 选取18个生态源地， 基于 Conefor 和 ArcGIS 软件平台，将开源的土地利用数据和DEM 高程数据应用于市域范围绿网和蓝网的识别， 最终通过重力模型和网络分析方法确定了福州市的生态网络结构， 即25 条一级生态廊道、 8 处现状生态战略点、 5 处生态源地型战略点， 以及9 个最小极大值生态战略点。 通过对相关结果的分析， 还确定了福州市原生山貌重点保护廊道和水源涵养重点保护廊道，为福州市绿地系统的保护、 修复和建设提供参考。