武汉市生态安全格局模拟与优化

2016年3月，《长江经济带发展规划纲要》发布，武汉是超大城市，是我国中部地区的中心城市，也是长江经济带上的核心城市之一。武汉市湖泊众多，湿地资源丰富，生物资源众多，水域面积是全国大城市第一，素有“百湖之市”的美称。但随着城市化进程的加快，人口和经济活动的进一步集聚，原有的水域、湿地等生态空间被严重挤占，生态结构和功能遭到破坏，严重威胁到武汉市可持续发展。为此，国家倡导生态文明建设，积极发展水域、湿地等生态资源的生态环境监测及预警等相关技术，提升区域的生态环境质量，优化生态环境的空间布局。

生态环境是一个涉及人与自然并相互影响的复杂系统，它涉及到区域的水资源生态环境、陆生生态环境、景观、声环境以及空气环境等。与此同时，各个子生态环境之间相互联系，相互作用，不可能以独立的形式存在，因此，研究生态环境安全格局的过程中除了重点关注研究的生态子系统的影响之外还应当兼顾其它生态子系统的影响。

基于RS、GIS的多门类自然资源调查评价及监测技术方法对长江武汉段的水资源、湿地等生态环境环境进行调查分析，构建区域生态安全格局评价分析系统。应用系统动力学、计算智能算法和元胞自动机技术，耦合“自上而下”和“自下而上”的区域城市土地利用演变模拟系统，发展城市增长生态环境影响的情景模拟技术，重点评估未来城市增长和土地利用变化对湿地保护、水生态保护、水环境等方面的生态效应。利用空间优化技术对未来城市增长和土地利用变化对区域的水资源、湿地等生态资源进行生态安全格局优化，从而实现未来区域的可持续发展。研究的技术框架如图1。

图1 生态安全格局模拟与优化研究技术框架

从功能、敏感性以及景观格局三个角度出发，选取生态服务功能、生态敏感性以及景观指数对生态安全格局进行评价。其中，选取水源涵养、土壤保持、固碳释氧和生物多样性4项服务对生态系统服务功能进行定量评价；选取水土流失、土地沙化、水质污染等指标对生态敏感性进行评价；选取景观连通性指数和景观破碎度对景观格局进行评价。结合研究区生态环境现状与城市状况，采用层次分析法或熵值法等方法确定各个评价指标权重指标，基于GIS的空间叠加分析功能，综合评价研究区的生态系统服务重要性、生态敏感性和景观优势性。

借鉴“源—汇”生态安全格局理论，基于生态系统服务、生态敏感性和景观指数评价结果，根据3极自然断点法，选取水资源、湿地资源等生态系统功能极重要区、生态极敏感区、景观优势区作为生态源地；选取自然因子和人为扰动因子构建生态阻力面，利用最小累计阻力（MCR）模型提取生态廊道和生态夹点；从系统和网络视角，构建“源地—生态节点—生态廊道”的生态保护红线网络。从而评估区域的生态安全格局状况。

研究应用元胞自动机（CA）技术，耦合“自上而下”和“自下而上”的城市土地利用演变模拟系统，基于生态安全格局评价系统发展城市增长生态环境影响的情景模拟技术。结合相关分析、因子分析等方法探究不同场景下城市扩张及土地利用变化对区域水生态环境、湿地资源保护以及生物多样性等生态系统的影响，耦合自然因素数据、社会经济发展数据，生态环境状况数据以及政策性文件为提升区域的水资源、湿地等生态环境状况提出建设性意见。

针对城市扩张产生的生态环境效应，提出以生态优先、绿色可持续发展理念为导向。从全局利益角度出发，在生态保护红线的刚性约束和区域承载力环境的约束条件下，从土地的经济价值、服务价值以及社会价值三个维度考虑，构建生态保护（生态适宜性）、粮食安全（农业适宜性）、经济高效（建设用地开发适宜性）等多维优化目标，利用智能优化算法模型，通过优化目标的不同权重组合，得到不同情景下的生态空间分布情况，实现区域水生生态环境、湿地保护等生态安全格局的协同优化。

利用元胞自动机，耦合“自上而下”和“自下而上”的城市土地利用演变模拟系统，发展城市增长生态环境影响的情景模拟技术。研究模拟了武汉市都市区2025年三种不同场景下（紧凑型，持续型和蔓延型）的城市土地利用变化。研究结果可为探索武汉市未来城市扩张与土地利用变化对区域水生环境效应、湿地保护以及生物多样等生态环境的影响分析提供技术支持。

为了更好地辅助城市扩张以及土地变化对区域水环境效应、湿地保护以及水生态保护等生态系统的影响，团队研发了国土空间决策支持信息平台。平台整合了区域生态安全评价、城市土地利用变化模拟、水生态环境影响因素分析以及生态安全格局的空间优化等技术。平台可为智能化管理区域的生态环境状况以及优化区域的生态环境的空间布局提供支持。  

图2 国土空间决策支持信息平台 

图3城市生态环境相关研究成果展示