基于ArcGIS的江蘇省連云區海洋空間規劃分區研究

張倩，吳心彤，徐敏

摘要：文章以江蘇省連云港市連云區海域為研究區，提出了兼顧海洋資源開發與生態環境保護的海洋空間規劃分區體系，包括工業與城鎮建設區、生物資源利用區和生態保護區3個類別;構建了海洋環境生態承載力評價和海洋開發利用適宜性評價指標體系，基于ArcGIS完成了規劃區網格劃分和相關評價，并據此進行疊置分析，完成連云區海域分區的空間劃分，其中工業與城鎮建設區總面積占比為23.58%、生物資源利用區占55.52%、生態保護區占20.90%。海洋空間規劃分區體系和基于ArcGIS劃分方法在連云區的應用實踐表明，該方法體系能夠較好地協調海洋保護與開發的空間格局劃分，可以為我國海洋空間規劃分區研究和實踐提供借鑒。

關鍵詞： ArcGIS;空間疊置;海洋空間規劃;海洋保護與開發;連云區

中圖分類號：P74;F205;TU982 ? ?文獻標志碼：A ? ?文章編號：1005-9857（2020）07-0016-07

The Division of Marine Spatial Planning in Lianyungang District of Jiangsu Province Based on ArcGIS

ZHANG Qian，WU Xintong，XU Min

（Nanjing Normal University，School of Marine Science and Engineering，Nanjing 210023，China）

Abstract：The sea area of Lianyungang District，Jiangsu Province was taken as the research area in this paper，and a marine spatial planning and zoning system taking into account the development of marine resources and ecological environment protection was proposed，including industrial and urban construction zones，biological resource utilization zones，and ecological protection zones.The environmental carrying capacity evaluation and development suitability evaluation index system were constructed and the grid division and related evaluation of the planning area based on ArcGIS was completed.According to this，the overlapping analysis and the spatial division of the sea area of Lianyun District were carried out，in which the total area of industrial and urban construction areas was 23.58%，the biological resources utilization area accounted for 55.52%，and the ecological protection area accounted for 20.90%.The marine spatial planning zoning system and the application method based on ArcGIS partitioning method in Lianyun District showed that the method could better coordinate the spatial pattern division of marine protection and development well，and could provide reference for the study and practice of marine spatial planning in China.

Key words：ArcGIS，Spatial overlaying，Marine spatial planning，Marine development and protection，Lianyun district

0 引言

伴隨著海洋開發利用活動幅度和強度不斷加大，近岸海域海洋污染和海洋資源浪費問題日益突出和嚴重[1]，中國近海的海洋生態環境遭到嚴重威脅和破壞[2]，海岸帶生態系統已經脆弱不堪[3]，這些都逐漸成為制約海洋經濟可持續發展的限制性因素。海洋空間規劃是為了解決人類活動之間以及人類活動和海洋生態環境保護之間的問題，選擇合適的管理戰略來保護具有重要生態價值的區域、維持和保證必要的生態系統服務功能，以實現海洋發展的生態、經濟和社會目標[4]。編制和推進海洋空間規劃實施，才能全方位、全海域、全過程協調海陸資源開發、產業布局和生態環境保護，保障各類城鎮、農業、生態用海空間[5]。

我國海洋空間規劃主要包括四大方面：①具有基礎性、約束性的海洋主體功能區規劃[6]，空間指導性不強，管控落實難[7];②用途類的海洋功能區規劃，重開發、輕保護，海洋生態服務功能類型不明顯，比例較低[8];③生態保護類的海洋生態紅線，純保護，紅線面積比例、邊界確定缺乏依據[9];④單個行業（用途）類的海洋相關行業規劃，注重單一資源的開發。目前海洋空間規劃由不同部門各自劃定，未形成一體化體系且缺乏兼顧海洋保護和開發的整體性、綜合性空間規劃[10]。空間規劃體系改革是我國國土空間治理體制改革的重要內容，是生態文明體制改革的重要任務[11]。統籌各類空間規劃，編制統一的空間規劃，實現“多規合一”。

江蘇省連云港市連云區海洋資源豐富，海洋經濟總值占GDP比重超過10%[12]，是江蘇重要的沿海縣區。連云區海洋開發活動大都集中在近岸海域，港口、臨港工業、城鎮建設占用了大量近岸海域空間;近海捕撈過度，漁業資源逐漸減少且大規模、高強度的近岸海洋開發活動日益加劇，導致海洋環境逐漸惡化[13]。基于此，本研究選取連云區作為研究案例，在研究協調好開發與保護關系的海洋空間規劃體系的基礎上，構建環境生態承載力評價體系和開發適宜性評價體系[14]，運用空間疊置分析方法[15]劃分連云區“三區”空間。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

連云區位于江蘇省連云港市，北部與贛榆區相鄰，南部與灌云縣相鄰，北部為海州灣（圖1）。海岸線北起臨洪河口，南至垺子口，總長109 km。海域范圍內起海岸線，北至與贛榆區分界線，南至與灌云縣分界線，東至領海外緣線，整個海域面積約為1 800 km2。沿海灘涂面積約為28 km2，近海可養殖水域多達400 km2，是全國縣區級最大的紫菜養殖基地。

目前海域主要用海方式有漁業用海、工業用海、交通運輸用海、造地工程用海和旅游娛樂用海，海域使用面積約709 km2。生態紅線類型主要有海洋特別保護區、特別保護海島、重要漁業海域和重要濱海旅游區，覆蓋面積約為16 km2。

1.2 數據來源

本研究選取江蘇省連云港市連云區海域為研究對象，主要收集連云區海域2005年水深調查地形數據，2015年衛星遙感圖像，2018年江蘇省海域權屬數據，《2017年江蘇連云港海州灣國家級海洋公園——連云新城外海景觀工程生態環境評價報告》《2018年連云港港徐圩港區海域海洋環境與生物生態現狀調查總報告》《2018年連云港港徐圩港區海域漁業資源現狀調查總報告》《江蘇省海洋生態紅線保護規劃（2016—2020年）》《江蘇省海洋主體功能區規劃》。

2 研究方法

為建設生態文明、優化國土空間開發，國家提出以“三區三線”為基底的空間規劃管控分區，通過劃定生態空間、城鎮空間和農業空間形成“多規合一”的空間規劃[16]。為更好地貫徹落實陸海統籌，海洋空間規劃也需以“三區三線”為基礎進行海洋資源開發與保護，真正做到一張藍圖管到底。

本研究構建海洋環境生態承載力評價和海洋開發利用適宜性評價體系，根據研究區水深條件對研究區進行海域單元劃分，對各個單元進行環境生態承載力評價和開發適宜性評價，疊加生態紅線分布，確定海洋空間規劃“三區”（圖2）。

圖2 海洋空間規劃技術流程

2.1 海域單元劃分

根據海域地形狀況，平行于岸線方向大致與等深線平行，縱向與岸線垂直，但考慮到已開發區域、生態紅線區域、深海區，還需遵循以下原則。

（1）網格大致走向按照連云區海域地形情況，縱向大致與岸線垂直。

（2）已有生態紅線區作為一個整體單元保護，研究結果不能與江蘇省海洋生態紅線保護規劃發生沖突。

（3）已開發建設的項目作為一個整體單元，不再細分單元。

（4）由于深海區不宜開發，分區網格相對近海較大。

2.2 海洋環境生態承載力評價

2.2.1 指標體系

從海水環境質量、沉積物環境質量和生態狀況選取評價指標，建立海洋環境生態承載力評價模型，量化研究海域環境生態承載力狀況。

（1）海水環境質量。本研究結合海域海洋環境調查報告，選取對近海海水質量影響較大的活性磷酸鹽、溶解態無機氮、化學需氧量、石油類、砷汞銅鉛鋅鎘含量等構成海水富營養化指數、海水重金屬指數及海水石油類指數3個指標。其中，海水石油類指數為監測數據石油類的實測濃度。

海水富營養化指數計算方法如下：E=CCOD×CIN×CIP4 500

（1）式中：E為海水營養水平指數;CCOD、CIN、CIP分別為實測海水化學需氧量（mg·L-1）、溶解態無機氮（μg·L-1）、活性磷酸鹽（μg·L-1）量值;E>1時為富營養化，E值越高，富營養化程度越高。

海水重金屬指數計算方法如下：P=1nni=1cic0

（2）式中：n代表要素總數量;P為海水重金屬指數;ci為所測樣品海水中第i種重金屬的實測濃度;c0為重金屬濃度的評價標準值，評價標準按照《海水水質標準》中的一類標準。

（2）沉積物環境質量。鑒于影響沉積物環境的主要因素為沉積物重金屬元素的含量及沉積物中石油類含量，因此選取沉積物重金屬指數和沉積物石油類指數表征沉積物環境質量。其中，沉積物重金屬指數計算方法同海水重金屬指數。沉積物石油類指數以實測出的海水石油濃度為準。

（3）生態狀況。本研究選取底棲動物生物量指數、浮游動物多樣性指數、游泳生物資源量指數3方面指標表征生態狀況。

底棲動物生物量指數計算方法如下：Dd=N/A

（3）式中：Dd為底棲動物生物密度;N為評價區域或站位實測底棲動物個體數;A為底棲動物物采樣調查體積。

浮游動物多樣性指數計算方法如下：H′=-Pi×log2Pi

（4）式中：H′為浮游動物多樣性指數;Pi=Ni/N，Ni為第i種的個體數，N 為調查區所有物種的個體數之和。

游泳生物資源量指數計算方法如下：B=C/q×a

（5）式中：B為生物資源密度;C為平均每小時拖網漁獲量;a為網具每小時掃海面積;q為網具捕獲率，其中低層魚類、蝦蟹類、頭足類q取0.5，近低層魚類取0.4，中上層魚類取0.3，本次評價取0.3。

2.2.2 評價方法

（1）標準化處理。由于通過監測所獲取的指標單位不同，在計算時需要將不同的指標進行標準化處理從而達到定性分析的效果。富營養化指數、海水重金屬指數、海水石油類指數、沉積物重金屬指數、沉積物石油類指數為負向指標，底棲動物生物量指數、浮游動物多樣性指數、游泳生物資源量指數為正向指標，正向、負向指標標準化方法如下。

正向標準：xij=xij-min{xij，…，xnj}max{xij，…，xnj}-min{xij，…，xnj}

（6） 負向標準：xij=max{xij，…，xnj}-xijmax{xij，…，xnj}-min{xij，…，xnj}

（7） （2）權重確定。權重表示各指標的重要程度，指標越重要，則賦給它的權重應越大，反之則越小。合理確定和適當調整指標權重，體現了決策指標體系中，各評價因素輕重有度、主次有別，更能增加決策指標的可比性。

本研究海洋環境生態承載力評價指標采用專家打分法確定（表1）。

（3）綜合指數確定。采用綜合指數加權法計算海洋環境生態承載力綜合指數。Si=mj=1wj×p

（8）式中：wj為各指標權重;p為標準化指數。

2.3.2 評價方法

海域開發適宜性評價指標大都與距離有關，對海域各評價單元運用 ArcGIS 軟件，通過距離量算，計算各指標值。

指標標準化處理方法和綜合評價方法，同海洋環境生態承載力評價。

指標權重采取熵權法計算：

①先計算第i個用戶的第j個指標的比重：yij=x′ijmi=1x′ij

（9） ②計算第j個指標的信息熵：ej=-1lnm mi=1yijlnyij

（10） ③計算第j個指標的權重：wj=1-ejj1-ej

（11） 通過加權和計算得到各評價單元的綜合得分，綜合得分為0～1之間的數據，將其乘以100，得到0～100之間的數值。數值越大，表示該評價單元越適宜開發;數值越小，表示該評價單元越不適宜開發。

2.4 海洋空間規劃分區

運用自然間斷點分級法分別將環境生態承載力評價結果和開發適宜性評價結果分為5個等級。將評價結果與生態重要性相疊加，將環境生態承載力低下（≤2）區域和生態紅線區域（生態重要性高）劃為生態保護區;開發適宜性較高（≥4）和環境生態承載力適度（>2）區域劃為工業與城鎮建設區;剩余為生物資源利用區。最終確定3個區：生態保護區、生物資源利用區和工業與城鎮建設區（圖3）。

3 結果與分析

3.1 海洋空間規劃分區體系

海洋空間規劃體系是國土空間規劃體系的重要組成部分。參考國土規劃中“三區”：生態空間、城鎮空間和農業空間，結合海洋自身特點，以漁業發展代替農業，將農業空間更改為“生物資源利用區”。最終確定海洋空間規劃分區為：生態保護區、工業與城鎮建設區和生物資源利用區。

3.2 海域單元劃分結果

根據連云區海域2005年水深調查地形數據、海域開發利用現狀、生態紅線分布，對連云區海域進行單元劃分，平行于岸線方向大致與2.5 m等深線平行，垂直于岸線方向大致以3 km為間距。對于近岸已開發區域如連云港濱海新城、連云港港主港區、徐圩港區、田灣核電站作為一個整體研究單元，不再細分。海州灣國家級保護公園雖屬于保護區，但其近岸可適當進行濱海旅游建設，因此將海州灣國家級保護公園分為保護區和建設區，保護部分作為一個整體研究單元，不再細分。最終將連云區海域分為118個單元，具體劃分結果如圖4所示。

3.3 環境生態承載力評價

根據構建的環境生態承載力評價體系，對收集到的連云區監測站位的生態環境進行評價，但由于監測站位有限，利用ArcGIS插值獲得整個研究區范圍內環境生態承載力得分，將得分31～56劃分為低環境生態承載力區域;56～61分為較低環境生態承載力區域;61～64分為中環境生態承載力區域;64～70分為較高環境生態承載力區域;70～79分為高環境生態承載力區域（圖5）。

將海域單元劃分結果（118個評價單元）與環境生態承載力得分相疊加，當評價單元包含兩種評價等級時，擇較高者作為該評價單元的等級，從而得到各個評價單元的環境生態承載力等級，如圖6（a）所示。

結果表明，連云區海域總體來說，近岸海域的環境生態承載力都相對較低，最低區域出現在西墅—云臺山岸段及垺子口岸段附近，離岸較遠海域環境生態承載力相對較高。連云區近岸海洋開發利用活動嚴重不合理，造成生態環境嚴重惡化從而也限制其開發潛力。

3.4 海域開發利用適宜性評價

依據所建立的海域開發利用適宜性評價模型，對所劃分的118個海域單元進行各指標的定量計算，確定各評價單位的開發適宜程度。根據得分情況，將15～35作為不適宜區域;35～49作為低適宜區域;49～58作為中適宜區域;58～65作為較適宜區域;65～75作為高適宜區域如圖6（b）所示。

圖6 連云區海域單元評價

結果表明，垺子口岸段附近由于其交通條件、區位優勢相對較差，導致其開發適宜性不如其他岸段;生態紅線分為限制類和禁止類，在限制開發區域內可以適當開展濱海旅游業和農漁業活動，在禁止開發區域禁止工業城鎮建設化開發;由于技術水平的限制，目前深海不適宜開展海洋開發利用活動。

3.5 連云區海域三區空間劃分

根據環境生態承載力與開發適宜性評價結果劃分連云區“三區”。海岸帶存在已開發建設的海域，因其短期內性質難以更改，仍將其劃為工業與城鎮建設區，考慮到該海域環境生態承載力低下，建議未來用海過程中要嚴格執行用海制度，支持環保設施建設，定期加強環境檢測、發現問題及時處理。對于生態紅線保護規劃中禁止開發區域作為生態保護區，限制開發區域做適度開發，如海州灣國家級海洋公園近岸區域可以適度開展濱海旅游業;離岸較遠區域作為生態保護區，達山島和對蝦種質資源保護區作為生態保護區。江蘇海州灣海洋牧場實驗區雖為生態紅線但可用于重要漁業品種養護，因此將其劃分為生物資源利用區。垺子口岸段附近雖然開發適宜性較高，但其環境生態承載力低下，已不適合再進行用海活動，因此將其劃分為生態保護區，開展環境綜合整治，嚴格控制陸源污染物排海，實行達標尾水離岸深水排放。最終確定連云區海域三區空間（圖7），各空間面積占比如表3所示。

4 結語

本研究選取江蘇省連云港市連云區作為研究對象，采用指標評價與空間疊置相結合的方法對其海域生態環境承載力和開發適宜性進行評價，結合生態保護區劃分“三區”空間。得到以下結論。

（1）在分析總結現有各類海洋空間規劃不足的基礎上，以國土空間規劃改革為背景，參考城鎮空間、農業空間、生態空間，確定海洋空間規劃“三區”：工業與城鎮建設區、生物資源利用區和生態保護區。

（2）提出海洋空間規劃技術方法。在海域單元劃分的基礎上，構建海洋環境生態承載力和海洋開發利用適宜性評價模型。海洋環境生態承載力包括海水環境質量、沉積物環境質量和生態狀況3個一級指標8個二級指標。海洋開發利用適宜性評價包括交通條件、區位優勢、開發聚集度、與生態紅線區的關系、離岸距離5個指標。通過海洋環境生態承載力與開發利用適宜性綜合評價確定海域“三區”空間。

（3）將連云區海域劃分“三區”空間，生物資源利用區面積占比55.52%，工業與城鎮建設區面積占比23.58%，生態保護區面積占比20.90%，連云區海域使用總體以漁業為主，海洋空間利用結構有待改進。

由于海洋空間規劃是一項復雜而艱難的工作，本研究仍存在以下問題。

（1）由于海洋空間規劃是由研究區域自然條件、社會因素等多方面因素決定的，在確定指標時及權重時容易夾雜個人主觀方面的因素。

（2）對于生態保護區未根據研究海域的時間生態狀況、重要生態區分布情況確定，而是根據現有的海洋保護區和海洋生態紅線直接劃定。未來可考慮基于研究區域生態狀況和重要生態區分布，進一步細化生態保護區的劃定工作。

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基金項目：國家自然科學基金（41373112）;南京師范大學2018年度大學生創新創業訓練計劃項目.

作者簡介：張倩，研究方向為海洋資源環境與開發

通信作者：徐敏，教授、博士生導師，博士后，研究方向為海洋資源環境與開發