城市生態韌性時空變化及情景模擬研究
——以杭州市為例

夏楚瑜,董照櫻子,陳 彬,*

1 北京師范大學環境學院,環境模擬與污染控制國家重點實驗室,北京 100875 2 浙江大學公共管理學院,杭州 310058

隨著國家經濟快速發展,城市生態風險問題呈多發高發態勢,其風險形勢更加復雜和難以預測,給人民生命財產安全和生態環境質量造成了巨大損害[1]。2020年全球新冠疫情的爆發,從短期來看對醫療相關的生態環境保護(醫療廢棄物等)提出額外的需求,從長期來看后疫情時代生產生活和社會經濟的逐漸恢復會加劇資源供需的矛盾,引發新的城市生態風險。因此,如何提高城市應對生態風險的能力成為實現城市可持續發展的一個重要方向。2020年11月3日,《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二○○三五年遠景目標的建議》提出“推進以人為核心的新型城鎮化。強化歷史文化保護、塑造城市風貌,加強城鎮老舊小區改造和社區建設,增強城市防洪排澇能力,建設海綿城市、韌性城市。提高城市治理水平,加強特大城市治理中的風險防控。”,更表明了建設韌性城市對我國經濟社會的重要作用。

韌性這一概念最早源于生態系統學,指的是系統恢復平衡的速度,應對危機并恢復的能力,適應新環境的能力[2]。城市研究的學者們后來借鑒這一概念,對城市韌性進行了研究。盡管學界對城市韌性的理解還未形成統一的定義,但大體都認為“城市韌性”指城市對災害和突發性事件的反應、適應和應對能力,以減輕損失,并從中快速恢復[3—5],其內涵包含了城市生態韌性、社會韌性、經濟韌性、制度韌性和基礎設施韌性等多個維度[6]。近年來,紐約、倫敦、芝加哥、鹿特丹等城市紛紛提出最具代表性的韌性城市規劃,這些韌性城市規劃主要針對不同的氣候風險,強調城市對未來氣候風險的綜合防護能力[7—8]。

作為城市韌性的重要維度,生態韌性的評估也得到了學者們的關注,但大多數的關注點均從生態風險和環境風險的防控角度出發[9—12]。在評估思路方面,畢軍和王華東提出要對“自然-社會-經濟”復合系統進行環境風險評估[13]；張小飛等從自然災害、環境污染及生態退化3個方面,構建了城市綜合生態風險評價的分析框架[14]; 王祥榮等圍繞長三角城市群重點產業、城市災害生態風險和典型生態系統,構建集地表水、大 氣、土壤、生物多樣性于一體,常規監測與應急預警相結合的長三角城市群生態安全評估與風險預測預警技術體系[15]。但是,很少有研究從韌性的特征角度考慮城市生態韌性水平的空間變化,也忽略了生態韌性和風險的分區管理評估,導致其成果難以真正落實于城市規劃應用。

基于以上考慮,本研究首先從韌性的基本特征(抵抗力、適應力和恢復力)3個方面構建了城市生態韌性評估模型。其次,以杭州為例,評估了1995—2015年城市生態韌性時空變化格局；并利用空間自相關模型對2015年杭州生態韌性分區管理模式進行了探究；最后模擬了2035年基準和創新創業導向的兩種情景下的杭州市城市擴張情況,并評價了不同情景下的城市抵抗力、適應力、恢復力,以及生態韌性水平。基于以上研究結果,以期為生態韌性城市建設以及產業空間布局提出一些可供操作的政策和規劃建議。

1 研究區和數據來源

1.1 研究區

杭州作為浙江省省會,位于浙江省的北部,屬亞熱帶季風性氣候,位于長三角腹地是中國東南地區最發達的城市之一。杭州市西部屬浙西丘陵區,東部屬于浙北平原,全市總體地勢格局為西南高、東北低,自西南向東北傾斜,呈階梯下降。

改革開放以來,杭州市經濟發展迅速,人均GDP從1995年的4614元上升到2015年的112600元,在中國35個主要城市中排名第八。相關文獻表明,近20年來杭州市空間外延式增長迅猛[16—18],大量自然生態用地被占用,引起很多環境問題,包括城區生境質量下降、生態系統服務功能降低、城區溫室效應劇增等等。此外,杭州在謀劃“十四五”發展目標時,提出要以未雨綢繆的布局防范化解各類風險挑戰,不斷增強城市發展韌性。因此,以杭州為案例來研究其城市生態韌性時空變化具有重大意義。

1.2 數據來源

本研究利用1995、2005與2015年的遙感影像數據通過監督分類結合目視解譯獲得分類結果。每幅遙感圖像都經過圖像裁剪、大氣校正、幾何校正的預處理。首選通過監督分類得到林地、耕地、水域與濕地、建設用地這4個類別,精度檢驗結果表示分類的Kappa系數均達到85%以上。此外,杭州市重點排污單位名錄來自杭州市生態環境局,其坐標信息來自其企業名稱與POI興趣點的匹配。

2 核算方法與模型構建

2.1 城市生態韌性評估模型構建

國際區域可持續發展協會(ICLEI,2002)定義韌性城市為對于危害能夠及時抵御、吸收、快速適應并做出有效反應的城市,重點關注如何增強城市對抗沖擊的能力,提升自身韌性強度,提高自身恢復能力,由此可以總結韌性城市包括抵抗力、恢復力、適應力三大特征。相對于風險的事前預警特性,韌性可用于事前評估或事后回溯分析,因此韌性城市若干風險防控管理可以達到“事半功倍”的功效。因此,本研究從抵抗力、適應力和恢復力三個方面構建城市生態韌性評估模型。

抵抗力表示城市生態系統抵抗外力干擾的能力。很多研究指出,生態系統抵抗力與其生態系統服務功能密切相關[19—21]。生態系統服務功能是指生態系統與生態過程所形成的維持人類賴以生存的自然環境條件與功能[22—24]。Costanza等將全球生態系統類型、服務功能分成了17個類別[25]。本研究從水、土、氣等多介質出發選擇氣候調節、氣體調節、水源涵養、土壤的形成與保護、廢物處理等調節型生態系統價值構成了生態系統的抵抗能力(P)。

本研究利用生態系統服務價值的當量系數,進而獲得生態系統服務價值系數。生態系統服務價值當量因子是生態系統潛在服務價值的相對貢獻率,等于每年每公頃糧食價值的1/7[26]。杭州的生態系統服務價值的計算公式如下：

P=ESV=∑Ak×VCfk

(1)

式中,ESV為生態系統服務價值；Ak是土地利用類型k的面積；VCfk是土地利用類型k的第f項生態系統價值系數,其系數來自于長三角地區土地利用類型的部分生態系統服務價值系數[27]。一個越穩定的生態系統,其適應力(A)越高[28]。因此,本研究利用生態系統景觀結構穩定性相關指標來表述其適應力。生態系統的景觀結構穩定性取決于與空間異質性和景觀連通性有關的景觀格局組織穩定性[29—31]。本研究利用景觀指數從景觀異質性和景觀連通性來評價景觀穩定性,景觀指數可以反映景觀生態空間格局,已經廣泛應用于景觀生態區劃、生態規劃、生態監測、生態預測、生態影響評價等,可以對景觀生態空間做出有目的和適時的調控[32—33]。景觀異質性和景觀連通性分別描述生態系統景觀結構的兩個方面,彼此不能替代,因此其權重可假設為相等[34],具體指標如表1。

表1 景觀指數及權重

生態系統恢復力也可以稱為生態彈性,體現生態系統遭受危害而恢復原樣的能力與潛力[35]。當遇到外部壓力(例如氣候或地質災害)時,接近自然生態系統的土地利用類型更容易恢復,而人為主導的建設用地類型在面對外部壓力時恢復能力較低,因此遭受的破壞更大。其測算公式參考根據 Peng等人提出的生態彈性模型與系數[34],具體如下:

R=∑Ak×RCi

(2)

式中,R是生態系統恢復力,Ak是土地利用類型,土地利用類型k的生態恢復力系數,系數參考Peng等人的研究[34]。

此外,抵抗力、適應力和恢復力的計算具有不同的單位,因此在使用多個指標進行評估時需要數據標準化。本研究將這三者標準化到[0,1]這個區間,計算韌性水平的具體公式如下：

(3)

式中,A為適應力,P為抵抗力,R為恢復力。

2.2 空間自相關模型

空間自相關分析是用于衡量空間變量的分布是否具有集聚性,是分析空間格局的重要方法和有效手段。生態韌性與自然地理要素分布、社會經濟發展狀況相關,這些因素在空間上均具有隨機性和結構性,具有地學特征,存在著一定的空間關聯性,可以運用空間自相關進行分析。此外,空間自相關模型在生態系統分區管理方面也已經進行了大量應用[36—39]。空間自相關分析可分為全局空間自相關分析和局部空間自相關分析,一般利用Moran′s I 指數來表示。本研究采用采用局部空間自相關的LISA來表現韌性水平在局部空間集聚規律[40]。

2.3 城市土地利用變化模型

FLUS模型是基于GeoSOS軟件開發,主要結合人工神經網絡(ANN)算法、自適應慣性與競爭機制對傳統 CA模型進行了改進,更加適用于多地類情景模擬[41]。FLUS模型主要包括兩個方面：人工神經網絡(ANN)和自適應慣性競爭元胞自動機。人工神經網絡(ANN)是通過訓練樣本來估計每個單元網格上的每種土地利用類型的可能性,而自適應慣性和競爭機制是用來處理土地利用類型之間的相互作用。FLUS模型已經在城市土地利用擴張模擬方面進行了廣泛應用[42—45]。

本研究設置二種情景來模擬2035年杭州市城市擴張情況,這二種情景分別為基準情景以及創新創業導向的“創新天堂”情景,并利用GeoSOS-FLUS軟件實現FLUS模型的土地利用格局模擬。

基準情景根據2005年、2015年兩期的土地利用變化情況,采取原始土地利用轉移矩陣預測得到的土地利用規模,綜合其他研究對于土地利用變化驅動因子的分析及探究[46—47],以及規劃實踐過程中實際影響杭州城市發展的因素,最終選擇從社會經濟、自然條件、交通條件、規劃因素等方面選擇驅動因子(表2)。

“創新天堂”情景這個概念來自于2017年《杭州市總體城市設計修編(草案)》所提出的“風雅錢塘,詩畫江南,創新天堂”的杭州未來城市定位。“創新天堂”情景是一種創新產業發展視角且耕地保護比較嚴格,與基準情景相比,該情景設置耕地轉為建設用地的比例下降15%。此外,“創新天堂”情景增加了創新驅動因素(表2),根據《杭州市智能制造產業發展“十三五”規劃》與《杭州城東智造大走廊發展規劃綱要》提取相關的規劃制造業創新中心與主要產業平臺,計算每個柵格到創新中心與主要產業平臺的距離并賦值,得到杭州創新中心與主要產業平臺驅動因子。最后,本研究將以上創新因素驅動圖層作為為創新產業發展視角下額外因子,輸入至人工神經網絡,計算適宜性概率圖層,進行后續創新產業發展視角下的用地空間格局的預測模擬。

表2 城市土地利用變化驅動因素

3 結果與討論

3.1 生態韌性時空變化

圖1表示了1995—2015年期間,每間隔10年的杭州城市生態韌性水平的時空變化。如圖1所示,從時間上來看,城市生態韌性水平呈現下降趨勢,從網格水平上統計其均值下降了32.86%,最高值下降了20.27%,標準差也下降了34.33%。

圖1 杭州1995—2015生態韌性水平時空變化Fig.1 Temporal and spatial changes of ecological resilience level in Hangzhou from 1995 to 2015

空間分布來看,1995年杭州生態韌性水平區域差異不大,大部分區域處于中等和高值生態韌性水平,低值生態韌性水平區域只要分布在城市東北區域和中心區域偏西北、東北部分。隨著城市擴張,2005年生態韌性低值區域向東北和東南方向擴張,東北和東南區域原本連續分布的高值區域變為零散分布。由于缺乏相對適宜的整體規劃和統籌安排,位于東南和東北部分的蕭山區鄉鎮企業發展迅速,這些工廠多呈小規模散落分布,占用了大量的自然資源,生態服務功能降低,景觀破碎度提高,導致其韌性水平大幅度下降。此外,城市東北部靠近杭州灣,原本存在大量優質濕地資源,其東北部圍墾過度大大破壞了自然生態景觀。2015年杭州城市總體生態韌性水平不高,大部分區域處于低值水平,高值區域零星分布,而中等區域僅在城市東南分布,西北部和西部原本存在的中等韌性區域也轉為低值水平。快速土地城鎮化占用了大量的耕地和林地,大量農村務工人員涌入城市,致使住房用地需求增加,部分耕地被占,轉變為建設用地,又進一步加劇了耕地資源不足的嚴峻挑戰。

杭州1995—2015年生態韌性水平時空變化與大連[49]、京津冀[50]等地的相關研究呈現出一定相似：隨著城鎮化發展,生態韌性水平總體分布規律為城市中心城區周邊的逐漸降低,韌性水平低值區域從面狀零散分布變化至面狀連片分布。盡管杭州與大連、京津冀等地交通、經濟等區位相差較大,但是我國城市早期“攤大餅”式的城市擴張模式都趨同。以工業園區建設為主導的粗放的城市擴張模式導致城市周邊大量優質耕地被占用,而后期的“耕地占補平衡”政策雖然在表面上保證了18億畝耕地紅線,但是在地方實際操作中往往出現“占優補劣”等現象,導致林地、濕地等大量生態資源被侵占作為重要耕地補充來源,進一步導致中心城區周邊生態用地景觀破碎,降低了其生態韌性水平。

本研究利用ArcGIS 10.2對杭州市重點排污單位進行了核密度分析,并利用Geoda分別對韌性水平和韌性水平—排污企業密度進行了單變量和雙變量空間自相關分析,其結果如圖2所示。圖2顯示,重點排污企業主要集中在城市北部和東北部,分別靠近余杭臨平工業園和蕭山大江東產業集聚區,這兩個區域地勢平坦、產業優惠政策豐富且交通便利,承接了杭州主城區高污染產業的轉移：杭州市從2002年起陸續確定杭州中策、杭氧集團、油脂化工、杭州卷煙廠、杭州電纜有限公司、杭州汽車發動機廠、杭華油墨、杭州重型機械有限公司等數家企業的整體搬遷計劃,這些企業大多將遷入配套齊全和產業集聚的江東、臨江工業園區和余杭、錢江經濟開發區。此外,韌性水平的空間自相關分析結果(圖2)表明生態韌性低值區域在城市中部和西北部出現集聚,而高值區域在城市東南、東北以及中心區域偏西南部分出現集聚,近年來,政府投入大量資金以提高靠近杭州灣的城市東北部分和城市中心區域的西湖風景區的濕地質量,濕地生態資源可以通過發揮其生態屏障作用來阻斷不利因素和災害的影響,對于提高生態韌、防范化解生態風險具有重大作用。城市生態韌性水平—排污企業密度的雙變量空間自相關結果表明(圖2),城市的東北區域呈現低韌性水平—高排污企業密度的集聚分布,這與杭州整體向東發展的城市策略密切相關。杭州東北部地勢平坦,且緊鄰杭州灣,與寧波、上海等長三角核心城市交通便利,形成大江東產業集聚區,同時承接了周邊城市的以印染化工為主的傳統制造業的轉移。產業集聚區的發展帶動東北區域建設用地的擴張,侵占周邊生態用地資源,使得生態用地斑塊破碎化,導致該區域生態韌性水平降低。同時,該區域生態韌性水平比較低,而高排污企業密度高,說明其環境污染風險比較大,但是其防范化解能力比較低。因此需要加大該區域環境監測和生態治理的資金投入,嚴防重大環境污染事件的發生。

圖2 2015年杭州生態韌性水平局部空間自相關結果Fig.2 Results of local spatial autocorrelation of ecological resilience level in 2015

3.2 城市擴張背景下的生態韌性情景模擬

本研究基于2005、2015年兩期杭州城市土地利用數據模擬2035年其空間格局,這10年期間土地利用轉移情況如表3所示。2005—2015年期間林地、建設用地規模比較穩定,很難轉化為其他用地,而耕地、水域比較容易向其他地類進行轉換。耕地是建設用地的主要來源,占全部向建設用地轉移的70.49%。此外,水域向耕地轉移占全部向耕地轉移的68.52%,這與杭州東北區域濕地復墾密切相關。

圖3是基于FLUS模型模擬的2035年杭州市城市土地利用空間格局結果。圖3顯示,基準情景的2035年建設用地更多地以邊緣式發生在主城區的近郊,且并未呈現明顯集聚,是一種類似攤大餅城市擴張模式。“創新天堂”情景是一種緊湊增長模式,建設用地主要增長在城市西北和東南部。這些部分是未來科技城、云棲小鎮、大江東產業集聚區、杭州經濟開發區、蕭山經濟開發區、余杭經濟開發區(錢江經濟開發區)、蕭山臨空經濟示范區、杭州仁和先進制造業基地所在的區域,說明“創新天堂”情景更好的契合了創新產業發展規劃的產業發展需求。

圖3 2035年杭州市城市土地利用模擬空間分布Fig.3 Spatial distribution of urban land use of Hangzhou in 2035

圖4和圖5分別是創新創業導向的“創新天堂”和基準情景的杭州生態韌性空間分布水平。相比基準情景,“創新天堂”城市發展情景下杭州整體生態韌性水平更高。從抵抗力、適應力和恢復力3個方面來看,兩者的恢復力水平差異不是很大,而“創新天堂”情景的抵抗力水平和適應力水平明顯高于基準情景。特別是適應力水平,基準情景下區域分異尤為明顯,展現由四周向中心梯次遞減的趨勢,兩極化現象較為明顯,在城市中心區域出現明顯低值集聚現象,而“創新天堂”情景的適應力水平的空間差異不大,沒有出現明顯的低值集聚現象。這與兩種情景的城市擴張方式相關,“創新天堂”情景是一個更為緊湊填充式的城市增長模式,而基準情景的城市增加以邊緣式發生在建成區的近郊。雖然邊緣式增加可以提高景觀多樣性,提高景觀異質性,但是會提高其破碎程度并降低景觀連通性。本研究的適應力指標體系設計中(表2),景觀破碎度權重(0.5)大于景觀多樣性(0.25),這是因為考慮到快速城鎮化的后期,各種景觀類型相互滲入以及建設用地小斑塊,逐漸變成以建設用地為主導的景觀格局,其景觀多樣性會降低,而這種穩定狀態對適應力提高并沒有正面作用。

圖4 “創新天堂”城市發展情景下生態韌性空間分布Fig.4 Spatial distribution of ecological resilience under the Innovation Paradise scenario

圖5 基準情景下生態韌性空間分布Fig.5 Spatial distribution of ecological resilience under the baseline scenario

4 結論與建議

本研究從抵抗力、適應力和恢復力3個方面構建了城市生態韌性評估模型,并以杭州為例,評估了1995—2015年城市生態韌性時空變化格局,再者利用空間自相關模型對2015年杭州生態韌性分區治理模式進行了探究。最后,基于FLUS 模型模擬了2035年基準和創新創業導向的兩種情景下的城市土地利用空間格局,并評估了不同城市發展情景下的生態韌性水平空間分布。基于以上研究,本文得到以下結論：

(1)總體來看,杭州1995—2015年城市生態韌性水平呈現下降趨勢,從網格水平上統計其均值下降了32.86%,最高值下降了20.27%,標準差也下降了34.33%,說明更多網格呈現低值集聚。從空間分布來看,1995—2015年期間,全域城市生態韌性水平低值區域呈零散分布變化至面狀連片分布：1995—2005年,生態韌性低值區域向東北和東南方向擴張,這與東北部濕地圍墾過度以及被建設用地侵占密切相關。2005—2015年,杭州西北部和西部原本存在的生態韌性中等水平區域也轉為低等水平,該區域大量優質林地生態資源的被侵占是其變化的重要原因。

(2)從空間分布來看,2015年生態韌性低值區域在城市中部和西北部出現集聚,而高值區域集聚在城市東南、東北以及中心區域偏西南部分。同時,城市生態韌性水平—排污企業密度的雙變量空間自相關結果表明杭州的東北區域顯著呈現低韌性水平—高排污企業密度的集聚分布,這說明此區域環境污染風險比較大,依靠生態系統自身韌性來防范化解風險能力比較低。

(3)相比基準情景,緊湊填充式的城市增長的“創新天堂”城市發展情景下2035年杭州整體生態韌性水平更高。盡管兩者的恢復力水平差異不是很大, 但是“創新天堂”情景的抵抗力水平和適應力水平明顯高于基準情景。

根據以上研究結果,本文為杭州生態韌性城市建設提出以下三點建議：

(1)促進市域均衡開發,嚴格控制濕地開發,加強生態用地質量與數量建設,提升城市整體韌性：杭州應當在全域范圍內統籌發展資源,避免在中心城區形成嚴重的景觀壓力和城市蔓延問題,降低過度集中導致的生態韌性降低,同時也使發展機會得以分享。此外,杭州緊接杭州灣,擁有大量濕地資源,一方面要盡量避免城市東北部的侵占濕地的圍墾活動,加強濕地景觀的重塑；另一方面盡量避免城市建設用地對城市中心城區部濕地資源的進一步侵占和切割,保護生態用地,重點在于保持西溪濕地、西湖、以及東北部杭州灣濕地的完整性,發揮其生態屏障作用,阻斷不利因素和災害的影響。

(2)實施城市環境生態治理分區管理模式：生態韌性低值集聚的中部和西北區域,應對環境生態風險的能力較低,未來國土空間規劃中要通過加強該區域生態空間保護與建設來消除差異化城市生態韌性空間格局；東北區域呈現顯著低韌性水平—高排污企業密度集聚分布的部分亟需盡快搬移高污染排放企業,加速當地產業升級,同時加強該區域的環境生態質量監測水平,以此降低局部生態風險,防止局部風險擴散引起全域連鎖風險效應。

(3)優化新區發展模式,鼓勵緊湊的城市發展：城市東部是杭州未來重要的發展空間,要防止形成“攤大餅”式的開發局面,并大力建設綠色景觀。此外,建議杭州政府采用產業升級和轉型策略來緩解中心城區的人口和土地壓力,并投入更多的資金用于常態下環境治理與生態保護,加大技術與人才流通,努力消除未來城市增長帶來的城市內部的生態韌性差異化格局。在未來城市向東部發展的過程中,建議杭州政府逐步探索城市內部的區縣政府之間以生態風險轉移為主體的生態補償制度,緩和城市內部區域生態韌性差異化格局,提高城市整體防范化解生態風險的能力。