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user: 4. 最小生态安全距离测算模型及应用 4.1. 最小生态安全距离划定思路 最小生态安全距离受自然本地、环境目标敏感度和社会发展目标水平等因素的影响，不同尺度下的最小安全距离测算的对象也各不相同。城市之间的最小生态安全距离主要取决于城市发展边界与承载城市污染负荷所需生态空间边界之间的距离。基于城市生态本底、城市资源环境承载力，城市发展目标(社会经济目标、环境目标)的城市间最小生态安全距离的测算步骤大体可分四步：首先，确定城市功能定位、城市规模、环境目标或生态安全目标。其次，根据城市资源环境承载力和功能定位，筛选影响和决定城市生态安全的生态环境要素(哨兵标志物)，这个标志物必须是该城市中较敏感的生态要素，并且还能够定量或半定量的影响城市的生态安全边界。第三，根据城市不同阶段的环境目标或生态安全目标，基于哨兵标志物，演算保障生态要素达标所需的最小生态空间(或城市面积)。第四，根据计算所得城市最小生态空间和城市空间计算最小生态安全距离。 哨兵标志物的选择是最小生态安全距离计算的基础，哨兵标志物包含了可能对生态环境造成破坏和压力的所有要素，包括重大危险源，大气环境污染，水环境污染，生态安全等，每一类环境要素中还可以进行细分，例如大气环境中的不同类型的污染物，生态安全中的外来物种入侵或生态破碎化等。以大气污染和生态环安全为例，说明最小生态安全距离的测算方法。 4.2. 大气污染的最小生态安全距离测算 除了一些众所周知的英文缩写，如IP、CPU、FDA，所有的英文缩写在文中第一次出现时都应该给出其全称。文章标题中尽量避免使用生僻的英文缩写。1大气生态安全距离受到污染源排放强度、空间布局、风速、风向等多种因素影响，城市中不同的方位的最小生态安全距离也不相同。因此，大气生态安全距离并不是一个单一值，而是由一系列不同方位组成的矢量值。大气生态安全距离的测算需要从城市发展的目标主体入手，并根据污染物排放强度和气象要素来构建最小生态安全距离的测算模型。2目标主体对某一方位的客体影响程度与目标主体的污染物排放强度和该方位风的频率有关(3-2-1)，由于相邻区域污染存在交叉，需要考虑两个区域之间的相互重叠影响，重叠的程度与两个区域之间的风向频率有关，两个区域之间相互重叠后的污染物总量为TE (3-2-2)。 I = E × W P i (3-2-1) T E = E A ⋅ W P A + E B ⋅ W P B (3-2-2) I为目标主体对方位i的客体影响程度，表现为污染物输入量(t)；E为目标主体的大气污染物排放量(t)；WP i 为目标主体在方位i的年风向频率。TE为两个区域之间相互重叠后的污染物总量(t)；E A 和E B 为两个区域的大气污染物排放量(t)；WP A 和WP B 为A和B区域在AB连线方向上的年风向频率； 两个区域之间使污染物扩散和降解的空间，可粗略认为是对应于该风向方位上(360˚的1/16角度)的下垫面面积(A)。面积的大小由区域之间的空间距离和风向方位的角度决定: A = tan ( 360 ∘ / 32 ) × R E A 2 2 (3-2-3) R EA 为A、B两个区域之间的空间距离(km)。 下垫面面积A对应的污染物净化能力(PCL)可采用单位面积的大气环境容量与区域面积估算为： P C L = A × A P (3-2-4) 式中，PCL为下垫面面积A对应的污染物净化能力(t)；AP为区域单位面积的大气污染物环境容量(t/km 2 )。 下垫面类型不同，对于污染物的净化能力不同，如果是森林和草地，则具有较强的大气污染物的净化功能，下垫面A区域的森林和草地的净化能力(PCE)可表示为： P C E = A ⋅ F D ⋅ F S E + A ⋅ G D ⋅ G S E (3-2-5) 式中，PCE为下垫面A区域的森林和草地的净化能力(t)；FD和FSE分别为下垫面森林覆盖率和森林的污染物净化能力(t/km 2 )；GD和GSE分别为下垫面草地覆盖率和草地的污染物净化能力(t/km 2 )。 风向对应的下垫面净化能力如果能够恰好等于两个区域重叠的污染物，则认为对应的空间距离达到了最小生态安全距离的要求。即重叠的污染物量与缓冲区对应的环境容量和净化能力达到平衡，数学表达式为； E A ⋅ W P A + E B ⋅ W P B = A ⋅ A P + A ⋅ F D ⋅ F S E + A ⋅ G D ⋅ G S E (3-2-6) 由此得到下垫面的面积A： A = E A ⋅ W P A + E B ⋅ W P B A P + F D ⋅ F S E + G D ⋅ G S E (3-2-7) 所以区域之间大气生态安全距离R EA 为： R E A = 2 ( E A ⋅ W P A + E B ⋅ W P B ) tan ( 11.25 ∘ ) ( A P + F D ⋅ F S E + G D ⋅ G S E ) (3-2-9) 式中，R EA 为A、B两个区域之间的大气生态安全距离(km)。 大气生态安全距离的平方 R E A 2 与两个区域的大气污染物排放量E A 、E B 成正比关系，即两个区域的大气污染物排放量愈大，大气生态安全距离愈大，且与年风向频率WP A 、WP B 也成正比关系。 4.3. 生态安全格局的最小累积阻力模型 城市用地扩展是一种水平方向上的空间运动。由于土地的空间异质性和生态要素的敏感性差异，城市在向不同方向扩展的过程中受到不同的阻力，消耗不同的费用，运用最小累积阻力模型分析城市用地在扩展过程中所受的生态安全阻力，并计算累计阻力值，通过确定阻力值的阈值确定最小生态安全距离。 4.3.1. 最小累积阻力模型 最小累积阻力(Minimum Cumulative Resistance， MCR)是指从“源”出发经过不同类型的景观(土地结构类型)后，到达一定区域或位置所需克服的最小阻力或者耗费的最小费用，该模型基于地理理论常用来详细表达地理信息和测算个体之间的连接度，可用来计算生态敏感要素所需的最小生态安全距离。MCR模型最早由Knaapen等 [ 13 ] 人于1992年提出，经俞孔坚 [ 7 ] 、陈利顶等人1998年的修改后的基本公式为 [ 14 ] [ 15 ] ： MCR = f min ∑ i = 1 m ∑ j = 1 n ( D i j × R i ) (3-3-1) 式中：MCR是最小累积阻力值；表示物种从源j到景观单元i的空间距离；表示景观单元i对某物种运动(或者说生态空间扩展)的阻力系数；∑表示单元i与源j之间穿越所有单元的距离和阻力的累积；min表示被评价的斑块对于不同的源取累积阻力最小值；f表示最小累积阻力与生态过程的正相关关系，是一个单调递增函数。 源的选取和阻力面体系的构建是MCR模型建立的关键，而源在阻力面体系下对周围空间单元的竞争性扩散(以最小累积阻力值为依据)是MCR模型的核心。模型可选用ArcGIS系列软件中的Cost distance模块进行计算。 4.3.2. 基于MCR模型的最小生态安全距离测算 1) 确定源 源是事物或事件向外扩散的起点和基地，它具有内部同质性，否则就要分解为不同的源。源具有向四周扩展或吸引的能力，扩展能力或吸引能力的大小与源的性质，四周传播媒体的性质均有关。 2) 设置扩展阻力系数 能流或物流经过景观受到城市土地结构特征的影响使流速、流向等发生改变，这种影响称为扩展阻力，如风通过遇到防护林时，风的方向与速度都要发生改变。将城市的扩展过程在空间上看作是城市发展侵占和占用城市周围土地的过程，而这种扩展过程将导致城市生态安全状态发生改变或者受到破坏，因而存在一定的扩展阻力。可以使用生态安全指数来反表征某个区域的阻力值，生态安全指数越高的区域，其对生态安全破坏作用的承载力越高，其扩展阻力就越小。反之亦成立。生态安全指数可选用层次分析法进行计算。 3) 计算最小累积阻力距离 基于阻力系数的设置，获取研究区域的阻力成本栅格。以“源”为起点，计算“源”之间的最小累积阻力。“源”可经过不同的路径(单元)到达目标栅格单元路径不同，阻力成本不同。通过ArcGIS的Cost distance模块计算“源”的最小累积阻力分布。 4) 阻力面分析 在最小生态安全距离的计算中，城市对土地的利用被看作是对空间的竞争性控制和覆盖过程，而这种控制和覆盖必须经过克服阻力来实现。所有单元的累积阻力在空间上的分布就构成了扩展源(城市建成区)在城市扩展过程中运动的趋势面，也就是阻力面(resistance layer)，可以较为直观地反映出城市扩展的潜在可能性或运动轨迹。 5) 城市最小生态安全距离的计算 根据城市的生态定位或者对功能区的生态保护要求，城市扩展范围必须处于生态安全阈值所限定的范围之内。在城市用地扩展最小累积阻力分布图上，我们采用相应的阻力限值来表征生态安全阈值，从而对城市扩展范围设定出空间的边界。该边界以内的区域就是城市扩展可以到达的区域。而这个边界与城市行政边界之间的距离就是单个城市的最小生态安全距离。对于多个城市组成的城市群来讲，分别计算出在同等生态安全状态下各个城市建成区的扩展边界。这些边界之间的距离就是城市群中对应某一个生态安全状态(大气、生态等)的城市间最小生态安全距离。