平原城市河流面源污染研究范圍及方法的選擇與效果比較

孟祥巍，許學(xué)工

北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，地表過(guò)程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100871

Meng Xiangwei, XU Xuegong

College of Urban and Environmental Sciences, Peking University; Key Laboratory of Analysis and Simulation of Ear the Surface Processes, Ministry of Education, Beijing 100871, China

平原城市河流面源污染研究范圍及方法的選擇與效果比較

孟祥巍，許學(xué)工*

北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，地表過(guò)程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100871

由于平原城市地貌起伏不大，較難劃分城市河流的流域范圍，使得與河道面源污染相關(guān)的研究范圍的邊界確定存在一定的困難。針對(duì)這一問(wèn)題，本文對(duì)比了基于緩沖區(qū)和排水區(qū)的兩種研究范圍及方法。根據(jù)遙感影像，利用GIS提取研究區(qū)內(nèi)土地利用信息并與河流水質(zhì)進(jìn)行回歸分析，對(duì)比兩種范圍及方法所得出的結(jié)果，試圖為城市河道污染物的研究及管理提供方法支持和理論依據(jù)。本文選取了天津?yàn)I海地區(qū)11條河流進(jìn)行研究，結(jié)果表明：（1）選取城市排水區(qū)作為土地利用數(shù)據(jù)的方法能夠與河流中污染物的發(fā)生，遷移的真實(shí)情況相符合，能夠綜合考慮不同的景觀格局分布對(duì)于水質(zhì)的影響，結(jié)合平原城市的特殊性反映土地利用與河流污染物之間的相關(guān)關(guān)系，在機(jī)理嚴(yán)謹(jǐn)性上優(yōu)于使用緩沖區(qū)范圍，在整體性上更為完整；（2）基于緩沖區(qū)的研究方法能夠在一定程度上解釋在地表徑流作用下，河流近岸不同距離的土地利用類(lèi)型對(duì)河流污染物的影響，如耕地對(duì)污染物的影響，河流近岸100 m緩沖區(qū)的聯(lián)合顯著性為0.848，300 m緩沖區(qū)的僅為0.165；（3）土地利用類(lèi)型對(duì)河流中污染物類(lèi)型的貢獻(xiàn)和消減趨勢(shì)基本一致，城市居民點(diǎn)與工礦用地是河流當(dāng)中重金屬污染物如鉛、汞的主要輸入源；耕地對(duì)重金屬等污染物有一定的截留消減作用，但在面積較大時(shí)增加了河流的有機(jī)污染物如氨氮；林地、園地、草地和水體對(duì)于城市河流污染物有一定的凈化作用。兩種方法結(jié)合起來(lái)可以得出更為詳盡、客觀的研究結(jié)果。

土地利用；城市河流污染物；緩沖區(qū)；排水區(qū)

繼點(diǎn)源污染之后，面源污染成為城市河道水質(zhì)研究的主要內(nèi)容。有研究表明土地利用與水體的質(zhì)量之間存在相互作用(李文杰和張毅，2009)，土地利用方式和土地覆被變化可以顯著地影響水體質(zhì)量。目前這方面的研究，在土地利用數(shù)據(jù)提取范圍的選取上主要有以下幾種方法：

1)在河流兩岸一定范圍內(nèi)建立緩沖區(qū)來(lái)選取土地利用數(shù)據(jù)，如以杭州城五條典型河流為研究對(duì)象（官寶紅等，2005），利用與水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相同年份的影像，從小尺度上研究和分析城市內(nèi)部土地利用結(jié)構(gòu)和景觀格局與河道水質(zhì)的關(guān)系。以河流為中心線劃分100 m、200 m、300 m的緩沖區(qū)，以每一個(gè)緩沖區(qū)為一個(gè)研究單元對(duì)河流污染物進(jìn)行回歸分析。

2)在城市河流濱岸選取土地利用數(shù)據(jù)。如對(duì)上海市蘇州河的研究（汪冬冬等，2009）。這類(lèi)研究在狹義定義的基礎(chǔ)上，指河水陸地交界處的兩邊直至河水影響消失為止的地帶（GREGORY等，1991；鄧紅兵等，2001），結(jié)合城市河流和自然河流的差異,將城市河流濱岸帶界定在自河水和護(hù)岸的交界處直至護(hù)岸帶以外100 m左右。

3)根據(jù)GIS劃分城市河道水系流域。如對(duì)京津地區(qū)的溫榆河等11個(gè)小流域的研究(王嬌，2012)，分別從小流域綜合分析和小流域聚類(lèi)分析兩個(gè)角度，分析土地利用類(lèi)型及其社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征與河流水質(zhì)的關(guān)系，以1∶50000 地形圖為基準(zhǔn)，利用水系圖對(duì)高程進(jìn)行校正，劃分出京津地區(qū)的流域水系圖。

前兩種方法并不能排除緩沖區(qū)以外、濱岸帶以外的土地利用狀況對(duì)水質(zhì)沒(méi)有影響，而高差極小的平原城市（如天津）又很難用GIS直接劃分城市河道的流域范圍。鑒于此，本文將城市河道作為研究對(duì)象，通過(guò)緩沖區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的計(jì)算和排水區(qū)內(nèi)景觀指數(shù)的總結(jié)來(lái)分析土地利用和河流水環(huán)境質(zhì)量之間的關(guān)系。

隨著RS和GIS技術(shù)的迅速發(fā)展，這兩者的結(jié)合也成為研究土地利用格局變化與自然地理要素之間的相關(guān)關(guān)系的重要工具和方法（傅伯杰等，2003；龍花樓，2003；帥紅和夏北成，2006），本文采用此法試圖對(duì)河流污染物這一環(huán)境要素與土地利用結(jié)構(gòu)和格局這一地理空間要素之間的關(guān)系進(jìn)行闡述，并反映其內(nèi)在聯(lián)系。

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)來(lái)源與方法設(shè)計(jì)

本文的研究區(qū)是天津?yàn)I海地區(qū)，包括天津?yàn)I海新區(qū)，如塘沽、漢沽和大港以及部分主城區(qū)范圍。研究區(qū)地處華北平原東北部，海河流域下游，地貌主要是平原，少量山地、丘陵；天津?yàn)I海新區(qū)位于濱海平原之上，濕地水域面積遼闊，原是鹽堿地和未利用土地的集中分布區(qū)。隨著天津市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土地利用狀況發(fā)生著巨大的變化，天津市的水體質(zhì)量也產(chǎn)生一定程度的下降。因此，天津市土地利用結(jié)構(gòu)及景觀格局的變化對(duì)城市河道產(chǎn)生著影響。而這種影響可以通過(guò)河流中污染物的數(shù)值來(lái)體現(xiàn)。

本研究的土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于2008年的TM遙感數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)地觀測(cè)以及影像目視解譯得到。水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源于2008年天津市環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書(shū)，主要選取了11條河流和9個(gè)水質(zhì)指標(biāo)（pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、氨氮、石油類(lèi)、揮發(fā)酚、總汞、總鉛）。研究中的其他數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)地形圖、2008年天津市統(tǒng)計(jì)年鑒以及實(shí)際調(diào)查等。

本研究對(duì)分布在研究區(qū)域內(nèi)的11條主要河流和河段，包括潮白新河、獨(dú)流減河、北排水河、青靜黃排水渠、海河市區(qū)段、海河入海段、薊運(yùn)河、金鐘河、永定新河、子牙河、子牙新河進(jìn)行了提取，標(biāo)注出了實(shí)際污染物監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，如圖1所示。

本文采用了兩種方法：1）基于緩沖區(qū)進(jìn)行研究，即利用GIS軟件對(duì)上述河流做100 m、200 m、300 m的緩沖區(qū)提取，獲得相應(yīng)范圍內(nèi)的土地利用類(lèi)型，然后與水質(zhì)進(jìn)行相關(guān)分析；2）基于城市排水管道所劃分的排水小區(qū)進(jìn)行土地利用選?。ㄌ旖蚴兴睖y(cè)設(shè)計(jì)院， 2008），充分考慮了城市河流污染物的來(lái)源，并依據(jù)不同的河流將對(duì)應(yīng)的排水區(qū)數(shù)字化，利用GIS分析，試圖對(duì)城市河流非點(diǎn)源污染做出更為合理的解釋。

圖1 研究區(qū)域河流及監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.1 River and sample site distribution in study area

2 基于緩沖區(qū)的研究

2.1 緩沖區(qū)土地利用數(shù)據(jù)獲取

利用GIS軟件對(duì)這些河流做了100 m、200 m、300 m的緩沖區(qū)提取，獲得相應(yīng)范圍內(nèi)的土地利用類(lèi)型，其中，土地利用類(lèi)型主要包括耕地、綠地、城市建設(shè)用地、交通用地、鹽堿地、水體、未開(kāi)發(fā)利用土地，分析了各個(gè)區(qū)域內(nèi)土地利用類(lèi)型所占比例，如圖2。

圖2 河流沿岸緩沖區(qū)土地利用類(lèi)型Fig.2 Land use types in buffer area along the river

將各個(gè)河流按照監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置選取斷面，并將河流周?chē)恋乩妙?lèi)型的比例按照緩沖區(qū)距離的不同，在地理信息系統(tǒng)軟件下做了斑塊合并的處理,計(jì)算出土地利用結(jié)構(gòu)占比。

2.2 回歸分析

天津市河流緩沖區(qū)土地利用類(lèi)型主要以城市建設(shè)用地為主，在海河入海段與海河市區(qū)段最為明顯。在不同的緩沖區(qū)當(dāng)中，以河流污染物為自變量分別對(duì)緩沖區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)以及景觀格局做線性回歸分析，回歸模型如下：

得到的系數(shù)以及顯著性如表1。

2.3 結(jié)果分析

（1）天津海岸帶城市土地利用類(lèi)型對(duì)城區(qū)河流的水質(zhì)有重要影響。主要表現(xiàn)為離河流越近，土地利用結(jié)構(gòu)和景觀格局與河流污染物的相關(guān)性越強(qiáng)，主要從聯(lián)合顯著性的逐漸增加表現(xiàn)出來(lái)。在緩沖區(qū)為100 m時(shí)，基于聯(lián)合顯著性水平，土地利用結(jié)構(gòu)和景觀格局與水質(zhì)質(zhì)量表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性；隨著緩沖區(qū)距離的增加，這種相關(guān)性水平逐漸減弱。因?yàn)殡x河流兩岸越近的土地利用類(lèi)型在地表徑流作用下對(duì)排入河流污染物的影響越大，所以河流近岸緩沖區(qū)分析能夠在很大程度上解釋這種相關(guān)關(guān)系。

（2）從系數(shù)的正負(fù)關(guān)系可以看出，綠地、水體，耕地能起到部分污染物如石油類(lèi)、高錳酸鹽、總汞等的凈化作用，在污染物輸出的多少和對(duì)污染物的滯留能力上，耕地產(chǎn)生的有機(jī)污染物包括氨氮及生化需氧量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于城市建設(shè)用地和交通用地，而其對(duì)污染物的截留能力卻小于綠地和水體，這在其他人的研究中也有相同結(jié)論（鮑全盛和王華東，1996）。隨著城鎮(zhèn)用地、耕地比例的增加，城市河道中污染物的濃度有增大的趨勢(shì)。各種研究也表明城鎮(zhèn)用地的地表徑流是造成非點(diǎn)源污染重要原因之一(傅伯杰等，2001)。

表1 緩沖區(qū)土地利用與污染指數(shù)的相關(guān)性Table1 Correlation between land use and water pollutants index in buffer areas

3 基于排水區(qū)的研究

3.1 排水區(qū)的提取和水系處理

天津市排澇規(guī)劃所劃分的城市排水區(qū)，確定天津市濱海地區(qū)的排水小區(qū)范圍，共分為7個(gè)排水區(qū)，并將其在GIS當(dāng)中數(shù)字化。確定位于排水區(qū)之中的主要水系河流，并將河流進(jìn)行歸并。最后根據(jù)各個(gè)排水區(qū)內(nèi)河流的水質(zhì)綜合指數(shù)，得出各個(gè)排水區(qū)的河流水質(zhì)狀況。圖3為永定新河排水區(qū)土地利用情況。

圖3 永定新河排水區(qū)土地利用圖Fig.3 Land use type of Yongding xin river drainage area

3.2 排水區(qū)不同土地類(lèi)型的景觀指數(shù)計(jì)算

根據(jù)排水區(qū)當(dāng)中不同土地利用類(lèi)型斑塊的數(shù)量，面積等景觀要素，計(jì)算出不同排水區(qū)的景觀多樣性指數(shù)、景觀優(yōu)勢(shì)度以及景觀均勻度。其中景觀多樣性指數(shù)采用香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)（E.F.1998；LI和WU,2004）Shannon Wiener's diversity index即

其中Pi是第i種土地利用類(lèi)型在排水區(qū)當(dāng)中所占的比例。景觀均勻度反映景觀格局中各類(lèi)型面積和數(shù)量上分配的均勻程度，其值越大表明各景觀類(lèi)型面積上的分配越均勻。對(duì)各排水區(qū)做出用地百分比，景觀破碎度、景觀優(yōu)勢(shì)度等指數(shù)，以永定新河排水區(qū)為例，如表2所示。

3.3 結(jié)果分析

將各排水區(qū)水質(zhì)質(zhì)量狀況與景觀格局和土地利用特點(diǎn)進(jìn)行匯總，如表3所示。

通過(guò)以上排水區(qū)土地利用情況與水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)系研究主要得出以下幾點(diǎn)比較明顯的結(jié)果。

（1）當(dāng)流域當(dāng)中居民點(diǎn)與工礦用地較多時(shí)，表現(xiàn)出排水區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量較低，這是因?yàn)槌擎?zhèn)用地的地表徑流是造成非點(diǎn)源污染重要原因之一，其他人的研究也有同樣結(jié)論(張剛等，2007；張健春，2001)。海河水質(zhì)較好與流經(jīng)主城區(qū)治理力度大有關(guān)。而在以耕地或城鎮(zhèn)用地為主的土地利用結(jié)構(gòu)中，如果綠地或水體占有一定的比例，那河道水面水質(zhì)會(huì)有所提高。這同樣表明水體綠地有利于非點(diǎn)源污染的控制。

（2）當(dāng)林園草地面積較大，且破碎化程度較低，斑塊表現(xiàn)較為連續(xù)的時(shí)候，流域的水環(huán)境質(zhì)量較高，這是因?yàn)榫G地、水體，耕地能起到部分污染物的凈化作用（天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所，1991），這些土地利用類(lèi)型對(duì)地表徑流中的污染物有一定的截留制作用，而城市建設(shè)用地、交通用地作為污染物的產(chǎn)生源，隨徑流進(jìn)入水體的污染物較多，成為了水體污染物的“源”。

（3）耕地對(duì)于水環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)尚無(wú)明確結(jié)論（LAPP等，1998），當(dāng)耕地占有一定優(yōu)勢(shì)時(shí)，水環(huán)境質(zhì)量有稍微改善，但是當(dāng)耕地面積較大時(shí)，水環(huán)境質(zhì)量會(huì)表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)楦厥褂没十a(chǎn)生的有機(jī)污染物包括氨氮及生化需氧量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于城市建設(shè)用地和交通用地(PETERJOHN和CORREL，1984)，而其對(duì)工業(yè)污染物的截留能力卻小于綠地和水體。隨著城鎮(zhèn)用地、耕地比例的增加，城市河道中污染物的濃度有增大的趨勢(shì)（SAIKH等，1998），因?yàn)檫@兩種土地利用類(lèi)型是受人類(lèi)活動(dòng)影響較為強(qiáng)烈的地段，非點(diǎn)源污染將更加嚴(yán)重。

表2 永定新河排水區(qū)景觀指數(shù)計(jì)算Table2 Landscape index in Yongding xin drainage area

表3 排水區(qū)水質(zhì)質(zhì)量與土地利用特點(diǎn)匯總Table3 Land use characters and water qualities in drainage areas

4 討論：兩種研究范圍及方法的比較

比較以上兩種方法做出的天津市濱海地區(qū)土地利用與河流水質(zhì)的分析，可以看出：

（1）基于排水區(qū)的土地利用劃分與河流綜合水質(zhì)相結(jié)合的分析方法得到的結(jié)論更具有層次性，也較為全面，能夠綜合考慮不同的景觀格局分布對(duì)于水質(zhì)的影響。在機(jī)理的解讀方面，因?yàn)槌鞘幸?guī)劃部門(mén)會(huì)根據(jù)地表情況及地質(zhì)構(gòu)造來(lái)劃分城市排水區(qū)，每個(gè)排水區(qū)范圍內(nèi)的雨水徑流和污水均會(huì)排入一條特定的河道。所以利用排水區(qū)能夠更好的考慮到平原城市特殊性，不同用地上所承載的人類(lèi)活動(dòng)所產(chǎn)生的污染物以及土地自身的凈化作用所吸收的污染物都可反映在進(jìn)入排水區(qū)的水源中，排水區(qū)相當(dāng)于城市河道的流域，根據(jù)排水區(qū)提取的土地利用更符合實(shí)際情況。因此，在機(jī)理嚴(yán)謹(jǐn)性上比使用緩沖區(qū)范圍要好，在整體性上更為完整。

（2）基于緩沖區(qū)的研究方法能夠在一定程度上解釋在地表徑流作用下，河流近岸不同距離的土地利用類(lèi)型對(duì)河流污染物的影響，如耕地對(duì)污染物的影響，河流近岸100 m緩沖區(qū)的聯(lián)合顯著性為0.848，300米緩沖區(qū)僅為0.165。因此，基于緩沖區(qū)的研究方法可以依據(jù)各個(gè)回歸系數(shù)的正負(fù)情況和大小來(lái)判斷土地利用類(lèi)型與特定污染物的關(guān)系，同時(shí)根據(jù)聯(lián)合顯著性隨緩沖區(qū)距離增大而遞減的特性可以大體判斷地表徑流作用最顯著的區(qū)域。

（3）土地利用類(lèi)型對(duì)河流中污染物類(lèi)型的貢獻(xiàn)和消減趨勢(shì)是一致的，如綠地和水體對(duì)污染物起到的凈化作用和城市建設(shè)用地對(duì)污染物的貢獻(xiàn)作用。兩種方法結(jié)合起來(lái)可以得出更為詳盡、客觀的研究結(jié)果。

5 結(jié)論

（1）城市居民點(diǎn)與工礦用地是河流當(dāng)中重金屬污染物如鉛、汞的主要輸入源；耕地對(duì)重金屬等污染物有一定的截留消減左用，但在面積較大時(shí)增加了河流的有機(jī)污染物如氨氮，生化需氧量等；林地、園地、草地和水體對(duì)于城市河流污染物有一定的凈化作用。

（2）本研究為平原城市的河流水質(zhì)與土地利用關(guān)系的研究提供了新的“流域”選取方法，結(jié)合本研究的結(jié)論，城市河道的管理者可以從近岸和排水區(qū)域兩方面入手來(lái)提高和改善河流污染物現(xiàn)狀，在近岸尺度上可以通過(guò)調(diào)整土地利用類(lèi)型比例，如建立河流兩岸綠色廊道，增加綠地面積，減少污染物排入河道和增加污染物消減能力；在排水區(qū)域尺度可以通過(guò)改良排水管道和污染物遷移路徑，控制城市建設(shè)用地、工礦用地比例，設(shè)置排放標(biāo)準(zhǔn)控制等方法來(lái)進(jìn)行流域的綜合治理，使城市河流水質(zhì)得到根本的改善。

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The Studied area selection and result comparison of river non-point source pollution in plain urban area

As the plain urban area doesn’t show much difference in topography conditions, the usage of traditional river basin conceptapplying in plain urban area is not convincing. Thus, it’s hard to make an identification of effective border of the land use that can impact the relevant river water quality. To solve this issue, this paper compares the final results based respectively on the traditional buffer zone and drainage area method. Using 11 rivers’ pollutants in Tianjin Costal region and RS image, this paper apply GIS to study the correlation between land use and water quality by analyzing land use buffer data along the river banks and selecting land use data in drainage area, trying to provide methods and theories support to analyze and manage the rivers’ pollutants in plain urban area. The preliminary results showed that （1）The drainage area method can better illustrate the relationship between water quality and urban land use by taking full consideration of urban specialties such as water pollutant occurrence, movement and the impact of different landscape on water quality. It’s more theoretically convincing and comprehensive compared with the buffer zone analysis.（2）The buffer zone analysis can explain the influence on water quality under the effect of surface runoff to a certain extent. The negative correlation between the distance of buffer zone and the joint significance level can be used to identify the key area. For example, the joint significance level for arable land within 100 meters buffer zone is 0.848 and that number decreases to 0.165 as buffer zone expands to 300 meters. (3) Both methods show the same pattern for the relationship between water pollutant and land type. Urban construction land use will increase the water pollutant such as Pb and Hg; the arable land can reduce the heavy metal pollutant but will increase the organic pollutants such as ammonia as the area of arable land gets bigger; the grass land and water body will serve as the cleaner of the pollutants and help to improve the water quality. The combination of these two methods can help to get the result more objectively and comprehensively.

Land use; Urban River Pollutants; Buffer Zone; Drainage Area

Meng Xiangwei, XU Xuegong

College of Urban and Environmental Sciences, Peking University; Key Laboratory of Analysis and Simulation of Ear the Surface Processes, Ministry of Education, Beijing 100871, China

X522

A

1674-5906（2014）01-0145-06

孟祥巍，許學(xué)工. 平原城市河流面源污染研究范圍及方法的選擇與效果比較[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(1): 145-150.

MENG Xiangwei, XU Xuegong. The studied area selection and result comparison of river non-point source pollution in plain urban area [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(1): 145-150.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41271102；40830746）

孟祥巍（1988年生），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橘Y源管理與區(qū)域開(kāi)發(fā)。

*通訊作者，教授，E-mail：xxg@urban.pku.edu.cn

3013-09-11