隆陽區(qū)水庫型水源地非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)空間分布及評(píng)價(jià)

郭財(cái)秀，張 鵑，李 姣，楊開斌，子萬玖

(1.昆明龍慧工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，云南 昆明 650000；2.云南省水文水資源局紅河分局，云南 蒙自 661100；3.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650000)

云南省保山市隆陽區(qū)地處中國西南邊陲，地形起伏大，地貌類型多樣，水資源分布不均，人均水資源量較少，屬嚴(yán)重缺水地區(qū)。受區(qū)域自然條件影響，供水水源類型有水庫型、地下水型和河流型，以水庫型居多。隨著隆陽區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，居民生活生產(chǎn)活動(dòng)帶來的水環(huán)境惡化、植被退化、水土流失等問題威脅著飲用水水源安全。飲水安全事關(guān)民生大計(jì)，保障飲水安全是隆陽區(qū)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)保障。

飲用水水源地風(fēng)險(xiǎn)源主要有點(diǎn)源、非點(diǎn)源兩類[1-2]。隆陽區(qū)水源地多處于山區(qū)河谷、溝箐地帶，區(qū)域內(nèi)以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)為主，生活污染、農(nóng)業(yè)種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖等非點(diǎn)源污染是區(qū)內(nèi)水源地水質(zhì)惡化的主要誘因。目前，水源地調(diào)查評(píng)價(jià)大多是進(jìn)行水量和水質(zhì)安全評(píng)價(jià)，對各類風(fēng)險(xiǎn)源尤其是非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源的評(píng)價(jià)較少[3-5]。非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源呈零散的面狀分布，難以通過傳統(tǒng)的污染源調(diào)查統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)[6]。隨著3S技術(shù)的發(fā)展，RS和GIS技術(shù)在區(qū)域空間信息的提取、分析及可視化等方面的應(yīng)用越來越廣泛，為水源地調(diào)查評(píng)價(jià)提供可視化技術(shù)支撐，并逐步運(yùn)用于水源地水質(zhì)、污染源空間分布調(diào)查等[7-9]。胡娟[10]基于GIS空間分析功能實(shí)現(xiàn)了漢江、湘江水源地水質(zhì)的空間可視化分析；殷緒華等[11]將GIS技術(shù)運(yùn)用到污染物入庫量的研究；姚延鵑等[12]通過對高空分辨率遙感影像的人工解譯，識(shí)別水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)的非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源，揭露了全國25個(gè)典型湖庫型水源地保護(hù)區(qū)的非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)空間分布。本文以隆陽區(qū)內(nèi)12個(gè)水庫型水源地為研究對象，基于水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)的土地利用方式，運(yùn)用ArcGIS獲取水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)的空間分布，并通過建立一套科學(xué)的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)定量和定性評(píng)價(jià)，旨在為隆陽區(qū)水源地風(fēng)險(xiǎn)管理提供數(shù)據(jù)支撐。

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

1.1 非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源提取

結(jié)合實(shí)地勘測資料和近期Landsat TM遙感影像，基于ENVI軟件，采用人機(jī)交互作業(yè)方法，通過識(shí)別影像光譜、紋理、色調(diào)等目視解譯得出水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)的土地利用方式。根據(jù)水源地現(xiàn)場走訪調(diào)查，水源地保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)存在的非點(diǎn)源污染主要由居民生活污水、固體廢棄物、農(nóng)田化肥農(nóng)藥施用、礦山開采和水產(chǎn)養(yǎng)殖等引起。因此，本次構(gòu)建的非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源體系由農(nóng)業(yè)用地、居民點(diǎn)、開采用地、水產(chǎn)養(yǎng)殖4類組成，其中農(nóng)業(yè)用地、居民點(diǎn)、開采用地屬陸域類風(fēng)險(xiǎn)，水產(chǎn)養(yǎng)殖屬水域類風(fēng)險(xiǎn)?；谘芯繀^(qū)土地利用方式解譯結(jié)果，提取農(nóng)業(yè)用地、居民點(diǎn)、開采用地、水產(chǎn)養(yǎng)殖用地4類土地利用信息，即可統(tǒng)計(jì)出非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源的位置和面積。

1.2 非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估

采用非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(non-point source pollution risks index,NPPRI)進(jìn)行水源地非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)估[12]。

(1)

式中NPPRI——非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Wi=(w1，w2，…，wm)；wm——m類非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源的權(quán)重；Si=(s1，s2，…，sm)；sm——m類非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)值。

非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源的權(quán)重由層次分析法進(jìn)行確定，非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)值根據(jù)陸域或水域非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源面積占其所在保護(hù)區(qū)的對應(yīng)陸域或水域面積的比例進(jìn)行賦分。

層次分析法是通過構(gòu)建判斷矩陣，采用專家賦分法確定相互對比的2個(gè)因素的相對重要性分值，由此計(jì)算出同一層次因子相對上一層因子的相對重要性權(quán)重[13]。根據(jù)非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源對水源地水質(zhì)安全的影響程度，結(jié)合國內(nèi)相關(guān)研究及水源地相關(guān)法律規(guī)定，針對本次建立的非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源體系，構(gòu)建判斷矩陣(表1)。經(jīng)計(jì)算，矩陣一致性檢驗(yàn)參數(shù)CR為0.024，小于0.100，具有較好的一致性。通過對判斷矩陣(表1)的最大特征根對應(yīng)的特征向量進(jìn)行歸一化處理得到各非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源的權(quán)重(表2)。考慮水源地不同級(jí)別保護(hù)區(qū)對水源地保護(hù)程度的不同，各級(jí)保護(hù)區(qū)風(fēng)險(xiǎn)源的權(quán)重不同，根據(jù)一級(jí)保護(hù)區(qū)較二級(jí)保護(hù)區(qū)重要，確定相應(yīng)權(quán)重統(tǒng)計(jì)(表2)。

表1 非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源判斷矩陣

表2 非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源權(quán)重

1.3 非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)定性評(píng)估

為更直觀地反映水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)隱患大小，基于非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源對水源地的影響程度及國內(nèi)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)源評(píng)價(jià)研究，采用低、較低、中等、較高、高5個(gè)級(jí)別對隆陽區(qū)水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定性評(píng)價(jià)[14]。風(fēng)險(xiǎn)的級(jí)別越高，水源地遭遇的非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)越大。以水源地非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別劃分，計(jì)算非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的均值(μ)和標(biāo)準(zhǔn)差(σ)，按照表3設(shè)定范圍確定各水源地非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別[15]。

表3 非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)定性分級(jí)

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與分析

2.1 水源地概況

以隆陽區(qū)12個(gè)水庫型水源地為研究對象，分析水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源的空間分布規(guī)律，并進(jìn)行非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。水源地基本信息見表4，水源地保護(hù)區(qū)面積范圍1.81～13.22 km2不等，涵蓋小Ⅰ型、?、蛐秃椭行退畮欤哂休^好的代表性。

2.2 水源地非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)空間分布規(guī)律

基于遙感影像解譯的土地利用數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS提取12個(gè)水源地非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源的位置和面積，統(tǒng)計(jì)得出研究區(qū)內(nèi)非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源信息見表5，非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源分布特點(diǎn)如下。

水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)均有非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源分布，主要有農(nóng)業(yè)用地、居民點(diǎn)、開采用地和水產(chǎn)養(yǎng)殖用地4類，水源地非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源總面積22.9 km2，占水源地保護(hù)區(qū)總面積26.8%。按非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源類型統(tǒng)計(jì)，以農(nóng)業(yè)用地面積占比最大，占非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源總面積的90.0%；其次是居民點(diǎn)、開采用地、水產(chǎn)養(yǎng)殖用地，分別占9.1%、0.9%、0.003%。按水源地統(tǒng)計(jì)，除第5水源地外，其余11個(gè)水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)均有農(nóng)業(yè)用地和居民點(diǎn)分布，僅第3水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)有開采用地，僅第12水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)有水產(chǎn)養(yǎng)殖用地。按保護(hù)區(qū)級(jí)別統(tǒng)計(jì)，除第5水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)無非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源分布外，其余水源地的一級(jí)、二級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)均有非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源的分布；一級(jí)、二級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源總面積分別為2.4、20.6 km2，分別占一級(jí)保護(hù)區(qū)和二級(jí)保護(hù)區(qū)總面積的16.3%、28.9%。

表4 水源地基本信息

表5 水源地非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源信息統(tǒng)計(jì) hm2

2.3 水源地非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.3.1定量評(píng)價(jià)

統(tǒng)計(jì)12個(gè)水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)各類非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源面積占所在保護(hù)區(qū)的陸域或水域非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源面積的比例，由式(1)計(jì)算非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，結(jié)果見表6。繪制非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)及各級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源分布情況(圖1)。

表6 水源地非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)值及定量評(píng)價(jià)結(jié)果

圖1 水源地保護(hù)區(qū)非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源統(tǒng)計(jì)與評(píng)價(jià)

由表6可知，12個(gè)水源地中非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最小的是第5號(hào)水源地，為0.35，最大的是第4號(hào)水源地，為9.60。由圖1可知，各水源地中均以農(nóng)業(yè)用地面積居首，表明12個(gè)水源地中以農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)隱患較大。由于第5號(hào)水源地僅二級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)分布有小面積的農(nóng)業(yè)用地，周邊環(huán)境保護(hù)良好，非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)??；而第4號(hào)水源地一級(jí)、二級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)均有較大面積的農(nóng)業(yè)用地和居民點(diǎn)，非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大。

為進(jìn)一步分析各類因子對非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的影響，選取非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)、一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源面積比例、二級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源面積比例、保護(hù)區(qū)內(nèi)非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源面積比例、非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源面積、保護(hù)區(qū)面積數(shù)據(jù)系列繪制散點(diǎn)圖，建立非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與各因子的相關(guān)關(guān)系見圖2。

a) 非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源因子相關(guān)關(guān)系

b) 非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與保護(hù)區(qū)面積相關(guān)關(guān)系圖2 水源地保護(hù)區(qū)非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與各因子相關(guān)關(guān)系

由圖2可知，非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與各非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源因子的相關(guān)系數(shù)均在0.76以上，相關(guān)關(guān)系較好，與水源地保護(hù)區(qū)面積相關(guān)系數(shù)僅為0.04，沒有相關(guān)性，說明水源地遭遇非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)隱患的大小與保護(hù)區(qū)面積大小無關(guān)，但與非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)的面積及其在各級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)占比有關(guān)，尤與一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)的面積比例相關(guān)關(guān)系最好。另一方面，由于水源地保護(hù)區(qū)面積是非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源絕對面積的基數(shù)，保護(hù)區(qū)面積越大，非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)的基數(shù)越大，治理難度越大。因此，進(jìn)行水源地風(fēng)險(xiǎn)管理時(shí)，既要加強(qiáng)一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)源的保護(hù)與管理，還要考慮整個(gè)水源地保護(hù)區(qū)的污染治理與保護(hù)。

2.3.2定性評(píng)價(jià)結(jié)果

12個(gè)水源地非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的均值為3.30，標(biāo)準(zhǔn)差為2.30，按照表3風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的設(shè)定范圍，確定非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)值范圍見表7。12個(gè)水源地非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)定性等級(jí)分類結(jié)果見圖3。由圖3與表7可知，12個(gè)水源地中，1個(gè)水源地(第4水源地)風(fēng)險(xiǎn)定性等級(jí)為高，占8.3%；1個(gè)水源地(第2水源地)風(fēng)險(xiǎn)定性等級(jí)為較高，占8.3%；6個(gè)水源地(第3、7、8、10、11、12水源地)風(fēng)險(xiǎn)定性等級(jí)為中等，占50.0%；3個(gè)水源地(第1、6、9水源地)風(fēng)險(xiǎn)定性等級(jí)為較低，占25.0%；1個(gè)水源地(第5水源地)風(fēng)險(xiǎn)定性等級(jí)為低，占8.3%。第2、4水源地因一級(jí)、二級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)均分布有大面積的農(nóng)業(yè)用地和居民點(diǎn)，評(píng)價(jià)等級(jí)分別為較高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)定性等級(jí)較高以上的占16.7%，說明本研究中水源地遭遇非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)隱患總體不大。

表7 水源地非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)定性等級(jí)結(jié)果

圖3 水源地非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)定性等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 結(jié)論

a) 本研究選取了隆陽區(qū)12個(gè)水庫型水源地，基于遙感影像資料和ENVI軟件提取保護(hù)區(qū)內(nèi)非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源信息，發(fā)現(xiàn)非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源類別中，農(nóng)業(yè)用地分布于12個(gè)水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)，居民點(diǎn)分布于11個(gè)水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)，而開采用地、水產(chǎn)養(yǎng)殖用地僅分布于個(gè)別水源地保護(hù)區(qū)中。說明本研究中水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)主要來自農(nóng)業(yè)面源和居民生活污染，可根據(jù)非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)的分布位置和面積制定配套的污染治理措施。

b) 根據(jù)水源地非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，本研究中的水源地遭遇非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)隱患總體不大。但12個(gè)水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀不同，其中第2、4水源地分別處于較高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，應(yīng)優(yōu)先對其進(jìn)行保護(hù)與管理。

c) 基于不同時(shí)期遙感影像即可識(shí)別不同時(shí)期的非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源信息，以此進(jìn)行非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)源的監(jiān)測，可為水源地的非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐。本文通過對水源地非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)的定量與定性評(píng)價(jià)，直觀的反映了保護(hù)區(qū)內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)狀況，明確風(fēng)險(xiǎn)治理類別、位置和數(shù)量，并確立了風(fēng)險(xiǎn)管理優(yōu)先次序，便于制定有效的污染防治措施，對保證區(qū)域飲用水水源供水安全具有重要意義。