海河流域面源污染風險格局識別與模擬優化

孔佩儒,陳利頂,*,孫然好,程 先

1 中國科學院生態環境研究中心 城市與區域生態國家重點實驗室， 北京 100085 2 中國科學院大學， 北京 101407

海河流域位于我國環渤海經濟圈,在新中國成立后,尤其是改革開放以來,經濟社會高速發展,對自然資源的過度開發帶來了嚴重的生態環境問題[1-2]。目前,海河流域面臨嚴重的水資源短缺和水環境污染問題,生態環境日益惡化,極大地制約了經濟社會的可持續發展[3-4]。隨著近年來社會各界對環境污染問題的重視,點源污染已經得到較好控制,面源污染成為影響流域水質的重要因子[5-6]。

景觀格局與水環境之間的關系研究是當今景觀生態學研究領域的一個關鍵科學問題[7-8]景觀要素作為地球表面空間布局的復合體,其變化不僅能反應景觀的結構與功能隨時間的變化過程和規律,也能產生一系列生態效應[9-10]。已有研究表明,景觀要素的空間分布能夠影響地表徑流、生物地球化學循環等一系列生態和水文過程[8, 11]。

當前景觀格局與水質污染的研究中,一部分研究是將靜態的景觀格局指數與水環境質量之間的關系進行相關性分析[11- 13],一部分研究是憑借經驗或賦予權重貢獻法確定不同景觀類型對面源污染生態過程的作用強弱[14-15],而很少考慮影響景觀過程的外部因素。總體上看,當前國內外對于景觀格局與地表水環境的關系研究,更多的停留在格局指數及景觀類型與水環境之間的靜態關系,對于景觀過程與地表水環境間的動態關系研究仍處于探索階段。由于當前的景觀格局指數的生態學意義并不明確,通過格局指數與水質污染物相關性分析得到的結果尚需進一步的解釋,空間格局上的差異性以及污染物遷移輸出過程的外部影響因子并未充分考慮,對此,部分學者已經開始注意到這個問題,王金亮等在長江三峽庫區通過最小累計阻力模型構建了庫區的面源污染阻力面,用阻力值大小來預測庫區農業面源污染發生的潛在風險,對于研究面源污染動態過程與景觀格局及外部因子的影響,具有很好的借鑒意義[16]。從景觀生態學原理出發,研究景觀格局對地表水質污染物的影響,繼而通過相關格局優化措施,改變污染物進入水環境的數量,影響地表水質,以此控制面源污染效果將是未來面源污染防控管理的一種有效途徑。將影響景觀生態過程的外部環境因子融入到景觀過程,利用動態模型來識別面源污染風險格局,是當前景觀格局與水環境關系研究的一個新興方向。在海河流域這樣的大尺度區域,將小尺度上的對每一個景觀單元進行污染物的輸入輸出監測方法直接應用到大尺度區域進行面源污染風險的識別可行性極低,必須在宏觀尺度上結合面源污染過程機理,對面源污染格局進行識別。

流域尺度上面源污染的發生過程,在景觀層面上可看作污染物從源景觀向外遷移并擴張到達水體所需克服阻力做功的過程,所需克服阻力越大,面源污染風險越低;阻力越小,風險越高[16-17]。而最小累積阻力模型能夠將大尺度區域的主要影響因子與面源污染物的輸移過程進行結合[16],以阻力成本的方式來識別面源污染風險程度。本文通過對海河流域面源污染風險格局構建,識別流域面源污染發生潛在風險,并在此基礎上對流域提出格局優化建議,對于流域水環境面源污染的防控管理具有重要指導意義。

1 研究方法

1.1 研究區概況

海河流域位于我國華北地區北部,坐落于環渤海經濟圈內,位于112°—120°E和35°—43°N之間,東臨渤海,西倚太行,南界黃河,北接蒙古高原,總面積3.18×105km2,占全國總面積的3.3%,是我國七大流域之一,也是是我國政治文化中心所在地,人口密集,流域平均人口密度為371人/km2,為全國平均人口密度的3.47倍,在我國國民經濟中占有重要地位。海河流域。全流域總地勢西北高東南低,大致分高原、山地及平原3種地貌類型。西部為黃土高原和太行山區,北部為蒙古高原和燕山山區,東部和東南部為平原。流域分為子牙河流域,漳衛河流域,大清河流域,北三河山區,北四河下游平原,灤河流域,徒駭馬頰河流域,黑龍港及運東平原,永定河山區九個二級流域,其中子牙河,大清河,灤河以及漳衛河流域可分為上游山區與下游平原。

1.2 數據來源

本研究數據類型主要有地形、氣象、土壤、植被、土地利用及地表水質等:(1)海河流域DEM(數字高程模型, Digital elevation model),來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站(http://www.gscloud.cn)的SRTM DEM UTM 90 m分辨率數字高程數據產品,生成海河流域坡度slope數據;(2)海河流域植被覆蓋度數據NDVI,來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站(http://www.gscloud.cn)的MODEV1D,為中國250 m EVI月合成產品(TERRA星),空間分辨率250 m,時間為2010年的12個月;(3)海河流域降雨量監測數據來源于中國氣象數據網104個氣象站點1990—2010年數據,計算年均降雨量;(4)海河流域土壤,來源于全國第二次土壤普查;(5)海河流域2010年土地利用數據,來源于全國生態十年遙感評估數據,數據精度為30 m。(6)地表水質來源于課題組2013—2015野外采樣測定。本文除了DEM、水系和土壤數據外,其余數據采集時間為2010年,柵格數據精度并不統一,有30 m精度,90 m精度,以數據的最大精度為標準統一轉換為空間分辨率為90 m。

1.3 基于最小阻力模型的海河流域面源污染風險識別與格局優化

1.3.1 最小累積阻力模型簡介

最小累積阻力模型(minimal cumulative resistance,MCR)最早用來反映物種從源地到達目的地運動過程中,克服不同類型景觀的阻力,所做的功累積的最小值或耗費的最小成本,是耗費距離模型的衍生應用[18],它反映的是一種可達性,后來被廣泛應用于生態領域,如物種保護、土地利用規劃等[19]。該模型考慮源、空間距離和阻力基面3個方面因素。其表達式如下。

式中,MCR是最小累積阻力值;f是一個未知的單調遞增函數,Dij是污染物從源j出發到達空間某一位置途中所穿越的景觀i的空間距離,反應了水平方向上的阻力;Ri是融合外部因子的景觀i對該運動在垂直方向上的阻力[20]。

1.3.2 面源污染風險識別

面源污染作為一個連續的動態過程,污染物遷移擴散過程中所受的阻力,除了受景觀單元本身影響之外,還受外部自然環境因子的影響[16],同時,面源污染物從地表輸出到最后進入河流干道影響水環境,定會經過一定的空間距離,因此,借助最小累積阻力模型,先將景觀要素及影響面源污染的外部因子相疊加形成面源污染擴散的垂直阻力基面(R),在此基礎上融入空間距離因素(D),代入最小累積阻力模型計算面源污染過程阻力面值,即面源污染過程所需克服的阻力,最小累積阻力越小,面源污染發生的風險越大;反之,阻力越大,面源污染發生的風險越小。

具體做法,將上述影響面源污染發生的各因子的柵格離散值進行線性歸一化,然后利用自然斷點法進行1—5等級劃分,級別越高表示阻力越大,同時利用專家打分法賦予各個因子的不同權重空間疊加,以此來表達影響流域面源污染過程的景觀單元阻力基面(R),阻力基面反應的是景觀單元及外部影響因子垂直方向對面源污染的阻力作用。基于阻力基面評價結果,進一步考慮空間距離的影響,依據最小累積阻力模型公式,運用ArcGIS 10.2中的cost-distance模塊生成面源污染過程阻力面,以此構建海河流域面源污染風險格局。考慮到海河流域面積較大,區域性差異較為明顯,在阻力格局構建過程中,均是在二級流域尺度進行,得到不同二級流域的面源污染阻力格局后,合成整個海河流域面源污染阻力格局,之后將阻力格局的阻力值與水環境數據進行相關性分析,對風險格局適用性進行驗證,對流域不同地區的面源污染風險進行識別,依據最終的阻力面柵格圖層,利用自然斷點方法進行影響流域面源污染過程的等級劃分,分為極低風險區、低風險區、中等風險區、高風險區和極高風險區。面源污染發生的過程中,不同景觀要素及外部因子對面源污染過程所起的阻力作用不同,從而影響到流域的面源污染風險。為此,本文將不同景觀要素以及影響面源污染發生過程的因子作為影響面源污染的指標,以此構建影響海河流域面源污染的阻力基面。在面源污染發生過程中,土地利用類型對于污染物的輸出具有重要作用,耕地建設用地能夠促進污染物輸出,草地林地等類型能夠有效攔截污染物遷移;坡度因子能夠影響土壤侵蝕攜帶污染物轉移,坡度越大,土壤侵蝕越容易發生,阻力因子越小;降雨侵蝕力與土壤可蝕性因子同樣反映污染物隨土壤侵蝕流失的作用程度;植被覆蓋度能夠反映植被覆蓋特征,植被覆蓋度越高,對污染物遷移的阻力因子越大。綜上,本文選取土地利用類型、坡度、降雨侵蝕力、土壤可蝕性和植被覆蓋度。在指標賦權過程中,充分參參考已有研究,如王金亮等在三峽庫區農業面源污染阻力格局分析[17],結合海河流域實際情況,考慮各因子對污染物遷移輸出的影響作用,土地利用類型對污染物的輸出、遷移具有重要作用,因此空間疊加賦值時予以重點考慮;地表植被不僅能夠蓄水減少徑流,而且具備水質凈化功能,對面源污染物擴散遷移同樣具有重要影響;而地形地貌、氣象水文等外部因子的作用相對較為固定,各自然因子間阻力作用差異并不明顯,在此基礎上,咨詢相關專家采用專家打分法對不同因子予以賦值,各評價指標含義、權重與獲取見表1。

表1 海河流域面源污染阻力基面評價指標及含義

1.3.3 海河流域面源污染風險控制與格局優化

景觀格局要素合理空間布局,可以很好地起到減少面源污染物輸出的作用,并且對污染物的遷移擴散起到攔截作用,從而降低流域面源污染風險。面源污染的發生,實質上是污染物從源景觀出發后,遷移擴散克服景觀內部以及外部阻力到達河流的過程。基于此,針對區域面源污染的格局調控,可以從污染物輸出的源頭控制與污染物遷移擴散的阻力增加兩個方向,對區域面源污染風險格局進行優化調控。源頭控制是對污染源進行控制,減少污染物輸出的數量;污染物遷移擴散的阻力增加則是改變或切斷污染物的遷移路線,增加污染物遷移擴散過程的阻力,使得進入水體的污染物數量大大減少,達到降低流域面源污染風險的效果。通過相關措施從以上兩個角度對區域面源污染格局進行優化,通過優化后的區域面源污染風險阻力值變化來模擬優化效果。

要實現對流域面源污染風險進行管控,首先需要確定對河流產生影響的核心控制距離,在核心距離內加強土地利用管理和人類活動管控,進行景觀格局優化。具體做法如下:借助流域面源污染格局構建方法,在不同子流域內,沿河道設置不同寬度的緩沖帶(200,400,600 m,至2000 m),分別剔除緩沖帶內污染風險源(耕地,建設用地),設置為no data,代入原柵格數據圖層,以前文方法計算生成不同緩沖帶的面源污染阻力面,重新計算阻力值,構建不同距離梯度阻力值曲線,通過阻力值曲線變化找到不同地區的核心控制距離。在確定核心控制距離后,在該距離范圍內設置不同梯度植被緩沖帶,代入前文數據圖層,構建優化后的面源污染阻力面,通過阻力值變化模擬海河流域不同地區的面源污染風險優化效果。

2 結果與討論

2.1 海河流域面源污染阻力格局構建及格局驗證

基于最小累積阻力模型構建的海河流域不同二級流域面源污染阻力面及其組成的海河流域面源污染阻力面如圖1及圖2所示,平均阻力值見表2,圖例中“值”代表區域的最小累積阻力值。流域面源污染阻力格局整體特征表現為,距離河流干流越近,阻力面值越小,面源污染物越容易遷移到相關河道造成水環境污染;距離河流干道越遠,阻力面值越大,污染物經過遷移轉化到達水環境所需要克服的阻力越大,到達水環境的可達性越低,在總體上呈現出明顯的向流域河道干流方向遞減的空間梯度變化特征,山區的面源污染阻力面的阻力值顯著高于平原地區,說明山區的面源污染風險要小于平原地區。

圖1 海河流域不同子流域面源污染風險阻力面Fig.1 Non-point source pollution risk resistance pattern different sub-basin in the Haihe River Basin圖例中“值”代表的區域面源污染阻力面最小累積阻力值

圖2 海河流域總體面源污染風險阻力面 Fig.2 Non-point source pollution risk resistance pattern in the Hahihe River Basin

將不同子流域阻力面值與海河流域地表水環境數據(表2)進行相關性分析(本文所使用數據為2013—2015年海河流域不同區域162個樣點重復采樣測定,樣點分布及水質污染結果詳見已發表相關文章[23]),相關性分析結果表明,在海河流域,面源污染阻力面值與水質污染物均呈負相關關系,其中,阻力值與水體富營養化指數,總磷,化學耗氧量,氨氮極顯著負相關,說明在海河流域,依據最小累積阻力模型構建的面源污染格局可以很好的用來表征流域的面源污染風險,在此基礎上,對海河流域面源污染風險等級進行劃分與識別。

2.2 海河流域面源污染風險格局識別

利用自然斷斷點法對海河流域面源污染等級進行劃分,結果如圖3。總體上,海河流域面臨的面源污染風險相對較高,有76320 km2區域面臨極高等級風險,約占流域總面積的24%,54060 km2區域存在著高等級風險,約占流域總面積17%,海河流域總共有超過40%的區域面臨極高與高等級的面源污染風險。中等、低與極低的面積分別為73140、95400 km2和19080 km2,分別占流域總面積的23%、30%與6%。從圖3可以看出,西北部山區地區風險顯著低于中南部平原地區,高等級風險區主要分布在流域中南部地區,西北部山區高風險區主要分布在河流流經的河谷地帶。山區地帶雖然坡度較大,有助于污染物的遷移擴散加速,但是山區地區植被覆蓋度較高,土地利用方式以對污染物遷移具有很強攔截作用的林地為主,耕地及居民點等潛在污染源景觀相對較少,從較少的源景觀輸出的污染物經過大量的林地景觀的攔截,到達河流干道所需克服阻力極大,因此面源污染潛在風險較低。而在平原地區,大中型城市聚集,耕地密布,大量的居民生活污水以及農藥化肥等污染物通過地表徑流的運輸遷移更容易進入水體而產生污染,發生面源污染風險也高。

表2 海河流域不同子流域面源污染阻力值及地表水質數據

圖3 海河流域及不同二級流域面源污染等級分布Fig.3 Spatial distribution of non-point source pollution risk level in the Haihe River Basin and different sub-basin

2.3 海河流域面源污染風險控制與格局優化

圖4 海河流域不同區域不同距離梯度緩沖帶剔除污染源后面源污染阻力值變化曲線Fig.4 Resistance value change curve of buffer zone set without pollution source in different sub-basin in the Hahe River Basin

圖5 海河流域不同區域植被緩沖帶設置后面源污染風險降低效果圖Fig.5 Effect of non-point source pollution risk reduction by setting vegetation buffer zone in different sub-basins

剔除不同距離梯度內污染景觀單元后,海河流域不同子流域阻力面曲線變化如圖4所示。通過圖4可以發現,在剔除潛在污染源后,所有區域的面源污染阻力面阻力值均隨距離的增加逐漸增大,在到達某一距離后,曲線趨于平緩。這一現象說明,隨著距離河道距離的增加,潛在污染源對河流的影響逐漸降低,但是曲線拐點的出現并不同步,說明在不同的區域,由于不同的景觀格局配置以及外部影響因子的共同作用。通過對比不同區域的阻力面值變化曲線,永定河山區,北三河山區,灤河山區3個區域曲線在600 m后趨于平緩,說明在這3個區域,600 m河岸帶范圍內的污染源景觀對河流的影響顯著高于600 m外區域,600 m外區域的污染源雖然也對水環境產生影響,但是趨于平緩的阻力值增加曲線說明他們對水環境污染的影響作用,由于距離衰減因素以及遷移擴散過程中其他景觀的攔截,對河流產生的影響遠小于600 m范圍內污染源景觀的作用。類似的,子牙河山區與大清河山區的核心控制距離大概為800 m;漳衛河山區核心控制距離為1000 m;子牙河平原與灤河平原核心控制距離約為1200 m;北四河下游平原,漳衛河平原以及大清河平原地區的核心控制距離約為1400 m;而黑龍港與運東平原以及徒駭馬頰河平原的核心控制距離達到了1600 m。總體上,山區的核心控制距離要短于平原控制距離。

在海河流域不同區域河岸帶核心控制距離內,沿河道設置不同距離梯度林地緩沖帶進行格局優化,優化后的阻力值及模擬效果見圖5,通過圖5可以看出,設置不同距離梯度林地緩沖帶后,流域不同區域面源污染風險均得到有效降低,在面源污染風險等級較高的平原地區,整體上,在面源污染風險較高的平原地區,沿河岸帶設置300—400 m林地緩沖帶,可將風險等級降低50%,700—800 m可達到最佳效果,超過800 m之后對區域的面源污染風險降低效果并不明顯,諸如北四河下游平原,灤河平原,子牙河平原,大清河平原等地區;類似的,山區地區本身風險較低,設置400—500 m緩沖帶可達到最佳效果,從圖5可以看出,在山區,當林地緩沖帶達到600 m時,面源污染風險降低效果趨于平緩,諸如大清河山區,子牙河山區,灤河山區,北三河山區等區域。

總體上,海河流域范圍內,山區地區核心河岸帶控制距離相對較短,平原地區,主要受土地利用類型及其空間配置所影響,平原地區土地利用類型以能夠促進面源污染發生的耕地與居民建設用地為主,輸出的污染物在遷移過程中沒有林地草地等景觀單元的攔截,因此,對河流水環境影響的河岸帶距離相對較長。而在山區地區,雖然坡度較大,并且存在著坡耕地,但是山區植被覆蓋度高,分布這大量的林地草地,能夠有效的攔截距離河岸較遠的污染物向河流的遷移,再加上山區地區,本身河岸帶周圍就分布有林地等景觀,因此,山區地區的控制距離相對于平原地區較短。格局優化模擬效果表明,平原地區設置林地緩沖帶優化效果顯著好于山區,平原地區河岸帶幾乎沒有林地分布,設置林地緩沖帶后,既減少了原有地區污染物的輸出,又能對遠距離污染物遷移至河道進行攔截,能夠極大的降低面源污染發生風險,甚至達到150%以上;而山區地區,本身污染風險相對降低,設置林地緩沖帶后,可以進一步降低污染風險,攔截河谷坡耕地等污染物遷移輸出至河道對水環境產生影響,用一個相對距離較短的緩沖帶即可達到最優攔截效果。

3 結論

本文通過最小累積阻力模型,綜合考慮景觀要素以及影響景觀過程的外部因子,構建了海河流域面源污染風險阻力面,通過阻力面的阻力值大小反映面源污染發生的風險,通過與海河流域地表水環境監測指標進行驗證,在此基礎上構建海河流域的面源污染風險格局,并識別了流域污染風險區。結果表明,海河流域面臨較高的面源污染風險,有超過40%的區域存在著高或者極高的風險,集中分布在中南部平原農耕區以及山區河谷地帶。平原地區的風險顯著高于山區風險,這是由不同地區的土地利用特點及空間配置所決定的。

為降低流域內面源污染發生的風險,需在流域內高風險地區加強土地利用的管理與格局優化。結果表明,針對海河流域不同地區特點,結果表明,重點加強600 m至1600 m距離的河岸帶農田以及居民點管理,降低污染物輸出負荷,降低污染源景觀的土地利用強度,能夠顯著降低污染風險,同時,通過格局優化模擬,在海河流域不同區域,沿河岸帶設置400—800 m緩沖帶,可達到相對最佳優化效果,有效降低流域現有面源污染風險。

本文基于最小阻力模型構建的面源污染風險格局,雖然考慮了景觀要素以及影響景觀過程外部自然因子的影響,在技術層面上仍然存在著一定的局限性,本文考慮了土地利用,植被覆蓋度,降雨侵蝕力,土壤可蝕性,坡度等外部因子,但是影響面源污染發生過程的外部因子并不僅僅局限于此,此外,在阻力面構建過程中,雖然采用了了專家打分進行阻力賦值,但是仍然存在著一定的人為主觀性,需要在后續研究中對不同阻力賦值方式所產生的面源污染風險影響進行延伸拓展分析。不同土地利用類型的用地強度不同,在面源污染過程中的作用也不盡相同,在后續研究中,考慮土地利用強度因素,針對不同利用強度的土地利用類型進行劃分,可使構建的阻力面模型更加精確。