污染輸出防控視角下淺山區水土資源空間優化研究

聶俊坤，徐 明

(1.北京市城市規劃設計研究院，北京市城規技術服務中心，北京 100045；2.北京首鋼建設投資有限公司，北京 100045)

城市淺山區指海拔低于一定高度的山區及平原與山地過渡地帶，屬于山地生態系統與平原生態系統的交錯地帶且具有豐富的物種多樣性，城市淺山區承載著統籌山區城鎮化及接受平原城區發展輻射的雙重職能，是維系主城市區發展建設的第一道“生態屏障”。城市淺山區與深山區相比，海拔相對較低，自然災害分布較少并更適宜于人類開發利用，即淺山區對于承載城市發展空間拓展功能具有重要價值[1]。然而，城市淺山區因土地退化風險高，通常屬于易誘發面源污染的脆弱土地類型區。因此，基于城市淺山區現有用地格局，綜合考慮淺山區面源污染物輸出風險防控，優化淺山區水土資源利用空間配置，有助于挖掘淺山區水土資源開發潛在價值，從而促進城市淺山區生態環境綜合效益發揮。相關學者針對水土資源開發利用空間優化配置開展了一系列有益研究，俞孔堅[2]等通過構建城市淺山區景觀安全格局，探索了淺山區實施高效精細化開發與保護的原則。邸文正[3]等基于低影響開發模式闡述了淺山區雨洪利用及排放思路。李運遠[4]等基于海綿城市視角闡述了淺山區雨洪資源管理策略。上述研究對水土資源空間開發評價及土地資源優化配置具有重要實踐價值，然而基于面源污染輸出風險防控開展城市淺山區水土資源利用空間格局優化配置的研究尚需深入。傳統線性模型通常僅能從水土資源利用空間類型面積角度實施優化，并難以適用于區域面源污染評估及土地資源空間優化配置[5-6]。因此，結合城市淺山區表土淺薄疏松、人居壓力大以及生態環境保育要求高等特征，構建耦合GIS技術的城市淺山區水土資源利用空間格局線性優化模型，探究不同水土資源利用空間格局下N、P面源污染物輸出風險，綜合考察最小污染物輸出量及最優經濟效益下的水土資源空間配置模式，以期為推動城市淺山區的面源污染防控及水土資源的可持續開發提供技術支撐。

1 城市淺山區水土資源利用空間格局優化模型構建

1.1 水土資源利用空間格局綜合評估

通?？刹捎脤嵉販y繪及遙感調查等方式識別解譯城市淺山區水土資源土地利用類型空間屬性數據，同時可將植被覆貌、地質地貌及流域下墊面近似的地塊合并為同一類型用地單元[7]。此外，基于單因素評估與綜合因素評估結合的方法評估水土資源利用空間格局適宜性。其中，單因素評估依據作用因素對用地的影響顯著性劃分適宜性等級并賦值[8-9]。同時，基于平均值法及制約因素法綜合評估水土資源用地因素，具體賦值規則為：①若待評估地塊各單因素評估值≥60分，則表明該類型地塊無顯著制約影響因素，可選取各單因素平均值作為待評估地塊綜合評估值；②若待評估類型地塊有單個或多個單因素評估值<60分，但各單因素評估值均值≥85分，則可賦值80分作為待評估類型地塊綜合評估值；③若待評估類型地塊有單個或多個單因素評估值<60分，但各單因素評估值均值<85分，則可選取影響最顯著的制約因素作為待評估類型地塊綜合評估值。其中，水土資源利用空間格局制約因素評估模型可表示如下式：

Ei=min(Dij) (i=1，2，3…n，j=1，2，3…m)

(1)

式中，Ei—第i項待評估類型地塊綜合評估值；Dij—第i項待評估類型地塊中第j項評估因素評估值。

水土資源利用空間格局綜合評估模型架構如圖1所示。

圖1 城市淺山區水土資源利用空間格局綜合評估流程圖

1.2 水土污染物輸出綜合評估

選取N、P兩種主要污染物質為研究對象，基于自然降水情境下針不同水土資源利用類型用地N、P污染物質輸出量進行實地監測。針對建設用地、綠地、林地、耕地以及荒坡等不同類型用地布設地表徑流試驗地塊(10m×10m)，采用布設在試驗地塊出口處徑流采集裝置收集混有N、P面源污染物質以及泥沙的地表徑流。之后將雨水測樣經酸化后測定待評估實驗地塊泥沙、TN以及TP含量，每種待測地塊污染物測試重復5次。

1.3 水土資源利用空間格局優化模型

基于城市淺山區水土資源利用空間格局適宜性綜合評估構建優化模型，在尋求多規劃目標最優解基礎上，推求待評估地塊各水土資源利用類型最優占比，同時基于GIS綜合優化待評估地塊水土資源最優空間格局，城市淺山區水土資源利用空間格局優化模型如下式[10-12]：

(2)

式中，minM1(x)—典型年待評估地塊N、P污染物質輸出量最小值，mg；maxM2(x)—典型年待評估地塊最大土地經濟效益值，元；xi—i類型用地所占面積；ai—i類型用地N、P污染物質單位土地面積輸出量，mg/(a·m2)；bi—i類型用地單位土地面積經濟效益值，元/(a·m2)。

則城市淺山區水土資源利用空間格局優化模型邊界約束條件如下式[13-15]：

(3)

式中，A—待評估地塊總面積；xi—i類型用地所占面積；gi—i類型用地適宜性評估系數。

2 應用實例

2.1 研究區概況

選取我國北方某城市具有典型代表特征的淺山區待規劃水土資源空間作為研究區域，該地塊處于溫帶季風性氣候區，多年平均降水量約為685mm，地塊海拔高度約為126～149m。研究區域土壤類型基本以褐土及棕壤土為主，總面積約為1.8hm2，其中林地約占10.2%，耕地約占24.3%，園地約占34.6%，農村居民點用地約占12.5%，未利用土地約占18.3%，待規劃水土資源空間山坡臺地占比較高且易發生集中降雨條件下的水土資源流失問題。因此，有必要通過優化待規劃水土資源利用空間格局，合理配置該地塊水土資源空間類型。

2.2 水土資源利用空間格局綜合評估

依據待評估地塊下墊面產匯流條件，選取可反應區域水資源保障能力特征的供水距離、土壤特征中土層厚度、地貌特征中的地形坡度作為單因素評估因子，基于單因素評估法評估地塊土地利用空間格局適宜性，待評估地塊不同水土資源空間利用類型各單因素適宜性評估值見表1—2。

表1 供水距離單因素等級適宜性評估值 單位：m

表2 土層厚度單因素等級適宜性評估值 單位：m

基于平均值法及制約因素法綜合評估待評估用地各單因素，結合水土資源利用空間格局適宜性評估結果，將待評估地塊不用利用類型用地劃分為較差適宜性、臨界適宜性、良好適宜性以及高度適宜性四組適宜性等別，依據作用因素對用地的影響顯著性賦值，見表3。

表3 待評估地塊不同利用類型用地適宜性等級及賦值 單位：m2

2.3 土地N、P污染物輸出量綜合評估

選取典型平水年2016年6—10月份降水條件，統計研究區10場有效降水下各徑流收集點N、P污染物流失量推求待評估水土資源空間不同土地利用類型用地N、P污染物年總輸出量。10場有效降水特征值及待評估水土資源空間不同土地利用類型用地N、P污染物年輸出總量見表4—5。

表4 有效降水特征值

表5 待評估水土資源空間不同土地利用類型用地N、P污染物年輸出總量

2.4 水土資源空間利用格局優化

2.4.1模型參數及約束條件

基于構建的城市淺山區水土資源空間利用格局優化模型，選取待優化地塊土地經濟效益最大化以及地塊N、P面源污染物輸出量最小化兩組目標，依據上述不同水土資源空間利用類型適宜性評估值，推求待優化地塊不同利用類型用地最優組合。模型約束條件如下式：

式中，林地、耕地、園地、以及農村居民點用地約束面積下限值由待評估各類型地塊現有最優使用面積確定；林地、耕地、園地、以及農村居民點用地約束面積上限值由臨界適宜性、良好適宜性以及高度適宜性面積之和求得；未利用土地約束面積由較差適宜性及臨界適宜性面積之和求得。

水土資源空間利用格局優化模型N、P污染物輸出系數及土地經濟效益指數見表6。

表6 模型N、P污染物輸出系數及土地經濟效益指數

2.4.2土地利用空間格局優化方案

基于待評估水土資源空間現有土地利用格局，遵循各評估類型地塊N、P污染物輸出特征，城市淺山區水土資源空間利用格局優化模型對各類型地塊最優面積推算結果見表7。

表7 水土資源空間利用格局現狀結構與優化方案對比

由表7可知，待評估水土資源空間土地利用格局經過優化，林地、園地較原土地利用結構分別增加了135.7%與42.1%，耕地、農村居民點以及未利用土地較原土地利用結構分別削減了48.7%、12.4%以及82.1%。同時，優化方案將地塊內河道周邊未利用土地及耕地面積削減，從而在實現N、P污染物入河量的同時，有效防控了地塊內的水土流失風險。此外，優化方案將地塊內園地、耕地及農村居民點用地集約規劃，剔除了耕地、園地及農村居民點用地中散布的未利用類型土地面積，從而實現了N、P污染物年輸出總量削減82.1%以及土地節約管理的目標，其中未利用土地面積的削減為全地塊N、P污染物輸出量的削減貢獻值最高。

優化方案使待優化水土資源空間不同利用類型土地集中連片，其中林地、園地經濟效益分別提高135.7%與42.1%，從而削減了經營成本并有助于連片管理。耕地、農村居民點用地經濟效益分別削減48.6%與12.4%，而全地塊總體經濟效益提升了15.3%，其中園地面積的增加為全地塊經濟效益的提升貢獻值最高。

3 水土資源空間開發保護策略

3.1 強化水土資源流失治理力度

針對城市淺山區土層相對較薄、水土資源發育時間相對較短以及降雨侵蝕強度高等問題，應通過工程性水土保持措施削減淺山區坡面侵蝕量，同時，可采用培植水土保持涵養林地等措施有效阻控水土流失入河污染量。此外，可通過坡改梯、梯級配置供蓄水池、改進種植農藝方式、攔蓄坡面徑流等措施綜合治理淺山區坡耕地，從而削減坡面侵蝕誘發的泥沙污染量。針對礦區開采、棄渣、棄土造成的水土資源污染問題，可通過優化設置尾礦庫、布置攔塵網、培育生物緩沖帶以及土壤污染生物治理等措施降解水土污染物質并削減淺山區面源污染物輸出量。

3.2 劃定水土資源空間開發邊界與生態紅線

針對城市淺山區水土資源的開發應基于集約開發以及生態保護等原則，可通過劃定土地開發邊界并設立生態保護用地等措施，從而有效控制人為開發強度并將生態設施落實在各水土資源開發空間類型之中。同時，為統籌淺山區水土資源開發與生態環境保護協調性，可通過征收淺山區生態保護專項稅費以及給予項目生態經濟補貼、資源扶助補償等方式，建立健全淺山區水土資源開發多元化生態補償機制，從而促進城市淺山區水土資源開發與生態保護的協調實施，促進構建淺山區各類型用地空間中面源污染源頭生態治理體系。

3.3 創新水土資源空間開發模式

城市淺山區作為承載城市水土資源空間開發外延壓力的重要載體，可采用集約節約以及精細化水土資源開發模式實施具體建設。目前，城市淺山區受制于擴張型、粗放式開發模式的慣性影響，部分區域實施淺山區水土資源開發時仍舊存在高強度、低效益、重開發、輕保護等問題，造成淺山區相當數量低產出閑散土地的存在。因此，有必要通過整合淺山區廢舊礦區、分散村鎮居住區水土資源以及創新水土資源空間開發模式，統籌兼顧區域生態環境資源在水土資源開發中的效益，從而在實現集約規劃開發淺山區多類用地的同時，提升區域水土資源空間開發投入產出效益以及生態反哺效能。

4 結語

基于不同土地利用類型地塊單因素與綜合因素評估方法實施地塊適宜性評估具有較強適用性，耦合了GIS與線性規劃原理的土地資源優化模型可在滿足各類型用地面積約束邊界條件基礎上，可合理優化配置土地資源空間格局并實現地塊內N、P面源污染物輸出總量的削減。統籌考量地塊面源污染物輸出總量最小化與地塊經濟效益最大化雙重規劃目標，可有效辨識影響地塊經濟與環境效益發揮的主要因素，并有助于實現保護城市淺山區生態環境與水土資源安全。研究可為城市淺山區土地利用空間格局方案優化及區域水土資源修復提供決策依據。