三峽庫區消落帶生態廊道區污染風險分析

朱康文,雷波,陳玉成,3,黃昌前,張晟,何君,李劍

(1.西南大學資源環境學院，重慶 400716；2.重慶市生態環境科學研究院，重慶 401147；3.農村清潔工程重慶市工程研究中心，重慶 400716；4.重慶市綦江區生態環境局，重慶 400803；5.重慶市生態環境局，重慶 401147)

隨著生態文明建設持續推進，圍繞山水林田湖草系統建設開展了一系列生態保護措施，我國水環境質量得到明顯改善[1-2]。為持續保障水環境質量，近年我國針對長江經濟帶沿線1 km范圍內產業布局進行了一系列調整，以此應對生態保護方面的挑戰。同時，為有效控制農業面源污染、提升區域生物多樣性、有效預防水土流失等方面的問題，參考國際在生態帶方面的研究提出了生態廊道的概念[3]。生態廊道對于區域生物多樣性保護、污染物過濾、防止水土流失等生態功能保障方面有很好的作用[4]。三峽庫區消落帶(簡稱“消落帶”)是全球面積較大的水陸交替帶區域，已有研究表明，其隨季節變化的周期性水位變化造成水體環境污染、水土流失嚴重、生物多樣性減少等方面問題較為嚴重[5-9]。生態廊道建設的本質就是區域景觀格局的優化，主要以污染型景觀用地退出，消納污染物型景觀增加為主[10]。因此，為有效判斷消落帶生態廊道區急需景觀結構優化的區域，需要分析不同區域污染風險情況，以及污染型景觀與消納污染物型景觀分布構成情況，為生態廊道構建提供數據支撐和科學依據。

1 研究區與研究方法

研究基于DEM數據和Landsat水體數據，識別三峽庫區消落帶生態廊道區，根據長江經濟帶生態保護總體要求，長江沿線1 km范圍內屬于污染型企業嚴格控制區域，因此，以消落帶向外1 km范圍作為生態廊道區。以此為基礎結合2017年土地利用數據，構建污染風險指數，采用“源-匯”理論[11]、核密度、Getis-Ord Gi*方法分析區域內污染風險與景觀變化之間的空間關系。

1.1 研究區

三峽庫區消落帶由重慶市江津區從西向東至湖北省宜昌市，涉及重慶市和湖北省的26個區縣[12]。整個三峽庫區區域內地貌以山地、丘陵為主，消落帶區域坡度相對較高，水土流失、面源污染危害嚴重[13]。植被以針闊葉林、經果林、灌叢、草地覆蓋為主[14-15]，本研究提出的消落帶生態廊道區范圍內因離水源較近等原因導致耕地布局比重較大。因此，消落帶生態廊道區內水環境污染風險較高，是當前生態保護、生態修復的重點、熱點區域之一。

1.2 消落帶生態廊道識別

三峽庫區消落帶根據DEM數據(中國科學院地理空間數據云平臺，http://www.gscloud.cn數據分辨率30 m)[16]、Landsat中國內陸水體信息數據(此數據是結合水體亮度值在TM/ETM影像的2、3、4、5波段上的差別來進行判斷，計算式為(TM2+TM3)/(TM4+TM5)>k1，來源同DEM數據，數據為GIS軟件的.shp矢量格式)等多源數據融合的方式進行提取[17,18]。本研究提取過程中與常規做法不同的是在流量獲取過程中采用不同土地利用類型的滲透率難易程度作為權重輸入進行校正以提高準確性。

圖1 河網提取流程圖Fig.1 The flowchart of river network extraction

1.3 污染風險指數

污染風險指數參考污染物從“源”地到“匯”地的“源-匯”思路，將區域內耕地、建設用地、其他用地作為“源”地，將林地、草地作為“匯”地，那么污染物從“源”地進入“匯”地過程與區域范圍內“源”地、“匯”地比例具有明顯的相關性。基于此研究構建污染風險指數，見式(1)。

(1)

式中：R為污染風險指數;AS和AC為“源”地、“匯”地面積。值R∈(0，1)，按照0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1分為無風險、低風險、中風險、高風險、極高風險。

1.4 景觀空間布局

為體現城市發展進程上的差異性，土地利用數據采用2017年數據，來自清華大學地球系統科學系網站，數據分辨率為30 m。根據研究需要將土地利用類型分為6類：建設用地、林地、草地、耕地、水域、其他用地，分布賦值為1、2、3、4、5、6。

為探討生態廊道區景觀空間差異，及其與污染風險指數之間的耦合情況，研究采用核密度、Getis-Ord Gi*方法進行分析。核密度、Getis-Ord Gi*用于識別“源”地、“匯”地具有統計顯著性的高值(熱點)和低值(冷點)的空間聚類[19]，具體方法見文獻[20]。

2 結果與分析

2.1 消落帶生態廊道劃分結果

根據2.1方法提取得到消落帶范圍，并進行1 km陸域范圍的距離緩沖，形成消落帶生態廊道區。為細化不同區域具體景觀情況，同時為分析不同河流的污染風險情況，將消落帶所有流域中面積大于10 km2的區域單獨形成一個小區，因此，共提取得到29個小區(表1、圖2)。

圖2 三峽庫區消落帶生態廊道區分布圖Fig.2 Distribution map of ecological corridor area in the hydro-fluctuation band

表1 三峽庫區消落帶生態廊道小區統計表

2.2 污染風險指數測算結果

消落帶生態廊道29個小區污染風險等級測算結果如圖3所示，整體來看以中風險、低風險等級為主；高風險區為嘉陵江、渠溪河、苧溪河和朱衣河，主要位于庫區中上游；無風險區為九畹溪、百歲溪、童莊河、良斗河，主要位于庫區下游。高風險、中風險、低風險、無風險比例分別為13.79%、37.93%、34.49%、13.79%。

圖3 生態廊道小區污染風險等級分布圖Fig.3 Distribution map of pollution risk level of ecological corridor districts

圖4 “源”地、“匯”地的核密度分布圖Fig.4 Distribution map of kernel density of Source and Sink Areas

圖5 “源”地及“匯”地的熱點分布圖Fig.5 Distribution map of hot spots of “source” and “sink” areas

2.3 景觀空間布局分析

2.3.1“源”地、“匯”地核密度分析

采用GIS軟件中核密度分析工具，對生態廊道區的“源”地、“匯”地分別進行核密度測算。圖中結果可以看出“源”地核密度高值主要分布在嘉陵江、御臨河、渠溪河、苧溪河、朱衣河、小江小區，“匯”地主要分布在烏江、龍河、湯溪河、磨刀溪、石蘆河、沙鎮溪、良斗河、童莊河、香溪河、九畹溪、百歲溪小區。總體上看，“源”地呈現出西高東低的特點，“匯”地呈現出西低東高的特點；整體上“匯”地比“源”地在空間上集聚程度更高。

2.3.2“源”地、“匯”地Getis-Ord Gi*分析

“源”地、“匯”地的Getis-Ord Gi*分析得到2種類型的熱點分布情況，熱點分析結果可以識別出“源”地在不同置信區間下的集聚區域和“匯”地在不同置信區間下的分散區域(置信度代表數據為隨機生成的指數)。圖中可以看出“源”地熱點區域主要分布集中在4段區域：嘉陵江—龍河小區段、東溪河—苧溪河小區段、小江小區、朱衣河—大溪河(不含長江干流區域)小區段，同時大寧河、沿渡河小區部分區域也有少量熱點區分布。“匯”地熱點在上游區域分布較少，僅有烏江、龍河小區以及龍河—苧溪河小區之間的長江干流區域有分布，苧溪河小區下游“匯”地熱點區分布較廣，存在明顯的連片分布趨勢。

3 結論

1) 消落帶生態廊道區污染風險空間差異大。研究結果表明：小江小區上游區域整體污染風險較高，其下游區域整體污染風險較低，呈現明顯的“西高東低”的格局，因此，區域污染風險防控重點應在其上游區域。

2) 景觀構成與污染風險在空間上具有高度一致性。根據污染風險指數結果與“源”地、“匯”地核密度、Getis-Ord Gi*分析結果對比發現，污染高風險區與“源”地核密度高值區、“源”地熱點區高度相關，污染風險低風險、無風險區與“匯”地核密度高值區高度相關。

3) 景觀優化可以有效降低污染風險。根據研究結果，“源”地占比面積小于“源-匯”地面積40%時污染風險較低，表明增加林地、草地等“匯”地類型布局將有效緩解區域水環境污染風險。“源”地高度集聚的區域應是防控水環境污染風險的重點區域。

研究針對消落帶生態廊道區各小區污染風險情況進行測算分析，從大尺度得到了區域污染風險防控重點小區，并通過核密度、Getis-Ord Gi*分析等識別了“源”地、“匯”地集聚區域，可以為區域水環境風險防控政策提供參考。同時鑒于離水域不同距離范圍內的“源”地、“匯”地分布對于水環境污染也有較大的影響，本研究從大尺度角度分析并未考慮，后續研究將考慮細化分析不同距離范圍內的景觀優化措施對水環境污染防控的效果。

致謝

感謝重慶市生態環境三峽庫區消落帶生態修復工程技術中心(擬建)對本研究的支持，感謝重慶市生態環境科學研究院生態所黃河清、劉建輝、鄭莉、李建輝、張方輝參與研究中數據的處理工作。