基于非點源污染空間機制的綜合控制格局構建?

康世磊 岳邦瑞 馬欣悅

西安建筑科技大學建筑學院 西安 710055

《中共中央國務院關于建立國土空間規劃體系并監督實施的若干意見》 的正式發布標志著國土空間規劃體系頂層設計和“四梁八柱”基本形成。 國土空間規劃“是加快形成綠色生產方式和生活方式、 推進生態文明建設、 建設美麗中國的關鍵舉措”。 耕地、 園地、 水域等作為重要的陸域國土生態空間, 是生態文明建設的空間載體之一。 維護國土生態空間的各類生態系統健康、 有序運行, 是國土空間規劃體系的重要目標。

發生在農業景觀區的非點源污染是造成河流湖泊富營養化、 地下水污染、 水生生物生存環境破壞的重要原因, 對區域生態環境和人類健康造成了嚴重危害。 對非點源污染的研究已涵蓋環境科學、 土壤學、 農學、 水文學等多個學科。 目前,非點源污染研究內容主要涉及定量模型研究、 非點源污染中經營行為的影響研究、 非點源污染的環境經濟學研究以及非點源污染的控制與管理戰略研究等[1]。 相關學科的研究成果為空間規劃提供了重要的科學支撐, 但由于缺乏對非點源污染的空間機制研究, 導致這些研究成果無法進一步為農業景觀空間格局優化提供可操作性指導。 在區域或景觀尺度上進行生態空間格局優化是國土空間規劃體系的重要組成部分, 如何揭示非點源污染的空間機制并構建空間優化格局對空間規劃具有重要的現實意義。

1 非點源污染產生的空間機制分析

從非點源污染的產生機制看, 其發生是一個連續的動態過程, 即降雨在不同的下墊面條件下產生地表徑流, 同時對土壤產生侵蝕作用, 在降雨—徑流驅動因子的作用下, 大量的泥沙與其附著的污染物及可溶性的污染物進入水庫、 湖泊、河流等水體, 從而產生非點源污染[2]。 養分顆粒一旦溶于水體, 養分將隨同水體一起流動, 此時,養分的流動在較大程度上取決于水流的特性。 相關研究表明, 整個暴雨徑流過程中氮素流失以地表徑流為主, 占總流失量的81.66%[3], 所以, 非點源污染的產生、 遷移和轉化過程實質上是污染物從土壤圈向其它圈層尤其是水圈的擴散過程,是一種由地表徑流主導、 從“源” 到“匯” 的生態流過程。

從系統的內在機制看, 只要有流動存在, 就一定存在驅動其流動的勢(驅動力) 和阻止其流動的阻(阻力)[4], 所以非點源污染擴散過程可以認為是養分在地表徑流的驅動力作用下, 克服其載體(不同土地利用類型) 的阻力而進行的耗散性流動過程。 根據空間單元或要素在養分擴散過程中的不同作用, 我們可以將其分為“源” 景觀、 “匯” 景觀[5]。 “源” 景觀是指在格局與過程研究中, 那些能促進景觀流過程產生、 遷移的景觀要素： “匯” 景觀是那些能延緩、 阻礙景觀流過程的景觀要素。 為了便于理解, 我們將那些最終能接納、 聚集景觀流的景觀要素稱為“受體”景觀。 非點源污染擴散過程也可以理解為由“源” 景觀促進或發生的養分“流”, 通過克服“匯” 景觀的空間阻力而到達“受體” 景觀的歷時性流動過程。

2 基于非點源污染空間機制的綜合控制格局

由于非點源污染過程主要由水流的特性所決定, 根據養分“流” 過程的空間機制, 可以采取類似“源頭一過程—終端(Source-Transport-Sink,STS” ) 的分級雨洪生態管理理念[6]。 結合徑流的匯流過程, 分別從源地關鍵點消減、 傳輸通道消減、 匯前緩沖區控制3 個方面建構非點源污染控制格局。

2.1 源地關鍵點消減——濕地、 澇池

研究證明濕地是去除非點源污染有效的工具,自然和人工濕地中的土壤及砂石通過吸附、 截留、過濾、 離子交換、 絡合反應等凈化去除水中的氮、磷等成分[7-8]。 澇池作為關中一種典型的小型蓄水工程, 也可以通過蓄滯雨水減少地表徑流量、延緩徑流流速, 減少徑流輸出量, 從而減少進入地表水體中營養鹽的量, 因此, 可以在研究區域內地表徑流匯流的關鍵點位置設置濕地和澇池控制非點源污染。 根據地形高程模型, 在ArcGIS 中通過徑流產流與過程模擬分析, 確定自然徑流在地勢低洼處的匯水點位置, 為非點源污染削減控制的關鍵點(圖1)。

圖1 非點源污染消減關鍵點識別示意圖

2.2 傳輸通道消減——農田復合廊道系統

農業景觀中的防護林[9]、 樹籬[10]、 溝渠[11]等線狀廊道可以控制地表徑流、 防止土壤侵蝕,有效攔截氮、 磷等養分的遷移。 防護林和樹籬構成了地表水和淺層地下水的屏障, 可以增加水力糙率, 減緩水流速度, 從而控制地表徑流, 截留徑流中的各種物質： 溝渠是農田排水匯入河流和湖泊的通道, 其生長的植物及渠底的沉積物可以有效去除氮、 磷。 因此, 通過合理設計防護林和溝渠有利于控制非點源污染的形成。

溝渠、 林帶等設計必須與農田、 道路綜合考慮和有機結合。 以林、 路、 溝渠、 田配套建設的農田林網是目前我國農田防護林的主要形式, 這種配置形式占用耕地少, 防護效果高, 便于規劃建設、 科學管理實現機械化, 便于林帶更新和形成長期穩定的林網系統和耕作系統[12]。

2.3 匯前緩沖區控制——河岸植被緩沖帶

河岸植被緩沖帶被認為是控制非點源污染的最佳管理措施之一[13-14]。 植被帶過濾污染物的基本機理包括滯留徑流中沉積物和其攜帶的污染物、植被吸收養分、 土壤中有機和無機成分對污染物的吸附及土壤微生物對污染物的降解、 轉化和固定[15]。 植被緩沖帶構建必須要確定兩個要素, 即河岸植被緩沖帶結構及植被類型和植被緩沖帶寬度[16]。 不同的植被類型對污染物的控制能力不同, 喬木與草本混合的植被帶能比單一草本植被帶攔截總氮的效果高出14%[17], 所以一般采取復合植被帶控制污染物進入水體。 河岸植被緩沖帶結構及植被類型參照美國REMM 模型(The Riparian Ecosystem Management Model), 可以將河岸植被緩沖帶劃分為3 個區[18]: 緊鄰河流地帶為1區, 是以本地河岸喬木和灌叢為優勢種的沿河條帶： 與1 區相鄰的2 區其植被組成仍是各類本地河岸樹種及灌叢： 3 區位于河岸帶緩沖系統的最外側, 植被可為多年生的密植草地和非禾本科草本。

Mayer 等[19]研究表明, 植被緩沖帶的寬度與氮的凈化效果呈正相關, 但其有效控制非點源污染物的最小寬度值設定有較大的爭議, 有3 ～5m、30m、 61m 等不同的寬度值[13,20]。 雖說“越寬越好” 可能是對的, 但當寬度超越某個特定值后,生態效果的增加越來越小[21]。 在現實場地中河岸植被緩沖帶往往受兩岸可利用土地資源空間的限制, 緩沖帶的寬度不可能無限大。

3 秦嶺北麓鄠邑段案例研究

3.1 研究區概況

秦嶺北麓鄠邑區段位于陜西省西安市南郊山前洪積扇區, 范圍南至秦嶺北麓25°坡線, 北至洪積扇緣。 鄠邑區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候, 降水的日數懸殊, 降水強度變化大, 年降水量為627.6 mm, 最高939.4 mm, 最低422.3 mm,多集中在7、 8、 9 月, 占全年降水量的50%。 研究區域轄區11 個鄉鎮, 229 個村莊, 人口總計22.37 萬人。 秦嶺北麓鄠邑段是西安國際大都市重要的現代農業示范區, 主要以葡萄、 西瓜、 獼猴桃等瓜果種植產業為主。

根據《戶縣統計年鑒-2016》, 2015 年使用氮肥17 724 t (按折純量計算), 2015 年耕地面積37 678 hm2。 按單位面積耕地使用量進行計算,其氮肥的施用量分別達到了470.4 kg/hm2。 根據劉欽普[22]的計算, 陜西省2014 年氮肥環境安全閾值為106.1 kg/hm2, 而戶縣的氮肥施用量是其4.4 倍多, 遠超國際公認的化肥施用安全上限225 kg/hm2。

3.2 非點源污染空間機制

非點源污染空間機制分析主要是根據地表徑流過程識別“源” “匯” “受體” 各景觀空間類型。 “源” 景觀是耕地中地表徑流產流較高的區域, “受體” 景觀是各類河流水體, “匯” 景觀則是“源” 景觀與“受體” 景觀之外的其他土地利用類型。 所以, 非點源污染控制格局的關鍵是識別地表徑流產流較高的“源” 景觀。

SCS 模型又稱曲線數值法 (curve number method), 是美國農業部水土保持局(Soil Conservation Service, SCS) 于1954 年開發研制的流域水文模型, 是目前廣泛應用的地表徑流模型之一。SCS 模型具有結構簡單、 所需參數少、 對觀測數據要求不嚴格等特點, 能夠客觀描述不同土地利用方式、 土壤類型、 前期土壤含水量及降水條件下的地表徑流過程, 對于小面積集水區徑流預報具有較強的能力[23]。 利用SCS-CN 模型計算地表徑流主要分為確定土壤水文組、 查表確定CN、 根據土壤濕度調節CN、 利用SCS-CN 模型計算地表徑流等步驟[24]。

利用SCS-CN 模型計算地表徑流關鍵是徑流曲線數CN 值的確定。 由于SCS 模型中的CN 值在美國測定, 直接引用CN 值查算表誤差太大, 所以需要重新確定CN 值[25]。 結合本研究區域土壤水文分組及土地利用類型, 參考國內研究者在西安地區確定的CN 值[26-27], 確定了本研究區域在正常狀態下(AMCⅡ) 的CN 值表(表1)。 按照表1 中的CN 值進行賦值, 可得到研究區域的CN值分布圖(圖2)。

表1 西安市中等濕潤(AMCⅡ)狀態下不同土地利用類型的CN 值[26]

鄠邑區年均降水量627.6 mm, 根據SCS 模型的相關公式, 通過ArcGIS 的柵格計算器功能,計算出該研究區域的徑流深和徑流量(圖3)。對區域未來地表徑流產流較高的重點區域進行判別, 這些區域是未來源地非點源污染削減的關鍵區域。

圖2 研究區域的CN 值

圖3 研究區域各子流域年均徑流量(m3)

3.3 非點源污染控制綜合優化格局

利用GIS 水文分析模塊提取的矢量化河網分級圖, 然后使用“要素折點轉點” 工具捕捉各矢量線段的終點, 即出水口的位置。 根據非點源污染的污染源的分布, 結合地表徑流產流較高的重點區域對出水口進行篩選。 選出關鍵出水口109個, 設置濕地以消減非點源污染。 農田復合廊道系統參考相關文獻研究成果[12,28-29], 設定農田防護林/樹籬、 溪溝的設計參數如下: 1) 由于鄠邑平原區沿秦嶺山麓常年受西風影響, 本研究區域防護林的主林帶南北布置、 副林帶與之交叉： 2)主林帶間距300 m、 副林帶間距600 m： 3) 林帶配置標準為4 行, 行距2 m, 農田防護林寬度為8 m： 4) 干邊溝寬2 m, 支邊溝寬1 m。 河岸植被緩沖帶設置結合本研究區域河道兩岸土地利用現狀及相關文獻[30-31]研究成果, 設定植被緩沖帶寬度為30m。 將關鍵出水口、 農田復合廊道系統、河岸植被緩沖帶綜合疊加, 得出本研究區域非點源污染控制綜合優化格局(圖4)。

圖4 非點源污染控制綜合優化格局

4 討論

傳統科研與空間規劃實踐之間存在鴻溝, 其根源在于學科交叉的不足。 一方面, 傳統科學研究較少關注問題的空間屬性： 另一方面, 空間規劃本身的科學性不足, 對環境科學、 土壤學、 水文學等科學成果的理解與應用有限。 相關科學研究成果要為空間規劃提供有效的科學支撐, 就必須揭示問題解決之道的空間屬性。 本研究分析了非點源污染的空間機制, 認為非點源污染擴散過程是由“源” 景觀促進或發生的養分“流”, 通過克服“匯” 景觀的空間阻力而到達“受體” 景觀的歷時性流動過程。 基于非點源污染的空間機制提出源地關鍵點消減、 傳輸通道消減、 匯前緩沖區控制的綜合格局, 具體包括濕地、 農田復合廊道系統、 河岸植被緩沖帶等景觀要素。 最后,本研究把地表徑流作為非點源污染擴散的關鍵驅動力, 把河道作為非點源污染擴散的最終受體。但在其他現實景觀類型中, 地表徑流系統不僅與各類地表生態系統緊密相關, 同時與地下水系統也存在密切的相互作用。 未來非點源污染控制必須綜合考慮非點源污染在不同系統之間的遷移關系。