基于GIS技術的人工濕地選址適宜性研究

阮姍，李家宇

(1.南京大學 建筑與城市規劃學院，江蘇 南京 210000； 2.中南大學 建筑與藝術學院，湖南 長沙 410075)

近年來，人工濕地以其強大的生態功能，在生物多樣性保護、水凈化保護、氣候調節、野生資源開發、沼澤漁業、農業灌溉、大眾娛樂、生態環境科學研究等方面受到了廣泛的關注，并取得了明顯的經濟效益[1-3]。據報道，農業面源污染是地表水污染的主要組成部分，影響了全球30%～50%的地表水體[4-5]。農田化肥流失是造成農業面源污染的最直接原因。隨著農業集約化程度的提高和農業生產活動中化肥、農藥的過量使用，化肥流失量急劇增加[6]。大量試驗證明，可持續人工濕地可通過過濾、吸附、降水、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物降解等過程，與基質、植物和微生物形成共生體系，降解徑流中的氮、磷[7]。典型試驗表明，在農田和水體之間設置50 m寬的植被緩沖帶，人工濕地可以減少地表水中89%的氮和80%的磷。德斯普蘭濕地對可溶性磷的去除率為52%～99%[8]。

考慮到與城市外部環境系統、經濟發展和社會文化形態的協調，人工濕地的選址和穩定性對于消除農業面源污染來說同樣具有重要作用。人們普遍認為，原始濕地及其鄰近地區是最佳選擇。此外，土地利用性質、地形地貌、土壤性質等的多維評價在濕地選址中也起著重要作用[9]。根據氣候、水文等自然環境因素，以及施肥率、利用率、污染強度、耕地面積、濕地治理污染閾值等社會經濟因素，可以確定區域范圍內合理的人工濕地選址。通過對人工濕地選址適宜性的研究，可以為農業生產活動中由施用化肥而造成嚴重面源污染的地區提供一種凈化模式。但到目前為止，關于合理規劃人工濕地處理農業面源污染的研究還很少[10]。

GIS是地理空間分析的主要工具，廣泛應用于適宜性評價，以及超市、公園、教育設施等公共服務設施的建設中[11]。近年來，GIS技術還和遙感技術相結合，被用于濕地公園的生態系統、景觀豐富度、生物多樣性的動態監測和濕地恢復研究[12]。本研究運用GIS技術，以江蘇省13個地級市為研究對象，探討中等規模農業生產活動中化肥施用引起的農業面源污染的空間分布特征，并從小城鎮的角度，通過場地適宜性和規劃設計適宜性分析，為濕地公園的規劃和布局提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究數據

本文所采用的研究數據主要包括社會經濟統計數據和自然地理數據。社會經濟統計數據主要來自《江蘇統計年鑒》，及相關研究提供的2017年江蘇省各地級市化肥施用量(包括總量和分類數據)、耕地面積、城鄉居民收入水平、化肥利用率、產品強度和污染物流量系數等。自然地理數據包括土地利用現狀圖、土地利用規劃圖和測繪數據的土地利用現狀數據、高程、坡度和土地空間控制數據。

1.2 農業面源污染分析

清單分析是生命周期評價方法的一個重要組成部分，是對整個生命周期階段的資源利用、能源利用和環境排放進行定量分析的過程[13-14]。本研究采用庫存分析法，計算江蘇省13個地級市2017年農業面源污染排放中以氮、磷和復合肥為主的農業生產施肥過程中氮、磷的排放量。具體計算公式：

(1)

(2)

式(1)中：E是農業面源污染物向水體的排放量，特別是總氮(TN)和總磷(TP)的排放量；Ui是單位i污染物的指標統計，主要涉及氮肥、磷肥和復合肥的施用量；ηi是單位i污染物的肥料利用率；ρi是單位i污染物的污染強度系數；Ci是單位i污染物的排放系數，由單位和空間確定，反映區域環境、降水、水文和各種管理措施對農業面源污染的綜合影響，在江蘇省區域水平上各因子取相同值。

式(2)中：I是農業面源污染的排放濃度，表征其對水環境的影響；L是研究區地表水資源量。

1.3 選址標準

雖然濕地主要通過減少峰值徑流量和控制溶解污染物來凈化污水，但是詳細的選址和設計仍有助于實現輔助效益。人工濕地的選址應綜合考慮地質、地貌、水文、污水等自然環境因素，確定合適的建設面積[3,15]。一般而言，人工濕地的選址應避開自然遺產保護區、歷史資源保護區、風景名勝區和瀕危物種保護區。

目前，人工濕地用于污水處理的面積從不到200 m2到400 hm2不等。本研究在相關文獻[8,16]的基礎上確定如下選址標準：(1)土地利用現狀。可利用土地面積應大于0.1 km2。(2)區位條件。坡度在0～5°，絕對高程不超過25 m，距離河流緩沖區不到1 km。(3)空間結構。不得位于基本農田和規劃建設區。(4)空間管控。不得位于地質災害區和自然遺產保護區。

2 結果與分析

2.1 農業面源污染空間分布

經測算，江蘇省2017年13個地級市農業面源污染TN和TP的空間分布格局與化肥施用的空間分布相似，表明江蘇省農業仍處于粗放型發展階段，生產規模是影響污染總量的重要因素。氣候、降水和相關管理措施對污染物排放的空間分布并無顯著影響。農業面源污染排放強度的空間分布特征與化肥施用量和農業面源污染TN和TP的空間分布格局有一定差異，農業發達、經濟發展水平低的城市，如徐州、宿遷、連云港、淮安等，農業面源污染排放強度較高。

2.2 基于GIS技術的人工濕地選址適宜性分析

以徐州市銅山區柳新鎮為例，利用GIS技術的空間疊加分析功能，基于1.3節確定的標準，建立人工濕地選址的區域尺度模型，篩選適宜選址的地區，結果如圖1所示。本研究所使用的土地利用圖、水系圖均取自相關測繪資料，比例尺精度為1∶10 000；地質災害圖則取自徐州地面沉降規劃的測繪資料。

圖1 基于GIS的多要素人工濕地選址評價模型

研究發現，柳新鎮南部可供人工濕地使用的土地較少，而北部和中部則有大量土地可供區域性人工濕地使用，這些土地的面積超過0.1 km2。進一步用區位條件和空間結構進行篩選，發現北部和中部適宜建設人工濕地，而西部和東部的建設條件較差(圖2)。

圖2 人工濕地選址的適宜性分布

3 小結

與傳統的污水處理廠相比，人工濕地在建設投資、運行費用和處理效率等方面具有明顯的優勢，有利于生態系統的穩定。清單分析可以測量區域面源污染的總量和強度，通常用于探討面源污染的空間分布特征。地理信息系統技術可以從場地適宜性研究中土地利用的角度確定人工濕地建設的適宜性。本研究綜合運用上述技術，研究了江蘇省農業生產活動中由施肥引起的農業面源污染的空間分布特征，并以徐州市銅山區柳新鎮為例，探索了利用GIS技術對人工濕地建設適宜性進行分析的方法。結果顯示，農業生產中使用化肥造成的嚴重農業面源污染集中在農業發達、人均GDP較低的蘇北地區。以徐州市銅山區柳新鎮為例，按照確定的選址適宜性標準，發現當地有大量可供人工濕地使用的土地，主要分布在柳新鎮的北部和中部，土地利用條件良好。

但要指出的是，本研究未考慮畜禽養殖、農田固體廢棄物、農村生活污水等因素，僅對農業生產活動中化肥施用的單一維度進行了測定。下一步的研究可以從多個維度進行探討，從而更加全面地了解農業面源污染的空間分布。本文的研究區域位于北溫帶季風氣候區，氣溫適宜常年濕地作業。但對于寒冷、炎熱等極端氣候區來說，如何利用人工濕地來處理農業面源污染，仍然是一個值得探討的問題。此外，如何合理配置人工濕地的基質-植物-微生物，提高濕地的凈化效率等，也都還有待于進一步探索。