基于景觀格局的降雨徑流污染風險評價方法*

齊小天 張質明#

(1.北京建筑大學環境與能源工程學院，北京 100044；2.北京建筑大學北京應對氣候變化研究和人才培養基地，北京 100044)

近年來，降雨徑流污染已逐漸成為影響城市水環境的重要因素[1-2]。隨著城市化加快，城市景觀格局也隨之改變，大量林地和草地轉變為建設用地，導致城市水環境遭到破壞，威脅城市的健康和持續發展[3-4]。

城市河流及湖泊受徑流污染的程度與景觀格局具有密切的聯系[5-7]，景觀格局可通過影響污染物的發生、遷移和轉化等過程，實現對降雨徑流污染的控制。已有較多學者對該方面進行研究，并取得了一定進展：如崔丹等[8]和王歡歡等[9]從景觀組成與非點源污染的角度分別對湟水流域和洪湖地區進行研究，發現不同結構的景觀組成導致非點源污染負荷總量存在差異；李昆等[10]351和賈玉雪等[11]841從景觀空間結構與水質的角度分別對漢江流域襄陽城區段和資江尾閭集水區進行探討，發現景觀格局與非點源污染過程聯系密切，合理規劃土地利用類型可降低非點源污染風險。在此基礎上，李雪等[12]11和李明濤等[13]2304強調將景觀組成與空間結構進行結合，并分別對京杭運河杭州段和潮河流域的景觀格局與非點源污染負荷關系進行了更進一步探究；陳利頂等[14]2409,[15]則強調靜態格局與動態過程的耦合，建立了景觀負荷對比指數；劉芳等[16]和孫然好等[17]將該指標分別應用于長江上游和海河流域的非點源污染分析，并證明了該指數是可作為非點源污染空間風險評價的有效方法。

降雨徑流污染是一種極為復雜的生態過程，景觀格局中景觀邊界配置、滲透性、微環境和連通性等都具有明顯的特征性[18-19]。上述學者們的研究重點從單一格局逐漸轉移到了格局與過程的關系研究，本研究在此基礎上對景觀格局和徑流污染過程進行更進一步探討：一方面，將研究尺度由城市外的宏觀區域或城市群尺度深化到市級和區級尺度，為解決景觀格局改變對城市水環境產生的一系列負效應[20-21]提出更加具有針對性和可行性的措施；另一方面，加強因景觀基質、斑塊等變化所造成的降雨徑流污染效應差異和綜合作用機制分析，對傳統的景觀負荷對比指數進行改進和優化，嘗試解決該指數無法具體表示出景觀斑塊間的結構屬性和互動規律[22]等問題。

基于此，本研究以涼水河流域為例，將空間位置與空間結構、靜態格局與動態過程相結合，運用“源-匯”景觀理論和梯度帶理論，從城市景觀格局與規劃的角度提出了一套對城市降雨徑流污染發生風險定量評價的方法，以期為城市景觀格局優化和水環境保護提供更多可借鑒思路。

1 研究區概況與數據來源

涼水河發源于北京市石景山區萬泉寺鐵路橋，流經海淀區、西城區、豐臺區、朝陽區和大興區，最終由通州區榆林莊閘匯入北運河，全長約68.41 km，總流域面積約629.7 km2。涼水河隸屬于北運河水系，年平均降水量約為620 mm，約80%的降水集中在7—9月[23]5066，主要有以下兩個典型特點：(1)流速慢，水深淺，且自凈能力差；(2)人為干擾程度高，自然景觀斑塊逐漸退化與消失。流域水系分布及土地利用現狀見圖1。

圖1 流域水系分布及土地利用現狀

本研究所采用的數據及其來源包括：(1)北京市2013年土地利用現狀數據庫，分辨率為30 m，由北京市規劃和自然資源委員會(http://ghzrzyw.beijing.gov.cn/)提供，用于提取研究區土地利用類型及行政區劃；(2)北京市數字高程數據，分辨率為30 m，由地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)提供，用于獲取研究區的高程和坡度等數據；(3)涼水河流域突出問題及重點任務示意圖，由北京市水務局(http://swj.beijing.gov.cn/)和北京市水科學技術研究院(https://www.bwsti.com/)提供，用于獲取研究區的具體范圍。

2 研究方法

2.1 研究區劃分

在以往區域尺度非點源污染風險的評價過程中，通常運用水文模型劃分流域內子匯水區作為研究單元[24]。本研究以城市平原河流涼水河為研究對象，由于人類活動對城市地形地貌等自然環境的改變，子流域難以根據水文模型進一步劃分。因此，參考文獻[25]，依據行政區縣的劃分，將涼水河流域進一步分成5個部分：位于朝陽區部分編號為區域1；位于豐臺區部分編號為區域2；位于石景山區部分編號為區域3，位于通州區部分編號為區域4，位于大興區部分編號為區域5(見圖2)。

圖2 研究區劃分概況

2.2 景觀梯度帶劃分

生態過程對景觀格局的作用通常是通過景觀格局的局部地區(如梯度帶等)得到顯著反映[26]，通過梯度帶反映區域局部異常特征，有利于探究過程與格局的關系。如趙鵬等[27]和吉冬青等[28]的研究將梯度帶的方法運用到了景觀格局與徑流污染等水環境問題的探究中；張殷俊等[29]在平原河網地區分析不同作用區內土地利用格局與水質指數間的相關關系。這些研究在探究景觀格局對非點源污染的影響方面具有重要意義。

涼水河作為城市平原河流，相對高程和坡度的數值變化范圍小，不適合以兩者為標準進行梯度帶的差異分析，因此本研究依據“源”“匯”景觀與河道的相對距離來劃分梯度帶。參考文獻[10]和[12]，采用景觀梯度帶(分別以300、600、900、1 200、1 500、2 000、2 500、3 000 m為界)，以進一步判斷局部變化異常的位置。

2.3 “源-匯”景觀負荷對比指數

降雨徑流污染是連續的動態過程，污染物遷移擴散過程中受到“源”“匯”景觀的不同影響。將耕地和建設用地歸為“源”景觀；林地、草地和水域歸為“匯”景觀；涼水河及其支流為受納水體；未利用地不納入計算。在劃分景觀梯度帶基礎上，計算各區域“源”“匯”景觀累積負荷量及負荷對比指數，計算公式見式(1)[14]2410：

(1)

區域LWLI越大，該區域發生降雨徑流污染風險越大。某景觀累積負荷量越大，該景觀越靠近受納水體。借助累積負荷量，可以分析景觀要素隨距離增加的局部變化特征：若某個梯度帶內的數值發生了較為明顯的突變，說明該梯度帶較上一梯度帶增加的區域內存在景觀格局異常的情況。

2.4 景觀格局指數

選取表征破碎度、優勢度、復雜度和聚集度4個方面的8個景觀格局指數[10]345,[11]837,[12]4,[13]2299,[30]作為評價該流域降雨徑流污染發生風險的依據，運用Fragstats 4.2軟件進行景觀指數的計算。具體的指數及說明見表1。

為進一步判斷區域內景觀格局局部變化特征，辨別出個別區域梯度帶內破碎度、優勢度、復雜度和聚集度指數突變或異常的情況，運用Fragstats 4.2軟件計算每一級梯度帶內的景觀格局指數并進行累加分析，判斷降雨徑流污染發生風險較高的范圍。

2.5 構建景觀結構對比指數與綜合對比指數

將“源”“匯”景觀空間結構特征進行融合，便于分析結構層面的降雨徑流污染風險。根據表1，建立景觀結構對比指數，見式(2)：

表1 景觀格局指數含義及說明

LSLI=∑Ipositive/∑Inegative

(2)

式中：LSLI為景觀結構對比指數；Ipositive為促進降雨徑流污染的景觀格局指數；Inegative為減緩降雨徑流污染的景觀格局指數。

LSLI越高，相應區域在空間結構層面發生徑流污染的風險越高。在分析各區域景觀空間位置與空間結構的基礎上，將LWLI和LSLI進行綜合，得出景觀綜合對比指數，見式(3)。

LCLI=LWLI×LSLI

(3)

式中：LCLI為景觀綜合對比指數。

3 結果與分析

3.1 景觀類型統計分析

各區域土地利用類型面積占比見圖3。5個區域“源”景觀面積占比為75.27%～88.44%，遠高于“匯”景觀(11.56%～24.73%)，且景觀類型均以建設用地為主。區域4和區域5耕地占比較高，分別為25.40%和13.85%；而區域2和區域3建設用地占比極高，分別為84.70%和86.92%；區域3草地占比較少，僅為2.31%。區域4的土地利用類型較為豐富，景觀類型組成總體上優于其他4個區域。

圖3 各區域土地利用類型統計

3.2 景觀負荷對比指數分析

各區域土地利用類型在不同距離下的累積負荷量計算結果見圖4。

圖4 累積負荷量隨距離增加的變化情況

區域1內耕地、建設用地、林地、草地和水域累積負荷量分別為6.83、7.14、6.89、6.68和7.36，建設用地和水域的累積負荷量較大，草地的累積負荷量最??；建設用地在距離河流300 m內累積負荷量較小，但在600 m內顯著增加，反映出300～600 m范圍內徑流污染發生風險較高。區域2內耕地、建設用地、林地、草地和水域累積負荷量分別為5.86、5.89、5.23、5.39和3.00，該區域水域累積負荷量明顯偏小；耕地和建設用地累積負荷量高于林地和草地，表明“源”景觀相對“匯”景觀距河流更近；在距離河流1 500～2 000 m，耕地和建設用地累積負荷量迅速上升，說明該范圍作為突變點發生徑流污染風險較高。區域3耕地、建設用地、林地、草地和水域累積負荷量分別為5.36、5.95、3.17、5.35和3.82，2 000 m內的林地和1 500 m內的水域累積負荷量較小，徑流污染發生風險較高。區域4內耕地、建設用地、林地、草地和水域累積負荷量分別為6.04、6.27、6.44、6.45和7.80，林地和草地的累積負荷量高于耕地和建設用地，說明該區域“源”“匯”景觀空間布局相對合理。區域5內耕地、建設用地、林地、草地和水域累積負荷量分別為6.50、5.40、6.69、6.44和6.03，建設用地累積負荷量最小，徑流污染發生風險較低；300 m內，3種“匯”景觀的累積負荷量明顯高于“源”景觀，表明該區域河岸帶保護措施做得較好。

區域1至區域5的景觀負荷對比指數依次為0.69、1.24、1.76、0.09和0.37，區域3>區域2>區域1>區域5>區域4，其中區域1、區域4和區域5的景觀負荷對比指數較低，“源”“匯”景觀空間位置布局相對合理；區域2和區域3的景觀負荷對比指數偏高，發生徑流污染的風險相對較高。

3.3 景觀格局指數分析

3.3.1 景觀格局指數整體分析

研究區5個區域“源”“匯”景觀的景觀格局指數計算結果見表2(數據均經過無量綱化處理)。

表2 各區域景觀格局指數

相比其他區域，區域5“源”景觀AREA_MN(337.97)最高，“匯”景觀PD(2.16)最高，AREA_MN(4.42)最低，表明在破碎度方面區域5發生徑流污染風險較高；區域4“源”景觀的PLAND(78.67)和LPI(12.41)較其他4個區域最低，而“匯”景觀的PLAND(21.33)和LPI(3.32)最高，表明在優勢度方面區域4發生徑流污染的風險最低；區域5和區域4“源”“匯”景觀LSI均較高，表明這兩個區域受人為干擾程度低，在復雜度方面徑流污染發生風險較低，區域4“匯”景觀PAFRAC(1.19)最低，表明區域4“匯”景觀整體復雜度較高，但是每個單獨“匯”景觀斑塊的復雜度較低；區域4“匯”景觀COHESION(99.35)明顯高于其他4個區域，表明區域4“匯”景觀聚集度更高，區域3“源”景觀AI(99.17)最高，該區域“源”景觀聚集度高，在聚集度方面徑流污染發生風險較高。

區域1至區域5的景觀結構對比指數依次為0.44、1.11、1.53、0.12和1.43，區域3>區域5>區域2>區域1>區域4。區域1和區域4的景觀結構對比指數較低，這兩個區域景觀結構布局相對合理；區域3、區域5和區域2的景觀結構對比指數偏高，這3個區域發生徑流污染風險相對較高。

3.3.2 各級景觀梯度帶景觀格局指數分析

為辨別出景觀格局指數異?；蛲蛔兊那闆r，進而確定進行降雨徑流污染整治的關鍵位置，分別計算5個區域各級景觀梯度帶內景觀格局指數。每種景觀格局指數類型中的兩個變量變化趨勢相同，故選取每個類型中變化相對明顯的變量(PD、PLAND、LSI和COHESION)繪制累積折線圖(見圖5)，轉折點異常的位置即景觀格局指數異常的區域。

圖5 各梯度帶景觀格局指數變化情況

在破碎度方面，區域1在300 m內“源”景觀PD很低，此外區域2在1 200 m內、區域3在1 500 m內“源”景觀PD也較低，這些區域徑流污染發生風險較高，有針對景觀破碎度進行整治的必要；區域5各級梯度帶內“匯”景觀PD顯著增加，整個區域應考慮減小“匯”景觀破碎度。在優勢度方面，相較于其他區域，區域2和區域3各級梯度帶內“源”景觀PLAND偏高，“匯”景觀PLAND偏低，徑流污染發生風險較高；而區域4則相反，在優勢度方面徑流污染發生風險遠小于其他區域。在復雜度方面，各區域河岸帶“源”景觀邊界復雜，有利于減緩徑流污染物入河。在聚集度方面，區域4各級梯度帶“源”景觀聚集度最低，徑流污染發生風險最低；區域2內“匯”景觀COHESION相較于其他區域偏低，徑流污染發生風險較高。

3.4 景觀綜合對比指數分析

區域1至區域5景觀綜合對比指數依次為0.30、1.38、2.69、0.01和0.53。區域4發生徑流污染的風險最低；區域1和區域5的景觀格局也相對安全；區域2和區域3的徑流污染發生風險較高。

4 討 論

本研究最終得到各區域降雨徑流污染發生風險為區域3>區域2>區域5>區域1>區域4。張紅偉等[25]將類似的方法應用在山區農村居民點整治適宜性評價研究中，證明此方法具有可行性；李延等[23]5069對涼水河沉積物耗氧情況進行初步判斷，表明表層沉積物氨氮在涼水河上游最高，總有機碳含量為上游>中游>下游，從側面反映出涼水河的污染狀況，與本研究結果一致。

為了將靜態的“源-匯”景觀理論和景觀格局指數更好地應用到降雨徑流污染的評價中，分析了隨著梯度帶的擴展，各土地利用類型累積負荷量和不同區域景觀格局指數的變化情況，識別出個別數據異?；蛲蛔兊奈恢?，指示開展降雨徑流污染應重點關注的區域。梯度帶的應用是將靜態指數運用到動態過程的量化方法。而梯度帶有重疊且都是從0 m開始，一方面是為了識別局部異常和突變點的位置，梯度帶在重疊的基礎上增加，相應梯度帶景觀格局指數的變化規律才能得以體現；另一方面，在景觀負荷對比指數的計算中，梯度帶重疊相加后得到累積負荷量能反映出該景觀類型距離河道的分布情況。

區域1、區域2和區域3均存在因負荷量異常導致局部降雨徑流污染發生風險較高的范圍，且各區域“源”景觀在破碎度、優勢度變量中發生局部異常較多。

由于研究區城市化水平較高，大部分景觀類型已由自然景觀開發成為建設用地，建設用地是研究區的景觀基底。該現象反映在一部分景觀格局指數上就出現了較為極端的情況。如除區域4外，其他區域“源”景觀COHESION≥99.98，整個研究區內“源”景觀的連通度極高。此外，區域3面積較小，景觀數量較少，因此對其進行各類景觀指數分析時也產生了個別極端特征，如各景觀類型的空間負荷量相差較大，該區域各梯度帶LSI明顯較低。因此，需要探究城市流域更為科學的分區方法，以增加景觀格局對特定生態過程影響特點研究的精確度。

5 結論與建議

(1) 區域1至區域5景觀負荷對比指數依次為0.69、1.24、1.76、0.09和0.37，區域3>區域2>區域1>區域5>區域4。進一步分析局部特征后，判斷徑流污染發生風險較高的區域與原因主要為：區域1內300～600 m建設用地累積負荷量偏高；區域2內1 500～2 000 m耕地和建設用地累積負荷量偏高；區域3內0～2 000 m林地和0～1 500 m水域累積負荷量偏低。

(2) 區域1至區域5景觀結構對比指數依次為0.44、1.11、1.53、0.12和1.43，區域3>區域5>區域2>區域1>區域4。進一步分析各梯度帶景觀格局指數后，判斷降雨徑流污染發生風險較高的范圍和原因為：區域5整體“匯”景觀破碎度偏高，區域2和區域3整體“源”景觀優勢度偏高。除此之外，各區域的局部范圍也存在較高的徑流污染發生風險。

(3) 區域1至區域5景觀綜合對比指數依次為0.30、1.38、2.69、0.01和0.53。綜合評價各區域降雨徑流污染發生風險為區域3>區域2>區域5>區域1>區域4。應當對區域1和區域4的“匯”景觀現狀格局進行保護，而區域3和區域2的“源-匯”景觀格局優化則應成為涼水河流域降雨徑流污染治理考慮的重點。