基于“源-匯”理論的成都棕地面源污染風險評價

陳 琪，黃 瑞，李金芮，劉百川

(西南交通大學 建筑學院，四川 成都 611756)

1 引言

棕地作為城市中廢棄、閑置的土地，不僅使城市的景觀破碎化，更令曾經(jīng)泄露的工業(yè)原料和輔料以及殘存的固體廢棄物污染滲透到土壤中，隨雨水的沖刷，向周邊環(huán)境擴散，最終匯入城市水域，污染城市水源。根據(jù)建設用地土壤污染狀況調(diào)查表明，幾乎所有的工礦類企業(yè)的特征污染物中，都包含重金屬污染物[1]。重金屬污染物在自然環(huán)境以及水體中不能被生物降解,會不斷累積，有些重金屬甚至在微生物作用下轉化為毒性更強的重金屬化合物,如甲基汞進入生態(tài)系統(tǒng)后,經(jīng)食物鏈不斷在生物體內(nèi)富集，引起生態(tài)系統(tǒng)中各級生物的不良反應[2]。無法得到降解的重金屬，具有持續(xù)性污染，又因有極強的生物富集性，最終通過直接接觸或食物鏈富集到人體，嚴重損害內(nèi)臟、消化系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)，Cd和Cr等一些重金屬還具有致癌性，是一類危害極大的水污染物[3]。

棕地的污染治理和健康風險評價的相關研究，目前主要集中在對場地內(nèi)部污染物。棕地污染情況的分析采取了單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、地累積指數(shù)法等，對場地內(nèi)部各區(qū)域進行風險評價，并針對高、中、低不同污染程度的土壤提出修復對策[4，5]。李靜[6]、李娟娟[7]、Wang[8]、Jun Zhang[9]、Keshav Krishna[10]、趙慶令等[11]利用內(nèi)梅羅指數(shù)法、單因子指數(shù)法對鉛鋅礦區(qū)、煉銅廠區(qū)、灌區(qū)土壤重金屬污染進行評價。孫一豪[12]、崔羅肖等[13]、熊潤光[14]、王詩雨等[15]、趙君[16]、黃小娟[17]、鄭國璋[18]等將多種指數(shù)法與重金屬潛在生態(tài)風險系數(shù)相結合分析確定場地重金屬元素的風險等級，用于指導場地分級管理、分級治理的景觀營建。熊潤光[14]、王越[19]、張善紅[20]等研究了GIS在土壤重金屬污染評價中的應用。也有學者對其他的方法進行嘗試與探索，陸泗進等[21]利用風險評價代碼法和潛在生態(tài)風險指數(shù)法評價對重金屬污染程度與潛在生態(tài)風險進行評價；孫葉芳等[22]利用TCLP法評價對土壤重金屬污染狀況進行測定;Wang等[23]利用污染指數(shù)法對典型的工業(yè)城市的土壤重金屬污染進行了測定，并結合正定矩陣分解(PMF)模型和Unmix模型對重金屬污染來源進行識別和解析。結果表明，研究區(qū)近70%的區(qū)域受到重金屬污染，Ni、Cr和Zn是主要富集重金屬；苑舒琪[24]、胡清等[25]學者對各種研究方法進行總結、優(yōu)化。

在面源污染研究中，引入“源-匯”理論，主要是引入景觀格局與生態(tài)過程關系，將污染擴散看作是污染源與匯進行物質(zhì)能量交換的過程，能夠更好地展現(xiàn)每一個污染源的空間異質(zhì)性。在面源污染遷移擴散的過程中，不同的景觀類型在過程中的地位和作用也各不相同，陳利頂借用洛倫茲曲線的理論，從距離、相對高度和坡度3個方面建立了不受尺度限制的景觀格局評價模型，分析不同景觀類型在面源污染擴散遷移的過程中的作用[26]。賈玉雪等選取坡度、距離等關鍵因子對流域進行非點源污染區(qū)劃，對面源污染的重點區(qū)域進行劃分，針對污染防治形成控制區(qū)、防控區(qū)、保護區(qū)等區(qū)域[27]。

已有研究表明，在緩沖距離100 m的范圍內(nèi)城市土地利用空間結構與水質(zhì)有極強的相關性；從200 m逐漸減弱，到300 m城市土地利用空間格局和景觀格局與城市河道水質(zhì)幾乎沒有相關性[28，29]。因此，本研究將“源-匯”理論融入到棕地面源污染的研究中，探究棕地所在空間的自然與人為要素對棕地污染擴散遷移的影響，利用最小阻力模型探究研究區(qū)范圍內(nèi)主要水域100 m緩沖區(qū)內(nèi)現(xiàn)存棕地的面源污染遷移趨勢，并對污染等級進行劃分，以期能夠展現(xiàn)出棕地面源污染的擴散、遷移特征，對棕地污染的治理、城市水源的保護有一定的參考價值。

2 研究區(qū)域與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

成都位于四川省中部，四川盆地西部，成都平原腹地，介于東經(jīng)102°54′～104°53′和北緯30°05′～31°26′之間，屬于亞熱帶季風氣候，年平均氣溫16 ℃，年平均降水量為1408.52 mm，且年際之間降雨變化不大。境內(nèi)地勢平坦、河網(wǎng)縱橫、降水豐沛，主要的水系有岷江、沱江等12條干流及幾十條支流。成都地處岷江流域中游，河水主要由大氣降水、地下潛流和融雪組成，在流入成都平原之前，河道主要在高山峽谷之間，受人為污染極小，因而水質(zhì)格外優(yōu)良，絕大部分指標都符合國家地面水二級標準的要求。但近年成都水質(zhì)惡化嚴重，流經(jīng)市區(qū)的府河、南河、沙河都受到了不同程度的污染，市區(qū)及近郊污染尤為嚴重，成都市出境的水質(zhì)已經(jīng)成為劣Ⅳ類[30]。研究區(qū)域位于成都市四環(huán)內(nèi)區(qū)域，包括了五大主城區(qū)的大部分區(qū)域，以及龍泉驛區(qū)、雙流區(qū)、新都區(qū)、郫都區(qū)的部分地區(qū)。

研究所涉及的棕地數(shù)據(jù)，均來源于本研究小組調(diào)查研究的成果。經(jīng)過現(xiàn)場勘驗以及相關資料收集，成都市四環(huán)以內(nèi)總共包含了3202塊棕地，共計9104.75 hm2。主要分為四大類：工業(yè)廢氣地、采礦業(yè)廢棄地，垃圾填埋場以及其他類型。本文選取研究區(qū)范圍內(nèi)的主要水域100 m緩沖區(qū)內(nèi)現(xiàn)存的棕地為研究對象。同時由于淺層土壤中的重金屬多以殘渣態(tài)為主極易遷移擴散[31]，也能最為有效地被后期治理，所以選擇現(xiàn)存未被再次利用的，即表層土壤未被破壞的棕地作為污染源，共計30塊。

2.2 棕地面源污染“源-匯”風險評價原理

研究面源污染中利用“源”“匯”將格局與過程有機結合在一起。“源-匯”理論中的“源”是指在景觀過程中起推動作用的景觀類型，而“匯”是景觀過程中物質(zhì)和能量的受納體，是阻礙景觀過程繼續(xù)發(fā)展的景觀類型[5]。在面源污染的過程中，棕地就是污染“源”，是徑流、土壤和養(yǎng)分流失的地方；城市中的草地、林地、水體則起到“匯”景觀的作用，是吸收流失的養(yǎng)分和土壤的地方。同時，在“源-匯”之間也因為空間異質(zhì)性存在強弱差異，這些差異就是取決于人為因子和自然因子，這些因子決定了“源”與“匯”景觀過程的阻力大小，可以將這些因子進行疊加分析，即通過最小累計阻力模型，形成整個“源-匯”景觀的阻力面。優(yōu)化“源”“匯”景觀空間配置要通過不同景觀類型在空間上的搭配組合來控制養(yǎng)分流失，達到在時空尺度上的平衡狀態(tài)[32]。

2.3 最小累計阻力模型原理

最小累計阻力模型最早是由Knaapen于1992年提出，簡稱MCR。主要用于計算從某個特定的點沿阻力面擴張的過程中所克服的阻力的總和，是通過對其穿越景觀單元的損耗對直線距離的修正，從而得到的該點到目標點所經(jīng)歷的每個單元所克服阻力的最小累積成本值[33]。最小累計阻力模型考慮源、空間距離和阻力面3個因素，其數(shù)學表達式為：

(1)

式(1)中，MCR為最小累計阻力；f為未知數(shù)，反映了MCR與Dij×Ri呈負相關；Dij表示物質(zhì)、能量從“源”景觀j到景觀i的空間運動距離；Ri表示i景觀單元的空間運動過程阻力系數(shù)。

3 構建評價指標體系和阻力基面

本文將人為因素與自然因素的影響因子作為影響棕地面源污染轉移擴散的關鍵因子，分別為土地利用、相對距離、地形因子、降雨侵蝕力、土壤可侵蝕性、植被覆蓋度(NDVI指數(shù))。運用熵權法計算各因子的權重，將賦予權重的因子在ArcGIS中進行空間疊加，利用成本距離進行計算，得到棕地的面源污染物向四周擴散的最小累計阻力模型[34～39]。

3.1 指標權重的計算

熵權法的特點在于利用熵值攜帶的信息進行權重計算，結合各項指標的變異程度，利用信息熵工具，計算出各項指標的權重，為多指標綜合評價提供依據(jù)。本文將指標分為人為因素和自然因素兩類，結合熵權法計算每一類指標的權重，各指標權重如表1所示。

表1 指標權重

3.2 構建阻力基面

將6個指標因子影像的像元大小統(tǒng)一為30 m×30 m，并重分類劃分等級重新賦值，分別用1、2、3、4、5等數(shù)值表示阻力值，如圖1所示，以消除因各個指標數(shù)值大小和單位不一致所帶來的影響，更好地體現(xiàn)各個指標對于阻力面的貢獻值。

圖1 重分類后各指標因子阻力值大小空間分布

4 結論與討論

本文對研究區(qū)的棕地面源污染風險識別中，利用ArcGIS空間分析功能，將棕地疊加阻力面進行成本距離的運算，得到整個研究區(qū)棕地面源污染的最小累計阻力模型，如圖2所示。阻力模型中阻力值越大，景觀過程中阻力值越大，“源-匯”風險程度越小，棕地面源污染發(fā)生越不容易，反之，阻力面的值越小，棕地面源污染遷移阻力就越小，“源-匯”風險程度越高，污染越容易發(fā)生。

圖2 棕地面源污染最小累計阻力值

分析最小累計阻力值的柵格圖層，利用自然斷點法，按照阻力值大小，將面源污染過程中的“源-匯”風險進行等級劃分，阻力值0～4660.98為極高風險區(qū)，阻力值4660.98～8346.36為高風險區(qū)，阻力值8346.36～12070.75為中高風險區(qū)，阻力值12070.75～17926.86為中風險區(qū)，阻力值17926.86～30475.66為低風險區(qū)。將5個等級風險區(qū)重分類賦值，得到研究區(qū)風險等級劃分，如圖3所示。

圖3 風險等級劃分

分析研究區(qū)主要水系的100 m緩沖區(qū)中現(xiàn)存棕地的污染擴散模型，發(fā)現(xiàn)高風險地區(qū)基本上以棕地所在區(qū)域為圓心分布，越向外阻力值越小，風險越小，各等級風險區(qū)域面積和比重如表2所示。

表2 不同污染風險等級區(qū)域面積和面積比例

極高風險地區(qū)面積分布占據(jù)了整個研究區(qū)的19.82%，主要還是靠近棕地的區(qū)域，集中在水域左右距離1500 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)，金牛區(qū)、成華區(qū)、青羊區(qū)分布較為集中。高風險地區(qū)和中高風險地區(qū)占比26%左右，集中在水域1500～3000 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)。中風險地區(qū)占據(jù)總面積18.95%，集中分布在水域3000～5000 m緩沖區(qū)內(nèi)。低風險地區(qū)面積占比最小，僅占據(jù)7.69%，集中分布在水域兩側大于5000 m緩沖區(qū)外。中風險地區(qū)和低風險地區(qū)主要集中在研究區(qū)外圍，在龍泉驛區(qū)、郫都區(qū)以及武侯區(qū)相對集中分布。

可以看出，距離棕地越近阻力值越小，棕地污染就越容易擴散遷移，污染風險越高；距離棕地越遠，阻力值越大，棕地污染就越不容易擴散到該區(qū)域，污染風險越低。污染風險總體還是隨空間距離變化而變化。

將最小累計阻力模型與主要水域進行疊加，可以看到府河從最南部分的極高風險區(qū)中心穿過，又從北偏西的極高風險區(qū)域中心穿過。清水河主要穿過了最西部的高風險地區(qū)。摸底河從西北區(qū)域的極高風險地區(qū)的中心穿過，摸底河也從北偏東區(qū)域的極高風險區(qū)域中心穿過。北湖濕地部分區(qū)域也分布在東偏北的極高風險區(qū)域內(nèi)，荷塘月色大部分濕地也分布在南偏東的極高風險區(qū)域。

本研究將棕地與影響面源污染的主要因子及距離因子綜合分析，得到各種因素的影響下，棕地面源污染的風險格局。研究結果可以作為棕地污染風險的參考，預測出污染較高風險的區(qū)域和污染趨勢。為后續(xù)進一步研究棕地面源污染提供了重點采樣測量的重點區(qū)域。同時也為城市治理棕地的先后順序、防止棕地污染擴散加劇城市水源污染提供參考。