城市住宅區(qū)綠地景觀格局與徑流水質(zhì)關(guān)系研究

陳前虎，向美洲，李松波

（浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州310014）

在當(dāng)前快速的城市化進(jìn)程中，因不合理的土地利用方式引發(fā)的城市水污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，但卻并未引起人居環(huán)境領(lǐng)域的足夠重視。不合理的土地利用格局對(duì)水質(zhì)的影響屬于典型的非點(diǎn)源污染，而土地利用格局的變遷對(duì)這種非點(diǎn)源污染的影響程度是十分顯著的［1－4］。因此，研究城市不同土地利用格局或變遷對(duì)城市水質(zhì)的影響，為城市徑流水質(zhì)控制提供理論基礎(chǔ)，正成為當(dāng)前人居環(huán)境研究中亟待解決的重大課題。

關(guān)于土地利用方式和水質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了一些研究。懷特黑德、維茲、費(fèi)舍爾等都指出土地利用類型變化是影響水質(zhì)的重要原因［5］。相比于生物、環(huán)境和化學(xué)等工程學(xué)科領(lǐng)域而言，從土地利用視角進(jìn)行的水環(huán)境優(yōu)化研究目前主要是借助于遙感和GIS技術(shù)，集中于類型方式、內(nèi)在機(jī)理與響應(yīng)機(jī)制等方面，且側(cè)重于區(qū)域?qū)用娴拇蟪叨瓤臻g探討［6－5］。而基于現(xiàn)實(shí)可操作的城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)層面的中微觀尺度，并且能夠?qū)⑼恋乩玫奶镆罢{(diào)查數(shù)據(jù)（空間格局指數(shù)）與水環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)（質(zhì)量指數(shù)）進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析的實(shí)證研究卻實(shí)為罕見(jiàn)。

因此，在前人研究的基礎(chǔ)上，此次研究試圖以杭州為例選取6個(gè)不同住宅區(qū)域?yàn)檠芯奎c(diǎn)，利用景觀指數(shù)軟件Fragstats，從斑塊類型水平上分析其綠地景觀格局。在參考有關(guān)文獻(xiàn)［13－15］的基礎(chǔ)上，在綠地斑塊類型水平上主要選取斑塊數(shù)量（NP）、破碎度（PD）、平均鄰近指數(shù)（MPI）作為表征綠地空間格局的參數(shù)。這三個(gè)景觀指標(biāo)主要反映了綠地格局的連通性、破碎程度。分析不同住區(qū)綠地景觀格局對(duì)雨水徑流水質(zhì)的影響程度，揭示土地利用方式對(duì)水環(huán)境影響的內(nèi)在機(jī)理與外在機(jī)制，探討城市土地利用優(yōu)化的可能途徑與策略。

1 研究設(shè)計(jì)

此次研究擬采取GIS地理信息系統(tǒng)、Fragstats及景觀生態(tài)學(xué)方法與技術(shù)，主要通過(guò)對(duì)杭州市ETM＋影像的操作，并進(jìn)行相關(guān)信息的收集和實(shí)地調(diào)研，得到杭州市6個(gè)不同住宅區(qū)域的綠地矢量圖，然后再對(duì)其綠地景觀格局進(jìn)行分析；同時(shí)用實(shí)驗(yàn)的方法得到6個(gè)不同住宅區(qū)域的雨水徑流污染物指標(biāo)值，在綠地景觀數(shù)據(jù)和水質(zhì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS進(jìn)行相關(guān)分析和回歸分析，探討綠地景觀格局指數(shù)與雨水徑流水質(zhì)污染狀況的相關(guān)關(guān)系。

1.1 研究對(duì)象及樣本選取

城市綠地景觀格局與水體水質(zhì)之間存在相關(guān)關(guān)系，這種關(guān)系受到綠地?cái)?shù)量及其空間分布的影響。不同的綠地景觀格局對(duì)降雨－徑流水質(zhì)產(chǎn)生的影響不一樣，因此本次研究中選取了杭州市幾個(gè)典型性住宅小區(qū)進(jìn)行研究，見(jiàn)圖1。金色海岸高級(jí)住宅小區(qū)位于錢江新城西南部，南鄰錢塘江畔，建成于2005年；市民中心位于錢江新城核心區(qū)域，建成于2008年；翠苑街道地處西湖區(qū)北部，建成于1989年；大關(guān)小區(qū)地處杭州市北部，東起上塘河，南至石灰壩，建成于1990—2000年間；觀音塘小區(qū)位于秋濤路、清江路、航海路三線交匯處，是一較大型住宅小區(qū)，興建于1990年初；七堡社區(qū)位于江干區(qū)，臨近東站樞紐，建成于1995年。

1.2 研究方法

研究數(shù)據(jù)來(lái)源于Landsat 7ETM＋圖像（列號(hào)119，行號(hào)039），成像時(shí)間為2010年8月20日，遙感影像覆蓋了杭州市主城區(qū)及郊區(qū)。在遙感影像處理軟件ENVI 4.7和ARCGIS 9.3的支持下，以杭州市1∶50 000地形圖進(jìn)行大氣輻射校正和控制點(diǎn)幾何校正，并且通過(guò)DEM進(jìn)行了地形校正等預(yù)處理。然后在遙感影像軟件ENVI 4.7下進(jìn)行影像波段的融合，并選擇3、4、5波段合成假彩色影像。以杭州市1∶50 000地形圖和google earth 2010杭州市地圖為基準(zhǔn)，結(jié)合地面實(shí)際考察，出于研究的需要，選擇了金色海岸高級(jí)住宅小區(qū)、市民中心、翠苑街道、大關(guān)小區(qū)、觀音塘小區(qū)、七堡社區(qū)6個(gè)區(qū)域?qū)τ跋襁M(jìn)行裁剪，采用計(jì)算機(jī)監(jiān)督分類中的最大似然分類法和非監(jiān)督分類的方法對(duì)遙感影像進(jìn)行分類，在此基礎(chǔ)上形成景觀分類矢量圖。通過(guò)Arcview將景觀分類矢量文件轉(zhuǎn)為格柵文件（Gird），利用美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)森林科學(xué)系開(kāi)發(fā)的景觀指標(biāo)計(jì)算軟件Fragstats 3.3計(jì)算綠地斑塊數(shù)（NP）、斑塊破碎化指數(shù)（PD）、平均臨近指數(shù)（MPI）。

圖1 研究對(duì)象分布區(qū)位圖Fig.1 Distribution location map of the research object

水質(zhì)數(shù)據(jù)選用2011年豐水期（6—7月）和平水期（2012年3—4月）的采樣數(shù)據(jù)，取每個(gè)小區(qū)豐水期和平水期多個(gè)樣點(diǎn)的平均值作為每個(gè)小區(qū)的雨水徑流污染物指標(biāo)值。在路面形成徑流10min時(shí)，用樣品桶在采樣點(diǎn)采集經(jīng)過(guò)綠地過(guò)濾的水樣，送至實(shí)驗(yàn)室，按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》第四版要求檢測(cè)得出6個(gè)不同住宅小區(qū)對(duì)應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)。

1.3 景觀指數(shù)選取及生態(tài)含義

景觀指數(shù)是指能高度濃縮景觀格局信息，反應(yīng)其結(jié)構(gòu)組成和空間配置方面特征的定量指標(biāo)。通過(guò)景觀指數(shù)對(duì)景觀空間格局的定量分析，可以反映出景觀結(jié)構(gòu)和空間配置方面的特征。本研究選取斑塊數(shù)NP、斑塊破碎化指數(shù)PD、平均臨近指數(shù)MPI等指標(biāo)，進(jìn)行景觀空間格局分析。具體含義見(jiàn)表1。

表1 景觀指數(shù)及生態(tài)含義Table 1 Landscape indexes and ecological meaning

1.4 景觀格局結(jié)果分析

通過(guò)Fragsrars3.3的計(jì)算得到6個(gè)不同住宅小區(qū)的綠地景觀格局相關(guān)指數(shù)，具體如表2所示。

表2 住宅小區(qū)的綠地景觀格局指數(shù)Table 2 Green space landscape pattern indexes of residential quarters

研究中所選擇的6個(gè)小區(qū)，按照建造時(shí)間先后及發(fā)展程度可分為三類：新小區(qū)，代表有金色海岸高級(jí)住宅小區(qū)、市民中心；老小區(qū)，代表有大關(guān)小區(qū)、觀音塘小區(qū)；介于新舊之間的小區(qū)，代表有翠苑街道、七堡社區(qū)。從表2中可以看出，新小區(qū)和老小區(qū)間在綠化率、斑塊個(gè)數(shù)NP、破碎度PD、平均鄰近指數(shù)MPI上存在顯著性差異。具體表現(xiàn)為：新小區(qū)的綠化率已達(dá)到國(guó)家園林城市標(biāo)準(zhǔn)，新小區(qū)的綠化率明顯高于老小區(qū)；老小區(qū)斑塊數(shù)量明顯多于新小區(qū)；老小區(qū)破碎度明顯高于新小區(qū)，一般而言，面積相等的綠地，破碎度越高，斑塊越分散，小斑塊數(shù)量越多，綠地功能也越單一；新小區(qū)的平均鄰近指數(shù)MPI明顯高于老小區(qū)，表明新小區(qū)比老小區(qū)綠地斑塊間鄰近度高，綠地景觀連接性好。另外兩個(gè)小區(qū)的綠地景觀指數(shù)介于新、老小區(qū)之間。

2 綠地景觀格局與降水徑流相關(guān)分析

在研究區(qū)，按照研究目的和實(shí)驗(yàn)要求分別選取取水點(diǎn)，在降雨10min形成徑流后取樣。按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》第四版的要求檢測(cè)得出6個(gè)不同住宅小區(qū)對(duì)應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)，具體如表3所示。

表3 住宅小區(qū)的水質(zhì)參數(shù)Table 3 Water quality parameters of residential area

2.1 相關(guān)分析

根據(jù)樣本點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)和各個(gè)小區(qū)的景觀格局指數(shù)，在SPSS中對(duì)二者進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果如表4所示。

通過(guò)分析可以看出，污染物之間存在比較明顯的相關(guān)關(guān)系。雖然TP較低，但與COD有良好的線性相關(guān)性；COD與TN、TP呈顯著正相關(guān)性。說(shuō)明隨著COD的增大，地表徑流中攜帶的污染物TN、TP也相應(yīng)增大，通過(guò)對(duì)雨水徑流中COD的去除，可有效地控制污染物的總量；TN與NH3—N呈極顯著正相關(guān)性，說(shuō)明控制雨水徑流中TN量可有效地消減帶入水體的氮負(fù)荷。從pearson相關(guān)性分析中可以看出，污染物與景觀指數(shù)之間也存在比較明顯的相關(guān)關(guān)系。COD、TN與綠化率呈顯著負(fù)相關(guān)性，與斑塊個(gè)數(shù)（NP）、斑塊破碎度（PD）呈極顯著正相關(guān)性。說(shuō)明綠化率越低，COD、TN去除率越低，斑塊破碎度越低，雨水徑流攜帶的污染物受到綠地的凈化作用而降低了污染物濃度，斑塊數(shù)量多，增大了雨水徑流的面源污染，污染物濃度增大；TN與平均鄰近指數(shù)MPI呈顯著性負(fù)相關(guān)，說(shuō)明隨著綠地斑塊鄰近度增加，綠地景觀的連通性增強(qiáng)，雨水徑流攜帶的TN的去除效率越高；TP、NH3—N與斑塊個(gè)數(shù)（NP）、斑塊破碎度（PD）呈顯著性正相關(guān)，說(shuō)明同等面積綠地，斑塊破碎度越大，斑塊數(shù)量增多不利于雨水徑流中TP、NH3—N的去除。

表4 水質(zhì)參數(shù)與綠地景觀格局指數(shù)因子的Pearson相關(guān)系數(shù)（雙尾檢驗(yàn)）Table 4 Pearson correlations（two tailed）between water quality and green landscape parameters

2.2 回歸分析

為了進(jìn)一步明確水質(zhì)參數(shù)與綠地景觀格局指數(shù)之間的關(guān)系，使用SPSS軟件分別對(duì)研究區(qū)域的COD、TN、TP、NH3—N與景觀格局指數(shù)綠化率、斑塊個(gè)數(shù)NP、破碎度PD、平均鄰近指數(shù)MPI進(jìn)行了多元逐步線性回歸。對(duì)6個(gè)典型性住宅小區(qū)的綠地景觀指數(shù)與對(duì)應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行回歸分析，得到圖2所示的相關(guān)關(guān)系。

從綠化率看，綠化率越高，綠地對(duì)徑流處理能力越強(qiáng)；綠化率越低，處理能力越弱。從圖2（d）可以看出TN、NH3—N與綠化率分別呈二次函數(shù)分布，當(dāng)綠化率小于33%時(shí)，隨著住宅小區(qū)綠化率的提高，小區(qū)降雨徑流的污染情況明顯減弱；當(dāng)綠化率大于33%時(shí)，提高住宅小區(qū)綠化率對(duì)降雨徑流的水質(zhì)影響不大。這與浙江園林城市標(biāo)準(zhǔn)34.5%比較吻合，選取的6個(gè)典型性小區(qū)中，觀音塘小區(qū)和大關(guān)小區(qū)的綠化率都低于33%，二者由于綠化面積的不足影響了降雨徑流的水質(zhì)，特別是對(duì)于降雨徑流中TN和NH3—N的含量影響比較大。

從破碎度看，綠地斑塊破碎度越大，綠地斑塊越分散，綠地連通性越差，不利于發(fā)揮綠地斑塊的協(xié)同作用；破碎度越小，綠地斑塊過(guò)于集中，不利于最大限度地發(fā)揮綠地的生態(tài)處理功能。從圖2（a）、（b）中可以得出PD與COD/TP分別滿足一元二次函數(shù)分布，當(dāng)PD處于10～15的區(qū)間時(shí)，綠地斑塊對(duì)于COD和TP的去除效率達(dá)到最大，再增大或是減小，COD和TP的含量都會(huì)增加；從圖2（b）中可以得出PD與TP呈指數(shù)函數(shù)分布，當(dāng)破碎度PD＜15時(shí)，適當(dāng)降低綠地的破碎度以保持綠地的連續(xù)性對(duì)提高綠地的生態(tài)凈化功能有明顯的提升作用。從綠地對(duì)徑流的分析中，戚曉明得出城市林地破碎度PD達(dá)到18的時(shí)候，降水徑流量會(huì)隨著破碎度的增加而增加［6］。選取的6個(gè)典型性小區(qū)中，市民中心和七堡社區(qū)的綠地破碎度最為合理；翠苑街道綠地過(guò)于集中；而大關(guān)小區(qū)和觀音塘小區(qū)綠地破碎度過(guò)高，綠地過(guò)于分散。

從平均鄰近指數(shù)看，MPI值小，表明同類型拼塊間離散程度高或景觀破碎程度高；MPI值大，表明同類型拼塊間鄰近度高，景觀連接性好。從圖2（c）中可以看出，在一定范圍內(nèi)平均鄰近指數(shù)越大對(duì)徑流的處理效果越好；當(dāng)MPI處于0.36～0.42時(shí)綠地對(duì)COD和TN的去除效率最高。

從斑塊個(gè)數(shù)看，NP反映景觀的空間格局，其值的大小與景觀的破碎度也有很好的正相關(guān)性，對(duì)許多生態(tài)過(guò)程都有影響，在同等面積下，斑塊個(gè)數(shù)少，說(shuō)明斑塊以大中型斑塊居多；斑塊個(gè)數(shù)多，說(shuō)明斑塊以小型斑塊居多。從圖2（d）中可以看出，在同等面積下，斑塊個(gè)數(shù)多對(duì)徑流水質(zhì)的生態(tài)處理功能最弱，水質(zhì)最差；斑塊數(shù)目過(guò)少，綠地斑塊過(guò)于集中，綠地對(duì)徑流的生態(tài)處理功能也未達(dá)最佳，只有當(dāng)斑塊個(gè)數(shù)適中，既不過(guò)于集中也不過(guò)于分散的時(shí)候，綠地對(duì)徑流的生態(tài)處理功能達(dá)到最佳效果。

圖2 景觀指數(shù)與水質(zhì)變化關(guān)系Fig.2 Relation between landscape pattern indexes and water quality effects

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)杭州市6個(gè)典型性住宅區(qū)的綠地景觀指數(shù)和相應(yīng)水質(zhì)參數(shù)建立回歸分析，得到綠化率、破碎度PD、平均鄰近指數(shù)MPI對(duì)降雨徑流水質(zhì)影響比較大。在推進(jìn)生態(tài)文明城市的建設(shè)中，應(yīng)當(dāng)更加注重人文關(guān)懷，加強(qiáng)對(duì)住宅區(qū)的生態(tài)綠地建設(shè)，使降雨徑流在排入河道污染飲用水源之前得到最大化的生態(tài)凈化處理。

因此，在城市規(guī)劃中，需要有更加合理的綠地空間布局來(lái)加以保證：

1）嚴(yán)格保證住宅區(qū)域綠化率，通過(guò)限制建筑密度比、提高容積率、控制硬鋪率、增加綠化面積以獲得更多的可滲透地面來(lái)提高區(qū)域綠地凈化徑流水質(zhì)的能力。

2）切實(shí)控制好住宅區(qū)域規(guī)劃設(shè)計(jì)中綠地分布的分散性，保證綠地斑塊破碎度適中，處于10～15之間，充分發(fā)揮綠地對(duì)城市雨洪的就地處理功效，滿足居民親近自然的需要。同時(shí)，在綠地規(guī)劃設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免出現(xiàn)綠地的點(diǎn)狀分布，保證綠地不過(guò)于分散和集中。

3）切實(shí)控制好住宅區(qū)域規(guī)劃設(shè)計(jì)中綠地分布的連貫性，通過(guò)綠地斑塊間最大/最小距離的合理規(guī)劃，保證綠地連通度（通過(guò)平均鄰近指數(shù)換算），有利于城市住宅區(qū)域綠地生物多樣性保護(hù)，增強(qiáng)綠地生態(tài)凈化功能。

4）加強(qiáng)住宅區(qū)域綠地設(shè)計(jì)中斑塊數(shù)目和斑塊類型的引導(dǎo)，盡量做到在同等面積下保持以大中型綠地斑塊占主導(dǎo)，小型綠地斑塊為輔。使綠地盡量呈現(xiàn)塊狀分布，避免出現(xiàn)綠地的點(diǎn)狀分布和綠心模式。

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