海河流域面源污染風(fēng)險(xiǎn)格局識(shí)別與模擬優(yōu)化

孔佩儒,陳利頂,*,孫然好,程 先

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 101407

海河流域位于我國(guó)環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈,在新中國(guó)成立后,尤其是改革開放以來(lái),經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展,對(duì)自然資源的過(guò)度開發(fā)帶來(lái)了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1-2]。目前,海河流域面臨嚴(yán)重的水資源短缺和水環(huán)境污染問(wèn)題,生態(tài)環(huán)境日益惡化,極大地制約了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[3-4]。隨著近年來(lái)社會(huì)各界對(duì)環(huán)境污染問(wèn)題的重視,點(diǎn)源污染已經(jīng)得到較好控制,面源污染成為影響流域水質(zhì)的重要因子[5-6]。

景觀格局與水環(huán)境之間的關(guān)系研究是當(dāng)今景觀生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題[7-8]景觀要素作為地球表面空間布局的復(fù)合體,其變化不僅能反應(yīng)景觀的結(jié)構(gòu)與功能隨時(shí)間的變化過(guò)程和規(guī)律,也能產(chǎn)生一系列生態(tài)效應(yīng)[9-10]。已有研究表明,景觀要素的空間分布能夠影響地表徑流、生物地球化學(xué)循環(huán)等一系列生態(tài)和水文過(guò)程[8, 11]。

當(dāng)前景觀格局與水質(zhì)污染的研究中,一部分研究是將靜態(tài)的景觀格局指數(shù)與水環(huán)境質(zhì)量之間的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析[11- 13],一部分研究是憑借經(jīng)驗(yàn)或賦予權(quán)重貢獻(xiàn)法確定不同景觀類型對(duì)面源污染生態(tài)過(guò)程的作用強(qiáng)弱[14-15],而很少考慮影響景觀過(guò)程的外部因素?？傮w上看,當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)于景觀格局與地表水環(huán)境的關(guān)系研究,更多的停留在格局指數(shù)及景觀類型與水環(huán)境之間的靜態(tài)關(guān)系,對(duì)于景觀過(guò)程與地表水環(huán)境間的動(dòng)態(tài)關(guān)系研究仍處于探索階段。由于當(dāng)前的景觀格局指數(shù)的生態(tài)學(xué)意義并不明確,通過(guò)格局指數(shù)與水質(zhì)污染物相關(guān)性分析得到的結(jié)果尚需進(jìn)一步的解釋,空間格局上的差異性以及污染物遷移輸出過(guò)程的外部影響因子并未充分考慮,對(duì)此,部分學(xué)者已經(jīng)開始注意到這個(gè)問(wèn)題,王金亮等在長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)通過(guò)最小累計(jì)阻力模型構(gòu)建了庫(kù)區(qū)的面源污染阻力面,用阻力值大小來(lái)預(yù)測(cè)庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染發(fā)生的潛在風(fēng)險(xiǎn),對(duì)于研究面源污染動(dòng)態(tài)過(guò)程與景觀格局及外部因子的影響,具有很好的借鑒意義[16]。從景觀生態(tài)學(xué)原理出發(fā),研究景觀格局對(duì)地表水質(zhì)污染物的影響,繼而通過(guò)相關(guān)格局優(yōu)化措施,改變污染物進(jìn)入水環(huán)境的數(shù)量,影響地表水質(zhì),以此控制面源污染效果將是未來(lái)面源污染防控管理的一種有效途徑。將影響景觀生態(tài)過(guò)程的外部環(huán)境因子融入到景觀過(guò)程,利用動(dòng)態(tài)模型來(lái)識(shí)別面源污染風(fēng)險(xiǎn)格局,是當(dāng)前景觀格局與水環(huán)境關(guān)系研究的一個(gè)新興方向。在海河流域這樣的大尺度區(qū)域,將小尺度上的對(duì)每一個(gè)景觀單元進(jìn)行污染物的輸入輸出監(jiān)測(cè)方法直接應(yīng)用到大尺度區(qū)域進(jìn)行面源污染風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別可行性極低,必須在宏觀尺度上結(jié)合面源污染過(guò)程機(jī)理,對(duì)面源污染格局進(jìn)行識(shí)別。

流域尺度上面源污染的發(fā)生過(guò)程,在景觀層面上可看作污染物從源景觀向外遷移并擴(kuò)張到達(dá)水體所需克服阻力做功的過(guò)程,所需克服阻力越大,面源污染風(fēng)險(xiǎn)越低;阻力越小,風(fēng)險(xiǎn)越高[16-17]。而最小累積阻力模型能夠?qū)⒋蟪叨葏^(qū)域的主要影響因子與面源污染物的輸移過(guò)程進(jìn)行結(jié)合[16],以阻力成本的方式來(lái)識(shí)別面源污染風(fēng)險(xiǎn)程度。本文通過(guò)對(duì)海河流域面源污染風(fēng)險(xiǎn)格局構(gòu)建,識(shí)別流域面源污染發(fā)生潛在風(fēng)險(xiǎn),并在此基礎(chǔ)上對(duì)流域提出格局優(yōu)化建議,對(duì)于流域水環(huán)境面源污染的防控管理具有重要指導(dǎo)意義。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

海河流域位于我國(guó)華北地區(qū)北部,坐落于環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈內(nèi),位于112°—120°E和35°—43°N之間,東臨渤海,西倚太行,南界黃河,北接蒙古高原,總面積3.18×105km2,占全國(guó)總面積的3.3%,是我國(guó)七大流域之一,也是是我國(guó)政治文化中心所在地,人口密集,流域平均人口密度為371人/km2,為全國(guó)平均人口密度的3.47倍,在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。海河流域。全流域總地勢(shì)西北高東南低,大致分高原、山地及平原3種地貌類型。西部為黃土高原和太行山區(qū),北部為蒙古高原和燕山山區(qū),東部和東南部為平原。流域分為子牙河流域,漳衛(wèi)河流域,大清河流域,北三河山區(qū),北四河下游平原,灤河流域,徒駭馬頰河流域,黑龍港及運(yùn)東平原,永定河山區(qū)九個(gè)二級(jí)流域,其中子牙河,大清河,灤河以及漳衛(wèi)河流域可分為上游山區(qū)與下游平原。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究數(shù)據(jù)類型主要有地形、氣象、土壤、植被、土地利用及地表水質(zhì)等:(1)海河流域DEM(數(shù)字高程模型, Digital elevation model),來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn)的SRTM DEM UTM 90 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品,生成海河流域坡度slope數(shù)據(jù);(2)海河流域植被覆蓋度數(shù)據(jù)NDVI,來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn)的MODEV1D,為中國(guó)250 m EVI月合成產(chǎn)品(TERRA星),空間分辨率250 m,時(shí)間為2010年的12個(gè)月;(3)海河流域降雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)104個(gè)氣象站點(diǎn)1990—2010年數(shù)據(jù),計(jì)算年均降雨量;(4)海河流域土壤,來(lái)源于全國(guó)第二次土壤普查;(5)海河流域2010年土地利用數(shù)據(jù),來(lái)源于全國(guó)生態(tài)十年遙感評(píng)估數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)精度為30 m。(6)地表水質(zhì)來(lái)源于課題組2013—2015野外采樣測(cè)定。本文除了DEM、水系和土壤數(shù)據(jù)外,其余數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2010年,柵格數(shù)據(jù)精度并不統(tǒng)一,有30 m精度,90 m精度,以數(shù)據(jù)的最大精度為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為空間分辨率為90 m。

1.3 基于最小阻力模型的海河流域面源污染風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與格局優(yōu)化

1.3.1 最小累積阻力模型簡(jiǎn)介

最小累積阻力模型(minimal cumulative resistance,MCR)最早用來(lái)反映物種從源地到達(dá)目的地運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,克服不同類型景觀的阻力,所做的功累積的最小值或耗費(fèi)的最小成本,是耗費(fèi)距離模型的衍生應(yīng)用[18],它反映的是一種可達(dá)性,后來(lái)被廣泛應(yīng)用于生態(tài)領(lǐng)域,如物種保護(hù)、土地利用規(guī)劃等[19]。該模型考慮源、空間距離和阻力基面3個(gè)方面因素。其表達(dá)式如下。

式中,MCR是最小累積阻力值;f是一個(gè)未知的單調(diào)遞增函數(shù),Dij是污染物從源j出發(fā)到達(dá)空間某一位置途中所穿越的景觀i的空間距離,反應(yīng)了水平方向上的阻力;Ri是融合外部因子的景觀i對(duì)該運(yùn)動(dòng)在垂直方向上的阻力[20]。

1.3.2 面源污染風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

面源污染作為一個(gè)連續(xù)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,污染物遷移擴(kuò)散過(guò)程中所受的阻力,除了受景觀單元本身影響之外,還受外部自然環(huán)境因子的影響[16],同時(shí),面源污染物從地表輸出到最后進(jìn)入河流干道影響水環(huán)境,定會(huì)經(jīng)過(guò)一定的空間距離,因此,借助最小累積阻力模型,先將景觀要素及影響面源污染的外部因子相疊加形成面源污染擴(kuò)散的垂直阻力基面(R),在此基礎(chǔ)上融入空間距離因素(D),代入最小累積阻力模型計(jì)算面源污染過(guò)程阻力面值,即面源污染過(guò)程所需克服的阻力,最小累積阻力越小,面源污染發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)越大;反之,阻力越大,面源污染發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)越小。

具體做法,將上述影響面源污染發(fā)生的各因子的柵格離散值進(jìn)行線性歸一化,然后利用自然斷點(diǎn)法進(jìn)行1—5等級(jí)劃分,級(jí)別越高表示阻力越大,同時(shí)利用專家打分法賦予各個(gè)因子的不同權(quán)重空間疊加,以此來(lái)表達(dá)影響流域面源污染過(guò)程的景觀單元阻力基面(R),阻力基面反應(yīng)的是景觀單元及外部影響因子垂直方向?qū)γ嬖次廴镜淖枇ψ饔??；谧枇嬖u(píng)價(jià)結(jié)果,進(jìn)一步考慮空間距離的影響,依據(jù)最小累積阻力模型公式,運(yùn)用ArcGIS 10.2中的cost-distance模塊生成面源污染過(guò)程阻力面,以此構(gòu)建海河流域面源污染風(fēng)險(xiǎn)格局?？紤]到海河流域面積較大,區(qū)域性差異較為明顯,在阻力格局構(gòu)建過(guò)程中,均是在二級(jí)流域尺度進(jìn)行,得到不同二級(jí)流域的面源污染阻力格局后,合成整個(gè)海河流域面源污染阻力格局,之后將阻力格局的阻力值與水環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,對(duì)風(fēng)險(xiǎn)格局適用性進(jìn)行驗(yàn)證,對(duì)流域不同地區(qū)的面源污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別,依據(jù)最終的阻力面柵格圖層,利用自然斷點(diǎn)方法進(jìn)行影響流域面源污染過(guò)程的等級(jí)劃分,分為極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。面源污染發(fā)生的過(guò)程中,不同景觀要素及外部因子對(duì)面源污染過(guò)程所起的阻力作用不同,從而影響到流域的面源污染風(fēng)險(xiǎn)。為此,本文將不同景觀要素以及影響面源污染發(fā)生過(guò)程的因子作為影響面源污染的指標(biāo),以此構(gòu)建影響海河流域面源污染的阻力基面。在面源污染發(fā)生過(guò)程中,土地利用類型對(duì)于污染物的輸出具有重要作用,耕地建設(shè)用地能夠促進(jìn)污染物輸出,草地林地等類型能夠有效攔截污染物遷移;坡度因子能夠影響土壤侵蝕攜帶污染物轉(zhuǎn)移,坡度越大,土壤侵蝕越容易發(fā)生,阻力因子越小;降雨侵蝕力與土壤可蝕性因子同樣反映污染物隨土壤侵蝕流失的作用程度;植被覆蓋度能夠反映植被覆蓋特征,植被覆蓋度越高,對(duì)污染物遷移的阻力因子越大。綜上,本文選取土地利用類型、坡度、降雨侵蝕力、土壤可蝕性和植被覆蓋度。在指標(biāo)賦權(quán)過(guò)程中,充分參參考已有研究,如王金亮等在三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染阻力格局分析[17],結(jié)合海河流域?qū)嶋H情況,考慮各因子對(duì)污染物遷移輸出的影響作用,土地利用類型對(duì)污染物的輸出、遷移具有重要作用,因此空間疊加賦值時(shí)予以重點(diǎn)考慮;地表植被不僅能夠蓄水減少?gòu)搅?而且具備水質(zhì)凈化功能,對(duì)面源污染物擴(kuò)散遷移同樣具有重要影響;而地形地貌、氣象水文等外部因子的作用相對(duì)較為固定,各自然因子間阻力作用差異并不明顯,在此基礎(chǔ)上,咨詢相關(guān)專家采用專家打分法對(duì)不同因子予以賦值,各評(píng)價(jià)指標(biāo)含義、權(quán)重與獲取見表1。

表1 海河流域面源污染阻力基面評(píng)價(jià)指標(biāo)及含義

1.3.3 海河流域面源污染風(fēng)險(xiǎn)控制與格局優(yōu)化

景觀格局要素合理空間布局,可以很好地起到減少面源污染物輸出的作用,并且對(duì)污染物的遷移擴(kuò)散起到攔截作用,從而降低流域面源污染風(fēng)險(xiǎn)。面源污染的發(fā)生,實(shí)質(zhì)上是污染物從源景觀出發(fā)后,遷移擴(kuò)散克服景觀內(nèi)部以及外部阻力到達(dá)河流的過(guò)程。基于此,針對(duì)區(qū)域面源污染的格局調(diào)控,可以從污染物輸出的源頭控制與污染物遷移擴(kuò)散的阻力增加兩個(gè)方向,對(duì)區(qū)域面源污染風(fēng)險(xiǎn)格局進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控。源頭控制是對(duì)污染源進(jìn)行控制,減少污染物輸出的數(shù)量;污染物遷移擴(kuò)散的阻力增加則是改變或切斷污染物的遷移路線,增加污染物遷移擴(kuò)散過(guò)程的阻力,使得進(jìn)入水體的污染物數(shù)量大大減少,達(dá)到降低流域面源污染風(fēng)險(xiǎn)的效果。通過(guò)相關(guān)措施從以上兩個(gè)角度對(duì)區(qū)域面源污染格局進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)優(yōu)化后的區(qū)域面源污染風(fēng)險(xiǎn)阻力值變化來(lái)模擬優(yōu)化效果。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)流域面源污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行管控,首先需要確定對(duì)河流產(chǎn)生影響的核心控制距離,在核心距離內(nèi)加強(qiáng)土地利用管理和人類活動(dòng)管控,進(jìn)行景觀格局優(yōu)化。具體做法如下:借助流域面源污染格局構(gòu)建方法,在不同子流域內(nèi),沿河道設(shè)置不同寬度的緩沖帶(200,400,600 m,至2000 m),分別剔除緩沖帶內(nèi)污染風(fēng)險(xiǎn)源(耕地,建設(shè)用地),設(shè)置為no data,代入原柵格數(shù)據(jù)圖層,以前文方法計(jì)算生成不同緩沖帶的面源污染阻力面,重新計(jì)算阻力值,構(gòu)建不同距離梯度阻力值曲線,通過(guò)阻力值曲線變化找到不同地區(qū)的核心控制距離。在確定核心控制距離后,在該距離范圍內(nèi)設(shè)置不同梯度植被緩沖帶,代入前文數(shù)據(jù)圖層,構(gòu)建優(yōu)化后的面源污染阻力面,通過(guò)阻力值變化模擬海河流域不同地區(qū)的面源污染風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)化效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 海河流域面源污染阻力格局構(gòu)建及格局驗(yàn)證

基于最小累積阻力模型構(gòu)建的海河流域不同二級(jí)流域面源污染阻力面及其組成的海河流域面源污染阻力面如圖1及圖2所示,平均阻力值見表2,圖例中“值”代表區(qū)域的最小累積阻力值。流域面源污染阻力格局整體特征表現(xiàn)為,距離河流干流越近,阻力面值越小,面源污染物越容易遷移到相關(guān)河道造成水環(huán)境污染;距離河流干道越遠(yuǎn),阻力面值越大,污染物經(jīng)過(guò)遷移轉(zhuǎn)化到達(dá)水環(huán)境所需要克服的阻力越大,到達(dá)水環(huán)境的可達(dá)性越低,在總體上呈現(xiàn)出明顯的向流域河道干流方向遞減的空間梯度變化特征,山區(qū)的面源污染阻力面的阻力值顯著高于平原地區(qū),說(shuō)明山區(qū)的面源污染風(fēng)險(xiǎn)要小于平原地區(qū)。

圖1 海河流域不同子流域面源污染風(fēng)險(xiǎn)阻力面Fig.1 Non-point source pollution risk resistance pattern different sub-basin in the Haihe River Basin圖例中“值”代表的區(qū)域面源污染阻力面最小累積阻力值

圖2 海河流域總體面源污染風(fēng)險(xiǎn)阻力面 Fig.2 Non-point source pollution risk resistance pattern in the Hahihe River Basin

將不同子流域阻力面值與海河流域地表水環(huán)境數(shù)據(jù)(表2)進(jìn)行相關(guān)性分析(本文所使用數(shù)據(jù)為2013—2015年海河流域不同區(qū)域162個(gè)樣點(diǎn)重復(fù)采樣測(cè)定,樣點(diǎn)分布及水質(zhì)污染結(jié)果詳見已發(fā)表相關(guān)文章[23]),相關(guān)性分析結(jié)果表明,在海河流域,面源污染阻力面值與水質(zhì)污染物均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中,阻力值與水體富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù),總磷,化學(xué)耗氧量,氨氮極顯著負(fù)相關(guān),說(shuō)明在海河流域,依據(jù)最小累積阻力模型構(gòu)建的面源污染格局可以很好的用來(lái)表征流域的面源污染風(fēng)險(xiǎn),在此基礎(chǔ)上,對(duì)海河流域面源污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分與識(shí)別。

2.2 海河流域面源污染風(fēng)險(xiǎn)格局識(shí)別

利用自然斷斷點(diǎn)法對(duì)海河流域面源污染等級(jí)進(jìn)行劃分,結(jié)果如圖3。總體上,海河流域面臨的面源污染風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高,有76320 km2區(qū)域面臨極高等級(jí)風(fēng)險(xiǎn),約占流域總面積的24%,54060 km2區(qū)域存在著高等級(jí)風(fēng)險(xiǎn),約占流域總面積17%,海河流域總共有超過(guò)40%的區(qū)域面臨極高與高等級(jí)的面源污染風(fēng)險(xiǎn)。中等、低與極低的面積分別為73140、95400 km2和19080 km2,分別占流域總面積的23%、30%與6%。從圖3可以看出,西北部山區(qū)地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)顯著低于中南部平原地區(qū),高等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在流域中南部地區(qū),西北部山區(qū)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在河流流經(jīng)的河谷地帶。山區(qū)地帶雖然坡度較大,有助于污染物的遷移擴(kuò)散加速,但是山區(qū)地區(qū)植被覆蓋度較高,土地利用方式以對(duì)污染物遷移具有很強(qiáng)攔截作用的林地為主,耕地及居民點(diǎn)等潛在污染源景觀相對(duì)較少,從較少的源景觀輸出的污染物經(jīng)過(guò)大量的林地景觀的攔截,到達(dá)河流干道所需克服阻力極大,因此面源污染潛在風(fēng)險(xiǎn)較低。而在平原地區(qū),大中型城市聚集,耕地密布,大量的居民生活污水以及農(nóng)藥化肥等污染物通過(guò)地表徑流的運(yùn)輸遷移更容易進(jìn)入水體而產(chǎn)生污染,發(fā)生面源污染風(fēng)險(xiǎn)也高。

表2 海河流域不同子流域面源污染阻力值及地表水質(zhì)數(shù)據(jù)

圖3 海河流域及不同二級(jí)流域面源污染等級(jí)分布Fig.3 Spatial distribution of non-point source pollution risk level in the Haihe River Basin and different sub-basin

2.3 海河流域面源污染風(fēng)險(xiǎn)控制與格局優(yōu)化

圖4 海河流域不同區(qū)域不同距離梯度緩沖帶剔除污染源后面源污染阻力值變化曲線Fig.4 Resistance value change curve of buffer zone set without pollution source in different sub-basin in the Hahe River Basin

圖5 海河流域不同區(qū)域植被緩沖帶設(shè)置后面源污染風(fēng)險(xiǎn)降低效果圖Fig.5 Effect of non-point source pollution risk reduction by setting vegetation buffer zone in different sub-basins

剔除不同距離梯度內(nèi)污染景觀單元后,海河流域不同子流域阻力面曲線變化如圖4所示。通過(guò)圖4可以發(fā)現(xiàn),在剔除潛在污染源后,所有區(qū)域的面源污染阻力面阻力值均隨距離的增加逐漸增大,在到達(dá)某一距離后,曲線趨于平緩。這一現(xiàn)象說(shuō)明,隨著距離河道距離的增加,潛在污染源對(duì)河流的影響逐漸降低,但是曲線拐點(diǎn)的出現(xiàn)并不同步,說(shuō)明在不同的區(qū)域,由于不同的景觀格局配置以及外部影響因子的共同作用。通過(guò)對(duì)比不同區(qū)域的阻力面值變化曲線,永定河山區(qū),北三河山區(qū),灤河山區(qū)3個(gè)區(qū)域曲線在600 m后趨于平緩,說(shuō)明在這3個(gè)區(qū)域,600 m河岸帶范圍內(nèi)的污染源景觀對(duì)河流的影響顯著高于600 m外區(qū)域,600 m外區(qū)域的污染源雖然也對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生影響,但是趨于平緩的阻力值增加曲線說(shuō)明他們對(duì)水環(huán)境污染的影響作用,由于距離衰減因素以及遷移擴(kuò)散過(guò)程中其他景觀的攔截,對(duì)河流產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)小于600 m范圍內(nèi)污染源景觀的作用。類似的,子牙河山區(qū)與大清河山區(qū)的核心控制距離大概為800 m;漳衛(wèi)河山區(qū)核心控制距離為1000 m;子牙河平原與灤河平原核心控制距離約為1200 m;北四河下游平原,漳衛(wèi)河平原以及大清河平原地區(qū)的核心控制距離約為1400 m;而黑龍港與運(yùn)東平原以及徒駭馬頰河平原的核心控制距離達(dá)到了1600 m?？傮w上,山區(qū)的核心控制距離要短于平原控制距離。

在海河流域不同區(qū)域河岸帶核心控制距離內(nèi),沿河道設(shè)置不同距離梯度林地緩沖帶進(jìn)行格局優(yōu)化,優(yōu)化后的阻力值及模擬效果見圖5,通過(guò)圖5可以看出,設(shè)置不同距離梯度林地緩沖帶后,流域不同區(qū)域面源污染風(fēng)險(xiǎn)均得到有效降低,在面源污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的平原地區(qū),整體上,在面源污染風(fēng)險(xiǎn)較高的平原地區(qū),沿河岸帶設(shè)置300—400 m林地緩沖帶,可將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)降低50%,700—800 m可達(dá)到最佳效果,超過(guò)800 m之后對(duì)區(qū)域的面源污染風(fēng)險(xiǎn)降低效果并不明顯,諸如北四河下游平原,灤河平原,子牙河平原,大清河平原等地區(qū);類似的,山區(qū)地區(qū)本身風(fēng)險(xiǎn)較低,設(shè)置400—500 m緩沖帶可達(dá)到最佳效果,從圖5可以看出,在山區(qū),當(dāng)林地緩沖帶達(dá)到600 m時(shí),面源污染風(fēng)險(xiǎn)降低效果趨于平緩,諸如大清河山區(qū),子牙河山區(qū),灤河山區(qū),北三河山區(qū)等區(qū)域。

總體上,海河流域范圍內(nèi),山區(qū)地區(qū)核心河岸帶控制距離相對(duì)較短,平原地區(qū),主要受土地利用類型及其空間配置所影響,平原地區(qū)土地利用類型以能夠促進(jìn)面源污染發(fā)生的耕地與居民建設(shè)用地為主,輸出的污染物在遷移過(guò)程中沒(méi)有林地草地等景觀單元的攔截,因此,對(duì)河流水環(huán)境影響的河岸帶距離相對(duì)較長(zhǎng)。而在山區(qū)地區(qū),雖然坡度較大,并且存在著坡耕地,但是山區(qū)植被覆蓋度高,分布這大量的林地草地,能夠有效的攔截距離河岸較遠(yuǎn)的污染物向河流的遷移,再加上山區(qū)地區(qū),本身河岸帶周圍就分布有林地等景觀,因此,山區(qū)地區(qū)的控制距離相對(duì)于平原地區(qū)較短。格局優(yōu)化模擬效果表明,平原地區(qū)設(shè)置林地緩沖帶優(yōu)化效果顯著好于山區(qū),平原地區(qū)河岸帶幾乎沒(méi)有林地分布,設(shè)置林地緩沖帶后,既減少了原有地區(qū)污染物的輸出,又能對(duì)遠(yuǎn)距離污染物遷移至河道進(jìn)行攔截,能夠極大的降低面源污染發(fā)生風(fēng)險(xiǎn),甚至達(dá)到150%以上;而山區(qū)地區(qū),本身污染風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)降低,設(shè)置林地緩沖帶后,可以進(jìn)一步降低污染風(fēng)險(xiǎn),攔截河谷坡耕地等污染物遷移輸出至河道對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生影響,用一個(gè)相對(duì)距離較短的緩沖帶即可達(dá)到最優(yōu)攔截效果。

3 結(jié)論

本文通過(guò)最小累積阻力模型,綜合考慮景觀要素以及影響景觀過(guò)程的外部因子,構(gòu)建了海河流域面源污染風(fēng)險(xiǎn)阻力面,通過(guò)阻力面的阻力值大小反映面源污染發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn),通過(guò)與海河流域地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建海河流域的面源污染風(fēng)險(xiǎn)格局,并識(shí)別了流域污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。結(jié)果表明,海河流域面臨較高的面源污染風(fēng)險(xiǎn),有超過(guò)40%的區(qū)域存在著高或者極高的風(fēng)險(xiǎn),集中分布在中南部平原農(nóng)耕區(qū)以及山區(qū)河谷地帶。平原地區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)顯著高于山區(qū)風(fēng)險(xiǎn),這是由不同地區(qū)的土地利用特點(diǎn)及空間配置所決定的。

為降低流域內(nèi)面源污染發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn),需在流域內(nèi)高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)加強(qiáng)土地利用的管理與格局優(yōu)化。結(jié)果表明,針對(duì)海河流域不同地區(qū)特點(diǎn),結(jié)果表明,重點(diǎn)加強(qiáng)600 m至1600 m距離的河岸帶農(nóng)田以及居民點(diǎn)管理,降低污染物輸出負(fù)荷,降低污染源景觀的土地利用強(qiáng)度,能夠顯著降低污染風(fēng)險(xiǎn),同時(shí),通過(guò)格局優(yōu)化模擬,在海河流域不同區(qū)域,沿河岸帶設(shè)置400—800 m緩沖帶,可達(dá)到相對(duì)最佳優(yōu)化效果,有效降低流域現(xiàn)有面源污染風(fēng)險(xiǎn)。

本文基于最小阻力模型構(gòu)建的面源污染風(fēng)險(xiǎn)格局,雖然考慮了景觀要素以及影響景觀過(guò)程外部自然因子的影響,在技術(shù)層面上仍然存在著一定的局限性,本文考慮了土地利用,植被覆蓋度,降雨侵蝕力,土壤可蝕性,坡度等外部因子,但是影響面源污染發(fā)生過(guò)程的外部因子并不僅僅局限于此,此外,在阻力面構(gòu)建過(guò)程中,雖然采用了了專家打分進(jìn)行阻力賦值,但是仍然存在著一定的人為主觀性,需要在后續(xù)研究中對(duì)不同阻力賦值方式所產(chǎn)生的面源污染風(fēng)險(xiǎn)影響進(jìn)行延伸拓展分析。不同土地利用類型的用地強(qiáng)度不同,在面源污染過(guò)程中的作用也不盡相同,在后續(xù)研究中,考慮土地利用強(qiáng)度因素,針對(duì)不同利用強(qiáng)度的土地利用類型進(jìn)行劃分,可使構(gòu)建的阻力面模型更加精確。