污染輸出防控視角下淺山區(qū)水土資源空間優(yōu)化研究

聶俊坤，徐 明

(1.北京市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京市城規(guī)技術(shù)服務(wù)中心，北京 100045；2.北京首鋼建設(shè)投資有限公司，北京 100045)

城市淺山區(qū)指海拔低于一定高度的山區(qū)及平原與山地過渡地帶，屬于山地生態(tài)系統(tǒng)與平原生態(tài)系統(tǒng)的交錯(cuò)地帶且具有豐富的物種多樣性，城市淺山區(qū)承載著統(tǒng)籌山區(qū)城鎮(zhèn)化及接受平原城區(qū)發(fā)展輻射的雙重職能，是維系主城市區(qū)發(fā)展建設(shè)的第一道“生態(tài)屏障”。城市淺山區(qū)與深山區(qū)相比，海拔相對(duì)較低，自然災(zāi)害分布較少并更適宜于人類開發(fā)利用，即淺山區(qū)對(duì)于承載城市發(fā)展空間拓展功能具有重要價(jià)值[1]。然而，城市淺山區(qū)因土地退化風(fēng)險(xiǎn)高，通常屬于易誘發(fā)面源污染的脆弱土地類型區(qū)。因此，基于城市淺山區(qū)現(xiàn)有用地格局，綜合考慮淺山區(qū)面源污染物輸出風(fēng)險(xiǎn)防控，優(yōu)化淺山區(qū)水土資源利用空間配置，有助于挖掘淺山區(qū)水土資源開發(fā)潛在價(jià)值，從而促進(jìn)城市淺山區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合效益發(fā)揮。相關(guān)學(xué)者針對(duì)水土資源開發(fā)利用空間優(yōu)化配置開展了一系列有益研究，俞孔堅(jiān)[2]等通過構(gòu)建城市淺山區(qū)景觀安全格局，探索了淺山區(qū)實(shí)施高效精細(xì)化開發(fā)與保護(hù)的原則。邸文正[3]等基于低影響開發(fā)模式闡述了淺山區(qū)雨洪利用及排放思路。李運(yùn)遠(yuǎn)[4]等基于海綿城市視角闡述了淺山區(qū)雨洪資源管理策略。上述研究對(duì)水土資源空間開發(fā)評(píng)價(jià)及土地資源優(yōu)化配置具有重要實(shí)踐價(jià)值，然而基于面源污染輸出風(fēng)險(xiǎn)防控開展城市淺山區(qū)水土資源利用空間格局優(yōu)化配置的研究尚需深入。傳統(tǒng)線性模型通常僅能從水土資源利用空間類型面積角度實(shí)施優(yōu)化，并難以適用于區(qū)域面源污染評(píng)估及土地資源空間優(yōu)化配置[5-6]。因此，結(jié)合城市淺山區(qū)表土淺薄疏松、人居壓力大以及生態(tài)環(huán)境保育要求高等特征，構(gòu)建耦合GIS技術(shù)的城市淺山區(qū)水土資源利用空間格局線性優(yōu)化模型，探究不同水土資源利用空間格局下N、P面源污染物輸出風(fēng)險(xiǎn)，綜合考察最小污染物輸出量及最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益下的水土資源空間配置模式，以期為推動(dòng)城市淺山區(qū)的面源污染防控及水土資源的可持續(xù)開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 城市淺山區(qū)水土資源利用空間格局優(yōu)化模型構(gòu)建

1.1 水土資源利用空間格局綜合評(píng)估

通?？刹捎脤?shí)地測(cè)繪及遙感調(diào)查等方式識(shí)別解譯城市淺山區(qū)水土資源土地利用類型空間屬性數(shù)據(jù)，同時(shí)可將植被覆貌、地質(zhì)地貌及流域下墊面近似的地塊合并為同一類型用地單元[7]。此外，基于單因素評(píng)估與綜合因素評(píng)估結(jié)合的方法評(píng)估水土資源利用空間格局適宜性。其中，單因素評(píng)估依據(jù)作用因素對(duì)用地的影響顯著性劃分適宜性等級(jí)并賦值[8-9]。同時(shí)，基于平均值法及制約因素法綜合評(píng)估水土資源用地因素，具體賦值規(guī)則為：①若待評(píng)估地塊各單因素評(píng)估值≥60分，則表明該類型地塊無顯著制約影響因素，可選取各單因素平均值作為待評(píng)估地塊綜合評(píng)估值；②若待評(píng)估類型地塊有單個(gè)或多個(gè)單因素評(píng)估值<60分，但各單因素評(píng)估值均值≥85分，則可賦值80分作為待評(píng)估類型地塊綜合評(píng)估值；③若待評(píng)估類型地塊有單個(gè)或多個(gè)單因素評(píng)估值<60分，但各單因素評(píng)估值均值<85分，則可選取影響最顯著的制約因素作為待評(píng)估類型地塊綜合評(píng)估值。其中，水土資源利用空間格局制約因素評(píng)估模型可表示如下式：

Ei=min(Dij) (i=1，2，3…n，j=1，2，3…m)

(1)

式中，Ei—第i項(xiàng)待評(píng)估類型地塊綜合評(píng)估值；Dij—第i項(xiàng)待評(píng)估類型地塊中第j項(xiàng)評(píng)估因素評(píng)估值。

水土資源利用空間格局綜合評(píng)估模型架構(gòu)如圖1所示。

圖1 城市淺山區(qū)水土資源利用空間格局綜合評(píng)估流程圖

1.2 水土污染物輸出綜合評(píng)估

選取N、P兩種主要污染物質(zhì)為研究對(duì)象，基于自然降水情境下針不同水土資源利用類型用地N、P污染物質(zhì)輸出量進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)。針對(duì)建設(shè)用地、綠地、林地、耕地以及荒坡等不同類型用地布設(shè)地表徑流試驗(yàn)地塊(10m×10m)，采用布設(shè)在試驗(yàn)地塊出口處徑流采集裝置收集混有N、P面源污染物質(zhì)以及泥沙的地表徑流。之后將雨水測(cè)樣經(jīng)酸化后測(cè)定待評(píng)估實(shí)驗(yàn)地塊泥沙、TN以及TP含量，每種待測(cè)地塊污染物測(cè)試重復(fù)5次。

1.3 水土資源利用空間格局優(yōu)化模型

基于城市淺山區(qū)水土資源利用空間格局適宜性綜合評(píng)估構(gòu)建優(yōu)化模型，在尋求多規(guī)劃目標(biāo)最優(yōu)解基礎(chǔ)上，推求待評(píng)估地塊各水土資源利用類型最優(yōu)占比，同時(shí)基于GIS綜合優(yōu)化待評(píng)估地塊水土資源最優(yōu)空間格局，城市淺山區(qū)水土資源利用空間格局優(yōu)化模型如下式[10-12]：

(2)

式中，minM1(x)—典型年待評(píng)估地塊N、P污染物質(zhì)輸出量最小值，mg；maxM2(x)—典型年待評(píng)估地塊最大土地經(jīng)濟(jì)效益值，元；xi—i類型用地所占面積；ai—i類型用地N、P污染物質(zhì)單位土地面積輸出量，mg/(a·m2)；bi—i類型用地單位土地面積經(jīng)濟(jì)效益值，元/(a·m2)。

則城市淺山區(qū)水土資源利用空間格局優(yōu)化模型邊界約束條件如下式[13-15]：

(3)

式中，A—待評(píng)估地塊總面積；xi—i類型用地所占面積；gi—i類型用地適宜性評(píng)估系數(shù)。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 研究區(qū)概況

選取我國(guó)北方某城市具有典型代表特征的淺山區(qū)待規(guī)劃水土資源空間作為研究區(qū)域，該地塊處于溫帶季風(fēng)性氣候區(qū)，多年平均降水量約為685mm，地塊海拔高度約為126～149m。研究區(qū)域土壤類型基本以褐土及棕壤土為主，總面積約為1.8hm2，其中林地約占10.2%，耕地約占24.3%，園地約占34.6%，農(nóng)村居民點(diǎn)用地約占12.5%，未利用土地約占18.3%，待規(guī)劃水土資源空間山坡臺(tái)地占比較高且易發(fā)生集中降雨條件下的水土資源流失問題。因此，有必要通過優(yōu)化待規(guī)劃水土資源利用空間格局，合理配置該地塊水土資源空間類型。

2.2 水土資源利用空間格局綜合評(píng)估

依據(jù)待評(píng)估地塊下墊面產(chǎn)匯流條件，選取可反應(yīng)區(qū)域水資源保障能力特征的供水距離、土壤特征中土層厚度、地貌特征中的地形坡度作為單因素評(píng)估因子，基于單因素評(píng)估法評(píng)估地塊土地利用空間格局適宜性，待評(píng)估地塊不同水土資源空間利用類型各單因素適宜性評(píng)估值見表1—2。

表1 供水距離單因素等級(jí)適宜性評(píng)估值 單位：m

表2 土層厚度單因素等級(jí)適宜性評(píng)估值 單位：m

基于平均值法及制約因素法綜合評(píng)估待評(píng)估用地各單因素，結(jié)合水土資源利用空間格局適宜性評(píng)估結(jié)果，將待評(píng)估地塊不用利用類型用地劃分為較差適宜性、臨界適宜性、良好適宜性以及高度適宜性四組適宜性等別，依據(jù)作用因素對(duì)用地的影響顯著性賦值，見表3。

表3 待評(píng)估地塊不同利用類型用地適宜性等級(jí)及賦值 單位：m2

2.3 土地N、P污染物輸出量綜合評(píng)估

選取典型平水年2016年6—10月份降水條件，統(tǒng)計(jì)研究區(qū)10場(chǎng)有效降水下各徑流收集點(diǎn)N、P污染物流失量推求待評(píng)估水土資源空間不同土地利用類型用地N、P污染物年總輸出量。10場(chǎng)有效降水特征值及待評(píng)估水土資源空間不同土地利用類型用地N、P污染物年輸出總量見表4—5。

表4 有效降水特征值

表5 待評(píng)估水土資源空間不同土地利用類型用地N、P污染物年輸出總量

2.4 水土資源空間利用格局優(yōu)化

2.4.1模型參數(shù)及約束條件

基于構(gòu)建的城市淺山區(qū)水土資源空間利用格局優(yōu)化模型，選取待優(yōu)化地塊土地經(jīng)濟(jì)效益最大化以及地塊N、P面源污染物輸出量最小化兩組目標(biāo)，依據(jù)上述不同水土資源空間利用類型適宜性評(píng)估值，推求待優(yōu)化地塊不同利用類型用地最優(yōu)組合。模型約束條件如下式：

式中，林地、耕地、園地、以及農(nóng)村居民點(diǎn)用地約束面積下限值由待評(píng)估各類型地塊現(xiàn)有最優(yōu)使用面積確定；林地、耕地、園地、以及農(nóng)村居民點(diǎn)用地約束面積上限值由臨界適宜性、良好適宜性以及高度適宜性面積之和求得；未利用土地約束面積由較差適宜性及臨界適宜性面積之和求得。

水土資源空間利用格局優(yōu)化模型N、P污染物輸出系數(shù)及土地經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)見表6。

表6 模型N、P污染物輸出系數(shù)及土地經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)

2.4.2土地利用空間格局優(yōu)化方案

基于待評(píng)估水土資源空間現(xiàn)有土地利用格局，遵循各評(píng)估類型地塊N、P污染物輸出特征，城市淺山區(qū)水土資源空間利用格局優(yōu)化模型對(duì)各類型地塊最優(yōu)面積推算結(jié)果見表7。

表7 水土資源空間利用格局現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)與優(yōu)化方案對(duì)比

由表7可知，待評(píng)估水土資源空間土地利用格局經(jīng)過優(yōu)化，林地、園地較原土地利用結(jié)構(gòu)分別增加了135.7%與42.1%，耕地、農(nóng)村居民點(diǎn)以及未利用土地較原土地利用結(jié)構(gòu)分別削減了48.7%、12.4%以及82.1%。同時(shí)，優(yōu)化方案將地塊內(nèi)河道周邊未利用土地及耕地面積削減，從而在實(shí)現(xiàn)N、P污染物入河量的同時(shí)，有效防控了地塊內(nèi)的水土流失風(fēng)險(xiǎn)。此外，優(yōu)化方案將地塊內(nèi)園地、耕地及農(nóng)村居民點(diǎn)用地集約規(guī)劃，剔除了耕地、園地及農(nóng)村居民點(diǎn)用地中散布的未利用類型土地面積，從而實(shí)現(xiàn)了N、P污染物年輸出總量削減82.1%以及土地節(jié)約管理的目標(biāo)，其中未利用土地面積的削減為全地塊N、P污染物輸出量的削減貢獻(xiàn)值最高。

優(yōu)化方案使待優(yōu)化水土資源空間不同利用類型土地集中連片，其中林地、園地經(jīng)濟(jì)效益分別提高135.7%與42.1%，從而削減了經(jīng)營(yíng)成本并有助于連片管理。耕地、農(nóng)村居民點(diǎn)用地經(jīng)濟(jì)效益分別削減48.6%與12.4%，而全地塊總體經(jīng)濟(jì)效益提升了15.3%，其中園地面積的增加為全地塊經(jīng)濟(jì)效益的提升貢獻(xiàn)值最高。

3 水土資源空間開發(fā)保護(hù)策略

3.1 強(qiáng)化水土資源流失治理力度

針對(duì)城市淺山區(qū)土層相對(duì)較薄、水土資源發(fā)育時(shí)間相對(duì)較短以及降雨侵蝕強(qiáng)度高等問題，應(yīng)通過工程性水土保持措施削減淺山區(qū)坡面侵蝕量，同時(shí)，可采用培植水土保持涵養(yǎng)林地等措施有效阻控水土流失入河污染量。此外，可通過坡改梯、梯級(jí)配置供蓄水池、改進(jìn)種植農(nóng)藝方式、攔蓄坡面徑流等措施綜合治理淺山區(qū)坡耕地，從而削減坡面侵蝕誘發(fā)的泥沙污染量。針對(duì)礦區(qū)開采、棄渣、棄土造成的水土資源污染問題，可通過優(yōu)化設(shè)置尾礦庫、布置攔塵網(wǎng)、培育生物緩沖帶以及土壤污染生物治理等措施降解水土污染物質(zhì)并削減淺山區(qū)面源污染物輸出量。

3.2 劃定水土資源空間開發(fā)邊界與生態(tài)紅線

針對(duì)城市淺山區(qū)水土資源的開發(fā)應(yīng)基于集約開發(fā)以及生態(tài)保護(hù)等原則，可通過劃定土地開發(fā)邊界并設(shè)立生態(tài)保護(hù)用地等措施，從而有效控制人為開發(fā)強(qiáng)度并將生態(tài)設(shè)施落實(shí)在各水土資源開發(fā)空間類型之中。同時(shí)，為統(tǒng)籌淺山區(qū)水土資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)性，可通過征收淺山區(qū)生態(tài)保護(hù)專項(xiàng)稅費(fèi)以及給予項(xiàng)目生態(tài)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼、資源扶助補(bǔ)償?shù)确绞?，建立健全淺山區(qū)水土資源開發(fā)多元化生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，從而促進(jìn)城市淺山區(qū)水土資源開發(fā)與生態(tài)保護(hù)的協(xié)調(diào)實(shí)施，促進(jìn)構(gòu)建淺山區(qū)各類型用地空間中面源污染源頭生態(tài)治理體系。

3.3 創(chuàng)新水土資源空間開發(fā)模式

城市淺山區(qū)作為承載城市水土資源空間開發(fā)外延壓力的重要載體，可采用集約節(jié)約以及精細(xì)化水土資源開發(fā)模式實(shí)施具體建設(shè)。目前，城市淺山區(qū)受制于擴(kuò)張型、粗放式開發(fā)模式的慣性影響，部分區(qū)域?qū)嵤\山區(qū)水土資源開發(fā)時(shí)仍舊存在高強(qiáng)度、低效益、重開發(fā)、輕保護(hù)等問題，造成淺山區(qū)相當(dāng)數(shù)量低產(chǎn)出閑散土地的存在。因此，有必要通過整合淺山區(qū)廢舊礦區(qū)、分散村鎮(zhèn)居住區(qū)水土資源以及創(chuàng)新水土資源空間開發(fā)模式，統(tǒng)籌兼顧區(qū)域生態(tài)環(huán)境資源在水土資源開發(fā)中的效益，從而在實(shí)現(xiàn)集約規(guī)劃開發(fā)淺山區(qū)多類用地的同時(shí)，提升區(qū)域水土資源空間開發(fā)投入產(chǎn)出效益以及生態(tài)反哺效能。

4 結(jié)語

基于不同土地利用類型地塊單因素與綜合因素評(píng)估方法實(shí)施地塊適宜性評(píng)估具有較強(qiáng)適用性，耦合了GIS與線性規(guī)劃原理的土地資源優(yōu)化模型可在滿足各類型用地面積約束邊界條件基礎(chǔ)上，可合理優(yōu)化配置土地資源空間格局并實(shí)現(xiàn)地塊內(nèi)N、P面源污染物輸出總量的削減。統(tǒng)籌考量地塊面源污染物輸出總量最小化與地塊經(jīng)濟(jì)效益最大化雙重規(guī)劃目標(biāo)，可有效辨識(shí)影響地塊經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益發(fā)揮的主要因素，并有助于實(shí)現(xiàn)保護(hù)城市淺山區(qū)生態(tài)環(huán)境與水土資源安全。研究可為城市淺山區(qū)土地利用空間格局方案優(yōu)化及區(qū)域水土資源修復(fù)提供決策依據(jù)。