秦淮河流域水源涵養(yǎng)與水質(zhì)凈化服務(wù)空間分布特征

童 建，陳 霞，羅俐雅，劉志杰，周 惟，徐 慧

（1.江蘇省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，江蘇 南京 210012；2.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029；3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098）

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)通過其組成及相互作用，直接或間接為人類發(fā)展提供必需的自然環(huán)境產(chǎn)品并發(fā)揮其效用。水源涵養(yǎng)和水質(zhì)凈化分別對(duì)水資源和水環(huán)境起著至關(guān)重要的作用，直接影響著水量和水質(zhì)的變化，是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要組成部分。水源涵養(yǎng)和水質(zhì)凈化服務(wù)的空間分布在制定水源保護(hù)規(guī)劃、生態(tài)空間識(shí)別，水生態(tài)功能區(qū)劃、河湖生態(tài)空間管控等方面具有重要意義。

近年來，氣候變化和人類活動(dòng)頻繁，特別是社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展引起了土地利用覆被變化，硬質(zhì)化地面、不透水面積在不斷擴(kuò)大，生態(tài)空間不斷被擠壓，相應(yīng)的生態(tài)功能受到干擾和破壞，而秦淮河流域正全面對(duì)接“長江大保護(hù)”“長三角一體化”和“蘇南現(xiàn)代建設(shè)示范區(qū)”等重大發(fā)展戰(zhàn)略，不斷擴(kuò)大的城鎮(zhèn)范圍需要匹配更優(yōu)質(zhì)的供水保障以及更完善的水生態(tài)保護(hù)體系，這些都離不開合理的水源涵養(yǎng)和水質(zhì)凈化服務(wù)支撐。同時(shí)，為保障流域水生態(tài)系統(tǒng)和“山水林田湖草”綜合系統(tǒng)的健康，實(shí)現(xiàn)水資源和岸線資源的保護(hù)與優(yōu)化配置，有必要對(duì)水源涵養(yǎng)和水質(zhì)凈化服務(wù)空間進(jìn)行識(shí)別與劃定。本文從水資源、水環(huán)境2個(gè)角度出發(fā)，對(duì)秦淮河流域的水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化服務(wù)功能進(jìn)行空間識(shí)別并分析其分布特征。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

秦淮河流域位于長江下游，江蘇省西南部，地形為四面環(huán)山，中間低平的山間盆地，總面積2 684 km2，流域內(nèi)丘陵山區(qū)的面積占總面積的74%，其余為低洼圩區(qū)和河湖水面。流域?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量1 027.5 mm，降水量年際變化大。以流域內(nèi)句容站為例，年最大降水量達(dá)2 056 mm（1991年），是年平均降水量的2倍；年最小降水量為489.7 mm（1978年），僅為年平均降水量的46.2%；多年平均蒸發(fā)量在1 000 mm左右，6—9月蒸發(fā)量占總蒸發(fā)量的一半左右，年際變化較大。秦淮河流域跨南京、鎮(zhèn)江2市，流域內(nèi)人口稠密，政治、經(jīng)濟(jì)地位顯著，素有“小流域，大保障”之稱。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所涉及的主要數(shù)據(jù)包括土地利用、氣象、地形等，具體見表1。

表1 不同土地利用類型的徑流污染物質(zhì)量濃度

表1 數(shù)據(jù)來源與說明

土地利用使用中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心GLC_FCS30-1985_2020系列2020年的數(shù)據(jù)，分辨率為30 m，秦淮河流域涉及14個(gè)地表覆蓋類型，將其重分類為建設(shè)用地、濕地、耕地、草地及林地，共計(jì)5種用地類型。由表2、圖1可知秦淮河流域各類土地面積占比由大到小依次為耕地、建設(shè)用地、林地、濕地、草地。其中，耕地面積占比最大，達(dá)68.4%；建設(shè)用地主要分布在秦淮河流域的西北部，部分位于南部、東北部，涉及南京市區(qū)、溧水區(qū)、句容市的城區(qū)；林地主要分布在流域的邊緣部；濕地以湖泊濕地、水庫濕地為主；草地零星分布在林地周邊。

圖1 2020年秦淮河流域土地利用分布

表2 土地利用重分類

2 研究方法

2.1 水源涵養(yǎng)

水源涵養(yǎng)是指生態(tài)系統(tǒng)通過其特有的結(jié)構(gòu)與水相互作用，對(duì)降水進(jìn)行截留、滲透、蓄積，并通過蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)水流、水循環(huán)的調(diào)控［1］。水源涵養(yǎng)是一個(gè)非常重要的生態(tài)服務(wù)功能，其與降水量、蒸散發(fā)量、地表徑流量和植被覆蓋類型等因素密切相關(guān)。本文采用水量平衡法［2］計(jì)算秦淮河流域的水源涵養(yǎng)量，公式如下：

式中：TQ為水源涵養(yǎng)量，m3；i為研究區(qū)第i個(gè)柵格單元，n為研究區(qū)柵格單元總數(shù)；Pi為降水量，mm；Qi為地表徑流量，mm：ETi為蒸散發(fā)，mm；Ai為第i個(gè)柵格單元的面積。

選取2020年東山、艾園、赤山新閘3個(gè)水文站點(diǎn)的逐日降水量數(shù)據(jù)，計(jì)算得出年降水量，再運(yùn)用克里金插值方法以及ArcGIS技術(shù)，直接生成降水量因子?xùn)鸥駡D。

地表徑流可由SCS-CN模型降水量數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)計(jì)算得到［3］，計(jì)算公式如下：

式中：Qi，j為在降雨事件j中，第i個(gè)柵格上產(chǎn)生的徑流深度，mm；Pj為降雨事件j中的日降水量，mm；S為土壤的潛在最大蓄水載荷。

S通常由含有CN值參數(shù)的方程計(jì)算：

式中：CN值為徑流曲線數(shù)，是地表產(chǎn)流能力的綜合反映。

根據(jù)SCS-CN模型計(jì)算地表徑流量，得到研究區(qū)徑流深度因子?xùn)鸥駡D。通過ArcGIS對(duì)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行二級(jí)分類，得到研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)分布柵格圖，利用蒸散發(fā)數(shù)據(jù)提取研究區(qū)蒸散發(fā)因子?xùn)鸥駡D。最后，將各柵格圖重采樣為30 m分辨率，計(jì)算研究區(qū)水源涵養(yǎng)量。

2.2 水質(zhì)凈化

水質(zhì)凈化能力分為陸域和水體水質(zhì)凈化能力。陸域水質(zhì)凈化能力指在降水徑流過程中減少了水體中的污染物含量，提供面源污染物削減服務(wù)功能，即在降水徑流過程中通過截留、下滲等未能成為徑流的降水帶走的污染物含量；水體水質(zhì)凈化能力指在降水徑流過程中形成徑流的降水?dāng)y帶的污染物含量［4］。利用SCS-CN模型計(jì)算不同生態(tài)系統(tǒng)在降水徑流過程中的徑流分布情況，借助流域不同生態(tài)系統(tǒng)的污染物質(zhì)量濃度，得到面源污染物削減量，從而體現(xiàn)不同土地利用類型在水質(zhì)凈化中的貢獻(xiàn)，削減量越大，水質(zhì)凈化服務(wù)功能越強(qiáng)。本文采用污染物滯留量法［5］計(jì)算秦淮河流域的水質(zhì)凈化能力，公式如下：

式中：NSi為第i個(gè)地塊的陸域年均面源污染物減少量，g/yr；WNSi為第i個(gè)地塊的水體年均面源污染物負(fù)荷，g/yr；ΔQi,j為在降雨事件j中，第i個(gè)柵格上削減的徑流深度，mm；Qi，j為在降雨事件j中，第i個(gè)柵格上產(chǎn)生的徑流深度，mm；Pj為降雨事件j中的日降水量，mm；ρEM,i為面源污染物在第i個(gè)柵格上的質(zhì)量濃度，mg/L；Ai為第i個(gè)柵格的面積，m2。

考慮秦淮河流域環(huán)境狀況，選取COD、TP、NH3-N作為判斷流域水質(zhì)凈化能力的污染物指標(biāo)，參考龐琰瑾等［6］研究的流域不同土地利用類型的污染物質(zhì)量濃度（表3），得到研究區(qū)面源污染減少量和徑流污染含量。不同污染物的減少量不能直接比較，需要將不同污染物減少量進(jìn)行歸一化處理后再進(jìn)行柵格疊加，從而得到陸域水質(zhì)凈化柵格。將流域范圍內(nèi)的徑流污染物按照公式（6）進(jìn)行柵格計(jì)算，將不同污染物減少量歸一化處理后再進(jìn)行柵格疊加，從而得到水域水質(zhì)凈化柵格；疊加陸域水質(zhì)凈化柵格和水域水質(zhì)凈化柵格。得到水質(zhì)綜合凈化柵格，并利自然間斷點(diǎn)分級(jí)法將其分為5級(jí)，分別為低水平、中低水平、中水平、中高水平、高水平；水域水質(zhì)凈化能力明顯高于陸域，將水域分類為高水平區(qū)域。

3 結(jié)果與分析

3.1 水源涵養(yǎng)服務(wù)空間分布

經(jīng)計(jì)算，得到研究區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)的空間分布情況，將其按照自然斷點(diǎn)分級(jí)法分為5個(gè)水平，分別為低水平（0～98.94 m3）、中低水平（98.94～284.44 m3）、中水平（284.44～383.37 m3）、中高水平（383.37～489.73 m3）、高水平（489.73～630.71 m3）。各等級(jí)水平分布情況如圖2所示，面積占比見圖3?？梢?，大部分地區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)處于中低水平和中水平，水源涵養(yǎng)服務(wù)水平的高低與多種因素有著密切關(guān)系。高水平水源涵養(yǎng)功能區(qū)主要位于秦淮河流域的西南濕地和邊緣山區(qū)，占流域面積的4.99%，流域西南部降水豐富，且該地區(qū)有趙村、臥龍、中山等水庫濕地和涼帽山、烏王山、云臺(tái)山等山區(qū)林地，對(duì)降水具有較好的滯留調(diào)蓄作用，產(chǎn)生的地表徑流量最少，蒸發(fā)量較低，因此水源涵養(yǎng)服務(wù)水平最高；中高水平水源涵養(yǎng)功能區(qū)主要位于秦淮河流域的四周邊緣，占流域面積的11.94%，該流域東部邊緣有蔣門山等，南部邊緣有涼帽山、東廬山等，西部邊緣有馬山等，北部邊緣有九華山、大龍山等，該區(qū)域以林地為主，植被覆蓋面積廣，對(duì)雨水的滯留效果較好，產(chǎn)生的地表徑流量低，蒸散發(fā)量不大，但降水量較大，因此總體來說該區(qū)域的水源涵養(yǎng)服務(wù)水平位列第二；中水平水源涵養(yǎng)功能區(qū)主要位于秦淮河流域的西部以及東北地區(qū)，占流域面積的35.88%，該區(qū)域主要以耕地為主，對(duì)雨水的滯留效果較林地有所下降，降水量較高，但是蒸散發(fā)量也很高，因此該區(qū)域的水源涵養(yǎng)服務(wù)水平處于中等；中低水平水源涵養(yǎng)功能區(qū)主要位于秦淮河流域的東部地區(qū)，占流域面積的30.37%，該區(qū)域以耕地為主，對(duì)降水的滯留能力較差，蒸發(fā)很大，降水量小，因此水源涵養(yǎng)服務(wù)水平較差；低水平水源涵養(yǎng)功能區(qū)主要位于秦淮河流域的西北地區(qū)，東部、南部的部分地區(qū)，占流域面積的16.83%，該區(qū)域主要集中在建設(shè)用地，流域西北部是南京市主城區(qū)，東部有句容市區(qū)，流域南部有溧水區(qū)的主要街道，地面多是硬質(zhì)化地面，植被覆蓋度低，對(duì)降水的滯留能力差，地表徑流量最大，降水量不高，蒸發(fā)較強(qiáng)，并且這些區(qū)域人口密度大，對(duì)水資源的消耗大，因此水源涵養(yǎng)服務(wù)水平最差?？傊莸?、濕地主要集中在中高水平和中水平地區(qū)；林地多處于高、中高水平地區(qū)；耕地大多處于中、中低水平地區(qū)；建設(shè)用地則主要集中在低水平地區(qū)。

圖2 秦淮河流域水源涵養(yǎng)服務(wù)空間分布

圖3 秦淮河流域和不同土地利用類型水源涵養(yǎng)5個(gè)等級(jí)的比例

3.2 水質(zhì)凈化服務(wù)空間分布

通過公式（4）～（6）計(jì)算，得到COD、NH3-N、TP削減量空間分布的結(jié)果，如圖4所示，利用ArcGIS進(jìn)行等權(quán)疊加分析，得到研究區(qū)水質(zhì)凈化服務(wù)的空間分布情況，將其按照自然斷點(diǎn)法分為5個(gè)水平，分別為低水平（無量綱：0～0.64）、中低水平（無量綱：0.64～1.02）、中水平（無量綱：1.02～1.22）、中高水平（無量綱：1.22～1.54）、高水平（無量綱：1.54～2.79）。各水平分布情況如圖5所示，面積占比見圖6。水質(zhì)凈化高水平區(qū)域占流域面積的5.90%，主要分布在流域河流和湖泊部分，受到水體自凈能力影響較大，該區(qū)域COD、NH3-N、TP削減量都很高，水質(zhì)凈化能力最強(qiáng)；中高水平區(qū)域面積占比達(dá)到9.58%，以林地為主，集中分布在流域邊緣部分，森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)NH3-N、TP的削減量僅次于水體，存在個(gè)別森林生態(tài)系統(tǒng)的COD的削減量略高于水體；中水平區(qū)域面積最大，占比達(dá)到47.55%，以耕地和建設(shè)用地為主，集中分布在流域西部和東部建城區(qū)，該區(qū)域建設(shè)用地的COD削減量較高，耕地的TP削減量較高，相應(yīng)污染物的水質(zhì)凈化能力更強(qiáng)；中低水平區(qū)域占流域面積的33.25%，大多位于流域東部的耕地部分，該區(qū)域COD、NH3-N的削減量較低，水質(zhì)凈化能力較差；低水平區(qū)域大多是草地，占流域面積最小，約為3.72%，在流域內(nèi)零散分布，草地的COD、NH3-N、TP削減量均較低，水質(zhì)凈化能力最弱?？傊瑵竦?、林地大多處于中高、高水平；建設(shè)用地、耕地大多處于中水平；草地大多處于低水平。

圖4 秦淮河流域COD、TP、NH3-N消減量分布

圖5 秦淮河流域水質(zhì)凈化服務(wù)空間分布

圖6 秦淮河流域及不同土地利用類型水質(zhì)凈化5個(gè)等級(jí)的比例

3.3 管控建議

針對(duì)水源涵養(yǎng)區(qū)域建議如下：（1）高水平和中高水平區(qū)域，應(yīng)嚴(yán)格禁止城市開發(fā)建設(shè)，主要包括重要湖泊、水庫等濕地生態(tài)斑塊和山區(qū)林地，需保留自然濕地狀態(tài)，充分發(fā)揮生態(tài)保育功能，提高水源涵養(yǎng)服務(wù)功能；（2）中水平區(qū)域，應(yīng)限制城市開發(fā)建設(shè)，注重區(qū)域的生物多樣性保護(hù)，多植樹，多種草，加強(qiáng)土壤固持能力；退耕還林、還濕地，建設(shè)濕地公園，維持較少干擾的人類活動(dòng)；（3）低水平和中低水平區(qū)域，允許城市合理開發(fā)建設(shè)，重點(diǎn)保護(hù)飲用水源地，構(gòu)建河流生態(tài)藍(lán)線，建立綠色緩沖帶，建設(shè)綠色公園。

針對(duì)水質(zhì)凈化區(qū)域建議如下：（1）高水平和中高水平區(qū)域，以保護(hù)為主要管控方向，限制或禁止陡坡地開墾和種植，封禁管護(hù)，加大力度保護(hù)森林和濕地生態(tài)系統(tǒng)，加強(qiáng)水源地保護(hù)、飲水安全保護(hù)，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目禁止建設(shè)；（2）中水平區(qū)域，應(yīng)配套建設(shè)垃圾和污水處理設(shè)施，配套建設(shè)水利工程和農(nóng)田林網(wǎng)，完善農(nóng)田排水系統(tǒng)，控制和減少人為活動(dòng)產(chǎn)生的污染物，削減入河污染物排放，改善人居生態(tài)環(huán)境；（3）低水平和中低水平區(qū)域，應(yīng)該大力開展植樹造林綠化活動(dòng)，可種植經(jīng)濟(jì)林，在增強(qiáng)水質(zhì)凈化能力的同時(shí)增加經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

本文基于水量平衡法和污染物滯留量法，對(duì)秦淮河流域水源涵養(yǎng)和凈化水質(zhì)功能進(jìn)行空間識(shí)別，提出分析不同空間等級(jí)的可操作方法，將水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化的服務(wù)能力在空間上劃分為低水平、中低水平、中水平、中高水平、高水平5個(gè)等級(jí)水平，以探究秦淮河流域水源涵養(yǎng)和水質(zhì)凈化服務(wù)空間分布特征，并對(duì)不同水平空間的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提出了相應(yīng)的管控建議。