基于“源-匯”理論的汾河太原段非點(diǎn)源污染識(shí)別

付紹桐，甄志磊，劉 旭，王 倩，馬浩天

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，山西晉中 030801；2.呼和浩特市生態(tài)環(huán)境科技推廣中心，呼和浩特 010090）

0 引言

近年來，城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展在帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也帶來了廣泛的資源短缺和嚴(yán)重的環(huán)境問題，水環(huán)境問題已成為最嚴(yán)重、最普遍的問題之一。河流湖泊作為世界多種水源地中所占比例最大、分布最廣的淡水資源，受到各種形式的污染威脅[1]。其中，點(diǎn)源（PS）污染和非點(diǎn)源（NPS）污染對水環(huán)境的影響尤為突出。隨著城市點(diǎn)源污染治理的逐步完善，降雨帶來的面源污染對城市水體的影響日益值得關(guān)注[2]。研究表明，間歇性雨水徑流中的有機(jī)物濃度通常不低于污水處理廠周期性排放的濃度[3]。因此，開展城市河流非點(diǎn)源污染風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別成為不可回避的重要研究內(nèi)容。

NPS污染受自然因素和人為因素共同作用的影響，如土地利用、氣候變化、植被特征和污染物排放等[4]。與PS相比，NPS對水環(huán)境造成的污染具有空間廣泛性、時(shí)間不確定性和時(shí)滯性[5-7]。因此，對非點(diǎn)源污染的監(jiān)測與控制具有很大的挑戰(zhàn)。在對非點(diǎn)源污染負(fù)荷定量計(jì)算時(shí)，多采用構(gòu)建模型的方法[8]。Xiao等[9]通過SWAT模型探討了上游流域的污染物輸入和流域出口的污染物負(fù)荷響應(yīng)之間的聯(lián)系，研究了不同農(nóng)業(yè)活動(dòng)和不同村莊的污染貢獻(xiàn)率。李立[10]根據(jù)渭河流域?qū)嶋H情況，利用改進(jìn)的SWAT模型，經(jīng)實(shí)測數(shù)據(jù)校準(zhǔn)后確定了咸陽—西安段非點(diǎn)源污染入河負(fù)荷。包鑫和江燕[11]總結(jié)得出由于SCS曲線模型計(jì)算下滲和地表徑流的局限性，降低了SWAT、AGNPS和GWLF等模型精度。另外，SWAT、HSPF和BASINS等復(fù)雜流域模型參數(shù)數(shù)量龐大，有限的數(shù)據(jù)資料增加了模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證的難度，限制這些模型在更大尺度區(qū)域的應(yīng)用。近年來，“源-匯”景觀作為景觀生態(tài)研究的一個(gè)新技術(shù)手段被廣泛運(yùn)用。黃寧等[12]基于“源-匯”理論從流域和景觀斑塊類型層次構(gòu)建了流域景觀格局調(diào)控框架。Wang等[13]以三峽庫區(qū)王家溝小流域?yàn)槔?，研究了小流域景觀空間特征與非點(diǎn)源污染的關(guān)系，確定了影響非點(diǎn)源污染的景觀空間負(fù)荷特征。許芬等[14]對水庫非點(diǎn)源污染進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評價(jià)，驗(yàn)證了遙感與“源-匯”景觀指數(shù)的適用性。

本研究充分考慮土地利用、降雨、土壤、地形、河道距離、坡度、作物施肥等因素，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，計(jì)算“源-匯”景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)，精確地解析研究區(qū)域內(nèi)對于太原城市水體非點(diǎn)源污染風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)較大的景觀地段，準(zhǔn)確識(shí)別污染的關(guān)鍵區(qū)域，并提出針對汾河非點(diǎn)源污染防治的景觀格局優(yōu)化建議，為汾河太原段景觀規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和參考。

1 研究地區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

太原市位于山西省境中央(37°59′30″N～38°07′30″N，112°26′30″E～112°77′80″E)，太原盆地的北端，汾河自北向南橫貫太原市全境。太原市地形為典型北方高原山地地貌，東、西兩面環(huán)山，中部為汾河河谷平原。太原市主要受季風(fēng)氣候影響，四季分明，年均氣溫為11.9～13.7°C，年均降雨量為400～650 mm[15]。太原市人口密集度較大，農(nóng)業(yè)和工業(yè)相對發(fā)達(dá)，人為活動(dòng)帶來的非點(diǎn)源污染對汾河流域水質(zhì)安全的威脅較大。汾河太原段水質(zhì)呈中度污染水平，主要污染物包括氨氮、有機(jī)物（COD5）和總磷等[16]。研究區(qū)主要包括小店、迎澤、杏花嶺、尖草坪、萬柏林和晉源6個(gè)區(qū)（圖1）。

圖1 研究位置Fig.1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所使用的數(shù)據(jù)包括：中國高分系列遙感數(shù)據(jù)（GF-1）（http://www.cresda.com/CN/）。其中包括4個(gè)多光譜波段（分辨率：8 m）和1個(gè)全色波段（分辨率：2 m）。DEM數(shù)（http://www.gscloud.cn/），主要用于坡度、距離因子的提取。GF-1影像預(yù)處理使用航天宏圖PIE軟件，包括輻射定標(biāo)、大氣校正、正射校正、圖像融合（GF-1多光譜與全波段融合）和圖像拼接。最后，使用eCognition8.9軟件進(jìn)行分類。

污染物總氮（TN）、總磷（TP）數(shù)據(jù)來源于汾河水質(zhì)實(shí)測、《全國農(nóng)田面源污染排放系數(shù)手冊》[17]、2017版《第二次全國污染源普查手冊》[18]、2020年《太原統(tǒng)計(jì)年鑒》等資料，同時(shí)借鑒相同或相似研究區(qū)的相關(guān)文獻(xiàn)。

2 研究方法

2.1 隨機(jī)森林算法

根據(jù)太原市實(shí)際情況和《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 21010-2017），采用使用eCognition8.9中隨機(jī)森林法[19]將太原市土地利用類型分為：耕地、建設(shè)用地、林地、草地、水體。

2.2 網(wǎng)格景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)

構(gòu)建網(wǎng)格景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)（GLCI）可以反映一定尺度的景觀對水體非點(diǎn)源污染的貢獻(xiàn)。本研究基于太原市自然景觀格局，充分考慮太原市各項(xiàng)自然地理要素，最終劃定空間單元[20]?！霸础本坝^：耕地和建筑用地；“匯”景觀：草地和林地。不同景觀類型對面源污染的排放、吸收或截留程度不同。GLCI的計(jì)算如下：

式中：GLCIN為TN的GLCI；GLCIP為TP的GLCI；GLCINP為TN和TP的GLCI；WiN為“源”景觀類型TN的污染輸出權(quán)重；WiP為“源”景觀類型TP的污染輸出權(quán)重；WjN為“匯”景觀類型TN的污染截留權(quán)重；WjP為“匯”景觀類型TP的污染截留權(quán)重；Si和Sj分別為“源”“匯”景觀類型的面積比例。

2.3 非點(diǎn)源污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

太原市以褐土為主，土壤類型單一，且降水空間差異小。因此，本研究非點(diǎn)源污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（NPPRI）評價(jià)參考文獻(xiàn)[14]。NPPRI計(jì)算方程如下：

式中：GLCINP為網(wǎng)格的TN、TP總體污染負(fù)荷；Slope為網(wǎng)格的坡度；Slopemax為理論上的最大坡度，取90°；Distɑnce為網(wǎng)格到河道的直線距離；Distɑncemax為可能受到非點(diǎn)源污染影響的最大距離，取20 km；NPPRI為空間要素修正后的非點(diǎn)源污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

2.4 非點(diǎn)源污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

太原市“源”“匯”空間的分布格局及其與非點(diǎn)源污染關(guān)系采用洛倫茲理論來確定[14]，并依次來判斷研究區(qū)NPS污染風(fēng)險(xiǎn)程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 “源”“匯”景觀的遙感分類和輸出權(quán)重

本研究基于eCognition8.9中隨機(jī)森林算法進(jìn)行分類（圖2），參考Google Earth進(jìn)行精度驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明Kɑppɑ系數(shù)達(dá)到0.91，分類結(jié)果準(zhǔn)確。本研究中“匯”景觀以林地為主，面積為579.47 km2，占研究區(qū)的41.33%，主要分布東西兩側(cè)距汾河較遠(yuǎn)；“源”景觀主要分布在汾河沿岸呈連片分布，其中建設(shè)用地面積為506.59 km2，占研究區(qū)的36.13%；耕地面積為142.28 km2，占研究區(qū)的10.15%。

圖2 “源-匯”景觀遙感分類結(jié)果Fig.2 Remote sensing classification result of“source-sink”landscape

耕地：耕地污染輸出權(quán)重參考《農(nóng)業(yè)污染源普查手冊》中“地表徑流-北方高原山地區(qū)-緩坡地-非梯田-橫坡-旱地-大田一熟”區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田流失系數(shù)作為依據(jù)，確定TN和TP流失量分別為2.64 kg/(hm2·a)和0.14 kg/(hm2·a)，標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的總施氮量和總施磷量分別為207.15 kg/hm2和75.15 kg/hm2。根據(jù)2020年《太原市統(tǒng)計(jì)年鑒》，研究區(qū)內(nèi)TN和TP施肥量分別為194.29 kg/hm2和103.02 kg/hm2。最終確定TN、TP施肥修正系數(shù)分別為0.94、1.37。根據(jù)太原市多年平均降水量（400～650 mm），將降水修正系數(shù)設(shè)為1。因此，耕地TN、TP流失量為：

建設(shè)用地：由《城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》可知，太原市生活源污水污染物TN人均產(chǎn)生系數(shù)為9.18 g/(人·d)，TP為0.97 g/(人·d)，太原市2020常住人口為3 002 159人，建設(shè)用地面積798 km2。因此，建設(shè)用地TN、TP排污量為：

林地和草地：王寧等[21]在山西省油松林生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、磷化學(xué)計(jì)量特征研究中，得到TN、TP截留值分別為0.94～2.39、0.13～0.39 g/kg，因此，TN、TP截留系數(shù)分別為1.45、0.25 g/kg（均值）。暖溫帶落葉闊葉林土壤層氮儲(chǔ)存庫為14.82 t/hm2[22]，褐土全磷含量為0.28 kg/m2[23]。因此，林地對TN和TP平均吸收量分別為21.49和0.70 kg/(hm2·a)。研究表明，草地對TN和TP的吸收能力分別為林地的80%和85%[24]。最終確定太原市草地的TN和TP吸收量分別為17.19 kg/(hm2·a)和0.60 kg/(hm2·a)。

水體：水體對TN、TP吸收權(quán)重很小，本研究不將其納入“源-匯”景觀中[14]。

本研究以TN、TP標(biāo)準(zhǔn)排放（吸收）量最大的建設(shè)用地景觀為基準(zhǔn)[14]，計(jì)算不同景觀類型的權(quán)重?！霸础薄ⅰ皡R”景觀權(quán)重計(jì)算如下：

式中：I表示某種景觀類型的TN、TP標(biāo)準(zhǔn)排放（吸收）量；Imax指建設(shè)用地中TN、TP排放（吸收）量；TN、TP標(biāo)準(zhǔn)排放（吸收）量最大的景觀類型權(quán)重為1[14]。

本研究中建設(shè)用地的TN和TP的排放（吸收）量最大，因此，TN和TP的Imax分別設(shè)定為126.06和13.32 kg/(hm2·a)。其它用地類型的權(quán)重見表1。

表1 研究區(qū)不同景觀類型TN、TP產(chǎn)生量及權(quán)重Tab.1 Amount and weight of TN and TP of different landscape types in study area

3.2 網(wǎng)格景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)的空間分布

根據(jù)流域地形和遙感可識(shí)別空間范圍，對研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化處理，以500 m×500 m的網(wǎng)格為單元對研究區(qū)進(jìn)行GLCI計(jì)算，并得到GLCI分布圖（圖3）。GLCI值在-0.08～0.50之間，其中GLCI大于0（62.87%）表明單元內(nèi)NPS污染存在發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)；GLCI小于0（37.04%）表明“匯”景觀占主導(dǎo)作用，NPS污染的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)小。綜上，汾河太原段非點(diǎn)源污染風(fēng)險(xiǎn)總體較高，以“源”作用為主的土地類型占較大比例，汾河兩岸以建設(shè)用地為主的區(qū)域?yàn)楦呶廴矩?fù)荷區(qū)域。“匯”景觀主要分布在以林地為主的區(qū)域。在ArcGIS中采用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法，將GLCI由低到高分為5個(gè)等級(jí)（表2）。其中極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，GLCI范圍在（-0.08，-0.01）之間的占流域面積的35.60%，主要分布在太原市東西山上（“匯”景觀）。低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)“源-匯”污染負(fù)荷較平衡的GLCI范圍接近0，在（-0.01，0.11）之間占流域面積的17.41%。中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（0.11，0.25）和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（0.25，0.40），分別的占流域面積的14.16%和15.14%，主要分布于研究區(qū)的北部和南部，以“源”景觀為主。GLCI范圍在（0.40，0.50）之間的極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占比為17.69%，主要集中在研究區(qū)中部以“源”景觀為主?！霸础薄皡R”景觀不平衡導(dǎo)致汾河水體受到非點(diǎn)源污染。

表2 不同景觀空間負(fù)荷等級(jí)面積對比Tab.2 Area comparison of different landscape spatial load levels

圖3 網(wǎng)格景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)（GLCI）空間分布Fig.3 Spatial distribution of grid landscape contrast index(GLCI)

3.3 汾河太原段非點(diǎn)源污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

GLCI一定程度體現(xiàn)了NPS污染的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，而地形（坡度）和距河道距離則影響著非點(diǎn)源污染的遷移風(fēng)險(xiǎn)。由圖4可以看出，汾河太原段地區(qū)坡度呈現(xiàn)西、東兩面高中部低的特征。利用GLCI、坡度因子、距離因子疊加得到非點(diǎn)源污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（NPPRI）識(shí)別結(jié)果（圖5）。NPPRI越高，非點(diǎn)源污染風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生與遷移的可能性越高。從空間上看，研究區(qū)的中部非點(diǎn)源污染風(fēng)險(xiǎn)較高，該區(qū)域分布著密集的建設(shè)用地和耕地，人類活動(dòng)較為密集；研究區(qū)東、西兩面的山區(qū)非點(diǎn)源污染風(fēng)險(xiǎn)較低。主要是由于植被覆蓋度高，建設(shè)用地和耕地分布密度低以及人類活動(dòng)強(qiáng)度明顯減弱。整體而言，該地區(qū)NPS污染風(fēng)險(xiǎn)較高，呈現(xiàn)出中部高兩邊低的特點(diǎn)。

圖4 汾河太原段地區(qū)坡度和距離因子Fig.4 Slope and distance factors in Taiyuan section of the Fenhe River

圖5 非點(diǎn)源污染風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別圖Fig.5 Risk identification of Non-point source

3.4 “源-匯”空間分布與非點(diǎn)源污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

本研究對汾河太原段坡度、河道距離進(jìn)行區(qū)間劃分，計(jì)算各個(gè)區(qū)間不同土地利用景觀類型的面積累積百分比（圖6和圖7）。結(jié)果表明，汾河太原段受到NPS污染風(fēng)險(xiǎn)。坡度要素中“源-匯”景觀集中分布在0～30°范圍內(nèi)，河道距離要素中“源-匯”景觀集中分布在河道距離因子0～12 000 m范圍。其中林地和草地為主的“匯”景觀類型在距離汾河較遠(yuǎn)的區(qū)域面積比重大，而耕地和建設(shè)用地為主的“源”景觀類型在靠近汾河區(qū)域的占比較大，為NPS污染風(fēng)險(xiǎn)高發(fā)區(qū)。

由圖6和圖7可知，在坡度和河道距離因子中，累積面積比例由大到小排序：耕地＞建設(shè)用地＞草地＞林地。并且，“源”、“匯”累積面積的比值都大于1（見表3）。主要原因是汾河太原段“源”景觀分布在坡度較小、距離汾河河道較近的位置，而“匯”景觀分布在坡度較大、距離汾河較遠(yuǎn)的位置。其中，坡度因素可抑制污染的截留，河道距離要素易引起污染。本研究中耕地和建設(shè)用地距離汾河較近，對污染截留效果較差。

表3 主要“源-匯”景觀的洛倫茲曲線的面積對比Tab.3 Area-comparison of Lorenz curves of the main“source”and“sink”landscapes

圖6 坡度因子的洛倫茲曲線Fig.6 Lorenz curves of the factor of slope gradient

圖7 河道距離因子的洛倫茲曲線Fig.7 Lorenz curves of the factor of“distance from river”

4 討論

早期關(guān)于“源”和“匯”景觀格局對NPS污染形成影響的研究僅根據(jù)主觀經(jīng)驗(yàn)將景觀分類為“源”或“匯”景觀。然而，近年來，人們已經(jīng)確定了不同類型景觀的貢獻(xiàn)權(quán)重，以確定這些景觀對NPS污染形成的影響。在本研究中，太原市“源”景觀類型以建設(shè)用地為主，特別是在建成區(qū)內(nèi)占較大比例，其次為耕地。林地和草地隨著高程和坡度的上升，逐漸轉(zhuǎn)為優(yōu)勢景觀類型，主要分布在太原市東西兩側(cè)的高山地帶。由于汾河太原段建設(shè)用地占比大，是汾河污染的潛在的污染源。GLCI的計(jì)算結(jié)果表明，汾河太原段僅有0.09%的流域?qū)崿F(xiàn)了“源-匯”景觀平衡。因此，汾河太原段NPS污染發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)總體較高。其中，建設(shè)用地的GLCI值最高，耕地次之；太原市東西兩側(cè)的山地、丘陵地區(qū)以及研究區(qū)北部的尖草坪部分地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)較低，這與“源”“匯”面積分布相似。因此，快速的城市化和強(qiáng)烈的人類活動(dòng)是導(dǎo)致汾河受到NPS污染的主要原因。另外，研究區(qū)內(nèi)汾河海拔最低，東西兩側(cè)高山距離汾河較遠(yuǎn)，坡度影響較小。因此，對汾河的影響因素中距離因素＞坡度因子＞高程因素。

基于“源-匯”景觀理論，非點(diǎn)源污染的消減和治理主要以實(shí)用方法為基礎(chǔ)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)增長水平進(jìn)行景觀格局優(yōu)化[25]。本研究將從以下兩個(gè)方面提出相應(yīng)的建議。一是既要優(yōu)化“源”景觀布局，又要發(fā)揮“匯”景觀的截留和吸收作用。由于汾河太原段沿岸分布著大量的商業(yè)區(qū)、居住區(qū)和肥沃的農(nóng)田，這些地區(qū)不可能被移走或轉(zhuǎn)移，景觀格局必須在現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。研究表明，在各類景觀總面積和“源”“匯”景觀面積不變的情況下，“匯”景觀在研究尺度上越分散，其截留和削減污染物的可能性會(huì)越大，降低“源”景觀對水質(zhì)的威脅程度，起到保護(hù)水質(zhì)的作用[26,27]。因此，在空間格局角度上，應(yīng)提高“匯”景觀的分散程度[28]。二是在河道周圍布設(shè)防護(hù)帶和緩沖區(qū)，增加“匯”景觀對污染物的吸收和轉(zhuǎn)換。例如在河岸帶上種植防護(hù)林帶、下凹綠地和雨水花園等低影響開發(fā)措施（LID），對污染的輸入起到一定的緩沖作用。

5 結(jié)論

太原市最主要的“源”景觀類型為建設(shè)用地，其次為耕地。在太原市東西兩側(cè)高山地帶，林地和草地為主要景觀。汾河太原段中“源”景觀占主導(dǎo)，GLCI大于0的流域面積占研究區(qū)的62.87%，分布在中部汾河沿岸城區(qū)段，以“匯”景觀占主導(dǎo)的流域面積占研究區(qū)的37.04%，分布在太原市東西兩側(cè)的山區(qū)，僅有0.09%的流域?qū)崿F(xiàn)了“源-匯”景觀平衡。汾河太原段非點(diǎn)源污染發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)總體較高，呈現(xiàn)中部平原區(qū)高兩邊山區(qū)低的特征。汾河太原段在坡度要素中“源”“匯”景觀分布合理，坡度高易產(chǎn)生污染的區(qū)域?yàn)椤皡R”景觀林地和草地，有利于污染的截留。而在河道距離要素中，“源”景觀耕地和建設(shè)用地距離汾河過近，污染產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)與遷移風(fēng)險(xiǎn)都較高，尤其是耕地距離汾河較近，同時(shí)缺少“匯”景觀對污染物起截留作用。