三峡库区消落带生态廊道区污染风险分析

朱康文,雷波,陈玉成,3,黄昌前,张晟,何君,李剑

(1.西南大学资源环境学院，重庆 400716；2.重庆市生态环境科学研究院，重庆 401147；3.农村清洁工程重庆市工程研究中心，重庆 400716；4.重庆市綦江区生态环境局，重庆 400803；5.重庆市生态环境局，重庆 401147)

随着生态文明建设持续推进，围绕山水林田湖草系统建设开展了一系列生态保护措施，我国水环境质量得到明显改善[1-2]。为持续保障水环境质量，近年我国针对长江经济带沿线1 km范围内产业布局进行了一系列调整，以此应对生态保护方面的挑战。同时，为有效控制农业面源污染、提升区域生物多样性、有效预防水土流失等方面的问题，参考国际在生态带方面的研究提出了生态廊道的概念[3]。生态廊道对于区域生物多样性保护、污染物过滤、防止水土流失等生态功能保障方面有很好的作用[4]。三峡库区消落带(简称“消落带”)是全球面积较大的水陆交替带区域，已有研究表明，其随季节变化的周期性水位变化造成水体环境污染、水土流失严重、生物多样性减少等方面问题较为严重[5-9]。生态廊道建设的本质就是区域景观格局的优化，主要以污染型景观用地退出，消纳污染物型景观增加为主[10]。因此，为有效判断消落带生态廊道区急需景观结构优化的区域，需要分析不同区域污染风险情况，以及污染型景观与消纳污染物型景观分布构成情况，为生态廊道构建提供数据支撑和科学依据。

1 研究区与研究方法

研究基于DEM数据和Landsat水体数据，识别三峡库区消落带生态廊道区，根据长江经济带生态保护总体要求，长江沿线1 km范围内属于污染型企业严格控制区域，因此，以消落带向外1 km范围作为生态廊道区。以此为基础结合2017年土地利用数据，构建污染风险指数，采用“源-汇”理论[11]、核密度、Getis-Ord Gi*方法分析区域内污染风险与景观变化之间的空间关系。

1.1 研究区

三峡库区消落带由重庆市江津区从西向东至湖北省宜昌市，涉及重庆市和湖北省的26个区县[12]。整个三峡库区区域内地貌以山地、丘陵为主，消落带区域坡度相对较高，水土流失、面源污染危害严重[13]。植被以针阔叶林、经果林、灌丛、草地覆盖为主[14-15]，本研究提出的消落带生态廊道区范围内因离水源较近等原因导致耕地布局比重较大。因此，消落带生态廊道区内水环境污染风险较高，是当前生态保护、生态修复的重点、热点区域之一。

1.2 消落带生态廊道识别

三峡库区消落带根据DEM数据(中国科学院地理空间数据云平台，http://www.gscloud.cn数据分辨率30 m)[16]、Landsat中国内陆水体信息数据(此数据是结合水体亮度值在TM/ETM影像的2、3、4、5波段上的差别来进行判断，计算式为(TM2+TM3)/(TM4+TM5)>k1，来源同DEM数据，数据为GIS软件的.shp矢量格式)等多源数据融合的方式进行提取[17,18]。本研究提取过程中与常规做法不同的是在流量获取过程中采用不同土地利用类型的渗透率难易程度作为权重输入进行校正以提高准确性。

图1 河网提取流程图Fig.1 The flowchart of river network extraction

1.3 污染风险指数

污染风险指数参考污染物从“源”地到“汇”地的“源-汇”思路，将区域内耕地、建设用地、其他用地作为“源”地，将林地、草地作为“汇”地，那么污染物从“源”地进入“汇”地过程与区域范围内“源”地、“汇”地比例具有明显的相关性。基于此研究构建污染风险指数，见式(1)。

(1)

式中：R为污染风险指数;AS和AC为“源”地、“汇”地面积。值R∈(0，1)，按照0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1分为无风险、低风险、中风险、高风险、极高风险。

1.4 景观空间布局

为体现城市发展进程上的差异性，土地利用数据采用2017年数据，来自清华大学地球系统科学系网站，数据分辨率为30 m。根据研究需要将土地利用类型分为6类：建设用地、林地、草地、耕地、水域、其他用地，分布赋值为1、2、3、4、5、6。

为探讨生态廊道区景观空间差异，及其与污染风险指数之间的耦合情况，研究采用核密度、Getis-Ord Gi*方法进行分析。核密度、Getis-Ord Gi*用于识别“源”地、“汇”地具有统计显著性的高值(热点)和低值(冷点)的空间聚类[19]，具体方法见文献[20]。

2 结果与分析

2.1 消落带生态廊道划分结果

根据2.1方法提取得到消落带范围，并进行1 km陆域范围的距离缓冲，形成消落带生态廊道区。为细化不同区域具体景观情况，同时为分析不同河流的污染风险情况，将消落带所有流域中面积大于10 km2的区域单独形成一个小区，因此，共提取得到29个小区(表1、图2)。

图2 三峡库区消落带生态廊道区分布图Fig.2 Distribution map of ecological corridor area in the hydro-fluctuation band

表1 三峡库区消落带生态廊道小区统计表

2.2 污染风险指数测算结果

消落带生态廊道29个小区污染风险等级测算结果如图3所示，整体来看以中风险、低风险等级为主；高风险区为嘉陵江、渠溪河、苎溪河和朱衣河，主要位于库区中上游；无风险区为九畹溪、百岁溪、童庄河、良斗河，主要位于库区下游。高风险、中风险、低风险、无风险比例分别为13.79%、37.93%、34.49%、13.79%。

图3 生态廊道小区污染风险等级分布图Fig.3 Distribution map of pollution risk level of ecological corridor districts

图4 “源”地、“汇”地的核密度分布图Fig.4 Distribution map of kernel density of Source and Sink Areas

图5 “源”地及“汇”地的热点分布图Fig.5 Distribution map of hot spots of “source” and “sink” areas

2.3 景观空间布局分析

2.3.1“源”地、“汇”地核密度分析

采用GIS软件中核密度分析工具，对生态廊道区的“源”地、“汇”地分别进行核密度测算。图中结果可以看出“源”地核密度高值主要分布在嘉陵江、御临河、渠溪河、苎溪河、朱衣河、小江小区，“汇”地主要分布在乌江、龙河、汤溪河、磨刀溪、石芦河、沙镇溪、良斗河、童庄河、香溪河、九畹溪、百岁溪小区。总体上看，“源”地呈现出西高东低的特点，“汇”地呈现出西低东高的特点；整体上“汇”地比“源”地在空间上集聚程度更高。

2.3.2“源”地、“汇”地Getis-Ord Gi*分析

“源”地、“汇”地的Getis-Ord Gi*分析得到2种类型的热点分布情况，热点分析结果可以识别出“源”地在不同置信区间下的集聚区域和“汇”地在不同置信区间下的分散区域(置信度代表数据为随机生成的指数)。图中可以看出“源”地热点区域主要分布集中在4段区域：嘉陵江—龙河小区段、东溪河—苎溪河小区段、小江小区、朱衣河—大溪河(不含长江干流区域)小区段，同时大宁河、沿渡河小区部分区域也有少量热点区分布。“汇”地热点在上游区域分布较少，仅有乌江、龙河小区以及龙河—苎溪河小区之间的长江干流区域有分布，苎溪河小区下游“汇”地热点区分布较广，存在明显的连片分布趋势。

3 结论

1) 消落带生态廊道区污染风险空间差异大。研究结果表明：小江小区上游区域整体污染风险较高，其下游区域整体污染风险较低，呈现明显的“西高东低”的格局，因此，区域污染风险防控重点应在其上游区域。

2) 景观构成与污染风险在空间上具有高度一致性。根据污染风险指数结果与“源”地、“汇”地核密度、Getis-Ord Gi*分析结果对比发现，污染高风险区与“源”地核密度高值区、“源”地热点区高度相关，污染风险低风险、无风险区与“汇”地核密度高值区高度相关。

3) 景观优化可以有效降低污染风险。根据研究结果，“源”地占比面积小于“源-汇”地面积40%时污染风险较低，表明增加林地、草地等“汇”地类型布局将有效缓解区域水环境污染风险。“源”地高度集聚的区域应是防控水环境污染风险的重点区域。

研究针对消落带生态廊道区各小区污染风险情况进行测算分析，从大尺度得到了区域污染风险防控重点小区，并通过核密度、Getis-Ord Gi*分析等识别了“源”地、“汇”地集聚区域，可以为区域水环境风险防控政策提供参考。同时鉴于离水域不同距离范围内的“源”地、“汇”地分布对于水环境污染也有较大的影响，本研究从大尺度角度分析并未考虑，后续研究将考虑细化分析不同距离范围内的景观优化措施对水环境污染防控的效果。

致谢

感谢重庆市生态环境三峡库区消落带生态修复工程技术中心(拟建)对本研究的支持，感谢重庆市生态环境科学研究院生态所黄河清、刘建辉、郑莉、李建辉、张方辉参与研究中数据的处理工作。