基于GIS技术的人工湿地选址适宜性研究

阮姗，李家宇

(1.南京大学 建筑与城市规划学院，江苏 南京 210000； 2.中南大学 建筑与艺术学院，湖南 长沙 410075)

近年来，人工湿地以其强大的生态功能，在生物多样性保护、水净化保护、气候调节、野生资源开发、沼泽渔业、农业灌溉、大众娱乐、生态环境科学研究等方面受到了广泛的关注，并取得了明显的经济效益[1-3]。据报道，农业面源污染是地表水污染的主要组成部分，影响了全球30%～50%的地表水体[4-5]。农田化肥流失是造成农业面源污染的最直接原因。随着农业集约化程度的提高和农业生产活动中化肥、农药的过量使用，化肥流失量急剧增加[6]。大量试验证明，可持续人工湿地可通过过滤、吸附、降水、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物降解等过程，与基质、植物和微生物形成共生体系，降解径流中的氮、磷[7]。典型试验表明，在农田和水体之间设置50 m宽的植被缓冲带，人工湿地可以减少地表水中89%的氮和80%的磷。德斯普兰湿地对可溶性磷的去除率为52%～99%[8]。

考虑到与城市外部环境系统、经济发展和社会文化形态的协调，人工湿地的选址和稳定性对于消除农业面源污染来说同样具有重要作用。人们普遍认为，原始湿地及其邻近地区是最佳选择。此外，土地利用性质、地形地貌、土壤性质等的多维评价在湿地选址中也起着重要作用[9]。根据气候、水文等自然环境因素，以及施肥率、利用率、污染强度、耕地面积、湿地治理污染阈值等社会经济因素，可以确定区域范围内合理的人工湿地选址。通过对人工湿地选址适宜性的研究，可以为农业生产活动中由施用化肥而造成严重面源污染的地区提供一种净化模式。但到目前为止，关于合理规划人工湿地处理农业面源污染的研究还很少[10]。

GIS是地理空间分析的主要工具，广泛应用于适宜性评价，以及超市、公园、教育设施等公共服务设施的建设中[11]。近年来，GIS技术还和遥感技术相结合，被用于湿地公园的生态系统、景观丰富度、生物多样性的动态监测和湿地恢复研究[12]。本研究运用GIS技术，以江苏省13个地级市为研究对象，探讨中等规模农业生产活动中化肥施用引起的农业面源污染的空间分布特征，并从小城镇的角度，通过场地适宜性和规划设计适宜性分析，为湿地公园的规划和布局提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究数据

本文所采用的研究数据主要包括社会经济统计数据和自然地理数据。社会经济统计数据主要来自《江苏统计年鉴》，及相关研究提供的2017年江苏省各地级市化肥施用量(包括总量和分类数据)、耕地面积、城乡居民收入水平、化肥利用率、产品强度和污染物流量系数等。自然地理数据包括土地利用现状图、土地利用规划图和测绘数据的土地利用现状数据、高程、坡度和土地空间控制数据。

1.2 农业面源污染分析

清单分析是生命周期评价方法的一个重要组成部分，是对整个生命周期阶段的资源利用、能源利用和环境排放进行定量分析的过程[13-14]。本研究采用库存分析法，计算江苏省13个地级市2017年农业面源污染排放中以氮、磷和复合肥为主的农业生产施肥过程中氮、磷的排放量。具体计算公式：

(1)

(2)

式(1)中：E是农业面源污染物向水体的排放量，特别是总氮(TN)和总磷(TP)的排放量；Ui是单位i污染物的指标统计，主要涉及氮肥、磷肥和复合肥的施用量；ηi是单位i污染物的肥料利用率；ρi是单位i污染物的污染强度系数；Ci是单位i污染物的排放系数，由单位和空间确定，反映区域环境、降水、水文和各种管理措施对农业面源污染的综合影响，在江苏省区域水平上各因子取相同值。

式(2)中：I是农业面源污染的排放浓度，表征其对水环境的影响；L是研究区地表水资源量。

1.3 选址标准

虽然湿地主要通过减少峰值径流量和控制溶解污染物来净化污水，但是详细的选址和设计仍有助于实现辅助效益。人工湿地的选址应综合考虑地质、地貌、水文、污水等自然环境因素，确定合适的建设面积[3,15]。一般而言，人工湿地的选址应避开自然遗产保护区、历史资源保护区、风景名胜区和濒危物种保护区。

目前，人工湿地用于污水处理的面积从不到200 m2到400 hm2不等。本研究在相关文献[8,16]的基础上确定如下选址标准：(1)土地利用现状。可利用土地面积应大于0.1 km2。(2)区位条件。坡度在0～5°，绝对高程不超过25 m，距离河流缓冲区不到1 km。(3)空间结构。不得位于基本农田和规划建设区。(4)空间管控。不得位于地质灾害区和自然遗产保护区。

2 结果与分析

2.1 农业面源污染空间分布

经测算，江苏省2017年13个地级市农业面源污染TN和TP的空间分布格局与化肥施用的空间分布相似，表明江苏省农业仍处于粗放型发展阶段，生产规模是影响污染总量的重要因素。气候、降水和相关管理措施对污染物排放的空间分布并无显著影响。农业面源污染排放强度的空间分布特征与化肥施用量和农业面源污染TN和TP的空间分布格局有一定差异，农业发达、经济发展水平低的城市，如徐州、宿迁、连云港、淮安等，农业面源污染排放强度较高。

2.2 基于GIS技术的人工湿地选址适宜性分析

以徐州市铜山区柳新镇为例，利用GIS技术的空间叠加分析功能，基于1.3节确定的标准，建立人工湿地选址的区域尺度模型，筛选适宜选址的地区，结果如图1所示。本研究所使用的土地利用图、水系图均取自相关测绘资料，比例尺精度为1∶10 000；地质灾害图则取自徐州地面沉降规划的测绘资料。

图1 基于GIS的多要素人工湿地选址评价模型

研究发现，柳新镇南部可供人工湿地使用的土地较少，而北部和中部则有大量土地可供区域性人工湿地使用，这些土地的面积超过0.1 km2。进一步用区位条件和空间结构进行筛选，发现北部和中部适宜建设人工湿地，而西部和东部的建设条件较差(图2)。

图2 人工湿地选址的适宜性分布

3 小结

与传统的污水处理厂相比，人工湿地在建设投资、运行费用和处理效率等方面具有明显的优势，有利于生态系统的稳定。清单分析可以测量区域面源污染的总量和强度，通常用于探讨面源污染的空间分布特征。地理信息系统技术可以从场地适宜性研究中土地利用的角度确定人工湿地建设的适宜性。本研究综合运用上述技术，研究了江苏省农业生产活动中由施肥引起的农业面源污染的空间分布特征，并以徐州市铜山区柳新镇为例，探索了利用GIS技术对人工湿地建设适宜性进行分析的方法。结果显示，农业生产中使用化肥造成的严重农业面源污染集中在农业发达、人均GDP较低的苏北地区。以徐州市铜山区柳新镇为例，按照确定的选址适宜性标准，发现当地有大量可供人工湿地使用的土地，主要分布在柳新镇的北部和中部，土地利用条件良好。

但要指出的是，本研究未考虑畜禽养殖、农田固体废弃物、农村生活污水等因素，仅对农业生产活动中化肥施用的单一维度进行了测定。下一步的研究可以从多个维度进行探讨，从而更加全面地了解农业面源污染的空间分布。本文的研究区域位于北温带季风气候区，气温适宜常年湿地作业。但对于寒冷、炎热等极端气候区来说，如何利用人工湿地来处理农业面源污染，仍然是一个值得探讨的问题。此外，如何合理配置人工湿地的基质-植物-微生物，提高湿地的净化效率等，也都还有待于进一步探索。