基于景观格局的降雨径流污染风险评价方法*

齐小天 张质明#

(1.北京建筑大学环境与能源工程学院，北京 100044；2.北京建筑大学北京应对气候变化研究和人才培养基地，北京 100044)

近年来，降雨径流污染已逐渐成为影响城市水环境的重要因素[1-2]。随着城市化加快，城市景观格局也随之改变，大量林地和草地转变为建设用地，导致城市水环境遭到破坏，威胁城市的健康和持续发展[3-4]。

城市河流及湖泊受径流污染的程度与景观格局具有密切的联系[5-7]，景观格局可通过影响污染物的发生、迁移和转化等过程，实现对降雨径流污染的控制。已有较多学者对该方面进行研究，并取得了一定进展：如崔丹等[8]和王欢欢等[9]从景观组成与非点源污染的角度分别对湟水流域和洪湖地区进行研究，发现不同结构的景观组成导致非点源污染负荷总量存在差异；李昆等[10]351和贾玉雪等[11]841从景观空间结构与水质的角度分别对汉江流域襄阳城区段和资江尾闾集水区进行探讨，发现景观格局与非点源污染过程联系密切，合理规划土地利用类型可降低非点源污染风险。在此基础上，李雪等[12]11和李明涛等[13]2304强调将景观组成与空间结构进行结合，并分别对京杭运河杭州段和潮河流域的景观格局与非点源污染负荷关系进行了更进一步探究；陈利顶等[14]2409,[15]则强调静态格局与动态过程的耦合，建立了景观负荷对比指数；刘芳等[16]和孙然好等[17]将该指标分别应用于长江上游和海河流域的非点源污染分析，并证明了该指数是可作为非点源污染空间风险评价的有效方法。

降雨径流污染是一种极为复杂的生态过程，景观格局中景观边界配置、渗透性、微环境和连通性等都具有明显的特征性[18-19]。上述学者们的研究重点从单一格局逐渐转移到了格局与过程的关系研究，本研究在此基础上对景观格局和径流污染过程进行更进一步探讨：一方面，将研究尺度由城市外的宏观区域或城市群尺度深化到市级和区级尺度，为解决景观格局改变对城市水环境产生的一系列负效应[20-21]提出更加具有针对性和可行性的措施；另一方面，加强因景观基质、斑块等变化所造成的降雨径流污染效应差异和综合作用机制分析，对传统的景观负荷对比指数进行改进和优化，尝试解决该指数无法具体表示出景观斑块间的结构属性和互动规律[22]等问题。

基于此，本研究以凉水河流域为例，将空间位置与空间结构、静态格局与动态过程相结合，运用“源-汇”景观理论和梯度带理论，从城市景观格局与规划的角度提出了一套对城市降雨径流污染发生风险定量评价的方法，以期为城市景观格局优化和水环境保护提供更多可借鉴思路。

1 研究区概况与数据来源

凉水河发源于北京市石景山区万泉寺铁路桥，流经海淀区、西城区、丰台区、朝阳区和大兴区，最终由通州区榆林庄闸汇入北运河，全长约68.41 km，总流域面积约629.7 km2。凉水河隶属于北运河水系，年平均降水量约为620 mm，约80%的降水集中在7—9月[23]5066，主要有以下两个典型特点：(1)流速慢，水深浅，且自净能力差；(2)人为干扰程度高，自然景观斑块逐渐退化与消失。流域水系分布及土地利用现状见图1。

图1 流域水系分布及土地利用现状

本研究所采用的数据及其来源包括：(1)北京市2013年土地利用现状数据库，分辨率为30 m，由北京市规划和自然资源委员会(http://ghzrzyw.beijing.gov.cn/)提供，用于提取研究区土地利用类型及行政区划；(2)北京市数字高程数据，分辨率为30 m，由地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)提供，用于获取研究区的高程和坡度等数据；(3)凉水河流域突出问题及重点任务示意图，由北京市水务局(http://swj.beijing.gov.cn/)和北京市水科学技术研究院(https://www.bwsti.com/)提供，用于获取研究区的具体范围。

2 研究方法

2.1 研究区划分

在以往区域尺度非点源污染风险的评价过程中，通常运用水文模型划分流域内子汇水区作为研究单元[24]。本研究以城市平原河流凉水河为研究对象，由于人类活动对城市地形地貌等自然环境的改变，子流域难以根据水文模型进一步划分。因此，参考文献[25]，依据行政区县的划分，将凉水河流域进一步分成5个部分：位于朝阳区部分编号为区域1；位于丰台区部分编号为区域2；位于石景山区部分编号为区域3，位于通州区部分编号为区域4，位于大兴区部分编号为区域5(见图2)。

图2 研究区划分概况

2.2 景观梯度带划分

生态过程对景观格局的作用通常是通过景观格局的局部地区(如梯度带等)得到显著反映[26]，通过梯度带反映区域局部异常特征，有利于探究过程与格局的关系。如赵鹏等[27]和吉冬青等[28]的研究将梯度带的方法运用到了景观格局与径流污染等水环境问题的探究中；张殷俊等[29]在平原河网地区分析不同作用区内土地利用格局与水质指数间的相关关系。这些研究在探究景观格局对非点源污染的影响方面具有重要意义。

凉水河作为城市平原河流，相对高程和坡度的数值变化范围小，不适合以两者为标准进行梯度带的差异分析，因此本研究依据“源”“汇”景观与河道的相对距离来划分梯度带。参考文献[10]和[12]，采用景观梯度带(分别以300、600、900、1 200、1 500、2 000、2 500、3 000 m为界)，以进一步判断局部变化异常的位置。

2.3 “源-汇”景观负荷对比指数

降雨径流污染是连续的动态过程，污染物迁移扩散过程中受到“源”“汇”景观的不同影响。将耕地和建设用地归为“源”景观；林地、草地和水域归为“汇”景观；凉水河及其支流为受纳水体；未利用地不纳入计算。在划分景观梯度带基础上，计算各区域“源”“汇”景观累积负荷量及负荷对比指数，计算公式见式(1)[14]2410：

(1)

区域LWLI越大，该区域发生降雨径流污染风险越大。某景观累积负荷量越大，该景观越靠近受纳水体。借助累积负荷量，可以分析景观要素随距离增加的局部变化特征：若某个梯度带内的数值发生了较为明显的突变，说明该梯度带较上一梯度带增加的区域内存在景观格局异常的情况。

2.4 景观格局指数

选取表征破碎度、优势度、复杂度和聚集度4个方面的8个景观格局指数[10]345,[11]837,[12]4,[13]2299,[30]作为评价该流域降雨径流污染发生风险的依据，运用Fragstats 4.2软件进行景观指数的计算。具体的指数及说明见表1。

为进一步判断区域内景观格局局部变化特征，辨别出个别区域梯度带内破碎度、优势度、复杂度和聚集度指数突变或异常的情况，运用Fragstats 4.2软件计算每一级梯度带内的景观格局指数并进行累加分析，判断降雨径流污染发生风险较高的范围。

2.5 构建景观结构对比指数与综合对比指数

将“源”“汇”景观空间结构特征进行融合，便于分析结构层面的降雨径流污染风险。根据表1，建立景观结构对比指数，见式(2)：

表1 景观格局指数含义及说明

LSLI=∑Ipositive/∑Inegative

(2)

式中：LSLI为景观结构对比指数；Ipositive为促进降雨径流污染的景观格局指数；Inegative为减缓降雨径流污染的景观格局指数。

LSLI越高，相应区域在空间结构层面发生径流污染的风险越高。在分析各区域景观空间位置与空间结构的基础上，将LWLI和LSLI进行综合，得出景观综合对比指数，见式(3)。

LCLI=LWLI×LSLI

(3)

式中：LCLI为景观综合对比指数。

3 结果与分析

3.1 景观类型统计分析

各区域土地利用类型面积占比见图3。5个区域“源”景观面积占比为75.27%～88.44%，远高于“汇”景观(11.56%～24.73%)，且景观类型均以建设用地为主。区域4和区域5耕地占比较高，分别为25.40%和13.85%；而区域2和区域3建设用地占比极高，分别为84.70%和86.92%；区域3草地占比较少，仅为2.31%。区域4的土地利用类型较为丰富，景观类型组成总体上优于其他4个区域。

图3 各区域土地利用类型统计

3.2 景观负荷对比指数分析

各区域土地利用类型在不同距离下的累积负荷量计算结果见图4。

图4 累积负荷量随距离增加的变化情况

区域1内耕地、建设用地、林地、草地和水域累积负荷量分别为6.83、7.14、6.89、6.68和7.36，建设用地和水域的累积负荷量较大，草地的累积负荷量最小；建设用地在距离河流300 m内累积负荷量较小，但在600 m内显著增加，反映出300～600 m范围内径流污染发生风险较高。区域2内耕地、建设用地、林地、草地和水域累积负荷量分别为5.86、5.89、5.23、5.39和3.00，该区域水域累积负荷量明显偏小；耕地和建设用地累积负荷量高于林地和草地，表明“源”景观相对“汇”景观距河流更近；在距离河流1 500～2 000 m，耕地和建设用地累积负荷量迅速上升，说明该范围作为突变点发生径流污染风险较高。区域3耕地、建设用地、林地、草地和水域累积负荷量分别为5.36、5.95、3.17、5.35和3.82，2 000 m内的林地和1 500 m内的水域累积负荷量较小，径流污染发生风险较高。区域4内耕地、建设用地、林地、草地和水域累积负荷量分别为6.04、6.27、6.44、6.45和7.80，林地和草地的累积负荷量高于耕地和建设用地，说明该区域“源”“汇”景观空间布局相对合理。区域5内耕地、建设用地、林地、草地和水域累积负荷量分别为6.50、5.40、6.69、6.44和6.03，建设用地累积负荷量最小，径流污染发生风险较低；300 m内，3种“汇”景观的累积负荷量明显高于“源”景观，表明该区域河岸带保护措施做得较好。

区域1至区域5的景观负荷对比指数依次为0.69、1.24、1.76、0.09和0.37，区域3>区域2>区域1>区域5>区域4，其中区域1、区域4和区域5的景观负荷对比指数较低，“源”“汇”景观空间位置布局相对合理；区域2和区域3的景观负荷对比指数偏高，发生径流污染的风险相对较高。

3.3 景观格局指数分析

3.3.1 景观格局指数整体分析

研究区5个区域“源”“汇”景观的景观格局指数计算结果见表2(数据均经过无量纲化处理)。

表2 各区域景观格局指数

相比其他区域，区域5“源”景观AREA_MN(337.97)最高，“汇”景观PD(2.16)最高，AREA_MN(4.42)最低，表明在破碎度方面区域5发生径流污染风险较高；区域4“源”景观的PLAND(78.67)和LPI(12.41)较其他4个区域最低，而“汇”景观的PLAND(21.33)和LPI(3.32)最高，表明在优势度方面区域4发生径流污染的风险最低；区域5和区域4“源”“汇”景观LSI均较高，表明这两个区域受人为干扰程度低，在复杂度方面径流污染发生风险较低，区域4“汇”景观PAFRAC(1.19)最低，表明区域4“汇”景观整体复杂度较高，但是每个单独“汇”景观斑块的复杂度较低；区域4“汇”景观COHESION(99.35)明显高于其他4个区域，表明区域4“汇”景观聚集度更高，区域3“源”景观AI(99.17)最高，该区域“源”景观聚集度高，在聚集度方面径流污染发生风险较高。

区域1至区域5的景观结构对比指数依次为0.44、1.11、1.53、0.12和1.43，区域3>区域5>区域2>区域1>区域4。区域1和区域4的景观结构对比指数较低，这两个区域景观结构布局相对合理；区域3、区域5和区域2的景观结构对比指数偏高，这3个区域发生径流污染风险相对较高。

3.3.2 各级景观梯度带景观格局指数分析

为辨别出景观格局指数异常或突变的情况，进而确定进行降雨径流污染整治的关键位置，分别计算5个区域各级景观梯度带内景观格局指数。每种景观格局指数类型中的两个变量变化趋势相同，故选取每个类型中变化相对明显的变量(PD、PLAND、LSI和COHESION)绘制累积折线图(见图5)，转折点异常的位置即景观格局指数异常的区域。

图5 各梯度带景观格局指数变化情况

在破碎度方面，区域1在300 m内“源”景观PD很低，此外区域2在1 200 m内、区域3在1 500 m内“源”景观PD也较低，这些区域径流污染发生风险较高，有针对景观破碎度进行整治的必要；区域5各级梯度带内“汇”景观PD显著增加，整个区域应考虑减小“汇”景观破碎度。在优势度方面，相较于其他区域，区域2和区域3各级梯度带内“源”景观PLAND偏高，“汇”景观PLAND偏低，径流污染发生风险较高；而区域4则相反，在优势度方面径流污染发生风险远小于其他区域。在复杂度方面，各区域河岸带“源”景观边界复杂，有利于减缓径流污染物入河。在聚集度方面，区域4各级梯度带“源”景观聚集度最低，径流污染发生风险最低；区域2内“汇”景观COHESION相较于其他区域偏低，径流污染发生风险较高。

3.4 景观综合对比指数分析

区域1至区域5景观综合对比指数依次为0.30、1.38、2.69、0.01和0.53。区域4发生径流污染的风险最低；区域1和区域5的景观格局也相对安全；区域2和区域3的径流污染发生风险较高。

4 讨 论

本研究最终得到各区域降雨径流污染发生风险为区域3>区域2>区域5>区域1>区域4。张红伟等[25]将类似的方法应用在山区农村居民点整治适宜性评价研究中，证明此方法具有可行性；李延等[23]5069对凉水河沉积物耗氧情况进行初步判断，表明表层沉积物氨氮在凉水河上游最高，总有机碳含量为上游>中游>下游，从侧面反映出凉水河的污染状况，与本研究结果一致。

为了将静态的“源-汇”景观理论和景观格局指数更好地应用到降雨径流污染的评价中，分析了随着梯度带的扩展，各土地利用类型累积负荷量和不同区域景观格局指数的变化情况，识别出个别数据异常或突变的位置，指示开展降雨径流污染应重点关注的区域。梯度带的应用是将静态指数运用到动态过程的量化方法。而梯度带有重叠且都是从0 m开始，一方面是为了识别局部异常和突变点的位置，梯度带在重叠的基础上增加，相应梯度带景观格局指数的变化规律才能得以体现；另一方面，在景观负荷对比指数的计算中，梯度带重叠相加后得到累积负荷量能反映出该景观类型距离河道的分布情况。

区域1、区域2和区域3均存在因负荷量异常导致局部降雨径流污染发生风险较高的范围，且各区域“源”景观在破碎度、优势度变量中发生局部异常较多。

由于研究区城市化水平较高，大部分景观类型已由自然景观开发成为建设用地，建设用地是研究区的景观基底。该现象反映在一部分景观格局指数上就出现了较为极端的情况。如除区域4外，其他区域“源”景观COHESION≥99.98，整个研究区内“源”景观的连通度极高。此外，区域3面积较小，景观数量较少，因此对其进行各类景观指数分析时也产生了个别极端特征，如各景观类型的空间负荷量相差较大，该区域各梯度带LSI明显较低。因此，需要探究城市流域更为科学的分区方法，以增加景观格局对特定生态过程影响特点研究的精确度。

5 结论与建议

(1) 区域1至区域5景观负荷对比指数依次为0.69、1.24、1.76、0.09和0.37，区域3>区域2>区域1>区域5>区域4。进一步分析局部特征后，判断径流污染发生风险较高的区域与原因主要为：区域1内300～600 m建设用地累积负荷量偏高；区域2内1 500～2 000 m耕地和建设用地累积负荷量偏高；区域3内0～2 000 m林地和0～1 500 m水域累积负荷量偏低。

(2) 区域1至区域5景观结构对比指数依次为0.44、1.11、1.53、0.12和1.43，区域3>区域5>区域2>区域1>区域4。进一步分析各梯度带景观格局指数后，判断降雨径流污染发生风险较高的范围和原因为：区域5整体“汇”景观破碎度偏高，区域2和区域3整体“源”景观优势度偏高。除此之外，各区域的局部范围也存在较高的径流污染发生风险。

(3) 区域1至区域5景观综合对比指数依次为0.30、1.38、2.69、0.01和0.53。综合评价各区域降雨径流污染发生风险为区域3>区域2>区域5>区域1>区域4。应当对区域1和区域4的“汇”景观现状格局进行保护，而区域3和区域2的“源-汇”景观格局优化则应成为凉水河流域降雨径流污染治理考虑的重点。