聊城市坑塘特征分析及重要度评价

2023-11-27汪雪纯宋兰兰张其成李士军

中国农村水利水电 2023年11期

汪雪纯，宋兰兰，张其成，李士军

（1.河海大学水文水资源学院，江苏南京 210098；2.泗洪县水利局，江苏宿迁 223900）

0 引言

坑塘是指蓄水量小于10 万m³，自然形成或人工开挖的较封闭的［1］，在地球上比湖泊覆盖面积更多［2］的水体。与其他淡水水体相比，坑塘能为物种提供更多栖息地和营养物质，包括一些稀有的和受威胁的物种，是生物多样性的热点区域［3］。近年来，受城市扩张、农业集约化和环境变化的影响，不少坑塘被闲置、废弃甚至变为垃圾场，数量正在不断减少，如英国现存坑塘数量较19世纪下降了75%［4］，印度坑塘的减少损失了195 万hm²灌溉潜力［5］，2000-2012年南昌市水库坑塘和滩地减少最多［6］。坑塘退化和丧失极大限制了坑塘系统生态服务功能的发挥［5］。

坑塘不仅是国土空间的组成部分［7］，更是一项绿色基础设施，其形态特征、空间分布决定了坑塘功能［8］，坑塘功能又与其结构相互作用、相互依存，使坑塘景观成为一种可持续的水适应景观［9］。坑塘的形态结构与空间分布可由坑塘面积、岸线发育系数、坑塘距河/湖库距离、坑塘密度、周边土地利用等因子来描述，这些因子影响着坑塘系统的生态服务功能［5］。YADAV［5］研究了印度坑塘现状及其与经济发展的关系，发现面积大的坑塘，其水资源、生境资源更丰富，更容易被保留下来；相同面积的坑塘，长宽比在3∶1 左右时水流更均匀［5］；坑塘岸线越曲折，物种多样性越少［10］。距河/湖库距离能够对区域生物多样性产生较大影响，距离越小，其生物多样性和生态环境质量也越高［11］。USIO N［12］研究了不同用地对坑塘生物多样性及水质的影响，发现周边是林地的坑塘，更能发挥其生态服务功能。城市坑塘因热岛效应，其平均水温比农村坑塘高3.04 ℃，温度增高有利于苯酚等有害物质挥发，使得有害藻类大量繁殖，导致城市坑塘生态系统比农村坑塘更容易失衡［13］。JELIAZKOV等［14］研究表明，流域或区域内物种丰富度随着坑塘密度的增加而增加。SONG等［15］利用卫星成像数据观察发现60%的土地变化都与人类活动有关，人类活动改变了土地利用类型，继而影响了坑塘面积和分布［16］。前人研究发现，与湖库等大型水体相比，坑塘类微小水体在调蓄洪水［15］、保留养分［4］、缓解热岛效应［17］、鱼类生产和养殖［3］等生态服务往往被低估，也未得到法律或政策的支持。随着生态文明建设和乡村振兴的推进，人们逐渐意识到坑塘系统功能及效应的重要性［18］，加强了坑塘的治理保护，尤其是具有重要生态服务效益的坑塘，使其转型成为所在城市的生态基础设施［19］。

当前坑塘研究集中在宏观上阐述坑塘的演变、时空分布特征方面，对坑塘本身特性及重要程度的研究较少。基于坑塘特性研究其重要度，决定治理保护优先级别，在城镇快速发展和土地资源约束环境下［20］显得尤为重要。本文以聊城市坑塘系统为研究对象，利用卫星遥感资料研究聊城市坑塘格局和空间分布，开展聊城市坑塘重要度评价，根据不同重要度提出坑塘利用策略，保障坑塘的土地生态系统服务功能和效应。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

聊城市介于东经115°16′～116°32′和北纬35°47′～37°02′之间，系华北平原的一部分，属暖温带季风气候区，光照充足，温度适宜，境内地形平缓，除东南部沿黄河一带外，其余均为黄河冲积平原，地势西南高、东北低，总面积8 628 km²，辖8 个县（市、区）。全市多年平均降水量为560.32 mm。全年60%降水集中在夏季，易出现局部内涝，冬季降水少，不足全年的3%。地下水类型主要为浅层地下水、深层承压水，地下水流向与地表倾斜方向基本一致。聊城市河流密集，水系众多，坑塘湖泊散布，水域及水利设施用地483.34 km²，地理位置图见图1。

图1 研究区地理位置图Fig.1 Geographical location map of the study area

1.2 土地利用数据来源

坑塘属于面积较小的水体，使用低分辨率影像提取信息会产生信息丢失、边界破碎等问题。Landsat 8 是美国国家航空航天局和美国地球物理调查局（USGS）共同开发的卫星系统，拥有比以前的卫星更高的分辨率和更广泛的应用。本研究考虑到坑塘分布散，形状复杂等特点，选取分辨率为30 m 的2021年6月云量少于20%的Landsat-8 卫星遥感影像数据，对每幅影像进行预处理，预处理包括大气校正、去云处理、影像融合、镶嵌裁剪；然后利用聊城市水利志、水利普查、骨干水利工程图、聊城市1∶10 000 地形图、野外土地利用调查数据，对提取的土地利用数据进行校正，得到聊城市土地利用状况，如图2所示。

2 聊城市坑塘特征和空间分布

2.1 坑塘特征分析

根据校正后的聊城市土地利用状况，统计各区县坑塘的面积、岸线发育系数、距河/湖库距离等参数，绘制坑塘特征参数的分布直方图、累积频率，详见图3所示。

图3 坑塘特征参数分布直方图和累积频率图Fig.3 Histogram and cumulative frequency plot of characteristic parameter distribution in ponds

坑塘面积：坑塘的滞蓄、涵养水源、净化污水、生境资源能力与其面积大小密切相关。面积越大，蓄水能力越强，对抗外界干扰的能力越强，提供水源和栖息地的物质和空间的能力也越大，生境资源越丰富，生态服务功能也越强。由图3 可知，聊城坑塘面积中位数为0.002 95 km²，面积大于0.01 km2以上累积曲线变化趋向平稳，表明聊城坑塘面积分布整体比较集中，大于0.01 km²的坑塘较少；在直方图和累积曲线中，0.03 km²以上坑塘的数量存在小的突变，主要分布在高唐县，这表明坑塘面积大的相较于中等面积的坑塘更易被保留下来。

岸线发育系数：坑塘岸线长度与面积之比为岸线发育系数，反映了岸线弯曲程度与不规则程度［21］。当岸线发育系数≈1，坑塘形状趋近于圆；≈1.25 时，坑塘形状趋规则矩形；岸线发育系数≥2 时为河流型坑塘，岸线曲折度增加，详见表1。图3中，聊城坑塘岸线发育系数2 以下累积曲线增速快，大于2 累积曲线增速变缓。岸线发育系数的中位数为1.26，表明聊城坑塘形状比较规则，岸线发育系数介于1～2 之间的坑塘被保留；岸线发育系数在2～3的河流型坑塘数量较少，岸线发育系数大于3的坑塘数量极少，结合坑塘面积的累积曲线可知，河流型坑塘的岸线曲折度增加，其景观效应增强，提升了区域旅游价值而被保留下来。

表1 不同岸线发育系数的坑塘形状Tab.1 Pond shapes with different shoreline development coefficients

距河/湖库距离：反映了坑塘与主河道/湖库之间的水力和生态廊道的连通性。距河/湖库的距离越小，生物连通性，生物多样性越高，生态环境质量也越高［22］。距河/湖库的距离越小，破碎化程度越小，坑塘与大型水体的连接性也越强［23］。图3 中坑塘距河/湖库距离中位数为1 228.17 m，大多处于2 000 m 以内，50%的坑塘的距离在1 228.17 m 以下。研究发现，两栖类动物的迁移距离通常为1 000 m，距离大型水体越近的坑塘，更容易作为两栖类动物的繁殖点［24］。因此，聊城市坑塘距离大型水体的距离大多能够满足两栖类动物的迁移。整体上，聊城坑塘距离主河道/湖库的距离比较近，其蓄水或进行水资源的交换成本也越低，更容易发挥其生态系统服务功能。

2.2 坑塘周边土地利用

结合国家土地资源遥感调查分类标准［25］和聊城实际土地资源类别，将聊城坑塘周围土地利用分为耕地、农村居民地、城镇居民地和林地［26］4种类型，统计坑塘个数、坑塘面积以及不同土地利用类型面积，详见图4。由图4 知，聊城耕地面积占比高达71.43%，农村居民点和林地占比均在12%左右，城镇居民点所占的比例仅为3.25%。从坑塘数量上看，63.13%位于耕地，23.53%位于林地，9.7%位于农村居民点，位于城镇居民点的仅有3.64%。从坑塘面积上看，66.76%位于耕地，占坑塘总面积的2/3，17.93%位于林地，8.3%位于城镇居民点，7.01%位于农村居民点。无论是数量还是面积，坑塘周边以耕地为主，其次为林地。城镇居民点中坑塘数量占比小于农村居民点，但面积占比却大于农村居民点，城镇居民点所拥有的坑塘面积大于农村居民点，也就是说在城镇居民点的坑塘，面积大的更容易被保留。

各区县坑塘个数和水面率如图5。从坑塘数量上看，各区县坑塘的数量均呈现耕地-林地-农村居住用地-城镇居住用地依次递减，其中东昌府区、茌平区、阳谷县坑塘位于耕地的数量最多，其次高唐县、东阿县，冠县、临清市、莘县则最少。位于林地的坑塘数量，除冠县、临清市、莘县在500个以下，其余区县林地坑塘数均在500～750 个之间，差异并不明显。各区县位于农村居民地和城镇居民地坑塘个数均很少，且区县间的差异不明显。从坑塘水面率上看，高唐县、阳谷县的水面率较高；冠县、莘县的坑塘水面率较低；其余区县坑塘水面率相差不大，均在5%左右。各区县坑塘水面率大多遵循林地坑塘水面率（2%左右）＞耕地坑塘水面率（1%左右）＞农村居住用地坑塘水面率（＜1%）。城镇居住用地的坑塘水面率在各区县有较大差异，高唐县、阳谷县的城镇居住用地坑塘水面率远高于其他区县。

图5 各区县坑塘个数、水面率统计图Fig.5 Statistics of the number of ponds and water surface rate in each district and county

2.3 坑塘空间分布特征

核密度估计法是ArcGIS 中一种计算空间内的点状或线状地理空间要素的密度，利用自然间断法将其分割为几个不同值范围，分析点或线状要素的空间分布情况的方法［27］。核密度分析方法可以分析聊城市坑塘的空间分布疏密状态，得出聊城市坑塘分布集中的地区。其表达公式为：

式中：f（x）是阈值范围内的核密度值；h表示密度数值窗口的指定搜索半径距离；n为指定空间范围内坑塘的总数。

聊城市坑塘空间分布及核密度如图6所示。在空间上，坑塘呈现北多南少、东多西少的分布，形成了6 个集聚区域。其中，东昌府区东北部、东阿县中部以及高唐县东北部的坑塘密度达10 个/km2，属热点区域，坑塘较多且分布较集中；茌平区北部、东昌府区西部与冠县交界处、阳谷县东北部坑塘密度在3～8个/km2，属次聚集中心；西北部和西南部坑塘数量少且分散，坑塘密度约为1 个/km2。聊城坑塘分布与其地势、水系分布是一致的，水系多的地方坑塘数量多。对比城区与农村的坑塘分布发现城区坑塘密度小于农村坑塘密度，尤其在东昌府区中心城区、东阿县中心城区基本无坑塘。

图6 聊城市坑塘分布图和核密度图Fig.6 Nuclear density map of the distribution of pits and ponds in Liaocheng City

3 坑塘重要度评价

3.1 评价指标体系的构建

坑塘作为典型的景观要素和重要农业基础设施，发挥着多种生态系统服务［26］。坑塘的自身特性和空间分布决定着坑塘的功能。坑塘生态价值突出，其重要程度高。在土地资源紧缺条件下，选取生态系统服务潜力大的坑塘，优先利用和保护，才能使得效益最大化。

坑塘特征包括自身形态和坑塘与周边的水力联系；坑塘形态可用坑塘面积和岸线发育系数描述，这是维持坑塘生态体系的物质基础，坑塘与周边的水力联系可用距河/湖库距离表示，反映坑塘与外界水生态连接程度。坑塘周边状况反映陆域系统对坑塘的影响。坑塘密度则是物种丰富度的重要影响因素之一。因此，从坑塘特征、周边状况和空间分布三方面构建坑塘重要度指标体系，详见表2。

表2 坑塘重要度指标体系Tab.2 Index system of pond importance

3.2 坑塘重要度评价

坑塘重要度采用加权平均法进行评价，层次分析法确定权重。层次分析法是一种定性和定量相结合、系统化、层次化的主观赋权方法，相较其他权重确定方法，更系统且方便［28］，被广泛应用于多层级、多因素、难量化的分析决策系统。依据坑塘重要度指标体系的层次结构，构造成对判断矩阵，计算指标层权向量并满足一致性检验后，得到各指标层的权重，详见表3。将坑塘各指标实测值加权平均后得到聊城市坑塘重要度统计表，见表4，用高斯函数拟合重要度频率分布，如式（2），其中R2=0.99，做累计频率拟合曲线，拟合结果见图7。

表3 判断矩阵Tab.3 Judgment matrix

表4 坑塘重要度统计表Tab.4 Table for importance rating of ponds

图7 坑塘重要度得分频率图和空间分布图Fig.7 Frequency and spatial distribution of pond importance scores

由表4、图7 可知，大多数坑塘得分位于中间分段（4～5 分），且分别向左右两侧逐渐均匀下降，3.87 分以下的坑塘占10%，50%的坑塘重要度在4.61 分以下。从空间上看，聊城市坑塘重要度呈现北高南低，东高西低的趋势，得分高的坑塘主要位于聊城市中部和北部，与坑塘分布规律大体一致。从区、县层面上看，重要度得分高的坑塘位于东昌府区的最多，其次是茌平区、阳谷县、高唐县和临清市，少量分布于东阿县、冠县和莘县。坑塘重要度得分越高，说明该坑塘无论是从自身特性还是所处空间，都具有更大潜力，可将此类坑塘作为坑塘网络的核心优先考虑，发挥其生态系统服务功能。

3.3 坑塘利用策略

在国土资源开发和利用规划时，可结合坑塘形态和空间分布和坑塘的重要度，确定其功能规划和利用策略。由于大多数坑塘重要度评分大于4，仅10%坑塘低于3.87，为最大程度的保留坑塘系统，以累计频率＞10%为坑塘分界点。

当坑塘重要度大于3.87，具有重要的生态系统服务潜力，是坑塘治理保护的重点，不得弃置或非法占用；对其开发利用时需结合坑塘形态特征及其空间分布来确定。面积大、形状规整的坑塘可成为标准化养殖坑塘，结合聊城市特色，投放大宗淡水鱼等水产进行养殖，也可以与种植莲藕相结合，实现生态互补塘。岸线发育系数大的坑塘形状更加多样化，在城区可以承担景观游憩功能，营造有设计性的水景观。距离河流湖泊近、面积大且形状规整的坑塘，在农村可以承担农业灌溉功能，在居民区可以承担生活用水功能。

当坑塘重要度小于3.87，对其开发利用时需结合坑塘空间分布来确定。在东北部高坑塘密度区域，由于经济和城镇发展需要可结合全域土地综合整治进行生态复垦，在农村可改造为农村耕地，在城市可进行填埋用于城市建设；但在西南部低坑塘密度区域，则尽量作为储水塘、灌溉塘等保留。