城市景觀組分影響水質(zhì)退化的閾值研究

劉珍環(huán)，李正國，楊 鵬，* ，王仰麟

(1．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081;2．農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081;3．北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，北京 100871)

景觀是流域地表的綜合體，也是各種功能流的主要載體，直接影響流域生態(tài)系統(tǒng)的各項(xiàng)要素［1］。規(guī)劃和管理流域生態(tài)系統(tǒng)，調(diào)控人類活動(dòng)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題之一［2］。流域城市化對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)有顯著影響［3］，其中城市景觀變化與河流水質(zhì)的關(guān)系是城市發(fā)展與水環(huán)境保護(hù)之間矛盾的焦點(diǎn)，解決這類矛盾問題的方法之一是科學(xué)判斷城市景觀變化對(duì)水質(zhì)的影響程度和范圍［4］。水質(zhì)退化的景觀閾值又是流域管理與城市規(guī)劃科學(xué)制定的重要指標(biāo)之一，因此水質(zhì)退化是否存在景觀閾值是解決該目標(biāo)的關(guān)鍵點(diǎn)［5］。

相關(guān)研究表明，較低程度的景觀變化就可能導(dǎo)致水質(zhì)退化，而大規(guī)模的景觀變化更是使得水質(zhì)退化到水生生物群落受損，無法恢復(fù)［6］。河流水質(zhì)受到流域景觀變化的影響，其中流域中的城市、農(nóng)田、經(jīng)營林地、牧場(chǎng)等人工管理的景觀變化對(duì)水質(zhì)影響尤為顯著［7］。流域的景觀格局變化驅(qū)動(dòng)非點(diǎn)源污染排放，然而景觀格局指數(shù)難以在流域尺度有效表達(dá)景觀格局與水質(zhì)之間的關(guān)系［8］。時(shí)空分布的不透水表面指數(shù)(ISA)能夠有效刻畫此類景觀變化，既可表征流域的城市化程度，又可評(píng)價(jià)流域環(huán)境質(zhì)量，受到景觀生態(tài)、城市規(guī)劃、流域管理、環(huán)境科學(xué)等學(xué)科研究者的重視［9］。城市地區(qū)，不透水表面擴(kuò)張是造成河流非點(diǎn)源污染的重要影響因素，這種擴(kuò)張阻礙水文循環(huán)，隔離下滲，進(jìn)而阻礙土壤對(duì)自然污染物的降解。暴雨徑流沖刷不透水面上積累的污染物進(jìn)入水體、河流造成水質(zhì)污染［10］，因此探求導(dǎo)致水質(zhì)退化的不透水表面擴(kuò)張閾值成為當(dāng)前城市水環(huán)境管理和城市規(guī)劃的研究目標(biāo)。

閾值是當(dāng)系統(tǒng)質(zhì)量、性能或征候發(fā)生突變時(shí)的突變點(diǎn)值［11］，景觀變化影響水質(zhì)退化是否存在閾值，且閾值范圍廣受爭(zhēng)議，其難點(diǎn)在于如何有效地判定閾值［12］。已有報(bào)道認(rèn)為不透水表面擴(kuò)張顯著影響水質(zhì)，且水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)的閾值水平介于10%—50%之間，但閾值范圍寬且尚無較好的判定方法［13-14］。本研究基于截面數(shù)據(jù)，建立一種基于觀測(cè)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型的閾值判定方法，稱之為拐點(diǎn)閾值，該閾值的定義為水質(zhì)退化到不可逆轉(zhuǎn)時(shí)流域不透水表面百分比。為判定閾值的有效性，用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)中三類、五類水質(zhì)對(duì)應(yīng)的流域不透水表面百分比作為閾值的檢驗(yàn)值，同時(shí)三、五類水質(zhì)閾值也可作為河流水質(zhì)功能類型的閾值標(biāo)準(zhǔn)。科學(xué)判定閾值，以期閾值水平成為限制不透水表面擴(kuò)展的負(fù)效應(yīng)的定量依據(jù)以及制定流域管理措施與城市規(guī)劃中合理發(fā)展城市化的重要標(biāo)準(zhǔn)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1．1 研究區(qū)概況

深圳市位于珠江三角洲的東南部，珠江口伶仃洋以東。根據(jù)2005年土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)，深圳市土地總面積1952．84 km2(不包括內(nèi)伶仃島)，是一個(gè)濱海城市，共有大小河流310余條，其中流域面積大于10 km2的有69條，流域面積大于100 km2的有5條，即深圳河、茅洲河、龍崗河、觀瀾河和坪山河。境內(nèi)的河流主要以海岸山脈和羊臺(tái)山為主要分水嶺，分成南、西、北3個(gè)水系。南部諸河注入深圳灣、大鵬灣、大亞灣，稱為海灣水系;西部諸河注入珠江口伶仃洋，稱珠江口水系;北部諸河注入東江的一、二級(jí)支流，稱東江水系。用GIS技術(shù)水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)提取對(duì)應(yīng)的流域范圍，水系獨(dú)立，大多數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)間無水力聯(lián)系(圖1)。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig．1 Study area and watersheds in Shenzhen

1．2 數(shù)據(jù)源

(1)水質(zhì)指標(biāo)。深圳市2005年水環(huán)境質(zhì)量公報(bào)提供了監(jiān)測(cè)點(diǎn)及水環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，收集31個(gè)子流域的年均水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選取15項(xiàng)水環(huán)境指標(biāo)為研究對(duì)象，即溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN)、鋅(Zn)、氟化物(F-)、鉛(Pb)、陰離子表面活性劑(ANC)、硫酸鹽)、揮發(fā)酚(VP)、石油類(Oils)、大腸菌群(CGB)、硫化物(S2-)。除大腸菌群的單位為個(gè)/L外，其它水質(zhì)指標(biāo)單位為mg/L。水質(zhì)監(jiān)測(cè)頻率為每月1次，全年枯、豐水期各6次。

(2)不透水表面百分比數(shù)據(jù)。基于2005年的Landsat TM衛(wèi)星影像，建立不透水表面混合像元分解模型，運(yùn)用線性光譜分離技術(shù)提取了不透水表面百分比的空間分布。相關(guān)遙感反演結(jié)果及檢驗(yàn)參見文獻(xiàn)［15］。

2 研究方法

2．1 指數(shù)方程擬合

為比較不同緩沖區(qū)內(nèi)的不透水表面變化對(duì)水質(zhì)的影響，采用指數(shù)模型進(jìn)行擬合，對(duì)比其擬合優(yōu)度(R2)及顯著性檢驗(yàn)(P值)，以比較其顯著性［16］。指數(shù)擬合模型如下:Y=AeBx

(1)式中，Y為因變量，本研究中用水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)表征;x為自變量，本研究中用不透水表面百分比表征;A、B是方程的系數(shù)。

2．2 閾值判定方法

醫(yī)學(xué)病例統(tǒng)計(jì)、曲線回歸擬合的拐點(diǎn)判斷中常用一種基于未知拐點(diǎn)的回歸方法來判斷兩組具有顯著性關(guān)系的觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的閾值［17］。本研究將這種建立因變量與自變量之間的閾值判斷方法，引入流域景觀指數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)關(guān)系確定后的閾值判定，其基本原理如下:

(1)任何兩組觀測(cè)數(shù)據(jù)之間只要存在單調(diào)非線性或者曲線變化時(shí)，可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為較為類似的線性方程組合模型，或者分段線性函數(shù)，關(guān)系式如下:

(2)對(duì)于任何h(z;ψ)在任何一個(gè)ψ(0)的拐點(diǎn)處，都可以對(duì)h(z;ψ)進(jìn)行一階泰勒展開式進(jìn)行降階，有如下公式:

式中，h'(z;ψ(0))是h(z;ψ(0))在ψ(0)的一階導(dǎo)數(shù)。

(3)將一階導(dǎo)數(shù)代入式(1)中，對(duì)于函數(shù)就有:

式中，γ=β×(ψ-ψ(0))，因此上式可以認(rèn)為是所有的因變量都依賴于自變量ψ(0)。因此可以應(yīng)用最大似然估計(jì)方法根據(jù)觀測(cè)值來估計(jì)上述參數(shù)值，并進(jìn)行收斂估計(jì)，計(jì)算式如下:

因此，只需要首先假定任意一個(gè)觀測(cè)值作為ψ(0)作為初始估計(jì)值，然后運(yùn)用非線性估值計(jì)算模型來進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，最后獲得模型參數(shù)收斂。當(dāng)-ψ(0)≈0時(shí)，模型收斂，這樣獲得了適合方程的所有參數(shù)。其標(biāo)準(zhǔn)差檢驗(yàn)公式如下:

式中，var()表示方差，cov()表示協(xié)方差。

(4)上述計(jì)算推導(dǎo)過程指的是一般性未知點(diǎn)閾值的推導(dǎo)原理，函數(shù)可以用兩段式的函數(shù)進(jìn)行擬合，有如下推導(dǎo)過程，對(duì)于任意變量Z有如下的擬合曲線方程:

式中，ψ為閾值拐點(diǎn)，而(Z-ψ)+在I(A)=1為真時(shí)，(Z-ψ)+=(Z-ψ)×I(Z＞ψ)，α是左半段直線函數(shù)的斜率(Z≤ψ)，β是斜率差參數(shù)，α+β是右半段直線函數(shù)的斜率;因此只要存在閾值拐點(diǎn)，就有因此可以假設(shè)ψ(0)為閾值拐點(diǎn)時(shí)，其相應(yīng)的一階泰勒展開式如下:

式中，(-1)I(Z＞ψ(0))為(Z-ψ)+在ψ(0)的一階泰勒展開式。

在上述展開式后，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，因此可以先做任意一點(diǎn)S為閾值拐點(diǎn)，上述展開式的常數(shù)項(xiàng)可以用如下公式表達(dá):

這樣具體的模型擬合函數(shù)就可以變化為:

在本研究中Y為水質(zhì)指標(biāo)，Z表示自變量為流域內(nèi)不透水表面百分比，其中參數(shù)滿足

在Matlab軟件中運(yùn)用非線性曲線估值進(jìn)行曲線擬合，并進(jìn)行參數(shù)循環(huán)擬合，在參數(shù)獲得最小差值，擬合的收斂性最好，且方程趨于擬合效果最好時(shí)，就認(rèn)為該值是閾值拐點(diǎn)，即流域或緩沖區(qū)不透水表面比例達(dá)到閾值時(shí)，水質(zhì)顯著退化且不采取治理措施將難以逆轉(zhuǎn)。

3 結(jié)果分析

3．1 流域緩沖區(qū)的景觀與水質(zhì)關(guān)系

河流緩沖區(qū)的寬度直接決定了其影響程度，因此將河流緩沖區(qū)的寬度按不等距寬度設(shè)計(jì)，構(gòu)建了兩種常用于河流緩沖區(qū)形式，徑流距離形式［18］和歐氏距離形式［19］。將河流緩沖分為0—100 m、101—200 m、201—500 m、501—750 m、751—1000 m、1001—1500 m，子流域，共計(jì)7個(gè)等級(jí)，徑流距離的寬度上增加1501—2400 m等級(jí)，總計(jì)14個(gè)等級(jí)。基于2005年不透水表面百分比與流域年均值水質(zhì)指標(biāo)的截面數(shù)據(jù)，經(jīng)指數(shù)模型擬合選擇擬合系數(shù)(R2)最大且通過P值檢驗(yàn)(P＜0．001)的指數(shù)方程(圖2，表1)。分析表明，多數(shù)水質(zhì)指標(biāo)的受到100 m以內(nèi)緩沖區(qū)的不透水表面百分比的顯著性影響，其中徑流距離對(duì)DO、S2-、CGB的指數(shù)關(guān)系最佳，而歐氏距離對(duì) CODMn、BOD5、NH3-N、TP、TN、Zn、Pb、VP、Oils、ANC、SO2-4等11個(gè)水質(zhì)指標(biāo)有最佳的指數(shù)關(guān)系，而只有F-的徑流距離影響為200 m(表1)。在深圳，有兩個(gè)重要因素影響流域景觀格局與水質(zhì)的關(guān)系，其一深圳地處亞熱帶且是濱海城市，區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)密度高達(dá)0．69 km/km2［20］，河網(wǎng)密度決定了降雨徑流能攜帶污染物迅速進(jìn)入河道;其二河流流經(jīng)大部分城市區(qū)域，大量不透水建筑物臨河而建，因此河流100 m緩沖區(qū)內(nèi)不透水表面比例較高。

3．2 水質(zhì)退化的景觀閾值

運(yùn)用閾值方法得到河流緩沖區(qū)尺度閾值(表1)。15個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的閾值有以下幾種類型。(1)耗氧類指標(biāo):DO的不透水表面百分比閾值為38．6%，介于三類水質(zhì)與五類水質(zhì)之間。CODMn的不透水表面百分比閾值為41%，低于三類水質(zhì)。BOD5的不透水表面百分比閾值50%，高于五類水質(zhì)。耗氧類指標(biāo)的閾值水平表明流域不透水表面擴(kuò)展顯著增加了水質(zhì)的耗氧物質(zhì)，降低了水中的溶解氧;閾值水平差別大表明DO的變化響應(yīng)不透水表面閾值水平最低，而CODMn次之，再次為BOD5。(2)富營養(yǎng)化類指標(biāo):NH3-N的不透水表面百分比閾值介于三類與五類水的40%—45%之間。TP的閾值高于NH3-N，但低于TN，表明富營養(yǎng)化類水質(zhì)指標(biāo)容易受到不透水表面變化的影響，且非常敏感，小幅度變化就可能導(dǎo)致水質(zhì)超過水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。(3)痕量有機(jī)物類指標(biāo):VP、Oils及ANC代表了痕量有機(jī)物類水質(zhì)指標(biāo)的閾值，VP的不透水表面百分比閾值為42．6%，ANC為48．2%。(4)主要離子類指標(biāo)及S2-的閾值都顯著低于三類水質(zhì)，分別為38．2%及41．5%。(5)重金屬及有毒物質(zhì)指標(biāo):Zn、Pb及F-水質(zhì)指標(biāo)的沒有得到閾值。(6)微生物指標(biāo):CGB的三類水質(zhì)值為35．8%，五類水質(zhì)值為39．9%，閾值為46．1%，閾值顯著高于五類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。其中低于三類水質(zhì)對(duì)應(yīng)的不透水表面百分比例的水質(zhì)指標(biāo)有CODMn、VP、S2-和SO2-4;介于三類與五類水質(zhì)的水質(zhì)指標(biāo)有DO、TP、NH3-N和CGB;高于五類水質(zhì)的水質(zhì)指標(biāo)有BOD5、TN和ANC。

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圖2 最優(yōu)緩沖區(qū)內(nèi)不透水表面百分比與水質(zhì)指標(biāo)的指數(shù)關(guān)系Fig．2 The Exponential relationship between water quality and percent of ISA at buffer zone scale

水質(zhì)受緩沖區(qū)內(nèi)不透水表面變化的影響閾值與水化學(xué)指標(biāo)類型有顯著關(guān)系，易受不透水表面擴(kuò)張影響的水質(zhì)指標(biāo)類明顯具有較低閾值水平。主要離子類指標(biāo)中的R2達(dá)0．768，而其閾值水平也是最低的38．2%;CGB、TP、TN及ANC的R2介于0．6—0．69，而它們的閾值水平也集中于39．9% —48．2%;S2-、VP、DO、CODMn及NH3-N 的 R2介于0．52—0．58，閾值水平又低于前兩面類，集中于41%—43．4%。BOD5的R2為0．603，但其閾值卻為最高的50%。從河流緩沖區(qū)尺度水質(zhì)指標(biāo)的城市景觀組分閾值判定結(jié)果可看出，深圳地區(qū)的水質(zhì)指標(biāo)在響應(yīng)緩沖區(qū)內(nèi)不透水表面變化有顯著差異，其閾值范圍介于38．2%—50%。最低閾值標(biāo)準(zhǔn)為38．2%，也即是說當(dāng)河流緩沖區(qū)內(nèi)不透水表面比例超過38．2%時(shí)，河流水質(zhì)退化到難以恢復(fù)的程度。在今后的流域管理中，特別需要控制緩沖區(qū)內(nèi)不透水表面擴(kuò)張對(duì)富營養(yǎng)化、耗氧類、主要離子類和微生物這四類指標(biāo)的影響。

4 結(jié)論與討論

研究基于截面數(shù)據(jù)，建立水質(zhì)指標(biāo)與緩沖區(qū)內(nèi)城市景觀組分之間的指數(shù)關(guān)系;并引入統(tǒng)計(jì)學(xué)中拐點(diǎn)閾值判定方法，建立水質(zhì)受景觀組分變化影響的閾值判定方法，獲得拐點(diǎn)閾值表示水質(zhì)退化到不可逆轉(zhuǎn)時(shí)流域不透水表面百分比，主要結(jié)論如下:

(1)指數(shù)擬合表明14個(gè)水質(zhì)指標(biāo)受100 m緩沖區(qū)內(nèi)的不透水表面百分比顯著性影響，其中徑流距離緩沖區(qū)內(nèi)DO、S2-、CGB與不透水表面百分比的指數(shù)關(guān)系最優(yōu)，歐氏距離緩沖區(qū)內(nèi)CODMn、BOD5、NH3-N、TP、TN、Zn、Pb、VP、Oils、ANC、SO4等11個(gè)水質(zhì)指標(biāo)有最佳的指數(shù)關(guān)系;而200m徑流距離緩沖區(qū)內(nèi)不透水表面百分比變化則對(duì)F-影響最為顯著。景觀組分變化與河流水質(zhì)中耗氧、營養(yǎng)鹽等類指標(biāo)有顯著性的指數(shù)關(guān)系，是河流水質(zhì)退化的主要影響因素;有毒物質(zhì)及重金屬等類指標(biāo)雖受緩沖區(qū)內(nèi)景觀組分的影響，但不是最主要因素。

(2)景觀組分閾值判定表明不同水質(zhì)指標(biāo)之間的景觀組分閾值差異約為10%，其范圍介于38．2%—50%，最小閾值水平為的38．2%，即當(dāng)河流緩沖區(qū)內(nèi)不透水表面比例超過38．2%時(shí)，河流水質(zhì)退化到難以恢復(fù)的程度。

景觀組分影響河流水質(zhì)退化閾值研究尚有如下問題值得深入討論:

(1)閾值的可靠性檢驗(yàn)。雖然研究采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法獲得了水質(zhì)指標(biāo)響應(yīng)不透水表面變化的閾值，但沒有方法檢驗(yàn)閾值的可靠性，當(dāng)前只能依據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)閾值進(jìn)行比較分析。與已有的文獻(xiàn)報(bào)道比較［13］，本研究結(jié)果與其它地區(qū)較為接近，但需指出的是文獻(xiàn)報(bào)道的閾值包含多種，有初始影響閾值［21］、退化閾值［22］等類型，而本研究則指的是退化閾值。然而，推廣閾值標(biāo)準(zhǔn)使用，還需更多研究區(qū)、更多案例和實(shí)測(cè)比較。

(2)閾值適用范圍及應(yīng)用前景。以往判定景觀影響水質(zhì)退化的閾值，只從觀測(cè)數(shù)據(jù)間人為觀測(cè)的突變點(diǎn)。而本研究基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，采用收斂逼近的方式獲得景觀組分閾值，受到兩者關(guān)系的密切程度影響，即不透水表面百分比與水質(zhì)關(guān)系擬合好，閾值易獲得;反之則難獲得。

(3)案例區(qū)的代表性。選擇深圳市作為案例研究區(qū)的原因中有兩點(diǎn)非常重要，其一河流監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的水力聯(lián)系度低，屬于不同子流域，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間相互干擾少;其二流域面積小、景觀變化程度不一，但流域的自然地理和環(huán)境條件類似。然而大流域是否有閾值現(xiàn)象，不同城市是否有同等的閾值，還有待深入研究。盡管城市景觀影響水質(zhì)退化的閾值研究尚有待深入，但本研究提出的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法取得較好的效果。閾值結(jié)果可為城市規(guī)劃和流域管理等領(lǐng)域提供限制不透水表面擴(kuò)展的水質(zhì)負(fù)效應(yīng)的定量依據(jù)。

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