平原城市河流面源污染研究范圍及方法的選擇與效果比較

孟祥巍，許學工

北京大學城市與環境學院，地表過程分析與模擬教育部重點實驗室, 北京 100871

Meng Xiangwei, XU Xuegong

College of Urban and Environmental Sciences, Peking University; Key Laboratory of Analysis and Simulation of Ear the Surface Processes, Ministry of Education, Beijing 100871, China

平原城市河流面源污染研究范圍及方法的選擇與效果比較

孟祥巍，許學工*

北京大學城市與環境學院，地表過程分析與模擬教育部重點實驗室, 北京 100871

由于平原城市地貌起伏不大，較難劃分城市河流的流域范圍，使得與河道面源污染相關的研究范圍的邊界確定存在一定的困難。針對這一問題，本文對比了基于緩沖區和排水區的兩種研究范圍及方法。根據遙感影像，利用GIS提取研究區內土地利用信息并與河流水質進行回歸分析，對比兩種范圍及方法所得出的結果，試圖為城市河道污染物的研究及管理提供方法支持和理論依據。本文選取了天津濱海地區11條河流進行研究，結果表明：（1）選取城市排水區作為土地利用數據的方法能夠與河流中污染物的發生，遷移的真實情況相符合，能夠綜合考慮不同的景觀格局分布對于水質的影響，結合平原城市的特殊性反映土地利用與河流污染物之間的相關關系，在機理嚴謹性上優于使用緩沖區范圍，在整體性上更為完整；（2）基于緩沖區的研究方法能夠在一定程度上解釋在地表徑流作用下，河流近岸不同距離的土地利用類型對河流污染物的影響，如耕地對污染物的影響，河流近岸100 m緩沖區的聯合顯著性為0.848，300 m緩沖區的僅為0.165；（3）土地利用類型對河流中污染物類型的貢獻和消減趨勢基本一致，城市居民點與工礦用地是河流當中重金屬污染物如鉛、汞的主要輸入源；耕地對重金屬等污染物有一定的截留消減作用，但在面積較大時增加了河流的有機污染物如氨氮；林地、園地、草地和水體對于城市河流污染物有一定的凈化作用。兩種方法結合起來可以得出更為詳盡、客觀的研究結果。

土地利用；城市河流污染物；緩沖區；排水區

繼點源污染之后，面源污染成為城市河道水質研究的主要內容。有研究表明土地利用與水體的質量之間存在相互作用(李文杰和張毅，2009)，土地利用方式和土地覆被變化可以顯著地影響水體質量。目前這方面的研究，在土地利用數據提取范圍的選取上主要有以下幾種方法：

1)在河流兩岸一定范圍內建立緩沖區來選取土地利用數據，如以杭州城五條典型河流為研究對象（官寶紅等，2005），利用與水質監測數據相同年份的影像，從小尺度上研究和分析城市內部土地利用結構和景觀格局與河道水質的關系。以河流為中心線劃分100 m、200 m、300 m的緩沖區，以每一個緩沖區為一個研究單元對河流污染物進行回歸分析。

2)在城市河流濱岸選取土地利用數據。如對上海市蘇州河的研究（汪冬冬等，2009）。這類研究在狹義定義的基礎上，指河水陸地交界處的兩邊直至河水影響消失為止的地帶（GREGORY等，1991；鄧紅兵等，2001），結合城市河流和自然河流的差異,將城市河流濱岸帶界定在自河水和護岸的交界處直至護岸帶以外100 m左右。

3)根據GIS劃分城市河道水系流域。如對京津地區的溫榆河等11個小流域的研究(王嬌，2012)，分別從小流域綜合分析和小流域聚類分析兩個角度，分析土地利用類型及其社會經濟特征與河流水質的關系，以1∶50000 地形圖為基準，利用水系圖對高程進行校正，劃分出京津地區的流域水系圖。

前兩種方法并不能排除緩沖區以外、濱岸帶以外的土地利用狀況對水質沒有影響，而高差極小的平原城市（如天津）又很難用GIS直接劃分城市河道的流域范圍。鑒于此，本文將城市河道作為研究對象，通過緩沖區土地利用結構的計算和排水區內景觀指數的總結來分析土地利用和河流水環境質量之間的關系。

隨著RS和GIS技術的迅速發展，這兩者的結合也成為研究土地利用格局變化與自然地理要素之間的相關關系的重要工具和方法（傅伯杰等，2003；龍花樓，2003；帥紅和夏北成，2006），本文采用此法試圖對河流污染物這一環境要素與土地利用結構和格局這一地理空間要素之間的關系進行闡述，并反映其內在聯系。

1 研究區域、數據來源與方法設計

本文的研究區是天津濱海地區，包括天津濱海新區，如塘沽、漢沽和大港以及部分主城區范圍。研究區地處華北平原東北部，海河流域下游，地貌主要是平原，少量山地、丘陵；天津濱海新區位于濱海平原之上，濕地水域面積遼闊，原是鹽堿地和未利用土地的集中分布區。隨著天津市社會經濟的快速發展，土地利用狀況發生著巨大的變化，天津市的水體質量也產生一定程度的下降。因此，天津市土地利用結構及景觀格局的變化對城市河道產生著影響。而這種影響可以通過河流中污染物的數值來體現。

本研究的土地利用數據來源于2008年的TM遙感數據，根據實地觀測以及影像目視解譯得到。水質指標數據來源于2008年天津市環境質量報告書，主要選取了11條河流和9個水質指標（pH、溶解氧、高錳酸鹽指數、生化需氧量、氨氮、石油類、揮發酚、總汞、總鉛）。研究中的其他數據來源于全國地形圖、2008年天津市統計年鑒以及實際調查等。

本研究對分布在研究區域內的11條主要河流和河段，包括潮白新河、獨流減河、北排水河、青靜黃排水渠、海河市區段、海河入海段、薊運河、金鐘河、永定新河、子牙河、子牙新河進行了提取，標注出了實際污染物監測點位置，如圖1所示。

本文采用了兩種方法：1）基于緩沖區進行研究，即利用GIS軟件對上述河流做100 m、200 m、300 m的緩沖區提取，獲得相應范圍內的土地利用類型，然后與水質進行相關分析；2）基于城市排水管道所劃分的排水小區進行土地利用選?。ㄌ旖蚴兴睖y設計院， 2008），充分考慮了城市河流污染物的來源，并依據不同的河流將對應的排水區數字化，利用GIS分析，試圖對城市河流非點源污染做出更為合理的解釋。

圖1 研究區域河流及監測點Fig.1 River and sample site distribution in study area

2 基于緩沖區的研究

2.1 緩沖區土地利用數據獲取

利用GIS軟件對這些河流做了100 m、200 m、300 m的緩沖區提取，獲得相應范圍內的土地利用類型，其中，土地利用類型主要包括耕地、綠地、城市建設用地、交通用地、鹽堿地、水體、未開發利用土地，分析了各個區域內土地利用類型所占比例，如圖2。

圖2 河流沿岸緩沖區土地利用類型Fig.2 Land use types in buffer area along the river

將各個河流按照監測點的位置選取斷面，并將河流周圍土地利用類型的比例按照緩沖區距離的不同，在地理信息系統軟件下做了斑塊合并的處理,計算出土地利用結構占比。

2.2 回歸分析

天津市河流緩沖區土地利用類型主要以城市建設用地為主，在海河入海段與海河市區段最為明顯。在不同的緩沖區當中，以河流污染物為自變量分別對緩沖區的土地利用結構以及景觀格局做線性回歸分析，回歸模型如下：

得到的系數以及顯著性如表1。

2.3 結果分析

（1）天津海岸帶城市土地利用類型對城區河流的水質有重要影響。主要表現為離河流越近，土地利用結構和景觀格局與河流污染物的相關性越強，主要從聯合顯著性的逐漸增加表現出來。在緩沖區為100 m時，基于聯合顯著性水平，土地利用結構和景觀格局與水質質量表現出顯著的相關性；隨著緩沖區距離的增加，這種相關性水平逐漸減弱。因為離河流兩岸越近的土地利用類型在地表徑流作用下對排入河流污染物的影響越大，所以河流近岸緩沖區分析能夠在很大程度上解釋這種相關關系。

（2）從系數的正負關系可以看出，綠地、水體，耕地能起到部分污染物如石油類、高錳酸鹽、總汞等的凈化作用，在污染物輸出的多少和對污染物的滯留能力上，耕地產生的有機污染物包括氨氮及生化需氧量遠遠大于城市建設用地和交通用地，而其對污染物的截留能力卻小于綠地和水體，這在其他人的研究中也有相同結論（鮑全盛和王華東，1996）。隨著城鎮用地、耕地比例的增加，城市河道中污染物的濃度有增大的趨勢。各種研究也表明城鎮用地的地表徑流是造成非點源污染重要原因之一(傅伯杰等，2001)。

表1 緩沖區土地利用與污染指數的相關性Table1 Correlation between land use and water pollutants index in buffer areas

3 基于排水區的研究

3.1 排水區的提取和水系處理

天津市排澇規劃所劃分的城市排水區，確定天津市濱海地區的排水小區范圍，共分為7個排水區，并將其在GIS當中數字化。確定位于排水區之中的主要水系河流，并將河流進行歸并。最后根據各個排水區內河流的水質綜合指數，得出各個排水區的河流水質狀況。圖3為永定新河排水區土地利用情況。

圖3 永定新河排水區土地利用圖Fig.3 Land use type of Yongding xin river drainage area

3.2 排水區不同土地類型的景觀指數計算

根據排水區當中不同土地利用類型斑塊的數量，面積等景觀要素，計算出不同排水區的景觀多樣性指數、景觀優勢度以及景觀均勻度。其中景觀多樣性指數采用香農-維納多樣性指數（E.F.1998；LI和WU,2004）Shannon Wiener's diversity index即

其中Pi是第i種土地利用類型在排水區當中所占的比例。景觀均勻度反映景觀格局中各類型面積和數量上分配的均勻程度，其值越大表明各景觀類型面積上的分配越均勻。對各排水區做出用地百分比，景觀破碎度、景觀優勢度等指數，以永定新河排水區為例，如表2所示。

3.3 結果分析

將各排水區水質質量狀況與景觀格局和土地利用特點進行匯總，如表3所示。

通過以上排水區土地利用情況與水環境質量的關系研究主要得出以下幾點比較明顯的結果。

（1）當流域當中居民點與工礦用地較多時，表現出排水區的水環境質量較低，這是因為城鎮用地的地表徑流是造成非點源污染重要原因之一，其他人的研究也有同樣結論(張剛等，2007；張健春，2001)。海河水質較好與流經主城區治理力度大有關。而在以耕地或城鎮用地為主的土地利用結構中，如果綠地或水體占有一定的比例，那河道水面水質會有所提高。這同樣表明水體綠地有利于非點源污染的控制。

（2）當林園草地面積較大，且破碎化程度較低，斑塊表現較為連續的時候，流域的水環境質量較高，這是因為綠地、水體，耕地能起到部分污染物的凈化作用（天津市環境保護科學研究所，1991），這些土地利用類型對地表徑流中的污染物有一定的截留制作用，而城市建設用地、交通用地作為污染物的產生源，隨徑流進入水體的污染物較多，成為了水體污染物的“源”。

（3）耕地對于水環境質量的貢獻尚無明確結論（LAPP等，1998），當耕地占有一定優勢時，水環境質量有稍微改善，但是當耕地面積較大時，水環境質量會表現出下降的趨勢。這是因為耕地使用化肥產生的有機污染物包括氨氮及生化需氧量遠遠大于城市建設用地和交通用地(PETERJOHN和CORREL，1984)，而其對工業污染物的截留能力卻小于綠地和水體。隨著城鎮用地、耕地比例的增加，城市河道中污染物的濃度有增大的趨勢（SAIKH等，1998），因為這兩種土地利用類型是受人類活動影響較為強烈的地段，非點源污染將更加嚴重。

表2 永定新河排水區景觀指數計算Table2 Landscape index in Yongding xin drainage area

表3 排水區水質質量與土地利用特點匯總Table3 Land use characters and water qualities in drainage areas

4 討論：兩種研究范圍及方法的比較

比較以上兩種方法做出的天津市濱海地區土地利用與河流水質的分析，可以看出：

（1）基于排水區的土地利用劃分與河流綜合水質相結合的分析方法得到的結論更具有層次性，也較為全面，能夠綜合考慮不同的景觀格局分布對于水質的影響。在機理的解讀方面，因為城市規劃部門會根據地表情況及地質構造來劃分城市排水區，每個排水區范圍內的雨水徑流和污水均會排入一條特定的河道。所以利用排水區能夠更好的考慮到平原城市特殊性，不同用地上所承載的人類活動所產生的污染物以及土地自身的凈化作用所吸收的污染物都可反映在進入排水區的水源中，排水區相當于城市河道的流域，根據排水區提取的土地利用更符合實際情況。因此，在機理嚴謹性上比使用緩沖區范圍要好，在整體性上更為完整。

（2）基于緩沖區的研究方法能夠在一定程度上解釋在地表徑流作用下，河流近岸不同距離的土地利用類型對河流污染物的影響，如耕地對污染物的影響，河流近岸100 m緩沖區的聯合顯著性為0.848，300米緩沖區僅為0.165。因此，基于緩沖區的研究方法可以依據各個回歸系數的正負情況和大小來判斷土地利用類型與特定污染物的關系，同時根據聯合顯著性隨緩沖區距離增大而遞減的特性可以大體判斷地表徑流作用最顯著的區域。

（3）土地利用類型對河流中污染物類型的貢獻和消減趨勢是一致的，如綠地和水體對污染物起到的凈化作用和城市建設用地對污染物的貢獻作用。兩種方法結合起來可以得出更為詳盡、客觀的研究結果。

5 結論

（1）城市居民點與工礦用地是河流當中重金屬污染物如鉛、汞的主要輸入源；耕地對重金屬等污染物有一定的截留消減左用，但在面積較大時增加了河流的有機污染物如氨氮，生化需氧量等；林地、園地、草地和水體對于城市河流污染物有一定的凈化作用。

（2）本研究為平原城市的河流水質與土地利用關系的研究提供了新的“流域”選取方法，結合本研究的結論，城市河道的管理者可以從近岸和排水區域兩方面入手來提高和改善河流污染物現狀，在近岸尺度上可以通過調整土地利用類型比例，如建立河流兩岸綠色廊道，增加綠地面積，減少污染物排入河道和增加污染物消減能力；在排水區域尺度可以通過改良排水管道和污染物遷移路徑，控制城市建設用地、工礦用地比例，設置排放標準控制等方法來進行流域的綜合治理，使城市河流水質得到根本的改善。

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The Studied area selection and result comparison of river non-point source pollution in plain urban area

As the plain urban area doesn’t show much difference in topography conditions, the usage of traditional river basin conceptapplying in plain urban area is not convincing. Thus, it’s hard to make an identification of effective border of the land use that can impact the relevant river water quality. To solve this issue, this paper compares the final results based respectively on the traditional buffer zone and drainage area method. Using 11 rivers’ pollutants in Tianjin Costal region and RS image, this paper apply GIS to study the correlation between land use and water quality by analyzing land use buffer data along the river banks and selecting land use data in drainage area, trying to provide methods and theories support to analyze and manage the rivers’ pollutants in plain urban area. The preliminary results showed that （1）The drainage area method can better illustrate the relationship between water quality and urban land use by taking full consideration of urban specialties such as water pollutant occurrence, movement and the impact of different landscape on water quality. It’s more theoretically convincing and comprehensive compared with the buffer zone analysis.（2）The buffer zone analysis can explain the influence on water quality under the effect of surface runoff to a certain extent. The negative correlation between the distance of buffer zone and the joint significance level can be used to identify the key area. For example, the joint significance level for arable land within 100 meters buffer zone is 0.848 and that number decreases to 0.165 as buffer zone expands to 300 meters. (3) Both methods show the same pattern for the relationship between water pollutant and land type. Urban construction land use will increase the water pollutant such as Pb and Hg; the arable land can reduce the heavy metal pollutant but will increase the organic pollutants such as ammonia as the area of arable land gets bigger; the grass land and water body will serve as the cleaner of the pollutants and help to improve the water quality. The combination of these two methods can help to get the result more objectively and comprehensively.

Land use; Urban River Pollutants; Buffer Zone; Drainage Area

Meng Xiangwei, XU Xuegong

College of Urban and Environmental Sciences, Peking University; Key Laboratory of Analysis and Simulation of Ear the Surface Processes, Ministry of Education, Beijing 100871, China

X522

A

1674-5906（2014）01-0145-06

孟祥巍，許學工. 平原城市河流面源污染研究范圍及方法的選擇與效果比較[J]. 生態環境學報, 2014, 23(1): 145-150.

MENG Xiangwei, XU Xuegong. The studied area selection and result comparison of river non-point source pollution in plain urban area [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(1): 145-150.

國家自然科學基金資助項目（41271102；40830746）

孟祥?。?988年生），男，碩士研究生，研究方向為資源管理與區域開發。

*通訊作者，教授，E-mail：xxg@urban.pku.edu.cn

3013-09-11