基于GIS技術(shù)的人工濕地選址適宜性研究

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(1.南京大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇 南京 210000； 2.中南大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

近年來(lái)，人工濕地以其強(qiáng)大的生態(tài)功能，在生物多樣性保護(hù)、水凈化保護(hù)、氣候調(diào)節(jié)、野生資源開發(fā)、沼澤漁業(yè)、農(nóng)業(yè)灌溉、大眾娛樂(lè)、生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究等方面受到了廣泛的關(guān)注，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。據(jù)報(bào)道，農(nóng)業(yè)面源污染是地表水污染的主要組成部分，影響了全球30%～50%的地表水體[4-5]。農(nóng)田化肥流失是造成農(nóng)業(yè)面源污染的最直接原因。隨著農(nóng)業(yè)集約化程度的提高和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中化肥、農(nóng)藥的過(guò)量使用，化肥流失量急劇增加[6]。大量試驗(yàn)證明，可持續(xù)人工濕地可通過(guò)過(guò)濾、吸附、降水、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物降解等過(guò)程，與基質(zhì)、植物和微生物形成共生體系，降解徑流中的氮、磷[7]。典型試驗(yàn)表明，在農(nóng)田和水體之間設(shè)置50 m寬的植被緩沖帶，人工濕地可以減少地表水中89%的氮和80%的磷。德斯普蘭濕地對(duì)可溶性磷的去除率為52%～99%[8]。

考慮到與城市外部環(huán)境系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)文化形態(tài)的協(xié)調(diào)，人工濕地的選址和穩(wěn)定性對(duì)于消除農(nóng)業(yè)面源污染來(lái)說(shuō)同樣具有重要作用。人們普遍認(rèn)為，原始濕地及其鄰近地區(qū)是最佳選擇。此外，土地利用性質(zhì)、地形地貌、土壤性質(zhì)等的多維評(píng)價(jià)在濕地選址中也起著重要作用[9]。根據(jù)氣候、水文等自然環(huán)境因素，以及施肥率、利用率、污染強(qiáng)度、耕地面積、濕地治理污染閾值等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，可以確定區(qū)域范圍內(nèi)合理的人工濕地選址。通過(guò)對(duì)人工濕地選址適宜性的研究，可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中由施用化肥而造成嚴(yán)重面源污染的地區(qū)提供一種凈化模式。但到目前為止，關(guān)于合理規(guī)劃人工濕地處理農(nóng)業(yè)面源污染的研究還很少[10]。

GIS是地理空間分析的主要工具，廣泛應(yīng)用于適宜性評(píng)價(jià)，以及超市、公園、教育設(shè)施等公共服務(wù)設(shè)施的建設(shè)中[11]。近年來(lái)，GIS技術(shù)還和遙感技術(shù)相結(jié)合，被用于濕地公園的生態(tài)系統(tǒng)、景觀豐富度、生物多樣性的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和濕地恢復(fù)研究[12]。本研究運(yùn)用GIS技術(shù)，以江蘇省13個(gè)地級(jí)市為研究對(duì)象，探討中等規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中化肥施用引起的農(nóng)業(yè)面源污染的空間分布特征，并從小城鎮(zhèn)的角度，通過(guò)場(chǎng)地適宜性和規(guī)劃設(shè)計(jì)適宜性分析，為濕地公園的規(guī)劃和布局提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

本文所采用的研究數(shù)據(jù)主要包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和自然地理數(shù)據(jù)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要來(lái)自《江蘇統(tǒng)計(jì)年鑒》，及相關(guān)研究提供的2017年江蘇省各地級(jí)市化肥施用量(包括總量和分類數(shù)據(jù))、耕地面積、城鄉(xiāng)居民收入水平、化肥利用率、產(chǎn)品強(qiáng)度和污染物流量系數(shù)等。自然地理數(shù)據(jù)包括土地利用現(xiàn)狀圖、土地利用規(guī)劃圖和測(cè)繪數(shù)據(jù)的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、高程、坡度和土地空間控制數(shù)據(jù)。

1.2 農(nóng)業(yè)面源污染分析

清單分析是生命周期評(píng)價(jià)方法的一個(gè)重要組成部分，是對(duì)整個(gè)生命周期階段的資源利用、能源利用和環(huán)境排放進(jìn)行定量分析的過(guò)程[13-14]。本研究采用庫(kù)存分析法，計(jì)算江蘇省13個(gè)地級(jí)市2017年農(nóng)業(yè)面源污染排放中以氮、磷和復(fù)合肥為主的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施肥過(guò)程中氮、磷的排放量。具體計(jì)算公式：

(1)

(2)

式(1)中：E是農(nóng)業(yè)面源污染物向水體的排放量，特別是總氮(TN)和總磷(TP)的排放量；Ui是單位i污染物的指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，主要涉及氮肥、磷肥和復(fù)合肥的施用量；ηi是單位i污染物的肥料利用率；ρi是單位i污染物的污染強(qiáng)度系數(shù)；Ci是單位i污染物的排放系數(shù)，由單位和空間確定，反映區(qū)域環(huán)境、降水、水文和各種管理措施對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的綜合影響，在江蘇省區(qū)域水平上各因子取相同值。

式(2)中：I是農(nóng)業(yè)面源污染的排放濃度，表征其對(duì)水環(huán)境的影響；L是研究區(qū)地表水資源量。

1.3 選址標(biāo)準(zhǔn)

雖然濕地主要通過(guò)減少峰值徑流量和控制溶解污染物來(lái)凈化污水，但是詳細(xì)的選址和設(shè)計(jì)仍有助于實(shí)現(xiàn)輔助效益。人工濕地的選址應(yīng)綜合考慮地質(zhì)、地貌、水文、污水等自然環(huán)境因素，確定合適的建設(shè)面積[3,15]。一般而言，人工濕地的選址應(yīng)避開自然遺產(chǎn)保護(hù)區(qū)、歷史資源保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)和瀕危物種保護(hù)區(qū)。

目前，人工濕地用于污水處理的面積從不到200 m2到400 hm2不等。本研究在相關(guān)文獻(xiàn)[8,16]的基礎(chǔ)上確定如下選址標(biāo)準(zhǔn)：(1)土地利用現(xiàn)狀。可利用土地面積應(yīng)大于0.1 km2。(2)區(qū)位條件。坡度在0～5°，絕對(duì)高程不超過(guò)25 m，距離河流緩沖區(qū)不到1 km。(3)空間結(jié)構(gòu)。不得位于基本農(nóng)田和規(guī)劃建設(shè)區(qū)。(4)空間管控。不得位于地質(zhì)災(zāi)害區(qū)和自然遺產(chǎn)保護(hù)區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)業(yè)面源污染空間分布

經(jīng)測(cè)算，江蘇省2017年13個(gè)地級(jí)市農(nóng)業(yè)面源污染TN和TP的空間分布格局與化肥施用的空間分布相似，表明江蘇省農(nóng)業(yè)仍處于粗放型發(fā)展階段，生產(chǎn)規(guī)模是影響污染總量的重要因素。氣候、降水和相關(guān)管理措施對(duì)污染物排放的空間分布并無(wú)顯著影響。農(nóng)業(yè)面源污染排放強(qiáng)度的空間分布特征與化肥施用量和農(nóng)業(yè)面源污染TN和TP的空間分布格局有一定差異，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平低的城市，如徐州、宿遷、連云港、淮安等，農(nóng)業(yè)面源污染排放強(qiáng)度較高。

2.2 基于GIS技術(shù)的人工濕地選址適宜性分析

以徐州市銅山區(qū)柳新鎮(zhèn)為例，利用GIS技術(shù)的空間疊加分析功能，基于1.3節(jié)確定的標(biāo)準(zhǔn)，建立人工濕地選址的區(qū)域尺度模型，篩選適宜選址的地區(qū)，結(jié)果如圖1所示。本研究所使用的土地利用圖、水系圖均取自相關(guān)測(cè)繪資料，比例尺精度為1∶10 000；地質(zhì)災(zāi)害圖則取自徐州地面沉降規(guī)劃的測(cè)繪資料。

圖1 基于GIS的多要素人工濕地選址評(píng)價(jià)模型

研究發(fā)現(xiàn)，柳新鎮(zhèn)南部可供人工濕地使用的土地較少，而北部和中部則有大量土地可供區(qū)域性人工濕地使用，這些土地的面積超過(guò)0.1 km2。進(jìn)一步用區(qū)位條件和空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)北部和中部適宜建設(shè)人工濕地，而西部和東部的建設(shè)條件較差(圖2)。

圖2 人工濕地選址的適宜性分布

3 小結(jié)

與傳統(tǒng)的污水處理廠相比，人工濕地在建設(shè)投資、運(yùn)行費(fèi)用和處理效率等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，有利于生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。清單分析可以測(cè)量區(qū)域面源污染的總量和強(qiáng)度，通常用于探討面源污染的空間分布特征。地理信息系統(tǒng)技術(shù)可以從場(chǎng)地適宜性研究中土地利用的角度確定人工濕地建設(shè)的適宜性。本研究綜合運(yùn)用上述技術(shù)，研究了江蘇省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中由施肥引起的農(nóng)業(yè)面源污染的空間分布特征，并以徐州市銅山區(qū)柳新鎮(zhèn)為例，探索了利用GIS技術(shù)對(duì)人工濕地建設(shè)適宜性進(jìn)行分析的方法。結(jié)果顯示，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用化肥造成的嚴(yán)重農(nóng)業(yè)面源污染集中在農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)、人均GDP較低的蘇北地區(qū)。以徐州市銅山區(qū)柳新鎮(zhèn)為例，按照確定的選址適宜性標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)赜写罅靠晒┤斯竦厥褂玫耐恋兀饕植荚诹骆?zhèn)的北部和中部，土地利用條件良好。

但要指出的是，本研究未考慮畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田固體廢棄物、農(nóng)村生活污水等因素，僅對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中化肥施用的單一維度進(jìn)行了測(cè)定。下一步的研究可以從多個(gè)維度進(jìn)行探討，從而更加全面地了解農(nóng)業(yè)面源污染的空間分布。本文的研究區(qū)域位于北溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣溫適宜常年濕地作業(yè)。但對(duì)于寒冷、炎熱等極端氣候區(qū)來(lái)說(shuō)，如何利用人工濕地來(lái)處理農(nóng)業(yè)面源污染，仍然是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。此外，如何合理配置人工濕地的基質(zhì)-植物-微生物，提高濕地的凈化效率等，也都還有待于進(jìn)一步探索。