童曉霞，王家樂，蒲 堅，張文杰，黃金權，許文盛，王志剛

(1.長江科學院 水土保持研究所， 武漢 430010；2.長江科學院 水利部山洪地質(zhì)災害防治工程技術研究中心， 武漢 430010 )

1 研究背景

國內(nèi)外很多研究表明，非點源污染已成為水質(zhì)污染的主要組成部分[1-3]，非點源污染發(fā)生具有不確定、分布廣、難以控制等特點，使得非點源污染實際治理難度較大。非點源污染主要由降水徑流過程驅(qū)動，同時也受到人類活動的影響[4]。研究表明，非點源污染的發(fā)生與遷移是重要的生態(tài)水文過程，土地利用和植被覆蓋通過對流域水文循環(huán)、泥沙遷移過程的影響來間接影響污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程，從而對水體水質(zhì)產(chǎn)生影響。水體水質(zhì)對土地利用和植被覆蓋的響應關系作為研究熱點之一，很多學者從不同角度對其進行了探討[5-12]，發(fā)現(xiàn)土地利用和植被覆蓋與水體水質(zhì)存在密切關系，土地利用和植被覆蓋的改變對非點源污染的影響十分顯著，因此對水質(zhì)的變化起著重要作用。探討土地利用和植被覆蓋與水體水質(zhì)的關系，有助于對區(qū)域土地利用格局進行規(guī)劃和管理，是有效防控區(qū)域非點源污染和改善水體水質(zhì)非常好的切入點，是區(qū)域水安全和水環(huán)境保護的重要手段。

深圳市是中國經(jīng)濟發(fā)達、人口密集的城市之一。深圳市經(jīng)歷了快速城市化過程，城市下墊面的改變和植被覆蓋的變化對水環(huán)境產(chǎn)生了深遠影響，水質(zhì)出現(xiàn)了惡化情況[13-15]。但隨著我國對生態(tài)環(huán)境保護的重視，河長制和水生態(tài)文明建設等國家政策相繼出臺，深圳市已啟動河流水質(zhì)提升工程[16-17]。為打好水污染防治攻堅戰(zhàn)，深圳市將2019年定為“水污染治理決戰(zhàn)年”，隨著一系列水環(huán)境治理措施的開展，深圳市水環(huán)境形勢發(fā)生較大改善。本文立足深圳市水環(huán)境治理逐見成效的新背景，采集深圳市主要地表水體樣品并測定水質(zhì)參數(shù)，系統(tǒng)分析水質(zhì)對土地利用和植被覆蓋的響應關系，解析土地利用和植被覆蓋對水質(zhì)的影響方式，以期為深圳市下一步水環(huán)境治理工作提供參考。

2 研究方法

2.1 樣品采集與測試分析

地表水樣品采自深圳市內(nèi)龍崗河、坪山河、大鵬河等河流上游的15個典型地表水體。各采樣點空間分布見圖1。

圖1 水質(zhì)采樣點空間分布

根據(jù)國內(nèi)外有關降雨徑流污染的研究成果，一般認為化學需氧量(COD)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、5日生物需氧量(BOD5)構成了初期降雨徑流中的主要污染成份[18-23]。因此，本文選取以上5種污染物濃度作為水質(zhì)指標，依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)的規(guī)定，水樣水質(zhì)各項指標的測試方法見表1。

表1 水質(zhì)參數(shù)及其分析方法

2.2 統(tǒng)計分析

2.2.1 水質(zhì)評價

國內(nèi)外很多研究表明，單因子評價法簡單直觀但并不能很好地反映水質(zhì)污染情況[24-25]，內(nèi)梅羅污染指數(shù)作為水質(zhì)綜合評價的方法之一，在很多地區(qū)得到了應用，可以更加科學、客觀、綜合地反映水質(zhì)情況[26-28]。內(nèi)梅羅污染指數(shù)是一種兼顧極值或稱突出最大值的計權型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)[29]，常用于地表水水質(zhì)評價中，可用來反映地表水受污染的嚴重程度，內(nèi)梅羅污染指數(shù)越大表示污染越嚴重。本文采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)來分析研究區(qū)水質(zhì)情況。

內(nèi)梅羅污染指數(shù)的計算公式為

(1)

其中：

(2)

Pmax=max(Pi) ;

(3)

(4)

2.2.2 土地利用解譯與植被覆蓋度計算

利用Google Earth高程數(shù)據(jù)(Level 17，空間分辨率20 m)在ArcGIS軟件中手工勾繪各地表水采樣點上游的臨近匯水區(qū)域。利用2018年10月GF-1遙感影像人工目視解譯各采樣點對應匯水區(qū)域的土地利用類型，植被覆蓋度通過林地、草地等綠色植被覆蓋區(qū)域的面積占匯水區(qū)總面積的比例計算。土地利用基本情況見表2。

表2 采樣點匯水區(qū)域土地利用情況

3 結果與分析

3.1 內(nèi)梅羅污染指數(shù)計算與分析

根據(jù)表1的測試方法，對研究區(qū)15個取樣點的水質(zhì)進行了測定，得到研究區(qū)各取樣點水樣的污染物濃度，并根據(jù)公式(1)計算出內(nèi)梅羅污染指數(shù)，結果見表3。

表3 采樣點水質(zhì)數(shù)據(jù)

從表3可知，不同采樣點的內(nèi)梅羅污染指數(shù)差別較大，其中最大值達到7.24，最小值為0.33，平均值為2.2，最大值與最小值相差20倍?？傮w上，內(nèi)梅羅污染指數(shù)隨植被覆蓋度的增加而降低。但也存在植被覆蓋度相近的采樣點間內(nèi)梅羅污染指數(shù)相差很大的情況，如洋涌河、龍溪河、龍崗河植被覆蓋度分別是23%、21%、20%，而內(nèi)梅羅污染指數(shù)分別為0.91、7.24、4.25。

相關研究表明，土地利用和植被覆蓋與水體水質(zhì)之間存在著非常復雜的關系[30-36]。不同的植被覆蓋度對地表水質(zhì)的凈化作用不同，對水質(zhì)有著重要的影響。不同的植被覆蓋空間分布也會通過改變污染物的發(fā)生、遷移和轉(zhuǎn)化等過程來影響河流水質(zhì)。接下來從植被覆蓋度及空間分布格局兩個方面分析其對地表水質(zhì)的影響。

3.2 水質(zhì)對植被覆蓋度的響應

選取水質(zhì)樣品的TN、TP濃度和內(nèi)梅羅污染指數(shù)，結合采樣點上游匯水區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度，分析水質(zhì)指標與植被覆蓋度的相關關系，見圖2。

圖2 地表水水質(zhì)與采樣點上游匯水區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度的關系

從圖2可知，研究區(qū)取樣點水質(zhì)TN、TP濃度和內(nèi)梅羅污染指數(shù)均隨上游匯水區(qū)內(nèi)植被覆蓋度的增加而減少，減少速率呈現(xiàn)出由快變慢的整體趨勢。通過對變化趨勢線進行擬合，取函數(shù)曲率最大值所在的位置作為拐點。結果表明，“內(nèi)梅羅污染指數(shù)-植被覆蓋度”“TP-植被覆蓋度”“TN-植被覆蓋度”均呈顯著冪函數(shù)關系，這3個擬合函數(shù)的拐點均出現(xiàn)在植被覆蓋度為30%～35%附近，TN、TP濃度和內(nèi)梅羅污染指數(shù)拐點出現(xiàn)的植被覆蓋度分別是29.8%、31.0%、35.0%。因此，可認為植被覆蓋度對地表水質(zhì)的凈化存在一個臨界點，即30%，當植被覆蓋度>30%時，地表水質(zhì)會有較顯著的改善，也即當植被覆蓋度達到30%以上時可顯著削減匯水區(qū)水體的面源污染物。

3.3 水質(zhì)對植被空間分布格局的響應

各地表水體采樣點對應匯水區(qū)域土地利用類型及植被空間分布格局結果見表4?？傮w上深圳市土地利用情況較為簡單，土地利用類型主要為林地、草地、交通運輸用地、住宅用地和裸土地(因生產(chǎn)建設活動產(chǎn)生)。本研究通過林、草植被與住宅用地、交通用地和裸土地在匯水區(qū)域中的位置關系，如匯水區(qū)上下游、河道兩側(cè)等，來描述植被覆蓋和土地利用的空間分布格局，并探討與水質(zhì)的關系。

表4 各地表水采樣點上游匯水區(qū)域內(nèi)土地利用和植被空間分布格局

研究發(fā)現(xiàn)各采樣點水質(zhì)與土地利用和植被空間分布格局的響應關系主要分為三大類：第一類的土地利用以林、草地為主，植被覆蓋度高，水質(zhì)總體較好、內(nèi)梅羅污染指數(shù)較低，標記為*；第二類的土地利用以林、草地和住宅用地為主，但植被仍然較多且分布在匯水區(qū)內(nèi)其他土地利用類型的下游，水質(zhì)總體一般、內(nèi)梅羅污染指數(shù)適中，標記為**；第三類的土地利用以住宅用地為主，植被較少，僅分布在河道兩側(cè)，且河流附近有生產(chǎn)建設活動導致的裸土地，水質(zhì)總體較差，內(nèi)梅羅污染指數(shù)較高，標記為***。

從表4可以看出，每類響應關系存在共同點，但是在植被覆蓋空間分布格局上存在一定的差別。

第一類響應關系的各水質(zhì)采樣點的植被覆蓋度較高，基本都在80%以上，有的超過了90%，林草地占匯水區(qū)總面積的比重比較大，居民用地所占比重小。因此，在這一類響應關系的采樣點匯水區(qū)域中，植被覆蓋度是影響水質(zhì)的關鍵因素，林、草地是削減水質(zhì)中面源污染物的主要因素。

第二類響應關系的各水質(zhì)采樣點的植被覆蓋度基本分布在30%～70%之間，居民用地占匯水區(qū)總面積的比重較大，但水體周邊主要是林草地，該類取樣點水質(zhì)內(nèi)梅羅污染指數(shù)都較低。因此，在這一類響應關系的采樣點匯水區(qū)域中，植被覆蓋空間分布格局是影響水質(zhì)的關鍵因素。

第三類響應關系的各水質(zhì)采樣點的植被覆蓋度基本上低于30%，居民用地占匯水區(qū)總面積的比重比較大，且水體周邊土地利用以裸土地為主，生產(chǎn)建設活動較多，該類取樣點水質(zhì)內(nèi)梅羅污染指數(shù)都很高。因此，在這一類響應關系的采樣點匯水區(qū)域中，土地利用空間分布格局特別是水體周邊的土地利用類型對水質(zhì)影響較大。

總體上，當土地利用類型以林草地為主，且植被主要分布在水體周邊等直接鄰水位置、住宅用地和裸土地下游的匯水出口區(qū)域時，其削減面源污染物的效果最佳，匯水區(qū)域內(nèi)地表水質(zhì)最好。

4 結 論

本文利用實測地表水質(zhì)數(shù)據(jù)和遙感解譯植被覆蓋情況，對深圳市地表水質(zhì)對植被覆蓋的響應關系進行了分析研究，結論如下：

(1)地表水質(zhì)對植被覆蓋度的響應顯著，研究區(qū)取樣點水質(zhì)內(nèi)梅羅污染指數(shù)、TN、TP濃度均隨上游匯水區(qū)內(nèi)植被覆蓋度的增加而降低，減少速率呈現(xiàn)出由快變慢的整體趨勢，當植被覆蓋度<30%時，降低速率較快;當植被覆蓋度>30%時，降低速率減緩?？烧J為植被覆蓋度對地表水質(zhì)的凈化存在一個臨界點，即植被覆蓋度達到30%時,地表水質(zhì)會有顯著的改善。

(2)土地利用空間格局對水質(zhì)也有一定影響，當植被分布在匯水區(qū)下游，特別是濱水區(qū)時，對地表水質(zhì)的凈化作用更顯著。

因此，在城市空間規(guī)劃和生產(chǎn)建設項目水土流失防治中宜將植被覆蓋率設置在30%左右，并優(yōu)先布置在匯水區(qū)下游，特別是瀕臨河流、水庫的區(qū)域。