陳 琪，黃 瑞，李金芮，劉百川

(西南交通大學(xué) 建筑學(xué)院，四川 成都 611756)

1 引言

棕地作為城市中廢棄、閑置的土地，不僅使城市的景觀破碎化，更令曾經(jīng)泄露的工業(yè)原料和輔料以及殘存的固體廢棄物污染滲透到土壤中，隨雨水的沖刷，向周邊環(huán)境擴(kuò)散，最終匯入城市水域，污染城市水源。根據(jù)建設(shè)用地土壤污染狀況調(diào)查表明，幾乎所有的工礦類企業(yè)的特征污染物中，都包含重金屬污染物[1]。重金屬污染物在自然環(huán)境以及水體中不能被生物降解,會(huì)不斷累積，有些重金屬甚至在微生物作用下轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的重金屬化合物,如甲基汞進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)后,經(jīng)食物鏈不斷在生物體內(nèi)富集，引起生態(tài)系統(tǒng)中各級(jí)生物的不良反應(yīng)[2]。無法得到降解的重金屬，具有持續(xù)性污染，又因有極強(qiáng)的生物富集性，最終通過直接接觸或食物鏈富集到人體，嚴(yán)重?fù)p害內(nèi)臟、消化系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)，Cd和Cr等一些重金屬還具有致癌性，是一類危害極大的水污染物[3]。

棕地的污染治理和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的相關(guān)研究，目前主要集中在對(duì)場(chǎng)地內(nèi)部污染物。棕地污染情況的分析采取了單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、地累積指數(shù)法等，對(duì)場(chǎng)地內(nèi)部各區(qū)域進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并針對(duì)高、中、低不同污染程度的土壤提出修復(fù)對(duì)策[4，5]。李靜[6]、李娟娟[7]、Wang[8]、Jun Zhang[9]、Keshav Krishna[10]、趙慶令等[11]利用內(nèi)梅羅指數(shù)法、單因子指數(shù)法對(duì)鉛鋅礦區(qū)、煉銅廠區(qū)、灌區(qū)土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)。孫一豪[12]、崔羅肖等[13]、熊潤(rùn)光[14]、王詩雨等[15]、趙君[16]、黃小娟[17]、鄭國(guó)璋[18]等將多種指數(shù)法與重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)相結(jié)合分析確定場(chǎng)地重金屬元素的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，用于指導(dǎo)場(chǎng)地分級(jí)管理、分級(jí)治理的景觀營(yíng)建。熊潤(rùn)光[14]、王越[19]、張善紅[20]等研究了GIS在土壤重金屬污染評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。也有學(xué)者對(duì)其他的方法進(jìn)行嘗試與探索，陸泗進(jìn)等[21]利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)代碼法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)對(duì)重金屬污染程度與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)；孫葉芳等[22]利用TCLP法評(píng)價(jià)對(duì)土壤重金屬污染狀況進(jìn)行測(cè)定;Wang等[23]利用污染指數(shù)法對(duì)典型的工業(yè)城市的土壤重金屬污染進(jìn)行了測(cè)定，并結(jié)合正定矩陣分解(PMF)模型和Unmix模型對(duì)重金屬污染來源進(jìn)行識(shí)別和解析。結(jié)果表明，研究區(qū)近70%的區(qū)域受到重金屬污染，Ni、Cr和Zn是主要富集重金屬；苑舒琪[24]、胡清等[25]學(xué)者對(duì)各種研究方法進(jìn)行總結(jié)、優(yōu)化。

在面源污染研究中，引入“源-匯”理論，主要是引入景觀格局與生態(tài)過程關(guān)系，將污染擴(kuò)散看作是污染源與匯進(jìn)行物質(zhì)能量交換的過程，能夠更好地展現(xiàn)每一個(gè)污染源的空間異質(zhì)性。在面源污染遷移擴(kuò)散的過程中，不同的景觀類型在過程中的地位和作用也各不相同，陳利頂借用洛倫茲曲線的理論，從距離、相對(duì)高度和坡度3個(gè)方面建立了不受尺度限制的景觀格局評(píng)價(jià)模型，分析不同景觀類型在面源污染擴(kuò)散遷移的過程中的作用[26]。賈玉雪等選取坡度、距離等關(guān)鍵因子對(duì)流域進(jìn)行非點(diǎn)源污染區(qū)劃，對(duì)面源污染的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分，針對(duì)污染防治形成控制區(qū)、防控區(qū)、保護(hù)區(qū)等區(qū)域[27]。

已有研究表明，在緩沖距離100 m的范圍內(nèi)城市土地利用空間結(jié)構(gòu)與水質(zhì)有極強(qiáng)的相關(guān)性；從200 m逐漸減弱，到300 m城市土地利用空間格局和景觀格局與城市河道水質(zhì)幾乎沒有相關(guān)性[28，29]。因此，本研究將“源-匯”理論融入到棕地面源污染的研究中，探究棕地所在空間的自然與人為要素對(duì)棕地污染擴(kuò)散遷移的影響，利用最小阻力模型探究研究區(qū)范圍內(nèi)主要水域100 m緩沖區(qū)內(nèi)現(xiàn)存棕地的面源污染遷移趨勢(shì)，并對(duì)污染等級(jí)進(jìn)行劃分，以期能夠展現(xiàn)出棕地面源污染的擴(kuò)散、遷移特征，對(duì)棕地污染的治理、城市水源的保護(hù)有一定的參考價(jià)值。

2 研究區(qū)域與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

成都位于四川省中部，四川盆地西部，成都平原腹地，介于東經(jīng)102°54′～104°53′和北緯30°05′～31°26′之間，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫16 ℃，年平均降水量為1408.52 mm，且年際之間降雨變化不大。境內(nèi)地勢(shì)平坦、河網(wǎng)縱橫、降水豐沛，主要的水系有岷江、沱江等12條干流及幾十條支流。成都地處岷江流域中游，河水主要由大氣降水、地下潛流和融雪組成，在流入成都平原之前，河道主要在高山峽谷之間，受人為污染極小，因而水質(zhì)格外優(yōu)良，絕大部分指標(biāo)都符合國(guó)家地面水二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求。但近年成都水質(zhì)惡化嚴(yán)重，流經(jīng)市區(qū)的府河、南河、沙河都受到了不同程度的污染，市區(qū)及近郊污染尤為嚴(yán)重，成都市出境的水質(zhì)已經(jīng)成為劣Ⅳ類[30]。研究區(qū)域位于成都市四環(huán)內(nèi)區(qū)域，包括了五大主城區(qū)的大部分區(qū)域，以及龍泉驛區(qū)、雙流區(qū)、新都區(qū)、郫都區(qū)的部分地區(qū)。

研究所涉及的棕地?cái)?shù)據(jù)，均來源于本研究小組調(diào)查研究的成果。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)以及相關(guān)資料收集，成都市四環(huán)以內(nèi)總共包含了3202塊棕地，共計(jì)9104.75 hm2。主要分為四大類：工業(yè)廢氣地、采礦業(yè)廢棄地，垃圾填埋場(chǎng)以及其他類型。本文選取研究區(qū)范圍內(nèi)的主要水域100 m緩沖區(qū)內(nèi)現(xiàn)存的棕地為研究對(duì)象。同時(shí)由于淺層土壤中的重金屬多以殘?jiān)鼞B(tài)為主極易遷移擴(kuò)散[31]，也能最為有效地被后期治理，所以選擇現(xiàn)存未被再次利用的，即表層土壤未被破壞的棕地作為污染源，共計(jì)30塊。

2.2 棕地面源污染“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)原理

研究面源污染中利用“源”“匯”將格局與過程有機(jī)結(jié)合在一起?！霸?匯”理論中的“源”是指在景觀過程中起推動(dòng)作用的景觀類型，而“匯”是景觀過程中物質(zhì)和能量的受納體，是阻礙景觀過程繼續(xù)發(fā)展的景觀類型[5]。在面源污染的過程中，棕地就是污染“源”，是徑流、土壤和養(yǎng)分流失的地方；城市中的草地、林地、水體則起到“匯”景觀的作用，是吸收流失的養(yǎng)分和土壤的地方。同時(shí)，在“源-匯”之間也因?yàn)榭臻g異質(zhì)性存在強(qiáng)弱差異，這些差異就是取決于人為因子和自然因子，這些因子決定了“源”與“匯”景觀過程的阻力大小，可以將這些因子進(jìn)行疊加分析，即通過最小累計(jì)阻力模型，形成整個(gè)“源-匯”景觀的阻力面。優(yōu)化“源”“匯”景觀空間配置要通過不同景觀類型在空間上的搭配組合來控制養(yǎng)分流失，達(dá)到在時(shí)空尺度上的平衡狀態(tài)[32]。

2.3 最小累計(jì)阻力模型原理

最小累計(jì)阻力模型最早是由Knaapen于1992年提出，簡(jiǎn)稱MCR。主要用于計(jì)算從某個(gè)特定的點(diǎn)沿阻力面擴(kuò)張的過程中所克服的阻力的總和，是通過對(duì)其穿越景觀單元的損耗對(duì)直線距離的修正，從而得到的該點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)所經(jīng)歷的每個(gè)單元所克服阻力的最小累積成本值[33]。最小累計(jì)阻力模型考慮源、空間距離和阻力面3個(gè)因素，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

式(1)中，MCR為最小累計(jì)阻力；f為未知數(shù)，反映了MCR與Dij×Ri呈負(fù)相關(guān)；Dij表示物質(zhì)、能量從“源”景觀j到景觀i的空間運(yùn)動(dòng)距離；Ri表示i景觀單元的空間運(yùn)動(dòng)過程阻力系數(shù)。

3 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和阻力基面

本文將人為因素與自然因素的影響因子作為影響棕地面源污染轉(zhuǎn)移擴(kuò)散的關(guān)鍵因子，分別為土地利用、相對(duì)距離、地形因子、降雨侵蝕力、土壤可侵蝕性、植被覆蓋度(NDVI指數(shù))。運(yùn)用熵權(quán)法計(jì)算各因子的權(quán)重，將賦予權(quán)重的因子在ArcGIS中進(jìn)行空間疊加，利用成本距離進(jìn)行計(jì)算，得到棕地的面源污染物向四周擴(kuò)散的最小累計(jì)阻力模型[34～39]。

3.1 指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

熵權(quán)法的特點(diǎn)在于利用熵值攜帶的信息進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，結(jié)合各項(xiàng)指標(biāo)的變異程度，利用信息熵工具，計(jì)算出各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，為多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)提供依據(jù)。本文將指標(biāo)分為人為因素和自然因素兩類，結(jié)合熵權(quán)法計(jì)算每一類指標(biāo)的權(quán)重，各指標(biāo)權(quán)重如表1所示。

表1 指標(biāo)權(quán)重

3.2 構(gòu)建阻力基面

將6個(gè)指標(biāo)因子影像的像元大小統(tǒng)一為30 m×30 m，并重分類劃分等級(jí)重新賦值，分別用1、2、3、4、5等數(shù)值表示阻力值，如圖1所示，以消除因各個(gè)指標(biāo)數(shù)值大小和單位不一致所帶來的影響，更好地體現(xiàn)各個(gè)指標(biāo)對(duì)于阻力面的貢獻(xiàn)值。

圖1 重分類后各指標(biāo)因子阻力值大小空間分布

4 結(jié)論與討論

本文對(duì)研究區(qū)的棕地面源污染風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別中，利用ArcGIS空間分析功能，將棕地疊加阻力面進(jìn)行成本距離的運(yùn)算，得到整個(gè)研究區(qū)棕地面源污染的最小累計(jì)阻力模型，如圖2所示。阻力模型中阻力值越大，景觀過程中阻力值越大，“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)程度越小，棕地面源污染發(fā)生越不容易，反之，阻力面的值越小，棕地面源污染遷移阻力就越小，“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)程度越高，污染越容易發(fā)生。

圖2 棕地面源污染最小累計(jì)阻力值

分析最小累計(jì)阻力值的柵格圖層，利用自然斷點(diǎn)法，按照阻力值大小，將面源污染過程中的“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行等級(jí)劃分，阻力值0～4660.98為極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，阻力值4660.98～8346.36為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，阻力值8346.36～12070.75為中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，阻力值12070.75～17926.86為中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，阻力值17926.86～30475.66為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。將5個(gè)等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)重分類賦值，得到研究區(qū)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分，如圖3所示。

圖3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

分析研究區(qū)主要水系的100 m緩沖區(qū)中現(xiàn)存棕地的污染擴(kuò)散模型，發(fā)現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)基本上以棕地所在區(qū)域?yàn)閳A心分布，越向外阻力值越小，風(fēng)險(xiǎn)越小，各等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積和比重如表2所示。

表2 不同污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)域面積和面積比例

極高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)面積分布占據(jù)了整個(gè)研究區(qū)的19.82%，主要還是靠近棕地的區(qū)域，集中在水域左右距離1500 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)，金牛區(qū)、成華區(qū)、青羊區(qū)分布較為集中。高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)和中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)占比26%左右，集中在水域1500～3000 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)。中風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)占據(jù)總面積18.95%，集中分布在水域3000～5000 m緩沖區(qū)內(nèi)。低風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)面積占比最小，僅占據(jù)7.69%，集中分布在水域兩側(cè)大于5000 m緩沖區(qū)外。中風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)和低風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)主要集中在研究區(qū)外圍，在龍泉驛區(qū)、郫都區(qū)以及武侯區(qū)相對(duì)集中分布。

可以看出，距離棕地越近阻力值越小，棕地污染就越容易擴(kuò)散遷移，污染風(fēng)險(xiǎn)越高；距離棕地越遠(yuǎn)，阻力值越大，棕地污染就越不容易擴(kuò)散到該區(qū)域，污染風(fēng)險(xiǎn)越低。污染風(fēng)險(xiǎn)總體還是隨空間距離變化而變化。

將最小累計(jì)阻力模型與主要水域進(jìn)行疊加，可以看到府河從最南部分的極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)中心穿過，又從北偏西的極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域中心穿過。清水河主要穿過了最西部的高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)。摸底河從西北區(qū)域的極高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)的中心穿過，摸底河也從北偏東區(qū)域的極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域中心穿過。北湖濕地部分區(qū)域也分布在東偏北的極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)，荷塘月色大部分濕地也分布在南偏東的極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

本研究將棕地與影響面源污染的主要因子及距離因子綜合分析，得到各種因素的影響下，棕地面源污染的風(fēng)險(xiǎn)格局。研究結(jié)果可以作為棕地污染風(fēng)險(xiǎn)的參考，預(yù)測(cè)出污染較高風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域和污染趨勢(shì)。為后續(xù)進(jìn)一步研究棕地面源污染提供了重點(diǎn)采樣測(cè)量的重點(diǎn)區(qū)域。同時(shí)也為城市治理棕地的先后順序、防止棕地污染擴(kuò)散加劇城市水源污染提供參考。