深圳市地表水質(zhì)對(duì)植被覆蓋的響應(yīng)

童曉霞，王家樂(lè)，蒲 堅(jiān)，張文杰，黃金權(quán)，許文盛，王志剛

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水土保持研究所， 武漢 430010；2.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心， 武漢 430010 )

1 研究背景

國(guó)內(nèi)外很多研究表明，非點(diǎn)源污染已成為水質(zhì)污染的主要組成部分[1-3]，非點(diǎn)源污染發(fā)生具有不確定、分布廣、難以控制等特點(diǎn)，使得非點(diǎn)源污染實(shí)際治理難度較大。非點(diǎn)源污染主要由降水徑流過(guò)程驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也受到人類活動(dòng)的影響[4]。研究表明，非點(diǎn)源污染的發(fā)生與遷移是重要的生態(tài)水文過(guò)程，土地利用和植被覆蓋通過(guò)對(duì)流域水文循環(huán)、泥沙遷移過(guò)程的影響來(lái)間接影響污染物的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，從而對(duì)水體水質(zhì)產(chǎn)生影響。水體水質(zhì)對(duì)土地利用和植被覆蓋的響應(yīng)關(guān)系作為研究熱點(diǎn)之一，很多學(xué)者從不同角度對(duì)其進(jìn)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(guān)系，土地利用和植被覆蓋的改變對(duì)非點(diǎn)源污染的影響十分顯著，因此對(duì)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(guān)系，有助于對(duì)區(qū)域土地利用格局進(jìn)行規(guī)劃和管理，是有效防控區(qū)域非點(diǎn)源污染和改善水體水質(zhì)非常好的切入點(diǎn)，是區(qū)域水安全和水環(huán)境保護(hù)的重要手段。

深圳市是中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集的城市之一。深圳市經(jīng)歷了快速城市化過(guò)程，城市下墊面的改變和植被覆蓋的變化對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，水質(zhì)出現(xiàn)了惡化情況[13-15]。但隨著我國(guó)對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視，河長(zhǎng)制和水生態(tài)文明建設(shè)等國(guó)家政策相繼出臺(tái)，深圳市已啟動(dòng)河流水質(zhì)提升工程[16-17]。為打好水污染防治攻堅(jiān)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(kāi)展，深圳市水環(huán)境形勢(shì)發(fā)生較大改善。本文立足深圳市水環(huán)境治理逐見(jiàn)成效的新背景，采集深圳市主要地表水體樣品并測(cè)定水質(zhì)參數(shù)，系統(tǒng)分析水質(zhì)對(duì)土地利用和植被覆蓋的響應(yīng)關(guān)系，解析土地利用和植被覆蓋對(duì)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(cè)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(gè)典型地表水體。各采樣點(diǎn)空間分布見(jiàn)圖1。

圖1 水質(zhì)采樣點(diǎn)空間分布

根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)降雨徑流污染的研究成果，一般認(rèn)為化學(xué)需氧量(COD)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、5日生物需氧量(BOD5)構(gòu)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(biāo)，依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)的規(guī)定，水樣水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試方法見(jiàn)表1。

表1 水質(zhì)參數(shù)及其分析方法

2.2 統(tǒng)計(jì)分析

2.2.1 水質(zhì)評(píng)價(jià)

國(guó)內(nèi)外很多研究表明，單因子評(píng)價(jià)法簡(jiǎn)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(píng)價(jià)的方法之一，在很多地區(qū)得到了應(yīng)用，可以更加科學(xué)、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(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)[29]，常用于地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)中，可用來(lái)反映地表水受污染的嚴(yán)重程度，內(nèi)梅羅污染指數(shù)越大表示污染越嚴(yán)重。本文采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)來(lái)分析研究區(qū)水質(zhì)情況。

內(nèi)梅羅污染指數(shù)的計(jì)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(jì)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(diǎn)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(diǎn)對(duì)應(yīng)匯水區(qū)域的土地利用類型，植被覆蓋度通過(guò)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(jì)算。土地利用基本情況見(jiàn)表2。

表2 采樣點(diǎn)匯水區(qū)域土地利用情況

3 結(jié)果與分析

3.1 內(nèi)梅羅污染指數(shù)計(jì)算與分析

根據(jù)表1的測(cè)試方法，對(duì)研究區(qū)15個(gè)取樣點(diǎn)的水質(zhì)進(jìn)行了測(cè)定，得到研究區(qū)各取樣點(diǎn)水樣的污染物濃度，并根據(jù)公式(1)計(jì)算出內(nèi)梅羅污染指數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 采樣點(diǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)

從表3可知，不同采樣點(diǎn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)差別較大，其中最大值達(dá)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。總體上，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(diǎn)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(guān)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(fù)雜的關(guān)系[30-36]。不同的植被覆蓋度對(duì)地表水質(zhì)的凈化作用不同，對(duì)水質(zhì)有著重要的影響。不同的植被覆蓋空間分布也會(huì)通過(guò)改變污染物的發(fā)生、遷移和轉(zhuǎn)化等過(guò)程來(lái)影響河流水質(zhì)。接下來(lái)從植被覆蓋度及空間分布格局兩個(gè)方面分析其對(duì)地表水質(zhì)的影響。

3.2 水質(zhì)對(duì)植被覆蓋度的響應(yīng)

選取水質(zhì)樣品的TN、TP濃度和內(nèi)梅羅污染指數(shù)，結(jié)合采樣點(diǎn)上游匯水區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度，分析水質(zhì)指標(biāo)與植被覆蓋度的相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)圖2。

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

從圖2可知，研究區(qū)取樣點(diǎn)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(shì)。通過(guò)對(duì)變化趨勢(shì)線進(jìn)行擬合，取函數(shù)曲率最大值所在的位置作為拐點(diǎn)。結(jié)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(guān)系，這3個(gè)擬合函數(shù)的拐點(diǎn)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(diǎn)出現(xiàn)的植被覆蓋度分別是29.8%、31.0%、35.0%。因此，可認(rèn)為植被覆蓋度對(duì)地表水質(zhì)的凈化存在一個(gè)臨界點(diǎn)，即30%，當(dāng)植被覆蓋度>30%時(shí)，地表水質(zhì)會(huì)有較顯著的改善，也即當(dāng)植被覆蓋度達(dá)到30%以上時(shí)可顯著削減匯水區(qū)水體的面源污染物。

3.3 水質(zhì)對(duì)植被空間分布格局的響應(yīng)

各地表水體采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)匯水區(qū)域土地利用類型及植被空間分布格局結(jié)果見(jiàn)表4?？傮w上深圳市土地利用情況較為簡(jiǎn)單，土地利用類型主要為林地、草地、交通運(yùn)輸用地、住宅用地和裸土地(因生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)產(chǎn)生)。本研究通過(guò)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(guān)系，如匯水區(qū)上下游、河道兩側(cè)等，來(lái)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(guān)系。

表4 各地表水采樣點(diǎn)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(diǎn)水質(zhì)與土地利用和植被空間分布格局的響應(yīng)關(guān)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(biāo)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(biāo)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(shè)活動(dòng)導(dǎo)致的裸土地，水質(zhì)總體較差，內(nèi)梅羅污染指數(shù)較高，標(biāo)記為***。

從表4可以看出，每類響應(yīng)關(guān)系存在共同點(diǎn)，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(yīng)關(guān)系的各水質(zhì)采樣點(diǎn)的植被覆蓋度較高，基本都在80%以上，有的超過(guò)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(yīng)關(guān)系的采樣點(diǎn)匯水區(qū)域中，植被覆蓋度是影響水質(zhì)的關(guān)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(yīng)關(guān)系的各水質(zhì)采樣點(diǎn)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(diǎn)水質(zhì)內(nèi)梅羅污染指數(shù)都較低。因此，在這一類響應(yīng)關(guān)系的采樣點(diǎn)匯水區(qū)域中，植被覆蓋空間分布格局是影響水質(zhì)的關(guān)鍵因素。

第三類響應(yīng)關(guān)系的各水質(zhì)采樣點(diǎn)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(shè)活動(dòng)較多，該類取樣點(diǎn)水質(zhì)內(nèi)梅羅污染指數(shù)都很高。因此，在這一類響應(yīng)關(guān)系的采樣點(diǎn)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(duì)水質(zhì)影響較大。

總體上，當(dāng)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(shí)，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(jié) 論

本文利用實(shí)測(cè)地表水質(zhì)數(shù)據(jù)和遙感解譯植被覆蓋情況，對(duì)深圳市地表水質(zhì)對(duì)植被覆蓋的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了分析研究，結(jié)論如下：

(1)地表水質(zhì)對(duì)植被覆蓋度的響應(yīng)顯著，研究區(qū)取樣點(diǎn)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(shì)，當(dāng)植被覆蓋度<30%時(shí)，降低速率較快;當(dāng)植被覆蓋度>30%時(shí)，降低速率減緩?？烧J(rèn)為植被覆蓋度對(duì)地表水質(zhì)的凈化存在一個(gè)臨界點(diǎn)，即植被覆蓋度達(dá)到30%時(shí),地表水質(zhì)會(huì)有顯著的改善。

(2)土地利用空間格局對(duì)水質(zhì)也有一定影響，當(dāng)植被分布在匯水區(qū)下游，特別是濱水區(qū)時(shí)，對(duì)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(shè)項(xiàng)目水土流失防治中宜將植被覆蓋率設(shè)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(kù)的區(qū)域。