污染输出防控视角下浅山区水土资源空间优化研究

聂俊坤，徐 明

(1.北京市城市规划设计研究院，北京市城规技术服务中心，北京 100045；2.北京首钢建设投资有限公司，北京 100045)

城市浅山区指海拔低于一定高度的山区及平原与山地过渡地带，属于山地生态系统与平原生态系统的交错地带且具有丰富的物种多样性，城市浅山区承载着统筹山区城镇化及接受平原城区发展辐射的双重职能，是维系主城市区发展建设的第一道“生态屏障”。城市浅山区与深山区相比，海拔相对较低，自然灾害分布较少并更适宜于人类开发利用，即浅山区对于承载城市发展空间拓展功能具有重要价值[1]。然而，城市浅山区因土地退化风险高，通常属于易诱发面源污染的脆弱土地类型区。因此，基于城市浅山区现有用地格局，综合考虑浅山区面源污染物输出风险防控，优化浅山区水土资源利用空间配置，有助于挖掘浅山区水土资源开发潜在价值，从而促进城市浅山区生态环境综合效益发挥。相关学者针对水土资源开发利用空间优化配置开展了一系列有益研究，俞孔坚[2]等通过构建城市浅山区景观安全格局，探索了浅山区实施高效精细化开发与保护的原则。邸文正[3]等基于低影响开发模式阐述了浅山区雨洪利用及排放思路。李运远[4]等基于海绵城市视角阐述了浅山区雨洪资源管理策略。上述研究对水土资源空间开发评价及土地资源优化配置具有重要实践价值，然而基于面源污染输出风险防控开展城市浅山区水土资源利用空间格局优化配置的研究尚需深入。传统线性模型通常仅能从水土资源利用空间类型面积角度实施优化，并难以适用于区域面源污染评估及土地资源空间优化配置[5-6]。因此，结合城市浅山区表土浅薄疏松、人居压力大以及生态环境保育要求高等特征，构建耦合GIS技术的城市浅山区水土资源利用空间格局线性优化模型，探究不同水土资源利用空间格局下N、P面源污染物输出风险，综合考察最小污染物输出量及最优经济效益下的水土资源空间配置模式，以期为推动城市浅山区的面源污染防控及水土资源的可持续开发提供技术支撑。

1 城市浅山区水土资源利用空间格局优化模型构建

1.1 水土资源利用空间格局综合评估

通常可采用实地测绘及遥感调查等方式识别解译城市浅山区水土资源土地利用类型空间属性数据，同时可将植被覆貌、地质地貌及流域下垫面近似的地块合并为同一类型用地单元[7]。此外，基于单因素评估与综合因素评估结合的方法评估水土资源利用空间格局适宜性。其中，单因素评估依据作用因素对用地的影响显著性划分适宜性等级并赋值[8-9]。同时，基于平均值法及制约因素法综合评估水土资源用地因素，具体赋值规则为：①若待评估地块各单因素评估值≥60分，则表明该类型地块无显著制约影响因素，可选取各单因素平均值作为待评估地块综合评估值；②若待评估类型地块有单个或多个单因素评估值<60分，但各单因素评估值均值≥85分，则可赋值80分作为待评估类型地块综合评估值；③若待评估类型地块有单个或多个单因素评估值<60分，但各单因素评估值均值<85分，则可选取影响最显著的制约因素作为待评估类型地块综合评估值。其中，水土资源利用空间格局制约因素评估模型可表示如下式：

Ei=min(Dij) (i=1，2，3…n，j=1，2，3…m)

(1)

式中，Ei—第i项待评估类型地块综合评估值；Dij—第i项待评估类型地块中第j项评估因素评估值。

水土资源利用空间格局综合评估模型架构如图1所示。

图1 城市浅山区水土资源利用空间格局综合评估流程图

1.2 水土污染物输出综合评估

选取N、P两种主要污染物质为研究对象，基于自然降水情境下针不同水土资源利用类型用地N、P污染物质输出量进行实地监测。针对建设用地、绿地、林地、耕地以及荒坡等不同类型用地布设地表径流试验地块(10m×10m)，采用布设在试验地块出口处径流采集装置收集混有N、P面源污染物质以及泥沙的地表径流。之后将雨水测样经酸化后测定待评估实验地块泥沙、TN以及TP含量，每种待测地块污染物测试重复5次。

1.3 水土资源利用空间格局优化模型

基于城市浅山区水土资源利用空间格局适宜性综合评估构建优化模型，在寻求多规划目标最优解基础上，推求待评估地块各水土资源利用类型最优占比，同时基于GIS综合优化待评估地块水土资源最优空间格局，城市浅山区水土资源利用空间格局优化模型如下式[10-12]：

(2)

式中，minM1(x)—典型年待评估地块N、P污染物质输出量最小值，mg；maxM2(x)—典型年待评估地块最大土地经济效益值，元；xi—i类型用地所占面积；ai—i类型用地N、P污染物质单位土地面积输出量，mg/(a·m2)；bi—i类型用地单位土地面积经济效益值，元/(a·m2)。

则城市浅山区水土资源利用空间格局优化模型边界约束条件如下式[13-15]：

(3)

式中，A—待评估地块总面积；xi—i类型用地所占面积；gi—i类型用地适宜性评估系数。

2 应用实例

2.1 研究区概况

选取我国北方某城市具有典型代表特征的浅山区待规划水土资源空间作为研究区域，该地块处于温带季风性气候区，多年平均降水量约为685mm，地块海拔高度约为126～149m。研究区域土壤类型基本以褐土及棕壤土为主，总面积约为1.8hm2，其中林地约占10.2%，耕地约占24.3%，园地约占34.6%，农村居民点用地约占12.5%，未利用土地约占18.3%，待规划水土资源空间山坡台地占比较高且易发生集中降雨条件下的水土资源流失问题。因此，有必要通过优化待规划水土资源利用空间格局，合理配置该地块水土资源空间类型。

2.2 水土资源利用空间格局综合评估

依据待评估地块下垫面产汇流条件，选取可反应区域水资源保障能力特征的供水距离、土壤特征中土层厚度、地貌特征中的地形坡度作为单因素评估因子，基于单因素评估法评估地块土地利用空间格局适宜性，待评估地块不同水土资源空间利用类型各单因素适宜性评估值见表1—2。

表1 供水距离单因素等级适宜性评估值 单位：m

表2 土层厚度单因素等级适宜性评估值 单位：m

基于平均值法及制约因素法综合评估待评估用地各单因素，结合水土资源利用空间格局适宜性评估结果，将待评估地块不用利用类型用地划分为较差适宜性、临界适宜性、良好适宜性以及高度适宜性四组适宜性等别，依据作用因素对用地的影响显著性赋值，见表3。

表3 待评估地块不同利用类型用地适宜性等级及赋值 单位：m2

2.3 土地N、P污染物输出量综合评估

选取典型平水年2016年6—10月份降水条件，统计研究区10场有效降水下各径流收集点N、P污染物流失量推求待评估水土资源空间不同土地利用类型用地N、P污染物年总输出量。10场有效降水特征值及待评估水土资源空间不同土地利用类型用地N、P污染物年输出总量见表4—5。

表4 有效降水特征值

表5 待评估水土资源空间不同土地利用类型用地N、P污染物年输出总量

2.4 水土资源空间利用格局优化

2.4.1模型参数及约束条件

基于构建的城市浅山区水土资源空间利用格局优化模型，选取待优化地块土地经济效益最大化以及地块N、P面源污染物输出量最小化两组目标，依据上述不同水土资源空间利用类型适宜性评估值，推求待优化地块不同利用类型用地最优组合。模型约束条件如下式：

式中，林地、耕地、园地、以及农村居民点用地约束面积下限值由待评估各类型地块现有最优使用面积确定；林地、耕地、园地、以及农村居民点用地约束面积上限值由临界适宜性、良好适宜性以及高度适宜性面积之和求得；未利用土地约束面积由较差适宜性及临界适宜性面积之和求得。

水土资源空间利用格局优化模型N、P污染物输出系数及土地经济效益指数见表6。

表6 模型N、P污染物输出系数及土地经济效益指数

2.4.2土地利用空间格局优化方案

基于待评估水土资源空间现有土地利用格局，遵循各评估类型地块N、P污染物输出特征，城市浅山区水土资源空间利用格局优化模型对各类型地块最优面积推算结果见表7。

表7 水土资源空间利用格局现状结构与优化方案对比

由表7可知，待评估水土资源空间土地利用格局经过优化，林地、园地较原土地利用结构分别增加了135.7%与42.1%，耕地、农村居民点以及未利用土地较原土地利用结构分别削减了48.7%、12.4%以及82.1%。同时，优化方案将地块内河道周边未利用土地及耕地面积削减，从而在实现N、P污染物入河量的同时，有效防控了地块内的水土流失风险。此外，优化方案将地块内园地、耕地及农村居民点用地集约规划，剔除了耕地、园地及农村居民点用地中散布的未利用类型土地面积，从而实现了N、P污染物年输出总量削减82.1%以及土地节约管理的目标，其中未利用土地面积的削减为全地块N、P污染物输出量的削减贡献值最高。

优化方案使待优化水土资源空间不同利用类型土地集中连片，其中林地、园地经济效益分别提高135.7%与42.1%，从而削减了经营成本并有助于连片管理。耕地、农村居民点用地经济效益分别削减48.6%与12.4%，而全地块总体经济效益提升了15.3%，其中园地面积的增加为全地块经济效益的提升贡献值最高。

3 水土资源空间开发保护策略

3.1 强化水土资源流失治理力度

针对城市浅山区土层相对较薄、水土资源发育时间相对较短以及降雨侵蚀强度高等问题，应通过工程性水土保持措施削减浅山区坡面侵蚀量，同时，可采用培植水土保持涵养林地等措施有效阻控水土流失入河污染量。此外，可通过坡改梯、梯级配置供蓄水池、改进种植农艺方式、拦蓄坡面径流等措施综合治理浅山区坡耕地，从而削减坡面侵蚀诱发的泥沙污染量。针对矿区开采、弃渣、弃土造成的水土资源污染问题，可通过优化设置尾矿库、布置拦尘网、培育生物缓冲带以及土壤污染生物治理等措施降解水土污染物质并削减浅山区面源污染物输出量。

3.2 划定水土资源空间开发边界与生态红线

针对城市浅山区水土资源的开发应基于集约开发以及生态保护等原则，可通过划定土地开发边界并设立生态保护用地等措施，从而有效控制人为开发强度并将生态设施落实在各水土资源开发空间类型之中。同时，为统筹浅山区水土资源开发与生态环境保护协调性，可通过征收浅山区生态保护专项税费以及给予项目生态经济补贴、资源扶助补偿等方式，建立健全浅山区水土资源开发多元化生态补偿机制，从而促进城市浅山区水土资源开发与生态保护的协调实施，促进构建浅山区各类型用地空间中面源污染源头生态治理体系。

3.3 创新水土资源空间开发模式

城市浅山区作为承载城市水土资源空间开发外延压力的重要载体，可采用集约节约以及精细化水土资源开发模式实施具体建设。目前，城市浅山区受制于扩张型、粗放式开发模式的惯性影响，部分区域实施浅山区水土资源开发时仍旧存在高强度、低效益、重开发、轻保护等问题，造成浅山区相当数量低产出闲散土地的存在。因此，有必要通过整合浅山区废旧矿区、分散村镇居住区水土资源以及创新水土资源空间开发模式，统筹兼顾区域生态环境资源在水土资源开发中的效益，从而在实现集约规划开发浅山区多类用地的同时，提升区域水土资源空间开发投入产出效益以及生态反哺效能。

4 结语

基于不同土地利用类型地块单因素与综合因素评估方法实施地块适宜性评估具有较强适用性，耦合了GIS与线性规划原理的土地资源优化模型可在满足各类型用地面积约束边界条件基础上，可合理优化配置土地资源空间格局并实现地块内N、P面源污染物输出总量的削减。统筹考量地块面源污染物输出总量最小化与地块经济效益最大化双重规划目标，可有效辨识影响地块经济与环境效益发挥的主要因素，并有助于实现保护城市浅山区生态环境与水土资源安全。研究可为城市浅山区土地利用空间格局方案优化及区域水土资源修复提供决策依据。