综合视角下粤北山区县域水安全格局构建与分析

陈朝，杨贤房，陈进栋，王琦，刘婷，邓南荣

1.华南土壤污染控制与修复国家地方联合工程研究中心，广东省农业环境综合治理重点实验室,广东省科学院生态环境与土壤研究所

2.福建师范大学地理科学学院

3.江西师范大学地理与环境学院

4.赣南师范大学地理与环境工程学院

区域水安全格局强调土地利用空间格局及其动态变化和特定生态功能的发挥，以空间化的视角识别维系区域水安全的关键要素和空间位置，应用景观生态学原理和局地经验知识建立水生态系统服务与空间规划间的联系[1-2]，通过人类社会与水资源、水环境、水灾害系统间的多要素优化配置，构建解决综合水安全问题的整体格局。

目前，国内外水安全格局研究主要集中于国家、省域或流域尺度的水量或水质管理政策，研究视角多侧重于水资源、水灾害与水环境安全[3-5]。水资源安全格局构建大多围绕饮用水源地保护区、水源涵养功能及冰川、湖泊、湿地、河流等要素展开，强调水资源开发利用阶段与有限发展目标下的水资源总量安全[1,6]。通用数理与综合评价模型[7-8]、基于水文学水量平衡理论的水资源承载力[6]和水源涵养量计算方法[9]以及基于景观生态学最小阻力模型（MCR）[10-12]的缓冲格局方法[13-16]被大量应用于水资源安全格局研究之中，但将经典水文水量平衡模型与MCR 缓冲格局方法进行空间量化融合的研究尚且少见。水灾害安全格局构建则主要考虑洪涝淹没范围、洪水源汇点、洪水规避战略点与河湖缓冲区等因素，通常根据洪水风险频率数据，结合数字高程、径流系数和水系格局对洪水过程进行模拟，得到不同洪水风险频率的淹没范围[17]，而现有基于经典水文汇流D8 模型进行的水灾害安全空间格局模拟的研究[18]均未考虑洪水周边地物的受灾风险，如何结合水文汇流洪灾模拟模型与洪水周边用地风险进行区域水灾害安全空间格局综合定量分析是亟待解决的问题。水环境安全格局研究热点集中在基于源汇景观的水环境污染分析与河湖重点敏感岸段识别。景观优化理论强调根据区域景观格局特征合理规划和配置一定的生态廊道、缓冲区、节点和重点保护斑块，以维持区域景观连接度与水网体系完整[1,19]，但该理论未能从本质上反映区域水环境污染状况。根据区域实测水质数据计算的水质指数或内梅罗指数[20]反映了局域水环境污染状况，但无法反映水文全流域单元内污染物浓度与目标容量限值间的超载与负载空间综合安全程度。当前结合小流域水文单元径流量计算与水污染超载、负荷综合量化方法评价区域水环境安全空间格局的研究鲜有报道。总体来看，现有区域水安全格局研究多侧重于水资源、水灾害或水环境的单一维度或者两两整合，从水资源、水灾害和水环境综合视角系统构建与分析区域水安全格局的综合研究亟待加强。

笔者从水资源安全、水灾害安全及水环境安全的综合视角探讨粤北山区翁源县域的综合水安全格局。水资源安全主要考虑结合基于景观缓冲理论的水源保护与水量平衡理论的水源涵养功能格局；水灾害安全选用既能反映区域景观水文洼地汇流蓝点范围，又能反映周边用地洪灾风险程度的洪灾模型，用以量化大暴雨事件下水文汇流蓝点及周边用地洪水受灾综合风险；水环境安全使用表观水环境负荷与超载空间分异情况的载荷容量来刻画小流域单元内水环境安全格局。综合上述3 个方面，构建县域总体水安全格局并分析用地协调情况，以期为县域综合生态安全格局及国土空间规划与管控提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

翁源县（113°30′E～ 114°18′E，24°07′N～ 24°40′N）地处粤北山区南部的滃江盆地，流水和岩溶作用形成了翁源县典型的山区地形地貌[21]。翁源县地表水资源丰富，境内主要河流“滃江”是北江水四大支流之一，县内河长92 km，集雨面积2 058 km2，其中集雨面积100 km2以上的支流有九仙水、贵东水、龙仙水、周陂水、涂屋水及横石水6 条，形成了以滃江为主干流的扇形河网（图1）。翁源县年均降水量为1 778 mm，年平均径流深为950 mm，年平均径流总量19.55 亿m3。丰枯年径流总量比为2.96 倍，年内分配不均，易造成夏、秋季洪水集中泛滥，而春、冬枯水季引发旱灾，影响农业生产与城镇居民生活。重要江河湖泊水质稳定，污染指数近年来有上升趋势[22]。

1.2 数据来源

水源保护区主要考虑研究区范围内河流、沟渠、湖泊、水库和重要饮用水源地。河流、沟渠、湖泊和水库矢量数据根据国家下发翁源县第三次国土调查统一时点数据、地理国情普查和1∶1 万数字线划图（DLG）数据融合提取，饮用水源保护区范围数据由翁源县生态环境局提供。区域降水量和蒸散发量数据根据国家气象科学数据中心中国地面气候标准值年值数据集（1981—2010 年）[23]中翁源县周边8 个气象站点插值获取。生态系统面积由翁源县林业局提供的森林资源管理“一张图”2020 年度更新成果数据计算；水灾害安全格局分析涉及的流域地形水文分析DEM 源于日本宇宙航空研究所（JAXA）高级陆地观测卫星-1（ALOS）项目的12.5 m 地形数据[24]，现状水系数据来源于国家基础地理信息中心1∶25 万全国基础地理数据库中的水系DLG 数据[25]；水环境安全格局分析涉及盆域原始范围采用世界自然基金会（WWF）和美国地质调查局（USGS）合作开发的全球水文数据集HydroSHEDS 数据库（https://www.hydrosheds.org/page/hydrobasins）[26]中的Basin ATLAS_v10_lev09 级数据。县域主要河流盆域多年平均径流量及对应集雨面积由翁源县水务局提供。50 个实测取样点位（图1）2015—2020 年水质浓度均值数据来源于翁源县生态环境局。目标水质浓度参考GB 3838—2002 《地表水环境质量标准》及相关水环境功能区划确定。翁源县2020 年土地利用现状变更数据、基本农田、生态保护红线与历年水土保持治理矢量数据来源于翁源县自然资源局。

2 研究方法

2.1 水资源安全格局分析

2.1.1 水源保护缓冲区构建

融合翁源县现状变更、地理国情普查、DLG 与饮用水源保护区数据，形成水源保护区基底范围。采用欧氏距离（Euclidean distance，ED）建立缓冲区，并参考国内外研究案例[19,27-28]及翁源县实际水系现状，设定不同的水源保护区类型的缓冲距离（表1），以对应不同的安全格局级别，取各类型安全级别最低值形成水源保护区安全格局。

2.1.2 水源涵养量计算

水源涵养量采用水量平衡方程[9]计算：

式中：TQ 为水源涵养量，m3；Pi为降水量，mm；Ri为地表径流量，mm；ETi为蒸散发量，mm；Ai为i类生态系统面积，km²；j为研究区生态系统类型数；α为平均地表径流系数，按地表生态系统类型计算，各生态系统类型平均地表径流系数参照《生态保护红线划定指南》（环办生态〔2017〕48 号）。

将气象站点插值栅格与生态系统面积栅格通过式（1）进行计算得到全域水源涵养量栅格。采用常用的自然断点法分级得到水源涵养安全格局，该方法是利用统计学的JENK 最优法得出的分界点，能使各级的内部方差之和最小[2]。将水源保护安全格局与水源涵养安全格局分别划分为高、较高、中、较低、低5 个等级，并按较低值进行融合形成区域水资源安全等级格局。

2.2 洪水淹没模拟分析

为反映洪水淹没汇、周边受灾景观及风险等级，采用蓝点模型（bluespot models，BSM）进行洪水淹没分析，并据此构建翁源县域水灾害安全格局。BSM 是由丹麦公司（NIRAS 和COWI）利用GPS 系统与激光雷达技术融合生成的高分辨率景观模型创建的洪灾风险识别模型[29-30]。蓝点（BS）是大暴雨情况下易于积水或泛滥的区域，在景观学中称之为洼地或汇，可危及其中或附近的建筑。BSM 基于经典水文D8 汇流模型模拟降雨-产流-径流过程，计算特定地形区各流域单元内水文流向与流量，确定特定倾泻点下对应的蓝点体积[29]。利用BSM 创建蓝点地图不仅可以在高精度DEM 基础上识别景观汇与受影响建筑物或易受灾用地类型空间范围，也可以用来量化评估大暴雨事件下建筑物或特定用地的洪水风险[31]。BSM 包括蓝点识别（IBS）模型和识别蓝点填充值（IBFUV）模型，通过识别低洼蓝点区并计算填充蓝点体积的降水量，表征区域洪灾范围及面临洪灾风险较大的建筑物或特定用地。

BSM 模拟按以下步骤进行：1）ALOS DEM 修正。为标定水系准确空间位置，运用ArcHydroTools中的DEM reconditioning 工具，将测绘河流水系（DLG 25W）作为参考，写入到ALOS DEM 中，从而实现地形改善。2）识别蓝点范围及获取风险建筑填充值。提取研究区土地利用现状数据中的建设用地作为IBFUV 模型中的风险建筑（BD）或特定用地输入，采用修正后的ALOS DEM，设定模型输出空间并将掩膜设定为与翁源县域行政边界一致。3）BS 及BD 填充值（FUV）融合生成。将与蓝点范围接触的建筑物矢量（BDTBS）作为输入，获取与建筑物接触的蓝点范围矢量（BSTBD）中的FUV 属性。通过Update 命令工具将BDTBS 与BSTBD 融合更新。4）BS 及BD 的FUV 分级。将上述融合矢量转化为栅格数据后，采用自然断点法对FUV 属性进行分级，对应高、较高、中、较低、低5 个风险等级。FUV 越大风险越低，对应水灾害安全级别越高，反之则风险越高，对应水灾害安全级别越低。

2.3 水环境安全格局分析

参照文献[9,32]中的水环境容量计算方法，提出水环境载荷量计算方法，即通过径流量法计算评价单元年均水质现状浓度与目标浓度之差与地表水资源量的乘积来表征水环境载荷量。根据现有水功能区划水质目标取均值确定评价单元年均水质目标浓度，采用水质实测样点多年浓度均值插值获取全流域评价单元水质浓度。参考国家各级环境保护规划，选取化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）浓度表征翁源县水质状况。通过ArcGIS 软件的水文分析模块生成全域河网并划分小流域单元，根据实测取样点位所在河网欧氏距离缓冲生成样点插值障碍层，取二者交集形成评价单元，计算水环境载荷量并据此对水环境安全格局进行分级刻画。

对BasinATLAS_v10_lev09 与水文分析盆域范围进行融合修正，计算水模数，根据水模数计算单元年径流量。公式如下：

式中：q为水模数，108m3/(km2·a)；Q为年径流量，108m3；A为集雨面积，km2；QO为评价单元年径流量，108m3/a；AO为评价单元面积，km2。

采用含障碍核插值（kernel interpolation with barriers）方法对评价单元内样点实测COD 与NH3-N浓度进行插值，其中障碍参考研究区实际河流最大宽度选取样点所在河网ED 向外缓冲200 m 生成。水质载荷浓度计算公式如下：

式中：C为评价单元水质载荷浓度，mg/L；Ch为水质样点实测COD 与NH3-N 浓度插值，mg/L；Cs为评价单元所在水功能区年均目标浓度，mg/L。

样点水质载荷浓度采用极值法进行标准化计算，公式如下：

式中：CO为评价单元水质载荷浓度标准化值；Cmax和Cmin分别为评价单元COD 与NH3-N 载荷浓度最大值和最小值，mg/L。

采用径流量法计算水环境载荷量（P），公式如下：

采用自然断点法对P进行分级，将COD 与NH3-N 水环境载荷量划分为高、较高、中、较低、低5 个等级，取较低值融合生成水环境安全等级格局。

3 结果与分析

3.1 水资源安全格局

翁源县水资源安全格局如图2 所示。由图2(a)可见，水源地和水体低安全区主要为水源保护地，也是环境高度敏感区；较低安全区域分布于滃江及周边的九仙水、贵东水、龙仙水、周陂水、涂屋水及横石水6 个子流域水系，包括其间零星分布的水库，为翁源县主要江河湖泊水系网络组成部分。中、高安全区域分布在以上水网及水源地斑块的缓冲地带。由图2(b)可见，低安全水源涵养区主要分布于翁源县东北部的半溪市级自然保护区以及滃江上游支流溪半河—鲁溪水一带、西北部韶关沙溪省级自然保护区边缘地带，为翁源县重要的水源涵养区；中安全水源涵养区广泛分布于翁源县中、低山区，也是水源涵养林广泛分布区；高安全水源涵养区主要分布于翁源低丘盆地平原区，林地、绿地面积相对较少，水源涵养功能较弱。

图2 翁源县水资源安全格局Fig.2 Water resources security patterns in Wengyuan County

由图2（c）可见，翁源县综合水资源安全格局总体呈现越高敏感脆弱的重要水体、保护区、水源地及涵养林区越趋于低安全，而盆地平原区趋于高安全。低安全区主要分布于龙仙水、贵东水、上庙、丹竹坑、六户山、五指山和凉桥村等重要水源地以及半溪市级自然保护区、溪半河—鲁溪水等水源涵养林区、滃江及周边九仙水、贵东水、龙仙水、周陂水、涂屋水及横石水6 个子流域水系，包括其间零星分布的湖泊水库与坑塘区域；水资源中安全区主要分布于中、低山水源涵养林区以及以上水系网络的缓冲区；水资源高安全主要分布于低丘盆地平原区。

3.2 水灾害安全格局

翁源县水灾害安全格局如图3 所示。由图3（a）可见，低安全区多为滃江水系沿岸滩涂、河漫滩等不稳定区以及小型坑塘、沟渠与溪谷区，整体洼地填充雨水量为0～1 654 mm；景观蓝点汇中安全区多为填充速度中等的洼地区，整体洼地填充雨水量为1 654～9 070 mm；景观蓝点汇高安全区多为填充速度较慢的洼地区，整体洼地填充雨水量为9 070～996 000 mm。蓝点周边低安全区〔图3（b）〕为最易受水灾害影响的区域，多为耕地、园地、公路用地、其他草地、内陆滩涂和农村宅基地等；中、高安全蓝点周边区分别为较易和不易受水灾害影响的区域，受影响地类与低安全区类似。

图3 翁源县水灾害安全格局Fig.3 Water hazard security pattern in Wengyuan County

由图3（c）可见，翁源县综合水灾害安全格局总体呈现越靠近河流中、下游且周边人类活动越频繁强烈，水灾害安全越偏低，而河流中、上游及周边人类活动扰动微弱区，水灾害安全较高。低安全区主要分布在滃江中、下游—周陂水及其周边湖库群、贵东水、滃江上游—岩庄水库、九仙—坝仔水、横石水等水系及其周边受影响的耕地、园地、公路用地、其他草地、内陆滩涂和农村宅基地等地类，这类区域广泛分布于翁源县各镇；水灾害中、高安全区主要分布在滃江支流水系及周边湖库、洼地及周边受影响的耕地、公路用地、园地、工业用地、设施农用地和农村宅基地等。

3.3 水环境安全格局

翁源县水环境安全格局如图4 所示。小流域〔图4（a）〕评价单元内年径流量为4.61×104～663.81×104m3，其中年径流量较大的区域主要集中在滃江中上游及上游支流等区域。水环境指标载荷分析结果显示〔图4（b）（c）〕，翁源县水环境COD 与NH3-N 载荷具有相似的分布格局，高值区2 项指标浓度超过水功能区年均目标浓度较多，水质指标污染情况有加重趋势；低值区2 项指标浓度保持在水功能区年均目标浓度以下，水质指标情况良好；中值区2 项指标浓度维持在水功能区年均目标浓度左右，水质指标情况尚好。

图4 水环境安全格局Fig.4 Water environment security patterns

翁源县综合水环境格局〔图4（d）〕总体呈现滃江流域东南部与西部支流水系水环境安全较低，而其他区域水环境安全较高，这与县域东南部城镇集中发展和西部产业工业园快速扩张密切相关[33-34]。低安全区主要集中在贵东—大坪水、茶园河—滃江中上游、石角河—上空水及滃江下游上榕角—三叉坑水库汇集水系，这类区域不仅年径流量大，2 项指标载荷浓度也高，导致水环境载荷量较大；高安全区主要集中在滃江上游—鲁溪水—饶村河、石背河、涂屋水—九仙水及矾洞水及横石水下游区，这类区域不仅年径流量小，2 项指标载荷浓度也低，水环境载荷量较小，水环境相对安全；中安全及中低、中高安全区为以上区域之间的过渡区。

3.4 综合水安全格局

基于水资源、水灾害与水环境多视角分析翁源县综合水安全格局，如图5 所示。低安全区主要分布于重要饮用水源保护区、自然保护区、水源涵养区、滃江及支流等重要江河湖泊水体等生态敏感脆弱区，以及这类区域周边受影响的耕地、园地、公路用地、其他草地、内陆滩涂和农村宅基地等地类和水环境载荷量较大区域，低安全区应注重水资源保护、水灾害防治与水环境综合整治。中安全、中低安全与中高安全区主要分布于中、低山水源涵养林区、重要江河湖泊水系网络的缓冲区及其周边受影响一般的地类以及水环境载荷量适中区域，这类区域应注重水资源保护与维护、水灾害重点区防范与水环境保育。高安全区主要分布在低丘盆地平原区、重要江河湖泊水系的缓冲带外围及其周边受影响较小地类、水环境载荷量较小区域，高安全区应注重水资源维护、水灾害有效防范与水环境保育。

图5 综合水安全格局Fig.5 Comprehensive water security pattern

3.5 基于水安全的用地协调分析

为协调生产、生活与生态空间，整体谋划县域国土空间开发与保护格局，将综合水安全较敏感脆弱的低和较低安全区与建设用地、基本农田保护区进行叠加分析，获取县域水安全与建设用地和基本农田保护区冲突协调空间分布范围〔图6（a）（b）〕。低安全和较低安全区与现状建设用地冲突管控区分别占4.68%和2.48%，二者之和仅占7.16%（表2），且分布较为集中。冲突管控区集中在东部溪半河—鲁溪水、贵东水、龙仙水饮用水源保护区内的沿山公路、西北部铁龙林场铁矿开采破坏区以及龙仙县城、官渡、翁城和新江工业园等受人类活动影响强烈的扩张区，冲突区景观类型以林地为主〔图6（a）〕。与基本农田保护区冲突管控区分别仅占7.14%和5.33%，二者之和仅占12.5%（表2），且分布较为零散。除有少量基本农田位于贵东水饮用水源2 级保护区，需逐步退出外，其余主要零星分布于滃江上、下游及龙仙水、周陂水、涂屋水、横石水等支流河湖水系周边，且冲突区域主要分布于低安全区外的较低安全缓冲区〔图6（b）〕。

表2 综合水安全与用地协调统计Table 2 Coordination statistics between comprehensive water security and land use

图6 水安全与建设用地、基本农田保护区、生态保护红线及水土保持治理空间协调Fig.6 Coordination between water security and construction land,basic farmland protection areas,ecological conservation redline and soil and water conservation control space

将综合水安全低和较低安全范围与翁源县生态保护红线及水土保持治理空间范围进行叠加分析，结果如〔图6（c）（d）〕及表2 所示。低安全和较低安全区域分别占生态保护红线划定面积的35.32 %和59.35%，二者占比达到94.67%；低安全和较低安全区域分别占水土保持治理空间面积的24.44%和39.31%，二者占比达到63.75%。综上，研究区综合水安全格局与生态保护红线及水土保持治理空间有很好的契合度，符合研究区实际情况。

4 讨论

从水资源、水灾害和水环境综合视角探讨了县域综合水安全格局，从分析结果来看，研究区综合水安全格局中较敏感脆弱的低和较低安全区与建设用地和永久基本农田保护区均存在一定面积的冲突管控区，其中建设用地集中表现在人类活动强烈扩张区与水体周边林地的冲突，这与翁源县近年土地开发利用强度提升有直接关系[33-34]。与永久基本农田的冲突表现在零散的水系缓冲区带内，这与翁源县近年来大力推进垦造水田、高标准农田建设等农田水利建设实际情况一致[35-36]；研究区低安全和较低安全区占生态保护红线的面积达到94.67%，同时在水土保持治理空间占比达到63.76%，表明研究区水安全格局与相关保护规划和治理空间具有较好的契合度和一致性。

本研究构建的县域综合水安全格局仍存在一定局限。水资源安全格局中的水源保护区借鉴了常用的河流与湖库区的缓冲距离，并结合翁源县地理国情和三调现状水体数据宽度设定研究区不同水体缓冲宽度，因现有研究缓冲宽度尚无成熟而统一的标准[13-14]，因此水安全缓冲段的安全格局有待进一步细化明确。在水灾害安全格局探讨中，BSM 通过假设一定洪灾等级风险和相同的地面因素下的可容纳降水量（洼地填充值）来反映水灾害安全级别，该方法对于缺乏详细水文地质、洪灾历史资料区域具有快速、高效和实用的模拟效果，但由于该方法仅基于数字地形高程的水文参数换算，未考虑区域实际地表水文特征（如不同下垫面不同的降雨入渗产流参数[17]），因此需要结合详尽的水文洪灾资料和经验模型来进一步验证。水环境安全格局中，本研究构建水环境载荷量计算方法用以刻画研究区水环境安全格局特征，限于县域水质实测样点较少，采用水质浓度插值结果存在一定的不确定性，另外，限于实测样点观测数据不全，仅选取常用的COD、NH3-N 浓度来表征研究区水质状况，无法系统、全面地反映研究区水质特征。

对于水资源低安全保护区，水生态缓冲防护带具有阻控面源污染、保护水质、连接廊道等多种生态功能，水生态缓冲带宽度越宽，岸滨受人类活动干扰越弱，生态敏感性越低，水生态综合功能越强，因此合理选择水生态缓冲防护带对水资源低安全区至关重要，而中高安全区也应做好水源涵养功能的保育与维护。对于水灾害低安全区受水灾害威胁较大，应重点构筑河湖滨岸及低洼山坑蓄滞洪灾缓冲带，进行重点水体及周边易受水灾影响的耕地、园地、公路、工业用地等建设用地周边生态保护与修复，中、高安全区需做好景观隔离带等空间管制措施，同时也应注重水源涵养、水土保持等水生态维育功能的建设。对于水环境低安全区域应严禁各类污染物超标排放，进行综合整治以提升区域水质，中高安全区域应严格空间管制与系统整治，保障区域基本生活与产业用水质量安全。

5 结论

（1）翁源县水资源安全格局与重要水系、水源地和自然保护区的敏感脆弱程度及地形地貌紧密相关；水灾害安全格局与滃江水系上、中、下游位置及周边人类活动强烈程度直接相关，越靠近河流中、下游且周边人类活动越频繁强烈，水灾害安全越偏低；水环境安全格局与研究区人类活动造成的水系污染情况密切相关，研究区东南部城镇集中发展和西部工业园快速扩张是造成区域水环境安全偏低的主要原因。

（2）研究区综合水安全格局低安全区主要分布于饮用水源、自然保护区、重要水系廊道与水源涵养区及周边毗邻区等生态敏感脆弱区；中安全区主要分布于低安全生态敏感脆弱区的缓冲区，及其毗邻影响区域；高安全区主要分布于中安全缓冲区外围区域及其毗邻影响区。

（3）水安全主导下的用地协调分析表明，研究区综合水安全格局中的较敏感脆弱的低和较低安全区与建设用地和永久基本农田保护区存在较小面积的冲突管控区，且分别与土地开发和农田水利建设相关；与生态保护红线和水土保持治理空间的契合度较高，表明研究结果与相关保护规划和治理空间具有较好的一致性。