聶俊坤，徐 明

(1.北京市城市規(guī)劃設計研究院，北京市城規(guī)技術服務中心，北京 100045；2.北京首鋼建設投資有限公司，北京 100045)

城市淺山區(qū)指海拔低于一定高度的山區(qū)及平原與山地過渡地帶，屬于山地生態(tài)系統(tǒng)與平原生態(tài)系統(tǒng)的交錯地帶且具有豐富的物種多樣性，城市淺山區(qū)承載著統(tǒng)籌山區(qū)城鎮(zhèn)化及接受平原城區(qū)發(fā)展輻射的雙重職能，是維系主城市區(qū)發(fā)展建設的第一道“生態(tài)屏障”。城市淺山區(qū)與深山區(qū)相比，海拔相對較低，自然災害分布較少并更適宜于人類開發(fā)利用，即淺山區(qū)對于承載城市發(fā)展空間拓展功能具有重要價值[1]。然而，城市淺山區(qū)因土地退化風險高，通常屬于易誘發(fā)面源污染的脆弱土地類型區(qū)。因此，基于城市淺山區(qū)現(xiàn)有用地格局，綜合考慮淺山區(qū)面源污染物輸出風險防控，優(yōu)化淺山區(qū)水土資源利用空間配置，有助于挖掘淺山區(qū)水土資源開發(fā)潛在價值，從而促進城市淺山區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合效益發(fā)揮。相關學者針對水土資源開發(fā)利用空間優(yōu)化配置開展了一系列有益研究，俞孔堅[2]等通過構建城市淺山區(qū)景觀安全格局，探索了淺山區(qū)實施高效精細化開發(fā)與保護的原則。邸文正[3]等基于低影響開發(fā)模式闡述了淺山區(qū)雨洪利用及排放思路。李運遠[4]等基于海綿城市視角闡述了淺山區(qū)雨洪資源管理策略。上述研究對水土資源空間開發(fā)評價及土地資源優(yōu)化配置具有重要實踐價值，然而基于面源污染輸出風險防控開展城市淺山區(qū)水土資源利用空間格局優(yōu)化配置的研究尚需深入。傳統(tǒng)線性模型通常僅能從水土資源利用空間類型面積角度實施優(yōu)化，并難以適用于區(qū)域面源污染評估及土地資源空間優(yōu)化配置[5-6]。因此，結合城市淺山區(qū)表土淺薄疏松、人居壓力大以及生態(tài)環(huán)境保育要求高等特征，構建耦合GIS技術的城市淺山區(qū)水土資源利用空間格局線性優(yōu)化模型，探究不同水土資源利用空間格局下N、P面源污染物輸出風險，綜合考察最小污染物輸出量及最優(yōu)經(jīng)濟效益下的水土資源空間配置模式，以期為推動城市淺山區(qū)的面源污染防控及水土資源的可持續(xù)開發(fā)提供技術支撐。

1 城市淺山區(qū)水土資源利用空間格局優(yōu)化模型構建

1.1 水土資源利用空間格局綜合評估

通?？刹捎脤嵉販y繪及遙感調(diào)查等方式識別解譯城市淺山區(qū)水土資源土地利用類型空間屬性數(shù)據(jù)，同時可將植被覆貌、地質(zhì)地貌及流域下墊面近似的地塊合并為同一類型用地單元[7]。此外，基于單因素評估與綜合因素評估結合的方法評估水土資源利用空間格局適宜性。其中，單因素評估依據(jù)作用因素對用地的影響顯著性劃分適宜性等級并賦值[8-9]。同時，基于平均值法及制約因素法綜合評估水土資源用地因素，具體賦值規(guī)則為：①若待評估地塊各單因素評估值≥60分，則表明該類型地塊無顯著制約影響因素，可選取各單因素平均值作為待評估地塊綜合評估值；②若待評估類型地塊有單個或多個單因素評估值<60分，但各單因素評估值均值≥85分，則可賦值80分作為待評估類型地塊綜合評估值；③若待評估類型地塊有單個或多個單因素評估值<60分，但各單因素評估值均值<85分，則可選取影響最顯著的制約因素作為待評估類型地塊綜合評估值。其中，水土資源利用空間格局制約因素評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項待評估類型地塊綜合評估值；Dij—第i項待評估類型地塊中第j項評估因素評估值。

水土資源利用空間格局綜合評估模型架構如圖1所示。

圖1 城市淺山區(qū)水土資源利用空間格局綜合評估流程圖

1.2 水土污染物輸出綜合評估

選取N、P兩種主要污染物質(zhì)為研究對象，基于自然降水情境下針不同水土資源利用類型用地N、P污染物質(zhì)輸出量進行實地監(jiān)測。針對建設用地、綠地、林地、耕地以及荒坡等不同類型用地布設地表徑流試驗地塊(10m×10m)，采用布設在試驗地塊出口處徑流采集裝置收集混有N、P面源污染物質(zhì)以及泥沙的地表徑流。之后將雨水測樣經(jīng)酸化后測定待評估實驗地塊泥沙、TN以及TP含量，每種待測地塊污染物測試重復5次。

1.3 水土資源利用空間格局優(yōu)化模型

基于城市淺山區(qū)水土資源利用空間格局適宜性綜合評估構建優(yōu)化模型，在尋求多規(guī)劃目標最優(yōu)解基礎上，推求待評估地塊各水土資源利用類型最優(yōu)占比，同時基于GIS綜合優(yōu)化待評估地塊水土資源最優(yōu)空間格局，城市淺山區(qū)水土資源利用空間格局優(yōu)化模型如下式[10-12]：

(2)

式中，minM1(x)—典型年待評估地塊N、P污染物質(zhì)輸出量最小值，mg；maxM2(x)—典型年待評估地塊最大土地經(jīng)濟效益值，元；xi—i類型用地所占面積；ai—i類型用地N、P污染物質(zhì)單位土地面積輸出量，mg/(a·m2)；bi—i類型用地單位土地面積經(jīng)濟效益值，元/(a·m2)。

則城市淺山區(qū)水土資源利用空間格局優(yōu)化模型邊界約束條件如下式[13-15]：

(3)

式中，A—待評估地塊總面積；xi—i類型用地所占面積；gi—i類型用地適宜性評估系數(shù)。

2 應用實例

2.1 研究區(qū)概況

選取我國北方某城市具有典型代表特征的淺山區(qū)待規(guī)劃水土資源空間作為研究區(qū)域，該地塊處于溫帶季風性氣候區(qū)，多年平均降水量約為685mm，地塊海拔高度約為126～149m。研究區(qū)域土壤類型基本以褐土及棕壤土為主，總面積約為1.8hm2，其中林地約占10.2%，耕地約占24.3%，園地約占34.6%，農(nóng)村居民點用地約占12.5%，未利用土地約占18.3%，待規(guī)劃水土資源空間山坡臺地占比較高且易發(fā)生集中降雨條件下的水土資源流失問題。因此，有必要通過優(yōu)化待規(guī)劃水土資源利用空間格局，合理配置該地塊水土資源空間類型。

2.2 水土資源利用空間格局綜合評估

依據(jù)待評估地塊下墊面產(chǎn)匯流條件，選取可反應區(qū)域水資源保障能力特征的供水距離、土壤特征中土層厚度、地貌特征中的地形坡度作為單因素評估因子，基于單因素評估法評估地塊土地利用空間格局適宜性，待評估地塊不同水土資源空間利用類型各單因素適宜性評估值見表1—2。

表1 供水距離單因素等級適宜性評估值 單位：m

表2 土層厚度單因素等級適宜性評估值 單位：m

基于平均值法及制約因素法綜合評估待評估用地各單因素，結合水土資源利用空間格局適宜性評估結果，將待評估地塊不用利用類型用地劃分為較差適宜性、臨界適宜性、良好適宜性以及高度適宜性四組適宜性等別，依據(jù)作用因素對用地的影響顯著性賦值，見表3。

表3 待評估地塊不同利用類型用地適宜性等級及賦值 單位：m2

2.3 土地N、P污染物輸出量綜合評估

選取典型平水年2016年6—10月份降水條件，統(tǒng)計研究區(qū)10場有效降水下各徑流收集點N、P污染物流失量推求待評估水土資源空間不同土地利用類型用地N、P污染物年總輸出量。10場有效降水特征值及待評估水土資源空間不同土地利用類型用地N、P污染物年輸出總量見表4—5。

表4 有效降水特征值

表5 待評估水土資源空間不同土地利用類型用地N、P污染物年輸出總量

2.4 水土資源空間利用格局優(yōu)化

2.4.1模型參數(shù)及約束條件

基于構建的城市淺山區(qū)水土資源空間利用格局優(yōu)化模型，選取待優(yōu)化地塊土地經(jīng)濟效益最大化以及地塊N、P面源污染物輸出量最小化兩組目標，依據(jù)上述不同水土資源空間利用類型適宜性評估值，推求待優(yōu)化地塊不同利用類型用地最優(yōu)組合。模型約束條件如下式：

式中，林地、耕地、園地、以及農(nóng)村居民點用地約束面積下限值由待評估各類型地塊現(xiàn)有最優(yōu)使用面積確定；林地、耕地、園地、以及農(nóng)村居民點用地約束面積上限值由臨界適宜性、良好適宜性以及高度適宜性面積之和求得；未利用土地約束面積由較差適宜性及臨界適宜性面積之和求得。

水土資源空間利用格局優(yōu)化模型N、P污染物輸出系數(shù)及土地經(jīng)濟效益指數(shù)見表6。

表6 模型N、P污染物輸出系數(shù)及土地經(jīng)濟效益指數(shù)

2.4.2土地利用空間格局優(yōu)化方案

基于待評估水土資源空間現(xiàn)有土地利用格局，遵循各評估類型地塊N、P污染物輸出特征，城市淺山區(qū)水土資源空間利用格局優(yōu)化模型對各類型地塊最優(yōu)面積推算結果見表7。

表7 水土資源空間利用格局現(xiàn)狀結構與優(yōu)化方案對比

由表7可知，待評估水土資源空間土地利用格局經(jīng)過優(yōu)化，林地、園地較原土地利用結構分別增加了135.7%與42.1%，耕地、農(nóng)村居民點以及未利用土地較原土地利用結構分別削減了48.7%、12.4%以及82.1%。同時，優(yōu)化方案將地塊內(nèi)河道周邊未利用土地及耕地面積削減，從而在實現(xiàn)N、P污染物入河量的同時，有效防控了地塊內(nèi)的水土流失風險。此外，優(yōu)化方案將地塊內(nèi)園地、耕地及農(nóng)村居民點用地集約規(guī)劃，剔除了耕地、園地及農(nóng)村居民點用地中散布的未利用類型土地面積，從而實現(xiàn)了N、P污染物年輸出總量削減82.1%以及土地節(jié)約管理的目標，其中未利用土地面積的削減為全地塊N、P污染物輸出量的削減貢獻值最高。

優(yōu)化方案使待優(yōu)化水土資源空間不同利用類型土地集中連片，其中林地、園地經(jīng)濟效益分別提高135.7%與42.1%，從而削減了經(jīng)營成本并有助于連片管理。耕地、農(nóng)村居民點用地經(jīng)濟效益分別削減48.6%與12.4%，而全地塊總體經(jīng)濟效益提升了15.3%，其中園地面積的增加為全地塊經(jīng)濟效益的提升貢獻值最高。

3 水土資源空間開發(fā)保護策略

3.1 強化水土資源流失治理力度

針對城市淺山區(qū)土層相對較薄、水土資源發(fā)育時間相對較短以及降雨侵蝕強度高等問題，應通過工程性水土保持措施削減淺山區(qū)坡面侵蝕量，同時，可采用培植水土保持涵養(yǎng)林地等措施有效阻控水土流失入河污染量。此外，可通過坡改梯、梯級配置供蓄水池、改進種植農(nóng)藝方式、攔蓄坡面徑流等措施綜合治理淺山區(qū)坡耕地，從而削減坡面侵蝕誘發(fā)的泥沙污染量。針對礦區(qū)開采、棄渣、棄土造成的水土資源污染問題，可通過優(yōu)化設置尾礦庫、布置攔塵網(wǎng)、培育生物緩沖帶以及土壤污染生物治理等措施降解水土污染物質(zhì)并削減淺山區(qū)面源污染物輸出量。

3.2 劃定水土資源空間開發(fā)邊界與生態(tài)紅線

針對城市淺山區(qū)水土資源的開發(fā)應基于集約開發(fā)以及生態(tài)保護等原則，可通過劃定土地開發(fā)邊界并設立生態(tài)保護用地等措施，從而有效控制人為開發(fā)強度并將生態(tài)設施落實在各水土資源開發(fā)空間類型之中。同時，為統(tǒng)籌淺山區(qū)水土資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護協(xié)調(diào)性，可通過征收淺山區(qū)生態(tài)保護專項稅費以及給予項目生態(tài)經(jīng)濟補貼、資源扶助補償?shù)确绞剑⒔∪珳\山區(qū)水土資源開發(fā)多元化生態(tài)補償機制，從而促進城市淺山區(qū)水土資源開發(fā)與生態(tài)保護的協(xié)調(diào)實施，促進構建淺山區(qū)各類型用地空間中面源污染源頭生態(tài)治理體系。

3.3 創(chuàng)新水土資源空間開發(fā)模式

城市淺山區(qū)作為承載城市水土資源空間開發(fā)外延壓力的重要載體，可采用集約節(jié)約以及精細化水土資源開發(fā)模式實施具體建設。目前，城市淺山區(qū)受制于擴張型、粗放式開發(fā)模式的慣性影響，部分區(qū)域?qū)嵤\山區(qū)水土資源開發(fā)時仍舊存在高強度、低效益、重開發(fā)、輕保護等問題，造成淺山區(qū)相當數(shù)量低產(chǎn)出閑散土地的存在。因此，有必要通過整合淺山區(qū)廢舊礦區(qū)、分散村鎮(zhèn)居住區(qū)水土資源以及創(chuàng)新水土資源空間開發(fā)模式，統(tǒng)籌兼顧區(qū)域生態(tài)環(huán)境資源在水土資源開發(fā)中的效益，從而在實現(xiàn)集約規(guī)劃開發(fā)淺山區(qū)多類用地的同時，提升區(qū)域水土資源空間開發(fā)投入產(chǎn)出效益以及生態(tài)反哺效能。

4 結語

基于不同土地利用類型地塊單因素與綜合因素評估方法實施地塊適宜性評估具有較強適用性，耦合了GIS與線性規(guī)劃原理的土地資源優(yōu)化模型可在滿足各類型用地面積約束邊界條件基礎上，可合理優(yōu)化配置土地資源空間格局并實現(xiàn)地塊內(nèi)N、P面源污染物輸出總量的削減。統(tǒng)籌考量地塊面源污染物輸出總量最小化與地塊經(jīng)濟效益最大化雙重規(guī)劃目標，可有效辨識影響地塊經(jīng)濟與環(huán)境效益發(fā)揮的主要因素，并有助于實現(xiàn)保護城市淺山區(qū)生態(tài)環(huán)境與水土資源安全。研究可為城市淺山區(qū)土地利用空間格局方案優(yōu)化及區(qū)域水土資源修復提供決策依據(jù)。