在城市化快速发展的进程中, 土地利用类型及其下垫面的显著变化是引发城市内涝及面源污染的主要原因^[1~3].大量研究表明, 汇水单元内不透水面比例是影响城市地表径流水量水质的主要因素^[4~6], 且近年来许多学者力图探索不透水面积比例阈值对流域或汇水区水文响应的影响^[7].然而, 国内外关于透水/不透水面空间格局特征会如何影响城市面源污染过程(汇流及污染物迁移)的研究还比较缺乏.当前我国正全力推进海绵城市建设来控制城市内涝和面源污染问题, 其中低影响开发(low impact development, LID)措施作为最重要的技术手段可有效解决大概率小降雨事件带来的面源污染问题^[8].LID中很多类型措施可视为一种特殊透水地表, 但如何在汇水单元内合理空间布局(位置、组成和规模等)这种特殊透水地表实现最佳调控地表径流污染的研究还鲜有报道.

鉴于此, 本研究借鉴景观生态学中解决空间格局与生态过程的思路^[9~11], 通过选取合适的景观格局指数来分析汇水单元内透水斑块的空间分布和构型对水文过程与污染输出的影响, 揭示透水/不透水斑块静态空间格局与汇水区单元内径流污染输出动态过程的关系, 从而识别和评估透水/不透水表面空间构型(斑块面积、距离和形状等)对径流水量和水质的影响, 反推出汇水区内海绵工程设施(主要是LID措施)的合理空间布局、组成和比例, 以期为我国海绵城市建设提供科学指导.

深圳市龙岗区地处亚热带海洋性气候区, 多年平均降雨量为1 933.3 mm, 每年4~9月为雨季, 降雨量占全年的80%.为了研究典型透水/不透水格局特点变化给汇水单元内径流及污染带来的影响, 本研究选择了透水/不透水斑块比例和组成变化明显的大华工业区、社区工作站以及国际低碳城作为研究点(图 1), 各汇水区中不透水面占比分别为70%、60%和13%(表 1), 三者皆为LID改造后的分流制闭合汇水单元.其中大华工业区内硬质地表多为工业厂房与卡车通行道路, 低碳城内透水性地表多为绿地和花圃.

图 1

Fig. 1

图 1 研究区位置示意 Fig. 1 Locations of the studied areas

表 1 (Table 1)

表 1 各汇水区透水与不透水面所占面积及比例 Table 1 Respective area and proportion of pervious/impervious surface in catchments 景观类型 大华工业区 社区工作站 国际低碳城 面积/hm2 所占比例/% 面积/hm2 所占比例/% 面积/hm2 所占比例/% 透水 0.32 30 0.27 40 6.30 87 不透水 0.66 70 0.39 60 0.97 13

表 1 各汇水区透水与不透水面所占面积及比例 Table 1 Respective area and proportion of pervious/impervious surface in catchments

本研究基于深圳市龙岗河流域2019年3~7月共计16场自然降雨事件的降雨特征、径流水质水量特征的观测和分析.在大华工业区、社区工作站和国际低碳城各安装RG3-M型翻斗式雨量计进行降雨特征监测, 雨水总排口安装流量计自动监测水位和流量变化过程(图 2).同时, 在总排口按照5 min间隔采样4次、10 min间隔采样3次、20 min间隔采样3次及30 min间隔采样3次, 此后每1 h采样一次直至径流终止的步骤进行人工时间间隔采取水样.样品收集后立即转入室内进行分析, 未进行分析的样品进行预处理后放入冰箱中1~5℃暗处冷藏.径流水质的测定指标包括悬浮物(SS)、总磷(TP)、总氮(TN)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH₄⁺-N)、溶解态磷、溶解态氮和溶解态化学需氧量.溶解态指标需经0.45 μm滤膜抽滤后测定, 测定方法均采用国家标准方法进行分析(表 2).颗粒态指标为全态与溶解态的差值.

图 2

Fig. 2

图 2 各汇水区降雨径流监测样点示意 Fig. 2 Rainfall-runoff monitoring sites in respective catchment of study area

表 2 (Table 2)

表 2 化学分析方法 Table 2 Methods for chemical analysis 指标 方法 标准 SS 重量法 GB/T1 1901-1989 TP 钼酸铵分光光度法 GB/T1 1893-1989 TN 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 HJ 636-2012 COD 重铬酸钾法 HJ 828-2017 NH4+-N 纳氏试剂比色法 HJ 535-2009

表 2 化学分析方法 Table 2 Methods for chemical analysis

汇水区内场降雨径流过程某种污染物累积负荷(L, g)可用t时刻地表径流量与该污染物浓度的乘积的累积量来表示^{[12, 13]}：

式中, c_t为t时刻污染物的浓度(mg ·L^-1); q_t为t时刻径流流量(m³ ·min^-1); t为降雨径流持续时间(min).

景观格局指数常用来量化表征景观空间结构特征^[14], 本研究中采用景观格局指数来定量分析汇水单元内透水与不透水面的景观格局特征.计算步骤如下：①将汇水区下垫面类型分为透水面与不透水面(表 3), 两者用地类型呈互补关系, 本文主要单从透水面类型切入; ②基于雨水篦子的点位布设及微地形, 利用ArcMap和ArcSWAT软件结合泰森多边形法^[15]得出区域汇水面; ③结合实地建筑物及道路等, 对各汇水面进行手动细化调整, 并对其分成两种下垫面类型放在同一矢量数据库中, 将类型矢量数据转化为1 m×1 m的geo.tif格式的栅格图像; ④将各图像导入Fragstats 4.2软件中, 设置相关权重文件并选择参数^[16]; ⑤计算指数：本研究以斑块类型指数(class类)为主(表 4), 对城市地块汇水区单元上透水/不透水面格局进行分析.

表 3 (Table 3)

表 3 样点汇水区下垫面类型综合分类 Table 3 Classification of underlying surface types in study areas 类型编号 下垫面类型 下垫面类型描述 1 透水面 草地、灌木丛等 2 不透水面 硬质路面、硬质屋面、木板铺装

表 3 样点汇水区下垫面类型综合分类 Table 3 Classification of underlying surface types in study areas

表 4 (Table 4)

表 4 斑块类型尺度上景观指数描述[10, 17, 18] Table 4 Landscape metric and its formula and concept on class level 斑块类型尺度景观指数 公式1) 意义 本研究 表征分类 平均斑块面积(MPS)/hm2 某一种斑块类型的平均面积 破碎度 斑块密度(PD)/个·hm-2 单位面积上某一类型斑块的个数, 能够反映斑块分布的密集程度和景观的破碎化程度 破碎度 最大斑块指数(LPI)/% 某一类型的最大斑块在景观中所占比例 破碎度 平均斑块形状(MSI) 描述某种土地利用类型或单一斑块边界复杂性[19] 复杂度 景观形状指数(LSI) 描述某种土地利用类型或景观整体复杂化程度[20] 复杂度 内聚力指数 (COHESION) 衡量某种土地利用类型或景观斑块的物理连接度[21] 聚散度 分散指数(SPLIT) 反映同一景观类型的不同斑块个体的分布情况 聚散度 1)式中, CA为用地类型i的总面积(hm2), ∑Ni为景观中类型i所包含的斑块数量(个), ij为第i种用地类型的第j个斑块, aij为斑块ij的面积(hm2), Pij为斑块ij的周长(m), ei为类型i的边界总长度或周长(m), An为景观中栅格总数, A为景观总面积(hm2)

表 4 斑块类型尺度上景观指数描述[10, 17, 18] Table 4 Landscape metric and its formula and concept on class level

结合景观指数阐述生态意义, 将其进行分类：①PD和LPI, 该类指数可较好表征类型用地破碎化程度; ②LSI和MSI, 该类指数可较好表征类型用地形状复杂化程度; ③COHESION和SPLIT, 该类指数可较好表征类型用地聚散化程度.

利用Rstudio 3.5.1软件筛选出能够关联透水格局特征和汇水区单元内综合产流产污能力的景观格局指数.基于16场自然降雨事件的监测数据, 对汇水区径流总量(Q)和污染物累积负荷(L)与景观格局指数进行Pearson相关分析.

选取透水面类型指数包括:斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、平均斑块面积(MPS)、景观形状指数(LSI)和平均斑块形状(MSI), 用来分析各汇水区透水面空间格局特征.

对各汇水区内透水面破碎化程度分析, 发现大华工业区PD值最大达到18个·hm^-2 [图 3(a)], MPS值较小[图 3(b)], 说明该汇水区透水斑块间连通性低, 破碎程度较高; 社区工作站PD值与NP均值较小, 表明透水面破碎度较低.国际低碳城透水面破碎度较小, 透水斑块呈现较为集中的团状式, 这是由于低碳城内多为大片绿化景观, 其透水斑块面积基数大, 最大斑块面积值大, 导致MPS值最大.

图 3

Fig. 3

图 3 各汇水区透水面破碎度相关景观指数值 Fig. 3 Results of landscape metrics related to fragmentation of pervious surface in the catchments

对各汇水区的透水面轮廓及斑块形状分析, 发现大华工业区、社区工作站和国际低碳城的LSI值分别为5.90、3.64和7.67, MSI值分别为1.67、1.87和1.46(见图 4).相较于工作站, 大华工业区LSI值较大, 说明其透水景观轮廓较为复杂; MSI值较小, 说明其内部透水斑块分散但形状规则.工作站LSI值较低、MSI值较高, 是由于汇水区内部分透水斑块为偏离标准化的弯曲长条状灌木丛, 导致斑块形状复杂性梯度较大, 但因透水斑块布设较为聚集, 导致整体轮廓较为规则.

图 4

Fig. 4

图 4 各汇水区透水面形状指数值 Fig. 4 Results of landscape metrics on pervious surface shape of the study areas

将表征透水面破碎度、聚散度和复杂度的3类景观指数分别和汇水区单元的径流总量(Q)、污染物累积负荷(L)进行Pearson相关分析, 结果见图 5.其中, 污染物累积负荷(L)按污染物主要赋存状态分为溶解态污染物累积负荷(L_d)和颗粒态污染物累积负荷(L_p), 颗粒态污染物包括SS和TP, 溶解态污染物包括COD、TN和NH₄⁺-N.

图 5

Fig. 5

**表示P < 0.01为极显著性水平, *表示P < 0.05为显著性水平; 相关系数0.8~1.0为极强相关, 0.5~0.8为中度相关, 0.3~0.5为低度相关, 0.0~0.3为极弱相关; 样本量N=16个 图 5 径流总量和污染物累积负荷与景观指数的Pearson相关性热图 Fig. 5 Pearson correlation heatmap between total runoff, cumulative pollution load, and landscape metrics

透水面斑块密度(PD)和最大斑块指数(LPI)分别与汇水区排口径流总量(Q)及溶解态污染物累积负荷(L_d)呈正、负相关性, 与颗粒态无关(图 5).其中, PD值与L_d呈显著正相关(r=0.59, P < 0.05, 以COD计), LPI值与L_d呈显著负相关(r=-0.60, P < 0.05, 以COD计), 这表明以较大面积斑块为主的透水面破碎度越低, 汇水区单元产生的Q与L_d都有减少的趋势.这主要因为以细小状散乱分布的透水斑块相较于团聚状大斑块滞蓄效果差, 更易汇集径流向外溢出, 进而造成地表蓄渗和控污能力降低.L_d较L_p与表征破碎度的指数相关性更显著, 由于下垫面类型与特征(包括渗透率、微地形及粗糙度等)决定着地表污染物的累积程度及速率^[22], 而各汇水区下垫面特征相似且管网排水体制一致, 透水斑块面积小且破碎度较高时, 只要有径流, 氨氮等溶解态污染物就可以传输, 此时随流迁移过程中在地表停留时间较少, 导致径流中污染物总量增加^{[23, 24]}.透水面面积大且破碎程度较低时, 情况反之.颗粒态污染物传输需要一定的水动力条件^[25], 当雨强和径流流速超过地表物质的启动流速时, 颗粒态污染物容易从地表剥离^[26]; 而未达到启动流速时, 颗粒态污染物容易积存于地表, 所以颗粒态污染物此时可能受降雨强度的制约影响较大, 在破碎化程度上的相关性体现相对于溶解态较弱.

因此, 为提高汇水单元生态截流能力, 强化下垫面调蓄径流和控污作用, 建议适当降低透水面破碎度, 保留或增加大面积透水斑块.

透水面景观形状指数(LSI)和平均斑块形状(MSI)分别与Q及L_p呈现较为显著正、负相关性, 与溶解态的相关性均未达到统计显著性(图 5).其中, TP累积负荷与LSI呈显著正相关(r=0.61, P < 0.05);与MSI呈极显著负相关(r=-0.62, P < 0.01).这表明, 透水斑块形状越复杂, 透水面整体轮廓越规则, 汇水区单元产生的Q与L_p就会呈减少趋势.这主要是因为MSI值越大, 斑块沿边越曲折呈现不规则化, 降雨径流流经路程更长, 沿程损失增大, 透水单元对于径流及颗粒态污染物的运移能力减小; LSI值越小, 透水面整体轮廓愈趋于规则状(正方形), 且斑块趋于聚集分布^[17], 从而增加径流在斑块上的停留时间即增加滞蓄时间, 减少出口径流总量.未达到水动力条件的颗粒态污染物如SS与TP, 其颗粒态在长型复杂的传输路径上逐渐沉积下来, 最终进入管网的负荷大幅下降.

因此, 为使汇水单元内降雨径流量及污染量得到有效削减, 建议适当布设长条弯曲的不规则透水斑块, 以此延长径流及污染物的迁移路径.

透水面分散指数(SPLIT)和内聚力指数(COHESION)分别与Q及L_d呈正、负相关性(图 5).其中, 两指数分别与L_d呈显著相关性(r=0.6, r=-0.59, 以COD计).这表明, 透水斑块越聚集, 汇水单元产生的Q与L_d呈现减少趋势.这主要因为COHESION值越小或SPLIT值越大, 透水斑块间物理连接性降低, 松散分布的单个透水斑块对径流及污染物的容纳体积不够, 得不到周边近距离类型斑块的协同支持而对雨水及污染物削减过程不充分, 导致径流量及污染量呈升高趋势.相反, 当COHESION值越大或SPLIT值越小, 透水面主要以团聚状斑块群呈现, 斑块间连接度较高, 分布相对聚集, 近距离斑块对承纳力不足的斑块起到补充作用, 使得径流量及污染量得到有效削减.L_d较L_p与表征聚散化的指数相关性更显著, 这是由于氨氮等溶解成分迁移性较强, 氮素由“源”向“汇”的传输效率通常比较高^[27], 在下垫面坡度、渗透性及排水体制等条件差异性不明显时, 其削减所需的下渗条件与容纳体积紧密相关, 所以溶解态污染物累积量的多少也由此决定, 其对透水景观格局的调控响应敏感度更高.

因此, 为提高汇水单元的蓄渗能力以及延缓径流洪峰时间, 建议适当布设近距离的透水斑块群.

城市地块汇水区单元的地表径流及污染产生能力可能受到透水性下垫面破碎度、复杂度以及聚散度的共同影响.在斑块数量、面积、周长和距离等多因素的共同制约下, 径流总量与污染物累积负荷呈现不同趋势.透水面PD、LSI和SPLIT值降低, LPI、MSI和COHESION值升高时, 聚集且形状复杂的大斑块通过缩短透水斑块间距离和延长径流及污染物迁移路径, 使得径流及污染量有减小趋势.相反, 多以规则小状斑块散乱的透水格局在一定程度上支离透水面、多量化不透水面路径, 进而影响汇水区及整个单元地块雨水系统的服务容纳力.

综上, 小尺度地块下垫面格局规划中, 适量减少细小规则状透水斑块的散乱分布, 以不规则透水大斑块或斑块群为主, 以此增强地表径流调蓄和污染物削减效果.

国内外大量研究表明LID设施可以有效控制城市雨水径流污染, 对城市水环境治理及改善效果显著^[28~30].作为一种特殊的透水下垫面, 其格局与空间配置在地块上的呈现对于地表产汇流过程尤为重要.通常情况下, LID设施以绿色屋顶、透水铺装和雨水花园等布设最为常见^[31], 该类斑块大多依据规划自由散布, 基于LID斑块间破碎度、聚散度和形状复杂度考虑空间格局配置的情况少有研究.这种新型透水斑块作为地块尺度上解决面源污染问题的重要技术手段, 将其融入景观生态学中格局-过程概念, 并从空间配置、斑块属性及布设包括数量、面积、周长和不透水斑块共享边长等具体化参数考虑, 不失为一种新思路.

本研究样本量数目较少, 数据通过人工野外采集和实验室分析操作获取, 野外采集中降雨径流监测实行非常困难, 经过筛选, 一年最多可观测到7~8场有效降雨事件, 这导致研究成本极高, 研究点数量选择有限.本研究中径流量与指数的相关性并不显著, 主要是受到野外采集数据与样本量的影响.为提高准确性和可信度, 后续研究会通过增加样本量等方法进行验证.下垫面渗透能力的差异性, 会直接影响径流的形成过程^[32], 因此后续研究可根据渗透性的影响来细化下垫面分类, 丰富格局几何特征因素类别.

(1) 表征破碎度的斑块密度(PD)和最大斑块指数(LPI)分别与Q及L_d呈正、负相关, PD与L_d呈显著正相关(r=0.59, P < 0.05, 以COD计), LPI与L_d呈显著负相关(r=-0.60, P < 0.05, 以COD计).为增强汇水单元生态截留能力, 建议适当降低透水面破碎度, 保留或增加大面积透水斑块.

(2) 表征复杂度的景观形状指数(LSI)和平均斑块形状(MSI)分别与Q及L_p呈正、负相关性, 其中LSI与L_p呈显著正相关(r=0.61, P < 0.05, 以TP计), MSI与L_p呈极显著负相关(r=-0.62, P < 0.01, 以TP计).为有效调蓄地表径流及削减降雨径流污染, 建议在汇水单元内适当布设长条弯曲的不规则的透水斑块.

(3) 表征聚散度的内聚力指数(COHESION)和分散指数(SPLIT)分别与Q及L_d呈负、正相关性, 其分别与L_d呈显著相关性(r=-0.59, r=0.6, P < 0.05, 以COD计).为增加汇水单元的蓄渗能力和延缓洪峰时间, 建议适当布设近距离的透水斑块群.

(4) 在城市小尺度透水面格局规划上, 合理安排透水下垫面空间配置, 适量减少细小规则斑块的散乱分布, 增设较大的不规则斑块或斑块群, 对有效调控地表径流及污染具有积极影响.