不透水表面(Impervious Surface,IS)是城市空间扩张中形成的最重要地表类型,主要是指城市道路、建筑物屋顶、广场等地表水下渗较困难的人造地表[1-2]。不透水表面会引起许多生态过程的变化,如地表径流的增加[3]、土壤侵蚀加剧[4]和非点源污染加重等[5],是造成水环境恶化的主要因素之一[6]。有研究表明,不透水表面已成为研究城市景观特征及其生态环境效应的关键性要素,不透水表面覆盖率(Impervious Surface Cover,ISC)与水环境质量之间存在定量的阈值关系[7-9],基于不透水表面评价城市化带来的水环境效应是本领域的研究热点。滇池流域是云南省经济最发达、人口最密集以及城市化进程最快速的区域,这使得流域范围内不透水表面不断扩张,相应的入湖污染物增加迅速,水质恶化趋势明显[10],城市扩张而导致的非点源污染已成为滇池水体的主要污染源[11-12]。鉴于此,党中央、国务院将滇池的治理连续纳入国家“三河三湖”治理规划,云南省委、省政府把滇池的治理工作放在了云南省九大高原湖泊治理的第一位,昆明市政府也于2018年印发了《滇池保护治理三年攻坚行动实施方案(2018—2020年)》,加大力度对滇池的水体作进一步的治理和维护。因此,如何优化流域土地利用结构,使城镇建设与水环境保护协调发展,是昆明市这样的高原湖滨型城市实现可持续发展必须解决的重要问题。
要揭示城市化对水环境质量的影响,首先需要知道城市扩张的时空特征及其趋势。而城市扩张是典型的地理过程复杂系统,通常需要借助城市扩张模型来帮助人们理解其扩张过程与结果。元胞自动机模型(Cellular Automata,CA)是一种“自下而上”在时间、空间上都离散的动态模型,具有模拟复杂系统时空演化过程的能力,且容易理解和编程实现,所以该模型在近几十年来被国内外学者广泛应用于城市扩张模拟与趋势预测中[13-15]。目前大多数元胞自动机模型在模拟城市动态扩张时,采用了统一的用地转换规则来进行模拟,但是城市扩张是一种典型的具有空间异质性特征的土地利用演化过程,传统CA忽略了空间异质性对模型的影响,使模型容易出现过模拟或欠模拟现象,模拟结果与实际结果出现较大偏差[16]。解决空间异质性对元胞自动机模型影响的一种有效途径是建立元胞空间分区机制,其思想是:依据用地变化的空间异质性特征对元胞空间进行划分,使每一个分区内的元胞在刻画用地变化特征上具有更相似的属性,从而可以使每个分区的转换规则能够更准确地表达该区用地变化的驱动机制,进而提高元胞自动机模型模拟的精度[17]。可见,如何根据不透水表面扩张特点完成元胞空间的合理分区是提升城市扩张元胞自动机模型的关键。
另一方面,国内外针对于不透水表面覆盖率与水环境之间的关系已有大量研究[18-19],主要利用水文水质模型对区域内的不透水表面与水环境进行了模拟。常用模型有SWMM(Storm Water Management Model),SWAT(Soil and Water Assessment Tool)和L-THIA(Long-Term Hydrologic Impact Assessment Model)模型。国内董欣等[20]利用SWMM模型在城市不透水区对地表径流的参数进行了识别与验证,渠勇建等[21]利用SWAT模型对衢江流域径流进行了模拟,秦莉俐等[22]利用L-THIA模型分析了城镇化对径流的长期影响。国外,Barco等[23]利用SWMM模型对南加利福利亚一大型城市的非点源污染进行了模拟,Baker等[24]利用SWAT模型定量评估了流域土地利用变化对水资源的影响,Engel等[25]利用L-THIA模拟了城市化对湖泊水位的影响。尽管不透水表面与水环境效应的研究取得了诸多进展,但是由于大多水文水质模型的输入条件涉及水文、气象、下垫面等参数,校准和计算较为复杂,在数据不全、参数设置不恰当的时候,其模拟结果具有很大的不确定性[26]。
以上分析表明,如何在水环境数据获取困难和不足的情况下科学评价城市扩张的水环境效应是尚待解决的重要问题,而不透水表面与水质退化的阈值关系为解决该问题找到了可行的思路。不透水表面与水质退化的阈值关系是基于统计学方法对不透水表面覆盖率和水质变量进行建模,进而得出两者之间的经验方程。比如,杨昆等[8-9]利用流域土地利用变化分组研究了滇池流域不透水表面与非点源污染关系,发现了滇池流域水质退化的不透水表面覆盖率阈值; 刘珍环等[27]利用景观分组方法研究了城市不透水表面与河流水质退化的关系; Tenley[28]利用线性回归模型研究了不透水表面覆盖率与河流中pH值的阈值关系; Wang等[29]利用分段回归模型研究了不透水表面占比与河流水质的关系。这种关系为研究者从宏观视角揭示城市化的水环境效应提供了理论依据和可行方法。
基于以上研究背景,本文提出了一种基于双约束分区机制的城市扩张元胞自动机模型以及基于不透水表面覆盖率与水质阈值关系的城市非点源污染风险评价方法来揭示城市化发展趋势及其水环境效应。该方法的核心思想是利用双约束空间聚类方法划分元胞空间,进而构建城市扩张模型模拟不透水表面演变趋势,以不透水表面覆盖率与非点源污染程度之间的阈值关系为依据,通过计算不同尺度的水文响应单元下的不透水表面覆盖率来推算流域的非点源污染风险,以满足城市化水环境效应的宏观评估需求。
