快速城市化进程中景观格局与水环境响应关系及其驱动机制研究

Rapid urbanization process has resulted in the increase of impervious surface and fragmentation of natural landscape. These unreasonable landscape changes are important factors for nonpoint source pollution and water quality deterioration in urban watershed. In this study, field sampling and model simulation are applied to analyze the spatial and temporal distribution characteristics in the highly urbanized Beiyun River watershed. Landscape metrics with hydrological orientation are also constructed to analyze the urban landscape pattern. Multivariate statistical methods are used to study the relationships of urban landscape pattern and water quality. Stable isotope method and model simulation were combined to further reveal the driving mechanism, landscape variables with significant impact on water quality are identified. Based on this, the impact of different landscape elements and their spatial configuration on water quality changes is modeled, in order to build up the optimization mode of urban spatial development, which will provide decision-making support to the ecocity construction and water pollution control.

城市规模迅速扩张引起不透水地面增加，自然景观破碎化，这些不合理的景观格局变化是导致城市流域非点源污染、水质恶化的重要因素。本研究以北京市北运河流域为例，采用野外实地监测和模型模拟相结合的方法，分析城市流域水质的时空分布特征，并构建具有水文方向性的景观格局评价体系，分析城市景观格局特征。通过多元统计分析方法探讨城市景观组成及空间配置与水质间的响应关系。利用同位素技术和流域水质模型模拟方法进一步揭示城市景观格局对水质影响的驱动机制，识别对水质影响显著的景观变量。基于此，探讨在不同城市发展情景下，不同景观组成及其空间配置对污染物浓度和负荷变化的影响，进而构建面向水环境质量改善的城市景观优化方案，为生态城市建设和水污染治理提供决策支持。

快速城市化及其景观格局变化是导致城市面源污染加重、水环境质量恶化的重要因素。然而土地利用的空间变化及景观结构对水质的影响机制尚不清晰。本项目以北京市北运河流域为研究区域，结合野外实地监测、稳定同位素技术和模型模拟等方法，研究了景观格局与水质响应关系及其尺度效应，定量解析了流域内营养物来源及其贡献率，识别出对营养物传输过程有显著影响的景观变量。结果表明：（1）自组织映射法和线性混合模型法能有效识别出高度异质化城市流域土地利用与水质响应关系的空间非稳态性特征。1000米河岸带缓冲区是对北运河水质影响最大的空间尺度。（2）流域内硝态氮的不同来源贡献率有明显季节性差异，硝态氮在干季主要来源于城市污水，而在雨季则表现为多种污染源的混合效应。（3）总体而言，陆源有机质对北运河悬浮颗粒态有机质的贡献大于内源有机质；不同城市发展梯度下，悬浮颗粒态有机质的来源比例存在时空差异。（4）构建了基于景观格局指数的水质模型，并识别出污染严重的热点区域主要位于中等到高度城市化地区； 量化并揭示了营养物来源组成（特别是未处理污水）的空间分布特征。（5）城市景观空间配置对营养物的陆水传输起重要作用。城市草地表现为营养物的“源”景观，林地与其他土地利用类型邻接性较好时表现为“汇“景观。本研究结果有助于深入理解城市流域景观格局对水环境质量的影响，对”源-汇“景观划分、城市景观规划以及水环境保护具有重要意义。