聊城市坑塘特征分析及重要度評價

汪雪純，宋蘭蘭，張其成，李士軍

（1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2.泗洪縣水利局，江蘇 宿遷 223900）

0 引言

坑塘是指蓄水量小于10 萬m3，自然形成或人工開挖的較封閉的［1］，在地球上比湖泊覆蓋面積更多［2］的水體。與其他淡水水體相比，坑塘能為物種提供更多棲息地和營養物質，包括一些稀有的和受威脅的物種，是生物多樣性的熱點區域［3］。近年來，受城市擴張、農業集約化和環境變化的影響，不少坑塘被閑置、廢棄甚至變為垃圾場，數量正在不斷減少，如英國現存坑塘數量較19世紀下降了75%［4］，印度坑塘的減少損失了195 萬hm2灌溉潛力［5］，2000-2012年南昌市水庫坑塘和灘地減少最多［6］?？犹镣嘶蛦适O大限制了坑塘系統生態服務功能的發揮［5］。

坑塘不僅是國土空間的組成部分［7］，更是一項綠色基礎設施，其形態特征、空間分布決定了坑塘功能［8］，坑塘功能又與其結構相互作用、相互依存，使坑塘景觀成為一種可持續的水適應景觀［9］?？犹恋男螒B結構與空間分布可由坑塘面積、岸線發育系數、坑塘距河/湖庫距離、坑塘密度、周邊土地利用等因子來描述，這些因子影響著坑塘系統的生態服務功能［5］。YADAV［5］研究了印度坑塘現狀及其與經濟發展的關系，發現面積大的坑塘，其水資源、生境資源更豐富，更容易被保留下來；相同面積的坑塘，長寬比在3∶1 左右時水流更均勻［5］；坑塘岸線越曲折，物種多樣性越少［10］。距河/湖庫距離能夠對區域生物多樣性產生較大影響，距離越小，其生物多樣性和生態環境質量也越高［11］。USIO N［12］研究了不同用地對坑塘生物多樣性及水質的影響，發現周邊是林地的坑塘，更能發揮其生態服務功能。城市坑塘因熱島效應，其平均水溫比農村坑塘高3.04 ℃，溫度增高有利于苯酚等有害物質揮發，使得有害藻類大量繁殖，導致城市坑塘生態系統比農村坑塘更容易失衡［13］。JELIAZKOV等［14］研究表明，流域或區域內物種豐富度隨著坑塘密度的增加而增加。SONG等［15］利用衛星成像數據觀察發現60%的土地變化都與人類活動有關，人類活動改變了土地利用類型，繼而影響了坑塘面積和分布［16］。前人研究發現，與湖庫等大型水體相比，坑塘類微小水體在調蓄洪水［15］、保留養分［4］、緩解熱島效應［17］、魚類生產和養殖［3］等生態服務往往被低估，也未得到法律或政策的支持。隨著生態文明建設和鄉村振興的推進，人們逐漸意識到坑塘系統功能及效應的重要性［18］，加強了坑塘的治理保護，尤其是具有重要生態服務效益的坑塘，使其轉型成為所在城市的生態基礎設施［19］。

當前坑塘研究集中在宏觀上闡述坑塘的演變、時空分布特征方面，對坑塘本身特性及重要程度的研究較少?；诳犹撂匦匝芯科渲匾?，決定治理保護優先級別，在城鎮快速發展和土地資源約束環境下［20］顯得尤為重要。本文以聊城市坑塘系統為研究對象，利用衛星遙感資料研究聊城市坑塘格局和空間分布，開展聊城市坑塘重要度評價，根據不同重要度提出坑塘利用策略，保障坑塘的土地生態系統服務功能和效應。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

聊城市介于東經115°16′～116°32′和北緯35°47′～37°02′之間，系華北平原的一部分，屬暖溫帶季風氣候區，光照充足，溫度適宜，境內地形平緩，除東南部沿黃河一帶外，其余均為黃河沖積平原，地勢西南高、東北低，總面積8 628 km2，轄8 個縣（市、區）。全市多年平均降水量為560.32 mm。全年60%降水集中在夏季，易出現局部內澇，冬季降水少，不足全年的3%。地下水類型主要為淺層地下水、深層承壓水，地下水流向與地表傾斜方向基本一致。聊城市河流密集，水系眾多，坑塘湖泊散布，水域及水利設施用地483.34 km2，地理位置圖見圖1。

圖1 研究區地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the study area

1.2 土地利用數據來源

坑塘屬于面積較小的水體，使用低分辨率影像提取信息會產生信息丟失、邊界破碎等問題。Landsat 8 是美國國家航空航天局和美國地球物理調查局（USGS）共同開發的衛星系統，擁有比以前的衛星更高的分辨率和更廣泛的應用。本研究考慮到坑塘分布散，形狀復雜等特點，選取分辨率為30 m 的2021年6月云量少于20%的Landsat-8 衛星遙感影像數據，對每幅影像進行預處理，預處理包括大氣校正、去云處理、影像融合、鑲嵌裁剪；然后利用聊城市水利志、水利普查、骨干水利工程圖、聊城市1∶10 000 地形圖、野外土地利用調查數據，對提取的土地利用數據進行校正，得到聊城市土地利用狀況，如圖2所示。

2 聊城市坑塘特征和空間分布

2.1 坑塘特征分析

根據校正后的聊城市土地利用狀況，統計各區縣坑塘的面積、岸線發育系數、距河/湖庫距離等參數，繪制坑塘特征參數的分布直方圖、累積頻率，詳見圖3所示。

圖3 坑塘特征參數分布直方圖和累積頻率圖Fig.3 Histogram and cumulative frequency plot of characteristic parameter distribution in ponds

坑塘面積：坑塘的滯蓄、涵養水源、凈化污水、生境資源能力與其面積大小密切相關。面積越大，蓄水能力越強，對抗外界干擾的能力越強，提供水源和棲息地的物質和空間的能力也越大，生境資源越豐富，生態服務功能也越強。由圖3 可知，聊城坑塘面積中位數為0.002 95 km2，面積大于0.01 km2以上累積曲線變化趨向平穩，表明聊城坑塘面積分布整體比較集中，大于0.01 km2的坑塘較少；在直方圖和累積曲線中，0.03 km2以上坑塘的數量存在小的突變，主要分布在高唐縣，這表明坑塘面積大的相較于中等面積的坑塘更易被保留下來。

岸線發育系數：坑塘岸線長度與面積之比為岸線發育系數，反映了岸線彎曲程度與不規則程度［21］。當岸線發育系數≈1，坑塘形狀趨近于圓；≈1.25 時，坑塘形狀趨規則矩形；岸線發育系數≥2 時為河流型坑塘，岸線曲折度增加，詳見表1。圖3中，聊城坑塘岸線發育系數2 以下累積曲線增速快，大于2 累積曲線增速變緩。岸線發育系數的中位數為1.26，表明聊城坑塘形狀比較規則，岸線發育系數介于1～2 之間的坑塘被保留；岸線發育系數在2～3的河流型坑塘數量較少，岸線發育系數大于3的坑塘數量極少，結合坑塘面積的累積曲線可知，河流型坑塘的岸線曲折度增加，其景觀效應增強，提升了區域旅游價值而被保留下來。

表1 不同岸線發育系數的坑塘形狀Tab.1 Pond shapes with different shoreline development coefficients

距河/湖庫距離：反映了坑塘與主河道/湖庫之間的水力和生態廊道的連通性。距河/湖庫的距離越小，生物連通性，生物多樣性越高，生態環境質量也越高［22］。距河/湖庫的距離越小，破碎化程度越小，坑塘與大型水體的連接性也越強［23］。圖3 中坑塘距河/湖庫距離中位數為1 228.17 m，大多處于2 000 m 以內，50%的坑塘的距離在1 228.17 m 以下。研究發現，兩棲類動物的遷移距離通常為1 000 m，距離大型水體越近的坑塘，更容易作為兩棲類動物的繁殖點［24］。因此，聊城市坑塘距離大型水體的距離大多能夠滿足兩棲類動物的遷移。整體上，聊城坑塘距離主河道/湖庫的距離比較近，其蓄水或進行水資源的交換成本也越低，更容易發揮其生態系統服務功能。

2.2 坑塘周邊土地利用

結合國家土地資源遙感調查分類標準［25］和聊城實際土地資源類別，將聊城坑塘周圍土地利用分為耕地、農村居民地、城鎮居民地和林地［26］4種類型，統計坑塘個數、坑塘面積以及不同土地利用類型面積，詳見圖4。由圖4 知，聊城耕地面積占比高達71.43%，農村居民點和林地占比均在12%左右，城鎮居民點所占的比例僅為3.25%。從坑塘數量上看，63.13%位于耕地，23.53%位于林地，9.7%位于農村居民點，位于城鎮居民點的僅有3.64%。從坑塘面積上看，66.76%位于耕地，占坑塘總面積的2/3，17.93%位于林地，8.3%位于城鎮居民點，7.01%位于農村居民點。無論是數量還是面積，坑塘周邊以耕地為主，其次為林地。城鎮居民點中坑塘數量占比小于農村居民點，但面積占比卻大于農村居民點，城鎮居民點所擁有的坑塘面積大于農村居民點，也就是說在城鎮居民點的坑塘，面積大的更容易被保留。

各區縣坑塘個數和水面率如圖5。從坑塘數量上看，各區縣坑塘的數量均呈現耕地-林地-農村居住用地-城鎮居住用地依次遞減，其中東昌府區、茌平區、陽谷縣坑塘位于耕地的數量最多，其次高唐縣、東阿縣，冠縣、臨清市、莘縣則最少。位于林地的坑塘數量，除冠縣、臨清市、莘縣在500個以下，其余區縣林地坑塘數均在500～750 個之間，差異并不明顯。各區縣位于農村居民地和城鎮居民地坑塘個數均很少，且區縣間的差異不明顯。從坑塘水面率上看，高唐縣、陽谷縣的水面率較高；冠縣、莘縣的坑塘水面率較低；其余區縣坑塘水面率相差不大，均在5%左右。各區縣坑塘水面率大多遵循林地坑塘水面率（2%左右）＞耕地坑塘水面率（1%左右）＞農村居住用地坑塘水面率（＜1%）。城鎮居住用地的坑塘水面率在各區縣有較大差異，高唐縣、陽谷縣的城鎮居住用地坑塘水面率遠高于其他區縣。

圖5 各區縣坑塘個數、水面率統計圖Fig.5 Statistics of the number of ponds and water surface rate in each district and county

2.3 坑塘空間分布特征

核密度估計法是ArcGIS 中一種計算空間內的點狀或線狀地理空間要素的密度，利用自然間斷法將其分割為幾個不同值范圍，分析點或線狀要素的空間分布情況的方法［27］。核密度分析方法可以分析聊城市坑塘的空間分布疏密狀態，得出聊城市坑塘分布集中的地區。其表達公式為：

式中：f（x）是閾值范圍內的核密度值；h表示密度數值窗口的指定搜索半徑距離；n為指定空間范圍內坑塘的總數。

聊城市坑塘空間分布及核密度如圖6所示。在空間上，坑塘呈現北多南少、東多西少的分布，形成了6 個集聚區域。其中，東昌府區東北部、東阿縣中部以及高唐縣東北部的坑塘密度達10 個/km2，屬熱點區域，坑塘較多且分布較集中；茌平區北部、東昌府區西部與冠縣交界處、陽谷縣東北部坑塘密度在3～8個/km2，屬次聚集中心；西北部和西南部坑塘數量少且分散，坑塘密度約為1 個/km2。聊城坑塘分布與其地勢、水系分布是一致的，水系多的地方坑塘數量多。對比城區與農村的坑塘分布發現城區坑塘密度小于農村坑塘密度，尤其在東昌府區中心城區、東阿縣中心城區基本無坑塘。

圖6 聊城市坑塘分布圖和核密度圖Fig.6 Nuclear density map of the distribution of pits and ponds in Liaocheng City

3 坑塘重要度評價

3.1 評價指標體系的構建

坑塘作為典型的景觀要素和重要農業基礎設施，發揮著多種生態系統服務［26］?？犹恋淖陨硖匦院涂臻g分布決定著坑塘的功能?？犹辽鷳B價值突出，其重要程度高。在土地資源緊缺條件下，選取生態系統服務潛力大的坑塘，優先利用和保護，才能使得效益最大化。

坑塘特征包括自身形態和坑塘與周邊的水力聯系；坑塘形態可用坑塘面積和岸線發育系數描述，這是維持坑塘生態體系的物質基礎，坑塘與周邊的水力聯系可用距河/湖庫距離表示，反映坑塘與外界水生態連接程度?？犹林苓厾顩r反映陸域系統對坑塘的影響?？犹撩芏葎t是物種豐富度的重要影響因素之一。因此，從坑塘特征、周邊狀況和空間分布三方面構建坑塘重要度指標體系，詳見表2。

表2 坑塘重要度指標體系Tab.2 Index system of pond importance

3.2 坑塘重要度評價

坑塘重要度采用加權平均法進行評價，層次分析法確定權重。層次分析法是一種定性和定量相結合、系統化、層次化的主觀賦權方法，相較其他權重確定方法，更系統且方便［28］，被廣泛應用于多層級、多因素、難量化的分析決策系統。依據坑塘重要度指標體系的層次結構，構造成對判斷矩陣，計算指標層權向量并滿足一致性檢驗后，得到各指標層的權重，詳見表3。將坑塘各指標實測值加權平均后得到聊城市坑塘重要度統計表，見表4，用高斯函數擬合重要度頻率分布，如式（2），其中R2=0.99，做累計頻率擬合曲線，擬合結果見圖7。

表3 判斷矩陣Tab.3 Judgment matrix

表4 坑塘重要度統計表Tab.4 Table for importance rating of ponds

圖7 坑塘重要度得分頻率圖和空間分布圖Fig.7 Frequency and spatial distribution of pond importance scores

由表4、圖7 可知，大多數坑塘得分位于中間分段（4～5 分），且分別向左右兩側逐漸均勻下降，3.87 分以下的坑塘占10%，50%的坑塘重要度在4.61 分以下。從空間上看，聊城市坑塘重要度呈現北高南低，東高西低的趨勢，得分高的坑塘主要位于聊城市中部和北部，與坑塘分布規律大體一致。從區、縣層面上看，重要度得分高的坑塘位于東昌府區的最多，其次是茌平區、陽谷縣、高唐縣和臨清市，少量分布于東阿縣、冠縣和莘縣?？犹林匾鹊梅衷礁?，說明該坑塘無論是從自身特性還是所處空間，都具有更大潛力，可將此類坑塘作為坑塘網絡的核心優先考慮，發揮其生態系統服務功能。

3.3 坑塘利用策略

在國土資源開發和利用規劃時，可結合坑塘形態和空間分布和坑塘的重要度，確定其功能規劃和利用策略。由于大多數坑塘重要度評分大于4，僅10%坑塘低于3.87，為最大程度的保留坑塘系統，以累計頻率＞10%為坑塘分界點。

當坑塘重要度大于3.87，具有重要的生態系統服務潛力，是坑塘治理保護的重點，不得棄置或非法占用；對其開發利用時需結合坑塘形態特征及其空間分布來確定。面積大、形狀規整的坑塘可成為標準化養殖坑塘，結合聊城市特色，投放大宗淡水魚等水產進行養殖，也可以與種植蓮藕相結合，實現生態互補塘。岸線發育系數大的坑塘形狀更加多樣化，在城區可以承擔景觀游憩功能，營造有設計性的水景觀。距離河流湖泊近、面積大且形狀規整的坑塘，在農村可以承擔農業灌溉功能，在居民區可以承擔生活用水功能。

當坑塘重要度小于3.87，對其開發利用時需結合坑塘空間分布來確定。在東北部高坑塘密度區域，由于經濟和城鎮發展需要可結合全域土地綜合整治進行生態復墾，在農村可改造為農村耕地，在城市可進行填埋用于城市建設；但在西南部低坑塘密度區域，則盡量作為儲水塘、灌溉塘等保留。

4 結論

研究分析了聊城市坑塘特性和分布，評價其重要性，結論如下。

（1）聊城坑塘面積分布整體比較集中，大部分在0.01 km2以下；坑塘岸線發育系數中位數為1.26，形狀較規則，接近矩形；50%的坑塘距離主河道/湖泊水庫的距離在1 228.17 m 以內，有利于兩棲動物遷移，更容易發揮其生態系統服務功能。

（2）耕地周圍的坑塘在數量（63.13%）和面積（66.76%）上都遠大于其他用地類型。各區縣坑塘個數均按照耕地-林地-農村居住用地-城鎮居住用地遞減。高唐縣、陽谷縣的城鎮居住用地坑塘水面率遠高于其他區縣。

（3）聊城市坑塘總體分布情況為北多南少、東多西少。主要集聚中心東昌府區東北部、東阿縣中部以及高唐縣東北部的坑塘密度達10 個/km2；次要的聚集中心在茌平區北部、東昌府區西部和陽谷縣東北部，聊城坑塘分布與其水系分布是一致的。

（4）聊城市坑塘重要度得分分布呈現北高南低，東高西低的趨勢；分布符合高斯函數分布，重要度得分高的坑塘位于東昌府區的最多。對重要度得分＞3.87 的坑塘，結合坑塘形態和空間分布進行利用；對于重要度得分低的坑塘，可結合當地土地綜合整治規劃進行坑塘生態復墾。

研究中未考慮社會經濟、人口分布等影響；社會經濟快速發展會對坑塘分布狀況產生影響，在今后的研究中可選擇不同發展階段，開展坑塘重要度研究。