齊 靜，周春雷

(重慶市環(huán)境科學研究院，重慶 400020)

·水環(huán)境·

開州漢豐湖流域土地利用格局與水質相關性分析

齊 靜，周春雷

(重慶市環(huán)境科學研究院，重慶 400020)

選取位于長江三峽水庫小江支流回水末端的漢豐湖流域為研究對象，運用ArcGIS空間分析與統計分析方法，分析了漢豐湖流域河岸在不同緩沖區(qū)尺度的土地利用格局，并建立了河岸不同尺度緩沖區(qū)內土地利用與河流水質的關聯。結果表明：(1)林草地在各個緩沖區(qū)尺度內均對COD、NH3-H、TN、TP具有一定的削減作用，對水體質量保護起著積極作用。(2)建設用地、耕地在各個尺度緩沖區(qū)內與COD、NH3-H、TN、TP呈正相關，表明建設用地、耕地比重的增加會對水質保護產生負面影響。(3)建議為降低城市化進程對環(huán)境的負面影響，應優(yōu)化區(qū)域土地利用格局，合理規(guī)劃河岸帶，特別是500m 范圍內的城市緩沖帶。

漢豐湖流域；河岸緩沖區(qū)；土地利用空間格局；水質相關性

當今中國城市化發(fā)展迅速，城市人口壓力劇增，全國城市化面積迅速提高，新興城市和舊城改造隨處可見[1～3]。伴隨著城市化進程的加快，城市化過程也正在對周圍的生態(tài)環(huán)境造成現實或者潛在的威脅[4]，尤其在三峽移民工程的帶動下，三峽庫區(qū)城市發(fā)展速度遠超其他地區(qū)，這也為三峽庫區(qū)水環(huán)境安全帶來了極大威脅[5～7]。本文以三峽庫區(qū)腹心之地—開州漢豐湖流域為研究對象，探索快速城市化進程中，流域土地利用與水質的關聯，深入理解和認識城市化進程中流域土地利用結構的變化與規(guī)律；揭示在不同尺度條件下，流域水環(huán)境質量與土地利用之間的響應關系，對城市化區(qū)域土地利用及三峽庫區(qū)水環(huán)境保護具有重要的理論和實踐意義。

1 研究區(qū)概況

漢豐湖流域位于重慶市開州區(qū)新縣城，屬長江三峽水庫小江支流回水末端，行政區(qū)劃涉及20個鎮(zhèn)街，流域總面積約406.70 km2。由于三峽水庫蓄水后，水庫采用“蓄清排渾”的運行方式，在庫區(qū)范圍內形成了海拔介于145m～175m之間的水位消落帶，為最大程度地減緩消落帶的不利影響，保證地處三峽庫區(qū)腹心新城的生態(tài)環(huán)境安全，在開州新城下游3km處的烏楊村修建水位調節(jié)壩，正常蓄水位170.28m；建成后，水位消漲幅度由22.5m降至4.72m，從而形成獨具特色的“城市內湖”——漢豐湖[7]，見圖1。

圖1 漢豐湖地理位置Fig.1 Location of Hanfeng Lake

2 數據處理及研究方法

2.1 數據來源及預處理

研究所需的遙感數據主要來源于2012年6月的Landsat8 OLI影像，遙感影像的數據質量均較好，地物特征及氣候條件均較為明顯，可以較好的表現出研究區(qū)各類地物的特征，且研究區(qū)內云覆蓋較少，影像空間分辨率為30m，全色波段分辨率為15m。研究采用Landsat影像為基礎信息源，首先對數據資料進行質量監(jiān)測，對照影像選取控制點，利用圖像處理系統對影像進行幾何校正，以流域邊界為裁剪范圍，獲取漢豐湖流域的遙感影像，再對遙感影像進人工解譯及矢量化處理。本研究將漢豐湖流域分為5大土地利用類型，既是建設用地、耕地、裸露地、林草地、水域。研究區(qū)域2012年水質監(jiān)測數據由開州環(huán)保局環(huán)境監(jiān)測站提供。

2.2 流域水質現狀評價

2.2.1 監(jiān)測點位分布及評價標準

根據漢豐湖流域水體的特征，選擇9個監(jiān)測點，即巫山鄉(xiāng)斷面W1、滴水巖斷面W2、烏陽大壩斷面W3、鋪溪斷面W4、石龍船斷面W5、渠口斷面W6、木橋斷面W7、豐樂斷面W8、津關斷面W9；綜合考慮流域水環(huán)境主要污染因子，選擇COD、NH3-N、TP、TN等作為關鍵指標，取各個監(jiān)測點的豐水期、枯水期的平均值代表漢豐湖各子流域的水質情況；其水質監(jiān)測濃度及其空間分布情況如圖2。

根據《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)，及漢豐湖流域污染源調查情況，選擇COD、BOD5、溶解氧、TP、NH3-N、高錳酸鹽指數、總氮等7項作為現狀評價因子，見表1。

圖2 監(jiān)測點分布圖Fig.2 Distribution of monitoring points

2.2.2 水質現狀評價方法

評價方法采用綜合水質標識指數[8～11]，用污染分擔率[12]確定斷面的主要污染物；綜合水質級別評價標準見表2。

2.3 流域土地利用格局對水質的影響評價方法

本文研究借助GIS緩沖空間分析技術研究作用區(qū)內土地利用與水質之間的相關性。緩沖區(qū)采用以監(jiān)測點為中心的圓形緩沖區(qū)[13]。其中，以監(jiān)測點為中心的圓形緩沖區(qū)包括100m、200m、500m、1 000m、1 500m半徑等5種[14-15]；統計緩沖區(qū)內各類土地利用的構成，用于分析水質與土地利用之間的相關性。使用統計分析軟件SPSS17.0 分析土地利用結構與水質監(jiān)測數據的相關性，分別對土地利用類型面積比例和水質監(jiān)測指標進行正態(tài)檢驗，符合正態(tài)分布的數據使用Pearson相關性分析，不符合正態(tài)分布的用Spearman軼相關分析[15]。

表1 地表水環(huán)境質量標準值Tab.1 Standard value of surface water quality

表2 綜合水質判別標準Tab.2 Comprehensive standard for water quality

3 結果與分析

3.1 漢豐湖流域水質現狀及空間分布

3.1.1 流域水質現狀評價結果

根據開州環(huán)保局監(jiān)測站提供的數據，分析漢豐湖流域各監(jiān)測斷面水質評價結果見表3,表4。評價結果表明，漢豐湖流域滴水巖W2、烏陽大壩W3、石龍船W5、豐樂W8斷面水質為Ⅳ類，其他五個斷面水質均為Ⅲ類(即巫山鄉(xiāng)斷面W1、鋪溪斷面W4、渠口斷面W6、木橋斷面W7、津關斷面W9)；COD、TP、NH3-N、TN是影響漢豐湖河水質的主要污染物。根據現場調研可知，流域內點源污染較少，污染源主要來源于面源污染，即是農業(yè)施肥、地表徑流及水土流失等。

表3 漢豐湖流域各監(jiān)測斷面監(jiān)測結果Tab.3 The monitoring results of the monitoring sections of Hanfeng Lake

表4 漢豐湖單因子水質標識指數和綜合水質指數評價結果Tab.4 The evaluation results of single factor water quality indentification index and comprehensive water quality indentification index of Hanfeng lake

3.2 不同尺度緩沖區(qū)土地利用格局

將研究區(qū)不同尺度緩沖區(qū)與漢豐湖流域2012年土地利用圖在ArcGIS中進行疊加，得到各緩沖區(qū)內土地利用類型情況(表5，圖3)。由結果可知，在漢豐湖流域的9個監(jiān)測點的緩沖區(qū)范圍內，林草地所占比例較大，占總面積的23.26% ～ 38.69%；其次為建設用地，所占比例為總面積的21.47% ～ 30.17%；裸露地所占比例為總面積的16.01% ～ 30.97%；水域與耕地比重相對穩(wěn)定，分別為6.62% ～ 16.69%和7.63% ～ 11.70%。

表5 作用區(qū)各土地利用類型平均面積比例Tab.5 The average area propotion of various land use types in the function region (%)

圖3 不同尺度緩沖區(qū)土地利用結構分布Fig.3 The spatial distribution of land use structure

3.3 土地利用格局與水質相關性

對不同尺度的緩沖區(qū)范圍內的建設用地、耕地、裸露地、林草地4種土地利用類型的面積比例與主要影響漢豐湖流域的4個水質指標進行二元線性相關分析。由表6分析可知，建設用地、耕地與COD、NH3-H、TN、TP四種水質污染指標呈正相關，且在半徑為500米范圍內相關性顯著；裸露地在所有緩沖區(qū)與COD、NH3-H、TP水質指標相關性不顯著；林草地與COD、NH3-H、TN、TP四個指標呈負相關，且在半徑為200m分為內相關性顯著。整體而言，在半徑為500m作用區(qū)范圍內影響較大，相關性隨著距離的增加而減小。

究其原因，建設用地對水質的影響一方面來至于河道兩岸污水管網建設較不完善或存在破損等導致生活污水直排入河，造成河流污染；另一方面由于城市地表硬化程度較高，雨水沖刷將地表泥沙或污染物直接帶入河內，影響河流水質。根據流域土地利用分析，流域內河道兩岸耕地分布較多，由此可知，化肥農藥的使用對水質質量產生負面影響。流域范圍內，裸露地所占面積不大，據相關性分析，裸露地對各指標影響均不顯著，但裸露地導致的水土流失，仍然對COD、TN、TP的產生具有貢獻。而林草地對各指標具有積極的作用，主要由于林草地對地表污染物具有一定的緩沖作用，其根系對于河流兩岸的水土流失起著積極的作用。

表6 研究區(qū)土地利用類型與水質指標的相關性Tab.6 The correlation coefficients between land-use types and water quality parameters

續(xù)表6

土地利用類型半徑(m)CODNH3-HTNTP耕地1000.912**0.5050.719*0.859**2000.896**0.5730.735*0.816**5000.5930.2790.3990.63810000.5990.2010.2090.674*15000.4690.2250.2750.525裸露地1000.0150.123-0.4160.1192000.1360.142-0.4110.3205000.1780.177-0.4850.35210000.4410.121-0.1830.59515000.5410.207-0.0630.699*林草地100-0.434-0.390-0.041-0.422200-0.695*-0.444-0.189-0.726*500-0.368-0.151-0.040-0.2031000-0.432-0.263-0.001-0.2661500-0.381-0.274-0.028-0.193

注：“*”表示相關性顯著，“**”表示顯著程度較高。

4 結 論

林草地對水質具有顯著的正效應，在各個尺度緩沖區(qū)與COD、NH3-H、TN、TP存在負相關，表明流域內林草地所占比例越大，對于水體質量的保護起著積極作用，同時對于COD、NH3-H、TN、TP具有明顯的削減作用。建設用地、耕地對水質具有負效應，在各尺度作用區(qū)內與COD、NH3-H、TN、TP呈正相關，表明建設用地、耕地比重的增加有降低水質的趨勢。裸露地在所有緩沖區(qū)內相關性均不顯著。整體來看，呈顯著相關的水質指標，在500m緩沖區(qū)范圍內影響較大，相關性隨距離的增加而減小。

因此，本文建議為降低城市化進程對環(huán)境的負面影響，應優(yōu)化區(qū)域土地利用格局，合理規(guī)劃河岸緩沖帶，特別是500m范圍以內的城市緩沖區(qū)，提高緩沖區(qū)內的綠化面積，提高區(qū)域管網納污、處理能力，加強宣傳保護教育，減少氮磷等污染的排放。

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Correlation Analysis between Land Use Pattern and Water Quality in Hanfeng Lake Basin in Kaizhou County

QI Jing,ZHOU Chun-lei

(ChongqingAcademyofEnvironmentalScience,Chongqing400020,China)

This study selected Hanfeng lake basin in Kaizhou county as the research object, which is located at the centre of the Three Gorges Reservoir. ArcGIS spatial analysis and statistical analysis method were used to analyze the Hanfeng lake basin spatial pattern changes of land use, and established the correlation between the land use pattern of Hanfeng lake basin and river water quality in different buffer areas. The result show that: (1) There is a negative correlation between the concentration of TN, NH3-H, TP and COD and the forest, grassland in different scales; , which means positive effect on water quality protection. (2) Construction and cultivated land are positively related to the concentration of TN, NH3-H, TP and COD which shows that the increase of the proportion of construction and cultivated land has negative impact on water quality. (3) In order to reduce the negative effect of urbanization on environment, it is necessary to optimize regional land use pattern and properly plan riparian zone, especially the 500m bank city buffer zone.

The Hanfeng lake basin;riparian buffer; the spatial pattern of Land use; water relevance

2016-10-09

齊 靜(1989-)，女，重慶人，2015年畢業(yè)于重慶大學生態(tài)學專業(yè)，碩士研究生，研究方向為生態(tài)遙感。

X321

A

1001-3644(2017)01-0058-06