郭雪梅

(哈爾濱師范大學)

0 引言

近些年來，由于多數地區(qū)的水環(huán)境受到污染，對土地利用類型與水質關系的探討越來越引起學者們的廣泛關注.方娜，王瑤等研究發(fā)現，退耕還林有利于改善水質，而聚集在水體附近的居民區(qū)卻會對水質造成污染[1-2].因此，人們對土地的利用類型對水質的好壞有一定的影響作用.張勇榮等學者通過對平寨水庫不同尺度土地利用結構與水質的關系進行探究，發(fā)現土地利用類型與水質之間的相關性比較顯著[3].此外，馮娜娜等學者研究了遼河保護區(qū)土地利用方式對河流水質的影響，發(fā)現遼河保護區(qū)各土地利用類型面積占比與河流水質指標間相關性較好，例如：NH3-N、TP、TN含量和COD與林地、草地面積的占比呈現負相關[4].在該文中，以松花江流域哈爾濱市段為研究對象，探討了哈爾濱市地區(qū)土地利用方式對松花江水質的影響，文章不僅從土地利用的角度揭示了松花江水質污染源，還為哈爾濱市土地利用現狀評價及水污染防控提供了一定的依據.

圖 1 研究區(qū)示意圖

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

哈爾濱市位于東經125°～130°與北緯44°～46°之間，是中國東北部最大的中心城市，是黑龍江省的首府，此外，它也是中國最大的城市管轄區(qū)，擁有最大的轄區(qū)和第二大人口(僅次于成都市)，總面積約為5384萬 km2.

松花江源自吉林省長白山天池，該市河段長約45 km，河面寬為400～600 m，水深達到4～7 m[5].河流補給的方式主要是雨雪融水.在4～5月，冰雪融化的水量補充了河水，形成春汛；而在6～9月期間，降水比較豐富，降水量可達到全年降水量的70%以上，形成夏汛；從11月～下一年的3月進入冰封期.

該文選取松花江流域哈爾濱市段(如圖1所示)作為研究區(qū)[6]，這其中主要包括主干流(哈爾濱市朱順屯斷面與大頂子山斷面之間的松花江干流，長約66 km)和兩條主要支流(哈爾濱市呼蘭區(qū)和阿城區(qū)內的呼蘭河和阿什河).

1.2 土地利用分類

使用US陸地衛(wèi)星Landsat4-5 TM影像數據和Landsat 8 ETM影像數據收集本研究所需要的遙感數據，對其進行輻射校正、大氣校正、波段融合、鑲嵌裁剪等預處理后[7]，通過ENVI軟件對遙感影像進行目視解譯，根據研究區(qū)實際情況，并參考中國現行土地利用分類標準和相關文獻土地利用類型分類方法，利用ENVI監(jiān)督分類模塊的最大似然法, 將土地分為水域、林地、草地、旱田、水田、建筑用地及未利用地6類.

1.3 水質檢測數據及方法

松花江流域哈爾濱市段水環(huán)境數據來源于哈爾濱市監(jiān)測站提供的實測值，該文主要利用的水質指標有4種：DO、NH3-N、TP和TN.利用經典統(tǒng)計學方法[8-9](均值、標準差、變異系數)分析松花江流域哈爾濱市段多年平均水質指標特征，并且比對同期該流域土地利用數據，建立擬合方程，探討土地利用類型與水質的關系.

2 分析與討論

2.1 土地利用分類變化分析

2.1.1 土地利用分類精度評價

利用ENVI軟件中的Region of Interest Tool工具，計算樣本的可分離系數，并通過Class Confusion Matrix對2010年和2017年遙感影像處理后的結果進行評估(見表1)，結果顯示，分類精度良好，滿足解譯要求.

表 1 土地利用類型分類精度

2.1.2 土地利用類型分布

2010年和2017年土地利用類型分布狀況如圖2所示.從專題地圖可以看出，建筑用地、旱田和水田都集中與松花江流域附近，哈爾濱市區(qū)幾乎被旱田所包圍，其中，建筑用地呈放射狀逐漸向四周擴大，而林地則較為集中的分布在阿城區(qū).

圖2 土地利用類型分布圖

通過ENVI軟件中Classification → Post Classification → Class Statistics工具分別對2010年和2017年的各種土地利用類型面積、面積百分比進行統(tǒng)計計算.面積計算結果見表2.

表 2 各年份土地利用類型面積 km2

2.1.3 土地利用變化趨勢

對松花江流域哈爾濱市段2010年和2017年土地利用類型變化進行計算分析，2010～2017年，林地面積持續(xù)減少，減少面積達302.1 km2，減少百分比為31.6%，主要流出方向為草地、旱田，二者面積在此期間內大幅增加.幾年內，松花江在此段水域面積減少，水田面積也因此減少，建筑用地由原來的987.74 km2增加至1292.29 km2，未利用地面積減少.

2.1.4 土地利用變化的驅動因素

由于經濟發(fā)展水平提高和產業(yè)結構不斷優(yōu)化，促進了土地利用類型的轉移和改變.隨著收入增加、人民生活水平的提高，居民對住房使用面積的需求也在不斷增加，各種工廠、公司的規(guī)模都在變大，因此，土地利用類型更多的會向建筑用地發(fā)生轉變.

人口的變化和人類活動是土地利用面積發(fā)生變化的一個非常重要的因素[6,10].研究表明，從2010～2017年之間，哈爾濱市的農業(yè)人口向城鎮(zhèn)人口轉移，建筑用地的使用面積不得不增加，因此大量的未利用地減少轉化為居民生活所需要的建設用地.

2.2 水質監(jiān)測數據分析

水質標準變異系數，能更好地體現每個監(jiān)測斷面水質指標的變化情況.其數學表達式為：

式中,σ為水質指標標準偏差，u為水質指標平均值.

分別計算研究區(qū)內2010年、2017 年6 個監(jiān)測斷面7 種水質指標的CV值，見表3、表4.

表3 2010年各監(jiān)測斷面不同水質指標CV值

表4 2017年各監(jiān)測斷面不同水質指標CV值

通過表3和表4得知，2010年，阿什河口下斷面與朱順屯斷面NH3-N的CV值變化最大，呼蘭河口內斷面各水質指標變化均較小，而阿什河口內斷面的含氧、總磷和氨氮的CV值變化較大.2017年，各斷面(除呼蘭河內斷面)NH3-N的CV值均小于2010年，除呼蘭河內斷面與朱順屯外，其他斷面總磷含量增加；阿什河口下斷面、朱順屯、大頂子山與呼蘭河口下斷面總氮含量的CV值小于2010年.總體來說，阿什河口內斷面水質改善明顯，而呼蘭河口下斷面的水質則發(fā)生惡化.

2.3 土地利用與水質的關聯分析

首先，利用ArcGIS軟件對松花江流域哈爾濱市段建立不同距離的緩沖區(qū)，劃分距離為100和500 m.其次，通過SPSS軟件，對不同距離緩沖區(qū)的土地利用類型面積百分比與水質指標進行相關分析，得到二者間的相關系數[11-14](見表5～表8).

表5 2010年100 m處土地利用類型與水質指標的相關性

表6 2010年500 m處土地利用類型與水質指標的相關性

表7 2017年100 m處土地利用類型與水質指標的相關性

表8 2017年500 m處土地利用類型與水質指標的相關性

2010年，在流域緩沖區(qū)100 m處，除水域外其他土地利用類型均與DO呈負相關，與NH3-N和TN呈正相關，其中旱田與NH3-N和TN呈顯著正相關；未利用地與TP含量呈負相關，其他土地利用類型則與TP呈正相關，其中旱田、水田與TP顯著正相關.在緩沖區(qū)距離500m處，水域與DO呈正相關，其他土地利用類型均與DO呈負相關；林地與NH3-N、TP、TN含量相關性顯著；水田與所有水質指標相關性顯著，與DO呈顯著負相關，其余則均為顯著正相關.

2017年，在流域緩沖區(qū)100 m處，水域與DO呈顯著正相關，其他用地類型與DO均呈負相關；水域與氨氮、總磷、總氮呈負相關，其他用地類型均與氨氮、總磷、總氮呈正相關；其中，林地、旱田與水質指標相關性顯著.在緩沖區(qū)距離500處，林地與水田與水質指標均有顯著的相關性，其中，林地、水田與DO呈顯著負相關，與其他水質指標均呈顯著正相關；除水域外，其他用地類型與TN呈正相關，林地、水田與TN呈顯著正相關[15-16].

從整體上來看，大尺度的林地和草地與NH3-N、TP、TN含量之間呈負相關，說明該兩種類型土地對水質具有一定的改善作用.而旱田、水田和建筑用地與NH3-N、TP、TN含量之間的正相關關系，則說明耕地、建筑用地是水質污染的主要來源[17].

3 結論

在該文中，以松花江流域哈爾濱市段為研究對象，探討了哈爾濱市地區(qū)土地利用方式對松花江水質的影響，發(fā)現有3點影響.

(1)耕地(水田、旱田)是造成松花江流域哈爾濱市段水質污染最主要的原因之一.由于耕地面積的不斷擴大，農業(yè)生產中使用的化肥、農藥的數量也在逐年增多，污染物質隨著地表水下滲、降水匯流等逐步匯入松花江流域，使水體受到污染.

(2)隨著建筑用地面積的增加，各種工業(yè)廢料、生活污水以及居民垃圾增多，未經過合理處理匯入松花江，加劇了水體污染.

(3)林地、草地在一定范圍內可以有效改善水質，降低松花江流域水體受到的污染，因此，為保護水環(huán)境，可進一步加強退耕還林、還草等措施[18]，優(yōu)化土地利用結構，加強對松花江水體的管理，保護水體.

該文不僅從土地利用的角度揭示了松花江水質污染源，還為哈爾濱市土地利用現狀評價及水污染防控提供了一定的依據.