張 鵬， 高 斌， 施紅怡， 龔來存， 姜紅梅， 陳 鑫

(1.江蘇省水利廳， 江蘇 南京 210029； 2.南京大學(xué)， 江蘇 南京 210023；3.江蘇省水文水資源勘測局南京分局， 江蘇 南京 210008； 4.江蘇省水文水資源勘測局鎮(zhèn)江分局， 江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

太湖流域是我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程最為迅速的地區(qū)之一。城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，改變了地表水循環(huán)過程和污染源特征，對江蘇太湖平原地區(qū)水環(huán)境保護(hù)造成壓力。水環(huán)境安全問題是該地區(qū)長期以來的熱點問題，雖然在投入大量的資金用于太湖流域水環(huán)境治理后水質(zhì)在很大程度上得到改善，但是水環(huán)境壓力仍然較大，因此探討河流水質(zhì)變化特征和影響因素，對河流水環(huán)境保護(hù)具有一定指導(dǎo)意義[1]。土地利用類型變化是人類活動的一個重要特征，其中城鎮(zhèn)用地和農(nóng)田是對河流水質(zhì)影響最大的用地類型[2]，這兩種土地利用帶來的污染類型包括工業(yè)污水、生活污水和農(nóng)業(yè)污水等。

已有眾多學(xué)者開展了土地利用類型對河流水質(zhì)的影響研究，常見的研究方法包括統(tǒng)計方法和模型模擬方法兩類。整體上模型方法更能反映不同因素對河流水質(zhì)影響的機(jī)理，但是其需要包括水文過程要素在內(nèi)的大量數(shù)據(jù)，常露等[3]利用MIKE模型在梁溪河耦合模擬了水量和水質(zhì)的狀況。統(tǒng)計方法需要的數(shù)據(jù)則較為簡單，并且能夠反映多種類型要素對河流水質(zhì)的影響。常采用的方法包括了相關(guān)分析[4]、地理加權(quán)回歸[5]、冗余分析[6]、灰色關(guān)聯(lián)[7]等。同時在不同尺度上，土地利用等要素對河流水質(zhì)的影響也存在一定差異，常采用的尺度包括子流域[8]、河岸帶緩沖區(qū)[9-10]和站點緩沖區(qū)[11]等。在江蘇太湖平原地區(qū)快速城鎮(zhèn)化導(dǎo)致土地利用變化的情況下，開展土地利用對河流水質(zhì)影響研究，可以為水環(huán)境保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為太湖流域的平原地區(qū)，主要包括兩個水利片區(qū)，分別為陽澄淀泖區(qū)和武澄錫虞區(qū)，它們都位于江蘇省境內(nèi)，包括了常州市的中心城區(qū)、無錫市轄區(qū)、江陰市以及蘇州市的大部分區(qū)域。該地區(qū)基本為平原，區(qū)域內(nèi)河流水系發(fā)達(dá)，呈現(xiàn)網(wǎng)狀特征，2010年不同區(qū)域的河網(wǎng)密度范圍在為1.58～4.90 km/km2。由于區(qū)域內(nèi)的平原特征，早期農(nóng)業(yè)活動較為發(fā)達(dá)，同時該區(qū)域又適合城市發(fā)展，這些都為區(qū)域水環(huán)境狀況帶來一定壓力。

2 研究方法

本研究收集了研究區(qū)2003年、2009年和2015年的20個站點的水質(zhì)數(shù)據(jù)(圖1)，包含DO、TN、CODMn、NH3-N和TP。其他用地類型主要包括城鎮(zhèn)用地、農(nóng)用地(水田和旱地)和其他用地(包括林地和水域等)類型。下載Landsat TM影像用于解譯，考慮不同季節(jié)地物存在的差異，比較特定季節(jié)影像質(zhì)量差異，分別選取了2002年、2010年、和2015年的遙感影像用于解譯，分別對應(yīng)水質(zhì)的2003年、2009年和2015年。采用監(jiān)督分類方法解譯研究區(qū)土地利用類型，分類包括城鎮(zhèn)用地、水田、旱地、水域、林地和其他用地類型，分類精度分別達(dá)到87.54%、85.35%和87.72%。后根據(jù)研究需要和研究區(qū)實際狀況將各用地類型合并為城鎮(zhèn)、農(nóng)田和其他用地類型，針對性地分析城鎮(zhèn)用地和農(nóng)田用地變化對河流水質(zhì)指標(biāo)的影響。以水質(zhì)站點為圓心，分別提取其500 m、1 000 m、1 500 m和2 000 m圓形緩沖區(qū)以內(nèi)的土地利用情況，計算不同用地類型的占比。

圖1 研究區(qū)位置和水質(zhì)站點

主要采用斯皮爾曼秩相關(guān)方法分析不同時期不同土地利用類型對河流水質(zhì)的影響，該方法相較于皮爾遜相關(guān)適用范圍廣泛，對變量的分布形態(tài)、樣本容量大小要求較低，適合本研究使用。該相關(guān)系數(shù)的取值范圍為[-1,1]，當(dāng)結(jié)果小于0時表示二者負(fù)相關(guān)，結(jié)果大于0時表示二者正相關(guān)，結(jié)果為0時則表示二者不相關(guān)。

3 結(jié)果與討論

3.1 快速城市化下太湖平原地區(qū)下墊面時空演變特征

城鎮(zhèn)用地和其他類型用地面積在20世紀(jì)初至2015年間都呈現(xiàn)上升趨勢，而農(nóng)田面積則表現(xiàn)為減少的趨勢(圖2)。城鎮(zhèn)用地面積在2個階段分別增加了52.94%和27.39%，在第一個階段增加的相對幅度較大。但是比較2個階段城鎮(zhèn)用地面積減少的絕對值，可以發(fā)現(xiàn)后一階段的城鎮(zhèn)化發(fā)展速度高于前一階段，城鎮(zhèn)化的進(jìn)程加快了，分別達(dá)每年133.16 km2和168.55 km2，城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張迅速見表1。

表1 土地利用變化

圖2 不同時期土地利用

農(nóng)田面積在2個階段分別減少了22.38%和27.68%，在研究時間段內(nèi)穩(wěn)步下降。從20世紀(jì)初至2015年間共減少了約2 358 km2。農(nóng)田面積減少的過程同時還伴隨著區(qū)域內(nèi)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)活動的減少或轉(zhuǎn)移，以及農(nóng)業(yè)種植方式的變化[12]，共同減少了區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染。區(qū)域內(nèi)其他類型用地面積在該階段增加了約450 km2，主要包括區(qū)域的水域和林草地，這對研究區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要作用。

從轉(zhuǎn)移矩陣的結(jié)果來看(表2)，研究區(qū)內(nèi)的不同階段的土地利用變化轉(zhuǎn)出最多的為農(nóng)田，轉(zhuǎn)入最多的土地利用類型則為城鎮(zhèn)。在城鎮(zhèn)化發(fā)展過程中，大量的農(nóng)田用地被征用轉(zhuǎn)換為城鎮(zhèn)用地，用于居民生活、生產(chǎn)活動，研究區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)污染來源減少的同時，生活污水和工業(yè)污水來源增加，污染物的類型和來源途徑發(fā)生一定變化。農(nóng)田也有一定的規(guī)模轉(zhuǎn)換為了其他用地，說明在該地區(qū)退耕還林、還湖有一定的進(jìn)展，部分農(nóng)田轉(zhuǎn)為了林地和水域。同時研究區(qū)域內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖活動是居民生產(chǎn)和收入來源的重要方式之一，也會在一定程度上導(dǎo)致農(nóng)田的減少和其他類型用地的增加。

表2 土地利用轉(zhuǎn)換方式 單位：km2

平原地區(qū)的土地利用變化主要以城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張為驅(qū)動，其他類型用地基本圍繞城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張和農(nóng)田減少而發(fā)生變化，同時城鎮(zhèn)用地承載的生活污水和工業(yè)污水是水體污染的最主要來源[13]，因此研究城鎮(zhèn)用地變化對水質(zhì)的影響對該高速城鎮(zhèn)化區(qū)域具有重要意義。

3.2 城市化下太湖平原地區(qū)河流水質(zhì)時空演變特征

整體上研究區(qū)內(nèi)的水質(zhì)狀況呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢，具體表現(xiàn)為DO質(zhì)量濃度2003—2015年上升了，其他水質(zhì)指標(biāo)的質(zhì)量濃度則都下降了(圖3)。這表明江蘇太湖平原地區(qū)整體的河流水環(huán)境狀況好轉(zhuǎn)，河流水質(zhì)治理取得了一定的進(jìn)展，但是目前的河流水質(zhì)指標(biāo)狀況仍然不容樂觀。

圖3 區(qū)域水質(zhì)變化(圖中橫線代表不同水質(zhì)的類別限值)

根據(jù)我國(GB3838-2002)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》要求，采用單指標(biāo)評價法對研究區(qū)水質(zhì)進(jìn)行評價，可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)的河流水質(zhì)整體較差，在2003年95%的站點為劣V類水質(zhì)，2009年有85%的站點為劣V類水質(zhì)，2015年仍然有85%的站點為劣V類水質(zhì)，總氮指標(biāo)是制約水質(zhì)等級的重要指標(biāo)。然后在不考慮TN指標(biāo)的情況下，研究區(qū)內(nèi)達(dá)到V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求的站點從2003年的25%達(dá)到2015年的95%，此時氨氮成為制約該區(qū)域水質(zhì)等級最主要的指標(biāo)，因此氮污染是太湖平原地區(qū)最主要的污染物。在氮污染質(zhì)量濃度下降的同時，河流總磷質(zhì)量濃度也有明顯的下降趨勢，到2015年時所有站點的總磷質(zhì)量濃度都達(dá)到IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。在治理氮污染的背景下，控制磷污染也是太湖流域治理河流水環(huán)境的重要措施。

DO質(zhì)量濃度僅在2003年有15%的站點未達(dá)到V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在2003—2015年間DO的質(zhì)量濃度不斷上升，在2015年所有站點的DO質(zhì)量濃度都達(dá)到了III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)的水生態(tài)環(huán)境不斷改善。高錳酸鹽指數(shù)在2003—2015年間都沒有低于V類水質(zhì)的要求，研究區(qū)內(nèi)的有機(jī)物污染相對較低，同時其質(zhì)量濃度在研究時間段內(nèi)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，到2015年高錳酸鹽指數(shù)質(zhì)量濃度基本達(dá)到III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)內(nèi)有機(jī)物污染狀況改善明顯。因此太湖流域平原的水環(huán)境治理主要需圍繞氮磷污染治理開展，這也能有效遏制藍(lán)藻的生長與暴發(fā)。

3.3 太湖平原地區(qū)河流水質(zhì)演變驅(qū)動因素分析

在不同年份的不同土地利用尺度條件下，城鎮(zhèn)用地的占比與DO質(zhì)量濃度的相關(guān)性最為顯著，相關(guān)系數(shù)整體最高(表3)。城鎮(zhèn)用地占比與TP質(zhì)量濃度相關(guān)的顯著性略弱于DO質(zhì)量濃度，與TN質(zhì)量濃度的相關(guān)性只在2015年顯著，而城鎮(zhèn)用地占比與NH3-N和CODMn質(zhì)量濃度相關(guān)性不顯著，但是與NH3-N質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)整體大于CODMn。城鎮(zhèn)用地整體上與DO質(zhì)量濃度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與其他水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度皆呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，說明城鎮(zhèn)用地較大會導(dǎo)致水體DO質(zhì)量濃度較小，不利于水生態(tài)發(fā)展。城鎮(zhèn)用地與其他水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度則都為正相關(guān)，這說明城鎮(zhèn)用地占比較大的地區(qū)，水污染指標(biāo)的質(zhì)量濃度也較高，城鎮(zhèn)發(fā)展會對水污染防治造成更大的壓力。

表3 城鎮(zhèn)用地占比與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系

在500 m半徑的緩沖區(qū)尺度上，城鎮(zhèn)用地與水質(zhì)指標(biāo)間基本不存在顯著的相關(guān)關(guān)系。而在1 000～2 000 m緩沖區(qū)尺度上，不同年份城鎮(zhèn)用地與DO質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系，整體上尺度較大時相關(guān)性更強。城鎮(zhèn)用地占比與其他指標(biāo)的相關(guān)性在空間尺度上大部分呈現(xiàn)相似的規(guī)律，即500～1 000 m空間尺度上相關(guān)性較差，在1 500～2 000 m尺度上相關(guān)性較強，說明城鎮(zhèn)用地與水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度的關(guān)系具有較為明顯的空間尺度效應(yīng)，在一定大小的空間尺度上二者具有較好的相關(guān)性。

從時間變化上來看，城鎮(zhèn)用地占比與DO質(zhì)量濃度及氮污染指標(biāo)質(zhì)量濃度的相關(guān)性在2015年最好，尤其TN質(zhì)量濃度與城鎮(zhèn)用地關(guān)系從早期的不顯著，到2015年表現(xiàn)為顯著正相關(guān)。說明隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，城鎮(zhèn)用地占比對河流水質(zhì)的影響逐漸增強，因此需要控制城市污染排放，并合理規(guī)劃城市布局，降低城鎮(zhèn)用地的污染來源。2003年、2009年和2015年城鎮(zhèn)用地占比都在一定空間尺度上與TP質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，但是磷污染質(zhì)量濃度與城鎮(zhèn)用地在2003年后與城鎮(zhèn)用地相關(guān)性不顯著或顯著性下降，可能是受到19世紀(jì)末太湖流域“禁磷”措施的影響，伴隨著“禁磷”措施的逐漸嚴(yán)格實施，磷污染的來源和與土地利用的關(guān)系發(fā)生改變。

河流水質(zhì)變化是多種因素共同作用的結(jié)果，污染來源及其稀釋、運移、降解是影響河流水質(zhì)的直接因素。其中污染物的來源包括點源污染與面源污染受土地利用變化的影響較大。隨著城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張與占比增加，引起了生活污染、工業(yè)污染、交通污染等多個方面的問題[14]，如居民垃圾、車輛污染、建筑場地、工廠污染排放等，共同導(dǎo)致區(qū)域河流污染加劇。周海麗等[15]的研究認(rèn)為城市用地比例是影響河流綜合污染指數(shù)的主要因素。此外農(nóng)田的化肥與農(nóng)藥施用[16]是重要的面源污染來源，但是農(nóng)田對河流水質(zhì)的影響并非單一的，作為特殊的植被或濕地系統(tǒng)，其會對部分污染物起到吸附、吸收、滯留的作用[17]，在一定程度上可以改善區(qū)域水質(zhì)。此外自然因素中的降雨、溫度也會對河流水質(zhì)產(chǎn)生重要影響，其中降雨一方面對區(qū)域地表形成沖刷，將地表污染物運移至河流加劇污染[18-19]，另一方面則會稀釋污染物質(zhì)量濃度，對河流水質(zhì)影響具有不確定性[20]。因此不同因素對河流水質(zhì)的影響機(jī)制較為復(fù)雜，還需要更深層次的機(jī)理研究來量化不同因素的影響機(jī)制。

4 結(jié) 論

太湖流域的城鎮(zhèn)用地增加最為明顯，農(nóng)田面積減少最多，區(qū)域內(nèi)最主要的土地利用轉(zhuǎn)變類型即為農(nóng)田轉(zhuǎn)換為城鎮(zhèn)用地。

太湖流域的河流水質(zhì)2003—2015年逐漸改善，但是污染問題仍然嚴(yán)峻，氮污染是導(dǎo)致該區(qū)域水質(zhì)等級較差的最主要因素。城鎮(zhèn)用地在不同年份與DO質(zhì)量濃度都顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在2015年最大為-0.633，城鎮(zhèn)用地對區(qū)域的水質(zhì)整體狀況有重要影響。城鎮(zhèn)用地與TN質(zhì)量濃度的相關(guān)關(guān)系在2015年達(dá)到顯著水平，隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，可以發(fā)現(xiàn)城市用地對TN的影響增加。

城鎮(zhèn)用地與河流水質(zhì)的相關(guān)性在緩沖區(qū)半徑為1 500～2 000 m時較大，緩沖區(qū)半徑在1 000 m以下時相關(guān)性相對較小，因此在分析不同因素對河流水質(zhì)的影響時需要注意尺度效應(yīng)。在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中需要注重城鎮(zhèn)用地的規(guī)劃，在河流周邊控制城鎮(zhèn)用地的占比，可以有效降低河流污染。