太湖平原地区不同土地利用类型对水质的影响

摘要：为探讨不同土地利用类型对太湖流域水质状况的影响，以太湖腹部平原区为例，基于典型年地表河流水质监测数据，结合TM影像解译结果所反映的土地利用状况，分别从区域和水质站点周边缓冲区两个方面，计算不同土地利用类型与水质状况的灰色关联序，以反映土地利用类型对地表水质的影响，为太湖腹部平原区的土地利用与水污染防治提供参考。结果表明：河流水质整体上与土地利用类型的灰色关联度最大的是城镇用地，其次是水田和旱地，水域和林地的灰色关联度最低；丰水期、枯水期的不同水质指标与土地利用的灰色关联序有一定区别，而水质站点缓冲区土地利用为样本时，水质指标受城镇用地影响最大，其次为耕作用地，最低为水域。关键词：河流水质；土地利用；缓冲区；丰水期；枯水期；灰色关联中图分类号：X52文献标志码：A文章编号：1672-2043（2017）06-1186-06doi:10.11654/jaes.2016-1511EffectsoflandusechangesonwaterqualityoftheplainareainTaihuBasinGAOBin1,XUYou-peng1*,WANGQiang1,YANGJie1,SHENShun-zhong2,XUXing2（1.SchoolofGeographicandOceanographicSciences,NanjingUniversity,Nanjing210023,China;2.WuxiBranchofHydrologyandWaterResourcesSurveyBureauofJiangsuProvince,Wuxi214031,China）Abstract：ThewaterenvironmentinTaihuLakePlainhasbeengettingworseinrecentyears.Toimprovethesituationofthiswaterenviron原ment,theeffectsofdifferentlanduseandlandcover（LULC）onwaterqualityshouldbestudied.TaihuLakePlainwaschosenasthestudyareabecauseofitsrepresentativeness.Basedonsurfacewaterqualitymonitoringdatainatypicalyearandlanduseandlandcover（LULC）,thegreyrelationalorderbetweenLULCandsurfacewaterqualitywascalculatedthroughGreyRelationalAnalysis（GRA）.ThesimilaritiesbetweencurvesdrewfromthedataofLULCandwaterqualityindiceswerecomparedtodeterminethegreyrelationalorder.Circlebufferzones（200,500,1000,1500,2000m）ofsitesanddividedareasweresetassamplestocalculatethegreyrelationalorderwhichcanreflecteffectsofLULConsurfacewaterquality.ThegreyrelationalorderbetweensurfacewaterqualityandLULCwasurbanlanddrylandorpaddyfieldforestlandwaterarea.Thegreyrelationalordersofwaterqualityindicesweredifferentbetweenthedryseasonandthewetseason.Surfacewaterqualitywasaffectedbyurbanlandmostandbywaterarealeastwhenbuffersofwaterqualitymonitoringsitesweresetasexamples.Thisresearchprovidesreferencesforlandusechangeandwaterqualityprotection.Datawithmoredetailsshouldbecollectedinafurtherstudy.AmechanismmodelisneededtoexplainhowLULCaffectssurfacewaterquality.Keywords：riverwaterquality；landuse；bufferzone；wetseason；dryseason；GreyRelationalAnalysis收稿日期：圆园16原11原28作者简介：高斌（1993—），男，江苏南京人，硕士研究生，从事水文学与水资源研究。E-mail:[e-mail]*通信作者：许有鹏E-mail：[e-mail]基金项目：国家重点研发计划项目（圆园员远再云悦园源园员缘园圆）；国家自然科学基金项目（源员猿苑员园源远，源员源园员园猿缘）；江苏水利科技基金重大项目（圆园员缘园园猿）Projectsupported：栽澡藻晕葬贼蚤燥灶葬造运藻赠砸藻泽藻葬则糟澡葬灶凿阅藻增藻造燥责皂藻灶贼孕造葬灶孕则燥躁藻糟贼燥枣悦澡蚤灶葬（圆园员远再云悦园源园员缘园圆）；栽澡藻晕葬贼蚤燥灶葬造晕葬贼怎则葬造杂糟蚤藻灶糟藻云燥怎灶凿葬贼蚤燥灶燥枣悦澡蚤灶葬（源员猿苑员园源远，源员源园员园猿缘）；宰葬贼藻则悦燥灶泽藻则增葬灶糟赠杂糟蚤藻灶糟藻葬灶凿栽藻糟澡灶燥造燥早赠云燥怎灶凿葬贼蚤燥灶燥枣允蚤葬灶早泽怎孕则燥增蚤灶糟藻（圆园员缘园园猿）圆园17，36（6）:1186-11912017年6月农业环境科学学报允燥怎则灶葬造燥枣粤早则燥鄄耘灶增蚤则燥灶皂藻灶贼杂糟蚤藻灶糟藻高斌，许有鹏，王强，等.太湖平原地区不同土地利用类型对水质的影响[J].农业环境科学学报,2017,36（6）：1186-1191.GAOBin,XUYou-peng,WANGQiang,etal.EffectsoflandusechangesonwaterqualityoftheplainareainTaihuBasin[J].允燥怎则灶葬造燥枣粤早则燥-耘灶增蚤则燥灶皂藻灶贼杂糟蚤藻灶糟藻,2017,36（6）:1186-1191.太湖平原地区不同土地利用类型对水质的影响高斌1，许有鹏1*，王强1，杨洁1，沈顺忠2，徐兴2（1.南京大学地理与海洋科学学院，南京210023；2.江苏省水文水资源勘测局无锡分局，江苏无锡214031）第32卷第1期2017年6月河流水质问题是当前人们关注的热点问题，探讨河流水质的变化特征及其影响机制，对河流水环境保护有一定指导意义[1]。土地利用类型在一定程度上反映了人类活动对河流水质的影响，其主要表现是非点源污染，其中城镇用地及农业用地对河流水质有较大影响[2]：城镇用地上非点源污染主要包括城市垃圾、道路车辆污染、建筑场地污染、绿化带产生的污染，城镇用地同时也是点源污染产生的集中区域；农业生产中水田与旱地主要的污染来自种植过程中化肥和农药的施用，氮、磷污染较为严重；水域在太湖腹部平原被用于水产养殖，饵料是水污染来源之一；林草地上会产生一定的枯枝落叶、腐殖质，同时也能够吸收、净化部分污染物。非点源污染物主要以降雨为载体迁移到河流中[3]，非点源污染的估算方法包括污染分割法和降雨量差值法等，降雨量的差异导致了非点源污染影响的不同，而降雨量的不同是枯水期和丰水期的主要特征。使用缓冲区提取土地利用类型的方法在河流水质研究中应用较为广泛。张福平等[4]、洪超等[5]对河岸带周边土地利用进行了提取，赵军等[6]则采用圆形缓冲区提取了监测站点周边的土地利用，於梦秋等[7]采用河流上游半圆形缓冲区提取土地利用。考虑到太湖腹部平原水体流动性较差，且集水区坡向不明显，采用圆形缓冲区提取站点周边土地利用类型来分析其对水质的影响大小具有一定的合理性，实际研究中将区域尺度作为大范围缓冲区进行处理。近年来，太湖腹部地区作为典型快速城市化地区，污染物排放量增多，密集河网破坏较大，自净能力大幅下降，导致河流水质恶化。本研究选取太湖腹部平原上河流的50个断面水质数据，基于典型年分析，分别计算区域尺度和缓冲区尺度下土地利用类型与水质的灰色关联序，并比较丰、枯水期土地利用与河流水质的灰色关联序，分析土地利用类型可能对河流水质产生的影响，以期为土地利用结构调整提供依据。1材料与方法1.1研究区概况太湖腹部平原主要包括武澄锡虞区和阳澄淀泖区，处于长江三角洲的中部地区，属于亚热带季风气候，具有较为显著的雨热同期的特征，河流水的补给主要来自降水。该地区河网密布，但是因为其地势平坦，河流的流动性较差，所以相对受到人为控制与干扰较多，城市化对其影响较大。该区域的水产养殖业和种植业较为发达，其土地利用类型除了城镇建设用地外，以水域、水田和旱地为主，林草地相对较少。在夏季梅雨期间，该地区降水较强，为作物的生长提供了有利条件，夏、秋季同时也是水产养殖的重要时期。太湖腹部平原位于苏南地区，经济高度发展，苏、锡、常三市的生产总值长期处于江苏省前列，增长速度快。该区域是我国经济最为发达的地区之一，城市化发展速度快，但地区内部经济状况、发展水平存在一定差异，因而参照行政区划将其划分为不同区域。太湖蓝藻事件爆发后，太湖周边水质问题引起人们的极大关注，国家投入大量资金用于水环境整治，大规模点源污染得到控制，但多年来该地区水质状况仍然不尽如人意，原因在于城市发展、土地利用变化等人类活动对河流仍有较大影响。本研究选取该区域水环境大规模整治后的2009年作为典型年，探讨土地利用对水环境的影响。当年的降雨处于平均偏多水平，因而以2009年为例开展分析具有较好的典型性。1.2数据来源水质监测数据主要选择5项污染指标，分别是溶解氧（DO）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、高锰酸盐指数（CODMn）。DO对水质的净化有积极作用，其浓度越高对水质越有利，其他四项属于污染性质的指标，它们的浓度越高表示水体污染越严重。水质数据使用2009年研究区域范围内的断面监测数据，大部分站点的测试间隔是一个月，少量站点测试间隔为两个月，属相关水质部门常规检测数据，可信性较高。通过解译TM影像数据划分不同土地利用类型，考虑数据质量等因素，选择紧邻典型年的2010年初的影像。解译得出的土地利用类型主要分为八类，分别为草地、林地、园地、滩涂、旱地、城镇、水田、水体，根据需要归并为五类，包括城镇、旱地、水田、水域、林地。结合实际考察数据、地形图以及高分辨率影像等数据，选择一定数量地类明显分布均匀的区域，以该数据为标准对分类结果进行检验，总体分类精度85.69%，Kappa系数0.81（表1）。可以看出水田、林地、水域的分类结果精度较高，旱地的分类精度则稍差，可能是由于其与城镇用地之间存在一定的误判。将解译好的影像与太湖腹部平原研究区矢量图进行比对、裁剪，得出需要区域的分类结果（图1）。1.3研究方法灰色系统理论着重研究概率统计、模糊数学难以解决的“小样本，贫信息”不确定性问题，恰好能够适高斌，等：太湖平原地区不同土地利用类型对水质的影响1187农业环境科学学报第36卷第6期表1遥感分类结果精度评价混淆矩阵Table1Confusionmatrixofprecisionevaluationforremotesensingclassificationresults分类结果城镇用地水田旱地林地水域用户精度/%城镇用地85481285.00水田1013829783.13旱地140393168.42林地007116094.31水域01125392.98生产者精度/%77.9896.5068.4288.5584.13应样本量较少的情况，同时也能较好地综