灃河流域土地利用格局與水質(zhì)變化的關(guān)系

張福平，趙 沙，周正朝，魏永芬

土地利用／覆蓋變化（LUCC）和水文循環(huán)的生物圈方面BAHC計(jì)劃是國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃（IGBP）中的兩個(gè)核心科學(xué)問(wèn)題。土地利用變化作為一種人為的“系統(tǒng)干擾”是直接或間接影響水文過(guò)程的第二個(gè)主要邊界條件。土地利用變化往往會(huì)加重流域土壤侵蝕并影響流域水文循環(huán)的所有環(huán)節(jié)，從而加劇流域的非點(diǎn)源污染［1－2］。國(guó)內(nèi)外許多資料表明，土地利用方式對(duì)流域水環(huán)境具有強(qiáng)烈的影響，人類在集水區(qū)內(nèi)的一切活動(dòng)，如果未在適宜的保育措施下進(jìn)行，都可能對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生影響［3－5］。同時(shí)土地利用／覆蓋變化又與人類的生產(chǎn)、生活密切相關(guān)，可以通過(guò)改變土地利用方式達(dá)到控制非點(diǎn)源污染的目的［6－7］。因此在流域尺度下揭示土地利用變化特征及土地利用空間格局對(duì)水環(huán)境的影響，對(duì)于提高流域水環(huán)境質(zhì)量及實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)環(huán)境持續(xù)發(fā)展具有重要的研究意義。

灃河地處西安市西南部，屬于渭河右岸的一級(jí)支流，也是西安市第三大河流。1998年，灃河及其支流被列為西安市地表飲用水源地，是該市人民的重要生活飲用水水源地。近年來(lái)，隨著流域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口的急劇增長(zhǎng)以及黑河引水工程的實(shí)施，對(duì)灃河水的需求量迅速增加，水資源的供需矛盾日益凸顯。尤其是研究區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)的擴(kuò)張、大學(xué)園區(qū)的建設(shè)、林地的破壞以及農(nóng)田中農(nóng)藥化肥的過(guò)量使用等，使灃河水體的非點(diǎn)源污染趨于加劇。單純從點(diǎn)源控制水污染已經(jīng)不能從根本上解決流域水環(huán)境污染問(wèn)題。因此，本文通過(guò)對(duì)流域內(nèi)非點(diǎn)源污染的關(guān)鍵因素——土地利用方式進(jìn)行研究，探討不同土地利用格局與水質(zhì)非點(diǎn)源污染的關(guān)系，提出控制流域非點(diǎn)源污染的土地利用優(yōu)化模式及措施，將對(duì)提高灃河流域水環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)環(huán)境健康安全與可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)資料

1.1 研究區(qū)概況

灃河發(fā)源于西安市長(zhǎng)安區(qū)喂子坪鄉(xiāng)雞窩子村以南的秦嶺北側(cè)，流經(jīng)西安市的長(zhǎng)安區(qū)、戶縣、咸陽(yáng)市的秦都區(qū)內(nèi)的20多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，先后納高冠河、太平河、潏河3大支流，在草灘農(nóng)場(chǎng)西、咸陽(yáng)市北部魚(yú)王村附近入渭。灃河全長(zhǎng)78km，流域面積為1 460km2，南高北低，平均比降8.2‰，其中流經(jīng)山區(qū)面積約為863.6 km2。流域?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)季風(fēng)氣候，區(qū)內(nèi)年均溫10℃以上，多年平均降雨量632mm，且降水時(shí)空分布不均，多集中在7—9月，由北向南遞增，年平均蒸發(fā)量1 400mm。

據(jù)1988—2009年研究區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)顯示，灃河上游水質(zhì)保持良好，中下游在1988—2005年這一期間污染較為嚴(yán)重，從2005—2009年灃河中下游水質(zhì)逐漸好轉(zhuǎn)，基本可以滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)Ⅲ類水域標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.2 數(shù)據(jù)資料

采用的主要數(shù)據(jù)有2009年的TM遙感影像、30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)及主要監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)源于西安市環(huán)境監(jiān)測(cè)站。另外還使用了土地利用數(shù)據(jù)、地形圖、西安市水系分布圖、研究區(qū)的自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料以及實(shí)地考察數(shù)據(jù)等。

2 研究方法

2.1 基于遙感的土地覆蓋分類及空間格局分析

考慮到影像的可獲得性和影像本身的質(zhì)量，采用的數(shù)據(jù)為2009年6月獲取的Landsat TM遙感影像。首先，利用2010年野調(diào)查時(shí)實(shí)測(cè)的控制點(diǎn)對(duì)所有影像進(jìn)行二次多項(xiàng)式的幾何精校正，使最終誤差控制在0.5個(gè)像元內(nèi)。其次，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究經(jīng)驗(yàn)以及所研究的區(qū)域的實(shí)際情況，基于最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類，土地利用／覆蓋分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6大類，并參照地形圖和土地利用現(xiàn)狀圖，結(jié)合人工目視的方法進(jìn)行檢驗(yàn)糾正，并以實(shí)測(cè)的點(diǎn)為準(zhǔn)，對(duì)分類精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 土地利用格局與水質(zhì)的關(guān)系分析

土地利用的水質(zhì)響應(yīng)研究，一般是研究流域土地利用空間特征和土地利用結(jié)構(gòu)與水質(zhì)變化的關(guān)系，而土地利用數(shù)據(jù)的提取又包括全流域、子流域范圍和緩沖區(qū)范圍3種研究尺度，究竟用哪種尺度分析土地利用的水質(zhì)響應(yīng)，需要根據(jù)具體情況而定［8］。目前大多的研究采用流域范圍進(jìn)行研究，本研究結(jié)合灃河流域遙感影像、DEM圖、西安市水系分布圖及實(shí)地調(diào)查結(jié)果，確定緩沖區(qū)的緩沖范圍為沿灃河主要支流分別向兩岸劃分100，600，1 500m共3種不同寬度的緩沖區(qū)?？紤]河流下游水環(huán)境會(huì)受河流上游來(lái)水水質(zhì)等干擾，以全區(qū)9個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置為準(zhǔn)，均取各監(jiān)測(cè)斷面至上游各主要支流的緩沖區(qū)內(nèi)的土地利用面積與該斷面的水質(zhì)關(guān)系進(jìn)行研究。

以西安市環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)提供的2009年灃河9個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的生化需氧量（BOD5）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、氨氮（NH3—N）含量及溶解氧（DO）含量這4個(gè)關(guān)鍵有機(jī)污染指標(biāo)為主要指標(biāo)，對(duì)流域不同緩沖區(qū)內(nèi)的各類型土地利用比例以及影響流域水質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，均符合正態(tài)分布。因此在SPSS軟件的支持下，利用Pearson相關(guān)分析對(duì)其相關(guān)性進(jìn)行計(jì)算，在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，建立土地利用結(jié)構(gòu)和水質(zhì)指標(biāo)之間的多元回歸模型［9］：

式中：Y——各種水質(zhì)參數(shù)的濃度；X1，X2，…，Xn——各種土地利用類型的比例；b1，b2，…，bn——系數(shù)；C——常數(shù)項(xiàng)；n——監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)目（9）。

3 研究結(jié)果

3.1 灃河流域土地覆蓋分類與空間格局分析

灃河流域遙感影像分類總體精度為85.39%，分類精度Kappa指數(shù)為0.86，達(dá)到最低允許判別精度0.7的要求。通過(guò)分析灃河流域遙感圖可以得出，流域內(nèi)以上游地區(qū)的林地最多，面積達(dá)792.15km2，其次是耕地面積502.22km2，兩者占流域總面積近90%，其次是建設(shè)用地，而草地、水域和未利用地面積所占比重很小。

3.2 土地利用格局對(duì)水質(zhì)的影響

3.2.1 土地利用結(jié)構(gòu)與水質(zhì)關(guān)系分析 利用GIS軟件，將生成的100，600，1500m這3種緩沖帶分別與2009年的灃河流域土地利用類型數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，獲取2009年西安市9個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面至上游主要支流不同緩沖帶內(nèi)的土地利用類型結(jié)構(gòu)圖（圖1）。同時(shí)，對(duì)各土地覆蓋類型所占緩沖區(qū)比例與水質(zhì)的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析。

圖1 灃河流域各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)不同緩沖區(qū)范圍內(nèi)地類結(jié)構(gòu)

由表1可以看出，在各緩沖區(qū)尺度上，建設(shè)用地面積所占比例與溶解氧含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與其余水質(zhì)指標(biāo)均呈正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)較大；耕地面積所占比例與有機(jī)污染綜合指數(shù)、生化需氧量、氨氮及高錳酸鹽指數(shù)均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，與溶解氧含量正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)較大；草地所占的面積比例與生化需氧量、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、有機(jī)污染綜合指數(shù)水質(zhì)參數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，與溶解氧呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但總體來(lái)看，相關(guān)性不顯著；林地與有機(jī)污染綜合指數(shù)、生化需氧量、氨氮及高錳酸鹽指數(shù)均存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，與溶解氧存在正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性較強(qiáng)，表明隨著林地比重增大水體質(zhì)量趨好；未利用地主要是分布于河道旁，多是灘地及人工采挖沙石而成的，對(duì)水質(zhì)會(huì)造成一定影響。

表1 灃河流域土地利用結(jié)構(gòu)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的相關(guān)性分析

灃河流域土地格局與水質(zhì)之間的相關(guān)性表明，各種土地利用類型中，建設(shè)用地、耕地和林地都會(huì)對(duì)流域的水質(zhì)造成影響，其中，建設(shè)用地和耕地是負(fù)面的影響，林地為正面的影響，即建設(shè)用地和耕地面積的增加，水質(zhì)污染指數(shù)趨于加大，污染程度加大，而林地面積的增加，水質(zhì)污染指數(shù)降低，污染程度降低。建設(shè)用地對(duì)水質(zhì)的影響主要是由于建設(shè)用地上承載著高密度人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，污染物排放強(qiáng)度較高，而城市化的加快發(fā)展使得不透水區(qū)和建設(shè)用地面積增加，道路、廣場(chǎng)、屋面等不透水面的污染物會(huì)隨著徑流的沖刷進(jìn)入湖泊或河流，導(dǎo)致水體中有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度含量增加，水質(zhì)下降。灃河流域內(nèi)建設(shè)用地面積僅次于耕地和林地，區(qū)域內(nèi)人口的迅速增長(zhǎng)帶來(lái)的城市化、房地產(chǎn)業(yè)、大學(xué)園區(qū)的快速擴(kuò)張等等，都將導(dǎo)致流域內(nèi)透水性地表面的減少，對(duì)灃河流域水質(zhì)造成了一定的負(fù)面影響。耕地對(duì)水質(zhì)的影響主要是由于耕地通過(guò)施肥隨農(nóng)田徑流向河流輸入大量污染物所致。據(jù)統(tǒng)計(jì)，灃河農(nóng)藥單位面積平均使用量為0.348kg，是陜西省單位面積平均使用量的近2倍。雖然灃河流域內(nèi)耕地面積呈逐年減小的趨勢(shì)，但仍然占灃河流域總面積的近50%，且多分布于河流兩岸附近，使得耕地中化肥及農(nóng)藥的流失成為影響灃河水質(zhì)面源污染的重要因素。林地是水體潛在污染物的“匯”。由于森林、林下植物和土壤具有削減暴雨徑流、減少水土流失、吸附污染物等功能，可有效減少地表徑流沖刷后帶入河流的營(yíng)養(yǎng)鹽，對(duì)水質(zhì)的改善具有良好的促進(jìn)作用。

3.2.2 河流水質(zhì)與土地利用相關(guān)性的尺度效應(yīng) 如表1所示，在不同尺度下，各土地利用所占比例與水質(zhì)相關(guān)性有一定差異，建設(shè)用地、耕地和林地均為就近影響，即離河流距離越近，影響程度越大，即100m緩沖區(qū)內(nèi)，影響增大，1 500m緩沖區(qū)范圍內(nèi)，影響減小，這與 Sliva，Osborne，Galbraith等［10－12］的研究結(jié)論一致。通過(guò)各種不同緩沖尺度對(duì)水質(zhì)參數(shù)和土地利用比例進(jìn)行建模，結(jié)果顯示大多數(shù)水質(zhì)參量的最佳模型出現(xiàn)在100m的緩沖半徑上，進(jìn)一步表明河流近岸帶的土地利用類型對(duì)其水質(zhì)影響較大。未利用地對(duì)水質(zhì)參數(shù)的影響程度隨著緩沖距離的增大而減小，在100m以內(nèi)緩沖區(qū)對(duì)水質(zhì)的負(fù)作用最大，到300m以外則幾乎無(wú)影響，對(duì)水質(zhì)影響的尺度效應(yīng)極其明顯。草地在各個(gè)尺度上對(duì)水質(zhì)影響均不明顯，但總體表現(xiàn)為隨著距離的增大，負(fù)作用有逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。總體來(lái)看，灃河近岸帶附近100m內(nèi)土地利用是影響河流水質(zhì)的關(guān)鍵區(qū)域，調(diào)查結(jié)果顯示，由于100m范圍內(nèi)河道附近受人類活動(dòng)影響最嚴(yán)重，大量的生活垃圾、耕地施用的化肥農(nóng)藥等會(huì)在徑流的作用下或直接入河導(dǎo)致水體污染，同時(shí)，河岸帶近域又能通過(guò)過(guò)濾、滲透、吸收、滯留、沉積等河岸帶機(jī)械、化學(xué)和生物功能效應(yīng)使進(jìn)入地表和地下水的污染物毒性減弱及污染程度降低，因而是治理水體污染的重要屏障。

4 灃河流域非點(diǎn)源污染控制對(duì)策

（1）合理規(guī)劃灃河河道敏感帶土地利用類型。在對(duì)灃河流域非點(diǎn)源污染的研究中，可以發(fā)現(xiàn)河道兩側(cè)地帶的土地利用方式對(duì)河流水質(zhì)有著比遠(yuǎn)離河道地帶更為顯著的影響，河道兩側(cè)被稱作非點(diǎn)源污染的敏感帶。林地具有較強(qiáng)的減水減沙效應(yīng)，對(duì)河流水質(zhì)的改善作用不可忽視，灃河流域的林地主要分布在上游地區(qū)，中下游河流兩岸以耕地為主，林地分布很少，因此，應(yīng)在灃河中下游河流沿岸開(kāi)展植樹(shù)造林、退耕還林等工作。研究表明，100m寬度以內(nèi)的林地對(duì)水質(zhì)的改善作用最明顯，從削減非點(diǎn)源污染出發(fā)沿河建設(shè)林帶的寬帶在100m以內(nèi)較適宜。

（2）監(jiān)測(cè)與控制流域內(nèi)農(nóng)田造成的面源污染。耕地是灃河流域主要的土地利用類型，也是造成流域內(nèi)水質(zhì)非點(diǎn)源污染的關(guān)鍵因素，合理有效的農(nóng)田治理是改善水質(zhì)的關(guān)鍵。治理的主要措施包括控制農(nóng)藥化肥的施用量，加強(qiáng)土壤和化肥的化驗(yàn)和檢測(cè)，避免在距河流近岸進(jìn)行耕作；實(shí)施生態(tài)工程，如可在農(nóng)田與水體之間適當(dāng)?shù)亟⒉莸鼗蛄值剡^(guò)濾帶；改進(jìn)農(nóng)田灌溉方式，可嘗試噴灌、滴灌以及肥料與水相混合的灌溉技術(shù)；另外還可以大力推廣各種類型的耕作法，減少流域內(nèi)土壤侵蝕，使排入灃河的泥沙沉積物減少，從而減少化肥中N和P流入水體的量，防止河流水體富營(yíng)養(yǎng)化。

（3）合理規(guī)劃城市用地，改善農(nóng)村生活環(huán)境?；谒h(huán)境保護(hù)的目的，規(guī)劃河流兩側(cè)城鎮(zhèn)建設(shè)用地時(shí)，避免布置在100m等近岸帶以內(nèi)，應(yīng)盡量增大與河流之間的距離；減少流域內(nèi)的不透水路面，增加下滲；減少城鎮(zhèn)及農(nóng)村居民點(diǎn)的地表堆積物；注意道路清掃方式的改進(jìn)和提高清掃效率，以保持城市地面的清潔；逐步實(shí)現(xiàn)雨污分流，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展非點(diǎn)源污染的監(jiān)測(cè)工作；同時(shí)對(duì)城市透水區(qū)域要加大綠地建設(shè)。對(duì)研究區(qū)實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，流域周圍農(nóng)村居民點(diǎn)垃圾隨意堆放、畜禽量大且糞便任意傾倒的現(xiàn)象較普遍，特別是在夏季，區(qū)域內(nèi)的降雨較頻繁且強(qiáng)度較大，使得流域內(nèi)的非點(diǎn)源污染輸出量變大。因此，建議有關(guān)部門對(duì)區(qū)域內(nèi)的農(nóng)村垃圾進(jìn)行集中處理，實(shí)行糞尿還田，并采取科學(xué)合理的畜禽養(yǎng)殖方式，對(duì)人、畜產(chǎn)生的污染物進(jìn)行回收利用，形成良性循環(huán)，從而有效減少流域內(nèi)非點(diǎn)源污染的輸出量。

（4）加強(qiáng)灃河上游旅游業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理。灃河流域上游有著得天獨(dú)厚的旅游資源，近年來(lái)，隨著人民生活水平的提高，休閑度假風(fēng)氣日盛，上游地區(qū)憑借風(fēng)光迥異的自然景觀，很快成為了都市人們消夏避署的好去處。而旅游活動(dòng)產(chǎn)生的廢棄物和當(dāng)?shù)鼐用袢粘Ｉ罾殉蔀楫?dāng)?shù)厮磪^(qū)主要的點(diǎn)污染源和非點(diǎn)污染源。尤其上游地區(qū)旅游景點(diǎn)和居民住宅區(qū)大都傍河而居，臨河而建，對(duì)水體的污染更為直接，結(jié)果更為嚴(yán)重。因此，有關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)對(duì)上游旅游業(yè)的經(jīng)營(yíng)和管理，對(duì)旅游設(shè)施和景點(diǎn)建設(shè)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，并合理計(jì)算環(huán)境容量，避免因超過(guò)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境負(fù)荷引起的環(huán)境破壞和污染。同時(shí)，應(yīng)注重宣傳和教育，改變當(dāng)?shù)鼐用癫涣忌盍?xí)慣和衛(wèi)生習(xí)慣，加強(qiáng)上游水源區(qū)內(nèi)的精神文明建設(shè)。

5 結(jié)論

研究區(qū)林地和耕地所占面積比重較大，其次是建設(shè)用地；各土地利用類型對(duì)水質(zhì)有不同程度的影響，其中建設(shè)用地和耕地對(duì)水質(zhì)具有顯著負(fù)效應(yīng)，林地對(duì)水質(zhì)具有顯著的正效應(yīng)，即建設(shè)用地和耕地面積的增加，水質(zhì)污染指數(shù)趨于增加，污染程度加劇，而林地面積的增加，水質(zhì)污染指數(shù)降低，污染程度降低；在河流近域的帶型緩沖作用區(qū)，河岸帶附近100m內(nèi)土地利用是影響河流水質(zhì)的關(guān)鍵區(qū)域。

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