太湖流域水質(zhì)污染與水質(zhì)變化的空間分析

摘要：基于遙感、地理信息技術(shù)分析了太湖周邊國(guó)控監(jiān)測(cè)斷面5 km緩沖半徑下土地利用類型并結(jié)合環(huán)保部公布太湖流域水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，從而探究人類活動(dòng)強(qiáng)度與水質(zhì)情況相關(guān)性。結(jié)果表明，建設(shè)用地和農(nóng)業(yè)用地為流域內(nèi)主要土地利用類型；流域人類活動(dòng)強(qiáng)度呈東部高于西部，用地類型與水質(zhì)污染存在一定關(guān)聯(lián)，建設(shè)用地為重要污染輸出源，人類活動(dòng)強(qiáng)度與水體水質(zhì)指標(biāo)呈正相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)污染；人類活動(dòng)強(qiáng)度；水質(zhì)變化；太湖流域

中圖分類號(hào)：X524 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2018）05-0054-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.05.032

Abstract： Based on the space technology of remote sensing and geographic information system， the characteristics of the land use types under the 5km buffer radius of the national control monitoring section around Taihu were analyzed， and the data of the water quality of the Taihu basin published by the Ministry of environmental protection were superimposed to explore the correlation between the intensity of human activity and the water quality. Construction land and agricultural land are the main land use types in the basin， and the intensity of human activities in the basin is higher than that in the West. There is a certain correlation between land types and water pollution. Construction land is an important source of pollution output. The intensity of human activities is positively correlated with water quality indicators.

Keyword： Water contamination； Human activity intensity； Water quality change； Taihu basin

1 背景

太湖位于長(zhǎng)江三角洲南部，是我國(guó)第三大淡水湖[1]，也是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、大中城市最密集的地區(qū)之一，其地理和戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)突出[2]。

本文以太湖可視化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合該流域土地利用、水質(zhì)等數(shù)據(jù)并結(jié)合文獻(xiàn)總結(jié)，繪制太湖流域用地性質(zhì)分布圖，并在此基礎(chǔ)上，研究太湖流域人類活動(dòng)強(qiáng)度與水質(zhì)的相關(guān)關(guān)系。

2 研究方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

水質(zhì)數(shù)據(jù)：太湖水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《全國(guó)主要流域重點(diǎn)斷面水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)周報(bào)》。選取時(shí)間為2016年太湖流域七個(gè)國(guó)控站點(diǎn)，共計(jì)12個(gè)月的水質(zhì)數(shù)據(jù)。國(guó)控?cái)嗝婀脖O(jiān)測(cè)四個(gè)指標(biāo)，分別為：pH、COD、氨氮、溶解氧。遙感圖像：Landsat8OLI多光譜圖像具有信息量大、30 m空間分辨率，是目前在區(qū)域尺度上進(jìn)行土地利用監(jiān)測(cè)較理想的信息處理技術(shù)[3]。本文所用多光譜圖像的成像日期為2015年。

2.2 研究方法

2.2.1 用地性質(zhì)的劃分

本研究以太湖周邊OLI圖像近紅外波段、紅波段、綠波段和藍(lán)波段作為有效特征，通過(guò)目視判讀和野外調(diào)查，對(duì)遙感圖像上某些樣本區(qū)的地理類別，結(jié)合先驗(yàn)認(rèn)識(shí)、谷歌地圖進(jìn)行疊加分析，判讀土地利用類型，制作訓(xùn)練樣本，進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)分類，最終實(shí)現(xiàn)太湖流域用地性質(zhì)劃分。

用地性質(zhì)監(jiān)督學(xué)習(xí)分類共五類，各用地性質(zhì)判別規(guī)則如下所示。水域：河流水體色調(diào)呈藍(lán)色，圖斑以帶狀、條狀或線狀蜿蜒分布；湖泊、庫(kù)塘色調(diào)呈黑色或深藍(lán)色，圖斑以面狀獨(dú)立分布。耕地：色調(diào)呈深紅色、深綠色，以規(guī)則塊狀集中分布于居民地周圍或在河道沿岸的河漫灘和階地。林地：林地色調(diào)呈黑棕色，周圍有灌木林地或草地，紋理均勻；灌木林地色調(diào)呈綠色，常有粒狀的紅色亮點(diǎn)混雜其間，紋理粗糙雜亂。建設(shè)用地：色調(diào)呈深淺不一的藍(lán)色、白色，中心區(qū)域色調(diào)深。未利用土地：流沙沙斑呈亮白色。

本研究將區(qū)域內(nèi)的土地劃分為5種類型：水域、耕地、林地、建設(shè)用地以及未利用土地。監(jiān)督學(xué)習(xí)中耕地、林地樣本各選取100個(gè)，水域、建設(shè)用地以及未利用土地樣本各選取60個(gè)。選取的訓(xùn)練樣本進(jìn)行必要的可分離性判定，確定有效性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行分類器訓(xùn)練。根據(jù)選取的樣本，運(yùn)用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器對(duì)研究區(qū)的影像進(jìn)行了土地利用類型的分類。本文將研究區(qū)待分類的融合后影像，包括7個(gè)波段的數(shù)據(jù)作為輸入特征；輸出層對(duì)應(yīng)于待分類的6種土地利用類型；隱含層設(shè)為一層。通過(guò)設(shè)計(jì)好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使用ENVI軟件監(jiān)督分類模塊的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，經(jīng)過(guò)20次的迭代運(yùn)算，得到基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的太湖流域土地利用分類圖，訓(xùn)練的RMS（均方誤差）為0.13。

2.2.2 緩沖區(qū)的建立

緩沖區(qū)是指為了識(shí)別某地理實(shí)體或空間物體對(duì)其周圍的鄰近性或影響度而在其周圍建立的鄰域。本文中緩沖區(qū)是以某監(jiān)測(cè)斷面所在位置為圓心，半徑為5km的鄰域。如圖1所示，結(jié)合用地性質(zhì)劃分，針對(duì)每個(gè)緩沖區(qū)統(tǒng)計(jì)土地利用類型的面積，為人類活動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算提供依據(jù)。

3 結(jié)論與分析

3.1 活動(dòng)強(qiáng)度的定義與相關(guān)性分析

為定量說(shuō)明緩沖區(qū)內(nèi)的人類生產(chǎn)、生活影響，我們定義活動(dòng)強(qiáng)度這一變量為：活動(dòng)強(qiáng)度=緩沖區(qū)內(nèi)建設(shè)用地面積/緩沖區(qū)內(nèi)總面積

計(jì)算得各國(guó)控?cái)嗝嫒祟惢顒?dòng)強(qiáng)度分別為：沙渚11.7%，蘭山嘴4.1%，西山3.6%，新唐港24.9%，急水港6.4%，王江涇26.8%，斜路港31.0%。

根據(jù)得到的監(jiān)測(cè)斷面緩沖區(qū)活動(dòng)強(qiáng)度，本研究擬通過(guò)相關(guān)性分析，研究活動(dòng)強(qiáng)度與主要的水質(zhì)指標(biāo)：pH、DO、COD以及氨氮之間的相關(guān)性。采用皮爾森相關(guān)性分析方法，經(jīng)分析可得各參數(shù)域人類活動(dòng)強(qiáng)度間相性系數(shù)分別為：pH為0.001、DO為0.001、COD為0.012、氨氮為0.102。

皮爾森相關(guān)性檢驗(yàn)中，顯著性越小說(shuō)明相關(guān)程度越高。顯著性小于0.05則為顯著相關(guān)。根據(jù)分析的結(jié)果，監(jiān)測(cè)斷面的領(lǐng)域內(nèi)活動(dòng)強(qiáng)度與pH、DO以及COD顯著正相關(guān)。

3.2 結(jié)論與建議

水面率對(duì)氨氮降解有較大的促進(jìn)作用，水面率與氨氮呈負(fù)相關(guān)；林地對(duì)污染物具有截留吸收作用，林地和草地與COD呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。人類活動(dòng)加大了水體污染負(fù)荷，弱化了水體自凈能力，使得人類活動(dòng)強(qiáng)度較大區(qū)域COD、pH偏高；水體富營(yíng)養(yǎng)程度加劇，DO增高。

但太湖流域城鎮(zhèn)化加速，建設(shè)用地面積呈現(xiàn)進(jìn)一步加大的趨勢(shì)。新增建設(shè)面積占用部分的水面、林地，農(nóng)業(yè)活動(dòng)、人類活動(dòng)、城鎮(zhèn)建設(shè)成為流域內(nèi)重要的污染來(lái)源，其對(duì)于太湖流域水質(zhì)有著較大的影響。為實(shí)現(xiàn)太湖流域的綜合治理目標(biāo)，土地合理利用應(yīng)當(dāng)是重要的控制目標(biāo)之一。

從土地利用角度對(duì)太湖流域進(jìn)行綜合控制的最有效手段應(yīng)當(dāng)是生態(tài)補(bǔ)償。以林地、草地補(bǔ)償被人類活動(dòng)利用的土地面積，從而抵償部分因土地利用引起的水質(zhì)變化。另外對(duì)于湖體近岸地區(qū)，實(shí)現(xiàn)退耕還湖，可以有效地減少面源污染的輸入，并增大太湖流域水體自凈能力，優(yōu)化太湖流域水質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1]田穎，沈紅軍.基于GIS的江蘇太湖流域景觀格局優(yōu)化[J].污染防治技術(shù)，2016，（02）：5-8.

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[3]王敏，高新華，陳思宇等.基于Landsat8遙感影像的土地利用分類研究——以四川省紅原縣安曲示范區(qū)為例[J].草業(yè)科學(xué)，2015，32（5）：694-701.

[4]顧宗濂.中國(guó)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的生物修復(fù)[J].農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，2002，（01）：12-13.

收稿日期：2018-03-28

作者簡(jiǎn)介：陳瑞弘（1989-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樗h(huán)境。