遼河保護(hù)區(qū)土地利用方式對(duì)河流水質(zhì)的影響

馮娜娜，董春來，徐笠，李海霞

1.江蘇海洋大學(xué)測(cè)繪與海洋信息學(xué)院 2.北京市農(nóng)林科學(xué)院，北京農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究中心 3.農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測(cè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

近年來,區(qū)域土地利用與水體水質(zhì)之間關(guān)系的研究得到了廣泛關(guān)注，眾多學(xué)者從不同角度對(duì)二者之間的關(guān)系進(jìn)行研究。如孫金華等[1-2]的研究結(jié)果表明，區(qū)域建筑用地和耕地面積與水體污染物濃度存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，而林地、草地、綠化用地面積與水體污染物濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；方娜等[3-4]從空間角度開展研究，發(fā)現(xiàn)耕地產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染對(duì)水體水質(zhì)影響明顯，在大尺度區(qū)域增加林地面積比例有利于改善水質(zhì)，離水體近的農(nóng)村居民用地對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響，工業(yè)建設(shè)用地對(duì)水質(zhì)影響在較大尺度上更為顯著；張勇榮等[5]研究平寨水庫(kù)土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)水質(zhì)的影響，結(jié)果表明區(qū)域土地利用方式與水質(zhì)有顯著相關(guān)性。筆者以遼河保護(hù)區(qū)為研究對(duì)象，研究保護(hù)區(qū)內(nèi)鐵嶺、沈陽(yáng)、鞍山、盤錦市4個(gè)區(qū)段土地利用方式對(duì)遼河水質(zhì)的影響，以期為遼河保護(hù)區(qū)土地利用現(xiàn)狀評(píng)價(jià)、土地利用空間優(yōu)化及水污染防控提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 研究區(qū)概況

遼河流域總面積為21.9萬(wàn)km2，流域地勢(shì)大體是自北向南、自東西兩側(cè)向中間傾斜，中下游形成遼河平原。屬溫帶半濕潤(rùn)的大陸性季風(fēng)氣候，年內(nèi)氣溫變化較大，四季寒冷，干濕分明。年平均氣溫約為4～9 ℃，1月最低，平均為-18～-9 ℃；7月最高，平均為21～28 ℃[6]。降雨多集中在7—8月，暴雨占全年降水量比例較大。遼河保護(hù)區(qū)(121°41′E～123°55.5′E，40°47′N～43°02′N)始于東西遼河交匯處的鐵嶺昌圖縣福德店，在盤錦匯入渤海(圖1)，面積為1 869.2 km2，流經(jīng)鐵嶺、沈陽(yáng)、鞍山、盤錦4市[7]。遼河保護(hù)區(qū)的遼河干流地區(qū)人口眾多，工業(yè)發(fā)達(dá)，農(nóng)業(yè)分布范圍較廣，總農(nóng)業(yè)人口約29.8萬(wàn)人。

圖1 遼河保護(hù)區(qū)概況Fig.1 General situation of Liaohe Conservation Area

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1土地利用數(shù)據(jù)的提取

采用2018年9月Landsat陸地衛(wèi)星遙感影像(空間分辨率16 m)，分別提取遼河保護(hù)區(qū)在鐵嶺、沈陽(yáng)、鞍山及盤錦區(qū)段的土地利用數(shù)據(jù)。根據(jù)遼河保護(hù)區(qū)的范圍和鐵嶺、沈陽(yáng)、鞍山、盤錦4市的行政區(qū)劃，裁剪出各自的研究區(qū)域，并在ArcGIS和ENVI軟件中進(jìn)行相關(guān)的預(yù)處理圖像增強(qiáng)工作。結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查和Google Earth軟件以及影像的可分辨率特征，基于Ecognition軟件監(jiān)督分類的方法對(duì)遙感圖像進(jìn)行解譯和分類。土地利用分類系統(tǒng)采用中國(guó)科學(xué)院土地資源分類系統(tǒng)的一級(jí)分類[8]，包含林地、草地、農(nóng)業(yè)用地、建設(shè)用地、水域和未利用土地6種土地利用類型。

1.2.2水質(zhì)監(jiān)測(cè)

在遼河保護(hù)區(qū)的遼河干流和一級(jí)支流共布置31個(gè)采樣點(diǎn)，于2018年9月采集水樣，將水樣封于采樣容器后立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定水質(zhì)指標(biāo)COD與DO、NH3-N、TN、TP濃度。取各河段采樣點(diǎn)的平均值作為該河段的水質(zhì)數(shù)據(jù)。

1.3 模糊綜合評(píng)價(jià)方法

采用模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)遼河保護(hù)區(qū)河流水質(zhì)的健康狀況；首先對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行分層，確定其評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；然后通過各因子在水質(zhì)分析中的不同貢獻(xiàn)，進(jìn)行評(píng)價(jià)因子權(quán)重計(jì)算；最終得到遼河保護(hù)區(qū)水質(zhì)健康狀況的綜合評(píng)價(jià)等級(jí)。

1.3.1評(píng)價(jià)因子的隸屬度函數(shù)和模糊關(guān)系矩陣計(jì)算

模糊運(yùn)算中，需要確定隸屬度函數(shù)，用以描述水體污染狀況的模糊界線。將水質(zhì)指標(biāo)分為正向指標(biāo)和逆向指標(biāo)2種類型，計(jì)算不同水質(zhì)指標(biāo)對(duì)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中不同等級(jí)水質(zhì)的隸屬度函數(shù)。

正向指標(biāo)：

當(dāng)xi>ai1，ri1=1,ri2=ri3=ri4=ri5=0;

逆向指標(biāo)：

當(dāng)xi

式中：rij為指標(biāo)i對(duì)第j等級(jí)水質(zhì)的健康等級(jí)隸屬度；xi為指標(biāo)i的實(shí)測(cè)濃度；aij為指標(biāo)i的第j等級(jí)水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；j取1、2、3、4、5分別表示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類水質(zhì)等級(jí)。

取U為水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的集合，V為水質(zhì)等級(jí)的集合，即U={COD，DO，NH3-N，TP，TN}，V={Ⅰ類，Ⅱ類，Ⅲ類，Ⅳ類，Ⅴ類}。通過各指標(biāo)的隸屬度函數(shù)求出各指標(biāo)對(duì)于各等級(jí)水質(zhì)污染狀況的隸屬度，組成一個(gè)5×5的模糊矩陣(R)，稱為模糊關(guān)系矩陣。

1.3.2評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

不同指標(biāo)對(duì)水質(zhì)健康狀況的貢獻(xiàn)存在差異，因此需計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。計(jì)算權(quán)重的方法有很多，目前多采用水體中水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度與其相應(yīng)水質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的比值，計(jì)算公式為：

Wi=(xiSi)∑(xiSi)

(1)

式中：Wi為指標(biāo)i對(duì)應(yīng)各等級(jí)水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)值權(quán)重；Si為指標(biāo)i對(duì)應(yīng)的Ⅰ～Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值的平均值。由此得到權(quán)重模糊矩陣W。

1.3.3模糊綜合評(píng)價(jià)

為減少評(píng)價(jià)過程中信息的丟失，選用各參評(píng)指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)均有貢獻(xiàn)的加權(quán)模型算法：

bj=Wirij

(2)

式中：bj為最終評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)應(yīng)于第j等級(jí)水質(zhì)的隸屬度；rij為模糊關(guān)系矩陣R中的對(duì)應(yīng)元素。由此計(jì)算得到評(píng)價(jià)向量B,由于該模型計(jì)算結(jié)果已經(jīng)自動(dòng)歸一化，以其最大值所對(duì)應(yīng)的級(jí)別作為最終評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 各區(qū)段土地利用類型面積占比

根據(jù)遙感影像解譯的結(jié)果，利用GIS軟件的interscet、summary statisyics模塊，分別計(jì)算遼河保護(hù)區(qū)在鐵嶺、沈陽(yáng)、鞍山和盤錦段不同土地利用類型的空間分布與面積占比，結(jié)果如圖2、圖3所示。由圖3可知，從遼河保護(hù)區(qū)不同區(qū)段土地利用情況來看，鐵嶺段農(nóng)業(yè)用地面積占比最大，為39%，之后依次為草地(27%)、水域(21%)、林地(7%)、未利用土地(4%)，建設(shè)用地面積占比較小。鞍山段農(nóng)業(yè)用地面積占比最大，為60%，之后依次為草地(16%)、建設(shè)用地(9%)、水域(6%)、未利用土地(5%)，林地面積占比較小。沈陽(yáng)段農(nóng)業(yè)用地面積占比最大，為32%，之后依次為草地(28%)、水域(20%)、林地(14%)、未利用土地(4%)和建設(shè)用地(2%)。與其他區(qū)段相比，沈陽(yáng)段林地、草地面積占比最高。盤錦段水域面積占比最大，為37%，之后依次為未利用土地(29%)、農(nóng)業(yè)用地(21%)、草地(8%)、林地(3%)和建設(shè)用地(2%)。由于盤錦段位于遼河匯入渤海的地段，因此水域面積較大；該區(qū)段分布了大量屬于未利用土地的鹽場(chǎng)，因此未利用土地面積占比較高。綜上，鞍山段農(nóng)業(yè)用地面積占比最大，但其水域面積占比最小，且遠(yuǎn)小于其他各區(qū)段，這與流經(jīng)鞍山段的河流最短相關(guān)；鐵嶺、沈陽(yáng)段各土地利用類型的面積占比相差不大，但沈陽(yáng)段農(nóng)業(yè)用地面積占比小于鐵嶺段，林地面積占比則大于鐵嶺段。

圖2 2018年遼河保護(hù)區(qū)各區(qū)段土地利用類型空間分布Fig.2 Land use maps for each section in 2018 in Liaohe Conservation Area

圖3 遼河保護(hù)區(qū)各區(qū)段不同土地利用類型面積占比Fig.3 The area proportion of different land use types in each section of Liaohe Conservation Area

總體上，遼河保護(hù)區(qū)各種土地利用類型面積占比：林地為7%，草地為20%，農(nóng)業(yè)用地為40%，建設(shè)用地為4%，水域?yàn)?9%，未利用土地為10%。可見，遼河保護(hù)區(qū)主要土地利用類型為農(nóng)業(yè)用地，其次為草地。這是因?yàn)檫|河保護(hù)區(qū)平原面積遠(yuǎn)大于山地和丘陵面積，較適宜耕種，因此農(nóng)業(yè)用地面積較大；由于近年來加強(qiáng)了對(duì)遼河保護(hù)區(qū)的保護(hù)，通過植樹種草增加了綠化面積，因此草地面積占比也較高。

2.2 水質(zhì)健康狀況

遼河保護(hù)區(qū)鐵嶺、沈陽(yáng)、鞍山、盤錦段河流水質(zhì)指標(biāo)COD與DO、NH3-N、TN、TP濃度平均值如圖4所示。由圖4可知，遼河保護(hù)區(qū)各河段DO濃度較高，均大于8 mg/L；各河段COD均超過20 mg/L，除鞍山段稍高外，其他3個(gè)河段差異不大；各河段TN濃度均大于2 mg/L，沈陽(yáng)、盤錦段稍高于鐵嶺、鞍山段；4個(gè)河段NH3-N濃度差異較大，其中盤錦段最高，鐵嶺段和鞍山段相差不大；4個(gè)河段TP濃度相差不大，鐵嶺、沈陽(yáng)段高于盤錦和鞍山段。

圖4 遼河保護(hù)區(qū)不同河段水質(zhì)指標(biāo)變化Fig.4 Variation of water quality indexes in different sections of Liaohe Conservation Area

采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)遼河鐵嶺、沈陽(yáng)、鞍山、盤錦段河流水質(zhì)的健康等級(jí)，結(jié)果如表1所示。由表1可知，4個(gè)河段的DO濃度健康等級(jí)均為優(yōu)秀，COD均為中等，TN濃度均為病態(tài)、TP濃度均為中等，NH3-N濃度在沈陽(yáng)段為優(yōu)秀，在其他河段則為良好?？梢?，遼河保護(hù)區(qū)河流水體污染物主要是TN和TP，其來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中化肥農(nóng)藥的大量使用。

表1 遼河保護(hù)區(qū)各河段水質(zhì)健康狀況等級(jí)

2.3 土地利用類型和水質(zhì)的相關(guān)性

根據(jù)沈陽(yáng)、鐵嶺、鞍山、盤錦區(qū)段的各土地利用類型面積占比和相應(yīng)河段水質(zhì)數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件分析二者的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如表2所示。由表2可知，遼河保護(hù)區(qū)各土地利用類型面積占比與河流水質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性較好，這與徐麗賢等[9-12]的研究結(jié)果一致，其中水體COD與林地、草地面積占比呈負(fù)相關(guān)，與農(nóng)業(yè)用地和建設(shè)用地面積占比呈正相關(guān)。建設(shè)用地面積增加使不透水地面面積增加，地表對(duì)污染物的截留、吸附作用減弱，污染物隨地表徑流快速進(jìn)入河流[13-14]，從而使河流水體中污染物濃度增加。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用的化肥農(nóng)藥，也可通過地表徑流和下滲至地下徑流進(jìn)入河流[15]，使河流水體中污染物濃度增加；而林地和草地對(duì)污染物具有截留作用，林地與草地面積增加使污染物濃度降低。

表2 土地利用類型面積占比和水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

NH3-N、TP、TN濃度和COD與林地和草地面積占比呈負(fù)相關(guān)，與農(nóng)業(yè)用地和建設(shè)用地面積占比呈正相關(guān)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的化肥農(nóng)藥和工業(yè)生產(chǎn)中排放的污水對(duì)河流水體產(chǎn)生污染[16]，其中農(nóng)業(yè)用地對(duì)河流水質(zhì)的影響與其位置、坡度密切相關(guān)[17]；林地和草地對(duì)污染物具有截留作用，但該截留作用的強(qiáng)弱，與流域內(nèi)的農(nóng)田管理、耕地面積及與水體的距離有關(guān)[18-19]。

從不同區(qū)段土地利用類型對(duì)河流水質(zhì)指標(biāo)影響來看，土地利用類型的不同會(huì)影響河流水質(zhì)。沈陽(yáng)段的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)總體上優(yōu)于其他區(qū)段，同時(shí)沈陽(yáng)段的林地和草地面積占比都高于其他區(qū)段(圖3)，說明林地和草地能夠起到截留污染物的作用，從而降低河流水體污染物濃度，這與陳豐禹等[20]的研究結(jié)果一致；鞍山段農(nóng)業(yè)用地和建設(shè)用地面積占比均大于其他區(qū)段(圖3)，該區(qū)段河流水體COD、NH3-N濃度總體上高于其他區(qū)段，說明農(nóng)業(yè)用地和建設(shè)用地面積的增加會(huì)使水體污染物濃度增加，這與唐廉等[17]的研究結(jié)果相一致。

3 結(jié)論與建議

(1)遼河保護(hù)區(qū)農(nóng)業(yè)用地面積占比最大，其次是草地，建設(shè)用地面積占比較小。不同區(qū)段中，鞍山段農(nóng)業(yè)用地面積占比最大，水域面積占比最?。簧蜿?yáng)段林地、草地面積占比最大。

(2)遼河鐵嶺、沈陽(yáng)、鞍山、盤錦段河流水質(zhì)健康狀況：DO濃度健康等級(jí)均為優(yōu)秀；COD均為中等；TN濃度均為病態(tài)；TP濃度均為中等；NH3-N濃度在沈陽(yáng)段為優(yōu)秀，在其他河段則為良好。遼河保護(hù)區(qū)河流水體主要污染指標(biāo)是TN和TP。

(3)遼河保護(hù)區(qū)各土地利用類型面積占比與河流水質(zhì)指標(biāo)間相關(guān)性較好，其中河流水體NH3-N、TP、TN濃度和COD與林地、草地面積占比呈負(fù)相關(guān)，與農(nóng)業(yè)用地和建設(shè)用地面積占比呈正相關(guān)；DO濃度與林地和草地面積占比呈正相關(guān)，與農(nóng)業(yè)用地和建設(shè)用地面積占比呈負(fù)相關(guān)。沈陽(yáng)段土地利用類型對(duì)生態(tài)環(huán)境具有積極作用，草地面積占比最大，可有效減少該河段水體污染物濃度。

遼河保護(hù)區(qū)土地利用類型在結(jié)構(gòu)、功能和模式上不盡相同，對(duì)河流水質(zhì)狀況的影響也不相同。由于增加植被面積對(duì)河流水質(zhì)有積極作用，因此建議遼河保護(hù)區(qū)進(jìn)一步加強(qiáng)退耕還林、還草等工作；通過技術(shù)手段，預(yù)測(cè)土地利用類型的發(fā)展方向，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)；農(nóng)業(yè)面源污染的綜合防治比治理工業(yè)廢水的難度要大，可以通過綜合防治和開展生態(tài)農(nóng)業(yè)示范等措施進(jìn)行控制；同時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)遼河保護(hù)區(qū)的管理，提高河流水質(zhì)。