廣元市土地利用類型及社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子對(duì)河流水質(zhì)的影響

張萍 張倚銘 唐婭 鄭清 權(quán)秋梅 黎云祥

摘要 [目的]探究一定流域范圍內(nèi)土地利用類型及社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子對(duì)河流水質(zhì)的影響情況。[方法]使用2012—2015年廣元市嘉陵江、白龍江和南河的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選取5個(gè)分析指標(biāo)，利用單因子指數(shù)與土地利用數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，探討土地利用類型與經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)對(duì)河流水質(zhì)的影響傾向，選取最優(yōu)模型進(jìn)行情景預(yù)測(cè)。[結(jié)果]①?gòu)V元市2012—2015年區(qū)域河流水質(zhì)較好，期間河流水質(zhì)根據(jù)回歸模型模擬結(jié)果與實(shí)際無(wú)顯著差異，回歸模型能夠基本反映出廣元市河流水質(zhì)的實(shí)際變化趨勢(shì)。②COD Mn、BOD5、NH4+-N的影響因子均包括年末實(shí)有耕地，且都呈負(fù)相關(guān);COD Cr與人口密度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān);TP與草地面積呈負(fù)相關(guān);BOD5 影響因子除了年末實(shí)有耕地面積外還有農(nóng)業(yè)設(shè)施用地面積，并且與農(nóng)業(yè)設(shè)施用地面積呈正相關(guān)。③土地利用類型對(duì)COD Mn、BOD5、NH4+-N、TP均有影響，COD Cr受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子的影響，其中土地利用類型變化對(duì)河流水質(zhì)影響作用比社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子更顯著。④增加年末實(shí)有耕地面積、減少農(nóng)業(yè)設(shè)施用地面積、增加人口密度的情況下能使水質(zhì)更好。[結(jié)論]在考量河流水質(zhì)的影響因子時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮土地利用類型和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子。

關(guān)鍵詞 嘉陵江（廣元段）;土地利用類型;社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子;單因子指數(shù)法

中圖分類號(hào) X522? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2020）20-0052-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.20.016

Influence of Land Use Types and Socioeconomic Factors on River Water Quality in Guangyuan City

ZHANG Ping1， ZHANG Yi-ming2， TANG Ya1 et al

（1.College of Environmental Science and Engineering， China West Normal University， Nanchong， Sichuan? 637009;2.Department of Pharmaceutical and Environmental Engineering， Sichuan Vocational College of Chemical Industry， Luzhou， Sichuan 646009）

Abstract [Objective]To explore the impact of land use types and socio-economic factors on river water quality in a certain watershed.[Method]Using the water quality monitoring data of Jialing River， Bailong River and Nanhe River in Guangyuan City from 2012 to 2015， five analysis indexes were selected， and regression analysis was carried out with single factor index， land use data and socio-economic data to explore the impact tendency of land use type and economic data on river water quality， and the optimal model was selected for scenario prediction. [Result]①The regional river water quality in Guangyuan City was good from 2012 to 2015. During the period， the water quality of the river was not significantly different from the actual results according to the regression model. The regression model could basically reflect the actual change trend of river water quality in Guangyuan City.②The impact factors of COD Mn， BOD5 and NH4+-N include cultivated land at the end of the year， and they were negatively correlated. COD Cr was negatively correlated with population density， TP was negatively correlated with grassland area， and BOD5 influence factor was positively correlated with agricultural facility area besides cultivated land area at the end of the year.③Land use types had an impact on COD Mn， BOD5， NH4+-N and TP， and COD Cr was affected by socio-economic factors. The impact of land use types on river water quality was more significant than that of socio-economic factors.④The water quality can be improved by increasing the area of cultivated land at the end of the year， reducing the area of agricultural facilities and increasing the population density.[Conclusion] Land use types and socio-economic factors should be considered comprehensively when exploring the influencing factors of river water quality.

Key words Jialing River （Guangyuan Section）;Land use type;Socio-economic factor;Single factor index method

生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)對(duì)促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)穩(wěn)定有重要意義 [1]。有研究表明，水質(zhì)情況與社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)具有緊密聯(lián)系，如TN、COD Mn與流域人口、人均 GDP 密切相關(guān) [2];水體富營(yíng)養(yǎng)化程度與滇池流域人口、昆明市GDP密切正相關(guān) [3];地區(qū)GDP和人口與水質(zhì)指標(biāo)具有相關(guān)性 [4]。除此之外，相關(guān)研究表明土地利用情況對(duì)河流水質(zhì)具有重要影響 [5-8]。如耕地、園地與COD Mn呈明顯正相關(guān);水質(zhì)的變化受經(jīng)濟(jì)、人口因素和土地利用類型面積比例的影響 [9-10];土地利用類型及社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)水體污染物濃度有影響 [11-12]。

嘉陵江是長(zhǎng)江支流中流域面積最大的支流，經(jīng)陜西省、甘肅省、四川省、重慶市注入長(zhǎng)江。其以四川省廣元市昭化區(qū)以上為上游，昭化至重慶市合川區(qū)為中游，合川至重慶河口為下游。嘉陵江流域有重要的航運(yùn)、供水、生態(tài)功能 [13]。該研究區(qū)域?yàn)榧瘟杲瓘V元段，是廣元市生產(chǎn)和生活集中水源，還具有重要的生態(tài)屏障戰(zhàn)略意義，對(duì)人類生產(chǎn)生活具有重要作用。嘉陵江流域覆蓋面廣，廣元段處嘉陵江流域的中上游，因此其水質(zhì)優(yōu)劣對(duì)中下游城市的生產(chǎn)和生活具有重大影響。

該研究通過(guò)嘉陵江、南河和白龍江3個(gè)流域的綜合分析，利用單因子指數(shù)與土地利用類型及社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，探究土地利用類型及其社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)對(duì)水體污染物濃度的影響。利用單因子指數(shù)與土地利用類型和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，綜合分析土地利用類型和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)與河流水質(zhì)的關(guān)系，建立模型進(jìn)行情景分析，進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)狀研究水質(zhì)變化，為廣元境內(nèi)嘉陵江水質(zhì)管理提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)域

廣元市位于四川省北部（31°31～32°56N，104°36～106°45E），境內(nèi)河流屬長(zhǎng)江水系，有嘉陵江、白龍江、清水河、東河、木門(mén)河等75條河流。屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，南部低山，冬冷夏熱;北部中山區(qū)冬寒夏涼，秋季降溫迅速。年平均氣溫16.1 ℃，7月平均氣溫26.1 ℃，1月平均氣溫 4.9 ℃。年降雨量800～1 000 mm，日照時(shí)數(shù)1 300～1 400 h，無(wú)霜期220～260 d，四季分明。

研究區(qū)域選取廣元市境內(nèi)嘉陵江、白龍江和南河。其中，嘉陵江為廣元境內(nèi)的河流主干，自北向南流經(jīng)廣元市區(qū);白龍江屬于嘉陵江的一級(jí)支流，是嘉陵江上游的最大支流，自北向南流經(jīng)廣元，并在廣元市西側(cè)的昭化鎮(zhèn)匯入嘉陵江;南河是廣元的母親河，廣元市城區(qū)內(nèi)的四分之三用水來(lái)源于南河，南河從廣元市東南側(cè)流經(jīng)廣元市區(qū)，最后在天成大橋西側(cè)匯入嘉陵江 [14]。研究區(qū)域地圖見(jiàn)圖1。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1.1 土地利用數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源。

選取廣元市2012—2015的土地利用類型和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于《四川統(tǒng)計(jì)年鑒》（2013—2016）和《廣元統(tǒng)計(jì)年鑒》（2013—2016）（表1）。土地利用類型數(shù)據(jù)包括：年末實(shí)有耕地面積（X1，hm2）、園地面積（X2，hm2）、林地面積（X3，hm2）、草地面積（X4，hm2）和農(nóng)業(yè)設(shè)施用地面積（X5，hm2）。為反映廣元市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)平均水平，選取了6個(gè)均值變量型數(shù)據(jù)代表社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子，其中包括：人口密度（X6，人/km2）、人均GDP（X7，元/人）、第一產(chǎn)業(yè)國(guó)有總值占比（X8，%）、第二產(chǎn)業(yè)國(guó)有總值占比（X9，%）、第三產(chǎn)業(yè)國(guó)有總值占比（X 10，%）和工業(yè)占比（X 11，%）。

2.1.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)源。

水質(zhì)采樣時(shí)間為2012—2015年 1—12月每月月初，采樣頻率為每月1次。在各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位通過(guò)人工采樣的方式進(jìn)行采樣，分別在嘉陵江流域的八廟溝、上石盤(pán)、張家?guī)r3個(gè)斷面設(shè)置采樣點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，選取南河的安家灣和南渡2個(gè)斷面，白龍江在苴國(guó)村和姚渡2個(gè)河流斷面設(shè)置采樣點(diǎn)監(jiān)測(cè)。八廟溝、張家?guī)r、南渡、苴國(guó)村、姚渡為國(guó)控?cái)嗝?，安家灣、上石盤(pán)為省控?cái)嗝?。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括pH、DO、COD Mn、COD Cr、BOD5、NH4+-N、TN、TP，除pH為無(wú)綱量外，其他指標(biāo)單位均為mg/L。

2.2 研究方法

2.2.1 單因子指數(shù)法。

根據(jù)文獻(xiàn) [10-12]結(jié)合廣元市2012—2015年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)現(xiàn)狀，選取COD Mn、BOD5、COD Cr、NH4+-N、TP作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，單因子指數(shù)是無(wú)量綱指數(shù)，污染因子選定后對(duì)每一個(gè)因子進(jìn)行單獨(dú)評(píng)價(jià)，各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)與分析評(píng)價(jià)依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）。單因子指數(shù)法是將評(píng)價(jià)水質(zhì)指標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，其計(jì)算公式為? [15-16]：

式中，Ci為第i種水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)測(cè)污染物濃度，mg/L;Si為第i種指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)濃度值，mg/L;Pi為第i種水質(zhì)指標(biāo)的單因子指數(shù)，無(wú)量綱。超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)為斷面污染指標(biāo)（廣元市生態(tài)環(huán)境局），因此Si采用Ⅲ類地表水標(biāo)準(zhǔn)限值。水質(zhì)污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)為：Pi<1，清潔;1≤Pi<2，輕污染;2≤Pi<3，污染;3≤Pi<5，重污染;Pi>5，嚴(yán)重污染。

2.2.2 逐步回歸分析。

逐步回歸分析是建立在多元線性回歸分析基礎(chǔ)上的，是指運(yùn)用回歸分析原理依據(jù)雙檢驗(yàn)原則，逐步引入和剔除自變量而建立最優(yōu)回歸方程的優(yōu)選方法。

以廣元市土地利用類型和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)為自變量，以河流的水質(zhì)指標(biāo)為因變量。將水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行l(wèi)n（Pi）轉(zhuǎn)化后，運(yùn)用IBM SPSS Statistics 23.0進(jìn)行逐步回歸分析，排除不顯著變量。用指數(shù)模型來(lái)表征這一關(guān)系為 [17]：

ln（Pi）=lnα+β1X1+β2X2+…+β 11X 11（2）

式中，lnα為常量，X1～X 11分別為年末實(shí)有耕地面積、園地面積、林地面積、草地面積、農(nóng)業(yè)設(shè)施用地面積、人口密度、人均GDP、第一產(chǎn)業(yè)占比、第二產(chǎn)業(yè)占比、第三產(chǎn)業(yè)占比和工業(yè)占比，X1～X5為土地利用類型數(shù)據(jù)，X6～X 11為社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù); β1～β 11分別表示各影響因子與水質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)。

相關(guān)系數(shù)為負(fù)，則表明影響因子越大，污染物濃度越低;反之，相關(guān)系數(shù)為正，則表明影響因子越小，污染物濃度越低。

2.3 情景分析

情景分析的作用在于充分了解目前已知情

況的基礎(chǔ)上，對(duì)未來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的預(yù)測(cè)，從而為政策決

策提供一定的理論基礎(chǔ)。根據(jù)自變量與因變量進(jìn)行回歸分

析得到的顯著模型，根據(jù)不同的發(fā)展方向設(shè)置不同的情景，

并用所設(shè)置情景進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測(cè)，通過(guò)改變土地利用類型和社

會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)得到一系列不同的情景，比較不同的情景模式中水質(zhì)數(shù)據(jù)的變化情況。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因子指數(shù)分析

廣元市嘉陵江流域2012—2015年水質(zhì)指標(biāo)Pi值計(jì)算如表2所示，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知2012—2015年廣元市嘉陵江流域各分析污染物單因子指標(biāo)均<1，對(duì)照水質(zhì)污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，這4年期間研究區(qū)域水質(zhì)清潔。并且能夠滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求，表明區(qū)域河流水質(zhì)較好。

3.2 回歸分析

將水質(zhì)指標(biāo)與土地利用類型和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步回歸分析，回歸分析結(jié)果顯示，COD Mn與年末實(shí)有耕地面積呈負(fù)相關(guān);BOD5與年末實(shí)有耕地面積呈負(fù)相關(guān)，與農(nóng)業(yè)設(shè)施用地面積呈正相關(guān);COD Cr與人口密度呈負(fù)相關(guān);NH4+-N與年末實(shí)有耕地面積呈負(fù)相關(guān)，TP與草地面積呈負(fù)相關(guān)（表3）。研究結(jié)果表明，年末實(shí)有耕地面積、草地面積、農(nóng)業(yè)設(shè)施用地面積和人口密度均對(duì)河流水質(zhì)具有顯著影響，說(shuō)明土地利用類型和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)跟河流水質(zhì) 相關(guān)。

通過(guò)R2可知，5個(gè)模型的擬合效果均較好，其中BOD5擬合效果最好（R2=0.999 8），其次為T(mén)P（R2=0.996）>NH4+-N（R2=0.967）>COD Cr（R2=0.944）>COD Mn（R2=0.941）。

根據(jù)回歸分析結(jié)果得出水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測(cè)的最優(yōu)模型（表4），結(jié)合2012—2015年土地利用類型和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因子指數(shù)數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與表2進(jìn)行對(duì)比結(jié)果如圖2所示。由圖2可看出，2012—2015年水質(zhì)情況的模擬結(jié)果與實(shí)際無(wú)顯著差異，單一的水質(zhì)指標(biāo)只在某個(gè)特定的因變量變化時(shí)才能產(chǎn)生響應(yīng)，但是結(jié)果顯示通過(guò)回歸分析的模型對(duì)水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)基本能反映水質(zhì)的實(shí)際變化趨勢(shì)。

3.3 情景分析

根據(jù)回歸分析結(jié)果，選取年末實(shí)有耕地面積、草地面積、農(nóng)業(yè)設(shè)施用地面積和人口密度作為影響因子代表，為了更好的說(shuō)明土地利用類型及社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子對(duì)河流污染物濃度產(chǎn)生的影響，改變其中部分影響因子設(shè)置一系列不同情景，將情景模擬結(jié)果與2015年的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

根據(jù)2012—2015年廣元市土地利用類型和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的變化范圍進(jìn)行情景設(shè)置，其中人口密度隨年末實(shí)有耕地面積有相應(yīng)變動(dòng) [18]。

情景設(shè)置如表5所示：情景1增加年末實(shí)有耕地面積（X1），減少農(nóng)業(yè)設(shè)施用地面積（X5），增加人口密度（X6）;情景2減少年末實(shí)有耕地面積（X1），減少農(nóng)業(yè)設(shè)施用地面積（X5），減少人口密度（X6）;情景3增加草地面積（X4），減少農(nóng)業(yè)設(shè)施用地面積（X5）;情景4減少草地面積（X4），增加農(nóng)業(yè)設(shè)施用地面積（X5）;情景5和情景6同時(shí)改變年末實(shí)有耕地面積（X1）、草地面積（X4）、農(nóng)業(yè)設(shè)施用地面積（X5）以及人口密度（X6）。

將廣元市土地利用類型和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)設(shè)置一系列不同的情景，結(jié)果見(jiàn)表6。情景1中COD Mn、BOD5、COD Cr、NH4+-N預(yù)測(cè)值均變小，水質(zhì)指數(shù)有明顯降低的趨勢(shì)，水質(zhì)變好，而與之相比情景2結(jié)果相反，COD Mn、BOD5、COD Cr、NH4+-N預(yù)測(cè)值均變大，水質(zhì)變差。情景3中BOD5升高，TP降低，情景4情況相反。情景5中TP變高，COD Mn、BOD5、COD Cr、NH4+-N預(yù)測(cè)值均降低，與之相反，情景6中TP降低，COD Mn、BOD5、COD Cr、NH4+-N預(yù)測(cè)值均變高。結(jié)果表明，土地利用類型和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的變化對(duì)河流水質(zhì)有一定影響。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)單因子指數(shù)法分析可知，廣元市2012—2015年河流水質(zhì)能夠滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求，表明區(qū)域河流水質(zhì)較好。結(jié)合回歸分析模擬結(jié)果顯示，2012—2015年水質(zhì)情況的模擬結(jié)果與實(shí)際無(wú)顯著差異。表明回歸模型能基本反映廣元市河流水質(zhì)的實(shí)際變化趨勢(shì)。

（2）回歸分析顯示，廣元市2012—2015年的年末實(shí)有耕地面積、草地面積、農(nóng)業(yè)設(shè)施用地面積和人口密度均對(duì)河流水質(zhì)具有顯著影響;COD Mn、BOD5、NH4+-N 3個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的影響因子均包括年末實(shí)有耕地，且都呈負(fù)相關(guān);COD Cr與人口密度呈負(fù)相關(guān);TP與草地面積呈負(fù)相關(guān);BOD5 影響因子除了影響年末實(shí)有耕地面積外還影響農(nóng)業(yè)設(shè)施用地面積，并且與農(nóng)業(yè)設(shè)施用地面積呈正相關(guān)。

（3）就廣元市而言，年末實(shí)有耕地面積的變化對(duì)COD Mn、BOD5、NH4+-N均有影響，土地利用類型對(duì)COD Mn、BOD5、NH4+-N、TP均有影響，COD Cr受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子的影響。其土地利用類型變化對(duì)河流水質(zhì)影響作用比社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子更加顯著。

（4）情景分析結(jié)果顯示，在情景1的結(jié)果中水質(zhì)最好，表明增加年末實(shí)有耕地面積、減少農(nóng)業(yè)設(shè)施用地面積、增加人口密度的情況下能使水質(zhì)更好。該結(jié)論具有重大意義：可為廣元市的河流水質(zhì)污染防治提供可靠數(shù)據(jù);可為廣元市的相關(guān)發(fā)展戰(zhàn)略提供一定參考;還可為對(duì)四川省其他地區(qū)的河流水質(zhì)污染防治提供參考。

（5）在分析水質(zhì)變化影響因子時(shí)，不應(yīng)只考慮土地利用類型或者社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子，應(yīng)綜合考慮土地利用類型和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的共同作用。合理的控制土地利用類型和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)能夠有效改善河流水質(zhì)狀況。

參考文獻(xiàn)

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