滇池流域土地利用动态变化及对流域水环境的影响分析

张 洪，黎海林，陈 震

（云南财经大学 城市管理与资源环境学院，昆明650221）

在流域水环境变化原因的研究中，土地利用类型变化是一个非常重要的影响因素，如果能够明确土地利用类型和水质之间的关系，就可以通过适当的土地利用规划来确定合理的污染预防措施，从而解决水环境污染问题，保护水质。国外在这方面研究较多，Basta和Bower总结了14个土地利用变化对水量、水质影响模型。比较详细地描述了这些模型使用的土地类型、时空属性、水文特征、水类型及测定的污染物。He将GIS和AGNPS模型结合，研究密歇根州一个农业流域土壤侵蚀和N、P流失情况，并在模拟预测的结果基础上提出了最佳的土地利用方法[1－3]。目前国内也有这方面的研究，于兴修以太湖上游浙江西苕溪流域为例研究了土地利用／覆被变化及对水质的影响[4]，李文杰研究了梁子湖流域土地利用变化对流域水环境的影响[5]，张婷对白洋淀水质时空变化及影响因子进行了评价与分析[6]。但是云贵高原的滇池流域土地利用结构及动态变化对水质的影响研究没有，因此本文是LUCC及计量地理学理论在滇池流域的一次实证应用，致力于研究滇池流域1974—2008年土地利用动态变化及对其水环境的影响，旨在真实反映该区域的土地利用情况，同时得出这种变化对水环境的影响，为土地利用规划、水污染治理及其它领域研究提供参考借鉴作用。

1 研究区域及研究方法

1.1 研究区域

滇池流域位于云贵高原中部，地处长江、珠江和红河三大水系分水岭地带，范围包括昆明市盘龙、五华、西山、官渡四区及呈贡、晋宁、嵩明等县市区部分地区。地理坐标为东经102°29′—103°01′，北纬24°29′—25°28′，流域面积为2 840.7km2。整个流域为南北长、东西窄的湖盆地，地形可分为山地丘陵、淤积平原和滇池水域三个层次。滇池流域属北亚热带湿润季风气候，年均气温14.9℃，年降雨量931.8mm，全年无霜期227d，具有低纬高原的季风气候特征，冬无严寒、夏无酷暑，四季如春，干湿分明，垂直差异大的气候特点。

1.2 研究方法及数据来源

1.2.1 研究方法 结合研究区域的土地利用方式特点，将土地利用按一级分类分为5大类，即：耕地、林地、建设用地、水域及其它地类。利用Edras遥感影像处理软件和ArcGIS地理信息系统软件对1974年、1988 年、1998 年、2008 年 4 个 时 期 Landsat－5（TM）遥感卫片进行校验配准及增强处理，通过野外GPS实地考察，获取遥感影像的解译标志，并对每个时期的影像进行人机交互解译，得出四个时期的土地利用现状。利用ArcGIS地理信息系统软件中的ArcMAP模块进行图层叠加分析，根据马尔柯夫模型建立土地利用空间动态变化转移矩阵。其中流域土地利用与水环境变化模拟采取单位根检验与协整检验来分析，并在此之前的基础上，利用马尔柯夫预测模型，通过Matlab软件实现对后期的土地利用结果及对水环境的影响进行预测。

1.2.2 数据来源 研究区数据来源于1974年、1988年、1998年及2008年Landsat－5（TM）遥感卫片，采取TM＿Band＿4（R），TM＿Band＿3（G），TM＿Band＿2（B）波段合成影像，通过几何校正及Edras遥感影像处理软件和ArcGIS地理信息系统软件人机交互解译得来。

1.2.3 马尔柯夫模型 马尔柯夫方法是利用某一变量的现状和动向去预测未来的状态及动向的一种分析手段，数学表达为：

式中：P（n）——将来时刻n土地利用类型的状态概率向量；P（0）——研究初始时刻土地利用类型的状态概率向量，简称初始状态概率向量；Pij——土地类型i转变为土地类型j的转移概率向量[7]。

1.2.4 ADF单位根检验 ADF单位根检验是检验数据序列的平稳性，如果存在同阶平稳的话，就可以对它们进行协整检验。由以下回归方程构成：

式中：β1——常数项；β2——t的系数；εt——纯粹白噪音误差项，而 ΔYt－1＝（Yt－1－Yt－2），ΔYt－2＝（Yt－2－Yt－3）等。假设δ＝0，Yt－1系数的估计t值服从τ统计量，即存在一个单位根，即时间序列是非平稳的。假设不能接受δ＝0假设，可以使用通常的t检验，即不存在单位根，该时间序列是平稳的[8]。

1.2.5 协整检验 采用Johansen检验法进行协整检验，其基本思路是在多变量向量自回归（VAR）系统回归构造两个残差的积矩阵，计算矩阵的有序本征值，根据本征值得出一系列的统计量判断协整关系是否存在以及协整关系的个数[9]。

2 土地利用变化分析

2.1 土地利用现状

根据前面所得数据，利用ArcGIS地理信息系统软件中的面积统计功能，得到4个研究时期的5大地类的面积及其所占总面积的百分比（表1）。

从表1可以看出，4个研究时期的各类土地利用中林地所占比率最大，最大是1974年达到44.8%，这与流域的地质地貌特点有很大关系。耕地面积和建设用地面积变化则较大，耕地由1974年的17.3%下降到2008年的9.3%，建设用地则从1974年的3.1%上升到2008年的14.0%。

表1 1974－2008年土地利用现状结构

2.2 土地利用类型变化

土地利用变化分析主要是对4个时期土地利用现状空间信息在ArcGIS地理信息系统软件下进行空间叠加，利用马尔柯夫转移矩阵，通过统计分析、计算整理后得到各个时期的土地利用现状图及土地利用转移矩阵（附图9、表2）。

所得转移矩阵表中，数据所在列代表1974年土地利用类型，行代表2008年土地利用类型。数字代表的是1974的土地利用类型转变为2008年各类利用类型的面积。根据转移矩阵不难看出，在1974—2008年期间，耕地转化为建设用地的面积为212.86 km2，其中1988—2008年中，耕地转化为建设用地的面积为为128.98km2；其它地类转化为建设用地的面积为102.86km2，水域及林地呈递减趋势，但是减少的面积很小，整体变化不大。

3 基于马尔柯夫模型的土地利用预测

根据马尔柯夫预测模型，应用Matlab软件对各个时期的转移概率进行计算，并将预测相应结果与实际值比较，结合实际情况，采用1988—2008这个时间段的里1988年作为初始状态年，以这个时间段的转移概率作为转移概率向量，预测得到1998年、2008年的土地利用结构与1998年、2008年实际的土地利用结构进行对比，模拟值和实际值十分接近，两个时期的相对误差平均值在0.05%内。由此可见利用马尔柯夫过程预测滇池流域土地利用结构是可行的。得到的预测结果见表3。

表3 马尔柯夫链预测的各土地利用类型面积 km2

马尔柯夫模型预测结果表明，2015—2030年研究区内建设用地面积进一步增加，林地、水域和其他地类进一步减少，但减少的幅度在逐渐变小，耕地面积也继续减少。

4 流域土地利用演变与水环境变化的关系

土地利用是人类对自然环境最直接的一种作用方式，如果利用方式不当将会导致大量的硝酸盐、磷酸盐等物质未经处理排入流域水体，进一步造成对流域水环境的污染。在此以滇池流域土地利用变化的研究为基础，结合查找相关年份的土地利用数据，利用1994—2008年以来可以获得的水质资料，分析滇池流域土地利用变化对水环境所带来的影响。

4.1 流域土地利用与水环境变化模拟

水环境主要由地表水和地下水两部分组成，本文只对滇池的地表水环境进行相应分析。滇池水环境的评价标准是参考中华人民共和国环境保护总局颁布的《中华人民共和国地表水环境质量标准》（GB3838－2002）。水质监测的常规项目包括：水温、电导率、pH、溶解氧（DO）、总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH3－N）、高锰酸盐指数、生化需氧量BOD，挥发酚、石油类、重金属和细菌等指标[6]。结合本次研究实际情况，对从监测部门所获取的1994—2008年的总氮（TN）、总磷（TP）、生化需氧量（BOD）及化学需氧量（COD）资料采用时间序列方法进行分析，研究滇池流域土地利用变化对滇池水环境产生的影响。

4.1.1 单位根检验 采用监管部门调研得到的土地数据，将滇池流域的土地类型分为城镇村工矿建设用地（CH）、耕地（GE）、有林地（LIN）、牧草地（MU）、湿地（SHI）、园地（YUAN）6大类，分别采用各类土地类型占流域土地的比重，对1994—2008年滇池流域的总氮（TN）、总磷（TP）、生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）以及各土地类型的时间序列采用ADF法进行单位根检验，计算结果如表4所示。

由表4可以看出总氮量与园地序列为0阶单整，其它序列均为2阶单整。

表4 各变量ADF检验

4.1.2 协整检验 通过Johansen检验计算得到总磷（TP）、生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）与城镇村工矿建设用地（CH）、耕地（GE）、有林地（LIN）、牧草地（MU）、湿地（SHI）、园地（YUAN）之间存在协整关系。其关系为：

其中（1）（2）（3）式下括号内数为t值，R2表示调整后的拟合优度，DW为durbin watson检验值。可以得到在5%显著性水平下TP和BOD与土地利用类型之间存在相关关系，城镇建设用地及独立工矿用地对总氮量的弹性为15.31，即城镇建设用地每增加666.7 m2，会对总氮量产生15.31mg／L的正向影响，同理，耕地对总氮量弹性为10.47，牧草地对总氮量弹性为－156.74。城镇建设用地及独立工矿用地对BOD的影响为543.79，耕地对BOD的影响为－272.49，有林地对BOD的影响为160.88。在20%显著性水平下COD与土地利用类型之间存在相关关系，城镇建设用地及独立工矿用地、耕地、湿地对COD的弹性分别为173.88，－100.75和－4920.59。可以认为，城镇村工矿建设用地和耕地显著提高了流域总磷量的排放，然而牧草地显著减少了流域总磷量的影响；城镇村工矿建设用地及有林地显著提高了流域BOD的污染，而耕地有效地减少了流域BOD的污染；城镇村工矿建设用地显著提高了流域COD的排放，而耕地和湿地有效减少了COD的排放。

4.2 流域土地利用与水环境变化预测

采用马尔柯夫链分别预测2015年、2020年、2025年、2030年4期土地利用状况后，采用模型（1），（2），（3）分别对滇池流域TP，BOD，COD进行预测，结果见表5。

表5 4个时期水质污染状况预测 mg／L

由以上预测可以看出，随着年份的增长，水质污染状况指标呈现持续恶化的趋势，主要原因是由于随着年份的增长，流域城镇村工矿建设用地所占比例不断扩大，而流域内耕地、有林地、牧草地、湿地等地类不断减少，导致了环境状况的持续恶化。

5 结论

通过对1974—2008年4个时期的分析，揭示了滇池流域近30a土地利用／覆被变化情况以及这种变化对滇池水环境的影响。结果表明，滇池流域土地利用类型变化显著，土地利用对滇池水质有一定的影响。土地利用相互转化过程中，耕地、建设用地和其它地类的变化幅度较大，水域和林地变化不明显。其中，耕地转化为建设用地的面积为212.86km2，其它地类转化为建设用地的面积为102.86km2。各时间段中，1998—2008年研究期间的土地利用变化最大，同样表现为耕地的大量减少和建设用地的急剧增加。

马尔柯夫模型预测结果表明，2015—2030年研究区内建设用地面积进一步增加，林地、水域和其它地类进一步减少，但减少的幅度在逐渐变小，耕地面积也继续减少。

通过单位根和协整检验可以看出土地利用类型的变化对滇池水环境变化具有明显的影响作用，在5%显著性水平下TP和BOD与土地利用类型之间存在相关关系，建设用地对总氮量的弹性为15.31，即城镇建设用地每增加0.067hm2，会对总氮量产生15.31mg／L的正向影响，耕地对总氮量弹性为10.47，牧草地对总氮量弹性为－156.74。建设用地对BOD的影响为543.79，耕地对BOD影响为－272.49，有林地对BOD影响为160.88。在20%显著性水平下COD与土地利用类型之间存在的相关关系，建设用地、耕地、湿地对COD的弹性分别为173.88，－100.75，－4 920.59。可以认为，城镇村工矿建设用地和耕地显著提高了流域总磷量的排放，然而牧草地显著减少了流域总磷量的影响；城镇村工矿建设用地及有林地显著提高了流域BOD的污染，而耕地有效地减少了流域BOD的污染；城镇村工矿建设用地显著提高了流域COD的排放，而耕地和湿地有效减少了COD的排放。

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