开州汉丰湖流域土地利用格局与水质相关性分析

齐 静，周春雷

(重庆市环境科学研究院，重庆 400020)

·水环境·

开州汉丰湖流域土地利用格局与水质相关性分析

齐 静，周春雷

(重庆市环境科学研究院，重庆 400020)

选取位于长江三峡水库小江支流回水末端的汉丰湖流域为研究对象，运用ArcGIS空间分析与统计分析方法，分析了汉丰湖流域河岸在不同缓冲区尺度的土地利用格局，并建立了河岸不同尺度缓冲区内土地利用与河流水质的关联。结果表明：(1)林草地在各个缓冲区尺度内均对COD、NH3-H、TN、TP具有一定的削减作用，对水体质量保护起着积极作用。(2)建设用地、耕地在各个尺度缓冲区内与COD、NH3-H、TN、TP呈正相关，表明建设用地、耕地比重的增加会对水质保护产生负面影响。(3)建议为降低城市化进程对环境的负面影响，应优化区域土地利用格局，合理规划河岸带，特别是500m 范围内的城市缓冲带。

汉丰湖流域；河岸缓冲区；土地利用空间格局；水质相关性

当今中国城市化发展迅速，城市人口压力剧增，全国城市化面积迅速提高，新兴城市和旧城改造随处可见[1～3]。伴随着城市化进程的加快，城市化过程也正在对周围的生态环境造成现实或者潜在的威胁[4]，尤其在三峡移民工程的带动下，三峡库区城市发展速度远超其他地区，这也为三峡库区水环境安全带来了极大威胁[5～7]。本文以三峡库区腹心之地—开州汉丰湖流域为研究对象，探索快速城市化进程中，流域土地利用与水质的关联，深入理解和认识城市化进程中流域土地利用结构的变化与规律；揭示在不同尺度条件下，流域水环境质量与土地利用之间的响应关系，对城市化区域土地利用及三峡库区水环境保护具有重要的理论和实践意义。

1 研究区概况

汉丰湖流域位于重庆市开州区新县城，属长江三峡水库小江支流回水末端，行政区划涉及20个镇街，流域总面积约406.70 km2。由于三峡水库蓄水后，水库采用“蓄清排浑”的运行方式，在库区范围内形成了海拔介于145m～175m之间的水位消落带，为最大程度地减缓消落带的不利影响，保证地处三峡库区腹心新城的生态环境安全，在开州新城下游3km处的乌杨村修建水位调节坝，正常蓄水位170.28m；建成后，水位消涨幅度由22.5m降至4.72m，从而形成独具特色的“城市内湖”——汉丰湖[7]，见图1。

图1 汉丰湖地理位置Fig.1 Location of Hanfeng Lake

2 数据处理及研究方法

2.1 数据来源及预处理

研究所需的遥感数据主要来源于2012年6月的Landsat8 OLI影像，遥感影像的数据质量均较好，地物特征及气候条件均较为明显，可以较好的表现出研究区各类地物的特征，且研究区内云覆盖较少，影像空间分辨率为30m，全色波段分辨率为15m。研究采用Landsat影像为基础信息源，首先对数据资料进行质量监测，对照影像选取控制点，利用图像处理系统对影像进行几何校正，以流域边界为裁剪范围，获取汉丰湖流域的遥感影像，再对遥感影像进人工解译及矢量化处理。本研究将汉丰湖流域分为5大土地利用类型，既是建设用地、耕地、裸露地、林草地、水域。研究区域2012年水质监测数据由开州环保局环境监测站提供。

2.2 流域水质现状评价

2.2.1 监测点位分布及评价标准

根据汉丰湖流域水体的特征，选择9个监测点，即巫山乡断面W1、滴水岩断面W2、乌阳大坝断面W3、铺溪断面W4、石龙船断面W5、渠口断面W6、木桥断面W7、丰乐断面W8、津关断面W9；综合考虑流域水环境主要污染因子，选择COD、NH3-N、TP、TN等作为关键指标，取各个监测点的丰水期、枯水期的平均值代表汉丰湖各子流域的水质情况；其水质监测浓度及其空间分布情况如图2。

根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，及汉丰湖流域污染源调查情况，选择COD、BOD5、溶解氧、TP、NH3-N、高锰酸盐指数、总氮等7项作为现状评价因子，见表1。

图2 监测点分布图Fig.2 Distribution of monitoring points

2.2.2 水质现状评价方法

评价方法采用综合水质标识指数[8～11]，用污染分担率[12]确定断面的主要污染物；综合水质级别评价标准见表2。

2.3 流域土地利用格局对水质的影响评价方法

本文研究借助GIS缓冲空间分析技术研究作用区内土地利用与水质之间的相关性。缓冲区采用以监测点为中心的圆形缓冲区[13]。其中，以监测点为中心的圆形缓冲区包括100m、200m、500m、1 000m、1 500m半径等5种[14-15]；统计缓冲区内各类土地利用的构成，用于分析水质与土地利用之间的相关性。使用统计分析软件SPSS17.0 分析土地利用结构与水质监测数据的相关性，分别对土地利用类型面积比例和水质监测指标进行正态检验，符合正态分布的数据使用Pearson相关性分析，不符合正态分布的用Spearman轶相关分析[15]。

表1 地表水环境质量标准值Tab.1 Standard value of surface water quality

表2 综合水质判别标准Tab.2 Comprehensive standard for water quality

3 结果与分析

3.1 汉丰湖流域水质现状及空间分布

3.1.1 流域水质现状评价结果

根据开州环保局监测站提供的数据，分析汉丰湖流域各监测断面水质评价结果见表3,表4。评价结果表明，汉丰湖流域滴水岩W2、乌阳大坝W3、石龙船W5、丰乐W8断面水质为Ⅳ类，其他五个断面水质均为Ⅲ类(即巫山乡断面W1、铺溪断面W4、渠口断面W6、木桥断面W7、津关断面W9)；COD、TP、NH3-N、TN是影响汉丰湖河水质的主要污染物。根据现场调研可知，流域内点源污染较少，污染源主要来源于面源污染，即是农业施肥、地表径流及水土流失等。

表3 汉丰湖流域各监测断面监测结果Tab.3 The monitoring results of the monitoring sections of Hanfeng Lake

表4 汉丰湖单因子水质标识指数和综合水质指数评价结果Tab.4 The evaluation results of single factor water quality indentification index and comprehensive water quality indentification index of Hanfeng lake

3.2 不同尺度缓冲区土地利用格局

将研究区不同尺度缓冲区与汉丰湖流域2012年土地利用图在ArcGIS中进行叠加，得到各缓冲区内土地利用类型情况(表5，图3)。由结果可知，在汉丰湖流域的9个监测点的缓冲区范围内，林草地所占比例较大，占总面积的23.26% ～ 38.69%；其次为建设用地，所占比例为总面积的21.47% ～ 30.17%；裸露地所占比例为总面积的16.01% ～ 30.97%；水域与耕地比重相对稳定，分别为6.62% ～ 16.69%和7.63% ～ 11.70%。

表5 作用区各土地利用类型平均面积比例Tab.5 The average area propotion of various land use types in the function region (%)

图3 不同尺度缓冲区土地利用结构分布Fig.3 The spatial distribution of land use structure

3.3 土地利用格局与水质相关性

对不同尺度的缓冲区范围内的建设用地、耕地、裸露地、林草地4种土地利用类型的面积比例与主要影响汉丰湖流域的4个水质指标进行二元线性相关分析。由表6分析可知，建设用地、耕地与COD、NH3-H、TN、TP四种水质污染指标呈正相关，且在半径为500米范围内相关性显著；裸露地在所有缓冲区与COD、NH3-H、TP水质指标相关性不显著；林草地与COD、NH3-H、TN、TP四个指标呈负相关，且在半径为200m分为内相关性显著。整体而言，在半径为500m作用区范围内影响较大，相关性随着距离的增加而减小。

究其原因，建设用地对水质的影响一方面来至于河道两岸污水管网建设较不完善或存在破损等导致生活污水直排入河，造成河流污染；另一方面由于城市地表硬化程度较高，雨水冲刷将地表泥沙或污染物直接带入河内，影响河流水质。根据流域土地利用分析，流域内河道两岸耕地分布较多，由此可知，化肥农药的使用对水质质量产生负面影响。流域范围内，裸露地所占面积不大，据相关性分析，裸露地对各指标影响均不显著，但裸露地导致的水土流失，仍然对COD、TN、TP的产生具有贡献。而林草地对各指标具有积极的作用，主要由于林草地对地表污染物具有一定的缓冲作用，其根系对于河流两岸的水土流失起着积极的作用。

表6 研究区土地利用类型与水质指标的相关性Tab.6 The correlation coefficients between land-use types and water quality parameters

续表6

土地利用类型半径(m)CODNH3-HTNTP耕地1000.912**0.5050.719*0.859**2000.896**0.5730.735*0.816**5000.5930.2790.3990.63810000.5990.2010.2090.674*15000.4690.2250.2750.525裸露地1000.0150.123-0.4160.1192000.1360.142-0.4110.3205000.1780.177-0.4850.35210000.4410.121-0.1830.59515000.5410.207-0.0630.699*林草地100-0.434-0.390-0.041-0.422200-0.695*-0.444-0.189-0.726*500-0.368-0.151-0.040-0.2031000-0.432-0.263-0.001-0.2661500-0.381-0.274-0.028-0.193

注：“*”表示相关性显著，“**”表示显著程度较高。

4 结 论

林草地对水质具有显著的正效应，在各个尺度缓冲区与COD、NH3-H、TN、TP存在负相关，表明流域内林草地所占比例越大，对于水体质量的保护起着积极作用，同时对于COD、NH3-H、TN、TP具有明显的削减作用。建设用地、耕地对水质具有负效应，在各尺度作用区内与COD、NH3-H、TN、TP呈正相关，表明建设用地、耕地比重的增加有降低水质的趋势。裸露地在所有缓冲区内相关性均不显著。整体来看，呈显著相关的水质指标，在500m缓冲区范围内影响较大，相关性随距离的增加而减小。

因此，本文建议为降低城市化进程对环境的负面影响，应优化区域土地利用格局，合理规划河岸缓冲带，特别是500m范围以内的城市缓冲区，提高缓冲区内的绿化面积，提高区域管网纳污、处理能力，加强宣传保护教育，减少氮磷等污染的排放。

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Correlation Analysis between Land Use Pattern and Water Quality in Hanfeng Lake Basin in Kaizhou County

QI Jing,ZHOU Chun-lei

(ChongqingAcademyofEnvironmentalScience,Chongqing400020,China)

This study selected Hanfeng lake basin in Kaizhou county as the research object, which is located at the centre of the Three Gorges Reservoir. ArcGIS spatial analysis and statistical analysis method were used to analyze the Hanfeng lake basin spatial pattern changes of land use, and established the correlation between the land use pattern of Hanfeng lake basin and river water quality in different buffer areas. The result show that: (1) There is a negative correlation between the concentration of TN, NH3-H, TP and COD and the forest, grassland in different scales; , which means positive effect on water quality protection. (2) Construction and cultivated land are positively related to the concentration of TN, NH3-H, TP and COD which shows that the increase of the proportion of construction and cultivated land has negative impact on water quality. (3) In order to reduce the negative effect of urbanization on environment, it is necessary to optimize regional land use pattern and properly plan riparian zone, especially the 500m bank city buffer zone.

The Hanfeng lake basin;riparian buffer; the spatial pattern of Land use; water relevance

2016-10-09

齐 静(1989-)，女，重庆人，2015年毕业于重庆大学生态学专业，硕士研究生，研究方向为生态遥感。

X321

A

1001-3644(2017)01-0058-06