灃河流域土地利用格局與水質變化的關系

張福平，趙 沙，周正朝，魏永芬

土地利用／覆蓋變化（LUCC）和水文循環的生物圈方面BAHC計劃是國際地圈生物圈計劃（IGBP）中的兩個核心科學問題。土地利用變化作為一種人為的“系統干擾”是直接或間接影響水文過程的第二個主要邊界條件。土地利用變化往往會加重流域土壤侵蝕并影響流域水文循環的所有環節，從而加劇流域的非點源污染［1－2］。國內外許多資料表明，土地利用方式對流域水環境具有強烈的影響，人類在集水區內的一切活動，如果未在適宜的保育措施下進行，都可能對水環境產生影響［3－5］。同時土地利用／覆蓋變化又與人類的生產、生活密切相關，可以通過改變土地利用方式達到控制非點源污染的目的［6－7］。因此在流域尺度下揭示土地利用變化特征及土地利用空間格局對水環境的影響，對于提高流域水環境質量及實現流域生態環境持續發展具有重要的研究意義。

灃河地處西安市西南部，屬于渭河右岸的一級支流，也是西安市第三大河流。1998年，灃河及其支流被列為西安市地表飲用水源地，是該市人民的重要生活飲用水水源地。近年來，隨著流域內社會經濟的快速發展、人口的急劇增長以及黑河引水工程的實施，對灃河水的需求量迅速增加，水資源的供需矛盾日益凸顯。尤其是研究區內城鎮的擴張、大學園區的建設、林地的破壞以及農田中農藥化肥的過量使用等，使灃河水體的非點源污染趨于加劇。單純從點源控制水污染已經不能從根本上解決流域水環境污染問題。因此，本文通過對流域內非點源污染的關鍵因素——土地利用方式進行研究，探討不同土地利用格局與水質非點源污染的關系，提出控制流域非點源污染的土地利用優化模式及措施，將對提高灃河流域水環境質量，實現流域生態環境健康安全與可持續發展具有重要的現實意義。

1 研究區概況與數據資料

1.1 研究區概況

灃河發源于西安市長安區喂子坪鄉雞窩子村以南的秦嶺北側，流經西安市的長安區、戶縣、咸陽市的秦都區內的20多個鄉鎮，先后納高冠河、太平河、潏河3大支流，在草灘農場西、咸陽市北部魚王村附近入渭。灃河全長78km，流域面積為1 460km2，南高北低，平均比降8.2‰，其中流經山區面積約為863.6 km2。流域屬暖溫帶半濕潤季風氣候，區內年均溫10℃以上，多年平均降雨量632mm，且降水時空分布不均，多集中在7—9月，由北向南遞增，年平均蒸發量1 400mm。

據1988—2009年研究區水質監測和評價顯示，灃河上游水質保持良好，中下游在1988—2005年這一期間污染較為嚴重，從2005—2009年灃河中下游水質逐漸好轉，基本可以滿足《地表水環境質量標準》中對Ⅲ類水域標準的要求。

1.2 數據資料

采用的主要數據有2009年的TM遙感影像、30m分辨率的DEM數據及主要監測斷面的水質監測數據，水質數據來源于西安市環境監測站。另外還使用了土地利用數據、地形圖、西安市水系分布圖、研究區的自然、社會經濟統計資料以及實地考察數據等。

2 研究方法

2.1 基于遙感的土地覆蓋分類及空間格局分析

考慮到影像的可獲得性和影像本身的質量，采用的數據為2009年6月獲取的Landsat TM遙感影像。首先，利用2010年野調查時實測的控制點對所有影像進行二次多項式的幾何精校正，使最終誤差控制在0.5個像元內。其次，結合國內外研究經驗以及所研究的區域的實際情況，基于最大似然法進行監督分類，土地利用／覆蓋分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6大類，并參照地形圖和土地利用現狀圖，結合人工目視的方法進行檢驗糾正，并以實測的點為準，對分類精度進行評價。

2.2 土地利用格局與水質的關系分析

土地利用的水質響應研究，一般是研究流域土地利用空間特征和土地利用結構與水質變化的關系，而土地利用數據的提取又包括全流域、子流域范圍和緩沖區范圍3種研究尺度，究竟用哪種尺度分析土地利用的水質響應，需要根據具體情況而定［8］。目前大多的研究采用流域范圍進行研究，本研究結合灃河流域遙感影像、DEM圖、西安市水系分布圖及實地調查結果，確定緩沖區的緩沖范圍為沿灃河主要支流分別向兩岸劃分100，600，1 500m共3種不同寬度的緩沖區。考慮河流下游水環境會受河流上游來水水質等干擾，以全區9個水質監測點的位置為準，均取各監測斷面至上游各主要支流的緩沖區內的土地利用面積與該斷面的水質關系進行研究。

以西安市環境監測站點提供的2009年灃河9個水質監測斷面的生化需氧量（BOD5）、高錳酸鹽指數（CODMn）、氨氮（NH3—N）含量及溶解氧（DO）含量這4個關鍵有機污染指標為主要指標，對流域不同緩沖區內的各類型土地利用比例以及影響流域水質的關鍵指標進行檢驗，均符合正態分布。因此在SPSS軟件的支持下，利用Pearson相關分析對其相關性進行計算，在相關性分析的基礎上，建立土地利用結構和水質指標之間的多元回歸模型［9］：

式中：Y——各種水質參數的濃度；X1，X2，…，Xn——各種土地利用類型的比例；b1，b2，…，bn——系數；C——常數項；n——監測站點的數目（9）。

3 研究結果

3.1 灃河流域土地覆蓋分類與空間格局分析

灃河流域遙感影像分類總體精度為85.39%，分類精度Kappa指數為0.86，達到最低允許判別精度0.7的要求。通過分析灃河流域遙感圖可以得出，流域內以上游地區的林地最多，面積達792.15km2，其次是耕地面積502.22km2，兩者占流域總面積近90%，其次是建設用地，而草地、水域和未利用地面積所占比重很小。

3.2 土地利用格局對水質的影響

3.2.1 土地利用結構與水質關系分析 利用GIS軟件，將生成的100，600，1500m這3種緩沖帶分別與2009年的灃河流域土地利用類型數據進行疊加分析，獲取2009年西安市9個水質監測斷面至上游主要支流不同緩沖帶內的土地利用類型結構圖（圖1）。同時，對各土地覆蓋類型所占緩沖區比例與水質的相關關系進行分析。

圖1 灃河流域各監測站點不同緩沖區范圍內地類結構

由表1可以看出，在各緩沖區尺度上，建設用地面積所占比例與溶解氧含量呈負相關關系，與其余水質指標均呈正相關關系，且相關系數較大；耕地面積所占比例與有機污染綜合指數、生化需氧量、氨氮及高錳酸鹽指數均呈現負相關關系，與溶解氧含量正相關關系，且相關系數較大；草地所占的面積比例與生化需氧量、氨氮、高錳酸鹽指數、有機污染綜合指數水質參數呈正相關關系，與溶解氧呈負相關關系，但總體來看，相關性不顯著；林地與有機污染綜合指數、生化需氧量、氨氮及高錳酸鹽指數均存在負相關關系，與溶解氧存在正相關關系，且相關性較強，表明隨著林地比重增大水體質量趨好；未利用地主要是分布于河道旁，多是灘地及人工采挖沙石而成的，對水質會造成一定影響。

表1 灃河流域土地利用結構和水質監測指標的相關性分析

灃河流域土地格局與水質之間的相關性表明，各種土地利用類型中，建設用地、耕地和林地都會對流域的水質造成影響，其中，建設用地和耕地是負面的影響，林地為正面的影響，即建設用地和耕地面積的增加，水質污染指數趨于加大，污染程度加大，而林地面積的增加，水質污染指數降低，污染程度降低。建設用地對水質的影響主要是由于建設用地上承載著高密度人口和社會經濟活動，污染物排放強度較高，而城市化的加快發展使得不透水區和建設用地面積增加，道路、廣場、屋面等不透水面的污染物會隨著徑流的沖刷進入湖泊或河流，導致水體中有機物和營養鹽濃度含量增加，水質下降。灃河流域內建設用地面積僅次于耕地和林地，區域內人口的迅速增長帶來的城市化、房地產業、大學園區的快速擴張等等，都將導致流域內透水性地表面的減少，對灃河流域水質造成了一定的負面影響。耕地對水質的影響主要是由于耕地通過施肥隨農田徑流向河流輸入大量污染物所致。據統計，灃河農藥單位面積平均使用量為0.348kg，是陜西省單位面積平均使用量的近2倍。雖然灃河流域內耕地面積呈逐年減小的趨勢，但仍然占灃河流域總面積的近50%，且多分布于河流兩岸附近，使得耕地中化肥及農藥的流失成為影響灃河水質面源污染的重要因素。林地是水體潛在污染物的“匯”。由于森林、林下植物和土壤具有削減暴雨徑流、減少水土流失、吸附污染物等功能，可有效減少地表徑流沖刷后帶入河流的營養鹽，對水質的改善具有良好的促進作用。

3.2.2 河流水質與土地利用相關性的尺度效應 如表1所示，在不同尺度下，各土地利用所占比例與水質相關性有一定差異，建設用地、耕地和林地均為就近影響，即離河流距離越近，影響程度越大，即100m緩沖區內，影響增大，1 500m緩沖區范圍內，影響減小，這與 Sliva，Osborne，Galbraith等［10－12］的研究結論一致。通過各種不同緩沖尺度對水質參數和土地利用比例進行建模，結果顯示大多數水質參量的最佳模型出現在100m的緩沖半徑上，進一步表明河流近岸帶的土地利用類型對其水質影響較大。未利用地對水質參數的影響程度隨著緩沖距離的增大而減小，在100m以內緩沖區對水質的負作用最大，到300m以外則幾乎無影響，對水質影響的尺度效應極其明顯。草地在各個尺度上對水質影響均不明顯，但總體表現為隨著距離的增大，負作用有逐漸增強的趨勢。總體來看，灃河近岸帶附近100m內土地利用是影響河流水質的關鍵區域，調查結果顯示，由于100m范圍內河道附近受人類活動影響最嚴重，大量的生活垃圾、耕地施用的化肥農藥等會在徑流的作用下或直接入河導致水體污染，同時，河岸帶近域又能通過過濾、滲透、吸收、滯留、沉積等河岸帶機械、化學和生物功能效應使進入地表和地下水的污染物毒性減弱及污染程度降低，因而是治理水體污染的重要屏障。

4 灃河流域非點源污染控制對策

（1）合理規劃灃河河道敏感帶土地利用類型。在對灃河流域非點源污染的研究中，可以發現河道兩側地帶的土地利用方式對河流水質有著比遠離河道地帶更為顯著的影響，河道兩側被稱作非點源污染的敏感帶。林地具有較強的減水減沙效應，對河流水質的改善作用不可忽視，灃河流域的林地主要分布在上游地區，中下游河流兩岸以耕地為主，林地分布很少，因此，應在灃河中下游河流沿岸開展植樹造林、退耕還林等工作。研究表明，100m寬度以內的林地對水質的改善作用最明顯，從削減非點源污染出發沿河建設林帶的寬帶在100m以內較適宜。

（2）監測與控制流域內農田造成的面源污染。耕地是灃河流域主要的土地利用類型，也是造成流域內水質非點源污染的關鍵因素，合理有效的農田治理是改善水質的關鍵。治理的主要措施包括控制農藥化肥的施用量，加強土壤和化肥的化驗和檢測，避免在距河流近岸進行耕作；實施生態工程，如可在農田與水體之間適當地建立草地或林地過濾帶；改進農田灌溉方式，可嘗試噴灌、滴灌以及肥料與水相混合的灌溉技術；另外還可以大力推廣各種類型的耕作法，減少流域內土壤侵蝕，使排入灃河的泥沙沉積物減少，從而減少化肥中N和P流入水體的量，防止河流水體富營養化。

（3）合理規劃城市用地，改善農村生活環境。基于水環境保護的目的，規劃河流兩側城鎮建設用地時，避免布置在100m等近岸帶以內，應盡量增大與河流之間的距離；減少流域內的不透水路面，增加下滲；減少城鎮及農村居民點的地表堆積物；注意道路清掃方式的改進和提高清掃效率，以保持城市地面的清潔；逐步實現雨污分流，在此基礎上開展非點源污染的監測工作；同時對城市透水區域要加大綠地建設。對研究區實際調查發現，流域周圍農村居民點垃圾隨意堆放、畜禽量大且糞便任意傾倒的現象較普遍，特別是在夏季，區域內的降雨較頻繁且強度較大，使得流域內的非點源污染輸出量變大。因此，建議有關部門對區域內的農村垃圾進行集中處理，實行糞尿還田，并采取科學合理的畜禽養殖方式，對人、畜產生的污染物進行回收利用，形成良性循環，從而有效減少流域內非點源污染的輸出量。

（4）加強灃河上游旅游業的經營管理。灃河流域上游有著得天獨厚的旅游資源，近年來，隨著人民生活水平的提高，休閑度假風氣日盛，上游地區憑借風光迥異的自然景觀，很快成為了都市人們消夏避署的好去處。而旅游活動產生的廢棄物和當地居民日常生活垃圾已成為當地水源區主要的點污染源和非點污染源。尤其上游地區旅游景點和居民住宅區大都傍河而居，臨河而建，對水體的污染更為直接，結果更為嚴重。因此，有關部門應加強對上游旅游業的經營和管理，對旅游設施和景點建設進行科學規劃，并合理計算環境容量，避免因超過區域內的環境負荷引起的環境破壞和污染。同時，應注重宣傳和教育，改變當地居民不良生活習慣和衛生習慣，加強上游水源區內的精神文明建設。

5 結論

研究區林地和耕地所占面積比重較大，其次是建設用地；各土地利用類型對水質有不同程度的影響，其中建設用地和耕地對水質具有顯著負效應，林地對水質具有顯著的正效應，即建設用地和耕地面積的增加，水質污染指數趨于增加，污染程度加劇，而林地面積的增加，水質污染指數降低，污染程度降低；在河流近域的帶型緩沖作用區，河岸帶附近100m內土地利用是影響河流水質的關鍵區域。

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