暴雨前后山地城市土地利用對次級河流水質(zhì)的研究
——以重慶市為例

慶旭瑤 龐 容 鄧 睿

(重慶工商大學(xué)旅游與國土資源學(xué)院，重慶 400067)

近年來，遙感 (remotesensing，RS)與地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem，GIS)技術(shù)的綜合應(yīng)用已成為資源環(huán)境的調(diào)查、監(jiān)測及管理的重要技術(shù)手段，并取得了日益廣泛的應(yīng)用［1］。利用衛(wèi)星影像資料和實地調(diào)查數(shù)據(jù)來研究土地景觀特征與地表水體環(huán)境污染的關(guān)系，已經(jīng)可以進(jìn)行某種程度的定量分析，并可用于提出大空間尺度的污染防治措施［2］;利用RS和GIS研究土地利用/覆蓋變化城市化等過程帶來的諸多水環(huán)境問題也成為研究熱點［3］。重慶市的河流基本上為雨源性河流，河流的水量和水質(zhì)都與降水強度與歷時等密切相關(guān)，使得降水形成的徑流引發(fā)非點源污染對河流水質(zhì)的影響比較嚴(yán)重［4］。本研究以重慶市主要典型次級重污染河流為研究區(qū)，以2010年的TM影像為基本信息源，結(jié)合2013年4月1號和2013年5月2號跟蹤監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)，利用GIS空間分析技術(shù)，分析河流區(qū)域土地利用類型對河流水質(zhì)影響的時空特征，探究暴雨前后的山地城市土地利用空間結(jié)構(gòu)與城市河流水質(zhì)的關(guān)系。以期了解土地利用和水質(zhì)在暴雨前后的相關(guān)性，制定利用雨水對河道進(jìn)行清污作用方案，合理降低河流水污染控制。

1.研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

本文選取的重慶市典型次級重污染河流主要為朝陽河、伏牛溪、盤溪河、花溪河、跳蹬河和清水溪，長度分別為:30.7km、6.5km、11km、40km、25km 和 15.88km，主要分布在江北區(qū)、沙坪壩區(qū)、大渡口區(qū)、渝北區(qū)、巴南區(qū)和九龍坡區(qū)以及渝中區(qū) (圖1)。上述區(qū)域是重慶主城九區(qū)的重要組成，是重慶市發(fā)展較早、發(fā)展較快的區(qū)域。

主要數(shù)據(jù)有遙感數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中遙感數(shù)據(jù)是軌道號為P128R39和P128R40(成像時間均為2010年5月23日)的TM遙感影像。監(jiān)測數(shù)據(jù)為6條河流30個樣點的實測數(shù)據(jù)，降水前的數(shù)據(jù)采集時間為2013年4月1日，降水后的數(shù)據(jù)采集時間為2013年5月2號。由于實驗人員失誤導(dǎo)致11號斷面無4月1號COD數(shù)據(jù)，26和27號斷面無5月2號數(shù)據(jù)。

圖1 重慶市主城區(qū)典型重污染次級河流及緩沖區(qū)Figure1 ChongqingCitytypica1heavypo11utionsecondaryriversandbuffer

2.研究方法

2.1 研究區(qū)土地利用

數(shù)據(jù)基于重慶市2010年2景TM遙感影像，分別以1:10000的地形圖為基準(zhǔn)，選取49個控制點，采用多項式方法進(jìn)行TM影像幾何糾正，并對2景遙感影像進(jìn)行鑲嵌。利用遙感軟件ENVI4.8對影像進(jìn)行監(jiān)督分類。參考研究區(qū)內(nèi)土地利用類型特點，將研究區(qū)土地利用分為耕地、水體、建設(shè)用地和林地四大類，經(jīng)與2010年區(qū)域土地調(diào)查數(shù)據(jù)檢驗，分類結(jié)果較為理想，精度能滿足本研究的精度要求。

2.2 研究區(qū)水質(zhì)數(shù)據(jù)

為對研究區(qū)進(jìn)行暴雨前后的比對研究，水質(zhì)數(shù)據(jù)采集時間為2013年4月1號和5月2號。本研究選取水質(zhì)指標(biāo)TN、TP、NH4、NO3和 COD。

3.結(jié)果與分析

3.1 土地利用類型結(jié)構(gòu)

研究區(qū)域內(nèi)的土地利用格局以建設(shè)用地和林地為主，水體、耕地和其他地類所占面積比例相對較少，主要是因為重慶市地形地勢的原因，其中清水溪建設(shè)用地面積最高達(dá)到91.06%，耕地在100m、300m和450m緩沖區(qū)內(nèi)均為0，主要是因為沙坪壩區(qū)較為平坦的地形和快速的發(fā)展 (表1)。

表1 河流緩沖區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)table1 Thelandusestructureofriversinbuffers

建設(shè)用地150 17.83% 58.88% 84.07% 33.87% 48.95% 86.34%300 17.51% 48.53% 87.19% 39.13% 49.29% 91.06%450 11.97% 45.23% 84.76% 32.41% 44.41% 86.84%600 12.07% 48.20% 76.29% 28.49% 34.46% 83.17%750 11.50% 41.09% 79.97% 31.03% 27.00% 82.62%900 10.83% 36.69% 84.76% 28.40% 28.53% 84.03%耕地150 14.37% 24.98% 6.94% 32.09% 14.55% 0.00%300 16.18% 28.78% 5.67% 36.27% 11.98% 0.00%450 11.00% 31.93% 4.04% 37.47% 10.26% 0.00%600 8.95% 20.20% 0.67% 39.26% 20.41% 1.11%750 9.70% 20.44% 0.00% 37.05% 27.66% 2.55%900 10.74% 16.28% 0.00% 35.40% 21.34% 2.59%

3.2 河流水質(zhì)變化

從兩次監(jiān)測數(shù)據(jù) (圖2)，可看出6條河流各污染物含量平均值基本都嚴(yán)重超出V類水標(biāo)準(zhǔn)。其中暴雨前污染較為嚴(yán)重的河流為清水溪河流，暴雨后為跳蹬河，TN、TP、NH4、NO3和 COD 分別為10.63、1.14、6.03、6.42 和79.81mg/L。

表2 暴雨前后水質(zhì)數(shù)據(jù)Table2 Afterheavyrainwaterqualitydata

3.3 土地利用類型與水質(zhì)相關(guān)性分析

六條河流的水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)與土地利用類型的相關(guān)關(guān)系(表3)，以此來分析土地利用類型與水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系。

表3 暴雨前后土地利用結(jié)構(gòu)與水質(zhì)的相關(guān)性Table3 Therelationbetweenlandusestructureandquality

水體TN －0.3 －0.4 －0.6 －0.7 －0.6 －0.5 －0.3 －0.4 NH4－0.5 －0.4 －0.5 －0.4 －0.5 －0.5 NO3－0.5 －0.5 －0.7 －0.3 －0.8 －0.7 －0.7 －0.5 TP －0.3 －0.3 －0.9 －0.6 －0.4 COD －0.8 －0.4 －0.6 －0.4 －0.5建設(shè)用地TN 0.3*0.9＊＊ 0.8*0.8*0.8 0.8 0.3 0.4 0.3 0.3 0.1 0.1 NH4 0.9＊＊ 1.0＊＊ 0.9＊＊ 0.9＊＊ 0.8* 0.9* 0.7 0.9*0.7 0.7 0.6 0.6 NO3－0.3 －0.4 －0.6 －0.5 －0.6 －0.6 －0.7 －0.5 TP －0.5 0.6 0.7 0.6 0.6 0.4 0.5 COD 0.7 0.6 0.7 0.7 0.6 0.4 －0.3 －0.4 －0.4 －0.3 －0.3 －0.4耕地TN －0.6 －0.8 －0.8 －0.4 －0.4 －0.4 0.4 0.4 0.4 NH4－0.7 －0.8 －0.8 －0.5 －0.5 －0.5 －0.5 －0.7 －0.7 NO3 0.5 0.5 0.5 0.8* 0.7 0.7 0.9* 0.9*0.9*TP 0.7 0.8 0.8 0.3 0.3 0.3 －0.5 －0.5 COD 0.1 0.1 0.1 0.8 0.7 0.7 0.4 0.4 0.4

1):*表示在0.05水平顯著相關(guān)，＊＊表示在0.01水平極顯著相關(guān) (置信度=95%);(前)代表降雨前，(后)代表降雨后。

暴雨前林地與 TN、NH4和 COD呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，NH4在450m到900m的相關(guān)性大于150m和300m，TN在900m出現(xiàn)顯著相關(guān)，NO3呈正相關(guān)隨著緩沖區(qū)距離的增加相關(guān)性減少，與TP幾乎無相關(guān)性;水體與TN、NH4、NO3、TP和COD均呈負(fù)相關(guān);建設(shè)用地與TN、NH4和COD呈負(fù)相關(guān)，且與NH4的相關(guān)性顯著，超過450m后相關(guān)性減弱，與TP呈正相關(guān)性，450m之后相關(guān)性減小，與NO3在600m之后出現(xiàn)正相關(guān)，但相關(guān)性顯著性較弱;耕地與TN和NH4呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，且與NH4的相關(guān)性在300m和450m相關(guān)性顯著，與NO3、TP和COD均呈正相關(guān)，TP在450m之前相關(guān)性顯著，COD在600m之后相關(guān)性顯著。暴雨后林地與NO3出現(xiàn)了顯著相關(guān)，與TP在300m緩沖區(qū)之內(nèi)出現(xiàn)了正相關(guān)，NH4在450m之后出現(xiàn)負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性基本相同，TN和COD在300m之內(nèi)出現(xiàn)正相關(guān);水體與所有指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，與TP在150m范圍內(nèi)相關(guān)性顯著;建設(shè)用地與NO3與COD呈較弱的負(fù)相關(guān)性，與TN幾乎不相關(guān)，與NH4在300m的相關(guān)性顯著;耕地與NO3呈強正相關(guān)性，與COD在450m之內(nèi)相關(guān)性顯著。總體而言:暴雨之前林地與TN和NH4相關(guān)性顯著;水體與所有指標(biāo)均為負(fù)相關(guān)但顯著性較小;建設(shè)用地相關(guān)性顯著的為TN和NH4;耕地與NH4相關(guān)性顯著。暴雨后林地相關(guān)性顯著的為NO3;所有指標(biāo)與水體仍為負(fù)相關(guān)但與TP在150m呈顯著相關(guān);建設(shè)用地僅與NH4在300m呈現(xiàn)顯著相關(guān);耕地與幾乎在所有緩沖區(qū)內(nèi)都與NO3有顯著相關(guān)性。

4.討論

4.1 暴雨前土地利用類型影響水質(zhì)的方式與顯著性

林地與耕地對河流水質(zhì)主要呈負(fù)相關(guān)性，建設(shè)用地與河流水質(zhì)呈正相關(guān)，主要為顯著性較強的TN和NH4。表明林地和耕地具有較好地消減污染物的效用。建設(shè)用地非點源污染時影響區(qū)域河流水質(zhì)的主要原因，污染物來源可能包括城鎮(zhèn)公共設(shè)施、商業(yè)服務(wù)等未經(jīng)有效處理的污水以及居民生活排污等。經(jīng)實地調(diào)查污染物的來源主要來自大量生產(chǎn)生活污水未經(jīng)處理直接進(jìn)入河流導(dǎo)致水體污染，而河流附近的林地面積的增加有利于通過植物吸收等作用減少污染物對河流水質(zhì)起到的緩沖和保護(hù)作用。因此控制河岸帶附近土地利用類型、加強排污管理是解決區(qū)域河道水質(zhì)污染的有效途徑。

4.2 暴雨后土地利用類型影響水質(zhì)的方式與顯著性

林地和耕地與水質(zhì)正相關(guān)性更顯著，主要為顯著性較強的NO3;建設(shè)用地仍與水質(zhì)呈現(xiàn)正相關(guān)，主要為NH4，但是與NO3呈負(fù)相關(guān)。一般認(rèn)為，林地和水質(zhì)指標(biāo)間呈顯著負(fù)相關(guān)，因為林地有較好的截流和消減污染物的能力，對緩解水質(zhì)退化有重要作用［5］。經(jīng)實地調(diào)查，因為六條河流均處于重慶市發(fā)展較早較快地區(qū)，林地的板塊都很小，較零散，大部分與耕地相結(jié)合，加之耕地幾乎為裸地，裸地上堆積著大量生活垃圾和建筑廢料，污染物隨地表徑流進(jìn)入河流，可能會影響林地對水質(zhì)的影響。耕地與水質(zhì)呈正相關(guān)主要是城區(qū)河流兩岸的耕地以裸地為主閑置居多，且與河流水體交流密切，存在農(nóng)業(yè)面源污染。

4.3 優(yōu)化城市土地利用類型以減輕河流污染

此次研究的六條河流都貫穿于重慶市老城區(qū)，企業(yè)和居民區(qū)密集，點源污染沒有被消除，點源污染大量存在，匯水區(qū)域內(nèi)情況比較復(fù)雜，河流均屬于劣V類。土地利用類型與河流水質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)之間存在密切的關(guān)系，這一點不僅被大量研究證明，也被實地調(diào)查所證實。六條河流兩岸的耕地大多位于城市擴展前緣，缺乏雨污分流設(shè)施，基本不具備污染控制能力，加強耕地的環(huán)境管理，減少面源污染，在開發(fā)建設(shè)之前進(jìn)行臨時綠地，有助于減少該土地利用類型向河流的污染輸出。建設(shè)用地輸出的污染主要來自于居民排污河公建單位排污，因此，在河流兩岸清理污染物的無組織排放，進(jìn)行截流納管，將排入河流的污水納入城市污水管網(wǎng)，是控制建設(shè)用地輸出污染的根本措施。林地對緩解水質(zhì)退化有重要作用，因此應(yīng)加強林地的建設(shè)和規(guī)模。因此在城市規(guī)劃和建設(shè)過程中，為了保護(hù)城市河流水質(zhì)，在一定緩沖區(qū)內(nèi)應(yīng)降低建設(shè)用地比例，加強林地規(guī)模建設(shè)，控制耕地面源污染。

5.結(jié)論

(1)所有河流中土地利用類型分布不一致，建設(shè)用地與林地所占比例較多，水體和耕地所占比例相對較少。

(2)暴雨對河流水質(zhì)各指標(biāo)的影響是不一致的，TN、NH4和TP在暴雨前的濃度要比暴雨后的高，且變化幅度也較暴雨后大;暴雨后NO3和COD的含量增加。

(3)暴雨前林地與TN和NH4相關(guān)性顯著;水體與所有指標(biāo)均為負(fù)相關(guān)但顯著性較小;建設(shè)用地相關(guān)性顯著的為TN和NH4;耕地與NH4相關(guān)性顯著。暴雨后林地相關(guān)性顯著的為NO3;所有指標(biāo)與水體仍為負(fù)相關(guān)但與TP在150m呈顯著相關(guān);建設(shè)用地僅與NH4在300m呈現(xiàn)顯著相關(guān);耕地與幾乎在所有緩沖區(qū)內(nèi)都與NO3有顯著相關(guān)性。

［1］ DSFisher，JLSteiner，DMEnda1e，eta1.There1ationshipof1andusepracticestosurfacewaterqua1ityintheUpper OconeeWatershedofGeorgia ［J］.ForestEco1ogyandManagement，2000，128:39 －48.

［2］ XianG，CraneM，SuJ.Anana1ysisofurbandeve1opmentand itsenvironmenta1impactontheTampaBaywatershed ［J］.Journa1of Environmenta1Management，2007，85(4):965 ～976.

［3］許珺，傅肅性，黃絢.遙感與GIS在河流水質(zhì)環(huán)境背景分析中的應(yīng)用——以臺灣基隆河為例［J］.環(huán)境科學(xué)，2000，21(4):1－5.［12］岳雋，王仰麟，李正國，等.河流水質(zhì)時空變化及其受土地利用影響的研究——以深圳市主要河流為例 ［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2006，17(3):359－364.

［4］張殷俊，陳爽，相景昌.河流近域土地利用格局與水質(zhì)相關(guān)性分析 ［J］.長江流域資源與環(huán)境，2011，20(9):1054－1061.

［5］郝敬鋒，劉紅玉，胡俊納，等.城市濕地小流域尺度景觀空間分異及其對水質(zhì)質(zhì)量的影響——以南京市資金山東郊典型濕地為例［J］.生態(tài)學(xué)報，2010，30(15):4154－4161.