基于ENVI的大縱湖流域土地利用變化及其對水質影響研究

張馨元，陳 菁，許靜波，褚琳琳，夏 歡，許 楊

(1.河海大學 農業工程學院，南京 210098；2.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225321)

大縱湖是里下河地區自由水面面積最大的湖泊。大縱湖流域地處里下河腹地，地勢低洼，水網縱橫，它不僅是滯蓄洪水的主要工作場所，也是周邊地區重要的水源地，對于周邊飲水安全和防洪安全具有重要意義。隨著城鎮化進程的加快及周邊土地過度開發利用，湖泊水質日益惡化。

湖泊具有調蓄水量、灌溉航運、涵養生態等多種功能。但同時都面臨著湖泊面積減小、水質下降、湖泊功能退化等問題。研究表明，土地利用的變化是水質變化的重要影響因素之一[1-4]。在土地利用與水質之間的關系研究中，周文[5]、趙軍[6]等基于遙感和GIS，圍繞監測斷面建立不同半徑的緩沖區，研究不同時空尺度下土地利用類型變化與水質的相關性；常見的土地利用與水質間關系的研究方法有Spearman秩相關分析[7-9]、冗余分析方法[10]、多元回歸模型[11-13]、源-匯效應理論[14]等；胡和兵[15]、杜芳芳[16]等不僅分析了土地利用類型的變化，還通過轉移矩陣揭示土地利用轉移方向，深度剖析土地動態變化以合理規劃利用土地。目前對大縱湖流域水質的相關研究剛進入起步階段，現有數據較少，水質與土地利用相關關系研究所采用的方法多需要大量數據支撐，不適用于大縱湖流域。灰色關聯法研究的是“少數據，貧信息”不確定性問題，對樣本量較少的系統有廣泛的適應性，同時也能較好地綜合考慮各項水質指標。因此本文采用灰色關聯法計算土地利用與水質的關聯度。

本文以大縱湖流域為研究對象區域，采用灰色關聯法分析大縱湖2012-2016年土地利用類型變化與水質之間關系，探究湖泊水質年際和年內變化規律，分析其變化的原因，以期為大縱湖流域的土地資源合理利用、湖泊水質改善和生態保護提供理論依據。

1 數據來源和研究方法

1.1 研究區概況

大縱湖地處里下河平原腹地，其南北寬5.5 km，東西長6 km，湖面面積為36.783 km2。在里下河地區眾多湖泊湖蕩中，大縱湖是自由水面面積最大的湖泊，屬過水型湖泊，南部和西部的鯉魚河、中引河和大溪河等為主要進水河道，東北部的蟒蛇河為主要出水河道。大縱湖流域屬北亞熱帶季風氣候，年均氣溫14.3 ℃，多年平均降水量1 060 mm，6-9月占全年降水量的64.2%。大縱湖主要承受郭正湖、得勝湖、蜈蚣湖等周圍湖蕩來水，經由西部的大溪河以及南部的中引河、鯉魚河入湖，調蓄后由東北部的蟒蛇河及東部的興鹽運河下排，是里下河地區滯蓄洪澇的主要場所。此外，大縱湖還是鹽城市區主要的飲用水水源地，其水質變化關系著周邊地區數百萬人口的飲水質量安全，因此研究大縱湖流域土地利用變化對大縱湖水質的影響十分必要。

1.2 土地利用分類

本文采用條代號與行編號分別為120、37的Landsat TM遙感影像圖(分辨率為30 m×30 m)，對其進行輻射校正、大氣校正、影像裁剪等預處理后，利用ENVI對研究區TM影像進行解譯。在參考我國現行土地利用分類標準和相關文獻土地利用類型分類方法的基礎上[17]，結合研究區實際情況，利用ENVI監督分類模塊的最大似然法，將土地分為六類，分別是林地、草地、耕地、水域、建設用地和未利用地。

1.3 水質監測數據及方法

本文水質監測項目及檢測方法采用江蘇省水環境監測中心計量認證檢測能力范圍內的分析方法，共包括2012-2016年共4年數據(2013年數據丟失，采用插值法計算)。水質指標監測斷面位于大縱湖出入口(入口：東沙溝河，出口：蟒蛇河)，各監測斷面每年監測4次(分別在2月、5月、8月和11月)。本文選取總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、化學需氧量(COD)、溶解氧(DO)5個指標進行分析。

1.4 土地利用與水質的關聯分析

灰色關聯分析對于信息量少、樣本小的系統具有廣泛的適應性，本文水質監測斷面僅有2個，時間序列為5年，周期較短，因此在利用熵權法對水質指標進行賦權后，通過灰色關聯分析，量化土地利用和相應的水質指標之間的關系，研究2012-2016年土地利用類型變化對水質的影響，并利用轉移矩陣分析土地利用動態變化[18,19]。狀態轉移概率矩陣不僅可以反映研究時段初期和末期的土地利用類型構成，還可定量反映研究期內不同類型土地間的轉移變化情況，揭示轉移速率[20-22]。土地利用類型狀態轉移概率矩陣的數學表達式為：

(1)

轉移概率矩陣中元素為轉化面積與初始基礎面積之比：

(2)

式中：Aij是一定時間內i類土地利用類型轉變為j類土地利用類型的面積；Ai為土地類型i的總面積。

2 分析與討論

2.1 土地利用分類變化分析

2.1.1 土地利用分類精度評價

通過ENVI軟件中Region of Interest Tool計算樣本的可分離系數，同時通過Class Confusion Matrix工具對2012年和2016年的遙感影像處理成果進行精度評估。結果顯示(表1)，分類精度整體良好，解譯精度滿足要求。

表1 土地利用類型分類精度

2.1.2 土地利用類型分布

2012年和2016年大縱湖流域土地利用類型分布狀況如圖1所示。基于ENVI對不同類型土地面積進行統計運算(見表2)。通過Arcgis9.3提取出大縱湖小流域面積為303 km2。這5年間大縱湖流域耕地和未利用地面積大幅下降，其余類型土地面積逐年上升。流域土地利用類型以耕地和建設用地為主，2016年分別占總面積的51.32%、25.11%。與2012年相比，2016年耕地減幅最大，達25.6%，草地和林地增幅最大，增幅均超過300%，其次是水域增加31.64%。這與大縱湖流域所屬里下河地區開展退圩(漁)還湖工作相符合。

圖1 2012年和2016年大縱湖流域土地利用類型圖

土地利用類型2012年面積/km2比例/%2016年面積/km2比例/%林地6.052.0028.549.42耕地155.4951.32115.6938.18草地0.160.050.780.26水域56.718.7174.6424.63建設用地76.0825.1182.2927.16未利用地8.522.811.060.35總計303100303100

2.1.3 土地利用變化趨勢

對大縱湖流域2012-2016年土地利用類型變化進行動態監測，得到2012-2016年的土地利用轉移矩陣(如表3所示)。2012-2016年，耕地面積持續減少，減少面積達39.8 km2，主要流出方向為林地、建設用地和水域，三者面積在5年間大幅增加。此外，建設用地也主要流入水域，2016年建設用地流入水域面積共21.22 km2，占建設用地整體變化量的57%。綜上所述，耕地和建設用地是林地、水域增加最主要的來源，五年間流域土地主要向林地和水域兩種類型轉移。

由表2和表3計算得出2012-2016年大縱湖流域土地利用轉移概率矩陣(表4)。

綜合表2～表4可看出，雖然大縱湖流域在這五年間大力開展退圩還湖工作，清退了大量違法占用湖泊的建設項目，但城鎮建設不可避免地需要占用部分耕地資源進行開發，因此在抵消查處清退面積的基礎上，建設用地面積稍有上升。

表3 2012-2016年大縱湖流域土地利用轉移矩陣 km2

表4 2012-2016年大縱湖流域土地利用轉移概率矩陣

2.2 水質監測數據分析

水質時間動態變化。

(1)年際變化。2012-2016年大縱湖流域水質指標濃度隨時間變化(見圖 2)。總體看來，5個指標變化趨勢基本一致，均呈現先稍有上升，然后逐年下降的趨勢。這是由于退圩還湖后，殘存土壤和魚塘底泥中的營養物質逐漸釋放到水體中造成二次污染，導致水質下降。其中，P的釋放速度較快[23]，到2013年TP濃度即開始緩慢下降；N的釋放速度較慢，所需時間較長，五年間濃度持續緩慢上升。2016年，TP、TN指標激增、DO銳減，與當年大縱湖流域年降水量較常年偏多有一定的關系。地面徑流量大，沖刷侵蝕力度強，進入湖泊的面源污染也隨之增多，從而引起水質惡化。此外，流域內化工園區掩埋化工廢料、污水處理廠違法傾倒污泥等，嚴重污染周邊水系，對大縱湖水質惡化產生了一定的影響。

圖2 2012-2016年大縱湖水質指標變化圖

(2)年內變化。圖3表明，大縱湖入口處的TP濃度年內變化表現為冬季濃度最低，水質較好；TN濃度年內波動較大，無明顯規律；NH3-N表現出明顯的冬春季低，夏秋季高的規律，最高濃度出現在8月，最低濃度多出現在5月。結合氣象資料分析，大縱湖一年中降水主要集中在夏秋兩季，期間降雨頻繁，降雨量多，地面徑流量大，面源污染和非點源污染等隨之進入湖泊，引起水質惡化[24]，且大縱湖流域地勢低下，洼地、溝塘較多，污染嚴重，汛期內的大到暴雨將平時存積其中的污水一并沖進河中[25]，進入湖泊。

(3)水質空間分布特征。大縱湖流域水質具有顯著的空間分布特征：出口斷面水質均比入口斷面差。可能原因有：①大縱湖是過水型湖泊，環湖入口繁多復雜，湖泊與周圍水體的交換加劇了水質惡化；②大縱湖自由水面面積較小，湖泊自凈能力不足。

圖3 大縱湖各水質指標濃度季節變化圖

2.3 土地利用類型與水質的灰色關聯度分析

本文將原始數據標準化后，確定各指標的權重(見表5)。分別將土地利用類型與水質進行灰色關聯度分析(見表6)。由表 6可看出，①大縱湖的兩個監測點，相同的水質指標與土地利用類型之間的關聯度結果雖存在一定的差異，但是差異較小。②同一監測斷面不同水質指標，與土地利用類型間的關聯度存在較大差異，如在入口斷面，TP與各土地利用類型的關聯系數均不超過0.70， 屬于管理程度較高范圍，COD的關聯系數多大于0.8，屬關聯程度高水平。對TP影響最大的指標為林地(關聯度0.70)，最小的為建設用地(0.59)；而對COD影響最大的為水域(關聯度0.96)，最小的為建設用地(0.47)。③綜合兩個監測斷面，土地利用類型與水質指標的灰色關聯序為建設用地>未利用地>水域>林地=耕地=草地，或是未利用地>建設用地 >水域>林地=耕地=草地，六個指標間差異較小，這可能由于近年來大縱湖流域大力開展退圩(漁)還湖，水域面積大幅增加，對水質改善產生一定的積極影響，從而掩蓋了水質與其他土地利用類型的關系。

表5 水質指標權重表

2.3.1 建設用地、未利用地對水質的影響

大縱湖流域建設用地、未利用地與水質關聯度較高，表明兩者關系密切。其中建設用地與NH3-N的關聯系數最高，出口處達0.91，屬關聯程度高水平，與COD關聯系數最低。這主要由于隨著經濟發展與城鎮化進程的加快，鄉鎮建設用地面積不斷增加，對湖泊水質起負面影響。在非點源污染的研究中[26]，由城市化引起的不透水地表徑流污染是僅次于農業面源污染的第二大非點源污染源，與其他土地利用類型相比，建設用地聚集了大量人口，人口密度較大，生產社會活動較多，由此帶來的大量生活污染和工業污染等僅經過有限的凈化吸附就隨徑流進入湖泊，導致水質下降。2016年流域建設面積82.29 km2，占總面積27.16%，且面積逐年增加，其進程中對樹木與草地的破壞，極大降低了對N、P元素的截流和吸附。2012-2016年，退圩(漁)還湖工作的開展清退了大量圩田和違章建筑，對大縱湖水質的改善、防洪排澇功能和調蓄能力的提升均產生重要的積極影響。未利用地盡管其變化面積不大，但其主要流出方向為建設用地和耕地，兩者均產生大量污染，因此與水質關聯度較高。

2.3.2 林地、耕地和草地對水質的影響

林地、草地、耕地與水質的關聯度均在0.6左右，屬關聯度較高范圍。但不同水質指標與各土地利用類型的關聯度各異，以出口為例， COD與耕地的關聯度最高，達0.86，而NH3-N與耕地的關聯度最低，僅有0.49。結果表明林地、草地對水質的改善均起積極作用[27]。雖然林地面積增幅較大，但總體面積較少，占總面積比例不到10%，且多分布于流域的東部和東北部，即流域的下游，因此對湖泊水質的改善較小。草地面積小于1 km2，產生的影響可以忽略不計。這三者之間與水質的關聯度無較大差異，原因之一可能是5年間水域面積的大幅增加掩蓋了這三者之間的區別；二是耕地、林地多分布于流域下游，對湖泊水質的影響較小。

表6 各土地利用類型與水質的關聯系數及綜合評價系數表

2.3.3 水域對水質的影響

水域與水質的關聯度為0.61～0.62，表明水域與水質關聯度較高。大縱湖流域自20世紀七八十年代以來，湖區大量圍墾，自由水面面積急劇縮小，既產生“水鄉鬧水荒”的現象，又導致湖泊水質及生態環境變差，因此自2012年，江蘇省泰州引江河管理處大力開展退圩還湖(漁)工作，并專門編制退圩還湖專項規劃，包括清除滯澇圩、違章圩，清退圍網養殖，整治行水通道，修復濕地生態等工作，取得了一定的成果，湖泊面積由8.21 km2擴大到13.44 km2，逐步恢復了大縱湖的行、蓄洪能力，修復和提升了湖泊湖蕩的生態服務功能，對大縱湖水質的改善起到了十分重要的作用。

3 結 語

(1)大縱湖流域內土地利用類型主要以耕地和建設用地為主，兩者之和占流域總面積70%以上。從2012-2016年，耕地和未利用地面積呈下降趨勢，其中未利用地面積減幅最大，減少面積為7.46 km2，減幅達87.56%，耕地減少了39.8 km2，減幅達25.6%。其余類型土地面積均持續增加，其中草地、林地面積增幅最大，增幅均超過300%，水域面積增加了17.94 km2，增幅為31.64%，耕地是這三者增加的主要來源。草地面積略有增加，幅度較小。

(2)2012-2016年大縱湖水質指標總體均呈現先略有下降后緩慢改善的趨勢。2012-2013年，大縱湖水質由于殘存土壤中營養物質的釋放而略有下降，2013-2015年退圩(漁)還湖效果逐漸顯現，水質緩慢改善。2016年受掩埋化工廢料和傾倒污泥影響，湖泊水質顯著下降。受氣候影響，水質總體表現為冬春季較好，夏秋季較差的規律。

(3)大縱湖流域土地利用類型變化與水質之間有較高的關聯度，不同土地利用類型對水質的影響不同，且因不同的監測斷面與水質指標存在差異。整體上對水質影響最大的是建設用地，其次是未利用地和水域，林地、耕地和草地的灰色關聯度相對較低，對水質存在一定的影響；各水質指標與土地利用的灰色關聯度差異較大，如COD與各土地利用類型關聯度較高，DO較低。

(4)鑒于大縱湖地跨鹽城、泰州兩市，湖泊邊界不明確，交界處時有沖突，違法占用湖泊建設的現象仍時有發生，建議大縱湖流域堅持推進退圩還湖工作的開展，并加強對現有水域面積的保護；在流域上游多植樹造林，更好地利用植物根部對地表徑流的截留作用，減少帶入水體的污染，更大地發揮林地對水質改善的正向作用；調整土地利用結構，保持流域生態系統健康。