廣元市土地利用類型及社會經濟因子對河流水質的影響

張萍 張倚銘 唐婭 鄭清 權秋梅 黎云祥

摘要 [目的]探究一定流域范圍內土地利用類型及社會經濟因子對河流水質的影響情況。[方法]使用2012—2015年廣元市嘉陵江、白龍江和南河的水質監測數據，選取5個分析指標，利用單因子指數與土地利用數據和社會經濟數據進行回歸分析，探討土地利用類型與經濟數據對河流水質的影響傾向，選取最優模型進行情景預測。[結果]①廣元市2012—2015年區域河流水質較好，期間河流水質根據回歸模型模擬結果與實際無顯著差異，回歸模型能夠基本反映出廣元市河流水質的實際變化趨勢。②COD Mn、BOD5、NH4+-N的影響因子均包括年末實有耕地，且都呈負相關;COD Cr與人口密度呈現負相關;TP與草地面積呈負相關;BOD5 影響因子除了年末實有耕地面積外還有農業設施用地面積，并且與農業設施用地面積呈正相關。③土地利用類型對COD Mn、BOD5、NH4+-N、TP均有影響，COD Cr受到社會經濟因子的影響，其中土地利用類型變化對河流水質影響作用比社會經濟因子更顯著。④增加年末實有耕地面積、減少農業設施用地面積、增加人口密度的情況下能使水質更好。[結論]在考量河流水質的影響因子時應當綜合考慮土地利用類型和社會經濟因子。

關鍵詞 嘉陵江（廣元段）;土地利用類型;社會經濟因子;單因子指數法

中圖分類號 X522? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2020）20-0052-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.20.016

Influence of Land Use Types and Socioeconomic Factors on River Water Quality in Guangyuan City

ZHANG Ping1， ZHANG Yi-ming2， TANG Ya1 et al

（1.College of Environmental Science and Engineering， China West Normal University， Nanchong， Sichuan? 637009;2.Department of Pharmaceutical and Environmental Engineering， Sichuan Vocational College of Chemical Industry， Luzhou， Sichuan 646009）

Abstract [Objective]To explore the impact of land use types and socio-economic factors on river water quality in a certain watershed.[Method]Using the water quality monitoring data of Jialing River， Bailong River and Nanhe River in Guangyuan City from 2012 to 2015， five analysis indexes were selected， and regression analysis was carried out with single factor index， land use data and socio-economic data to explore the impact tendency of land use type and economic data on river water quality， and the optimal model was selected for scenario prediction. [Result]①The regional river water quality in Guangyuan City was good from 2012 to 2015. During the period， the water quality of the river was not significantly different from the actual results according to the regression model. The regression model could basically reflect the actual change trend of river water quality in Guangyuan City.②The impact factors of COD Mn， BOD5 and NH4+-N include cultivated land at the end of the year， and they were negatively correlated. COD Cr was negatively correlated with population density， TP was negatively correlated with grassland area， and BOD5 influence factor was positively correlated with agricultural facility area besides cultivated land area at the end of the year.③Land use types had an impact on COD Mn， BOD5， NH4+-N and TP， and COD Cr was affected by socio-economic factors. The impact of land use types on river water quality was more significant than that of socio-economic factors.④The water quality can be improved by increasing the area of cultivated land at the end of the year， reducing the area of agricultural facilities and increasing the population density.[Conclusion] Land use types and socio-economic factors should be considered comprehensively when exploring the influencing factors of river water quality.

Key words Jialing River （Guangyuan Section）;Land use type;Socio-economic factor;Single factor index method

生態與經濟的協調對促進社會進步、經濟發展和生態穩定有重要意義 [1]。有研究表明，水質情況與社會經濟數據具有緊密聯系，如TN、COD Mn與流域人口、人均 GDP 密切相關 [2];水體富營養化程度與滇池流域人口、昆明市GDP密切正相關 [3];地區GDP和人口與水質指標具有相關性 [4]。除此之外，相關研究表明土地利用情況對河流水質具有重要影響 [5-8]。如耕地、園地與COD Mn呈明顯正相關;水質的變化受經濟、人口因素和土地利用類型面積比例的影響 [9-10];土地利用類型及社會經濟因素對水體污染物濃度有影響 [11-12]。

嘉陵江是長江支流中流域面積最大的支流，經陜西省、甘肅省、四川省、重慶市注入長江。其以四川省廣元市昭化區以上為上游，昭化至重慶市合川區為中游，合川至重慶河口為下游。嘉陵江流域有重要的航運、供水、生態功能 [13]。該研究區域為嘉陵江廣元段，是廣元市生產和生活集中水源，還具有重要的生態屏障戰略意義，對人類生產生活具有重要作用。嘉陵江流域覆蓋面廣，廣元段處嘉陵江流域的中上游，因此其水質優劣對中下游城市的生產和生活具有重大影響。

該研究通過嘉陵江、南河和白龍江3個流域的綜合分析，利用單因子指數與土地利用類型及社會經濟數據相關性分析，探究土地利用類型及其社會經濟數據對水體污染物濃度的影響。利用單因子指數與土地利用類型和社會經濟數據進行回歸分析，綜合分析土地利用類型和社會經濟數據與河流水質的關系，建立模型進行情景分析，進一步結合現狀研究水質變化，為廣元境內嘉陵江水質管理提供科學依據和數據支撐。

1 研究區域

廣元市位于四川省北部（31°31～32°56N，104°36～106°45E），境內河流屬長江水系，有嘉陵江、白龍江、清水河、東河、木門河等75條河流。屬亞熱帶濕潤季風氣候，南部低山，冬冷夏熱;北部中山區冬寒夏涼，秋季降溫迅速。年平均氣溫16.1 ℃，7月平均氣溫26.1 ℃，1月平均氣溫 4.9 ℃。年降雨量800～1 000 mm，日照時數1 300～1 400 h，無霜期220～260 d，四季分明。

研究區域選取廣元市境內嘉陵江、白龍江和南河。其中，嘉陵江為廣元境內的河流主干，自北向南流經廣元市區;白龍江屬于嘉陵江的一級支流，是嘉陵江上游的最大支流，自北向南流經廣元，并在廣元市西側的昭化鎮匯入嘉陵江;南河是廣元的母親河，廣元市城區內的四分之三用水來源于南河，南河從廣元市東南側流經廣元市區，最后在天成大橋西側匯入嘉陵江 [14]。研究區域地圖見圖1。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

2.1.1 土地利用數據和社會經濟數據來源。

選取廣元市2012—2015的土地利用類型和社會經濟數據，數據來源于《四川統計年鑒》（2013—2016）和《廣元統計年鑒》（2013—2016）（表1）。土地利用類型數據包括：年末實有耕地面積（X1，hm2）、園地面積（X2，hm2）、林地面積（X3，hm2）、草地面積（X4，hm2）和農業設施用地面積（X5，hm2）。為反映廣元市的社會經濟平均水平，選取了6個均值變量型數據代表社會經濟因子，其中包括：人口密度（X6，人/km2）、人均GDP（X7，元/人）、第一產業國有總值占比（X8，%）、第二產業國有總值占比（X9，%）、第三產業國有總值占比（X 10，%）和工業占比（X 11，%）。

2.1.2 水質數據來源。

水質采樣時間為2012—2015年 1—12月每月月初，采樣頻率為每月1次。在各個監測點位通過人工采樣的方式進行采樣，分別在嘉陵江流域的八廟溝、上石盤、張家巖3個斷面設置采樣點進行監測，選取南河的安家灣和南渡2個斷面，白龍江在苴國村和姚渡2個河流斷面設置采樣點監測。八廟溝、張家巖、南渡、苴國村、姚渡為國控斷面，安家灣、上石盤為省控斷面。監測項目包括pH、DO、COD Mn、COD Cr、BOD5、NH4+-N、TN、TP，除pH為無綱量外，其他指標單位均為mg/L。

2.2 研究方法

2.2.1 單因子指數法。

根據文獻 [10-12]結合廣元市2012—2015年的監測數據現狀，選取COD Mn、BOD5、COD Cr、NH4+-N、TP作為評價指標，單因子指數是無量綱指數，污染因子選定后對每一個因子進行單獨評價，各項指標監測與分析評價依據《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）。單因子指數法是將評價水質指標與評價標準進行比較，其計算公式為? [15-16]：

式中，Ci為第i種水質指標的實測污染物濃度，mg/L;Si為第i種指標的評價標準濃度值，mg/L;Pi為第i種水質指標的單因子指數，無量綱。超過Ⅲ類水質標準的指標為斷面污染指標（廣元市生態環境局），因此Si采用Ⅲ類地表水標準限值。水質污染等級劃分標準為：Pi<1，清潔;1≤Pi<2，輕污染;2≤Pi<3，污染;3≤Pi<5，重污染;Pi>5，嚴重污染。

2.2.2 逐步回歸分析。

逐步回歸分析是建立在多元線性回歸分析基礎上的，是指運用回歸分析原理依據雙檢驗原則，逐步引入和剔除自變量而建立最優回歸方程的優選方法。

以廣元市土地利用類型和社會經濟數據為自變量，以河流的水質指標為因變量。將水質數據進行ln（Pi）轉化后，運用IBM SPSS Statistics 23.0進行逐步回歸分析，排除不顯著變量。用指數模型來表征這一關系為 [17]：

ln（Pi）=lnα+β1X1+β2X2+…+β 11X 11（2）

式中，lnα為常量，X1～X 11分別為年末實有耕地面積、園地面積、林地面積、草地面積、農業設施用地面積、人口密度、人均GDP、第一產業占比、第二產業占比、第三產業占比和工業占比，X1～X5為土地利用類型數據，X6～X 11為社會經濟數據; β1～β 11分別表示各影響因子與水質指標之間的相關系數。

相關系數為負，則表明影響因子越大，污染物濃度越低;反之，相關系數為正，則表明影響因子越小，污染物濃度越低。

2.3 情景分析

情景分析的作用在于充分了解目前已知情

況的基礎上，對未來的數據進行合理的預測，從而為政策決

策提供一定的理論基礎。根據自變量與因變量進行回歸分

析得到的顯著模型，根據不同的發展方向設置不同的情景，

并用所設置情景進行水質預測，通過改變土地利用類型和社

會經濟數據得到一系列不同的情景，比較不同的情景模式中水質數據的變化情況。

3 結果與分析

3.1 單因子指數分析

廣元市嘉陵江流域2012—2015年水質指標Pi值計算如表2所示，根據計算結果可知2012—2015年廣元市嘉陵江流域各分析污染物單因子指標均<1，對照水質污染等級劃分標準，這4年期間研究區域水質清潔。并且能夠滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中Ⅲ類標準要求，表明區域河流水質較好。

3.2 回歸分析

將水質指標與土地利用類型和社會經濟數據進行逐步回歸分析，回歸分析結果顯示，COD Mn與年末實有耕地面積呈負相關;BOD5與年末實有耕地面積呈負相關，與農業設施用地面積呈正相關;COD Cr與人口密度呈負相關;NH4+-N與年末實有耕地面積呈負相關，TP與草地面積呈負相關（表3）。研究結果表明，年末實有耕地面積、草地面積、農業設施用地面積和人口密度均對河流水質具有顯著影響，說明土地利用類型和社會經濟數據跟河流水質 相關。

通過R2可知，5個模型的擬合效果均較好，其中BOD5擬合效果最好（R2=0.999 8），其次為TP（R2=0.996）>NH4+-N（R2=0.967）>COD Cr（R2=0.944）>COD Mn（R2=0.941）。

根據回歸分析結果得出水質指標預測的最優模型（表4），結合2012—2015年土地利用類型和社會經濟數據進行單因子指數數值模擬，將模擬結果與表2進行對比結果如圖2所示。由圖2可看出，2012—2015年水質情況的模擬結果與實際無顯著差異，單一的水質指標只在某個特定的因變量變化時才能產生響應，但是結果顯示通過回歸分析的模型對水質進行預測基本能反映水質的實際變化趨勢。

3.3 情景分析

根據回歸分析結果，選取年末實有耕地面積、草地面積、農業設施用地面積和人口密度作為影響因子代表，為了更好的說明土地利用類型及社會經濟因子對河流污染物濃度產生的影響，改變其中部分影響因子設置一系列不同情景，將情景模擬結果與2015年的數據進行對比。

根據2012—2015年廣元市土地利用類型和社會經濟數據的變化范圍進行情景設置，其中人口密度隨年末實有耕地面積有相應變動 [18]。

情景設置如表5所示：情景1增加年末實有耕地面積（X1），減少農業設施用地面積（X5），增加人口密度（X6）;情景2減少年末實有耕地面積（X1），減少農業設施用地面積（X5），減少人口密度（X6）;情景3增加草地面積（X4），減少農業設施用地面積（X5）;情景4減少草地面積（X4），增加農業設施用地面積（X5）;情景5和情景6同時改變年末實有耕地面積（X1）、草地面積（X4）、農業設施用地面積（X5）以及人口密度（X6）。

將廣元市土地利用類型和社會經濟數據設置一系列不同的情景，結果見表6。情景1中COD Mn、BOD5、COD Cr、NH4+-N預測值均變小，水質指數有明顯降低的趨勢，水質變好，而與之相比情景2結果相反，COD Mn、BOD5、COD Cr、NH4+-N預測值均變大，水質變差。情景3中BOD5升高，TP降低，情景4情況相反。情景5中TP變高，COD Mn、BOD5、COD Cr、NH4+-N預測值均降低，與之相反，情景6中TP降低，COD Mn、BOD5、COD Cr、NH4+-N預測值均變高。結果表明，土地利用類型和社會經濟數據的變化對河流水質有一定影響。

4 結論

（1）根據單因子指數法分析可知，廣元市2012—2015年河流水質能夠滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中的Ⅲ類標準要求，表明區域河流水質較好。結合回歸分析模擬結果顯示，2012—2015年水質情況的模擬結果與實際無顯著差異。表明回歸模型能基本反映廣元市河流水質的實際變化趨勢。

（2）回歸分析顯示，廣元市2012—2015年的年末實有耕地面積、草地面積、農業設施用地面積和人口密度均對河流水質具有顯著影響;COD Mn、BOD5、NH4+-N 3個水質指標的影響因子均包括年末實有耕地，且都呈負相關;COD Cr與人口密度呈負相關;TP與草地面積呈負相關;BOD5 影響因子除了影響年末實有耕地面積外還影響農業設施用地面積，并且與農業設施用地面積呈正相關。

（3）就廣元市而言，年末實有耕地面積的變化對COD Mn、BOD5、NH4+-N均有影響，土地利用類型對COD Mn、BOD5、NH4+-N、TP均有影響，COD Cr受到社會經濟因子的影響。其土地利用類型變化對河流水質影響作用比社會經濟因子更加顯著。

（4）情景分析結果顯示，在情景1的結果中水質最好，表明增加年末實有耕地面積、減少農業設施用地面積、增加人口密度的情況下能使水質更好。該結論具有重大意義：可為廣元市的河流水質污染防治提供可靠數據;可為廣元市的相關發展戰略提供一定參考;還可為對四川省其他地區的河流水質污染防治提供參考。

（5）在分析水質變化影響因子時，不應只考慮土地利用類型或者社會經濟因子，應綜合考慮土地利用類型和社會經濟因子對水質指標的共同作用。合理的控制土地利用類型和社會經濟數據能夠有效改善河流水質狀況。

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