太湖平原河流水質時空演變及其驅動因素

張 鵬， 高 斌， 施紅怡， 龔來存， 姜紅梅， 陳 鑫

(1.江蘇省水利廳， 江蘇 南京 210029； 2.南京大學， 江蘇 南京 210023；3.江蘇省水文水資源勘測局南京分局， 江蘇 南京 210008； 4.江蘇省水文水資源勘測局鎮江分局， 江蘇 鎮江 212001)

太湖流域是我國城鎮化進程最為迅速的地區之一。城鎮化的快速發展，改變了地表水循環過程和污染源特征，對江蘇太湖平原地區水環境保護造成壓力。水環境安全問題是該地區長期以來的熱點問題，雖然在投入大量的資金用于太湖流域水環境治理后水質在很大程度上得到改善，但是水環境壓力仍然較大，因此探討河流水質變化特征和影響因素，對河流水環境保護具有一定指導意義[1]。土地利用類型變化是人類活動的一個重要特征，其中城鎮用地和農田是對河流水質影響最大的用地類型[2]，這兩種土地利用帶來的污染類型包括工業污水、生活污水和農業污水等。

已有眾多學者開展了土地利用類型對河流水質的影響研究，常見的研究方法包括統計方法和模型模擬方法兩類。整體上模型方法更能反映不同因素對河流水質影響的機理，但是其需要包括水文過程要素在內的大量數據，常露等[3]利用MIKE模型在梁溪河耦合模擬了水量和水質的狀況。統計方法需要的數據則較為簡單，并且能夠反映多種類型要素對河流水質的影響。常采用的方法包括了相關分析[4]、地理加權回歸[5]、冗余分析[6]、灰色關聯[7]等。同時在不同尺度上，土地利用等要素對河流水質的影響也存在一定差異，常采用的尺度包括子流域[8]、河岸帶緩沖區[9-10]和站點緩沖區[11]等。在江蘇太湖平原地區快速城鎮化導致土地利用變化的情況下，開展土地利用對河流水質影響研究，可以為水環境保護提供參考。

1 研究區概況

研究區為太湖流域的平原地區，主要包括兩個水利片區，分別為陽澄淀泖區和武澄錫虞區，它們都位于江蘇省境內，包括了常州市的中心城區、無錫市轄區、江陰市以及蘇州市的大部分區域。該地區基本為平原，區域內河流水系發達，呈現網狀特征，2010年不同區域的河網密度范圍在為1.58～4.90 km/km2。由于區域內的平原特征，早期農業活動較為發達，同時該區域又適合城市發展，這些都為區域水環境狀況帶來一定壓力。

2 研究方法

本研究收集了研究區2003年、2009年和2015年的20個站點的水質數據(圖1)，包含DO、TN、CODMn、NH3-N和TP。其他用地類型主要包括城鎮用地、農用地(水田和旱地)和其他用地(包括林地和水域等)類型。下載Landsat TM影像用于解譯，考慮不同季節地物存在的差異，比較特定季節影像質量差異，分別選取了2002年、2010年、和2015年的遙感影像用于解譯，分別對應水質的2003年、2009年和2015年。采用監督分類方法解譯研究區土地利用類型，分類包括城鎮用地、水田、旱地、水域、林地和其他用地類型，分類精度分別達到87.54%、85.35%和87.72%。后根據研究需要和研究區實際狀況將各用地類型合并為城鎮、農田和其他用地類型，針對性地分析城鎮用地和農田用地變化對河流水質指標的影響。以水質站點為圓心，分別提取其500 m、1 000 m、1 500 m和2 000 m圓形緩沖區以內的土地利用情況，計算不同用地類型的占比。

圖1 研究區位置和水質站點

主要采用斯皮爾曼秩相關方法分析不同時期不同土地利用類型對河流水質的影響，該方法相較于皮爾遜相關適用范圍廣泛，對變量的分布形態、樣本容量大小要求較低，適合本研究使用。該相關系數的取值范圍為[-1,1]，當結果小于0時表示二者負相關，結果大于0時表示二者正相關，結果為0時則表示二者不相關。

3 結果與討論

3.1 快速城市化下太湖平原地區下墊面時空演變特征

城鎮用地和其他類型用地面積在20世紀初至2015年間都呈現上升趨勢，而農田面積則表現為減少的趨勢(圖2)。城鎮用地面積在2個階段分別增加了52.94%和27.39%，在第一個階段增加的相對幅度較大。但是比較2個階段城鎮用地面積減少的絕對值，可以發現后一階段的城鎮化發展速度高于前一階段，城鎮化的進程加快了，分別達每年133.16 km2和168.55 km2，城鎮用地擴張迅速見表1。

表1 土地利用變化

圖2 不同時期土地利用

農田面積在2個階段分別減少了22.38%和27.68%，在研究時間段內穩步下降。從20世紀初至2015年間共減少了約2 358 km2。農田面積減少的過程同時還伴隨著區域內傳統農業活動的減少或轉移，以及農業種植方式的變化[12]，共同減少了區域內農業面源污染。區域內其他類型用地面積在該階段增加了約450 km2，主要包括區域的水域和林草地，這對研究區內的生態環境保護具有重要作用。

從轉移矩陣的結果來看(表2)，研究區內的不同階段的土地利用變化轉出最多的為農田，轉入最多的土地利用類型則為城鎮。在城鎮化發展過程中，大量的農田用地被征用轉換為城鎮用地，用于居民生活、生產活動，研究區內農業污染來源減少的同時，生活污水和工業污水來源增加，污染物的類型和來源途徑發生一定變化。農田也有一定的規模轉換為了其他用地，說明在該地區退耕還林、還湖有一定的進展，部分農田轉為了林地和水域。同時研究區域內水產養殖活動是居民生產和收入來源的重要方式之一，也會在一定程度上導致農田的減少和其他類型用地的增加。

表2 土地利用轉換方式 單位：km2

平原地區的土地利用變化主要以城鎮用地擴張為驅動，其他類型用地基本圍繞城鎮用地擴張和農田減少而發生變化，同時城鎮用地承載的生活污水和工業污水是水體污染的最主要來源[13]，因此研究城鎮用地變化對水質的影響對該高速城鎮化區域具有重要意義。

3.2 城市化下太湖平原地區河流水質時空演變特征

整體上研究區內的水質狀況呈現好轉趨勢，具體表現為DO質量濃度2003—2015年上升了，其他水質指標的質量濃度則都下降了(圖3)。這表明江蘇太湖平原地區整體的河流水環境狀況好轉，河流水質治理取得了一定的進展，但是目前的河流水質指標狀況仍然不容樂觀。

圖3 區域水質變化(圖中橫線代表不同水質的類別限值)

根據我國(GB3838-2002)《地表水環境質量標準》要求，采用單指標評價法對研究區水質進行評價，可以發現研究區內的河流水質整體較差，在2003年95%的站點為劣V類水質，2009年有85%的站點為劣V類水質，2015年仍然有85%的站點為劣V類水質，總氮指標是制約水質等級的重要指標。然后在不考慮TN指標的情況下，研究區內達到V類水質標準要求的站點從2003年的25%達到2015年的95%，此時氨氮成為制約該區域水質等級最主要的指標，因此氮污染是太湖平原地區最主要的污染物。在氮污染質量濃度下降的同時，河流總磷質量濃度也有明顯的下降趨勢，到2015年時所有站點的總磷質量濃度都達到IV類水質標準。在治理氮污染的背景下，控制磷污染也是太湖流域治理河流水環境的重要措施。

DO質量濃度僅在2003年有15%的站點未達到V類水質標準，在2003—2015年間DO的質量濃度不斷上升，在2015年所有站點的DO質量濃度都達到了III類水質標準，研究區的水生態環境不斷改善。高錳酸鹽指數在2003—2015年間都沒有低于V類水質的要求，研究區內的有機物污染相對較低，同時其質量濃度在研究時間段內呈現明顯的下降趨勢，到2015年高錳酸鹽指數質量濃度基本達到III類水質標準，研究區內有機物污染狀況改善明顯。因此太湖流域平原的水環境治理主要需圍繞氮磷污染治理開展，這也能有效遏制藍藻的生長與暴發。

3.3 太湖平原地區河流水質演變驅動因素分析

在不同年份的不同土地利用尺度條件下，城鎮用地的占比與DO質量濃度的相關性最為顯著，相關系數整體最高(表3)。城鎮用地占比與TP質量濃度相關的顯著性略弱于DO質量濃度，與TN質量濃度的相關性只在2015年顯著，而城鎮用地占比與NH3-N和CODMn質量濃度相關性不顯著，但是與NH3-N質量濃度的相關系數整體大于CODMn。城鎮用地整體上與DO質量濃度呈現負相關關系，而與其他水質指標質量濃度皆呈現正相關關系，說明城鎮用地較大會導致水體DO質量濃度較小，不利于水生態發展。城鎮用地與其他水質指標質量濃度則都為正相關，這說明城鎮用地占比較大的地區，水污染指標的質量濃度也較高，城鎮發展會對水污染防治造成更大的壓力。

表3 城鎮用地占比與水質指標的相關關系

在500 m半徑的緩沖區尺度上，城鎮用地與水質指標間基本不存在顯著的相關關系。而在1 000～2 000 m緩沖區尺度上，不同年份城鎮用地與DO質量濃度呈現出顯著的相關關系，整體上尺度較大時相關性更強。城鎮用地占比與其他指標的相關性在空間尺度上大部分呈現相似的規律，即500～1 000 m空間尺度上相關性較差，在1 500～2 000 m尺度上相關性較強，說明城鎮用地與水質指標質量濃度的關系具有較為明顯的空間尺度效應，在一定大小的空間尺度上二者具有較好的相關性。

從時間變化上來看，城鎮用地占比與DO質量濃度及氮污染指標質量濃度的相關性在2015年最好，尤其TN質量濃度與城鎮用地關系從早期的不顯著，到2015年表現為顯著正相關。說明隨著城鎮化發展，城鎮用地占比對河流水質的影響逐漸增強，因此需要控制城市污染排放，并合理規劃城市布局，降低城鎮用地的污染來源。2003年、2009年和2015年城鎮用地占比都在一定空間尺度上與TP質量濃度呈現出顯著的正相關關系，但是磷污染質量濃度與城鎮用地在2003年后與城鎮用地相關性不顯著或顯著性下降，可能是受到19世紀末太湖流域“禁磷”措施的影響，伴隨著“禁磷”措施的逐漸嚴格實施，磷污染的來源和與土地利用的關系發生改變。

河流水質變化是多種因素共同作用的結果，污染來源及其稀釋、運移、降解是影響河流水質的直接因素。其中污染物的來源包括點源污染與面源污染受土地利用變化的影響較大。隨著城鎮用地擴張與占比增加，引起了生活污染、工業污染、交通污染等多個方面的問題[14]，如居民垃圾、車輛污染、建筑場地、工廠污染排放等，共同導致區域河流污染加劇。周海麗等[15]的研究認為城市用地比例是影響河流綜合污染指數的主要因素。此外農田的化肥與農藥施用[16]是重要的面源污染來源，但是農田對河流水質的影響并非單一的，作為特殊的植被或濕地系統，其會對部分污染物起到吸附、吸收、滯留的作用[17]，在一定程度上可以改善區域水質。此外自然因素中的降雨、溫度也會對河流水質產生重要影響，其中降雨一方面對區域地表形成沖刷，將地表污染物運移至河流加劇污染[18-19]，另一方面則會稀釋污染物質量濃度，對河流水質影響具有不確定性[20]。因此不同因素對河流水質的影響機制較為復雜，還需要更深層次的機理研究來量化不同因素的影響機制。

4 結 論

太湖流域的城鎮用地增加最為明顯，農田面積減少最多，區域內最主要的土地利用轉變類型即為農田轉換為城鎮用地。

太湖流域的河流水質2003—2015年逐漸改善，但是污染問題仍然嚴峻，氮污染是導致該區域水質等級較差的最主要因素。城鎮用地在不同年份與DO質量濃度都顯著相關，相關系數在2015年最大為-0.633，城鎮用地對區域的水質整體狀況有重要影響。城鎮用地與TN質量濃度的相關關系在2015年達到顯著水平，隨著城鎮化發展，可以發現城市用地對TN的影響增加。

城鎮用地與河流水質的相關性在緩沖區半徑為1 500～2 000 m時較大，緩沖區半徑在1 000 m以下時相關性相對較小，因此在分析不同因素對河流水質的影響時需要注意尺度效應。在城鎮化進程中需要注重城鎮用地的規劃，在河流周邊控制城鎮用地的占比，可以有效降低河流污染。