土地利用与水质的响应关系研究

生态与农村环境学报　2006,22(4):14-19　

JournalofEcologyandRuralEnvironment

平原河网地区水源地水质对土地利用变化的响应———以黄浦江上游水源地为例

黄沈发,王　敏,车　越,杨　凯　(1.上海市环境科学研究院,上海　200233;2.华东师范大学环境科学系,上海　

200062)

1

1

2

2

摘要:以黄浦江上游水源地为例,利用1999年上海水资源普查数据及20001∶50000彩红外航空像片,采用GIS空间分析技术、灰色关联分析技术,,,环境质量对土地利用结构的响应,,黄浦江上游水环境质,(P<0.01),、人口密度等土地利用变化驱动力具有很好的关联性。,应在关注上游来水状况的同时,从土地利用及其社会经济驱,构筑水源地圈层土地利用格局。关键词:水环境;土地利用;平原河网;水源地;黄浦江上游

中图分类号:X21　　文献标识码:A　　文章编号:1673-4831(2006)04-0014-06

EffectofLandUseonWaterQualityinWaterheadRegioninRiverNetworkPlain—ACaseStudyoftheUpper

1122

HuangpuRiver.HUANGShen2fa,WANGMin,CHEYue,YANGKai(1.ShanghaiAcademyofEnvironmentalSciences,

Shanghai200233,China;2.DepartmentofEnvironmentalScience,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China)

Abstract:BasedonthewaterresourcessurveyofShanghaiin1999andthe1∶50000colorinfraredaerialphotosobtainedinearly2000,acasestudyoftheupperHuangpuRiverwascarriedout.Theexponentialmethod,pair2samplettest,andremotesensinganalysisareusedtoanalyzewaterenvironmentalcharacteristicsandlandusepatternintherivernetworkplain.Inordertoexploreresponseofwaterqualityinthewaterheadregiontothechangesinlanduseanditsdrivingforce,fivelandusepatternsareselectedandanewtypeofexponentialisdesigned.ResultsshowthatthewaterenvironmentoftheupperHuangpuRiverisaffectedintegratedlybylanduseandflowfromtheupperreaches;riverwaterqualityisnega2tivelyrelatedtoproportionofindustriallandinthesamplezones;andthewaterqualityatthewatercatchmentneartheSongpuBridgeiscloselyrelatedtothewaterqualityoftheflowcomingdownfromtheupperstreams,anddrivingforcesofchangeinlanduse,suchasdevelopmentoftheindustryandpopulationdensityinthewaterheadregion.Itissuggestedthatattentionbegiventoqualityofincomingwaterfromtheupperreacheswhilestrictmeasuresbetakentocontrolthein2tensityoflandexploitationinhydraulicallysensitiveareasandbuilduparing2structurelandusepatterninthewaterheadregionbymeansoflanduseandsocio2economicdrivingforces.

Keywords:waterenvironment;landuse;rivernetworkplain;waterheadarea;upperHuangpuRiver

　　随着国际上水源保护工作的持续深入,其管理

重心正在由点源污染向非点源污染转变,非点源污染成因分析和防治技术逐渐成为水源地研究热点。近年来研究者发现土地利用方式不合理极有可能是水源地非点源污染形成的关键,针对土地利用变化-环境响应的研究正在世界范围展开。COLLIN[1]

等基于对以色列两处水源地土地利用与环境因

子的研究结果,提出土地利用结构调整设想。

[2]

STEINER等通过对美国Gila河上游水源地土地适宜度分析,探讨低密度住宅、商业、工业、休闲等土

基金项目:上海市环境保护科技专项基金科技攻关项目(沪环科攻关02-02)

收稿日期:2006-05-17

土地利用与水质的响应关系研究

　第4期　　　　黄沈发等:平原河网地区水源地水质对土地利用变化的响应———以黄浦江上游水源地为例 15

地利用类型与水源水质的内在关联。RANDHIR[3]

等以波士顿水源地为研究对象,采用土地优化模型计算出不同地块优化指数以指导水源保护。SLI2

[4]

VA等利用GIS和多元分析手段对安大略湖南部水源地区的水质、土地利用情况进行相关分析,结果表明土地利用强度对水质影响很大,林地利于缓解

[5]

水质压力。FISHER等以美国乔治亚州Oconee上游水源地土地利用措施与地表水质内在关系为依据,指出减少该地区农业用地数量的迫切性。

国内土地利用与水环境质量相关研究近年来也

[6-9]

不断得到重视,但多集中于岩溶流域、溪流及水库,较少涉及水系结构复杂、集水区相对模糊的平原河网地区。事实上,众多,负荷,。笔者以

上海黄浦江上游水源地为例,通过相关数据的调查、收集和整理,借助遥感与GIS技术,研究水环境质量对土地利用变化的响应,为探求平原河网地区水源地合理的土地利用模式提供科学依据。

1　研究区域概况

黄浦江为湖源型感潮河流,上游米市渡多年平均高潮位2.75m,多年平均低潮位1.72m。黄浦江上游地势低平,地貌属湖泊相沉积平原,坡度平缓,土质以黏土为主,,形成塘区,,热量丰裕,降水.5℃。黄浦江上游饮用水源,承担全市超过50%的饮用水供给量,是上海市最主要的饮用水源地(图1)

。

图1　黄浦江上游水源地示意

Fig.1　SketchmapofwaterheadareaintheupperHuangpuRiver

2　数据来源及研究方法

2.1　数据来源

和镶嵌;黄浦江上游各河流水质数据来源于1999年上海市水资源普查系统,选取DO、NH32N、BOD5和

CODMn等主要水质参数,取7月和9月2次调查的平均值;社会经济数据来源于1986—2001年《松江区统计年鉴》。

土地利用/土地覆盖数据来源于2000年初成像的上海市1∶50000彩红外航空像片,按上海市测绘院提供1∶2000比例尺的地图对像片进行几何校正

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生　态　与　农　村　环　境　学　报　　　　　　　　　　　　　　第22卷 16 　　　　　　　　　　　　　　

2.2　土地利用数据分析方法

土地利用类型采用上海市地方标准《城市生态系统中土地利用/土地覆盖信息分类与代码》

(DB31/T314.1—2004)的分类方法;利用ArcGIS软件对上海市1∶50000彩红外航空像片进行土地利用解译制图,并与水源保护区范围图进行叠加,统计各级保护区内土地利用类型及结构;以淀峰、太浦河、园泄泾、大泖港和松浦大桥5个常年水质监测点为圆心(图1),以3km为半径,利用GIS软件缓冲区分析功能,划定5个圆形样带,每个样带面积

2

28.27km,将样带范围图与土地利用解译图叠加,获取各样带不同的土地利用结构。2.3　水环境质量数据分析方法

,A质改善指数I,水质参数的变化幅度,反映样带内土地利用对河流水质的贡献。2.4　水环境质量与土地利用数据关联分析方法

采用Spearman相关分析方法分析水环境质量与土地利用数据的关联,Spearman相关系数作为Pearson相关系数的非参数形式,先对原始变量的数

水源保护区分别占12.61%、8.90%和15.48%;一级水源保护区和上游水源保护区内工业及仓储用地均约占2%,准水源保护区内则较高,达5.62%;各级水源保护区内林地及园地所占比例甚低,分别占1.28%、1.59%和1.98%,而畜牧生产用地分别占0.07%、0.30%和0.21%(表1)。从水源保护角度审视黄浦江上游土地利用格局,发现存在以下问题:(1)工业用地布局分散,黄浦江上游仅小工业区就有37个,其中83.8%没有自建集中污水处理厂,其,工业废水直排河;(2),非点源污染已经,占区域污染

-]

,对植被的涵养水源及非点;(3)城镇及农村居住用地具备相当规模,污水处理设施却缺乏有效配套,黄浦江上游约8.9%建筑面积的房产项目污水未经处理直排河道或去向不明;(4)土地利用格局有待调整,上游来水两岸(如大泖港、园泄泾)仍然存在一定规模工业、畜禽用地,水文敏感区域土地开发强度并未得到严格限制,河流两岸缺少必要的生态缓冲带。

表1　黄浦江上游水源保护区土地利用现状

Table1　StatusofthelanduseinthewaterheadreserveintheupperHuangpuRiver

土地利用类型城镇及农村居住用地

工业及仓储用地在建用地交通用地河流等水域用地

耕地林地及园地畜牧生产用地

总计

一级水源上游水源保护区保护区

5.800.950.153.397.3027.790.590.0346.00

45.679.340.9224.94117.32305.148.141.53513.00

据排秩,根据各秩使用Spearman相关系数公式进行

计算,适合于有序数据或不满足正态分布假设的等间隔数据;采用灰色关联度技术分析水环境质量与社会经济结构的关联,描述系统发展过程中因素间相对变化情况,确定水源地灰色系统中影响水源水质的主要因子。

km

准水源保护区

77.2528.033.4136.5753.30289.489.891.07

2

总计

128.7238.324.4864.90177.92622.4118.622.63

3　结果与分析

3.1　水源地水环境特征与土地利用结构

近17a水质监测数据显示,松浦大桥取水口附

-1

近DO基本介于5～7mg L之间,BOD5多数年份在2～4mg L范围内,CODMn多维持在4～6mg L水平,基本达到地表水Ⅲ类标准;NH32N、

-1

-1

499.001058.00

TP则常在地表水IV～V类标准间徘徊。与松浦大

桥取水口类似,NH32N和TP也是大泖港、园泄泾等上游来水水系主要污染指标。总体而言,N、P污染已成为黄浦江上游的主要污染类型。

区域土地利用格局显示,耕地仍然是当前黄浦江上游的主要土地利用类型,各级水源保护区内耕地所占比例均超过50%;城镇及农村居住用地也占较大份额,在一级水源保护区、上游水源保护区和准

　　典型样带土地利用格局显示(表2),5个典型

样带中,太浦河、园泄泾、大泖港和松浦大桥样带均以农田耕地为主,仅淀峰样带由于水域面积过大,因而农田面积较其他区域为少。除淀峰样带外,其他样带村镇居住用地均接近10%。各样带林地、工业用地、畜禽场用地等比例较小,园泄泾和松浦大桥样带林地比例高于其他样带;园泄泾样带工业用地比例高于太浦河、淀峰、松浦大桥样带,远高于大泖港样带;畜禽场用地比例则是按园泄泾、大泖港、太浦

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河、松浦大桥、淀峰样带依次递减。在各样带中,农田、村镇建设用地比例较高,值得关注;而工业用地、畜禽场用地作为敏感土地利用类型,虽所占份额不高,但其对水环境的影响却不容忽视。

表2　5个典型样带土地利用格局

Table2　Landusepatternsintypicalsamplezones土地利用类型农田耕地河流鱼塘、湖泊林地工业用地村镇居住用地城镇建设用地畜牧生产用地在建用地

淀峰

39.280.8651.340.430.875.830.6500.%

式(1)、式(2)中,I非DO和IDO为水质改善指数,ρ非DO,下和ρDO,下为下游出水断面水质参数值,ρ非DO,上和ρDO,上为上游入水断面水质参数值。

计算各样带各水质参数的水质改善指数I发现,淀峰样带DO、NH32N有所恶化,I均为-33.33%,CODMn、BOD5有所改善,I分别为13.93%、36.17%;太浦河样带DO、CODMn、NH32N、BOD5全部恶化,I分别为-11.76%、-6.49%、-19.35%、-3.12%;园泄泾样带DO、CODMn变动

太浦河

74.764.2610.480.770.908.450.100.19园泄泾大泖港松浦大桥

71.987.326.571.141.3610.210.580.79.576.732.470.640.1910.0800

73.648.895.651.360.759.560.100.050

较小,NH32N、BOD5显著恶化,I分别高达-115.、-.样带DO、CODMn、NH35,Mn、BOD53个参I..13%、21.54%,NH32N改善,I为1.28%;松浦大桥样带CODMn略有恶化,I为-11.46%,DO、NH32N、BOD5均有所改善,I分别为3.57%、34.19%、14.69%(表3)。为了综合评价各样带水质改善能力,计算各样带有机污染综合指数A的水质改善指数IA发现,淀峰、太浦河、园泄泾、大泖港和松浦大桥各样带的IA分别为-4.08%、-28.09%、-70.86%、11.18%和20164%。因此,确定大泖港、松浦大桥样带对河流水质具有较好的改善作用,淀峰样带对河流水质变化贡献较小,太浦河、园泄泾样带则对河流水质具有一定的污染效应,尤其是园泄泾样带,对河流的负面影响最大。

将各样带有机污染综合指数的水质改善指数与土地利用类型面积比例进行Spearman相关分析,结果表明,各样带工业用地比例与该指数呈极显著负相关(P<0.01),即样带工业用地比例越高,流经该区域的河流水质恶化趋势就越明显。这一结果验证了上海市环境科学研究院对非点源污染排放系数的实验模拟结果(表4),黄浦江上游地区工业用地CODCr和NH32N排放系数分别高达1212.5和36.2kg hm

-2

%。

3.2　水源地水环境质量对土地利用变化的响应

土地利用变化一方面是影响黄浦江上游水源地

水环境质量的直接原因,另一方面又取决于当地社会经济发展驱动,因此土地利用变化的社会经济驱动力可视为影响水源地水环境质量的深层次原因。基于以上考虑,从土地利用结构和土地利用变化驱动力两个方面探讨黄浦江上游水源地水环境质量对土地利用变化的响应。3.2.1　对土地利用结构的响应

为了明确河流在流经各样带过程中水质参数的变化幅度,反映样带内土地利用对河流水质的贡献,故设计水质改善指数I,将I定义为进、出水断面水质参数差值与进水断面水质参数的比值。I>0,表明样带土地利用结构有利于水源保护,河流流经样带后水质有所改善;I=0,表明样带土地利用结构对水源保护贡献很小,河流流经样带后水质变化甚微;I<0,表明样带土地利用结构不利于水源保护,河流流经样带后水质有所恶化。水质改善指数的计算公式为:

ρ非DO,下-ρ非DO,上

(1)　　非DO水质参数:I=-非DO

ρ非DO,上

ρ-ρ(2)DO:IDOρDO,上

a,在当前黄浦江上游污水收集系统

-1

很不完善的情况下,对周边水环境影响很大。此外,

畜禽场用地和水产养殖用地CODCr和NH32N排放系数极高,虽然在样带中这2类用地所占份额极少,未能表现出与水质改善指数的显著关联,但实际环境管理中却不容忽视。

土地利用与水质的响应关系研究

生　态　与　农　村　环　境　学　报　　　　　　　　　　　　　　第22卷 18 　　　　　　　　　　　　　　表3　1999年黄浦江上游各样带空间水质变化

Table3　SpatialvariationofwaterqualityinthetypicalsamplezonesoftheupperstreamoftheHuangpuRiverin1999

DO

CODMn

I/

NH32N

I/

BOD5

I/

断面淀峰

取样位置上游站位

下游站位上游站位下游站位上游站位下游站位上游站位下游站位上游站位下游站位

含量/(mg L-1)

7.354.90

%

含量/(mg L-1)

6.105.25

%

含量/(mg L-1)

0.230.30

%

含量/(mg L-1)

2.351.50

I/%

A

IA/%

1.531.60

36.17

-4.08

1.121.44

-3.12

-28.09

1.442.46

38

-70.86

5.895.23

21.54

11.18

3.232.57

14.69

20.64

-33.3313.93

3.854.10

0.310.37

-6.49

4.554.73

0.330.70

-4.03

5.951.93

4.805.35

0.970.64

-11.46

-33.33

1.601.65

-19.35

1.402.115.252.55

1.28

2.382.03

34.19

太浦河5.955.25

-11.76

园泄泾4.905.05

3.06

大泖港3.554.45

松浦大桥35

3.57

I为对应水质参数的水质改善指数,IA为有机污染综合指数的水质改善指数。

表4　黄浦江上游各土地利用类型非点源污染排放系数

Table4　Non2pointsourcepollutioncoefficientsoflandsdifferentinlanduseintheupperHuangpuRiver

kg hm

土地利用类型城镇居住用地工业及仓储用地交通用地农村居住用地水产养殖用地一般耕地水稻田麦田蔬菜地苗圃基地林地畜牧生产用地

TN22.8036.204.6018.18101.0018.8039.2339.1838.8451.5110.354677.00

TP

-2

a-1

CODCr1192.001212.50799.80262.80999.00116.85120.0087.33129.52171.7834.5227026.00

———

5.244.952.042.291.972.83

选取取水口所在的松江区1986—2001年社会经济资料以及上游来水数据与区内松浦大桥取水口水质进行关联度分析,分辨系数取0.1。具体参数选择如下:(1)松浦大桥取水口水质参数,Y1(BOD5)、Y2(CODMn)、Y3(NH32N)、Y4(石油类)、Y5(TP)、Y6(TN);(2)上游来水水质参数,X1(淀峰断

面相应水质参数)、X2(太浦河断面相应水质参数)、X3(大泖港断面相应水质参数)、X4(园泄泾断面相应水质参数);(3)松江区社会经济参数,X5(松江区人口密度)、X6(松江区GDP)、X7(松江区农业占GDP比例)、X8(松江区工业占GDP比例)、X9(松江区工业总产值)、X10(松江区农业总产值)、X11(松江区工农业总产值比例)。计算取水口水质参数Y1、

Y2、Y3、Y4、Y5、Y6与影响因素X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11的关联度(表5),进而得到各影响

—

1.051193.00

城镇居住用地、工业及仓储用地和交通用地TN均以NH32N计。

3.2.2　对社会经济驱动力的响应

为了明确土地利用变化的社会经济驱动力对水

源水质的影响,采用灰色系统理论方法对松浦大桥取水口水质的影响因子进行了灰色关联度分析。考虑到平原河网地区水源地水环境质量还受制于上游来水水质,除当地社会经济指标外,将淀峰、太浦河、大泖港、园泄泾4支上游主要支流水质参数也一并予以考虑。

因素相对取水口水质的关联序:(1)Y1:X3>X4>X8>X1>X5>X10>X2>X11>X6>X7>X9;(2)Y2:X3>X4>X8>X1>X5>X2>X11>X7>X10>X6>

X9;(3)Y3:X3>X4>X1>X2>X8>X5>X10>X11>X7>X6>X9;(4)Y4:X4>X3>X8>X5>X7>X2>X10>X11>X1>X6>X9;(5)Y5:X3>X5>X4>X8>X1>X11>X2>X10>X6>X9>X7;(6)Y6:X4>X1>X2>X3>X5>X8>X10>X7>X11>X9>X6。

土地利用与水质的响应关系研究

　第4期　　　　黄沈发等:平原河网地区水源地水质对土地利用变化的响应———以黄浦江上游水源地为例表5　松浦大桥取水口水质参数与各影响因素的灰色关联矩阵

19

Table5　GraymatrixofwaterqualityparametersandcontributingfactorsatthewatercatchmentneartheSongpuBridge

X1

Y1Y2Y3Y4Y5Y6

X2

X3

X4

X5

X6

X7

X8

X9

X10

X11

0.48510.64810.48060.39480.49750.5818

0.45860.61560.46490.46650.46550.5809

0.56720.71660.66820.64680.60810.5742

0.54900.69320.62170.66850.54280.5961

0.48410.64630.43180.59040.55310.5411

0.27560.28540.25620.31860.32890.2433

0.27420.37570.28810.50140.27560.3348

0.50160.66880.44190.60950.53740.5295

0.26320.28230.23640.30410.32160.2477

0.47200.33530.37540.41650.40650.4902

0.40210.40270.35290.41320.47770.3287

　　对于NH32N(Y3)、TN(Y6)2项水质参数,松浦大桥取水口与4支上游来水水质(X1、X2、X3、X4)关联度最好,其次为工业占GDP比例(X8)、人口密度(X5),表明取水口NH32N、TN对于BOD5(Y1)、(2)(项水质参数,(X3)、园泄泾(X4)2,也与工业占GDP比例(X8)、人口密度(X5)以及淀峰断面相应水质参数(X1)、太浦河断面相应水质参数(X2)关联密切,此外,与工农业总产值比例(X11)、农业总产值(X10)等产业结构指标及农业指标也具有一定关联,表明取水口BOD5、CODMn、石油类、TP含量高低仍然主要取决于上游来水水质以及水源地当地的工业发展及人口密度,尽管影响因素对松浦大桥取水口各水质参数的重要性程度略有差异。可以看出,除上游来水水质外,水源地土地利用变化的社会经济驱动力与水源水质关系密切,当地产业结构、人口规模等变化都会改变区域土地利用结构、布局及开发强度,进而对周边水体环境产生影响。

强调对当地社会经济发展规模的适度控制,引导区,从机制上缓解水源1]　COLLINML,http://binedLand2UseandEnviron2

mentalFactorsforSustainableGroundwaterManagement[J].Ur2banWater,2001,3(1):253-261.

[2]　STEINERF,MCSHERRYL,http://ndSuitabilityAnaly2

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[8]　李俊然,陈利顶,郭旭东,等.土地利用结构对非点源污染的影

4　结语

平原河网地区水源地水环境质量受制于众多因素,土地利用结构及上游来水是最为重要的两个方

面。研究发现,黄浦江上游水源水质与上游来水水质、当地工业发展、人口密度等因素关系密切,工业用地对周边河流水质影响显著;平原河网地区水源地水环境质量不仅对土地利用结构,而且对土地利用变化的社会经济驱动力均有良好响应。建议在开展平原河网地区水源保护工作中,应在关注上游来水状况的同时,从土地利用及其社会经济驱动两方面控制水文敏感区域的土地开发强度。强调水源地土地利用调控手段的运用,构筑取水口周边的圈层土地利用格局,从结构和布局上改善土地利用现状;

响[J].中国环境科学,2000,20(6):506-510.

[9]　于兴修,杨桂山.典型流域土地利用/覆被变化及对水质的影

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[11]黄沈发,顾友直,陈长虹.黄浦江流域面源污染控制战略研究

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作者简介:黄沈发(1967—),男,上海市人,高级工程师,主要研究方向为环境规划与管理、城市生态及农村环境保护。