張 洪,黎海林,陳 震
(云南財經大學 城市管理與資源環(huán)境學院,昆明650221)
在流域水環(huán)境變化原因的研究中,土地利用類型變化是一個非常重要的影響因素,如果能夠明確土地利用類型和水質之間的關系,就可以通過適當?shù)耐恋乩靡?guī)劃來確定合理的污染預防措施,從而解決水環(huán)境污染問題,保護水質。國外在這方面研究較多,Basta和Bower總結了14個土地利用變化對水量、水質影響模型。比較詳細地描述了這些模型使用的土地類型、時空屬性、水文特征、水類型及測定的污染物。He將GIS和AGNPS模型結合,研究密歇根州一個農業(yè)流域土壤侵蝕和N、P流失情況,并在模擬預測的結果基礎上提出了最佳的土地利用方法[1-3]。目前國內也有這方面的研究,于興修以太湖上游浙江西苕溪流域為例研究了土地利用/覆被變化及對水質的影響[4],李文杰研究了梁子湖流域土地利用變化對流域水環(huán)境的影響[5],張婷對白洋淀水質時空變化及影響因子進行了評價與分析[6]。但是云貴高原的滇池流域土地利用結構及動態(tài)變化對水質的影響研究沒有,因此本文是LUCC及計量地理學理論在滇池流域的一次實證應用,致力于研究滇池流域1974—2008年土地利用動態(tài)變化及對其水環(huán)境的影響,旨在真實反映該區(qū)域的土地利用情況,同時得出這種變化對水環(huán)境的影響,為土地利用規(guī)劃、水污染治理及其它領域研究提供參考借鑒作用。
滇池流域位于云貴高原中部,地處長江、珠江和紅河三大水系分水嶺地帶,范圍包括昆明市盤龍、五華、西山、官渡四區(qū)及呈貢、晉寧、嵩明等縣市區(qū)部分地區(qū)。地理坐標為東經102°29′—103°01′,北緯24°29′—25°28′,流域面積為2 840.7km2。整個流域為南北長、東西窄的湖盆地,地形可分為山地丘陵、淤積平原和滇池水域三個層次。滇池流域屬北亞熱帶濕潤季風氣候,年均氣溫14.9℃,年降雨量931.8mm,全年無霜期227d,具有低緯高原的季風氣候特征,冬無嚴寒、夏無酷暑,四季如春,干濕分明,垂直差異大的氣候特點。
1.2.1 研究方法 結合研究區(qū)域的土地利用方式特點,將土地利用按一級分類分為5大類,即:耕地、林地、建設用地、水域及其它地類。利用Edras遙感影像處理軟件和ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件對1974年、1988 年、1998 年、2008 年 4 個 時 期 Landsat-5(TM)遙感衛(wèi)片進行校驗配準及增強處理,通過野外GPS實地考察,獲取遙感影像的解譯標志,并對每個時期的影像進行人機交互解譯,得出四個時期的土地利用現(xiàn)狀。利用ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件中的ArcMAP模塊進行圖層疊加分析,根據(jù)馬爾柯夫模型建立土地利用空間動態(tài)變化轉移矩陣。其中流域土地利用與水環(huán)境變化模擬采取單位根檢驗與協(xié)整檢驗來分析,并在此之前的基礎上,利用馬爾柯夫預測模型,通過Matlab軟件實現(xiàn)對后期的土地利用結果及對水環(huán)境的影響進行預測。
1.2.2 數(shù)據(jù)來源 研究區(qū)數(shù)據(jù)來源于1974年、1988年、1998年及2008年Landsat-5(TM)遙感衛(wèi)片,采取TM_Band_4(R),TM_Band_3(G),TM_Band_2(B)波段合成影像,通過幾何校正及Edras遙感影像處理軟件和ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件人機交互解譯得來。
1.2.3 馬爾柯夫模型 馬爾柯夫方法是利用某一變量的現(xiàn)狀和動向去預測未來的狀態(tài)及動向的一種分析手段,數(shù)學表達為:
式中:P(n)——將來時刻n土地利用類型的狀態(tài)概率向量;P(0)——研究初始時刻土地利用類型的狀態(tài)概率向量,簡稱初始狀態(tài)概率向量;Pij——土地類型i轉變?yōu)橥恋仡愋蚸的轉移概率向量[7]。
1.2.4 ADF單位根檢驗 ADF單位根檢驗是檢驗數(shù)據(jù)序列的平穩(wěn)性,如果存在同階平穩(wěn)的話,就可以對它們進行協(xié)整檢驗。由以下回歸方程構成:
式中:β1——常數(shù)項;β2——t的系數(shù);εt——純粹白噪音誤差項,而 ΔYt-1=(Yt-1-Yt-2),ΔYt-2=(Yt-2-Yt-3)等。假設δ=0,Yt-1系數(shù)的估計t值服從τ統(tǒng)計量,即存在一個單位根,即時間序列是非平穩(wěn)的。假設不能接受δ=0假設,可以使用通常的t檢驗,即不存在單位根,該時間序列是平穩(wěn)的[8]。
1.2.5 協(xié)整檢驗 采用Johansen檢驗法進行協(xié)整檢驗,其基本思路是在多變量向量自回歸(VAR)系統(tǒng)回歸構造兩個殘差的積矩陣,計算矩陣的有序本征值,根據(jù)本征值得出一系列的統(tǒng)計量判斷協(xié)整關系是否存在以及協(xié)整關系的個數(shù)[9]。
根據(jù)前面所得數(shù)據(jù),利用ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件中的面積統(tǒng)計功能,得到4個研究時期的5大地類的面積及其所占總面積的百分比(表1)。
從表1可以看出,4個研究時期的各類土地利用中林地所占比率最大,最大是1974年達到44.8%,這與流域的地質地貌特點有很大關系。耕地面積和建設用地面積變化則較大,耕地由1974年的17.3%下降到2008年的9.3%,建設用地則從1974年的3.1%上升到2008年的14.0%。
表1 1974-2008年土地利用現(xiàn)狀結構
土地利用變化分析主要是對4個時期土地利用現(xiàn)狀空間信息在ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件下進行空間疊加,利用馬爾柯夫轉移矩陣,通過統(tǒng)計分析、計算整理后得到各個時期的土地利用現(xiàn)狀圖及土地利用轉移矩陣(附圖9、表2)。
所得轉移矩陣表中,數(shù)據(jù)所在列代表1974年土地利用類型,行代表2008年土地利用類型。數(shù)字代表的是1974的土地利用類型轉變?yōu)?008年各類利用類型的面積。根據(jù)轉移矩陣不難看出,在1974—2008年期間,耕地轉化為建設用地的面積為212.86 km2,其中1988—2008年中,耕地轉化為建設用地的面積為為128.98km2;其它地類轉化為建設用地的面積為102.86km2,水域及林地呈遞減趨勢,但是減少的面積很小,整體變化不大。
根據(jù)馬爾柯夫預測模型,應用Matlab軟件對各個時期的轉移概率進行計算,并將預測相應結果與實際值比較,結合實際情況,采用1988—2008這個時間段的里1988年作為初始狀態(tài)年,以這個時間段的轉移概率作為轉移概率向量,預測得到1998年、2008年的土地利用結構與1998年、2008年實際的土地利用結構進行對比,模擬值和實際值十分接近,兩個時期的相對誤差平均值在0.05%內。由此可見利用馬爾柯夫過程預測滇池流域土地利用結構是可行的。得到的預測結果見表3。
表3 馬爾柯夫鏈預測的各土地利用類型面積 km2
馬爾柯夫模型預測結果表明,2015—2030年研究區(qū)內建設用地面積進一步增加,林地、水域和其他地類進一步減少,但減少的幅度在逐漸變小,耕地面積也繼續(xù)減少。
土地利用是人類對自然環(huán)境最直接的一種作用方式,如果利用方式不當將會導致大量的硝酸鹽、磷酸鹽等物質未經處理排入流域水體,進一步造成對流域水環(huán)境的污染。在此以滇池流域土地利用變化的研究為基礎,結合查找相關年份的土地利用數(shù)據(jù),利用1994—2008年以來可以獲得的水質資料,分析滇池流域土地利用變化對水環(huán)境所帶來的影響。
水環(huán)境主要由地表水和地下水兩部分組成,本文只對滇池的地表水環(huán)境進行相應分析。滇池水環(huán)境的評價標準是參考中華人民共和國環(huán)境保護總局頒布的《中華人民共和國地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)。水質監(jiān)測的常規(guī)項目包括:水溫、電導率、pH、溶解氧(DO)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量BOD,揮發(fā)酚、石油類、重金屬和細菌等指標[6]。結合本次研究實際情況,對從監(jiān)測部門所獲取的1994—2008年的總氮(TN)、總磷(TP)、生化需氧量(BOD)及化學需氧量(COD)資料采用時間序列方法進行分析,研究滇池流域土地利用變化對滇池水環(huán)境產生的影響。
4.1.1 單位根檢驗 采用監(jiān)管部門調研得到的土地數(shù)據(jù),將滇池流域的土地類型分為城鎮(zhèn)村工礦建設用地(CH)、耕地(GE)、有林地(LIN)、牧草地(MU)、濕地(SHI)、園地(YUAN)6大類,分別采用各類土地類型占流域土地的比重,對1994—2008年滇池流域的總氮(TN)、總磷(TP)、生化需氧量(BOD)、化學需氧量(COD)以及各土地類型的時間序列采用ADF法進行單位根檢驗,計算結果如表4所示。
由表4可以看出總氮量與園地序列為0階單整,其它序列均為2階單整。
表4 各變量ADF檢驗
4.1.2 協(xié)整檢驗 通過Johansen檢驗計算得到總磷(TP)、生化需氧量(BOD)、化學需氧量(COD)與城鎮(zhèn)村工礦建設用地(CH)、耕地(GE)、有林地(LIN)、牧草地(MU)、濕地(SHI)、園地(YUAN)之間存在協(xié)整關系。其關系為:
其中(1)(2)(3)式下括號內數(shù)為t值,R2表示調整后的擬合優(yōu)度,DW為durbin watson檢驗值。可以得到在5%顯著性水平下TP和BOD與土地利用類型之間存在相關關系,城鎮(zhèn)建設用地及獨立工礦用地對總氮量的彈性為15.31,即城鎮(zhèn)建設用地每增加666.7 m2,會對總氮量產生15.31mg/L的正向影響,同理,耕地對總氮量彈性為10.47,牧草地對總氮量彈性為-156.74。城鎮(zhèn)建設用地及獨立工礦用地對BOD的影響為543.79,耕地對BOD的影響為-272.49,有林地對BOD的影響為160.88。在20%顯著性水平下COD與土地利用類型之間存在相關關系,城鎮(zhèn)建設用地及獨立工礦用地、耕地、濕地對COD的彈性分別為173.88,-100.75和-4920.59。可以認為,城鎮(zhèn)村工礦建設用地和耕地顯著提高了流域總磷量的排放,然而牧草地顯著減少了流域總磷量的影響;城鎮(zhèn)村工礦建設用地及有林地顯著提高了流域BOD的污染,而耕地有效地減少了流域BOD的污染;城鎮(zhèn)村工礦建設用地顯著提高了流域COD的排放,而耕地和濕地有效減少了COD的排放。
采用馬爾柯夫鏈分別預測2015年、2020年、2025年、2030年4期土地利用狀況后,采用模型(1),(2),(3)分別對滇池流域TP,BOD,COD進行預測,結果見表5。
表5 4個時期水質污染狀況預測 mg/L
由以上預測可以看出,隨著年份的增長,水質污染狀況指標呈現(xiàn)持續(xù)惡化的趨勢,主要原因是由于隨著年份的增長,流域城鎮(zhèn)村工礦建設用地所占比例不斷擴大,而流域內耕地、有林地、牧草地、濕地等地類不斷減少,導致了環(huán)境狀況的持續(xù)惡化。
通過對1974—2008年4個時期的分析,揭示了滇池流域近30a土地利用/覆被變化情況以及這種變化對滇池水環(huán)境的影響。結果表明,滇池流域土地利用類型變化顯著,土地利用對滇池水質有一定的影響。土地利用相互轉化過程中,耕地、建設用地和其它地類的變化幅度較大,水域和林地變化不明顯。其中,耕地轉化為建設用地的面積為212.86km2,其它地類轉化為建設用地的面積為102.86km2。各時間段中,1998—2008年研究期間的土地利用變化最大,同樣表現(xiàn)為耕地的大量減少和建設用地的急劇增加。
馬爾柯夫模型預測結果表明,2015—2030年研究區(qū)內建設用地面積進一步增加,林地、水域和其它地類進一步減少,但減少的幅度在逐漸變小,耕地面積也繼續(xù)減少。
通過單位根和協(xié)整檢驗可以看出土地利用類型的變化對滇池水環(huán)境變化具有明顯的影響作用,在5%顯著性水平下TP和BOD與土地利用類型之間存在相關關系,建設用地對總氮量的彈性為15.31,即城鎮(zhèn)建設用地每增加0.067hm2,會對總氮量產生15.31mg/L的正向影響,耕地對總氮量彈性為10.47,牧草地對總氮量彈性為-156.74。建設用地對BOD的影響為543.79,耕地對BOD影響為-272.49,有林地對BOD影響為160.88。在20%顯著性水平下COD與土地利用類型之間存在的相關關系,建設用地、耕地、濕地對COD的彈性分別為173.88,-100.75,-4 920.59??梢哉J為,城鎮(zhèn)村工礦建設用地和耕地顯著提高了流域總磷量的排放,然而牧草地顯著減少了流域總磷量的影響;城鎮(zhèn)村工礦建設用地及有林地顯著提高了流域BOD的污染,而耕地有效地減少了流域BOD的污染;城鎮(zhèn)村工礦建設用地顯著提高了流域COD的排放,而耕地和濕地有效減少了COD的排放。
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