基于RS和GIS的景觀格局變化對城市湖泊水質影響的研究

朱蘭保 盛蒂 戚曉明 杜慶才 丁艷

(蚌埠學院化學與環(huán)境工程系，安徽蚌埠233030)

城市化進程正改變著城市景觀格局，而景觀格局的變化對非點源污染的影響十分明顯，在城區(qū)及城市化區(qū)域這種影響更加顯著［1-2］。面源污染的形成、轉化和遷移與景觀格局之間存在著相關關系［3］，這種關系主要是受到土地利用類型和其空間分布的影響［4］。合理的景觀格局，能夠通過生態(tài)攔截作用來減少流域內污染物進入水環(huán)境［5］。純粹的水質監(jiān)測評價和點源污染治理等措施不足以應對快速城市化過程中引起的水質惡化、水生生態(tài)系統(tǒng)退化等問題［6］。采用與水質顯著相關的景觀格局指數(shù)作為景觀尺度上的景觀環(huán)境指標，可以直接反映水質變化的原因，對于水質監(jiān)測、流域水污染控制與管理具有重要意義［6］。

目前關于景觀格局對水質影響的相關研究［7-9］主要集中在景觀類型的面積與水質的關系方面，將流域水質狀況進行綜合分析，并且在斑塊類型水平上來研究景觀格局對水質狀況影響的較少［10］，關于景觀格局的演變對城市湖泊水質影響的研究更是鮮有文獻報道。本研究以安徽省蚌埠市為例，應用多時相Landsat TM/ETM+遙感影像為數(shù)據(jù)源，采用的DEM數(shù)據(jù)為SRTM格式數(shù)據(jù)，精度為90 m，通過分析景觀格局指數(shù)與水質污染狀況的關系，探討景觀格局變化對城市湖泊水質的影響，為合理利用土地、控制流域污染提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

蚌埠市位于安徽省東北部，北緯32°43'至33°30'，東經 116°45'至 118°04'，下設蚌山區(qū)、禹會區(qū)、淮上區(qū)、龍子湖區(qū)4個市轄區(qū)，管轄懷遠縣、固鎮(zhèn)縣和五河縣。津浦鐵路從境區(qū)中部縱貫南北，淮河自西向東穿城而過，總面積5 952 km2，總人口367.81萬。蚌埠地處亞熱帶季風氣候和溫帶季風氣候的交界地帶，年均降水量約880 mm，四季分明。蚌埠市是安徽省最重要的綜合性工業(yè)基地，擁有機械、化工、醫(yī)藥、電子、建材等行業(yè)齊備的工業(yè)體系，科研院所和高等院校較多。

龍子湖位于安徽省蚌埠市，是全國最大的城市內湖。龍子湖三面環(huán)山，山水相依，呈三山夾一湖的獨特景觀，為國家4A級旅游景區(qū)和國家級生態(tài)示范區(qū)的主體部分，以景觀旅游為主，兼具水產養(yǎng)殖、滯洪和調節(jié)氣候等功能。龍子湖風景區(qū)總面積為36.9 km2，湖水面南北長約8 km，東西寬0.45～1.4 km不等，平均水深1.7 m，水面面積約7.8 km2。隨著蚌埠市城市化的不斷發(fā)展，特別是龍子湖周邊進行的大規(guī)模景觀開發(fā)，改變了其原有的景觀格局。

2 材料與方法

2.1 遙感圖像處理與土地利用分類

遙感圖像選用美國陸地衛(wèi)星Landsat TM/ETM+影像，成像時間和軌道號為:2004-04-06(121-37，Landsat-5 TM)和 2012-04-13(121-37，Landsat-7 ETM)，成像時天氣狀況比較好，成像質量理想，成像季節(jié)為春季。根據(jù)下墊面對城市水文的作用和國家通用的土地利用分類系統(tǒng)［11-12］，結合蚌埠市土地利用方式的實際情況及景觀格局特點對景觀類型進行了分類，分為:水體、建筑用地、林地、耕地、草地和裸地。針對Landsat TM/ETM+影像目標，提取了光譜、紋理及形狀特征，應用ENVI5.0軟件中的Decision Tree模塊對蚌埠市景觀類型分類，2個時期景觀類型分類結果見圖1。

圖1 蚌埠市多時相景觀格局遙感分類圖

2.2 景觀指數(shù)的計算

景觀指數(shù)作為景觀格局信息的重要指標，能夠反映其結構組成和空間配置特征，定量地描述和監(jiān)測景觀結構特征時空尺度的變化［12］。本研究采用Fragstate3.3軟件分別計算蚌埠市景觀面積指數(shù)(CA)、斑塊密度(PD)和平均破碎度指數(shù)(FRAC_MN)，以分析蚌埠市景觀格局變化情況。蚌埠市2個時相景觀類型分類圖構建的景觀格局指數(shù) CA、PD、FRAC_MN的變化趨勢如圖2所示。

圖2 景觀格局指數(shù)CA(左)、PD(中)、FRAC_MN(右)變化趨勢

2.3 評價方法

依據(jù)《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)［13］對水體功能區(qū)的劃分，龍子湖為Ⅲ類水體。本研究分別采用單項污染指數(shù)法［14］和內梅羅綜合污染指數(shù)法［14］對水質指標進行評價，采用的評價標準見表1，單項污染指數(shù)/內梅羅指數(shù)與污染等級關系見表2。

表1 地表水Ⅲ類水質評價標準 mg/L

表2 單項污染指數(shù)/內梅羅指數(shù)與污染等級關系

3 結果與分析

3.1 龍子湖水質監(jiān)測結果與分析

表3中龍子湖水質指標的數(shù)據(jù)來源于《蚌埠市統(tǒng)計年鑒》和《蚌埠市環(huán)境保護局網(wǎng)站》。

表3 龍子湖水質測定結果 mg/L

與《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)中Ⅲ類水的標準相比，2004年龍子湖水質指標TN、TP、Pb超標;2012 年水質指標 COD、TN、TP、Zn、Pb超標;pH、DO、Cu等水質指標在2次監(jiān)測中均低于環(huán)境標準。

3.2 單項污染指數(shù)法評價

對龍子湖2004年和2012年2次監(jiān)測結果采用單項污染指數(shù)法對其進行評價，結果見表4。

表4 龍子湖水質單項污染指數(shù)

龍子湖2004年和2012年水質監(jiān)測結果單因子超標(污染)程度由高到低依次是:Pb(重污染)＞TP(中污染)＞TN(輕污染)、TP(嚴重污染)＞Pb(嚴重污染)＞TN(中污染)＞COD(輕污染)＞Zn(輕污染);其他參評因子單項污染指數(shù)均低于1，為清潔水平?？梢婟堊雍w主要問題是水體處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，Pb污染嚴重，有機物和Zn為輕污染。龍子湖2004年水質監(jiān)測結果總體上比2012年監(jiān)測結果好。

3.3 內梅羅指數(shù)結果及分析

應用內梅羅指數(shù)法計算公式，分別對龍子湖2004年和2012年2次水質指標監(jiān)測結果進行計算，得出其內梅羅指數(shù)分別為2.44和4.64。結合內梅羅指數(shù)法評價標準可知，龍子湖水質在2004年處于中污染水平，2012年處于重污染水平。

3.4 景觀格局對水質影響分析

蚌埠市景觀面積指數(shù)中建筑用地、林地面積增加，裸地、草地、耕地面積減少，水體基本沒有變化;斑塊密度中建筑用地、裸地面積減少，草地、耕地面積增大，水體基本也沒有變化。說明蚌埠市近10 a來棚戶區(qū)的改造、新建筑物、不透水地面的增多占據(jù)了大量的裸地、草地和耕地，這與城市化進程遙感圖像基本特點相一致。平均破碎度指數(shù)強調的是斑塊的自相似性，一般來說，受人類活動影響大的景觀的分維數(shù)值低，而受人類活動干擾小的自然景觀的分維數(shù)值高［12，15］。2012 年蚌埠市各種景觀(水體、建筑用地、裸地、林地、草地、耕地)平均破碎度指數(shù)均比2004年低，說明蚌埠市各種景觀受人類活動干擾越來越明顯，這與近年來蚌埠市城市化進程加快有很大的關系。

城市化過程最突出的特征是人口、產業(yè)、物業(yè)向城市集中，區(qū)域景觀格局變化。集中地表現(xiàn)為自然、農業(yè)用地減少，建筑、公共設施用地增加，不透水地面比例上升，減少了地下水的入滲量，從而增大地表徑流量，把地表的污染物攜帶進入河道、湖泊等水體，引起水質的惡化。特別是從2005年以來蚌埠市政府對龍子湖及周邊地區(qū)進行了大規(guī)模的開發(fā)，大學城區(qū)4所高校近6萬師生的入住、新建了綠地小區(qū)、龍湖春天小區(qū)、龍湖春天商業(yè)街、蚌埠火車南站等商業(yè)用地、居民用地、教育用地和交通用地等，改變了龍子湖周邊原有的景觀格局。同時大量的生活垃圾、商業(yè)垃圾、交通污染源和實驗室的廢棄物等污染物質的排放，通過地表徑流和地下滲漏的作用直接或間接進入龍子湖，導致了龍子湖水質逐年下降。

4 結語

本文以蚌埠市為例，應用多時相Landsat TM/ETM+遙感影像為數(shù)據(jù)源，探討了景觀格局變化對城市湖泊水質的影響。景觀類型是影響水質的重要因素，城市化進程導致建設用地急速增長，占用了草地、耕地，使城區(qū)不透水面積增加，改變了城市地表徑流和入滲原有的產匯流條件，排入水體的污染源增多，導致城市湖泊水質下降。蚌埠市的景觀平均分維數(shù)較低，反映出蚌埠市景觀格局受人類干擾程度較大，科學合理地規(guī)劃城市土地利用格局對城市綜合水資源管理具有重要作用。

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