渾河流域景觀格局指數(shù)對流域水質(zhì)的影響分析

(沈陽市水利科學研究所，遼寧 沈陽 110043)

1 研究區(qū)概況

渾河的發(fā)源地位于撫順市清原縣灣甸子鎮(zhèn)長白山支脈的滾馬嶺西側，流經(jīng)清原、撫順、沈陽、遼中、遼陽等市縣，全長415 km，流域面積2.5萬 km2。渾河作為遼寧省水資源最豐富的內(nèi)河，同時承擔了遼寧省中心城市群的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水任務。遼寧中部城市群傳統(tǒng)的重工業(yè)相對發(fā)達、人口稠密，渾河中下游的沈撫段，同一河流幾十公里之內(nèi)就流經(jīng)兩座城市，上游城市排入的污染物還未能完全稀釋凈化，即進入下游城市河段，又接受下游城市排入的廢水，造成環(huán)境污染的疊加[1]。渾河沈陽撫順段具有城市相鄰、人口密集、工業(yè)和制造業(yè)發(fā)達、生活廢水排放量大的特點，對其水質(zhì)狀況進行監(jiān)測并做出準確合理的評價顯得尤為重要[2]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 遙感影像處理

本文以 2014 年的 遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為基礎，通過 ERDAS 遙感軟件對原始數(shù)據(jù)進行校正與糾偏，獲得研究區(qū)的完整遙感影像圖。然后利用 ArcGIS 軟件對上述圖像進行目視解譯，最終獲得土地利用類型圖，并用于渾河流域不同尺度緩沖區(qū)景觀格局指數(shù)與河流水質(zhì)之間關系的分析。

2.2 緩沖作用區(qū)的劃分

依據(jù)渾河流向和子流域的劃分選取54個監(jiān)測點。以各個監(jiān)測點為計算基點，分別在河流的上下游方向分別延伸 250 m，再利用GIS軟件中的空間分析模塊，分別以 垂 直于河 道 50 m、100 m、200 m、300 m、400 m 和 500 m 六種不同的距離為標準建立緩沖作用區(qū)，這樣整個渾河流域共獲得324個緩沖作用區(qū)。

2.3 基于不同尺度緩沖區(qū)的景觀格局指數(shù)選取

本次研究選取了景觀水平上的 8 種景觀格局指數(shù)作為研究指標，參照相關的研究成果，所選取的景觀格局指數(shù)如表 1 所示。利用 GIS 空間分析模塊將不同緩沖區(qū)內(nèi)的土地利用類型進行柵格形式轉換，然后利用Fragstats 3.3軟件對各個緩沖區(qū)內(nèi)的景觀格局指數(shù)進行統(tǒng)計分析。結果顯示，在渾河流域劃分的324個緩沖區(qū)內(nèi)主要的土地利用類型是林地、旱地、水田、草地以及建筑用地，這五種用地類型的占比超過四分之三。具體到每個緩沖區(qū)，體土地利用構成也存在較大的差異，這種差異也隨著緩沖區(qū)尺度的變化而變化，不同緩沖區(qū)內(nèi)各個景觀格局指數(shù)的變化情況如表1所示。

表1 研究中選取的景觀指數(shù)與變化特征

3 研究結果與分析

3.1 相關性分析

依據(jù)上述統(tǒng)計中得出的景觀指數(shù)和渾河流域的水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)，對不同尺度空間下的景觀格局指數(shù)與渾河水質(zhì)之間的相關性進行分析，分析軟件采用 Statistica7.0?？偣腆w顆粒懸浮物(TSS)、總氮(TN)、氨氮( NH+4-N)、總磷(TP)、可溶性正磷酸鹽(DP)等五項主要指標與8項景觀格局指數(shù)之間的相關性分析結果如表2所示。

3.2 不同尺度緩沖作用區(qū)內(nèi)景觀格局指數(shù)對水質(zhì)影響的分析

由上表中的數(shù)據(jù)可以看出，所選取的 8 種景觀格局指數(shù)與渾河水質(zhì)的主要指標間存在不同程度的相關性，能夠在一定程度上反映景觀格局對渾河水質(zhì)的影響[3]。

(1)景觀斑塊數(shù)量的影響。景觀斑塊數(shù)量對總氮含量增加在 200m 與300m緩沖區(qū)范圍內(nèi)呈明顯的正效應，對氨氮含量增加在100 m 和200 m 緩沖區(qū)范圍內(nèi)呈明顯的正效應，由于景觀斑塊數(shù)量的生態(tài)學意義主要是景觀的破碎化程度，而流域 300 m 以內(nèi)區(qū)域的斑塊破碎化程度較高，因此對水體中氮化物含量的增加起到了正效應作用，而隨著距離的增加，這種效應明顯降低。

(2)景觀斑塊密度的影響。景觀板塊密度對總氮的增加在100 m緩沖區(qū)內(nèi)呈明顯的正效應，對氨氮在小于100 m緩沖區(qū)內(nèi)呈明顯的正效應。這一生態(tài)格局指數(shù)的生態(tài)意義與斑塊數(shù)量類似，也是反映景觀格局的破碎化程度。緩沖作用區(qū)100 m以內(nèi)的斑塊密度較高、景觀類型復雜，對渾河水體中氮化物含量的增加呈一定的正效應。而隨著距離的增加，斑塊密度不斷降低，對水質(zhì)的影響并不明顯。

(3)最大斑塊指數(shù)的影響。最大斑塊指數(shù)對總氮和可溶性磷酸鹽含量的增加在50 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)呈明顯的正效應，對氨氮和總固體顆粒物含量增加在小于100 m 緩沖區(qū)范圍內(nèi)呈明顯正效應。由于最大斑塊指數(shù)的生態(tài)學意義是優(yōu)勢景觀類型，在渾河 100 m 內(nèi)的緩沖區(qū)的優(yōu)勢景觀主要是水田、旱田和建筑用地，而 300 以外主要是林地，由此可見，人類的生產(chǎn)生活是渾河水質(zhì)惡化主要因素。

(4)最大形狀指數(shù)的影響。最大形狀指數(shù)對總氮在 300 m 緩沖區(qū)范圍內(nèi)有明顯的正效應，對總磷在 50 m 緩沖區(qū)范圍內(nèi)有明顯的正效應。最大形狀指數(shù)的生態(tài)學意義是景觀形狀的復雜程度，但是景觀的復雜程度對水質(zhì)的影響具有明顯的差異性。能夠確定的是 300 m 以內(nèi)的緩沖區(qū)中兩者之間有明顯的正效應，但是斑塊形狀變化對水質(zhì)的影響并不明顯。

(5)香農(nóng)多樣性指數(shù)的影響。該指數(shù)對總氮、氨氮以及總固體顆粒物含量增加在 50 m、100 m 和 200 m 緩沖區(qū)范圍內(nèi)呈明顯的正效應。該指數(shù)的生態(tài)學意義是景觀要素的比例和異質(zhì)性和多樣性，而渾河 200 m 緩沖區(qū)范圍內(nèi)景觀多樣性較低，對水質(zhì)的影響也比較明顯。

(6)蔓延指數(shù)的影響。該指數(shù)對總氮和氨氮含量增加在小于 300 m 的緩沖區(qū)范圍內(nèi)有明顯的正效應，對固體顆粒物含量增加在小于 200 m 的緩沖區(qū)范圍內(nèi)呈明顯的正效應。蔓延指數(shù)的生態(tài)意義主要是經(jīng)管的聚集程度，而渾河流域小于 300 m 范圍內(nèi)主要是水田、旱田和建筑景觀類型。因此，上述分析說明，河岸地帶人類活動頻繁對渾河水質(zhì)的影響顯著。

(7)聚集度指數(shù)的影響。該指數(shù)對總氮在小于 300 m 的緩沖區(qū)范圍內(nèi)有明顯的負效應，對總磷在 50 m 緩沖區(qū)范圍內(nèi)有明顯的負效應，對總固體顆粒物在小于 300 m 的緩沖區(qū)范圍內(nèi)有明顯的正效應。該指數(shù)的生態(tài)學意義是景觀的聚集程度和聚集性變化，而渾河流域隨著緩沖距離的增加該指數(shù)不斷減小，而水體中的氮磷含量增加，水污染程度加深[8]。

(8)斑塊結合度的影響。該指數(shù)對總氮、氨氮含量增加在小于 100 m 緩沖區(qū)范圍內(nèi)有明顯的正效應，對總固體顆粒物和可溶性磷酸鹽在 50 m 緩沖區(qū)范圍內(nèi)有明顯的正效應。該指數(shù)與蔓延指數(shù)的生態(tài)學意義相近，在小于100 m 緩沖區(qū)范圍內(nèi)該指數(shù)不斷降低，而受人類活動的影響，對水質(zhì)的影響作用明顯[4]。

4 結語

上述研究顯示，景觀格局在不同空間尺度下的分布對渾河流域水體水質(zhì)的影響程度也有所不同。緩沖區(qū)距離小于 300 m 的范圍是景觀格局影響渾河水質(zhì)的關鍵性區(qū)域，而這一區(qū)域也是分析蘇子河流域整體景觀格局空間特征對水質(zhì)影響的關鍵。斑塊數(shù)量、斑塊密度、斑塊分布、斑塊的聚集和聯(lián)通程度是影響渾河水質(zhì)的關鍵因素。

[1]杜榮海.遼寧省水資源量情勢淺析[J].水土保持應用技術.2016.(02)：27-28.

[2]劉啟和.基于遼陽縣地下水資源質(zhì)量評價的研究[J].水土保持應用技術.2016.(05)：47-49.

[3]程海英.錦州市城區(qū)水資源現(xiàn)狀及優(yōu)化配置方案[J].水土保持應用技術.2015.(06)：22-23+32.

[4]姚建.淺談城市生活用水水平衡測試分析[J].地下水.2013.(06)：35-36+40.